Implementable MPC strategies for oilfield with electric submersible pump installations - Santana, Bruno Aguiar (2024)
Este trabalho aborda o desenvolvimento de estratégias de controle preditivo (MPC) aplicadas a sistemas de elevação artificial baseados em bombeio centrífugo submerso (BCS), visando superar desafios relacionados à estabilização do processo em amplas faixas operacionais, cumprimento de restrições típicas do BCS, e a busca por metas de eficiência energética. Embora o tema tenha sido amplamente explorado na literatura, as soluções propostas, em sua maioria, são baseadas em abordagens lineares que têm desempenho degradado fora da condição nominal. Estratégias baseadas em modelos não lineares e MPC adaptativo têm sido sugeridas, mas enfrentam desafios práticos, como a implementação em sistemas embarcados e a garantia de estabilidade em malha fechada, fatores que estão associados à segurança e confiabilidade exigidas pela indústria. A principal contribuição desta tese é a criação de esquemas de MPC que estabilizam o processo em uma ampla faixa operacional, considerando metas econômicas e restrições operacionais, além de permitir a implementação em sistemas embarcados com geração automática de código C/C++. Esta tese propõe quatro estratégias de MPC para superar as limitações existentes nas abordagens encontradas na literatura: (i) um controle MPC adaptativo com linearização sucessiva do modelo BCS, garantindo a factibilidade da lei de controle e a estabilidade operacional em uma ampla faixa; (ii) um controle MPC não linear acoplado a um filtro de Kalman estendido, que amplia a faixa de operação e estima variáveis de difícil medição, como a vazão média; (iii) uma extensão robusta do MPC de horizonte infinito, que considera incertezas e restrições operacionais e garante estabilização robusta; e (iv) uma versão aprimorada do MPC não linear com horizonte de predição infinito para garantir estabilidade nominal e viabilidade computacional em cenários práticos. Simulações e testes hardware-in-the-lop demonstram a viabilidade dessas soluções de MPC para operação em tempo real, destacando o potencial das abordagens não lineares e robusta para otimizar a operação de sistemas BCS em campos de produção de petróleo.