PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA AGENCIA NACIONAL DE PETRÓLEO PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS PRH–ANP/MME/MCT BOLSISTA: Alex Almeida Manólio DATA DE ENTRADA NO PROGRAMA : 01/06/2002 DATA DE SAÍDA DO PROGRAMA : 31/05/2004 TIPO DE BOLSA: GRA – GRADUAÇÃO. INSTITUIÇÃO: UNIFEI – UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ. COORDENADOR: Jamil Haddad TÍTULO DO PROGRAMA: ENGENHARIA DA ENERGIA E DO PETRÓLEO. ORIENTADOR: Carlos Alberto Murari Pinheiro

Identificação Multivariável de um Forno Refervedor Atmosférico Título da Pesquisa Identificação Multivariável de um Forno Refervedor Atmosférico Autor: Alex Almeida Manólio Orientador: Carlos Alberto Murari Pinheiro

A partir do modelo é possível: OBJETIVO Obter o modelo matemático de um forno refervedor atmosférico através de técnicas de identificação de sistemas. A partir do modelo é possível: Realizar novas estratégias de controle. Predizer comportamentos diante de diferentes condições de operação. Realizar diversos tipos de análises.

Introdução Nos processos de destilação de petróleo é necessário fornos. Os fornos tem a função de aquecer o petróleo bruto ou reduzido a ser destilado. Os fornos podem ser: aquecedores ou refervedores.

Processo de Destilação Atmosférica Forno Aquecedor Atmosférico Nafta Leve Nafta Pesada Querosene Diesel / Gasóleo Produtos Destilados Torre de Destilação Atmosférica Forno Refervedor Atmosférico Petróleo bruto Esquema básico Objeto de estudo

Forno Refervedor Atmosférico Otimizador Set - Points Controlador Multivariável Coleta de Dados Variáveis do processo (u1, u2, u3, y1, y2) SDCD Controle Regulatório Transdutores de Temperatura u3 y2 F-01A Carga (Petróleo Reduzido) y1 Carga Aquecida Refluxo u2 u1 Carga Térmica (Gás ou Óleo)

Forno Refervedor Atmosférico Variáveis do Forno – Sistema Multivariável – 3I2O Variáveis de Entrada u1 = Carga Térmica [Gcal/h] – (manipulada) u2 = Vazão de Entrada da Carga [m3/h] – (manipulada) u3 = Temperatura de Entrada da Carga [°C] – (perturbação) Variáveis de Saída y1 = Temperatura de Saída da Carga [°C] – (controlada) y2 = Temperatura de Topo de Radiação [°C] – (controlada)

Forno Refervedor Atmosférico Especificações do Forno Localização: Refinaria da Petrobrás Henrique Lajes, REVAP, São José dos Campos. Unidade de Destilação: U210 Capacidade da Unidade: 36.000m3/dia Forno Refervedor: F – 01A Número de Passos: 4

Forno Refervedor Atmosférico Bateria de Pré-Aquecimento e Pré-Flash (Petrobrás, 2004)

Identificação de Sistemas Identificação de Sistemas tem como objetivo obter o modelo matemático a partir dos dados do sistema. Características dos dados para Identificação do Forno F-01A: A aquisição de dados foi realizada no SDCD do sistema de operação do forno. Foram adquiridos 20160 pontos, com taxa de amostragem de 60s. Foi adotado que o sistema é linear.

Identificação do Forno F-01A Etapas da Identificação do Forno Refervedor F- 01A: Aquisição dos dados Divisão dos dados em grupos para identificação e outro para validação Tratamento dos dados Escolha de vários modelos ARX multivariável (linear) Estimação de Parâmetros dos Modelos Validação dos modelos identificados Escolha do modelo mais adequado para temperatura de saída Escolha do modelo mais adequado para temperatura de topo de radiação.

Identificação do Forno F-01A Dados Os dados tiveram a média removida, sendo essa uma tendência. Grupo 1 - Dados para identificação: Pontos 1 – 10080 Grupo 2 - Dados para validação: Pontos 10081 – 20160

Identificação do Forno F-01A Dados – Carga Térmica do Forno

Identificação do Forno F-01A Dados – Temperatura de Entrada da Carga

Identificação do Forno F-01A Dados – Vazão de Entrada da Carga

Identificação do Forno F-01A Dados – Temperatura de Topo de Radiação

Identificação do Forno F-01A Dados – Temperatura de Saída da Carga

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX Multivariável – Modelo Linear Estrutura do Modelo: A(z).y(z) = B(z).u(z) + e(z) onde; A(z) e B(z) são matrizes de polinômios Em equações a diferença tem-se:

Identificação do Forno F-01A Estimação de Parâmetros - MQ A estimação de parâmetros foi feita com o método dos Mínimos Quadrados (MQ), usando o grupo 1 de dados, 10080 pontos. F - matriz de regressores Y - matriz das saídas Θ – vetor de parâmetros a ser estimado

Identificação do Forno F-01A Estimação de Parâmetros - MQ Modelos testados: ARX (na, nb, nk) na – número de pólos nb – Número de zeros +1 nk – atraso entre entrada e saída Os parâmetros foram estimados usando o software MatLab

Identificação do Forno F-01A Validação A validação dos modelos foi feita baseado em equações de correlação. Onde; h e g são os sinais a serem correlacionados. rhg – fator de correlação

Identificação do Forno F-01A Modelos Identificados para a Temperatura de Saída da Carga

Identificação do Forno F-01A Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da Carga Modelo Completo : Modelo para a Temperatura de Saída a equação a diferença :

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da Carga Função de Transferência da entrada “Carga Térmica” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”: Função de Transferência da entrada “Vazão de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”: Função de Transferência da entrada “Temperatura de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”:

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da Carga - simulação

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX331 Multivariável - Temperatura de Topo de Radiação Modelo Completo : Modelo para a Temperatura de Topo de Radiação a equação a diferença :

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX331 Multivariável - Temperatura de Topo de Radiação Função de Transferência da entrada “Carga Térmica” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”: Função de Transferência da entrada “Vazão de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”: Função de Transferência da entrada “Temperatura de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”:

Identificação do Forno F-01A Modelo ARX331 Multivariável - Temperatura de Topo de Radiação - simulação

Identificação 2 do Forno F-01A Foi realizada uma segunda identificação selecionando outros dados da mesma aquisição. O processo e a etapas de identificação são idênticas às usadas nos itens anteriores. Grupo 3 - Dados para identificação: Pontos 1 – 4600 Grupo 4 - Dados para validação: Pontos 4601 - 9200

Identificação 2 do Forno F-01A Modelos Identificados para a Temperatura de Saída da Carga

Identificação 2 do Forno F-01A Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação

CONCLUSÃO A identificação 2, com os grupos 3 e 4 de dados, os modelos não foram validados, devido aos coeficientes de correlação muitos baixos (em torno de 10%), ou quando negativos. Somente os modelos da identificação 1 serão considerados.

CONCLUSÃO Para a temperatura de saída, o modelo (ARX324) de melhor validação atingiu 70% de coerência com o sistema real. Para a temperatura de topo de radiação, o modelo (ARX331) de melhor validação teve uma coerência de quase 60% com o sistema real. Identificações com modelos não-lineares (NARX, NARMAX, etc), podem oferecer melhores resultados devido a não linearidades que sistemas reais geralmente apresentam.

Identificação do Forno F-01A Conclusão – Diagrama em Blocos das FT

PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA Obrigado a todos pela atenção AGENCIA NACIONAL DE PETRÓLEO PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS PRH–ANP/MME/MCT FIM Obrigado a todos pela atenção