simulacao e controle de uma upgn

7/22/2019 Simulacao e Controle de Uma Upgn

1/147

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ALEXANDRE DE FRANA CORDEIRO

ESTUDO DE SIMULAO E CONTROLE DE UMA UNIDADE DE

PROCESSAMENTO DE GS NATURAL

Rio de Janeiro

2011


2/147

ii

Alexandre de Frana Cordeiro



Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de

Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do

Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios

obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

Orientador: Prof. Maurcio Bezerra de Souza Jnior, D.Sc.

Rio de Janeiro

2011


3/147

iii

Cordeiro, Alexandre de Frana.

Estudo de simulao e controle de uma unidade deprocessamento de gs natural/ Alexandre de Frana Cordeiro. 2011.

xvi, 147 f.: il.; 31 cm.

Dissertao (Mestrado em Tecnologia de ProcessosQumicos e Bioqumicos) - Universidade Federal do Rio deJaneiro UFRJ, Escola de Qumica (EQ), 2011.

Orientador: Maurcio Bezerra de Souza Jnior.

1. Simulao estacionria e dinmica; 2. Controle preditivobaseado em modelo; 3. Processamento de gs natural; 4.Turbo-expanso Tese. I. De Souza Jnior, Maurcio B.(Orient.). II. Ps-Graduao em Engenharia Qumica III. Estudo

de simulao e controle de uma unidade de processamento degs natural


4/147

iv

Alexandre de Frana Cordeiro



Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de

Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos, Escola de Qumica, Universidade Federal do

Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios

obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

Aprovada por:

Prof. Maurcio Bezerra de Souza Jnior (Orientador), D.Sc.

Prof. Marcelo Embiruu de Souza, D.Sc.

Prof. Rossana Odette Mattos Follly, D.Sc.

Carlos Andr Vaz Jnior, D.Sc.


5/147

v

DEDICATRIA

Aos meus pais, Fernando e Joana, meu irmo Marcelo e a minha namorada

Bruna: vocs foram fundamentais para a concluso deste trabalho, amo vocs.


6/147

vi

AGRADECIMENTOS

Ao meu professor orientador Maurcio que esteve sempre disponvel e empenhado

para o meu aprendizado e minha formao. Um exemplo a ser seguido por

educadores.

A minha namorada Bruna. Estar ao seu lado essencial. Em todos os momentos em

que precisei desde um incentivo at um carinho voc participou de tudo.

Aos meus amigos Rafael, Fbio, Tathiana, Juliana, Michele e Leonardo: por

compartilhar momentos inesquecveis durante o curso das disciplinas do mestrado.

Amigos que levo para vida junto com este ttulo.

A Chemtech por possibilitar a realizao do Mestrado in Company, onde trabalhei

por quase cinco anos, fiz muitos amigos e, iniciei minha carreira profissional.


7/147

vii

RESUMO

CORDEIRO, Alexandre de Frana. Estudo de simulao e controle de uma unidade de

processamento de gs natural. Orientador: Maurcio Bezerra de Souza Jnior. Rio deJaneiro: UFRJ/ EQ; 2011. Dissertao (Mestrado em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos).

Os simuladores de processo buscam atender demanda para investigao de processos,

servindo como base, desde para projetos de engenharia, at para otimizao de condies

operacionais. O desafio est em conjugar exigncias de mercado com o ajuste da condio

operacional estacionria da unidade em questo, levando ainda em considerao o seu

comportamento dinmico. Neste contexto, um estudo de simulao estacionria e dinmica,com projeto de controle regulatrio e avanado, foi conduzido para uma unidade de grande

porte de processamento de gs natural, baseado no processo de turbo-expanso

combinado com refrigerao. O objetivo de controle adotado foi garantir a especificao dos

produtos conforme regulamentao da ANP (Agncia Nacional de Petrleo, Gs Natural e

Biocombustvel). As abordagens de simulao e controle foram integralmente realizadas no

simulador comercial de processos Hysys (Aspen Technology). As seguintes etapas do

processo foram modeladas e simuladas, inicialmente em malha aberta: resfriamento a

propano, separao, turbo-expanso, desmetanizao e exportao. A seguir, foi proposta

uma estratgia de controle em nveis hierrquicos para a unidade: controle preditivo

baseado em modelo (Model Predictive Controller ou MPC) em cascata com camada

regulatria (controladores Proporcional-Integral-Derivativos ou PIDs). As variveis

controladas e manipuladas da camada regulatria foram escolhidas atravs de estudos de

sensibilidade e para a sintonia adotou-se a abordagem dos rels em malha fechada. O MPC

foi aplicado para o controle das composies de etano no topo e de metano no fundo da

coluna desmetanizadora, manipulando-se os set-points dos controladores PIDs da camada

regulatria. Aspectos relativos sintonia dos parmetros e escolha do modelo interno do

MPC foram tambm abordados. Apesar da complexidade do processo, as variveis de

interesse responderam de forma controlada a distrbios na carga da unidade e a mudanas

de set-point. Prope-se que o simulador desenvolvido para a unidade seja usado como

benchmarkpara estudos de engenharia de processos.

Palavras-chave: Simulao estacionria e dinmica, Controle preditivo baseado em modelo;

Processamento de gs natural, Turbo-expanso.


8/147

viii

ABSTRACT

CORDEIRO, Alexandre de Frana. Simulation and control study of a natural gas processing

unit. Supervisor: Maurcio Bezerra de Souza Jnior. Rio de Janeiro: UFRJ/ EQ; 2011. M.Sc.Dissertation (Graduate Program on Technology of Chemical and Biochemical Processes).

Process simulation tools aim to reproduce process behavior, providing a ground base for

several process system engineering (PSE) tasks. Simulators may assist engineers in the

challenge situation of attending market requests by finding the appropriate steady-state

operation point, while simultaneously taking into account the dynamic nature of the plant. In

this context, studies of steady-state and dynamic simulation, together with regulatory and

advanced control design, were conducted in this dissertation for a large capacity natural gasprocessing unit, based on the turbo-expansion process combined with propane refrigeration.

The control objective was to keep the purities of the products within the specification of ANP

(Brazilian National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels). The simulation and

control steps were integrally performed in the commercial process Simulator Hysys(Aspen

Technology). The following process modules were modeled and simulated, both for open-

loop and closed-loop control: propane refrigeration, separation, turbo-expansion,

demethanization and gas exportation. A regulatory (PID) and advanced (model predictive

control MPC) cascade control strategy was proposed. The regulatory layer was designed

based on sensitivity tests and tuned by the auto-tuning relay method. The MPCwas applied

to control the compositions of ethane on top and methane on the bottom of the column by

manipulating the set-points of the PIDsin the regulatory layer. Aspects concerning the choice

of the internal model and tuning of the parameters of the MPC were also investigated.

Despite the complex behavior of the process, the variables of interest exhibited controlled

responses both during servo and regulatory experiments. Additionally, it is expected that the

developed unit simulator may serve as an adequate benchmark for PSE investigations.

Key-words: Steady-state and dynamic simulation, Model predictive control, Natural gas

processing, Turbo-expansion process


9/147

ix

LISTA DE SIGLAS

ANP Agncia Nacional de Petrleo, Gs Natural e Biocombustvel

ALSOC Ambiente Livre para Simulao, Otimizao e Controle de Processos

BD Banco de Dados

CAPE Computer Aided Process Engineering

CLP Controlador Lgico Programvel

CRR Cold Residue Recycle Process

CWHE Coil Wound Heat Exchanger

DMC Dynamic Marix Control

EMSO Environment for Modeling, Simulation, and OptimizationGLP Gs Liquefeito do Petrleo

GNL Gs Natural Liquefeito

GNV Gs Natural Veicular

GSP Gas Subcooled Process

IHM Interface Homem Mquina

ISE Integral Square Error

LGN Lquido do Gs Natural

LMTD Log Mean Temperature Diference

MEG Mono-etileno Glicol

MIMO Multiple Input multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MPC Model Predictive Control

MVCA Multivariable correlation analysis

OP Output Control Variable

OVR Overhead Recycle ProcessPFHE Plate Fin Heat Exchanger

P&ID Process and Intrumentation Diagram

PI Proporcional-Integral

PID Proporcional-Integral-Derivativo

PV Process Variable

QDMC Quadratic Dynamic Matrix Control

RGA Relative Gain Analyses

RRP Residue Recycle Process


10/147

x

SVD Singular Value Decomposition

SP Set-point

TEMA Tubular Exchanger Manufacturers Association

UPGN Unidade de Processamento de Gs Natural

LISTA DE SMBOLOS

Smbolos Latinos

a Amplitude da resposta no mtodo auto tuning

At rea de troca trmica no trocador de calor

B Carga trmica do primeiro resfriador propano

c Vetor da resposta ao degrau

C Coeficiente global de troca trmica no trocador de calor

d Densidade

D Carga trmica do segundo resfriador propano

e Erro

G Funo de transferncia

Gr Mdulo do ganho relativoh Histerese degrau para mtodo auto tuning

H Horizonte de predio

IW ndice de WobbeJk Funo objetivo

k ndice referente ao tempo

K Matriz de ganhos do mtodo de decomposio em valores singulares

Kc Ganho do controlador

Kp Ganho do processo

Ku Ganho ltimo do processo

M Horizonte de controle

N Horizonte do modelo

n Estgio da coluna

P Presso

PCS Poder Calorfico Superior

Pu Perodo ltimo do processo


11/147

xi

Qref Fluxo de calor do refervedor

t Tempo

T Temperatura

TB Temperatura da sada do primeiro resfriador a propano

TD Temperatura da sada do segundo resfriador a propano

u Sada de controle - varivel manipulada

uE Valor da varivel manipulada no estado estacionrio

uN Valor da varivel manipulada no tempo t

V Matriz ortogonal esquerda do mtodo de decomposio em valoressingulares

wref Vazo mssica da corrente que entra na coluna como refluxo

Wy Matriz de pesos para os erros preditos

Wu Matriz de pesos nas aes de controle

XB Frao molar no fundo da coluna

XD Frao molar no topo da coluna

y Valor da varivel controlada

y Vetor de sadas controladas

ySP Vetor da trajetria de referncia

yE Valor da varivel controlada no estado estacionrioyN Valor da varivel controlada ao degrau no tempo t

Smbolos Gregos

Correlao entre a constante de tempo integral e derivativa

Variao

Histerese do mtodo auto tuning

Coeficiente de troca trmica

Matriz de ganhos estticos relativos

Amplitude no mtodo auto tuning

d Constante de tempo do controlador derivativo

i Constante de tempo do controlador integral

p Constante de tempo do processo

Matriz ortogonal direita do mtodo de decomposio em valores

singulares


12/147

xii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Previso de produo de gs natural no Brasil no perodo 2010-2019 (EPE ,2010)..............................................................................................................................2Figura 2 Processo simplificado de tratamento e processamento do gs natural ................. 7Figura 3 Esquema do processo Joule-Thomson ............................................................... 10Figura 4 Esquema do processo de refrigerao com inibidor de hidrato (MEG)................ 12Figura 5 Fluxograma simplificado do processo de absoro............................................. 13Figura 6 Viso em corte de um turbo-expansor. (FAULKNER, 2006) ............................... 14Figura 7 Fluxograma tpico do processo de turbo-expanso combinado com refrigerao15Figura 8 Dois tipos de trocadores mais utilizados para resfriamento do gs natural

trocador de placas (esquerda Plate Fin Heat Exchanger - PFHE) e do tipo serpentinaespiral (Coil Wound Heat Exchanger CWHE) (Chemical & Process Technology,2010).....................................................................................................................................16

Figura 9 Percentual de recuperao de etano para o lquido versus potncia derecompresso em diferentes processos de turbo-expanso (reproduzido de GPSA,2004)............................................................................................................................ 17

Figura 10 Incentivos econmicos nas fases de projeto conforme DIMIAN(2003).............. 21Figura 11 Distribuio do tempo no desenvolvimento dos simuladores (dados de SVRCEK

et al., 2006) ..................................................................................................................22Figura 12 Simuladores integrados em torno de um ambiente de base de dados (BD) e da

interface homem mquina (IHM) (DIMIAN, 2003)......................................................... 24Figura 13 Exemplo de rel para o auto tuning...................................................................29Figura 14 Parmetros do mtodo auto-tuning (SVRCEK et a, 2006l):............................... 30Figura 15 Metodologia da modelagem e simulao dinmica........................................... 36Figura 16 Esquema do Processo de recuperao de liquido (SHARRATT, 2008) ............ 38Figura 17 Uma das maiores unidades de processamento de gs natural do mundo (ASKE

e SKOGESTAD, 2005)................................................................................................. 42Figura 18 Estratgia de controle em camadas (ASKE e SKOGESTAD 2008)................... 43Figura 19 Estratgia de controle da coluna desetanizadora (ASKE e SKOGESTAD,2005)

.....................................................................................................................................43Figura 20 Diagrama de presso- temperatura (a) e temperatura-entalpia (b) do gs natural

carga da unidade. Em azul a curva de bolha e em vermelho a curva de orvalho do gs......................................................................................................................................50

Figura 21 Fluxograma do processo sintetizado................................................................. 50Figura 22 Etapa de resfriamento....................................................................................... 52Figura 23 Etapas de separao, turbo-expanso e carga da coluna................................. 54

Figura 24 Etapas de desmetanizao e compresso de exportao ................................ 57

Figura 25 P&ID simplificado do processo sintetizado, em vermelho as malhas de controleproposta....................................................................................................................... 59

Figura 26 Perfil de temperatura ao longo do processo, at a carga da coluna.................. 66Figura 27 Resultados da sensibilidade das cargas trmicas e das temperaturas nos

resfriadores a propano, E-201 - (a) e E-202 - (b), do ponto de vista de consumoenergtico da unidade.................................................................................................. 68

Figura 28 Sensibilidade para as variveis que especificam o gs natural ......................... 68Figura 29 Avaliao do calor do refervedor para diferentes estgios de carga na coluna, as

correntes C2, C3 e C4 da Tabela 16............................................................................ 69Figura 30 Sensibilidade do consumo de energia (a) e das vazes dos produtos (b) em

relao razo da vazo molar que vai para o E-105 sobre a vazo total, especificada

no divisor. ....................................................................................................................70Figura 31 Perfil de temperatura (a) e presso (b) da coluna desmetanizadora ................. 71


13/147

xiii

Figura 32 Perfil de composio na coluna ........................................................................ 73Figura 33 Perfil de temperatura, em vermelho a derivada numrica ................................. 74Figura 34 Anlise de ganho da temperatura (a), na esquerda os 20 estgios, direita (b)

os estgios mais afetados, entre 20 e 28 (fundo)......................................................... 75Figura 35 Decomposio em valores singulares (SVD) .................................................... 76Figura 36 Avaliao de temperaturas para diferentes cargas ........................................... 77Figura 37 Mtodo da mnima varincia dos produtos, (a) etano no topo, e (b) metano no

fundo............................................................................................................................78Figura 38 Malhas de controle regulatrio da etapa de resfriamento.................................. 80Figura 39 Respostas da seo de resfriamento para o mtodo de sintonia auto tuning, (a)

representa sintonia do controle do primeiro resfriador e (b) do segundo. ..................... 80Figura 40 Resposta ao degrau no set-point...................................................................... 82Figura 41 Resposta ao degrau na presso da carga da unidade...................................... 84Figura 42 Resposta ao degrau na temperatura da carga da unidade, impacto nos

resfriadores propano.................................................................................................85Figura 43 Resposta de ganhos da composio de metano no fundo (a) e etano no topo (b)

da coluna .....................................................................................................................87

Figura 44 Resposta da composio de metano no fundo (curva azul) e etano no topo(curva vermelho pontilhada) para mudana no SP da temperatura T1D........................ 88

Figura 45 Identificao e validao da resposta XB(C1) versus T1DSP..............................89Figura 46 Identificao e validao da resposta XD(C2)versus T1DSP..............................90Figura 47 Resposta da composio de metano no fundo para mudana no SP da presso

P19................................................................................................................................ 91Figura 48 Identificao e validao da respostaXB(C1) versus P19SP..............................92Figura 49 Identificao e validao da resposta XD(C2) versus P19SP..............................92Figura 50 - Resposta da composio de metano no fundo e etano no topo para mudana no

SP da temperatura do estgio 27 da coluna................................................................. 93Figura 51 Resposta da composio de metano no fundo para mudana no SP da

temperatura no estgio 27 da coluna desmetanizadora ............................................... 94Figura 52 Resposta das composies (a) e aes de controle (b) para diferentesparmetros do MPCreferentes a i=8(H=60, M=10, t=1min) e i=9(H=20, M=6, t=2min)na Tabela 21................................................................................................................ 97

Figura 53 Resposta das composies (a) e aes de controle (b) para diferenteshorizontes de controle M, do MPC referentes a i=6(H=40, M=10, t=1min) e i=8(H=60,M=10, t=1min) na Tabela 21. .....................................................................................98

Figura 54 Resposta das composies (a) e aes de controle (b) para diferenteshorizontes de controle M, do MPC referentes a i=1(H=10, M=1, t=1min) e i=3(H=30,M=1, t=1min) na Tabela 21. ....................................................................................... 99

Figura 55 Desempenho do controle MPC, dado pelo ISE para diferentes pesos na ao de

controle Wye na predio, Wu.................................................................................... 101

Figura 56 Esforo do controle MPC, dado pelo ESF para diferentes pesos na ao decontrole Wy e na predio, Wu. ................................................................................. 101

Figura 57 Tempo de resposta do controle MPC, dado pelo t99% para diferentes pesos naao de controle Wy e na predio, Wu.....................................................................102

Figura 58 Degrau no set-pointdas composies de topo e fundo da coluna .................. 104Figura 59 Degrau no set-pointde metano no fundo da coluna XD(C1) ............................ 105Figura 60 Degrau no set-pointde etano no topo da coluna XB(C2) .................................106Figura 61 Distrbio na composio carga F2, +10% leves........................................... 107Figura 62 Distrbio na composio carga F3, +10% pesados...................................... 108Figura 63 Distrbio na composio carga F4, -30% metano e etano, e, efeito do passo

de tempo na simulao dinmica............................................................................... 108

Figura 64 Distrbio na composio carga F5, -30% propano e butanos ...................... 109

Figura 65 Distrbio na vazo de carga, abertura da vlvula............................................ 110


14/147

xiv

Figura 66 Distrbio na presso de carga, +200 kPa (a) e (b) e -200 kPa (c) e (d)........... 111Figura 67 Comparao da integral do erro quadrado da resposta, ISE, para aplicao de

diferentes modelos no MPC....................................................................................... 114Figura 68 Comparao do esforo de manipulao, ERF, para aplicao de diferentes

modelos no MPC.......................................................................................................115Figura 69 Comparao do tempo para atingir 99% do set-point, em horas, para aplicao

de diferentes modelos no MPC.................................................................................. 115Figura 70 Comparao das respostas das composies (a) e das aes de controle (b) de

diferentes modelos no MPC....................................................................................... 116Figura 71 Comparao das respostas das composies (a) e das aes de controle (b)

entre PIDe MPCde convoluo ................................................................................ 117Figura 72 Comparao das respostas das composies (a) e das aes de controle (b)

entre PIDe MPCcom modelo 2x3 sintonizado .......................................................... 118


15/147

xv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Restries e objetivos de acordo com a tecnologia;S: sim, N: no (VAZ, MAIA e

SANTOS, 2008) ............................................................................................................. 8

Tabela 2 Algumas das principais unidades de processamento de gs natural da Petrobras(VAZ, MAIA e SANTOS, 2008)....................................................................................... 9

Tabela 3 Programas de simulao de processos e caractersticas gerais ........................ 26Tabela 4 Especificao do gs natural conforme Resoluo ANP N 16, de 17 jun. 2008.

(ANP, 2008) ................................................................................................................. 48Tabela 5 - Composio do gs natural ................................................................................49Tabela 6 Demais especificaes do gs natural de carga da unidade.............................. 49Tabela 7 Vazes no limite de bateria da unidade.............................................................. 51Tabela 8 Especificaes dos trocadores de calor na etapa de resfriamento ..................... 53Tabela 9 Configurao dos trocadores de calor................................................................ 53Tabela 10 Especificao do vaso separador criognico.................................................... 55

Tabela 11 Dados do turbo-expansor.................................................................................56Tabela 12 Diferena entre as condies de operao usuais para a colunadesmetanizadora VAZ, MAIA e SANTOS (2008). ........................................................ 56

Tabela 13 Especificaes da coluna T-101 e do refervedor E-106 ................................... 58Tabela 14 Parmetros da sintonia auto tuning..................................................................61Tabela 15 Perturbaes na carga para avaliao do comportamento do processo .......... 65Tabela 16 Cargas da coluna desmetanizadora................................................................. 67Tabela 17 Casos para otimizao do estgio de carga da coluna..................................... 69Tabela 18 Produtos da coluna desmetanizadora .............................................................. 72Tabela 19 Valores da especificao do gs natural .......................................................... 72Tabela 20 Parmetros dos controladores PIDe PI ........................................................... 81Tabela 21 Sintonia dos parmetros tempo de amostragem, t, horizonte de controle, M, e

de predio, H.............................................................................................................. 96


16/147

xvi

SUMRIO1INTRODUO.................................................................................................................... 1

2REVISOBIBLIOGRFICA............................................................................................... 6

2.1 TECNOLOGIAS DE PROCESSAMENTO DE GS NATURAL .................................... 6

2.1.1 Processo Joule-Thomson...................................................................................... 9

2.1.2 Processo refrigerao simples............................................................................. 10

2.1.3 Processo de absoro refrigerada ....................................................................... 12

2.1.4 Processo de turbo-expanso ............................................................................... 13

2.2 SIMULAO E CONTROLE DE PROCESSOS......................................................... 17

2.2.1 Simulao de Processos .....................................................................................17

2.2.2 Controle de Processos ........................................................................................ 26

2.3 SIMULAO E CONTROLE NO PROCESSAMENTO DE GS NATURAL............... 33

3FLUXOGRAMAECONTROLEDOPROCESSO.............................................................. 47

3.1 DESCRIO DO PROCESSO................................................................................... 47

3.1.1 Etapa de resfriamento ......................................................................................... 51

3.1.2 Etapas de separao, turbo-expanso e carga da coluna ................................... 54

3.1.3 Etapas de desmetanizao e compresso de exportao ................................... 56

3.2 CONTROLE DO PROCESSO.................................................................................... 58

3.2.1 Controle regulatrio ............................................................................................. 603.2.2 Controle avanado............................................................................................... 61

4RESULTADOSEDISCUSSO ........................................................................................ 64

4.1 SIMULAO ESTCIONRIA................................................................................... 64

4.1.1 Sensibilidade da seo de resfriamento .............................................................. 67

4.1.2 Determinao dos estgios de carga................................................................... 68

4.1.3 Determinao da razo condensador/turbo-expansor ......................................... 70

4.1.4 Perfis da Coluna e produtos ................................................................................71

4.1.5 Estratgia de controle para a coluna.................................................................... 73

4.2 SIMULAO DINMICA............................................................................................ 78

4.2.1 Controles regulatrios PID................................................................................80

4.2.2 Controle avanado MPC...................................................................................95

4.2.3 Desempenho servo e regulador do MPC........................................................... 102

4.2.4 Comparao com outras estruturas de controle ................................................ 111

5CONCLUSESESUGESTES..................................................................................... 119

6REFERNCIASBIBLIOGRFICAS............................................................................... 122


17/147

1

1 INTRODUO

Em 2010, a oferta de gs natural ao mercado cresceu 12% da mdia dos ltimos

trs anos, chegando a cerca de 60 milhes de sm/dia1. Essa elevao se deu,

basicamente, em razo do incio da operao de terminais de regaseificao de gs

natural liquefeito (GNL) e a um incremento nas importaes. No ltimo ano, 62

milhes de sm/d foram produzidos das reservas nacionais, no entanto, devido

principalmente reinjeo, a queima do gs e ao prprio consumo das unidades de

explorao e produo, menos da metade est disponvel para o mercado interno.

Portanto, da oferta nacional total, 45% devido produo nacional e 55% dado

por importaes (MME, 2010).

Algumas aes vm sendo tomadas para aumentar a eficincia do mercado de gs

natural. Desde 1997, a Petrobras, principal operadora no setor de leo e gs no

pas, preocupa-se com o excesso de queima de gs natural produzido nas

plataformas. Naquele ano, foi apresentado o Programa Queima Zero, para reduoda queima de gs. Alm deste, diversos programas de otimizao dos processos

vm sendo aplicados de forma continuada possibilitando uma melhoria no

aproveitamento do gs (PETROBRAS, 2010). Aprovada em 2008 pelo Congresso

Nacional e regulamentado pelo Governo Federal em 2010, a Lei do Gs permite que

o setor comece a se abrir para a concorrncia.

Outro fato importante so as recentes descobertas das reservas do pr-sal, que

contm grandes quantidades de gs associado ao leo. At o momento no existem

projees do impacto deste gs natural no mercado interno, no entanto poder

haver um aumento na oferta de gs a partir do incio da produo no pr-sal que

deve incrementar os investimentos no setor, barateando custos de transporte,

estocagem, processamento e comercializao do gs natural (PAUL, 2010). A

1sm/d: metros cbicos por dia, em condies padro de temperatura, 20C e presso 101,325 kPa.


18/147

2

Figura 1 apresenta as perspectivas da oferta de gs natural no Brasil, em estudo

realizado pela Empresa de Pesquisas Energticas - EPE (2010). Projeta-se uma

ampliao do gs natural nacional na oferta total, elevando-se de um patamar de 49

milhes de sm3/dia em 2010 para 116 milhes de sm3/dia em 2019,

desconsiderando as ofertas devido s importaes e reservas de contingentes. O

investimento total previsto em infra-estrutura para a realizao destas projees

atinge a cerca de R$ 15 bilhes.

Figura 1 Previso de produo de gs natural no Brasil no perodo 2010-2019 (EPE , 2010)

Dessa forma, as perspectivas para o mercado nacional de gs natural so muito

positivas. Este cenrio acaba promovendo uma ao em cadeia no aumento de

investimento nos processos associados ao gs natural.

O gs natural produzido transportado at as unidades de processamento atravs

de gasodutos. O objetivo da unidade de processamento de gs natural separar

seus componentes em produtos com especificao definida e controlada. Ao chegar

unidade de processamento, o gs desidratado, os compostos cidos so

removidos quando necessrio e, ento, os produtos so separados e especificados

para a utilizao. Dentre os principais produtos especificados destacam-se, o gs

liquefeito do petrleo (GLP, mistura especificada de propano e butano), etano

petroqumico, propano, butano e a nafta leve (pentano e mais pesados). Assim,

configura-se uma cadeia de produtos de alto valor agregado que abastece


19/147

3

principalmente os seguintes setores: industrial, 58%, automotivo, 9%, e gerao de

energia eltrica, 25% (MME, 2010).

No Brasil existem 25 unidades de processamento de gs natural (UPGNs)distribudas principalmente nos estados do Rio de Janeiro, Esprito Santo, Bahia e

Amazonas, totalizando uma capacidade instalada de cerca de 65 milhes de sm/d.

Nos ltimos dois anos, diversas unidades vm recebendo ampliaes para aumento

da capacidade instalao (MME, 2010).

No contexto da engenharia, o processamento de gs natural considerado um

processo complexo devido a diversos fatores, como alta integrao entre os

sistemas, por se tratarem de processos criognicos, e a necessidade de manter as

especificaes dos produtos, que geralmente so bem restritivas. Segundo Svrcek et

al. (2006), normalmente os processos mais complexos justificam os esforos no

desenvolvimento de modelagem, simulaes dinmicas e controle.

Unidades de processamento normalmente operam em condies estacionrias, ou

seja, com os set-points constantes no tempo, assim, uma boa capacidade de

controle dos processos contribui para reduzir os efeitos causados por distrbios. Umdos empregos de simuladores de processo para o estudo de projetos de

controladores. So usuais aplicaes em diferentes nveis de controle na unidade,

tanto regulatrio cujo objetivo controlar as variveis atravs de alta taxa de

atualizao, realizado por hardwares de baixo nvel quanto no nvel de controle

avanado (LUYBEN, 1996).

As simulaes de processo, tanto estacionrias como dinmicas, vm sendo

amplamente utilizadas no processamento de gs natural com diversos objetivos.

Podem-se citar algumas aplicaes:

otimizaes operacionais (KONUKMAN E AKMAN, 2005, MEHRPOOYA et

al., 2006, SHARRATT, 2008, TIRANDAZI et al. 2010 e CHEBBIet al., 2010);

sntese do processo e estudo de tecnologias (HUDSON et al., 1998,2003,

LYNCH et al., 2003, ELIOT, 2005, ASKE e SKOGESTAD, 2005; JENSEN e


20/147

4

SKOGESTAD, 2006, MOKHATAB et al.,2006, VAZ, MAIA e SANTOS, 2008,

SHARRATT 2008, CASTRO et al.,2010);

simulao dinmica e controle avanado (NORQUAY, 1999, ALSOP, 2004 e

2006, CAMERON et al.,2005, ASKE e SKOGESTAD,2008).

Apesar de diversos trabalhos publicados na literatura, no se encontram estudos

completos e sistemticos de simulao e controle de processo.

Dentre os simuladores comerciais, o Hysysproduto da AspenTechnology um dos

mais aceitos no mercado e possibilita o estudo completo de simulao estacionria,

dinmica, controle regulatrio e avanado em um mesmo ambiente de

desenvolvimento.

Esta dissertao visa abordar os principais conceitos envolvidos em um projeto de

simulao empregando um simulador comercial de processos, Hysys (Aspen

Technology)de uma unidade de processamento de gs natural (UPGN) de grande

porte, com capacidade de processamento de 6 Msm/d.

Objetiva-se, por conseguinte, elaborar uma simulao do processo e determinar asestruturas de controle, regulatrio e avanado. Especificamente, as etapas

propostas para o desenvolvimento deste estudo so:

construo do fluxograma do processo assumindo uma UPGN tpica;

seleo das variveis manipuladas e controladas para as malhas do controle

regulatrio;

projeto do controle avanado (controle preditivo baseado em modelo ou

Model Predictive Controller MPC), com a obteno de modelo interno

multivariavel atravs de tcnicas de identificao, sintonia e comparao com

a abordagem clssica de PIDsem cascata

avaliao do comportamento da unidade controlada para presena de

distrbios na carga e mudanas de set-points.

O texto est dividido em captulos conforme a sequncia natural de um projeto de

uma unidade, desde o levantamento das tecnologias aplicveis ao sistema econstruo do fluxograma do processo at a sintonia e teste dos controladores. O


21/147

5

Captulo 2 apresenta a reviso bibliogrfica. Nele, so apresentadas informaes

histricas, conceitos relevantes ao tema, tecnologias e um levantamento dos

trabalhos publicados em simulao e controle no processamento de gs natural. O

Captulo 3 descreve o processo representado no simulador e a metodologia

aplicada. O Captulo 4 apresenta os resultados obtidos do ponto de vista das

simulaes esttica e dinmica, na presena dos controladores. Por fim, o Captulo 5

apresenta as concluses obtidas e inclui as propostas para o desenvolvimento de

futuros estudos.


22/147

6

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 TECNOLOGIAS DE PROCESSAMENTO DE GS NATURAL

No Brasil durante muitos anos o gs natural foi considerado como subproduto do

leo, pois eram produzidos associados ao leo, sendo assim queimado em diversas

unidades de produo em mar. Com os adventos de mercado, meio ambiente, e de

tecnologias, a produo de poos de gs passou a ser atrativa. Ao mesmo tempo

em que se valorizavam os produtos da recuperao de lquido, alm do crescimento

do consumo de gs pela indstria, principalmente para gerao de energia eltrica,com participao em cerca de 7% da matriz nacional (EPE, 2010).

O processamento de gs natural consiste num conjunto de operaes unitrias que

visam separar fraes do gs para obteno de produtos especificados.

Dependendo da caracterstica do gs, mais rico com fraes mais pesadas ou

mais pobre com fraes mais leves, o processo pode ser projetado para obter

maior recuperao de lquido, ou pode ser simplificado, apenas com o objetivo de

especificar o gs natural, regulando o ponto de orvalho. A frao lquida composta

por etano ou propano e mais pesados conhecida como Lquido de Gs Natural

(LGN). Os produtos do LGN que podem ser especificados so etano petroqumico,

propano e butano ou gs liquefeito de petrleo (GLP), e nafta leve ou gasolina

natural. O gs que no liquefeito, composto por basicamente metano, etano e

traos dos demais, pode ser especificado para venda como gs natural industrial, ou

mesmo utilizado para gerao de energia da prpria unidade de processamento. A

seleo do processo mais eficiente em questes econmicas envolve um estudo de

alternativas de tratamento e processamento, cada uma produzindo determinados

produtos, dado o custo atribudo a instalao e operao da unidade projetada. De

uma forma geral, os produtos mais pesados, quando especificados, geram maior

riqueza ao processo.

O fluxograma simplificado do tratamento e processamento do gs natural ilustrado

na Figura 2, a seguir. A unidade de processamento pode ser projetada para operaroffshore ou onshore, no Brasil, as unidades so em terra, pois seu custo de


23/147

7

instalao e operacional so menores, alm de estarem interligadas aos gasodutos

e poderem ficar prximas das indstrias consumidoras de seus produtos. As etapas

principais do processamento, que esto ilustradas na figura so, a separao bi ou

trifsica da corrente que chega da linha de produo de um campo de gs, ou de um

gasoduto; os lquidos separados so tratados, e no caso de hidrocarbonetos, podem

passar por um processo de estabilizao. Depois de separada as fraes mais

pesadas, o gs ento tratado, em processos que condicionam o gs para o

processamento. O quo restrito este processo de desidratao e remoo de

gases cidos, definido pelo processo que vem em seguida, pois os objetivos

principais so evitar a corroso dos materiais (gases cidos) e a possibilidade de

formao de hidratos, que pode entupir as tubulaes e causar srios danos aosequipamentos.

Figura 2 Processo simplificado de tratamento e processamento do gs natural

Os processos de liquefao e fracionamento so caracterizados por condies

severas de operao: baixas temperaturas e altas presses, com expanses durante

escoamento. Para a liquefao das fraes leves (etano ou propano e mais

pesados) e os subseqentes fracionamentos para especificao dos produtos so

necessrios sistemas auxiliares que incluem sistemas de refrigerao, que pode ser

por diversas tecnologias, sistemas de aquecimento para controle de temperatura dorefervedor das colunas de fracionamento do processo, alm de sistemas de

compresso.

A chave das tecnologias existentes para o processamento do gs natural encontra-

se no processo termodinmico de resfriamento aplicado ao gs natural. Atualmente

so utilizados cinco tipos principais de processos:

Efeito Joule-Thomson; Refrigerao simples;


24/147

8

Absoro refrigerada;

Turbo-expanso;

Combinao dos demais.

A escolha do processo adequado aos objetivos da unidade de processamento

envolve uma abordagem econmica, que abordado em um estudo de viabilidade

tcnica e econmica, por uma equipe multidisciplinar e altamente capacitada. Dentre

os fatores determinantes, a composio do gs se destaca, pois pode eliminar a

aplicao de certas tecnologias, como por exemplo, o processo simples de

resfriamento com a expanso isentlpica, efeito Joule-Thomson, que pode no

enquadrar o gs na especificao da ANP, caso o gs seja rico. De uma forma gerala Tabela 1 pode servir de orientao para a definio da tecnologia, pois indicam

restries de alguns processos (VAZ, MAIA e SANTOS, 2008).

A Tabela 1 no consegue representar todos os aspectos que influenciam a seleo

de determinada tecnologia, servindo apenas de orientao, pois podem ocorrer

excees, e.g., o processo Joule-Thomson pode especificar o gs conforme ANP

caso o gs processado seja muito pobre.

Tabela 1 Restries e objetivos de acordo com a tecnologia;S: sim, N: no (VAZ, MAIA eSANTOS, 2008)

Processos*Objetivo JT RS AR TE

Especificar ponto de orvalho S S S SEspecificar gs conforme ANP N S S SMaximizar produo de GLP N N S SProduzir etano petroqumico N N N S

*JT: Joule Thomson; RS: Refrigerao simples; AR: absoro refrigerada; TE: turbo-expano

O panorama nacional bem distribudo quanto aplicao das tecnologias

existentes, a Tabela 2 apresenta um panorama de algumas das unidades da

Petrobras. Observando as capacidades das unidades principais, observa-se que as

capacidades nominais so da ordem de 2 a 6 milhes de metros cbicos padro por

dia, ou seja, a proposta nesta tese realizar um projeto de uma unidade deste porte.

H uma distribuio dentre as tecnologias, nos prximos itens sero abordados as

principais caractersticas aplicaes e limitaes de cada tecnologia.


25/147

9

Tabela 2 Algumas das principais unidades de processamento de gs natural da Petrobras(VAZ, MAIA e SANTOS, 2008).

PROD. (sm/d)**UNIDADE UF CAP.

(Msm/d)

PROCESSO*

GLP C5+ LGNURUCU II AM 6 TE 1990 113GUAMAR I RN 2 TE 632 168ATALAIA SE 2 AR 580 250CANDEIAS BA 2 AR 490 225CATU II BA 2,5 TE 91 302URGN CABINAS RJ 3 RS 1100URL CABINAS I RJ 5,4 TE 3000REDUC I RJ 2,4 AR 564 94UGN RPBC SP 2,3 JT+RS 1500

*JT: Joule Thomson; RS: Refrigerao simples; AR: absoro refrigerada; TE: turbo-expano** Produo de lquido

2.1.1 Processo Joule-Thomson

O processo Joule-Thomson consiste em utilizar o gs e o lquido resfriados aps a

expanso para resfriar a corrente de entrada do processo.

No processo efeito Joule-Thomson, tambm chamado de auto-refrigerao, o gs

pr-resfriado contra o gs tratado (em um trocador gs-gs), e, subseqentemente

resfriado pela expanso isentlpica (da o nome do efeito de transformao de

presso em liberao de calor), resultando na condensao dos hidrocarbonetos

mais pesados e gua. A Figura 3 ilustra o esquema do processo, o comportamento

no ideal do gs causa a queda de temperatura com a queda de presso. A

mudana de temperatura depende da queda de presso. Caso no haja presso

suficiente para atingir a temperatura desejada, pode ser utilizado um compressor

inicial na entrada da unidade. Os lquidos condensados so removidos em um oumais estgios de expanso, para ajustar a presso de vapor do gs e sua

composio. O gs do separador de baixa temperatura com sua especificao

ajustada troca calor com a carga.

Geralmente, o gs tratado re-comprimido para atingir as condies de exportao

do gasoduto, pois ocorreu a expanso para atingir as baixas temperaturas. Assim,

este processo mais favorvel quando o gs natural de carga produzido a altas


26/147

10

presses e pode ser exportado sem a necessidade de instalao de compressores

na unidade.

Figura 3 Esquema do processo Joule-Thomson

O grau de resfriamento no processo limitado pela temperatura de formao de

hidrato durante, assim so utilizados mtodos de inibio de hidrato.

Se o objetivo recuperar etano ou mais propano que no processo de refrigeraosimples, este processo pode ser aplicado, mas em geral para vazes pequenas, 0,1

a 0,3 Msm/d. Este processo atrativo quando o gs provm de reservatrios de alta

presso, mas importante que esta presso seja mantida ao longo da vida produtiva

do reservatrio. Baixas presses ou gases mais ricos requerem processos mais

complexos de refrigerao (MOKHATAB et al.,2006).

2.1.2 Processo refrigerao simples

O processo de refrigerao simples se caracteriza pela presena de uma fonte

externa de resfriamento para o gs natural. Este processo de mdio investimento e

pode especificar a composio do gs para venda. Da mesma forma que o processo

Joule-Thomson, aplica-se para controle do ponto de orvalho do gs, sem haver a

preocupao de especificar o condensado em produtos como o GLP. Para isto seria

necessrio um projeto mais eficiente e complexo, que ser apresentado nos itens

posteriores.


27/147

11

As principais caractersticas deste processo so: a necessidade de desidratao do

gs, pois atingem temperaturas criognicas podendo formar hidratos; utilizao de

fonte externa de refrigerao, comumente utiliza-se um ciclo de propano, que pode

ser separado do prprio LGN da unidade; no h necessidade de altas presses,

pois no utiliza o efeito da queda de presso para o resfriamento; e, considerado

de mdio investimento, pois apesar de ser um processo simples, a presena de um

ciclo de refrigerao demandam compressores, vasos de expanso e outros

equipamentos auxiliares.

Conforme estudado por Singh e Hovd (2006), o processo PRICO se enquadra na

refrigerao simples, em que apenas um trocador de calor utilizado. Mesmo comesta configurao simples diversos estudos foram realizados para determinao de

condies timas de projeto, operao e controle do processo.

Quando gua est presente no gs natural, no processo de refrigerao, a formao

de hidrato pode ser prevenida de duas formas basicamente. Realizando a

desidratao antes da etapa de resfriamento; ou a injeo de inibidores de hidrato

(normalmente alcois, tipo etanol, metanol e glicis) que atuam absorvendo a gua

do gs. Este ltimo mais simples e de menor custo (ROJEY et al., 1997 apud

MOKHATABet al., 2006).

A Figura 4 apresenta um esquema de processo para a refrigerao com a utilizao

de mono etileno glicol (MEG) como inibidor da formao de hidrato, observa-se que

h necessidade de um sistema de regenerao do MEG, para operar de forma

contnua de em sistema fechado.


28/147

12

GS NATURAL

RECUPERAODE CALOR

SEPARAO

GS ESPEC.

LGN

REGENERAODO MEG

CICLO DEPROPANO

RESFRIAMENTOEXTERNO

INIBIDOR DE HIDRATO (MEG)

Figura 4 Esquema do processo de refrigerao com inibidor de hidrato (MEG)

2.1.3 Processo de absoro refrigerada

O processo de absoro refrigerada consiste utilizar uma coluna absorvedora para

que o propano e mais pesados do gs natural sejam recuperados no lquido quando

passados contra leo proveniente da prpria unidade de processamento, contendo

pentano e mais pesados. o processo mais antigo, e com menor eficincia para

recuperao de LGN.

Conforme apresenta a Figura 5, aps o contato com o leo, o gs livre de

componentes mais pesados pode estar especificado. O leo, aps passar na

absorvedora, dito rico, e passa por um processo de regenerao em que etano e

propano podem ser separados, e, o leo de absoro retorna para a coluna que

especifica o gs.

A recuperao tpica deste processo para o lquido de 99% para butano e nafta

leve, 65-75% de propano, 15-25% de etano (SPLETTER e ADAIR, 2001 apud

MOKHATAB et al., 2006). As unidades de absoro refrigeradas no so comuns

apesar de serem as mais antigas, tem maior custo, e so mais difceis de operar.

uma alternativa raramente empregada em projetos mais recentes. Conforme Vaz,

Maia e Santos (2008), unidades com capacidade maiores que 1 Msm/d tem retorno

do investimento garantido em pouco tempo de operao.


29/147

13

Absorvedora

Deetanizadora

Colunade

regenerao

Figura 5 Fluxograma simplificado do processo de absoro

2.1.4 Processo de turbo-expanso

Quando o poo ou a corrente de gs que chega unidade com presso insuficiente

para utilizar um processo Joule-Thomson, o processo de turbo-expanso pode ser

utilizado. o processo mais tradicional para as unidades de recuperao de lquido

de gs natural. Devido ao maior nmero e complexidade dos equipamentos, tem um

maior custo de investimento, mas tem menor custo operacional. Neste processo a

vlvula de expanso substituda por um turbo-expansor. medida que o gs

expande no turbo-expansor, trabalho gerado para recomprimir o prprio gs

especificado, funcionando como

Para obter mais de 80% de recuperao de etano para o lquido, so necessrias

temperaturas muito baixas em que a simples refrigerao no consegue atingir.

Assim, realizando uma integrao energtica juntamente com a aplicao do turbo-

expansor, esta recuperao pode ser alcanada.

Turbo-expansores so turbinas. Comumente, o termo turbinas de expanso e

turbo-expansores excluem turbinas a vapor e turbinas a gs com combusto.

Turbo-expansores podem ser caracterizados como mquinas rotativas modernas

que convertem energia de presso do gs em trabalho mecnico no eixo, quando

este gs expande na turbina. Se resfriar o gs o objetivo, o trabalho produzido

passa a ser considerado um subproduto que reduz o investimento em energia de

compresso. De qualquer modo a aplicao de um turbo-expansor, aumenta a


30/147

14

eficincia do processo, pois passa de uma expanso isentlpica, em vlvulas, para

uma expanso isentrpica, onde o trabalho realizado utilizado em algum ponto do

processo. A Figura 6 apresenta a imagem de um corte na seo de um turbo-

expansor, de um lado,

Figura 6 Viso em corte de um turbo-expansor. (FAULKNER, 2006)

As principais vantagens da aplicao dos turbo-expansores no processamento do

gs natural, segundo Bloch e Soares (2001): o processo o mais eficiente

atualmente; tolera mecanicamente a formao de condensado e gelo, e a eroso

durante a expanso; pode recuperar totalmente o propano, e ter maior recuperao

de etano; tem alta confiabilidade; devido expanso isentrpica, a temperatura

atinge cerca de-95C, utilizando em conjunto com ciclo de refrigerao de propano;

alm de conter grande variedade de potncias disponveis para diferentesaplicaes no mercado (75 kW a 25 MW). As desvantagens so a implementao de

um complexo controle de processo necessita de maior redundncia para evitar

falhas de rede. Como o processo atinge temperaturas muito baixas, necessrio o

tratamento severo do gs, com desidratao, remoo de H2S e CO2, para evitar

danos aos equipamentos e tubulaes do processo. Em caso de falha no processo

de desidratao h grande possibilidade de formao de hidratos. A parada do

turbo-expansor pra o processo, apesar da existncia de vlvula de expansofazendo um by-passdo equipamento. E, o turbo-expansor tem alto custo.

Apesar de haver uma variedade de projetos de unidades do processo de turbo-

expanso, a maioria delas apresenta uma configurao bsica conforme ilustrado na

Figura 7, reproduzido de Mokhatabet al.(2006).


31/147

15

DESMETANIZADORA

Figura 7 Fluxograma tpico do processo de turbo-expanso combinado com refrigerao

O gs recebido na unidade inicialmente tratado, conforme supracitado, por um

processo, como por exemplo, peneiras moleculares que pode remover os gases

cidos e desidratar ao mesmo tempo. Em seguida, o gs pr-resfriado em

trocadores contra o gs natural especificado do topo da coluna (resfriadores

gs/gs). Nesta rea fria da unidade, so utilizados trocadores especiais a fluidos

refrigerantes externos com ciclos fechados, como o ciclo de propano.

A tecnologia destes trocadores vem se desenvolvendo muito recentemente, devido

aos investimentos nas unidades de liquefao de gs natural, onde, passa a ser

chave a eficincia de troca trmica para o processo. Hasan et al(2007) modela este

tipo de trocador atravs de programao no-linear mista inteira e conclui que

devido complexidade do modelo, a soluo global no garantida, mas apresenta

resultados com pequeno desvio do esperado. A Figura 8 apresenta a imagem de

dois tipos de trocadores utilizados nesta etapa. Com referncia aos clculos daspropriedades do trocador, pode-se citar um estudo de Neeraas et al. (2004) em que

um unidade piloto foi montada para realizar o ajuste de modelos e determinar a

melhor forma de clculo para diferentes fluidos (nitrognio, metano, etano e

metano/etano) de acordo com o padro do escoamento. Mesmo avaliando diferentes

mtodos de clculo dos parmetros do trocador de calor, quando comparados com

os resultados experimentais os erros obtidos por Neeraas et al. (2004) so

relativamente grandes, da ordem de 3 a 10%. Isto demonstra a complexidade damodelagem deste equipamento.


32/147

16

Figura 8 Dois tipos de trocadores mais utilizados para resfriamento do gs natural trocadorde placas (esquerda Plate Fin Heat Exchanger - PFHE) e do tipo serpentina espiral (Coil

Wound Heat Exchanger CWHE) (Chemical & Process Technology,2010)

Algumas caractersticas especiais destes trocadores de calor criognicos so

(CHEMICAL & PROCESS TECHNOLOGY, 2010):

Possibilidade de trabalhar com altas vazes de gs natural

Complexidade na troca trmica: correntes de gs e de lquido com altas

presses, com baixas temperaturas

Operao com altos gradientes de temperatura (-162 a 40C)

Alta eficincia na troca trmica possibilidade de approachde temperatura

muito baixo (2 a 3C)

Alto risco de ocorrncia de furos (devido s condies severas) e de bloqueio

das linhas por formao de hidrato

So equipamentos leves e de fcil transporte, comparados com trocadores

convencionais casco-tubo

A mistura bifsica proveniente da etapa de resfriamento separada no separador afrio, ou separador criognico. A frao mais leve, ainda em fase gasosa, passa pelo

turbo-expansor, onde atingem menores temperaturas, o lquido expande tambm e

configura uma das cargas da coluna desmetanizadora. Nesta configurao bsica a

recuperao de etano para o lquido limitada em cerca de 80%. Assim, com a

sntese de novos processos similares, foram desenvolvidas famlias de unidades de

turbo-expansores. A literatura apresenta muitas alternativas (HUDSON et al.,

1998,2003; LYNCH et al., 2003; ELIOT, 2005; ASKE e SKOGESTAD, 2005;JENSEN e SKOGESTAD, 2006, SHARRATT 2008). Os principais tipos so:


33/147

17

processo de gs sub-resfriado (GSP Gas Subcooled Process);reciclo de topo da

coluna (OVR Overhead Recycle); reciclo de gs resfriado (CRR - Cold Residue

Recycle Process) e reciclo de gs (RRP - Residue Recycle Process) (GPSA, 2004).

Uma forma de medir a eficincia de cada proposta a potencia de re-compresso. A

Figura 9, a seguir apresenta comparativamente as curvas de recuperao de etano

para os diferentes processos. Observa-se que o processo do tipo reciclo de gs

resfriado (CRR) apresenta maiores recuperaes de etano, chegando a 98%.

Figura 9 Percentual de recuperao de etano para o lquido versuspotncia derecompresso em diferentes processos de turbo-expanso (reproduzido de GPSA, 2004)

2.2 SIMULAO E CONTROLE DE PROCESSOS

2.2.1 Simulao de Processos

Em 1950, Rose e Williams (1950) escreveram o primeiro programa para a soluo

estacionria de uma coluna de destilao binria. Toda a simulao foi escrita na

linguagem da mquina IBM 702, a de maior capacidade da poca. A tendncia dali

em diante era solues estacionrias para unidades especficas. Os

desenvolvimentos, ento, estavam progredindo rapidamente, assim, em 1953, a

American Institute of Chemical Engineers (AIChE) teve seu primeiro anurio de

Computao em Engenharia Qumica. A introduo do FORTRAN, pela IBM, em


34/147

18

1954, possibilitou a base para a indstria qumica entrar nos clculos

computacionais. Os anos 50 podem ser caracterizados como o perodo das

descobertas (LACEY e SVRCEK, 1990)

Desde 1960 at os dias de hoje, a simulao de processo estacionria se

desenvolveu de um software apenas manipulado por especialistas at uma

ferramenta usual para clculos de processo. O desenvolvimento de sistemas

baseados na plataforma Windows, e o surgimento da programao orientada a

objeto em conjunto com o avano exponencial das capacidades de hardware,

ocasionou uma proliferao de ferramentas de simulao estacionria e projeto de

processos. (SVRCEK et al.,1971 e 1996)

Na dcada de 60, desenvolviam-se solues numricas baseados nas equaes

fundamentais, sendo estudos especializados em problemas especficos (PERKINS,

1986). No decorrer destes estudos surgiram os primeiros pacotes de solues

dinmicas baseado ainda nestas equaes fundamentais. No entanto alguns

conceitos no haviam migrado para as solues dinmicas, como: facilidade de uso,

pacotes termodinmicos complexos, bibliotecas de dados que poderiam ser

reutilizadas, entre outras.

Durante os anos 70 e 80, apenas simuladores orientados a equaes foram

utilizados. Existia um esforo continuo para desenvolver e abranger os modelos

dinmicos para aplicao em controle de processos. Muitas empresas, por

necessidade, montaram grupos de pesquisadores para desenvolver simuladores

especficos que atendessem a sua unidade, consequentemente sendo utilizados

para o projeto dos sistemas de controle e sua avaliao. Claramente, o ideal noapenas desenvolver as estratgias de controle, mas tambm desenvolver uma

unidade que seja de fcil controle inerente ao processo, assim a etapa de sntese do

processo e a definio das melhores condies de operao se tornam tarefas

importantes que podem impactar numa cascata de problemas no futuro.

Em 2003, Westerberg fez uma avaliao dos impactos do projeto de sistemas com

nfase na sntese de processo desde 1960, e, concluiu que os computadores no

so mais limitantes para o desenvolvimento de projetos de engenharia, passando a


35/147

19

funcionar como um processador de informao apenas. A dificuldade se encontra no

entendimento e na modelagem do sistema, e, mesmo que o modelo no esteja

devidamente definido, pode-se realizar otimizaes e obter uma representao que

seja vlida para o processo estudado.

A simulao de processo uma atividade fundamental para o engenheiro de

processo. Thom (1993) apudDimian (2003) define simulao como um processo

englobando o projeto de um modelo operacional de um sistema, a conduo de

experimentos com este modelo objetivando entender seu comportamento e,

tambm, a avaliao de estratgias alternativas para o desenvolvimento ou

operao deste sistema. Ainda segundo Thom (1993) apudDimian (2003), deveser possvel reproduzir os aspectos selecionados do comportamento do sistema

modelado com um grau de acurcia aceitvel.

O resultado mais importante dos simuladores de processo nos processos qumicos

representar em um modelo manipulvel as respostas do processo real, para a

realizao de simulaes de condies de operao, otimizao, desenvolvimento,

pesquisa e mesmo modificaes na unidade. Com isto, podem-se observar mais

claramente as relaes de causa-efeito entre as variveis. Entendendo melhor estas

relaes, diversas oportunidades de melhoria podero ser identificadas. O simulador

de processo pode ser til em todas as fases da vida til de uma unidade de

processamento, desde a sntese do processo, at sua operao, assim como

estudos econmicos para a otimizao (FRUEHAUF e MAHONEY, 1994). A

simulao pode auxiliar nas seguintes atividades da engenharia de processos

(LUYBEN, 1996):

Sntese: a partir de dados de laboratrio da matria-prima, e das condies

de entrada da unidade, pode-se elaborar um processo que busque a

obteno do produto utilizado diferentes operaes unitrias;

Projeto: explorar o dimensionamento e arranjo dos equipamentos para melhor

desempenho dinmico, estudar as interaes de partes do processo,

especialmente quando existem reciclo de massa e integrao energtica.

Avaliar alternativas de processo e estruturas de controle e suas estratgias,

simular condies de startup, emergncia e seus procedimentos;


36/147

20

Operao: identificar e resolver problema, treinar operadores para situaes

de emergncia, otimizar as condies operacionais.

Os modelos de processo podem fazer parte dos interesses de diversas atividadesindustriais:

Geral: interessado em estimativas de investimentos futuros mais acurados.

Produo: interessado em encontrar modelos mais prximos do real para

economia de energia e programar melhorias na produo.

Estratgia: preocupado com as mudanas de mercado e a capacidade de

adaptao da unidade a este.

Manuteno: considerar os fatores crticos da confiabilidade dos

equipamentos na unidade.

Otimizao: desenvolver modelos que sejam representativos a unidade e

possam ser adaptadas de forma rpida para atualizao das condies

Ambiental: reduzir e prever os impactos causados pela unidade e gerar novas

regulamentaes no modelo.

Financeiro: reduzir custos de produo que sejam impactantes nos resultados

globais da unidade

economicamente vivel, mais rpido e seguro, realizar estes estudos atravs de

simuladores de processo do que testes experimentas na unidade em operao. Isto

no quer dizer que testes reais no devam ser feitos, pois so extremamente

importantes para a validao dos modelos e a verificao de novas opes de

modelo (LUYBEN, 1996).

A Figura 10 ilustra os incentivos econmicos nas fases de um projeto de engenharia,

do projeto conceitual at o comissionamento e construo (PINGEN, 2001). A fase

conceitual representa apenas 2% do total do investimento, mas pode contribuir para

a reduo do custo do projeto em mais de 30%.


37/147

21

Impacto econmico nas etapas de um projeto

12%

44%40%

2%2%0%

5%

10%

15%

20%

25%30%

35%

40%

Conceitual Bsico Compra Construo Comissionamento

Custo Total Oportunidade de Reduo de Custo Total

Figura 10 Incentivos econmicos nas fases de projeto conforme DIMIAN(2003)

medida que o projeto se desenvolve, a margem de oportunidade de reduo de

custo se reduz chegando zero nas ltimas etapas de comissionamento.

Com todos os benefcios da simulao dinmica, algumas perguntas so relevantes

a responder: por que o uso desta tecnologia apenas foi disseminado recentemente?

Ser til para a resposta desta questo, o decorrer histrico das simulaes e

considerar os princpios bsicos para o desenvolvimento de uma ferramentaPrimeiramente, necessrio o entendimento e o acesso aos dados bsicos

relacionados s propriedades qumicas e fsicas do sistema. Isto inclui o equilbrio

lquido-vapor e qualquer tipo de reao envolvida. Segundo, deve haver domnio do

balano de massa e energia em cada tipo de equipamento. Terceiro, deve-se dispor

do conhecimento de mtodos matemticos apropriados ao problema, na soluo de

equaes algbrica e diferenciais. E, finalmente, a experincia para equilibrar a

rigorosidade do mtodo e o desempenho desejado, assim como os erros associadosao modelo para obter um modelo til e funcional. Com estes dados e habilidades,

possvel desenvolver um simulador dinmico. Considerando estes princpios

bsicos, Svrcek et al. (2006) avalia que em um projeto que envolva simulao

dinmica, a dedicao de tempo est dividida conforme ilustra a Figura 11. O maior

esforo est na estruturao e no desenvolvimento do modelo a ser aplicado ao

processo.


38/147

22

Figura 11 Distribuio do tempo no desenvolvimento dos simuladores (dados de SVRCEK etal., 2006)

No entanto, este tipo de ciclo tornou o processo truncado, pois, um modelo

desenvolvido por algum usurio dificilmente tinha sequncia nos estudos por outro

pesquisador.

Assim, na engenharia qumica - onde os processos tipicamente tm grande

complexidade, necessidade de muito processamento e interfaces difceis de utilizar,

no surpresa que o uso dos simuladores dinmicos tenha sido devidamente

disseminado como outras disciplinas. Normalmente os processos mais complexos

justificavam os esforos no desenvolvimento de simulaes dinmicas. Svrcek etal.(2006) acreditam que dois fatores foram significantes para o aumento do uso

destes simuladores:

O crescimento das tecnologias de hardware e softwares

As novas formas de modularizao das simulaes

Existem milhares de pessoas por ano simulando processos na indstria. Svrcek et

al.(2006) afirmam que com as tecnologias computacionais de hoje, h menosmotivos para engenheiros escreverem e compilarem cdigos prprios para

simulaes dinmicas. Diversos pacotes comerciais tornam o uso e a curva de

aprendizagem mais simples e rpida, ampliando assim a gama de aplicao.

As principais caractersticas de um simulador dinmico de processos so

de uso e aprendizado fceis. Deve conter um ambiente intuitivo com grficos

de fcil interao com o usurio.


39/147

23

ser configurvel. Deve ser reutilizvel e extensvel para a criao do modelo

desejado.

acurcia. Deve gerar resultados consistentes.

rapidez. Deve equilibrar a rigorosidade do mtodo com o desempenho para

no haver perdas na iteratividade da simulao.

abrangente. Deve conter um range de aplicao e funcionalidades nos

processos em diferentes nveis de detalhe conforme a rigorosidade desejada.

baseado em um computador local. Deve ser rodado em uma mquina local.

Com estes atributos, os simuladores dinmicos se tornaram no apenas disponveis

no mercado, mas bem mais atrativos que nunca. Esta ferramenta se tornouessencial adicionando valor ao mercado quando os engenheiros de processo, de

controle e os operadores se sentiram confortveis em usufruir dos benefcios que se

apresentam.

Mesmo com a nfase em projeto de controladores, os projetos de unidades

industriais utilizavam os resultados estacionrios para dimensionar equipamentos,

enquanto mtodos heursticos eram utilizados para anlises dinmicas e seleo

das estruturas de controle (VOGEL, 1991).

Para processos complexos a fraqueza estava nos modelos de processo utilizados

para fechar as malhas de controle. A previso dos erros atravs do comportamento

dinmico do processo era de duas a trs vezes maior. A falta de modelos dinmicos

consistentes, robustos, reutilizveis em softwares adequados limitou o aceite do uso

da teoria de controle de processos (TYREUS, 1992).

Em resumo, a abordagem tradicional de anlise de malhas de controle passou pela

utilizao de tcnicas de respostas ao degrau ou a frequencias e anlise das

funes de transferncias, diagramas de Bode, grficos de Nyquist, entre outros. A

maioria destas anlises requer um estudo das transformadas de Laplace e foram

desenvolvidas no papel por mtodos de resoluo de equaes diferencias lineares.

No entanto, estas tcnicas aplicam-se para controles simples. Quando se tem

sistemas com diversas malhas de controle ou sistemas no lineares, o que

representa a maioria dos processos atuais na indstria, os simuladores dinmicos de


40/147

24

processo se tornam uma ferramenta de essencial, permitindo a comparao de

estratgias de controle, e o estudo da propagao das respostas ao longo da

unidade.

A simulao computacional est imersa em praticamente todas as reas de

atividade de Engenharia de Processo. Algumas ferramentas so de natureza mais

conceitual, como anlises termodinmicas e snteses de processos, outras mais

detalhadas, para projetos de unidades e anlises econmicas, e, algumas possuem

ambas as funcionalidades, com projetos como integrao energtica.

Os sistemas integrados so geralmente baseados em um banco de dados e uma

interface com o usurio IHM (interface homem mquina). O sistema composto por

diferentes pacotes de simulao, contem propriedades fsicas e clculos

termodinmicos para o estado estacionrio. Pacotes voltados para atividades

conceituais, como sntese de processo ou integrao energtica, ou para atividades

de engenharia, como projeto de trocadores de calor, tubulaes, podem ser

incorporados em um segundo nvel de complexidade. Ainda mais complexos so os

simuladores dinmicos. Os sistemas integrados so extensveis, ou seja, aceitam

modelos definidos pelo usurio. A Figura 12 ilustra as funcionalidades relacionadas

aos simuladores com base em um banco de dados (DIMIAN, 2003).

DIMENSIONAMENTO

SIMULAOESTACIONRIA

SNTESE DEPROCESSO

INTEGRAOENERGTICA

TERMODINMICA

PROPRIEDADES FSICAS

USURIO

TUBULAO

ANLISE DESEGURANA

SIMULAODINMICA

IHM e BD

S

Figura 12 Simuladores integrados em torno de um ambiente de base de dados (BD) e dainterface homem mquina (IHM) (DIMIAN, 2003).

A seleo do simulador envolve uma estratgia de deciso. Implica em uma poltica

de investimento em hardware, software e treinamento de equipe. So trs itensprincipais que devem ser abordados: anlise de funcionalidades; anlise do ponto de


41/147

25

vista computacional; e, anlise comercial. A Tabela 3 apresenta a lista dos principais

simuladores estabelecidos no mercado atualmente.

Dentre os simuladores apresentados na Tabela 3, dois deles se destacam, poisforam desenvolvidos por instituies brasileiras, o Petrox e o EMSO. O primeiro

originou-se da necessidade da Petrobras desenvolver seu simulador prprio e conter

o domnio sobre o cdigo na dcada de 90 (NIEDERBERGER et al.,2009). O

segundo nasceu de um projeto acadmico denominando Ambiente Livre para

Simulao, Otimizao e Controle de Processos ALSOC (em ingls, EMSO -

Environment for Modeling, Simulation, and Optimization), iniciado na Universidade

Federal do Rio Grande do Sul em 2005. O projeto ALSOC um esforo deaproximao da universidade com a indstria atravs da padronizao e distribuio

sem custo de especificaes e ferramentas de software entre universidades e

empresas consorciadas (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL,

2005). O EMSO atende s normas CAPE - Computer Aided Process Engineering

(CO-LAN, 2011), que so uma associao da indstria com a sociedade acadmica

para promover padres para os simuladores de processo. Apesar da disponibilidade

de simuladores no mercado, a grande vantagem de desenvolver um simulador

prprio conter o domnio do cdigo e a possibilidade de adaptao dos modelos

conforme as especificidades de cada processo e a demanda do usurio.


42/147

26

Tabela 3 Programas de simulao de processos e caractersticas gerais

CARACTERSTICAS**PROGRAMA* PROPRIETRIO

F SE SD D C

Hysys, Aspen Plus Aspen Technology, Inc. X X X X XCADSIM Aurel Systems Inc. X X

ProMax Bryan Research & Engineering, Inc. X X X

COCO CAPE ON X X

USIM PAC Caspeo X X X X

CHEMCAD Chemstations, Inc. X X X X

UniSim Honeywell X X X X X

SPEEDUP Imperial College X X X

SuperPro Designer Intelligen X X X X

Petro-SIM KBC X X X X X

Mobatec Modeler Mobatec BV X X XPetrox Petrobras X X

g_PROMS Process Systems Enterprise Limited X X X

ProSimPlus ProSim X X X

INDISS RSI X X X

ProSimulator Sim Infosystems X X X

SysCAD SysCAD X X X

CHEMPRO Technotrade X X X

EMSO UFRS - ALSOC X X X

VMGSim Virtual Materials Group X X X X

VMGSim Virtual Materials Group X X X X

DESIGN II WinSim Inc. X X X

Omega Yokogawa X X X

*Para referncias ver item 6** F: fluxograma, SE: simulao estacionria, SD: simulao dinmica, D: dimensionamento, C: custo

2.2.2 Controle de Processos

Apesar de o controle feedbackpoder ser aplicado em unidades de processamento

desde o inicio do seu pleno desenvolvimento no sculo XVIII, como nos sistemas

mecnicos e eltricos, os engenheiros qumicos se adaptaram a disciplina de

controle de forma mais lenta. Isto ocorreu principalmente devido a dois fatores, a

falta de familiaridade com a terminologia, e, diferenas bsicas na modelagem e

interpretao dos fenmenos fsico-qumicos para com os processos estudados.

Unidades de processamento normalmente operam em condies estacionrias, ou

seja, com os set-points constantes no tempo, assim, uma boa capacidade decontrole dos processos contribui para reduzir os efeitos causados por distrbios.


43/147

27

Apesar de o controle ser fundamentado em teorias dinmicas, os aspectos do

estado estacionrio so de extrema importncia para a caracterizao do processo.

Se uma unidade no consegue operar em condio esttica, no se pode faz-la

trabalhar em condies dinmicas.

Para atingir o desempenho desejado necessrio que sejam realizados testes na

unidade, simulaes computacionais, e o projeto detalhado de controle adequado ao

processo, que pode gerar mudana das condies operacionais de forma a otimizar

o processo. Estas malhas de controle crticas geralmente so responsveis por

manter ou parar a operao da unidade. Portanto o estudo em controle de

processos tem o objetivo de obter o domnio das condies operacionais doprocesso para atender requisitos desejveis; e, tem como principal desafio a

multidisciplinaridade da rea associado ao pleno conhecimento do sistema.

O problema de controle de destilao um problema clssico que desde o incio do

desenvolvimento dos simuladores e das tcnicas de controle, vem sendo estudado.

Considerando a unidade de processamento, onde so separados os produtos em

uma coluna de destilao, com refervedor e com ou sem o condensador, o problema

de controle trata da composio dos produtos. O controle ideal para as composies

de topo e do fundo seria medi-las diretamente e ajustar as razes de refluxo e o

calor do refervedor para obter as composies desejadas. No entanto, esta

abordagem no utilizada na prtica, por vrios motivos, como por exemplo, os

cromatgrafos so equipamentos caros e com alta frequncia de manuteno, alm

do intervalo de medio ser muito grande para o objetivo de controle regulatrio,

introduzindo um elevado tempo morto na malha de controle.

A temperatura largamente utilizada para o controle atravs da inferncia da

composio. Os sensores de temperatura so baratos, e tm pouca influncia no

tempo de reposta da malha de controle. Para problemas multicomponentes, a

presso constante, esta inferncia de composio pode no ser linear, mesmo assim

fornece informaes apuradas sobre a composio dos produtos. Existem ainda

frentes de estudos que desenvolvem sensores digitais para a inferncia destas

composies. Cita-se o trabalho de Filet (1999), que desenvolveu um controle digital

de composio para uma coluna de destilao em batelada atravs de controladores


44/147

28

auto sintonizveis baseado em uma modelagem de sensores com redes neuronais.

Os dados utilizados foram de testes em uma unidade piloto, e os resultados

apresentados indicam a validade do modelo proposto com erros na composio da

ordem de 2%, satisfatrio para o problema proposto. Em artigo mais recente, Ma et

al. (2008) desenvolveram sensores adaptativos com base em dados estatsticos,

identificando as variveis principais em uma coluna de destilao. Os autores

concluram que apesar de no apresentarem uma tcnica nova, uma abordagem

que pode ser facilmente aplicada e entendida na indstria. J em aplicao para o

processamento de gs natural Santos et al. (2009) estudaram a anlise de

correlao multivarivel (Multivariable correlation analysis - MVCA) para uma coluna

desetanizadora. O objetivo realizar inferncias para composio de propano apartir de dados histricos das principais variveis da unidade. Os resultados

comprovaram que o mtodo de inferncia aplicado foi eficiente na predio do

comportamento da composio. Os resultados foram validados com a aplicao em

tempo real na unidade de processamento.

Assim sendo, a proposta manter a temperatura de um estgio controlada.

Contudo, para selecionar o estgio que ser mantido a temperatura constante

utiliza-se os mtodos de pareamento para coluna de destilao proposta por Luyben

(2006).

De forma resumida, os mtodos propostos por Luyben (2006), so os seguintes:

Derivada nos estgios: selecionar o estgio com maior mdulo da derivada

nos estgios dada as perturbaes no sistema.

Derivada na temperatura: selecionar o estgio com maior mdulo da derivadana temperatura dada as perturbaes no sistema;

Decomposio em valores singulares: mtodo proposto por Moore (1992). A

matriz de ganhos K decomposta em trs matrizes, onde K= UVt. Os

valores de Uso avaliados contra os estgios, e, o maior valor em mdulo

o candidato a par de controle.

Temperatura constante: com as especificaes de topo e fundo constantes

variar a carga da coluna, o estgio em que a temperatura no variar ocandidato.


45/147

29

Mnima varincia nos produtos: consiste em selecionar o estgio que produz

as menores alteraes na pureza dos produtos de topo e de fundo.

Deste modo, a partir da anlise das respostas e da comparao dos resultados,pode-se definir a melhor estrutura de controle supervisrio para a unidade.

Dentre os diversos mtodos de sintonia de controladores PID, o mtodo proposto

por Astrm e Hagglund (1984), denominado de Auto Tuning, faz a anlise de

margem de ganho e fase para um distrbio controlado. So aplicados pequenos

ciclos de distrbios entre a varivel manipulada e controlada. A Figura 13 mostra, a

seguir, um exemplo de rel2 com amplitude e histerese. , para a varivel

manipulada U(t)versuso erro da varivel controlada E(t).

U(t)

E(t)

Figura 13 Exemplo de rel para o auto tuning

A sintonia dos parmetros do controlador PID obtida com base na metodologia

desenvolvida e estudada por mais de vinte anos (ASTRM e HAGGLUND, 1984,

1993, WANG e SHAO, 1999, MA e ZHU, 2005, JENG, HUANG e LIN, 2006, WANG

e ZHANG, 2007). Especificando o ngulo de fase pode-se determinar a margem de

ganho. Esta metodologia similar anlise de margem de ganho e fase, mas mais

precisa, pois com um controlador rel determinam-se os pontos no domnio da

2 Controladores rel: so chaves eletromagnticas usadas para ligar e desligar dispositivos. A

corrente eltrica percorre as espiras da bobina do rel, criando assim um campo magntico que por

sua vez atrai a alavanca responsvel pela mudana do estado dos contatos. Por muitos anos foi o

mtodo padro de controle industrial para sistemas eletrnicos. Uma srie de rels pode ser utilizada

em conjunto para executar funes complexas. A lgica do rel predecessor a linguagem ladder,

aplicada hoje nos controladores lgicos programveis (CLP).


46/147

30

freqncia de forma mais precisa e rpida. Alm disto, realizar um experimento em

uma unidade operacional facilmente aceito, pois os ciclos de perturbaes so de

pequena amplitude e de curto perodo de durao. A Figura 14 apresenta de forma

ilustrativa os parmetros para a sintonia. A sequncia para sintonia por este mtodo

(SVRCEK et al, 2006):

1. Determinar um valor razovel para mudana na varivel manipulada (,

pequena variao na posio da vlvula);

2. Atuar na vlvula para +%;

3. Esperar at que a varivel controlada comece a mover, quando, deve ser

atuado na vlvula com -%;4. Quando a varivel controlada ultrapassar o set-point, alterar posio em

+2% ;

5. Continuar at que a resposta se estabilize;

6. Obter a amplitude da resposta, a.

7. Calcular os parmetros de sintonia:

Ganho limite : Ku =4a

Perodo limite : Pu

Ganho do controlador :

Kc =Ku3,2

Tempo integrador : i = 2,2 Pu

Tempo derivativo :d =

i

Figura 14 Parmetros do mtodo auto-tuning (SVRCEK et a, 2006l):


47/147

31

Aps a sintonia dos controladores, o desempenho dos mesmos deve ser verificado

para distrbios no set-pointde cada controlador e na carga, avaliando a qualidade

da resposta de cada controlador.

Para acompanhar a necessidade de controle de variveis no mais locais de uma

unidade, e sim, que impactam na unidade como um todo, como alteraes na carga,

ou mudanas no perfil operacional relacionado campanha de produtos, dentre

outras, surgiu o controle avanado. Visando supervisionar a unidade como um todo,

dentre as tcnicas de controle avanado, o controle preditivo baseado em modelo

(MPC) vem sendo amplamente estudado e aplicado para problemas de controle em

engenharia. Morari e Lee (1999) apresentaram uma reviso histrica e dasperspectivas para o desenvolvimento no futuro, que ainda so estudados hoje, como

a identificao de modelos, o monitoramento e o diagnstico de controladores.

O conceito bsico do MPC pode ser resumido como o seguinte, de acordo com

Seborg et al. (2011). Supondo que se deseja controlar um processo de mltiplas

variveis de entrada e sada, satisfazendo a restries nestas variveis. Se um

modelo do processo razovel est disponvel, pode-se utiliz-lo juntamente com as

variveis medidas para prever valores futuros de sada. Assim, aes de controle

nas variveis de entrada podem ser calculadas baseadas nas predies e medidas.

Algumas vantagens da aplicao do MPCso:

1. O modelo do processo considera as relaes dinmicas e estacionarias

entre as variveis de entrada, sada e de distrbio;

2. Restries nas variveis de entrada e sada podem ser consideradas;

3. O calculo de controle pode ser conjugado com o calculo do set-pointtimo;4. Um modelo preditivo acurado pode apontar de forma antecipada

problemas que venham a ocorrer no processo

Claramente, o sucesso do MPC(ou qualquer controle baseado em modelo) depende

fundamentalmente da acurcia do modelo do processo considerado. Predies mal

realizadas podem prejudicar o processo ao invs de control-lo.

O simulador Hysys

disponibiliza a utilizao deste mtodo em seus processosdinmicos, expondo os parmetros de sintonia do controlador preditivo, como,


48/147

32

horizonte de predio, horizonte de controle, constante de tempo da trajetria de

referncia, e as funes peso da entrada e sada de controle. O principal mtodo de

resoluo o DMC (Dynamic Matrix Control), apresentado para a sociedade

cientfica em 1979, por Cutler e Ramaker, tem ampla aplicao nos processos.

este mtodo que est disponvel no simulador Hysys. Uma evoluo do DMC

proposta por Garcia e Morshedi (1986) apudSeborg et al. (2011), inclui restries

nas variveis manipuladas e de controle, que exige uma otimizao da resposta

simulacao e controle de uma upgn

Documents