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Análise Fingerprint A optimização da eficiência das caldeiras industriais é um bom investimento.
2 Anรกlise Fingerprint
ROBERT HORTON – As caldeiras são a base para a produção de vapor numa vasta gama de ambientes industriais e, para muitos operadores, a sua factura energética anual atinge os milhões ou dezenas de milhões de dólares. A optimização da sua operação é efectuada correntemente através de processos sofisticados de supervisão e controlo mas, com a passagem do tempo, o hardware e o software responsáveis podem degradar-se. Quando a factura de energia é avultada, é muito vantajosa a adopção de medidas para evitar esta degradação e assim reduzir os consumos energéticos. É esta a razão da popularidade da análise Fingerprint da ABB, que cria verdadeiras impressões digitais através da identificação dos pontos onde são necessárias a actualização ou a reparação das malhas de controlo e hardware, levando invariavelmente a reduções significativas nas facturas energéticas e nas emissões de carbono associadas. Como demonstrado através de um exemplo, a análise Fingerprint amortiza-se num prazo muito curto.
O
preço médio do petróleo é um bom indicador dos custos gerais da energia. Entre 1989 e 2002 o preço do barril de petróleo situava-se por volta dos 20 USD, tendo subido para 50 USD em 2005 e atingido quase 150 USD em meados de 2008. Para além das dores de cabeça que tal volatilidade causa no planeamento financeiro, o aparecimento destas pesadas contas energéticas atinge drasticamente a rentabilidade das empresas. Para equipamentos com consumo intensivo de energia, como as caldeiras industriais, este é um desafio particularmente premente: uma caldeira a gás natural de 68.040 kg (150 klb) vapor/h incorreria numa factura de combustível de cerca de 5 milhões de USD entre 1989 e 2002, aumentando para 10 milhões em 2007 e para 20 milhões em 2008, sendo sempre uma incógnita a sua evolução futura. O hardware e software dedicados à optimização da operação das caldeiras são agentes importantes para a redução de custos. A sua operação correcta traz claros benefícios: − Poupanças energéticas − Melhoria da resposta às necessidades de vapor − Extensão da gama de operação das caldeiras − Aumento da fiabilidade − Melhoria da segurança − Redução da pegada de carbono Imagem do título Uma operação eficiente das caldeiras industriais exige um controlo preciso dos seus parâmetros. A análise Fingerprint da ABB ajuda a atingir este objectivo Análise Fingerprint 3
O hardware e software dedicados à optimização da operação das caldeiras são agentes importantes para a redução dos custos
1 Metodologia do processo de optimização
Regulação da malha de controlo Da mesma forma que muitos outros equipamentos industriais, as caldeiras de vapor dependem de controladores Proporcional Integral Derivativo (PID) para a regulação dos processos, redução da instabilidade do produto e melhoria da operação. Contudo, a ABB verificou que nos sistemas PID em operação: − as malhas de controlo PID não são mantidas e degradam-se, afectando a produção e o desempenho − o equipamento associado não está a operar de forma apropriada Em consequência, a ABB criou o serviço de análise Fingerprint para a melhoria do desempenho das caldeiras. O programa Fingerprint analisa o estado do hardware e dos controlos, testa a estabilidade e a operação da caldeira e efectua ensaios de carga de combustão e de resposta dinâmica. O processo começa com uma comparação da operação da caldeira com níveis de desempenho existentes e com o estabelecimento de uma base de referência para as acções de melhoria. Seguidamente são elaboradas recomendações para melhoria, as quais são priorizadas de acordo com os seus retornos do investimento (ROI) expectáveis. As acções seguintes corrigem os problemas e estabilizam o desempenho 1. A análise divide-se em três fases: Diagnóstico (Fingerprint)
− Medição dos desvios de desempenho − Cálculo do retorno do investimento (ROI) − Criação de um plano de acção
4 Análise Fingerprint
Implementação
− Eliminação do desvio de desempenho − Definição de um plano de supervisão Operação estável (observação/seguimento)
− − − −
Gestão do desvio de desempenho Programação da manutenção Definição das condições de alerta Manutenção de operação estável
De novo em forma O poder da análise Fingerprint é bem demonstrado pelo exemplo da intervenção realizada em quatro pequenas caldeiras industriais na instalação química industrial Arkema em Calvert City, Kentucky, EUA, a qual inclui a maior instalação mundial de produção do gás refrigerante HFC-32. A instalação Arkema possui quatro caldeiras de diferentes dimensões, datas de instalação e níveis de produção de vapor 2. As duas primeiras datam de 1952 e têm ambas construção de tijolo com entrada de ar por tiragem forçada (FD, Forced Draft) e saída por tiragem induzida (ID, Induced Draft), e uma capacidade nominal de produção de vapor de 18.000 kg/h (40 klb/h). A terceira caldeira data de 1965 e é uma estrutura com economizador, apenas um ventilador FD e uma capacidade nominal de produção de 35.000 kg/h (75 klb/h), embora tipicamente operada a um máximo do 27.000 kg/h (60 klb/h). A quarta caldeira data de 1996, é uma estrutura com economizador e recirculação dos gases de combustão (FGR, Flue Gas Recirculation) e tem condições de operação idênticas às da terceira.
2 Diagrama da instalação Arkema
Todas estas caldeiras produzem vapor a uma pressão de 165 psi, mas nenhuma funcionava à sua carga máxima admissível. O trabalho Fingerprint iniciou-se com a segunda caldeira, dado ser a menos eficiente mas também a mais utilizada. O exame inicial revelou que o movimento do posicionador do ventilador ID era irregular, sugerindo uma montagem defeituosa de um cilindro pneumático ou de um pistão. Também foram encontrados problemas no ventilador FD 3. A equipa da ABB identificou uma porta estanque, próximo da sonda de oxigénio, com folgas e uma fuga de ar para a conduta a montante do ventilador ID. Além disso, as sondas de oxigénio das duas caldeiras forneciam leituras cerca de 2% mais elevadas do que as obtidas por um analisador portátil. A fuga implicava que se estava a adicionar ar a um caudal de óleo que não chegava na realidade à caldeira. Os caudais de ar e de combustível apresentavam, pois, flutuações, exibindo histerese, trabalhando um contra o outro e criando variabilidade. Adicionalmente, um ensaio da tiragem indicou que ar da fuga estava a ser aspirado pelo ventilador ID e evacuado pela chaminé, como desperdício de energia. Com base nos ensaios de carga, foi
ajustada a relação ar/combustível. (O regulador do oxigénio para ajuste fino da relação ar/combustível tinha sido subutilizado nos anos anteriores, levando a uma operação não optimizada.)
3 A unidade do ventilador de tiragem forçada
Existe uma regra prática na indústria que diz que, seis meses após a sua instalação, cerca de 50% das malhas de controlo de processos apresentam degradação de desempenho. Em conformidade, as malhas de controlo foram monitorizadas através da ferramenta Loopscan, tendo sido encontradas várias deficiências 4. A análise Fingerprint deu origem a uma lista abrangente de acções. Relativamente ao hardware, foram identificadas as seguintes melhorias: − Reparação dos accionamentos de controlo dos ventiladores FD e ID − Resolução de problemas da leitura da sonda de oxigénio: verificação da calibração, identificação de fugas, mudança de localização − Selagem adequada de todas as portas − Recalibração dos caudais de vapor − Adição da monitorização do caudal de purga (o qual remove a acumulação de sólidos originada pela água ou pelo vapor) − Ajuste, limpeza ou substituição do visor do nível do barrilete Análise Fingerprint 5
4 Resultados da supervisão das malhas de controlo Controlo
Processo
Condição do sinal
C1: Manual
P1: ORC fora da gama
S1: Quantificado
C2: Ponto de operação oscilante
P2: Dimensão do ORC
S2: Ruído excessivo
C3: Gama morta
P3: Problema do ORC
S3: Picos
C4: Offset
P4: Fuga do ORC
S4: Step Out
C5: Sobre-controlo
P5: Perturbação intermitente
S5: Compressão
C6: Controlo lento
S6: Perturbação persistente
S6: Sobre-filtragem
C7: Curso do ORC
P7: Questinável
S7: Taxa de amostragem
5 A redução do caudal de oxigénio traz poupanças significativas
ORC: Órgão de regulação e controlo (FCE = Final Control Element)
Para a lógica de controlo foi estabelecida a seguinte lista de acções: − Realização de ensaios completos de combustão para afinação das curvas de vapor-ar, especialmente para o óleo − Actualização da lógica de controlo de acordo com os standards de implementação em vigor − Ajuste da lógica para indicar quando o óleo/gás está desligado − Actualização do cálculo de excesso de ar E para a regulação, os seguintes: − Reajuste das malhas de controlo para serem menos agressivas − Redução das tendências para picos e oscilações na saída − Adição de filtragem na medição de nível para redução de instabilidades na alimentação de água − Redução da filtragem nas medições antigas do caudal de vapor Como resultado destas medidas, as leituras de oxigénio, anteriormente na gama de 6 a 7 por cento, foram reduzidas para valores abaixo dos 5 por cento, reflectindo menores níveis de admissão, aquecimento e evacuação de ar, daí resultando elevadas poupanças de combustível 5.
As recomendações para melhoria são analisadas e priorizadas de acordo com os seus retornos de investimento expectáveis (ROI). 6 Análise Fingerprint
Só na segunda caldeira foram obtidas, sem necessidade de grandes investimentos de capital, poupanças da ordem dos 75 mil USD. A terceira caldeira apresentava o problema de falhar, sem explicação aparente, em alturas de tempestade. A equipa da ABB identificou a fonte do problema: um ventilador FD com tomada de ar no telhado, cuja posição levava à adulteração das leituras dos tubos Pitot aí instalados por efeito do cisalhamento de vento. A construção de uma simples cobertura de protecção resolveu o problema.
Acessoriamente, foi demonstrada a segurança da operação da caldeira a níveis de carga mais elevados, melhorando-se assim a rentabilização do investimento realizado.
Acessoriamente, foi demonstrada a segurança da operação da caldeira a níveis de carga mais elevados, melhorando-se assim a rentabilização do investimento realizado. No seu conjunto a análise Fingerprint, com um custo de cerca de 25 mil USD por caldeira, conseguiu uma poupança energética anual de cerca de 237 mil USD. A análise Fingerprint tem sido aplicada com sucesso semelhante a outras instalações de caldeiras industriais, promovendo a redução quer dos consumos energéticos, quer das emissões de gases de efeito de estufa. Com o aumento das preocupações ambientais, a importância do serviço de análise Fingerprint da ABB irá também ser mais significativa.
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