Model Predictive Control for a De-oiling Hydrocyclone: A Theoretical and Experimental Study

Abstract

Utslipp av produsert vann er en voksende bekymring på grunn av den negative miljøpåvirkningen. En potensiell løsning er de-oiling hydrosykloner, som er den mest brukte teknologien for å rense produsert vann. Compact Separator Laboratory (CSL) er et renseanlegg for produsert vann, som muliggjør for undersøkelsen av hydrosykloners ytelse og utviklingen av kontrollmetoder for å vedlikeholde deres effektivitet.

Den primære hensikten til dette prosjektet har vært å implementere Model Predictive control (MPC) i CSL. MPC er en avansert kontrollalgoritme, som tar bruk av en modell av prosessen samt tilgjengelige målinger. Implementering av MPC kan være gunstig, ettersom det kan hjelpe å automatisk holde oljenivået til det produserte vannet under den maksimalgrensen på 30 ppm.

En tidligere utviklet førsteprinsipps-modell har blitt brukt som grunnlaget for modellen i MPC-en. Imidlertid har enkelte endringer blitt gjort, mest merkbart en eksperimentell polynomtilnærming av en av modellens parmetre. En ikke-lineær MPC ble utviklet og testet i simulering, før den ble implementert i CSL. Den har blitt testet for to forstyrrelser, nemlig økninger i strømningshastigeten og oljekonsentrasjonen ved innløpet.

Et andregradspolynom av den internt separerte oljen i hydrosyklonen ble eksperimentelt funnet. Den eksperimentelt implementerte MPC-en taklet en økning i oljekonsentrasjonen ved innløpet bra. Ved en økning i strømningshastigheten ved innløpet derimot, klarte ikke MPC-en å handle effektivt.

The emissions of produced water is a growing concern due to the negative environmental impact. A potential solution is de-oiling hydrocyclones, which is the most commonly used technology to treat produced water. The Compact Separator Laboratory (CSL) is a produced water treatment plant, which allows for the study of hydrocyclone performance and the development of control methods to maintain their efficiency.

The primary purpose of this project has been to implement Model Predictive Control (MPC) in the CSL. MPC is an advanced control algorithm, which makes use of a model of the process as well as any available measurements. Implementing MPC may be beneficial as it could help automatically keep the oil content of the produced water below the maximum level of 30 ppm.

A previously developed first-principles hydrocyclone model has been used as the foundation for the model in the MPC. However, certain alterations have been made, notably an experimental polynomial approximation of one of the model parameters. A nonlinear MPC was developed and tested in simulation, before it was implemented in the CSL. It has been tested for two disturbances, namely increases in the inlet flow rate and the inlet oil concentration.

A second-degree polynomial of the internally separated oil in the hydrocyclone was experimentally obtained. The experimentally implemented MPC handled an increase in the inlet oil concentration well. When increasing the flow rate, on the other hand, the MPC failed to act efficiently