programa de recursos humanos da agencia nacional de petrÓleo para o setor petrÓleo e gÁs...

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

Título da Pesquisa

Identificação Multivariável de um Forno Refervedor

Atmosférico

Autor: Alex Almeida Manólio

Orientador: Carlos Alberto Murari Pinheiro

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


u3

u1

y2

u2

y1

Variáveis do processo

(u1, u2, u3, y1, y2)

Carga Térmica(Gás ou Óleo)

SDCDControle Regulatório

Transdutores de Temperatura

Otimizador

Controlador Multivariável

Set - Points

Carga(Petróleo Reduzido)

Carga AquecidaRefluxo

F-01A

Coleta de

Dados


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)


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 AtmosféricoBateria de Pré-Aquecimento e Pré-Flash (Petrobrás,

2004)

Identificação de SistemasIdentificação 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-01AEtapas da Identificação do Forno Refervedor

F- 01A:

1. Aquisição dos dados

2. Divisão dos dados em grupos para identificação e outro para validação

3. Tratamento dos dados

4. Escolha de vários modelos ARX multivariável (linear)

5. Estimação de Parâmetros dos Modelos

6. Validação dos modelos identificados

7. Escolha do modelo mais adequado para temperatura de saída

8. Escolha do modelo mais adequado para temperatura de topo de radiação.

Identificação do Forno F-01A

DadosOs 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


Dados – Carga Térmica do Forno

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-20

-10

0

10

20

30

40

50Dados da Carga Termica do Forno F-01A

Numero de Amostras [min]

Va

zao

[G

cal/

h]

Dados AdquiridosDados com Media Removida


Dados – Temperatura de Entrada da Carga

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-50

0

50

100

150

200

250

300Dados da Temperatura de Entrada da Carga do Forno F-01A


Te

mp

era

tura

[°C

]



Dados – Vazão de Entrada da Carga

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-200

-100

0

100

200

300

400

500Dados de Vazao de Entrada da Carga do Forno F-01A


Va

zao

[m

3/h

]



Dados – Temperatura de Topo de Radiação

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-200

0

200

400

600

800

1000Dados da Temperatura de Topo de Radiaçao do Forno F-01A


Tem

pera

tura

[°C

]



Dados – Temperatura de Saída da Carga

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400Dados da Temperatura de Saida do Forno F-01A


Te

mp

era

tura

[°C

]



Modelo ARX Multivariável – Modelo LinearEstrutura do Modelo:

A(z).y(z) = B(z).u(z) + e(z)

onde; A(z) e B(z) são matrizes de polinômios

)()(....)1(.)(.

)(....)1(.)(.

10

1

kenkuBkuBkuB

nkyAkyAkyA

unu

ynyo

Em equações a diferença tem-se:

ny

nbnb

nana

IA

zBzBzBBzB

zAzAzAAzA

0

22

110

22

110

...)(

...)(


Estimação de Parâmetros - MQA estimação de parâmetros foi feita com o método dos Mínimos Quadrados (MQ), usando o grupo 1 de dados, 10080 pontos.

YFFF TT ..].[ 1

F - matriz de regressoresY - matriz das saídasΘ – vetor de parâmetros a ser estimado


Estimação de Parâmetros - MQModelos testados:

Os parâmetros foram estimados usando o software MatLab

ARX (na, nb, nk)

na – número de pólosnb – Número de zeros +1nk – atraso entre entrada e saída


Validação

N

NiN

gh kigihN

kr )().(.1.2

1lim)(

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-01AModelos Identificados para a

Temperatura de Saída da Carga


Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação

Identificação do Forno F-01AModelo ARX324 Multivariável -


Modelo Completo :

)5(.3225,10062,00035,0

0206,00002,0

)4(.3170,10054,00054,0

0208,00001,0)3(.

3527,03440,11

0001,02467,0

)2(.9170,00355,21

0001,04832,0)1(.

5621,16932,9

07297,1)(.

10

01

tu

tuty

tytyty

)5(.0206,0

)5(.0002,0)4(.0208,0)4(.0001,0)3(.0001,0

)3(.2467,0)2(.0001,0)2(.4832,0)1(.7297,1)(

3

1312

12111

tu

tutututy

tytytytyty

Modelo para a Temperatura de Saída a equação a diferença :

Identificação do Forno F-01AModelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da

Carga

2345678

234

1

111 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3

00006039,0.0001064,0.0001368,0.00005196,0.0001435,0

zzzzzzz

zzzz

u

yG

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”:

2345678

234

2

112 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3

00008359,0.00003829,0.00008102,0.00009689,0.00004585,0

zzzzzzz

zzzz

u

yG

Função de Transferência da entrada “Temperatura de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”:

2345678

234

3

113 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3

007367,0.02641,0.05128,0.053,0.02077,0

zzzzzzz

zzzz

u

yG


Temperatura de Saída da Carga - simulação

6 7 8 9 10 11 12

x 105

-20

-10

0

10

20

30

40

Time

Te

mp

era

tura

co

m m

ed

ia r

em

ov

ida

[°C

]

Temperatura de Saida da Carga do Forno F-01A

ARX423 - 70.0356Sistema Real

Identificação do Forno F-01AModelo ARX331 Multivariável - Temperatura de

Topo de Radiação

Modelo Completo :

Modelo para a Temperatura de Topo de Radiação a equação a diferença :

)3(.8249,10393,00125,0

0209,000001,0)2(.

0494,10265,00362,0

0155,00001,00001,0

)1(.7549,00121,00131,0

0055,000)3(.

3533,01755,11

0001,02465,0

)2(.9172,09642,20

0001,04841,0)1(.

5613,18059,9

07304,1)(.

10

01

tutu

tuty

tytyty

)3(.8249,1)3(.0393,0)3(.0125,0

)2(.0494,1)2(.0265,0)2(.0362,0)1(.7549,0

)1(.0121,0)1(.0131,0)3(.3533,0)3(.1755,11

)2(.9172,0)2(.9642,20)1(.5613,1)1(.8059,9)(

321

3213

2121

21212

tututu

tutututu

tututyty

tytytytyty

Identificação do Forno F-01AModelo 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”:

0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3

001631,0.01674,0.0003745,0.04525,0.01385,0.01307,023456

2345

1

221

zzzzzz

zzzzz

u

yG

0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3

01005,0.01096,0.08154,0.0779,0.005318,0.01206,023456

2345

2

222

zzzzzz

zzzzz

u

yG

0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3

6831,0.01351,0.383,3.239,3.2028,0.7549,023456

2345

3

223

zzzzzz

zzzzz

u

yG


Temperatura de Topo de Radiação - simulação

6 7 8 9 10 11 12

x 105

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

Time

Te

mp

era

tura

co

m m

ed

ia r

em

ov

ida

[°C

] Temperatura de Topo de Radiaçao do Forno F-01A

Sistema RealARX331 - 58.3141

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 – 4600Grupo 4 - Dados para validação: Pontos 4601 - 9200

Identificação 2 do Forno F-01AModelos Identificados para a


Identificação 2 do Forno F-01AModelos 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.


Conclusão – Diagrama em Blocos das FT

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

programa de recursos humanos da agencia nacional de petrÓleo para o setor petrÓleo e gÁs...

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