4. Controle Avançado
(Desenvolvimento de estratégias otimizadas de controle
de unidades de craqueamento catalítico)
Responsável: Prof. Flávio Neves Jr., Ph. D.
A Tabela 4.1 apresenta o cronograma
original de atividades previstas para o item 4 do projeto OCUCC.
Tabela 4.1 – Cronograma do item 4 do projeto
OCUCC
ATIVIDADES
|
INDICADOR FÍSICO DE EXECUÇÃO
|
DURAÇÃO PREVISTA
|
|
|
Início |
Término |
||
|
4.1. Revisão bibliográfica |
Banco de dados de referencias bibliográficas |
Jan/2001 |
Abr/2001 |
|
4.2. Estudo sobre leis de controle multivariável e preditivo |
Relatório Técnico |
Mai/2001 |
Out/2001 |
|
4.3. Estudo sobre uma modelagem para controle tempo
real |
Relatório Técnico |
Mai/2001 |
Out/2001 |
|
4.4. Avaliação de controladores existentes e sua
adequação ao projeto |
Publicações |
Set/2001 |
Dez/2001 |
|
4.5. Desenvolvimento do modelo e do um controlador multivariável e preditivo |
Relatório Técnico, publicação |
Out/2001 |
Set/2002 |
|
4.6. Implementação, teste e avaliação do
controlador desenvolvido |
Relatório Técnico, aplicativo de controle |
Set/2002 |
Dez/2002 |
|
4.7. Desenvolvimento de procedimentos para
padronização e documentação |
Manual do usuário |
Mai/2002 |
Dez/2002 |
EQUIPE:
|
Professores |
|
Flávio Neves Junior (CEFET/PR) |
|
Lúcia
Valéria Ramos de Arruda (CEFET/PR) |
|
Alfranci Freitas Santos (CEFET/PR) |
|
Douglas
Renaux (CEFET/PR) |
|
Luiz
Carlos de Abreu Rodrigues (CEFET/PR) |
|
Cezar Otaviano Ribeiro Negrão (CEFET/PR) |
|
Sílvio Luiz de Mello Junqueira (CEFET/PR) |
|
Luciano Fernando dos Santos Rossi (CEFET/PR) |
|
Admilson
Teixeira Franco (CEFET/PR) |
|
Raul Henrique Erthal (CEFET/PR) |
|
Alunos
de mestrado |
|
Wilson
de Souza Melo (CEFET/PR) |
|
Charles |
|
Celso
Prosdócimo (CEFET/PR) |
|
Jober
Chaves Penteado (CEFET/PR) |
|
Rosilaine
Furtado de Melo (CEFET/PR) |
|
Alunos
de Graduação |
|
Henrique
Westphall (CEFET/PR) |
|
Luiz
Fernando Coelho (CEFET/PR) |
|
Ricardo
Seiji Handa (CEFET/PR) |
|
Jefferson
dos Santos Freires (CEFET/PR) |
4.1 Introdução
O controle do
processo de craqueamento catalítico apresenta as seguintes características
inerentes ao controle dos processos petroquímicos:
(1)
É um sistema multivariável com dinâmica de
baixa ordem, grandes constantes de tempo e atraso de transporte. Essa dinâmica
lenta facilita a utilização de controladores digitais com grandes períodos de
amostragem e portanto, a aplicação de algoritmos de controle avançados.
(2)
O sistema de controle deve respeitar restrições relacionadas à qualidade
do produto, limitações da capacidade do equipamento, limites de segurança de
operação dos equipamentos e materiais e também, limites de emissão de poluentes
ambientais.
(3)
A quantidade de energia envolvida afeta o custo de operação do processo
viabilizando um esquema de otimização com o objetivo de minimizar a energia
consumida. O custo do catalizador determina uma
operação com recuperação máxima deste produto no regenerador.
(4)
A produção simultânea de produtos com valores diferentes de mercado
determina um controle de processo que maximize os produtos mais nobres em
detrimento dos produtos menos valorizados.
(5)
Existem severas não-linearidades no sistema de tal forma que um único
modelo linear não consegue descrever todas as faixas de operação do processo.
Um dos objetivos do projeto foi o desenvolvimento de controladores preditivos que geram a evolução ótima no tempo dos “setpoints”, desde os valores iniciais até os valores finais
de forma que a implementação junto ao processo imposta pelos controladores
locais leve à transição da unidade, e isto ocorra satisfazendo as restrições de
operação e otimizando um critério de desempenho. Outro objetivo é analisar
técnicas de controle avançado para manter o sistema operando num determinado “setpoint” quando ocorrem perturbações não-previstas.
Por outro
lado, para a determinação dos “setpoints” ótimos, e
também para a regulação e rastreamento do sistema em malha fechada, foi
necessário desenvolver modelos matemáticos do processo incluindo a descrição de
todas as suas restrições operacionais, com um grau de precisão adequado. O
modelo do processo relaciona as variações das variáveis independentes (entradas
manipuladas e perturbações) com as das variáveis dependentes (controladas). Uma
das questões básicas relacionadas com o modelo a usar para cálculo dos “setpoints” é a da fidelidade exigida ao modelo. Um modelo
rigoroso permite, obviamente, uma melhor representação da planta do que um
modelo simplificado. Por outro lado, um modelo rigoroso, freqüentemente, exige
tempos computacionais excessivos, o que pode inviabilizar sua aplicação em tempo
real. Por sua vez, o uso de um modelo muito simples pode levar à determinação
de condições não-ótimas ou até mesmo fisicamente não-realizáveis.
4.2. Execução
As atividades desta
meta podem ser dividida em duas: i) Desenvolvimento de Algoritmos de Controle e
ii) Desenvolvimento de Modelos para o Processo.
A base para o desenvolvimento destes
algoritmos é baseada em controladores multi-variáveis
e preditivos. O esforço inicial foi direcionado para
a implementação do algoritmo DMC. Posteriormente serão desenvolvidas outras
arquiteturas.
Em virtude da sua complexidade, três
equipes foram formadas com o objetivo de abordar o problema. Uma equipe está se
ocupando com a modelagem completa da unidade de FCC para fins de controle. A
segunda, está se ocupando com o desenvolvimento de modelos para o Regenerador e
a terceira, objetiva modelar o conjunto de ciclones.
a) Modelagem completa da Unidade de FCC
Este trabalho visou a modelagem completa
de uma unidade de craqueamento catalítico em leito fluidizado para dar
subsídios à construção de leis de controle automático. Esta modelagem permite a
simulação em regime transitório da planta, onde pode-se avaliar os efeitos de
variações da carga e temperatura do gasóleo,
temperatura ambiente, vazões de ar de combustão, etc. A modelagem é baseada em
leis da conservação da massa, energia e quantidade de movimento. Relações
termodinâmicas e empíricas são também utilizadas para prever as reações
químicas, a transferência de calor e o escoamento de fluido. Este trabalho
consistiu na dissertação de mestrado do Prof. Raul Henrique Erthal.
Esta etapa do projeto prevê a modelagem
da unidade responsável pela regeneração dos depósitos carbonosos
presentes na superfície do catalisador, elevando sua temperatura antes de ser
introduzido na base do "riser".
A observância de aspectos termodinâmicos
e as reações químicas ocorrentes na unidade é necessária para o entendimento do
processo de regeneração do catalisador. O objetivo é obter um modelo
simplificado para a unidade de modo a permitir a predição e controle de
parâmetros influentes, considerando um processo em regime transitório. Este
trabalho consistiu na dissertação de mestrado do Eng. Jober
Chaves Penteado.
Dois conjuntos
de ciclones são normalmente empregados em uma planta de craqueamento catalítico
em leito fluidizado (FCC). No primeiro, o catalisador impregnado de coque é
separado dos produtos (gases) que deixam o "riser".
O segundo é utilizado para evitar que catalisador regenerado escape com os
gases de combustão.
Este trabalho busca a
modelagem do conjunto de ciclones utilizado na saída do "riser". Equações da conservação da massa e movimento
são empregadas nesta modelagem. Este modelo é rigoroso e simples ao mesmo
tempo, de modo que possa ser integrado posteriormente com os demais componentes
do FCC e assim possibilitar a construção de modelos de controle automático.
4.3. Conclusão
Os itens 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 e 4.5 do cronograma foram concluidos dentro do planejamento original do cronograma.
No momento, encontram-se em desenvolvimento os item 4.6 - Implementação, teste e avaliação do
controlador desenvolvido e 4.7 - Desenvolvimento de procedimentos para
padronização e documentação.
Devido a falta de dados de uma planta de craqueamento
catalítico existente na PETROBRAS, foi feito um modelo de craqueamento teorico e genérico. Vários resultados tem sido obtidos e já
se encontram disponíveis para o projeto.
Cinco teses de mestrado foram concluídas dentro do projeto
neste item 4. Quatro trabalhos de Iniciação Científica foram também concluídos
neste item 4 do projeto OCUCC. O trabalho de
dissertação de Raul Henrique Erthal, associado aos
alunos de mestrado do Prof. Flávio Neves, da Eng. Ind. Elétrica (Eletrônica) do
CEFET/PR, permitiu o desenvolvimento de um software com interface gráfica
visual que faz o acompanhamento dinâmico de diversas variáveis, principalmente
aquelas em cujo valor o controle (PI) atua (temperatura do riser,
diferencial de pressão entre o vaso separador e regenerador, nível de
catalisador, etc.). Esse software recebeu o nome de FCC v1.0.
Em anexo à versão impressa deste relatório, segue um
relatório técnico detalhado da pesquisa científica realizada neste item 4. Além
disso, listam-se e/ou anexam-se os artigos e extratos de teses publicados no
período.
4.4. Perspectivas
Após o desenvolvimento e implementação do controlador multivariável e preditivo,
pretende-se utilizar o modelo mais completo e detalhado, desenvolvido pelo item
1 deste projeto para realizar testes de controle e otimização dentro da
realidade de uma planta de craqueamento catalitico.
Assim, pretende-se que em curto prazo os produtos da união dos resultados dos
itens 1 e 4 do projeto OCUCC, estejam disponiveis
para aplicação direta pela PETROBRAS.
Foi solicitado à SIX em junho de 2002, o agendamento
de corridas experimentais da UCC, para teste do novo controlador, atuando em
paralelo ao sistema de controle convencional. Desta maneira, poderiam ser
avaliados os possíveis benefícios com o novo sistema proposto. A seguir, o Prof
Flávio Neves, coordenador do projeto junto ao CEFET/PR entrou em contato com a
SIX para acertos de detalhes quanto a esse agendamento,
porém até o momento isto não se concretizou.
Caso haja anuência da SIX/PETROBRÁS para a realização dos
testes dos novos controladores desenvolvidos, espera-se que os produtos do
projeto deste item 4 possam ser brevemente implementados na prática. Assim, a
PETROBRÁS poderá maximizar os rendimentos de seus processos de craqueamento
catalítico atuando em parâmetros de operação, desta forma sem a necessidade de
grandes investimentos. O projeto, portanto, disponibiliza as ferramentas de
controle avançado previstas na proposta inicial, aguardando apenas o interesse
da PETROBRÁS em utilizar o produto desenvolvido. Além disso, o produto está
disponível para utilização acadêmica.