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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Curso de Especialização em Engenharia de Instrumentação
Supervisório/IHM aplicado ao processo de uma coluna de
destilação
Francisco Alves Cavalcanti
Orientador: Prof. Dr. Péricles Rezende Barros (UFCG)
Monografia apresentada ao Centro de
Tecnologia e Geociências da Universidade
Federal de Pernambuco como parte dos
requisitos para obtenção do Certificado de
Especialista em Engenharia de Instrumentação
Recife, 2008
Resumo
Supervisório/IHM aplicado ao processo de uma
coluna de destilação
Francisco Alves Cavalcanti
Março/
Orientador: Prof. Dr. Péricles Rezende Barros (UFCG) Área de concentração: Eletrônica Palavras-chaves: automação, IHM, supervisório, refino, colunas de destilação.
Nesta monografia é proposto um estudo da viabilidade de um sistema supervisório aplicado ao processo de destilação de petróleo numa coluna fracionada, operando em regime contínuo, bem como sua implantação. Para isso, foi elaborada uma estratégia de controle baseada em pesquisas recentes que inovam o processo de controle no refino do petróleo. A estratégia consiste no aquecimento em pontos intermediários da coluna de destilação, associado à técnica de controle da pressão interna através da inundação do condensador e da variação de sua carga interna, visando a atenuação dos transientes de operação e a melhoria no controle do processo e na qualidade do produto final. Para a construção do sistema proposto, é necessário o entendimento do funcionamento de uma coluna de destilação, quais formas de controle serão aplicadas e quais equipamentos serão utilizados. Desta forma haverá o tão importante realismo gráfico para o operador e o perfeito funcionamento do sistema de supervisório. Através do estudo dos equipamentos e tecnologias a se utilizar foi possível construir um supervisório de interface amigável e realística que oferecesse acesso rápido e fácil a variáveis (TAGs) monitoradas e controladas envolvidas no processo de destilação. Foram pesquisadas diversas formas de controle até que se chegasse a um método com melhor adaptação às condições atuais; utilizando o número mínimo de variáveis e, conseqüentemente, de TAGs.
1 Introdução
Neste capítulo introdutório, serão apresentados alguns aspectos teóricos acerca do processo de refino e de controle numa coluna de destilação e, com isso, observar a importância da criação de um sistema supervisório aplicado ao processo de destilação no refino do petróleo, bem como as dificuldades em minimizar transientes. Serão observadas características importantes para o bom funcionamento da coluna como a estratégia do aquecimento distribuído, as relações de fluxo de vapor e líquido no interior da coluna e a utilização de tanques-pulmão para o controle da composição da alimentação da coluna.
1.1 A Coluna de Destilação
A destilação baseia-se no fato de que, num fluido multifásico, cada substância tem seu ponto de ebulição definido e, por isso, é usado como um processo de separação de misturas homogêneas. Quando se deseja fracionar uma mistura homogênea de várias fases ou aumentar o grau de pureza do vapor condensado do produto final, utiliza-se a coluna de destilação.
Formação excessiva de espuma ( foaming ) – Embora a formação de espuma estabeleça grande contato entre as fases líquido-vapor, a formação excessiva de espuma leva a acumulação excessiva de líquido nos pratos. Arraste de líquido ( entrainment ) – Assim como a formação excessiva de espuma, este fenômeno também se deve ao fluxo excessivo de vapor por meio dos furos nos pratos. O vapor é transportado para uma bandeja de material menos volátil, ocasionando numa mistura de materiais de diferentes volatilidades e, consequentemente, num produto final de baixa qualidade. Gotejamento ( Dumping ) – Causado pelo baixo fluxo de vapor entre os furos dos pratos, fazendo com que o líquido concentrado nos pratos escoe para o prato inferior por meio dos furos além de já escoar pelos vertedouros. Inundação ( Flooding ) – As inundações são fenômenos que derivam dos citados acima. Elas ocorrem sempre que um prato fica com excesso de líquido, alterando o comportamento da coluna de destilação.
Se a vazão de vapor nos pratos for muito grande haverá inundação, pois o líquido não conseguirá vencer o gradiente de pressão. Enquanto que se a vazão de líquido nos pratos for muito alta o vapor é que não conseguirá vencer o gradiente de pressão, devido à grande quantidade de líquido que fica sobre o prato. Como se pode observar, trata-se de um problema com restrições de operação e com várias variáveis de elevado grau de acoplamento, visto que a temperatura e pressão em cada setor da coluna dependem fortemente da temperatura fornecida na base e em cada prato da coluna. O comportamento dinâmico de uma coluna de destilação é bastante não linear e com respostas bastante lentas, por conta da propagação de calor. É comum que, ao sofrerem falhas na alimentação, geralmente realizada nos estágios inferiores da coluna, ou alterações na composição do óleo cru, as colunas de destilação passem por um estado transiente que ocasiona numa produção de compostos fora da especificação e num alto consumo de energia. A fim de evitar transientes gerados pela alimentação por conta da diferença de temperatura entre a carga interna da coluna e a alimentação, deve-se pré-aquecer o óleo cru, para que seja enviado a tanques acumuladores, chamados tanques-pulmão,
de forma a reduzir os transientes causados pela diferença na composição do óleo cru que entra na coluna. Para o perfeito funcionamento da coluna é preciso garantir o controle sobre a pressão interna, visto que esta variável tem forte influência sobre pontos de ebulição, com conseqüente influência nas vazões de vapor e líquido. Para tanto, controla-se as variáveis de nível, temperatura interna e composição dos produtos de topo e de fundo obtidos como resultado do processo. Com o intuito de minimizar os efeitos dos transientes que possam vir a ocorrer caso a coluna não esteja funcionando dentro de especificações operacionais (pressão, vazão, temperatura e nível) é que faz com que a proposta da tela de supervisório se baseie numa coluna de destilação com um novo método e ainda pouco explorado; o aquecimento distribuído ao longo da coluna, capaz de acelerar o processo de saída do estado transiente para uma condição estável de operação, aumentando a qualidade do produto final e, ao mesmo tempo, promovendo uma redução dos gastos energéticos.
1.2 O supervisório
Os sistemas de supervisão e controle são desenvolvidos para funcionar como interfaces homem-máquina, estações de supervisão local de processos industriais ou estações concentradoras de dados em processos distribuídos. Estes sistemas são baseados em microcomputadores interligados a controladores programáveis, estações remotas ou outros equipamentos de aquisição de dados (SEIXAS FILHO, 1999). Através de um sistema supervisório o operador pode interagir com o processo a ser controlado, recebendo valores coletados pelos equipamentos em campo, calculando, modificando e elaborando relatórios antes de enviar ao operador que pode atuar ou não sobre o processo através do supervisório. Além disso, o sistema de supervisão pode atuar automaticamente, dependendo do processo a ser controlado. O supervisório escolhido por nós foi o Wonderware Intouch por se tratar de um software bastante usado nos processos industriais, para diversas aplicações.
O controle automático de uma coluna de destilação almeja, basicamente, atingir quatro objetivos (Jesus, 2000):
- Garantir a estabilidade das condições operacionais da coluna;
- Obtenção do produto final dentro de padrões previamente estabelecidos;
- Manter o processo dentro do limite das restrições;
- Alcançar os objetivos 1 e 2 da forma mais eficiente possível, promovendo um aumento na quantidade e qualidade dos produtos a baixo consumo energético.
Para garantir esses objetivos faz-se necessário o controle das seguintes variáveis: Pressão Quantidade de produto de topo e de fundo Vazão Composição de topo e fundo ou de retiradas laterais
Ao longo do trabalho procurar-se-á esclarecer, além do funcionamento da coluna de destilação e processos associados, as dificuldades encontradas no processo de construção e implementação do sistema supervisório, bem como sua interligação com os componentes físicos do projeto.
1.4 Motivação/Situação atual
Apesar de serem um dos equipamentos mais utilizados e dispendiosos em termos de consumo de energia numa indústria petrolífera e se tornando, muitas vezes, o gargalo que impede o aumento da produção, as colunas de destilação não recebem grande atenção quanto ao sistema de controle empregado no processo. A questão da auto-suficiência na extração de petróleo é bastante importante, pois é uma prova de que a matéria-prima existe, porém, tão importante quanto é a auto-suficiência na produção dos derivados do petróleo, que garante uma maior estabilidade econômica quanto às oscilações do preço do petróleo no mercado internacional. Assim, como uma forma de aumentar a produção dos derivados do
petróleo, é de extrema importância que o processo de refino do petróleo mereça grande atenção, em particular as colunas de destilação. Na maioria dos casos, o controle das colunas de destilação é feito em um único ponto da coluna; na base. A proposta é implementar este controle em vários pontos da coluna, aquecendo-se, através de resistências elétricas e sensores térmicos localizados em alguns pontos da coluna com a finalidade de minimizar transientes. O controle de temperatura distribuído entre os pratos da coluna é um método relativamente novo e sem referências específicas (Marangoni, 2005). O controle via aquecimento distribuído é uma boa alternativa para minimizar o tempo de um estado transiente numa coluna de destilação (ocasionado por falha na alimentação ou até mesmo pela qualidade do óleo cru que abastece a coluna), além de ser uma boa alternativa em ter-se mais controle sobre o processo. Porém, vale observar que, ao distribuir aquecimento ao longo da coluna, muita energia é despendida, desta forma o controle da coluna de destilação com aquecimento distribuído deverá ser efetuado apenas em alguns pontos específicos da coluna, amenizando o gasto energético. A idéia foi criar um sistema supervisório para este processo. Tal sistema deveria, de preferência, ser um usado no controle prático de processos deste tipo. Para isso foram pesquisados alguns softwares SCADA ( Supervisory Control and Data Acquisition ) usados pela empresa. Alguns softwares encontrados foram: Intouch , RealFlex , IFIX e VXL.
Figura 1.3. Comparativo da maioria das colunas de destilação (aquecimento na base da coluna) com a coluna proposta (aquecimento distribuído).
1.6 Considerações Finais
Como se pode observar, o processo envolvido no refino do petróleo através de uma coluna de destilação é bastante complexo, por tratar de múltiplas variáveis e com elevado grau de acoplamento. Visto esta complexidade, para a construção do supervisório, será necessário um prévio estudo sobre as formas de controle e restrições da coluna de destilação. Pequenas perturbações são suficientes para levar a coluna de destilação a uma condição operacional fora de especificações, acarretando na má qualidade do produto final. O método de aquecimento distribuído é uma forma eficaz de reduzir os efeitos de certas perturbações por reduzir o tempo dos transientes, facilitando o controle do processo. Este método será considerado na implementação das IHMs do sistema supervisório.
2 Tecnologias disponíveis
Antes de implementar qualquer sistema, um estudo sobre as tecnologias disponíveis deve ser feito, tanto no aspecto aplicacional quanto no aspecto econômico, para, desta forma, escolher o equipamento que melhor de adapta às condições e recursos existentes. No caso, procurou-se fazer uso das ferramentas operacionais mais usadas na indústria de petróleo e gás natural, como o software de supervisório, os modos de comunicação e os dispositivos físicos (sensores e atuadores). Como não houve implementação física do sistema até o momento, os estudos foram direcionados aos componentes físicos que seriam usados de forma a criar um supervisório com interface mais realística possível. Este estudo possibilitará a continuação do trabalho, com a possível construção de uma unidade de destilação em escala piloto para a aplicação do sistema de supervisório elaborado.
2.1 Supervisório
Os sistemas supervisórios têm a função de permitir que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Estas informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, condicionadas, analisadas, armazenadas e, posteriormente, apresentadas ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA ( Supervisory Control and Data Acquisition ). Os sistemas SCADA mais antigos permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de
M umidade V válvula P pressão Y outras funções S velocidade T temperatura (^) 2ª letra: modificador W peso, vazão mássica D diferencial X outros instrumentos F razão Z posição
Os sistemas supervisórios ainda permitem programar a gravação de registros (alarmes ou qualquer outro evento que venha a ocorrer) em Bancos de Dados, emitir sons de alerta, mensagens, mudança de cores, envio de mensagens por Pager , celular, e-mail, http, etc.
2.1.1 Os componentes de um sistema de supervisão
Os componentes físicos de um sistema supervisório podem ser classificados, de forma simplificada, como: transdutores (sensores e atuadores), condicionadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e de monitoração central (sistema computacional SCADA). Os transdutores são componentes que ligam o meio físico ao sistema de controle transformando grandezas físicas em elétricas, para o caso de sensores e transformando sinais elétricos em variáveis físicas, para o caso de atuadores. Os condicionadores são responsáveis pelo tratamento do sinal (modulação, conversão AD/DA, amplificação, etc.) de acordo com a forma e o local onde o sinal será empregado. Este processo de condicionamento também pode ser realizado pelas estações remotas. As estações remotas são compostas por CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) e/ou UTRs (Unidades de Terminal Remotas). Estas estações são unidades computacionais específicas, utilizadas, geralmente, em instalações industriais, para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar saídas. A diferença entre os CLPs e as UTRs é que os primeiros possuem mais flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as UTRs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de
processamento central e os cartões de entradas e saídas, com maior precisão e seqüenciamento de eventos. A troca de informações entre os CLPs/UTRs e o sistema SCADA ocorre através de uma rede de comunicação. Para a implementação da rede de comunicação, um estudo prévio deve ser feito, considerando-se os requisitos do sistema e a distância a cobrir, esta rede pode ser implementada através de fibras ópticas, cabos Ethernet , linhas dedicadas, equipamentos wireless , etc. Nas estações de monitoração central é onde se encontram as IHMs (Interfaces Homem-Máquina) do sistema supervisório. Segundo Silva e Salvador (2005), estas estações de monitoração centrais podem ser consideradas como as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas. Pode-se considerar, como um exemplo de aplicação, a aquisição de deslocamento angular por meio de um sensor capacitivo , o circuito de detecção da variação de capacitância acoplado a este sensor consiste de um oscilador, tal circuito pode ser considerado um condicionador do sinal de saída do sensor. Depois de transmitido pelo condicionador este sinal é processado pelas estações remotas (CLPs - Controladores Lógicos Programáveis e UTRs - Unidades de Terminal Remotas), onde, se necessário, são realizados mais ajustes do sinal, para então ser enviado ao sistema de monitoração central (IHMs) onde é então exibido em forma de variável computacional do sistema supervisório (TAG) ao operador do sistema. Como última observação tem-se que os componentes físicos controláveis são agrupados em quatro níveis de operação, chamados níveis hierárquicos de operação. Cada um deles está relacionado quanto a seu nível remoto.
Nível 0 - Nível de operação de maior prioridade, que reúne os equipamentos de campo controláveis, como transdutores (sensores e atuadores controláveis), condicionadores, etc.; Nível 1 - Concentra as estações remotas (CLPs e UTRs); Nível 2 - Diz respeito ao controle por meio das telas de supervisório nas estações de
Interface gráfica; Relatórios; Comunicação com outras estações SCADA; Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos; Outros
O núcleo de processamento merece uma atenção especial, pois é responsável pela coordenação do fluxo e distribuição das informações recebidas dos equipamentos de campo para os demais módulos até chegarem ao operador do sistema, geralmente acompanhadas de relatórios e gráficos, permitindo, a partir da leitura das informações recebidas, atuar automaticamente no processo, informar anomalias ou simplesmente sugerir medidas a serem tomadas. Com o avanço da tecnologia computacional, os softwares SCADA têm se tornado cada vez mais versáteis, permitindo a implementação de tarefas cada vez mais complexas, além de assegurar mais ainda a sua confiabilidade.
2.1.3 Modos de comunicação
Ainda de acordo com Silva e Salvador (2005), a funcionalidade de um sistema SCADA está fortemente relacionada à troca de informações, que podem ser basicamente:
Comunicação com os CLPs/UTRs; Comunicação com outras estações SCADA; Comunicação com outros sistemas.
2.1.3.1 Comunicação com equipamentos de campo
O processo de comunicação entre o sistema SCADA e os equipamentos de campo é realizado através de um protocolo em comum, existem duas formas de estabelecer esta comunicação:
Comunicação Mestre-Escravo – Dá total poder à estação central (estação Mestre), fazendo com que as estações remotas (Escravo) apenas respondam à estação central após a recepção do pedido, caracterizando um sistema half-duplex. Este método de comunicação traz vantagens quanto ao custo das estações remotas, visto que não haverá necessidade de estações remotas de alta tecnologia (estações remotas inteligentes), porém impede as estações comunicar à estação central anomalias que possam vir a acontecer no processo, sem que estas venham a ser consultadas.
Comunicação por interrupção – Usadas para a transmissão de informações emergenciais, como alarmes. Ao contrário do modo Mestre-Escravo, este tipo de comunicação pode estabelecer-se entre duas estações remotas (escravo-escravo). Este modo de comunicação é bastante útil como forma de reduzir o tráfego de dados na rede. Porém observa-se um determinado atraso, por parte da estação central, na aquisição de informações importantes do sistema, como no caso de haver alguma falha.
2.1.3.2 Comunicação entre estações de sistemas SCADA
Com o grande desenvolvimento tecnológico na parte de comunicações, observa-se uma versatilidade cada vez maior na comunicação entre estações SCADA. Estas comunicações são comumente feitas através de protocolos via rede Ethernet TCP/IP, porém vem aumentando a cada dia o uso da internet como canal de comunicação entre estações SCADA. A vantagem da utilização de Navegadores de internet como meio de comunicação está na facilidade de manutenção (visto que o programa de controle do sistema fica armazenado apenas no servidor) e na rapidez do controle remotamente, não importando à que distância o operador esteja do processo. É importante ressaltar que a internet é um meio de transmissão de dados bastante conhecido e difundido, tornando fácil seu uso e entendimento.
A comunicação com outros sistemas, ou simplesmente com coletores ou fornecedores de dados, como os CLPs, pode acontecer através da implementação de
