GEREÇ VE YÖNTEMLER
ELEKTROLİT DENGESİZLİĞİ
O objetivo principal da Tese é apresentar uma metodologia, baseada no método de modelo oculto de Markov, para se detectar situações anormais em caldeiras de recuperação química, ainda em estágio inicial, ou seja, antes de se alcançar uma condição indesejável.
A Figura 1.3 situa o objetivo principal da Tese, do ponto de vista operacional. A idéia, após se detectar um evento anormal, é tomar ações para trazer o processo à normalidade, e não deixá-lo evoluir para uma condição operacional fora de controle.
Normal Anormal Emergência
Modo de Operação
Normal Anormal Fora de Controle Acidente Desastre
Estado da Planta
Retornar ao Normal
Manter Normal Trazer para CondiçãoSegura
Minimizar Impactos
Objetivo da Operação
Figura 1.3: Possíveis estados de um processo químico, desde a condição normal até o desastre.
(Fonte: Nimmo, 1995)
A caldeira de recuperação química é um equipamento restrito ao setor industrial de produção de celulose “Kraft”, e o seu papel é essencial para a viabilidade econômica deste processo fabril. A sua descrição é o tema do capítulo 2. A técnica, modelo oculto de Markov (HMM, “Hidden Markov Model”), é pertencente à área de processamento de sinais, e parte integrante da classe de modelos baseada nos dados históricos dos processos. As aplicações de HMM, de maior sucesso, são em reconhecimento de fala. A sua descrição é o assunto do capítulo 3 (a seção 1.4. contém a descrição completa sobre a organização do texto da Tese).
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1.1.1. Justificativa
A motivação inicial, de se trabalhar com a área de monitoramento de processos químicos, é que as situações de natureza crítica sempre se iniciam com sinais incipientes. A idéia, nesta direção, é justamente usar a evolução gradual de sinais de variáveis (sintomas dos processos), para se detectar condições anormais (HMM é um método de processamento de sinais). O interesse do setor industrial de produção de celulose, no Brasil, de entender a segurança operacional (lógicas de controle regulatório e de Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS), cuja função é conduzir o processo a um estado seguro, após se ter a violação de qualquer condição previamente estabelecida (CSCRB, 2001)) de caldeiras de recuperação química, é recente (Park, 2006). Pode-se destacar como motivação e importância de tal iniciativa, as possibilidades, de dialogar com fornecedores de equipamentos, de propor soluções para se alcançar maior eficiência operacional, e de reduzir custos, inicial e de manutenção. A formalização deste cenário ocorreu em 1999, com a regulamentação do Comitê de Segurança em Caldeiras de Recuperação do Brasil (CSCRB), pela Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel (ABTCP), com o objetivo de justamente aumentar a segurança operacional de caldeiras de recuperação química. Estabelece-se neste contexto o tema de estudos desta Tese: monitoramento de caldeiras de recuperação química.
Pode-se dizer que um sistema de monitoramento de processos é confiável quando for capaz de, ao mesmo tempo, realizar as detecções de modo precoce, discriminar as situações anormais, e minimizar os alarmes falsos. O resultado ao se obter tal sistema é o estabelecimento de uma condição operacional segura. O próximo passo, após se alcançar tal condição, é, ou aperfeiçoar o sistema ou empregá-lo para melhorar o processo sob análise. O aperfeiçoamento se dá pela incorporação de conhecimento técnico disponível sobre as operações, e a própria atividade de monitoramento é responsável por gerar percepções (“insights”) sobre as operações. A promoção de melhorias se dá pela análise de resultados oriundos das tarefas de detecção e de diagnóstico de situações anormais. Pode-se citar como operações a se otimizar, em caldeiras de recuperação química: a injeção do licor-combustível, o seu processo de combustão, e a produção de material particulado.
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As duas situações de maior risco durante a operação de caldeiras de recuperação química são, o contato entre a água e o leito de sais fundidos no chão da fornalha, e o acúmulo de gás combustível (produtos de combustão do licor-combustível) sobre o leito de sais. A possibilidade de explosão do equipamento em ambos os casos é considerável, principalmente no caso de contato entre a água e o leito. A raiz deste contato são os vazamentos de água a partir de tubos na região inferior da fornalha, devido à corrosão e trincas, por causa de ataque químico, ou devido ao estresse de materiais, seja térmico ou mecânico (O Papel, 2006). As outras fontes de vazamentos de água são os tubos do economizador, do banco gerador e do superaquecedor, na parte superior do equipamento, cujas principais causas são, a soldagem de má qualidade, a corrosão, o estresse, a erosão, e o sobreaquecimento de tubos (Gommi, 1998). A gravidade deste problema é tal que o contato água-leito é a base para se classificar os incidentes. O incidente é crítico, se houver a presença de água na região inferior da caldeira, onde se tem o leito, e não-crítico, quando há vazamento, de água ou de vapor, mas sem alcançar esta cavidade inferior. A definição de um incidente como crítico é o critério para se determinar Procedimentos de Parada de Emergência (PPE) (BLRBAC, 2004). A segunda fonte de explosões é devido ao acúmulo de gases inflamáveis imediatamente acima do leito de sais. A causa deste problema é a combustão ineficiente destes gases, principalmente por ser a temperatura próxima ao leito, inferior à ideal.
Além destes desafios, há outras situações de relevância a se monitorar em caldeiras de recuperação química, com vistas à produção de qualidade e à segurança operacional. Um dos desafios é em relação ao acúmulo de depósitos de fuligem (cinzas) ao longo da sessão de transferência de calor convectivo do equipamento. Deste modo, aplicou-se, neste estudo, o método de Modelo Oculto de Markov com o objetivo de se monitorar tal acúmulo de depósitos ao longo da sessão de troca térmica. A aplicação utiliza o banco de dados históricos de uma caldeira de recuperação química de uma fábrica de produção de celulose no Brasil. A motivação para se realizar tal tarefa de monitoramento é a possibilidade real de se ter o bloqueio à passagem dos gases, devido à formação e acúmulo de depósitos de cinzas sobre os
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tubos dos equipamentos desta sessão (ver a Figura 1.4). As consequências destes depósitos são, a menor disponibilidade operacional do equipamento (sinônimo de menor produção), e os custos e ações de manutenção durante a parada anual obrigatória por lei para realizar inspeções (Aspgren et al., 2003). Um fator agravante deste problema é o progressivo e rápido aumento de capacidade de processamento do equipamento. Com base no segundo parágrafo desta sessão, pôde-se, a partir deste estudo, visualizar as possibilidades: de se aperfeiçoar o sistema de monitoramento de depósitos de cinzas, ao se incorporar conhecimento técnico disponível; e de se gerar percepções sobre a sessão de transferência de calor convectivo.
(a) (b)
Figura 1.4: Tubos da parte inferior do banco gerador, (a) sem e (b) com, depósitos de cinzas (sem correspondência entre ambos).
(Fonte: (a) Andritz, 2002 e (b) Vakkilainen, 2005) Tubos.
Depósitos de Cinzas.
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