Ein eksplorerande studie

De acordo com a seção 1.1 (Objetivo Geral), o objetivo da Tese é apresentar uma metodologia, baseada no método de modelo oculto de Markov (HMM), para se detectar situações anormais em caldeiras de recuperação química, ainda em estágio inicial, ou seja, antes de se alcançar uma condição indesejável. Quanto mais precoce se identificar anormalidades, maior a chance de se retornar o processo à operação normal e, em consequência, maior a sua disponibilidade operacional, com segurança. Do ponto de vista prático, a idéia é situar o operador de sala de controle, em fábricas, sobre o estado atual e a tendência do sistema sob análise, a fim de auxiliá-lo no processo de tomada de decisões.

Nesta direção, aplicou-se a técnica HMM com o objetivo de se monitorar um dos subsistemas de caldeiras de recuperação química. O subsistema foco neste estudo de caso é a sessão de transferência de calor convectivo, desde o superaquecedor até o economizador, e o precipitador eletrostático. Veja a Figura 4.2. O objetivo é monitorar o acúmulo de depósitos de fuligem (cinzas) ao longo desta sessão de troca térmica.

Figura 4.2: Sessão de transferência de calor convectivo, desde o superaquecedor até o economizador, e precipitador eletrostático.

(Fonte: Kvaerner Power, 2002) Superaquecedor Convector Economizador II Ventilador de Tiragem Induzida Precipitador Eletrostático Economizador I Chaminé Gases de Combustão Fornalha

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Justificativa

Um dos principais desafios a se gerenciar durante a operação de caldeiras de recuperação química é a formação de depósitos de fuligem (cinzas) sobre os tubos dos equipamentos (superaquecedor, convector e economizador) da sessão de transferência de calor convectivo. A sua origem são as liberações de fumos (com a vaporização de sais de sódio e de sódio vapor, de tamanho inferior a 1μm), de “carryover” (com o arraste de resíduos de gotas de licor, ainda em processo de combustão ou não, por volta de 1mm), e de outras partículas (resíduos de carbono residual, potássio, cloro, sódio, sílica, cálcio, magnésio, entre outros, por volta de 50μm), durante as etapas do processo de combustão do licor (Vakkilainen, 2005). Este processo de queima do licor ocorre na fornalha inferior e, por isso, é importante conhecer, a química do licor (teor de cloreto, enxofre etc), a etapa de aspersão (carga de sólidos secos, diâmetro de gotas de licor etc) e o processo de combustão (ver seção 2.1.1. Injeção e Combustão do Licor), os mecanismos de emissões (ver seção 2.1.2. Emissões na Fornalha), e, o papel, a distribuição e a operação do ar de combustão (ver seção 2.1.3. Ar de Combustão do Licor), para se compreender o processo de formação de depósitos de cinzas.

O papel da sessão de troca térmica é aproveitar o calor dos gases de combustão do licor para produzir vapor de alta pressão, com os objetivos, de gerar energia elétrica para a fábrica, e de realizar operações de troca de calor (pré-aquecimento, secagem etc). Pode-se citar como aspectos negativos, ao se ter a formação e o acúmulo de depósitos de cinzas nesta região: a menor eficiência térmica, em relação à produção de vapor de alta pressão, o bloqueio à passagem dos gases de combustão do licor (Figura 4.3), e a corrosão de tubos. As consequências destes depósitos são, a menor disponibilidade operacional do equipamento (sinônimo de menor produção), e os maiores custos e ações de manutenção durante a parada anual para inspeções (Aspgren et al., 2003). Um fator agravante deste problema é o progressivo e rápido aumento de capacidade destas caldeiras, uma vez que a velocidade dos gases é diretamente proporcional à carga de sólidos (Vakkilainen, 2005).

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(a) (b)

(c)

Figura 4.3: Ilustrações, (a) de painéis do superaquecedor, e (b) de formação de depósitos no convector, e (c) de tubos da parte inferior do banco gerador, sem e com,

depósitos de cinzas (sem correspondência entre ambos).

(Fonte: (a) e (b) Kvaerner Power, 2002; e (c) Andritz, 2002, e Vakkilainen, 2005, respectivamente)

Do ponto de vista operacional, a redução da área disponível para a passsagem dos gases é mais crítica do que a redução de eficiência térmica, devido à progressiva demanda de exaustão pelos ventiladores de tiragem induzida (para se manter a pressão na fornalha em valor estável), até ao ponto de ser inevitável, ou diminuir a carga de sólidos secos ou parar o equipamento para lavagem (Vakkilainen, 2005). Devido aos aspectos críticos em relação à operação e à segurança de caldeiras de recuperação química, o monitoramento de depósitos de cinzas ao longo da sessão de transferência de calor convectivo, é contínuo. A sua realização nas fábricas, por

Tubos.

Depósitos de Cinzas. Gases.

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operadores de salas de controle, é via a observação de gráficos de tendências de variáveis-chave. O principal mecanismo em linha para se controlar os níveis de depósitos é o sistema de sopradores de fuligem (ver seção 2.1.2. Emissões na Fornalha).

4.1.1. Banco de Dados

A Tabela 4.1 contém informações sobre o banco de dados referente à operação da caldeira de recuperação química deste estudo de caso, e a Tabela 4.2, sobre as características de tal caldeira. As outras fontes de informação disponíveis são, os Boletins Diários de Ocorrências, com o histórico de registros sobre a condição deste equipamento, do ponto de vista tanto operacional como de manutenção; o SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), com informações sobre níveis de alarmes etc; e as conversas com operadores e engenheiros da fábrica.

Tabela 4.1: Informações sobre o banco de dados operacional para a caldeira de recuperação química deste estudo de caso.

Sobre o Banco de Dados† Informações

Início 01-Janeiro-2005 00:00:00

Fim 16-Novembro-2005 23:59:00

Intervalo de Amostragem 01 Minuto (min)

Número de Variáveis 18

†

110

Tabela 4.2: Informações sobre a caldeira de recuperação química deste estudo de caso.

Sobre a Caldeira de Recuperação

Química Informações † Projeto Aspersor de licor Níveis de ar de combustão Balão de vapor Sessões de superaquecedor Convector Economizador

Cortina de água (entre as sessões primária e secundária)

Queimador de óleo (partida e carga) Precipitador eletrostático Soprador de fuligem Fundo da fornalha Área da fornalha (m2) Altura da fornalha (m) > 10 03 01 03 01 02 01 > 5 e < 5, respectivamente 02 ≈ 100 Plano > 100,0 > 50,0 Capacidade de Processamento

Concentração de sólidos secos (%) Carga de sólidos secos (tss/d)‡

> 75,0 > 2500,0 Variáveis de Desempenho

Vazão de vapor de saída (t/h) Pressão do vapor de saída (kgf/cm2)

Temperatura do vapor de saída (oC) Grau de redução (%)

> 400,0 > 6,0 > 400,0 ≈ 95,0 Níveis (usuais) de Emissões

Opacidade (%) CO, SO2 (ppm) TRS (ppm) O2 (%) NOx (ppm) < 30,0 ≈ 0,0 < 2,0 < 5,0 > 150,0

†_{(>) Maior que, (<) Menor que, e (≈) Aproximadamente igual a.} ‡

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4.1.2. Seleção de Variáveis

As soluções para se monitorar os depósitos de cinzas sobre os tubos são, a inspeção visual de superfícies de tubos, através de operador experiente, e o acompanhamento de variáveis. As variáveis-chave para esta tarefa de monitoramento são, a perda de carga, a temperatura dos gases (ambos com correlação positiva com os depósitos de cinzas), e a temperatura da água/vapor no interior dos tubos (com correlação negativa com os depósitos de cinzas). A restrição para se utilizar a temperatura dos gases é o baixo número de pontos de medição. Para se monitorar a taxa de depósitos de cinzas em superaquecedores, ainda pode-se monitorar, a diferença de temperatura entre sessões de painéis (por exemplo, entre as sessões primária e secundária), e a demanda de vazão de água (ou de vapor saturado) para o atemperador, equipamento responsável por manter a temperatura do vapor de saída no valor desejável (“set point”) (Vakkilainen, 2005). A correlação destes dois parâmetros com o acúmulo de depósitos de cinzas sobre os tubos é negativa. Além de se basear nestas variáveis, ainda é importante considerar a experiência de operadores e engenheiros de fábricas.

Neste estudo de caso, utilizou-se, por questão de disponibilidade, para se monitorar o acúmulo de depósitos de fuligem (cinzas) desde a sessão de transferência de calor convectivo até o precipitador eletrostático, as medições de perda de carga dos gases de combustão do licor através de cada equipamento (superaquecedor, convector, economizador e precipitador). Veja os pontos de tais medições na Figura 4.4 (esquema da caldeira de recuperação química deste estudo de caso), em conjunto com a Tabela 4.3. Estas medições de perda de carga são em ambos os lados do equipamento, oeste e leste; porém, utilizou-se, neste estudo, apenas àquelas do lado oeste. Deste modo, pode-se observar que, diferentemente do estudo de caso inicial (seção 3.9), no qual se tem um padrão temporal (de 50 segundos), o padrão nesta segunda aplicação é função da posição, ou seja, dado pelas medições de perda carga (no mesmo instante de tempo) ao longo dos equipamentos. Além destas, coletou-se ainda outras (17) variáveis, com o objetivo de se verificar a condição (se normal ou não) e o estado (se carga de sólidos baixa ou alta) de operação do equipamento.

112 Chaminé Aspersão de Licor PE ΔP(EcoII) ΔP(Conv)

ΔP(SA) ΔP(EcoI) ΔP(PE)

Ventilador P(Saída) P(Entrada) Coletor de Cinzas Ar Primário Ar Secundário Ar Terciário Queimador de Partida Queimador de Carga Balão de Vapor Bica de Sais Fundidos Sopradores de Fuligem SA II SA III Conv Eco II Eco I 1 3 4 5 6 7 SA IA SA IB 2

Figura 4.4: Esquema da caldeira de recuperação química deste estudo de caso e pontos de amostragem para se determinar a perda de carga (queda de pressão) dos gases de combustão do licor ao longo da sessão de transferência de calor convectivo

(superaquecedor (SA), convector (Conv), economizador secundário (Eco II), economizador primário (Eco I)) e no precipitador eletrostático (PE).

Tabela 4.3: Informações sobre as medições de perda de carga dos gases de combustão do licor (ver Figura 4.4).

Equipamento Pontos de _Medições Código Unidade

Taxa Média de Atualização

(min)†

Superaquecedor 1-2 ΔP(SA) Pa 1,2

Convector 2-3 ΔP(Conv) Pa 2,3

Economizador II 3-4 ΔP(Eco II) Pa 6,2

Economizador I 4-5 ΔP(Eco I) Pa 1,2

Precipitador

Eletrostático 6-7 ΔP(PE) kPa

1,3 (entrada) e 1,7 (saída)

†

Base de Cálculo = 1 dia de operação normal (01-Novembro-05, de 00:00:00 até 23:59:00), conforme o Boletim de Ocorrências. A fonte de informação para se calcular a taxa média de amostragem é o SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído).

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