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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.

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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

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Título da Pesquisa

Identificação Multivariável de um Forno Refervedor Atmosférico

Autor: Alex Almeida Manólio

Orientador: Carlos Alberto Murari Pinheiro

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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.
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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.

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Produtos Destilados

Esquema básico

Nafta Leve

Torre de Destilação Atmosférica

Nafta Pesada

Querosene

Petróleo bruto

Diesel / Gasóleo

Forno Aquecedor Atmosférico

Objeto de estudo

Forno Refervedor Atmosférico

Processo de Destilação Atmosférica

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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)

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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)
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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

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Forno Refervedor Atmosférico

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

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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.

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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.
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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

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Identificação do Forno F-01A

Dados – Carga Térmica do Forno

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Identificação do Forno F-01A

Dados – Temperatura de Entrada da Carga

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Identificação do Forno F-01A

Dados – Vazão de Entrada da Carga

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Identificação do Forno F-01A

Dados – Temperatura de Topo de Radiação

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Identificação do Forno F-01A

Dados – Temperatura de Saída da Carga

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Em equações a diferença tem-se:

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

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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

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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

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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

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Identificação do Forno F-01A

Modelos Identificados para a Temperatura de Saída da Carga

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Identificação do Forno F-01A

Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação

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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 :

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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”:

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Identificação do Forno F-01A

Modelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da Carga - simulação

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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 :

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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”:

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Identificação do Forno F-01A

Modelo ARX331 Multivariável - Temperatura de Topo de Radiação - simulação

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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

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Identificação 2 do Forno F-01A

Modelos Identificados para a Temperatura de Saída da Carga

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Identificação 2 do Forno F-01A

Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação

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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.

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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.

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Identificação do Forno F-01A

Conclusão – Diagrama em Blocos das FT

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PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA

AGENCIA NACIONAL DE PETRÓLEO PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS PRH–ANP/MME/MCT

FIM

Obrigado a todos pela atenção