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PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA
AGENCIA NACIONAL DE PETRÓLEO PARA O SETOR
PETRÓLEO E GÁS PRH–ANP/MME/MCT
BOLSISTA: Alex Almeida Manólio
DATA DE ENTRADA NO PROGRAMA : 01/06/2002
DATA DE SAÍDA DO PROGRAMA : 31/05/2004
TIPO DE BOLSA: GRA – GRADUAÇÃO.
INSTITUIÇÃO: UNIFEI – UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ.
COORDENADOR: Jamil Haddad
TÍTULO DO PROGRAMA: ENGENHARIA DA ENERGIA E DO PETRÓLEO.
ORIENTADOR: Carlos Alberto Murari Pinheiro
Título da Pesquisa
Identificação Multivariável de um Forno Refervedor
Atmosférico
Autor: Alex Almeida Manólio
Orientador: Carlos Alberto Murari Pinheiro
OBJETIVO
Obter o modelo matemático de um forno
refervedor atmosférico através de
técnicas de identificação de sistemas.
A partir do modelo é possível:
Realizar novas estratégias de controle.
Predizer comportamentos diante de diferentes condições de operação.
Realizar diversos tipos de análises.
Introdução
Nos processos de destilação de petróleo é necessário fornos.
Os fornos tem a função de aquecer o petróleo bruto ou reduzido a ser destilado.
Os fornos podem ser: aquecedores ou refervedores.
Processo de Destilação Atmosférica
Forno Aquecedor
Atmosférico
Nafta Leve
Nafta Pesada
Querosene
Diesel / Gasóleo
Produtos Destilados
Torre de Destilação
Atmosférica
Forno Refervedor Atmosférico
Petróleo bruto
Esquema básico
Objeto de estudo
Forno Refervedor Atmosférico
u3
u1
y2
u2
y1
Variáveis do processo
(u1, u2, u3, y1, y2)
Carga Térmica(Gás ou Óleo)
SDCDControle Regulatório
Transdutores de Temperatura
Otimizador
Controlador Multivariável
Set - Points
Carga(Petróleo Reduzido)
Carga AquecidaRefluxo
F-01A
Coleta de
Dados
Forno Refervedor Atmosférico
Variáveis do Forno – Sistema Multivariável – 3I2O
Variáveis de Entrada• u1 = Carga Térmica [Gcal/h] – (manipulada)• u2 = Vazão de Entrada da Carga [m3/h] –
(manipulada)• u3 = Temperatura de Entrada da Carga [°C] –
(perturbação)
Variáveis de Saída• y1 = Temperatura de Saída da Carga [°C] –
(controlada)• y2 = Temperatura de Topo de Radiação [°C] –
(controlada)
Forno Refervedor Atmosférico
Especificações do Forno
Localização: Refinaria da Petrobrás Henrique Lajes, REVAP, São José dos Campos.
Unidade de Destilação: U210
Capacidade da Unidade: 36.000m3/dia
Forno Refervedor: F – 01A
Número de Passos: 4
Forno Refervedor AtmosféricoBateria de Pré-Aquecimento e Pré-Flash (Petrobrás,
2004)
Identificação de SistemasIdentificação de Sistemas tem como objetivo obter
o modelo matemático a partir dos dados do sistema.
Características dos dados para Identificação do Forno F-01A:
A aquisição de dados foi realizada no SDCD do sistema de operação do forno.
Foram adquiridos 20160 pontos, com taxa de amostragem de 60s.
Foi adotado que o sistema é linear.
Identificação do Forno F-01AEtapas da Identificação do Forno Refervedor
F- 01A:
1. Aquisição dos dados
2. Divisão dos dados em grupos para identificação e outro para validação
3. Tratamento dos dados
4. Escolha de vários modelos ARX multivariável (linear)
5. Estimação de Parâmetros dos Modelos
6. Validação dos modelos identificados
7. Escolha do modelo mais adequado para temperatura de saída
8. Escolha do modelo mais adequado para temperatura de topo de radiação.
Identificação do Forno F-01A
DadosOs dados tiveram a média removida, sendo essa uma tendência.
Grupo 1 - Dados para identificação: Pontos
1 – 10080
Grupo 2 - Dados para validação: Pontos
10081 – 20160
Identificação do Forno F-01A
Dados – Carga Térmica do Forno
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
-20
-10
0
10
20
30
40
50Dados da Carga Termica do Forno F-01A
Numero de Amostras [min]
Va
zao
[G
cal/
h]
Dados AdquiridosDados com Media Removida
Identificação do Forno F-01A
Dados – Temperatura de Entrada da Carga
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
-50
0
50
100
150
200
250
300Dados da Temperatura de Entrada da Carga do Forno F-01A
Numero de Amostras [min]
Te
mp
era
tura
[°C
]
Dados AdquiridosDados com Media Removida
Identificação do Forno F-01A
Dados – Vazão de Entrada da Carga
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
-200
-100
0
100
200
300
400
500Dados de Vazao de Entrada da Carga do Forno F-01A
Numero de Amostras [min]
Va
zao
[m
3/h
]
Dados AdquiridosDados com Media Removida
Identificação do Forno F-01A
Dados – Temperatura de Topo de Radiação
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
-200
0
200
400
600
800
1000Dados da Temperatura de Topo de Radiaçao do Forno F-01A
Numero de Amostras [min]
Tem
pera
tura
[°C
]
Dados AdquiridosDados com Media Removida
Identificação do Forno F-01A
Dados – Temperatura de Saída da Carga
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 104
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400Dados da Temperatura de Saida do Forno F-01A
Numero de Amostras [min]
Te
mp
era
tura
[°C
]
Dados AdquiridosDados com Media Removida
Identificação do Forno F-01A
Modelo ARX Multivariável – Modelo LinearEstrutura do Modelo:
A(z).y(z) = B(z).u(z) + e(z)
onde; A(z) e B(z) são matrizes de polinômios
)()(....)1(.)(.
)(....)1(.)(.
10
1
kenkuBkuBkuB
nkyAkyAkyA
unu
ynyo
Em equações a diferença tem-se:
ny
nbnb
nana
IA
zBzBzBBzB
zAzAzAAzA
0
22
110
22
110
...)(
...)(
Identificação do Forno F-01A
Estimação de Parâmetros - MQA estimação de parâmetros foi feita com o método dos Mínimos Quadrados (MQ), usando o grupo 1 de dados, 10080 pontos.
YFFF TT ..].[ 1
F - matriz de regressoresY - matriz das saídasΘ – vetor de parâmetros a ser estimado
Identificação do Forno F-01A
Estimação de Parâmetros - MQModelos testados:
Os parâmetros foram estimados usando o software MatLab
ARX (na, nb, nk)
na – número de pólosnb – Número de zeros +1nk – atraso entre entrada e saída
Identificação do Forno F-01A
Validação
N
NiN
gh kigihN
kr )().(.1.2
1lim)(
A validação dos modelos foi feita baseado em equações de
correlação.
Onde; h e g são os sinais a serem correlacionados.
rhg – fator de correlação
Identificação do Forno F-01AModelos Identificados para a
Temperatura de Saída da Carga
Identificação do Forno F-01A
Modelos Identificados para a Temperatura de Topo de Radiação
Identificação do Forno F-01AModelo ARX324 Multivariável -
Temperatura de Saída da Carga
Modelo Completo :
)5(.3225,10062,00035,0
0206,00002,0
)4(.3170,10054,00054,0
0208,00001,0)3(.
3527,03440,11
0001,02467,0
)2(.9170,00355,21
0001,04832,0)1(.
5621,16932,9
07297,1)(.
10
01
tu
tuty
tytyty
)5(.0206,0
)5(.0002,0)4(.0208,0)4(.0001,0)3(.0001,0
)3(.2467,0)2(.0001,0)2(.4832,0)1(.7297,1)(
3
1312
12111
tu
tutututy
tytytytyty
Modelo para a Temperatura de Saída a equação a diferença :
Identificação do Forno F-01AModelo ARX324 Multivariável - Temperatura de Saída da
Carga
2345678
234
1
111 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3
00006039,0.0001064,0.0001368,0.00005196,0.0001435,0
zzzzzzz
zzzz
u
yG
Função de Transferência da entrada “Carga Térmica” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”:
Função de Transferência da entrada “Vazão de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”:
2345678
234
2
112 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3
00008359,0.00003829,0.00008102,0.00009689,0.00004585,0
zzzzzzz
zzzz
u
yG
Função de Transferência da entrada “Temperatura de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Saída da Carga”:
2345678
234
3
113 .086,0.05294,0.6704,0.448,2.102,4.292,3
007367,0.02641,0.05128,0.053,0.02077,0
zzzzzzz
zzzz
u
yG
Identificação do Forno F-01AModelo ARX324 Multivariável -
Temperatura de Saída da Carga - simulação
6 7 8 9 10 11 12
x 105
-20
-10
0
10
20
30
40
Time
Te
mp
era
tura
co
m m
ed
ia r
em
ov
ida
[°C
]
Temperatura de Saida da Carga do Forno F-01A
ARX423 - 70.0356Sistema Real
Identificação do Forno F-01AModelo ARX331 Multivariável - Temperatura de
Topo de Radiação
Modelo Completo :
Modelo para a Temperatura de Topo de Radiação a equação a diferença :
)3(.8249,10393,00125,0
0209,000001,0)2(.
0494,10265,00362,0
0155,00001,00001,0
)1(.7549,00121,00131,0
0055,000)3(.
3533,01755,11
0001,02465,0
)2(.9172,09642,20
0001,04841,0)1(.
5613,18059,9
07304,1)(.
10
01
tutu
tuty
tytyty
)3(.8249,1)3(.0393,0)3(.0125,0
)2(.0494,1)2(.0265,0)2(.0362,0)1(.7549,0
)1(.0121,0)1(.0131,0)3(.3533,0)3(.1755,11
)2(.9172,0)2(.9642,20)1(.5613,1)1(.8059,9)(
321
3213
2121
21212
tututu
tutututu
tututyty
tytytytyty
Identificação do Forno F-01AModelo ARX331 Multivariável - Temperatura de Topo de
Radiação
Função de Transferência da entrada “Carga Térmica” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”:
Função de Transferência da entrada “Vazão de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”:
Função de Transferência da entrada “Temperatura de Entrada da Carga” para a saída “Temperatura de Topo de Radiação”:
0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3
001631,0.01674,0.0003745,0.04525,0.01385,0.01307,023456
2345
1
221
zzzzzz
zzzzz
u
yG
0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3
01005,0.01096,0.08154,0.0779,0.005318,0.01206,023456
2345
2
222
zzzzzz
zzzzz
u
yG
0861,0.05217,0.6733,0.451,2.103,4.292,3
6831,0.01351,0.383,3.239,3.2028,0.7549,023456
2345
3
223
zzzzzz
zzzzz
u
yG
Identificação do Forno F-01AModelo ARX331 Multivariável -
Temperatura de Topo de Radiação - simulação
6 7 8 9 10 11 12
x 105
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Time
Te
mp
era
tura
co
m m
ed
ia r
em
ov
ida
[°C
] Temperatura de Topo de Radiaçao do Forno F-01A
Sistema RealARX331 - 58.3141
Identificação 2 do Forno F-01A
Foi realizada uma segunda identificação selecionando outros
dados da mesma aquisição.O processo e a etapas de identificação são idênticas às usadas nos itens anteriores.
Grupo 3 - Dados para identificação: Pontos 1 – 4600Grupo 4 - Dados para validação: Pontos 4601 - 9200
Identificação 2 do Forno F-01AModelos Identificados para a
Temperatura de Saída da Carga
Identificação 2 do Forno F-01AModelos Identificados para a
Temperatura de Topo de Radiação
CONCLUSÃO
A identificação 2, com os grupos 3 e 4 de dados, os modelos não foram validados, devido aos coeficientes de correlação muitos baixos (em torno de 10%), ou quando negativos.
Somente os modelos da identificação 1 serão considerados.
CONCLUSÃO
Para a temperatura de saída, o modelo (ARX324) de melhor validação atingiu 70% de coerência com o sistema real.
Para a temperatura de topo de radiação, o modelo (ARX331) de melhor validação teve uma coerência de quase 60% com o sistema real.
Identificações com modelos não-lineares (NARX, NARMAX, etc), podem oferecer melhores resultados devido a não linearidades que sistemas reais geralmente apresentam.
Identificação do Forno F-01A
Conclusão – Diagrama em Blocos das FT
PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA
AGENCIA NACIONAL DE PETRÓLEO PARA O
SETOR PETRÓLEO E GÁS PRH–ANP/MME/MCT
FIM
Obrigado a todos pela atenção