AVALIAÇÃO E MELHORIA DO SISTEMA DE CONTROLE DE UMA CENTRAL DE GERAÇÃO DE VAPOR EM UMA REFINARIA

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1 AVALIAÇÃO E MELHORIA DO SISTEMA DE CONTROLE DE UMA CENTRAL DE GERAÇÃO DE VAPOR EM UMA REFINARIA Cristine Kayser Simone Maria Marcon Augusto dos Santos Raimundo Leandro Porto Lusa José Hugo Eder Martins Petrobras Francisco de Assis Pinto Marques Petrobras Resumo Este trabalho apresentará os problemas levantados e as ações corretivas realizadas durante um projeto de melhoria de controle regulatório em uma central de geração de vapor de uma refinaria, composta por três caldeiras. O projeto teve início com a avaliação de 30 malhas de controle do sistema, nesta etapa os problemas detectados foram classificados com as seguintes disposições: Nenhum Problema, Configuração do Sistema de Controle, Manutenção, Sintonia, Projeto, Estrutura de controle e Operação. Para cada uma destas disposições foram levantadas ações de melhoria, que foram validadas com as equipes de Otimização e Operação da unidade, e então aplicadas. Palavras chaves: avaliação de malhas, caldeira, estratégia de controle. 1. Introdução A indústria de processos está em constante modernização e expansão, sempre procurando novos meios para reduzir os custos e tornar sua produção mais eficiente. Com esta expansão, vêm junto novos desafios para manter a planta estável e com os rendimentos desejáveis. Por isso, um bom projeto de controle, aliado a uma boa manutenção nos equipamentos já existentes, podem ser o diferencial entre conseguir ou não os ganhos propostos pela expansão. Com base nisto, este trabalho apresentará os problemas levantados e as ações corretivas realizadas durante um projeto de melhoria de controle regulatório em uma central de geração de vapor de uma refinaria, composta por três caldeiras. O projeto teve início com a avaliação de 30 malhas de controle do sistema, através dos relatórios gerados por um software de auditoria de desempenho, onde os problemas detectados foram classificados com as seguintes disposições: Nenhum Problema, Configuração do Sistema de Controle, Manutenção, Sintonia, Projeto, Estrutura de controle e Operação. Para cada uma destas disposições foram levantadas ações de melhoria, que foram validadas com as equipes de Otimização e Operação da unidade, e então aplicadas.

2 A seguir é apresentada, primeiramente, uma descrição da unidade avaliada, e então são detalhadas as etapas do projeto: avaliação inicial das malhas, ações corretivas aplicadas e os resultados obtidos. 2. Descrição da Unidade A central de geração de vapor da unidade onde o projeto foi realizado é composta por três caldeiras. Nas caldeiras o vapor é gerado a partir da energia liberada em forma de calor pela queima de combustíveis. Este é utilizado pela unidade de craqueamento catalítico (FCC), trocadores de calor e equipamentos à vapor (bombas, ventiladores). Para gerar energia, as caldeiras podem utilizar gás combustível, óleo ou diesel, dependendo da disponibilidade de cada um. Cabe salientar que o principal combustível para as três caldeiras é o gás. Estas caldeiras são do tipo aquatubular, ou seja, o vapor é produzido dentro de tubos na sua fornalha, enquanto que os gases de combustão circulam externamente a eles. A fornalha consiste numa câmara com queimadores, em que o ar e o combustível são misturados e queimados. Ao entrar em contato com as paredes dos tubos do sistema de água, os gases da queima transferem parte do calor para a água, gerando vapor saturado. Para evitar danos aos equipamentos o vapor que sai do tubulão é superaquecido para remoção de gotículas de água. Após o superaquecedor há um sistema de spray atemperador (desuperaquecedor) que garante o controle da temperatura do vapor que sai da caldeira através da injeção de água em alta pressão no vapor. O inventário do sistema é mantido pela injeção de água no tubulão superior das caldeiras. Esta água de alimentação é tratada e aquecida em dois desaradores do tipo Spray Tray. A função destes equipamentos é remover os gases não condensáveis responsáveis pela corrosão e também preaquecer a água de alimentação da caldeira. Desta forma tem-se uma maior eficiência térmica além da eliminação dos gases O2 e CO2. Paralelamente, produtos químicos são dosados na água a fim de evitar a corrosão. Outra característica da caldeira é a sua tiragem forçada. Isto significa que há um ventilador instalado no início da tubulação de ar, que sopra ar de combustão para dentro da câmara de combustão. A fim de melhorar a eficiência energética nas caldeiras há um pré-aquecedor de ar de combustão com vapor (SAH) e outro pré-aquecedor com os gases provenientes da combustão, que seguiram para a chaminé. Figura 1: Fluxograma simplificado de uma caldeira da unidade 2.1 Controle de pressão do vapor O controle de pressão do vapor gerado é feito através de um controlador único (PIC-01), que envia o mesmo sinal de controle para três blocos HIC (HIC-01, HIC-02 e HIC-03) que pode habilitam, ou não, a respectiva caldeira para receber o sinal do PIC-01. Quando o HIC está habilitado, este sinal

3 alimenta a estratégia de limite cruzado implantada em cada caldeira. A Figura 2 apresenta de forma simplificada esta implementação, maiores detalhes e outras estratégias de controle envolvendo caldeiras podem ser encontradas em Bega (2003). Figura 2: Estratégia de controle de pressão envolvendo as três caldeiras Conforme descrito por Campos e Teixeira (2006), a lógica de limite cruzado tem por objetivo garantir que sempre haja um excesso de ar na caldeira, garantindo a queima total do combustível para manter a pressão desejada na caldeira. A Figura 3 apresenta uma representação simplificada desta estratégia. Figura 3: Estratégia de limite cruzado, implementada em cada caldeira, exemplificado para um combustível Nesta estratégia, a saída do controlador de pressão (PIC-01), quando o HIC está habilitado, segue para dois seletores, um de maior, que ajustará do setpoint para a vazão de ar (FIC-02), e outro de menor, que dará o setpoint de vazão para o combustível (FIC-05, exemplificando apenas para a vazão de gás). A leitura da vazão de ar é feita pelo FIT-02 e passa por um bloco de calculo que calcula a porcentagem de vazão de combustível que equivale a vazão de ar medida. Este valor é

4 repassado para o seletor de menor e para o controlador FIC-02. Nota-se que dentro da malha de controle, todos os sinais estão em porcentagem de combustível. 3. Avaliação Inicial das Malhas Na unidade de geração de vapor foram analisadas 30 malhas de controle, através dos relatórios gerados por um software de auditoria de malhas ao longo de um mês de operação estável, onde os problemas detectados foram divididos dentro das disposições apresentadas na Tabela 1. Além disso, na avaliação inicial das malhas foi realizado um levantamento da quantidade de malhas operando em modo manual e em condição de saturação. Tanto a operação em modo manual como em saturação, indicam problemas no desempenho dos controladores. Tabela 1: Disposições dos problemas detectados e seus significados. Disposição Nenhum problema Configuração do Sistema de Controle Manutenção Sintonia Projeto Estrutura de controle Operação Significado Nenhuma ação é requerida para a malha. Problemas na amostragem dos dados, configuração de blocos de lógica e cálculo no SDCD, conversão de sinal, etc. Problemas de manutenção de válvulas, instrumentos de medida, compressores, bombas, linhas, etc. Configuração dos parâmetros PID do controlador Dimensionamento de linhas, válvulas, equipamentos, seleção de válvula, etc. Erro de escolha da estratégia de controle, tipo de controlador, escolha de variáveis, erros conceituais no sinal da ação do controlador, etc. Malha de controle em modo incorreto de operação, alterações de setpoint, uso de desvios, etc. A distribuição das disposições em que cada malha foi classificada é apresentada na Figura 4. Cabe salientar, que uma mesma malha pode ser classificada em mais de uma disposição, por isso a quantidade de disposições maior do que a quantidade de malhas analisadas. Como pode ser verificado, houve maior ocorrência de problemas classificados como Configuração do Sistema de Controle, Manutenção e Sintonia. Sendo que a disposição Configuração do Sistema de Controle ocorreu em malhas vitais da unidade, como o controle de pressão do vapor de saída e nas malhas do sistema de combustão, controles de vazões de combustíveis e ar de combustão das caldeiras. Figura 4: Disposição das malhas analisadas. A Tabela 2 apresenta a distribuição da quantidade de malhas operando em modo manual. Entre as 13 malhas que operaram 100% do tempo avaliado em modo manual estão as 10 malhas vitais para o controle do sistema, a pressão do vapor de saída e o sistema de combustão das três caldeiras. Tabela 2: Distribuição de malhas operando em modo manual Quantidade Percentual (%) Malhas não apresentando operação em modo manual 17 56,7

5 Malhas 100% do tempo avaliado em modo manual 13 43,3 3.1 Problemas detectados nas malhas do sistema de combustão O surgimento de problemas na configuração das malhas no SDCD ocorreu após a alteração do combustível utilizado pela unidade, que operava com a queima de óleo e passou a operar com queima preferencial de gás combustível. Esta alteração inviabilizou que o controle de pressão do vapor trabalhasse em modo automático. Como o controle de pressão opera como mestre sobre as vazões de combustíveis das três caldeiras, estas vazões passaram a ser controladas pelos operadores da unidade, que manipulavam diretamente as válvulas das vazões de combustível e ar de combustão nas três caldeiras. A implementação das lógicas no SDCD realizada logo após a alteração no sistema de combustível permitia a utilização de óleo e gás ao mesmo tempo, ou individualmente nas caldeiras. Com isso, a quantidade de ar injetada na caldeira era baseada na soma das vazões dos dois combustíveis. Entretanto, a vazão de óleo medida é a vazão total, inclusive a recirculação que é mantida mesmo quando este combustível não está sendo utilizado. Esta medida mascarada associada a problemas de indicação na vazão de óleo fazia com que uma quantidade maior do que a necessária de ar de combustão fosse alimentada na caldeira. Isto resultava em saturação na variável manipulada da vazão de ar, causando perda de controle desta variável de processo, dificuldade de operação da caldeira como um todo e redução na eficiência quando o controle de pressão operava em modo automático. Outro problema detectado foi utilização da curva ar/combustível no bloco de cálculo da razão baseada apenas no óleo. Este bloco indicava a quantidade de ar necessária de acordo com a quantidade de combustível injetado, porém não diferenciava qual combustível estava sendo dosado no sistema. Isto também pode influenciar na uma redução do rendimento da caldeira com o controle de pressão operando de forma automática. 4. Ações Corretivas Depois de diagnosticados os pontos sujeitos a melhorias no sistema, ações corretivas foram propostas, validas com as equipes de otimização e acompanhamento da unidade, e então executadas. Com relação às principais disposições levantadas, de forma geral, foram realizadas as seguintes ações: Manutenção: os problemas listados foram verificados durante a manutenção geral das caldeiras, que foi realizada ao longo do projeto. Configuração do Sistema de Controle: foram realizadas alterações nas lógicas implantadas no SDCD, conforme descrito no item 4.1 Sintonia: durante a etapa de implementação das alterações no SDCD, foram realizados os testes de identificação e a modificação dos parâmetros de sintonia. 4.1 Alterações realizadas no sistema de controle A fim de adequar a estratégia de controle envolvendo as malhas de combustão implementada no SDCD possibilitando a operação do PIC-01 em modo automático, e aumentar o controle da operação na eficiência da caldeira, foram realizadas as seguintes modificações: Implementada chave de seleção de combustível (HS), por caldeira. Desta forma, os operadores escolhem com qual combustível cada caldeira irá operar, óleo ou gás (em destaque na Figura 5, item A). Dependendo da posição da chave de seleção, o valor utilizado pela estratégia de limite cruzado passa a ser o sinal vindo do FIT correspondente ao combustível selecionado, FIT-05 ou FIT-07, enquanto que o sinal do outro combustível não é considerado. Inserido parâmetro, que é definido pela operação, que é somado ao setpoint enviado a vazão de ar FIC-02 (BIAS). Isto permite um ajuste fino do excesso de oxigênio dos gases de combustão, possibilitando um aumento de eficiência das caldeiras (em destaque na Figura 5, item B). Dependendo da posição da chave de seleção de combustível, no bloco de cálculo há uma lógica que determina qual curva deve ser utilizada, AR/GÁS ou AR/ÓLEO. Entretanto, até o final do projeto a curva ar/gás ainda não havia sido levantada.

6 Figura 5: Alterações implantadas na lógica 5. Reavaliação das Malhas Um mês após a realização das ações corretivas foi realizada uma reavaliação das malhas de controle, utilizando-se os mesmos princípios que os adotados na avaliação inicial. Através da Erro! Fonte de referência não encontrada. é possível observar que houve um aumento do número de malhas na disposição Nenhum Problema de 18 para 27. Este resultado está vinculado principalmente à manutenção geral feita nas caldeiras e à alteração na estratégia de controle, que possibilitou a operação do controle de pressão em automático. Figura 6: Disposição das malhas antes e após as ações corretivas Com as alterações no SDCD foi possível o coloca em modo automático o controle de pressão de vapor, e as malhas dos sistemas de combustão das caldeiras em modo cascata, aumentando a estabilidade e a segurança da unidade. A Figura 7 apresenta um resumo dos principais ganhos obtidos após as ações corretivas: Redução de 80 % da variabilidade da pressão do vapor, apresentando desvio padrão de 0,14 kgf/cm² antes das ações corretivas e 0,03 kgf/cm² após as ações corretivas. Uma comparação do comportamento da pressão antes e depois das ações corretivas é apresentada na Figura 8, mostrando a atuação mais rápida durante entrada de distúrbios no sistema com a malha de pressão operando em modo automático.

7 Redução nas ações do operador nas malhas do sistema de combustão de 50,4 para 0,8 atuações por dia, o que aumenta a segurança da planta, demandando menos intervenções do operador sobre a planta. Como a curva da razão ar/gás não foi levantada até o final do projeto, foram calculados os ganhos potencias se as caldeiras operasse com excesso de oxigênio adequado. Anualmente haveria uma redução de 272 toneladas de gás combustível consumido, e de 535 toneladas na emissão de CO 2, liberado nos gases de combustão. Figura 7: Ganhos obtidos e estimados após as ações corretivas Figura 8: Comportamento da pressão de vapor antes (modo manual: fundo vermelho) e após das ações corretivas (modo automático: fundo azul) Não foi apenas a alteração na estratégia de controle que possibilitou a utilização das malhas em automático, a manutenção nas válvulas e medidores de vazão, contribuíram para o bom desempenho dos controladores. Um exemplo disto foi o controle de vazão de gás combustível de uma caldeira, mostrada na Figura 9, é possível verificar que houve uma redução na oscilação da variável de processo em modo manual, causada por problemas no atuador da malha.

8 Figura 9: Comportamento da medida de vazão de combustível para uma caldeira após manutenção 6. Conclusão A estabilização da unidade como um todo foi possível devido principalmente à mudança da estratégia de controle de pressão, através da escolha do combustível que deve ser utilizado em cada caldeira. Isto tornou possível operar com o controle de pressão em modo automático, e as malhas do sistema de combustão em modo cascata, aumentando a segurança do processo. Desta forma, os operadores ficam liberados para poderem tomar ações a fim otimizar a eficiência das caldeiras. Outro fator que contribuiu para a estabilização da unidade foi a manutenção geral das caldeiras, com a verificação das válvulas e medidores. Mostrando que a aplicação efetiva das ações corretivas em malhas de controle depende da atuação de várias frentes da unidade: automação, instrumentação, otimização e processo. Referências Bibliográficas CAMPOS, M. C. M.; TEIXEIRA, H. C. G. Controle típicos de equipamentos e processo industriais, Edgard Blücher, São Paulo, 2006 BEGA, E. A. Controle Instrumentação Aplicada ao Controle de Caldeiras, Interciencia, 2003 Cristine Kayser Fone: +55 (51) Celular: +55 (51) Simone Maria Marcon Fone: +55 (51) Augusto dos Santos Raimundo Fone: +55 (51) José Hugo Eder Martins Petrobras. Francisco de Assis Pinto Marques Petrobras Dados dos Autores

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