Ask the expert: Simulação de dutos

Apoio à solução de problemas em todos os estágios do ciclo de vida de um duto

Desde o projeto inicial de um novo duto até o suporte diário a uma equipe de operações de dutos, os softwares de simulação de dutos, como o Atmos SIM, têm o valor de serem versáteis. Eles são usados como uma ferramenta para treinamento e avaliação, bem como para modelagem de dutos de gás e líquidos, tendo vários aplicativos como off-line, on-line e look-aheads (consulte a Figura 1). Entrevistamos Jason Modisette, nosso Cientista Chefe de Simulação e coautor do livro da "The Atmos book of pipeline simulation", que respondeu a algumas das principais perguntas que nos fazem sobre simulação de dutos, incluindo

Pergunta 1: Há quanto tempo você trabalha com simulação de pipeline?

Estou nesse setor há 25 anos. Durante esse tempo, trabalhei em modelos de gás, líquidos e multifásicos, e em aplicativos desenvolvidos com base em modelos, como otimizadores, sistemas de detecção de vazamentos e modelos on-line e off-line.

Pergunta 2: O que você acha do "The Atmos book of pipeline simulation"?

Estou muito feliz com o resultado. O objetivo desse livro era escrever tudo o que eu gostaria de ter sabido quando comecei a trabalhar nesse setor.

Figura 1: O livro da Atmos sobre simulação de dutos e os Apêndices do livro da Atmos sobre simulação de dutos, escrito por Moe Metwally e Dr. Jason Modisette. Disponível para compra na Amazon.

O público-alvo é, na verdade, dois grupos. Destina-se a matemáticos e cientistas da computação que desejam aprender sobre tubulações e a pipeliners que desejam aprender sobre as técnicas numéricas usadas na simulação de dutos.

Pergunta 3: O que um simulador de dutos faz?

Um simulador off-line produz um modelo no computador do que está acontecendo no pipeline real. Isso pode ser útil para fins de projeto, para experimentar diferentes cenários e para treinamento.

Um simulador de visão antecipada (look ahead) é um tipo de simulador off-line que pode executar as operações atuais no futuro e nos mostrar o que acontecerá quando fizermos determinadas coisas no pipeline, começando pelo estado atual.

Por fim, um simulador on-line usa a instrumentação instalada no pipeline para conduzir o modelo. Ele mantém um estado preciso do que está acontecendo no sistema no momento. Isso pode nos dizer quais são as pressões e os fluxos em locais onde não há instrumentação. Também serve para detectar anomalias.

Pergunta 4: Quais são os principais desafios para uma empresa de dutos ao usar um software de simulação?

Um modelo on-line é um equipamento mais rigoroso (no que se refere aos requisitos de precisão do medidor) do que qualquer outro que uma empresa de dutos possa encontrar. Isso significa que, ao instalar um modelo on-line pela primeira vez, você encontrará uma série de problemas com a medição existente que não o afetaram até agora. Esses problemas precisam ser resolvidos ou contornados para que o simulador funcione em seu desempenho máximo.

Por exemplo, se você tem uma válvula de bloqueio e o sensor de posição está lendo erroneamente que ela está fechada, seus operadores provavelmente convivem com isso há anos e sabem que isso está acontecendo e não se importam porque sabem que o sensor de posição não é confiável. Se você inserir isso em um modelo, ele produzirá resultados completamente sem sentido até que isso seja resolvido. Portanto, você terá que corrigir vários problemas como esse.

Em muitos casos, não é viável, por motivos de custo, entrar e substituir o sensor. O que acontece como parte do processo de instalação do simulador é que a Atmos International descobriria alguma forma de determinar se a válvula estava aberta por meio de outros sensores. Por exemplo, talvez haja um medidor de vazão próximo à válvula. Se o medidor de fluxo estiver lendo algo diferente de zero, diremos que a válvula está aberta e, se estiver lendo zero, diremos que a válvula está fechada.

Caso contrário, você teria que ignorar o medidor ruim e isso poderia causar problemas no futuro se alguém abrisse a válvula.

Pergunta 5: Como uma empresa de dutos pode se beneficiar do uso de um modelo on-line?

Um modelo on-line pode lhe dizer muito mais sobre o que está acontecendo em sua tubulação do que apenas olhar os instrumentos. Ao mostrar as pressões em pontos distantes dos medidores, ele pode identificar possíveis violações de pressão máxima ou folga. Ele também pode fornecer estimativas muito precisas do "line-pack" em um gasoduto.

Os modelos on-line também servem como base para outras aplicações em gasodutos, especialmente sistemas de detecção de vazamentos. Em gasodutos, qualquer sistema preciso de detecção de vazamentos precisará de um bom modelo on-line subjacente se for baseado em software e não exigir a adição de hardware adicional caro à linha. Se os instrumentos forem bem mantidos, o modelo deverá ser capaz de fornecer uma detecção precisa de vazamentos com o mínimo de alarmes falsos e também localizações e tamanhos de vazamentos precisos.

Por último, os modelos on-line são bons em uma variedade de outras detecções de anomalias, observando as inconsistências entre os instrumentos. Eles podem mostrar quando bombas ou compressores estão começando a falhar e precisam de manutenção, quando há acúmulo de líquido em um gasoduto ou quando um lote em um gasoduto de líquidos não tem as propriedades esperadas do fluido.

Pergunta 6: O que uma empresa de dutos pode fazer com modelos off-line?

Um modelo off-line pode ser usado como uma ferramenta de projeto para ajudar a decidir o tamanho da tubulação, das bombas ou dos compressores necessários para atingir suas metas e calcular o custo de uma tubulação. Ele também pode ser usado como base de um otimizador que determinará como operar uma tubulação, ou seja, qual taxa de fluxo e pontos de ajuste de pressão usar e quando iniciar e parar bombas específicas para minimizar os custos.

Os modelos off-line também podem ser usados em um contexto de projeto para calcular os custos operacionais de uma tubulação que ainda não foi construída, permitindo que o otimizador decida como operar essa tubulação de forma ideal.

Separadamente, os modelos off-line podem ser usados para análise de surtos. Isso é usado principalmente para provar aos órgãos reguladores que seu oleoduto estará operando com segurança e dentro dos limites em vários cenários diferentes. A análise de surtos também pode ser usada para ajustar alguns equipamentos da tubulação, como ajustar os critérios de fechamento das válvulas de desligamento de emergência para evitar acioná-las acidentalmente durante a operação normal ou durante viagens do compressor.

Por fim, os modelos off-line transitórios podem ser usados como treinadores. Eles simulam o comportamento da tubulação real, de modo que um estagiário não corre o risco de sujar acidentalmente as operações da tubulação enquanto aprende como ela funciona.

Pergunta 7: Com que precisão você pode modelar um pipeline?

Em um modelo on-line (em que os medidores são cuidadosamente mantidos), geralmente podemos fornecer precisão de cerca de um PSI de erro em toda a rede. Esse nível de precisão exige certa dedicação do operador da tubulação, e todos os desvios entre as leituras do medidor e os valores modelados devem ser investigados. Quaisquer mudanças em grande escala no ambiente operacional, como mudanças térmicas, também precisam ser inseridas corretamente no modelo.

Se você tiver apenas um modelo em execução que era bom quando começou, mas deixá-lo funcionando por alguns anos e não fizer nada com ele, sua precisão será provavelmente de mais ou menos dez erros de PSI em toda a rede. Em muitas circunstâncias, essa é uma precisão suficientemente boa para muitos aplicativos. Isso lhe dará um pacote de linhas ótimo em um gasoduto, e custa caro rastrear os erros do medidor e monitorar o modelo constantemente, portanto, é preciso considerar qual nível de precisão vale a pena manter. É importante fornecer o nível certo de atenção para as aplicações de dutos que você está analisando.

Para modelos de líquidos, deparamo-nos com alguns problemas ambientais em que podemos ter parâmetros errados sobre o sistema, sendo o maior deles a viscosidade em lotes de petróleo bruto. Esses são geralmente mal caracterizados e podem produzir erros de modelo significativos maiores do que o número de dez PSI.

Por último, uma linha exposta à atmosfera, como luz solar, nuvens, vento e assim por diante, apresenta erros significativos decorrentes das condições térmicas desconhecidas ao redor da linha, mas, felizmente, isso é bastante raro porque a maioria das tubulações é enterrada. Os outros parâmetros, como diâmetros e comprimentos da tubulação, geralmente são bem conhecidos pelas empresas e não são uma fonte significativa de erro.

Pergunta 8: Para gasodutos, há muito mais aplicativos de simulação on-line ou em tempo real fora dos Estados Unidos. Quais são os principais motivos para essa diferença?

Historicamente, os órgãos reguladores dos Estados Unidos não exigem a detecção de vazamentos em gasodutos como os órgãos reguladores de outros países têm feito e a ventilação de gás também se permitiu até recentemente. Os principais usos dos modelos de gás on-line são o gerenciamento de capacidade e a detecção de vazamento on-line, e eles são muito econômicos em comparação com outras opções, como a detecção de vazamento baseada em hardware.

Percebemos que o ambiente regulatório está mudando e esperamos ver no futuro mais modelos de gás on-line no mercado dos EUA. Os recentes acontecimentos na Europa também destacam a importância do fornecimento seguro de gás e o valor que o gás norte-americano pode gerar. Os modelos de gás on-line podem ajudar a operar as complexas redes eficientemente, sem ventilação. Isso também ajudará a reduzir as emissões de metano.

Pergunta 9: Quais são os principais elementos para ter um aplicativo de simulação on-line ou em tempo real bem-sucedido?

Como mencionei anteriormente, a primeira coisa que você precisa fazer é resolver os problemas do medidor. Isso normalmente acontece durante o comissionamento do sistema e é muito mais fácil de fazer se houver um canal direto de comunicação entre o fornecedor da simulação e a empresa de tubulação, em vez de ter que passar pelo intermediário da empresa SCADA, por exemplo, o qual é um arranjo comum.

Figura 3: Configuração de uma interface de usuário para monitorar os dutos usando o Atmos SIM

Quando o modelo está em execução, você precisa de alguém na companhia de dutos que se responsabilize por ele e fique atento para garantir sua precisão. Com o tempo, surgirão problemas e os medidores começarão a se desviar dos resultados do modelo. E isso resultará em alarmes, mas alguém precisa examinar os alarmes e descobrir o que os está causando. Geralmente, isso é algo que pode ser feito inteiramente pela empresa de dutos. Mas, ocasionalmente, será necessário voltar ao fornecedor da simulação e obter sua ajuda com a análise.

No caso de um aplicativo de detecção de vazamentos, isso provavelmente resultará em alarmes falsos e é importante que a causa de cada alarme falso seja compreendida. A análise de alarmes falsos leva tempo e custa dinheiro, e é por isso que é importante que o sistema não produza muitos deles em primeiro lugar. Esses são os principais aspectos necessários para obter aplicativos de modelo precisos.

Pergunta 10: Que impacto a computação em nuvem terá sobre a simulação?

A execução de simulações na nuvem nos permite executar rapidamente vários cenários em paralelo e isso pode ser usado para responder a perguntas de engenharia. Por exemplo, alguém pode querer saber com que rapidez pode fechar uma válvula para manter a pressão de surto em um determinado ponto abaixo da pressão máxima permitida. Execuções com diferentes tempos de fechamento podem ser realizadas de uma só vez para ver qual é o melhor resultado.

A Atmos também está explorando o uso da nuvem na otimização operacional de gasodutos, em que determinamos a maneira mais eficiente de realizar uma operação futura, tentando vários cenários diferentes, executando-os em paralelo e verificando qual deles é o mais eficiente.

Figura 4: Simulação de um período de 24 horas em uma sala de controle de gasoduto usando o Atmos SIM

Por fim, a computação em nuvem pode ser usada em aplicativos de simulação on-line para caracterizar parâmetros desconhecidos da linha. Isso acontece mais comumente em linhas de petróleo bruto, onde a viscosidade de um lote de entrada não é bem conhecida. Com um modelo on-line em execução na nuvem, podemos dividi-lo em vários modelos paralelos, experimentar diferentes viscosidades, ver qual delas se encaixa melhor no que estamos vendo na instrumentação, mantê-la e continuar a execução a partir daí.

Pergunta 11: Como a simulação ajudará na transição energética?

As empresas de dutos estão na vanguarda da transição energética. No caso dos gasodutos, isso consiste em três coisas principais: mistura de hidrogênio ao gás existente, transporte de dióxido de carbono (possivelmente em gasodutos existentes ou em novos gasodutos) e lidar com cargas de pico intenso, onde as usinas elétricas a gás são usadas para cobrir lacunas na energia fornecida por fontes renováveis, como eólica e solar. O que é necessário no caso da simulação de mistura de CO2 e hidrogênio é que ela consiga modelar com precisão as equações de estado que regem esses fluidos. Atualmente, as equações são bastante precisas para o dióxido de carbono, desde que ele seja puro, mas o que esperamos ver no futuro é o dióxido de carbono misturado com outras impurezas, como produtos de combustão, e há pesquisas em andamento sobre as equações de estado necessárias para modelar isso com precisão.

Para picos de carga, esperamos ver uma otimização de gás mais interessante, já que os gasodutos são solicitados a operar em regimes de fluxo novos e mais transitórios do que antes, e o software certamente pode ajudar com isso.

Fora da área de gasodutos, esperamos ver mais tubulações de líquidos compressíveis transportando coisas como líquidos de gás natural ou gases liquefeitos de petróleo. Os simuladores existentes, incluindo o Atmos SIM, podem modelar isso com precisão, mas é necessário entender que o comportamento das bombas é bastante diferente com esses elementos e ter equações de estado precisas. Os oleodutos de petróleo bruto estão experimentando taxas de fluxo decrescentes à medida que os campos se esgotam e novos campos não são perfurados, e esse também é um lugar no qual a simulação de dutos pode ajudar. Um modelo térmico preciso, tanto do fluido quanto do ambiente térmico em torno da parte externa do oleoduto, é necessário para saber quando o petróleo bruto se tornará frio e viscoso demais para ser bombeado sem a adição de aquecedores ou outras alterações no equipamento do oleoduto.

Pergunta 12: O que você mais gosta em trabalhar com simulação de dutos?

Bem, uma coisa boa sobre os simuladores de dutos, em comparação com outros tipos de aplicativos de dinâmica de fluidos, é que eles são muito rápidos de executar. Isso ocorre porque as tubulações são 1D. Se você estiver fazendo algo como um modelo 3D de fluxo de ar sobre uma asa de avião, pode levar um dia inteiro para obter os resultados, mas a maioria dos nossos simuladores pode executar os problemas simples que encontramos durante o desenvolvimento em poucos segundos. Isso agiliza bastante o ciclo de execução da simulação, a verificação do que foi feito, a correção ou a alteração da maneira que eu quiser e a execução novamente. Também é rápido desenvolver novos recursos, corrigir bugs e esse tipo de coisa. Isso torna todo o processo de trabalho mais agradável e mais rápido. Também gosto muito de trabalhar com otimizadores.

A melhor coisa quando se está escrevendo um otimizador é quando o programa retorna com uma solução na qual você não teria pensado e faz algo inteligente. É quase como quando seu filho faz algo inteligente. Ocasionalmente, se tivermos sorte, nos deparamos com um problema em que podemos fazer algo equivalente a uma pesquisa global em todas as soluções. Esses problemas surgem às vezes e são os mais divertidos de se trabalhar, porque o otimizador provavelmente produzirá uma solução na qual eu mesmo não teria pensado.

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Jason Modisette é coautor do The Atmos Book of Pipeline Simulation, que oferece uma visão única e aprofundada da tecnologia de simulação de dutos, com exemplos específicos demonstrados usando o Atmos Simulation (SIM) Suite.