UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAO INDUSTRIAL

Pr-Detalhamento da Instrumentao e Automao de um Forno Industrial de um Complexo Petroqumico

Monografia submetida Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovao da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso

Marcelo Khouri Silva

Florianpolis, Setembro de 2009

Pr-Detalhamento da Instrumentao e Automao de um Forno Industrial de um Complexo Petroqumico

Monografia submetida Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovao da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso

Marcelo Khouri Silva

Florianpolis, setembro de 2009

Pr-Detalhamento da Instrumentao e Automao de um Forno Industrial de um Complexo Petroqumico

Marcelo Khouri Silva

Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automao

Banca Examinadora:

Carlos Eduardo Neri de Oliveira Orientador Empresa

Agustinho Plucenio Orientador do Curso

Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsvel pela disciplina

Prof. Julio Elias Normey-Rico, Avaliador

Thiago Boaventura Cunha, Debatedor

Gabriel Veloso Paim, Debatedor

Agradecimentos

Agradeo primeiramente Deus por ter me dado a fora e a f necessrias para superao dos obstculos enfrentados durante minha vida acadmica. Em especial, quero agradecer aos meus pais pelo apoio e suporte em tudo que me foi necessrio e s minhas irms por me alegrarem e me colocar pra cima sempre que necessrio. Ao meu orientador na Chemtech Carlos Eduardo Neri de Oliveira e ao companheiro de trabalho Ronaldo da Ponte por sua seus conhecimento profissionais. Ao meu orientador Prof. Agustinho Plucnio, pelas importantes sugestes dadas para o desenvolvimento deste trabalho. A todos da equipe de Instrumentao do projeto, que disposio para passarem o conhecimento que possuem. Aos amigos que me acolheram na Chemtech, tornando mais agradveis a adaptao empresa e o trabalho no projeto. Aos amigos mais prximos por sempre escutar as lamentaes na hora do desespero e compartilhar as risadas nos momentos de alegria. Agradeo ainda a Agncia Nacional do Petrleo ANP e Financiadora de Estudos e Projetos FINEP por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petrleo e Gs PRH-34 ANP/MCT pelo apoio financeiro. sempre tiveram imensa ajuda no desenvolvimento deste trabalho e por sua grande dedicao em passar a todos os

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Resumo

Um forno , basicamente, um trocador de calor que usa os gases quentes da combusto para elevar a temperatura de um fluido circulando atravs de uma serpentina instalada dentro do forno. Alguns fornos simplesmente entregam o fluido em uma temperatura predeterminada para o prximo estgio do processo de reao. Outros promovem reaes no fluido enquanto ele flui pelos tubos da serpentina. Os fornos so usados em todos os processos que envolvem hidrocarbonetos e indstrias qumicas como refinarias, plantas de gs, petroqumicas e refinarias de leo combustvel. A maioria das unidades de operao requerem um ou mais fornos como pr-aquecedores do fluido de processo, fornos de craqueamento, vaporizador do fluido de processo, forno de leo cru ou forno reformador. Os combustveis para os fornos incluem desde produtos finais da refinaria como o gs combustvel at o leo pesado tido como resduo. O presente trabalho se prope a mostrar o projeto de FEED de instrumentao e automao de um forno chama, usando gs como combustvel, de uma unidade de um complexo petroqumico.

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Abstract

A fired heater is a direct-fired heat exchanger that uses the hot gases of combustion to raise the temperature of a feed flowing through coils of tubes aligned throughout the heater. Some heaters simply deliver the feed at a predetermined temperature to the next stage of the reaction process. Others perform reactions on the feed while it travels through the tubes. Fired heaters are used throughout hydrocarbon and chemical processing industries such as refineries, gas plants, petrochemicals and oil refinery. Most of the unit operations require one or more fired heaters as start-up heater, cracking furnace, process feed heater, process feed heater vaporizer, crude oil heater or reformer furnace. Heater fuels include light ends like fuel gas from refinery as well as waste heavy oil. This document intents to show the instrumentation and automation FEED fase of a fired heater, using fuel gas, of a petrochemical complex unit.

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SumrioAgradecimentos ................................................................................................. i Resumo ............................................................................................................ ii Abstract ........................................................................................................... iii Simbologia ...................................................................................................... vii Captulo 1: Introduo ...................................................................................... 1 1.1: A Chemtech ........................................................................................... 1 1.1.1: Histrico........................................................................................... 1 1.1.2: O projeto de FEED do Complexo Petroqumico .............................. 2 1.2: Objetivos do Trabalho ............................................................................ 4 1.3: Justificativa............................................................................................. 4 1.4: Metodologia............................................................................................ 5 1.5: Organizao do Documento................................................................... 6 Captulo 2: Fornos industriais tubulares sujeitos chama - Fundamentao Terica ........................................................................................................................ 7 2.1: Viso Geral ............................................................................................ 7 2.2: Tipos de concepes de Fornos Industriais ......................................... 10 2.2.1: Forno Cilndrico Vertical sem Conveco ...................................... 11 2.2.2: Forno Cilndrico Helicoidal sem Conveco .................................. 11 2.2.3: Forno Cilndrico Vertical com Conveco ...................................... 12 2.2.4: Caixa com tubos Verticais Aquecidos de ambos os lados (Dupla Cmara) ............................................................................................................. 12 2.2.5: Cabine com tubos em forma de U ............................................... 13 2.2.6: Cabine com tubos horizontais ....................................................... 13 2.2.7: Caixa com 2 clulas....................................................................... 14 2.3: Nomenclatura e componentes de um Forno Industrial......................... 15 iv

2.4: Equipamentos auxiliares ...................................................................... 18 2.4.1: Queimadores ................................................................................. 18 2.4.2: Sopradores de Fuligem ................................................................. 20 2.4.3: Preaquecedores de ar de combusto............................................ 20 2.5: Variveis operacionais ......................................................................... 21 2.6: O forno deste projeto ........................................................................... 25 2.7: Critrios Gerais do Projeto ................................................................... 26 2.7.1: Identificao Funcional .................................................................. 26 Captulo 3: Instrumentao aplicada a Fornos Industriais .............................. 29 3.1: Instrumentos para fornecimento de gs combustvel ........................... 29 3.2: Instrumentos para fornecimento de gs para os pilotos ....................... 33 3.3: Instrumentos para fornecimento de gs para os queimadores ............ 39 3.4: Instrumentos do forno .......................................................................... 43 3.5: Instrumentos relacionados ao vapor de abafamento ........................... 44 Captulo 4: Procedimentos de Controle e Automao de um Forno Industrial48 4.1: Definies preliminares ........................................................................ 48 4.2: Descrio de um seqencial de partida de um forno ........................... 50 4.2.1: Permisso de purga....................................................................... 50 4.2.2: Realizao da purga...................................................................... 52 4.2.3: Ignio ........................................................................................... 54 4.2.4: Permisso para alinhamento dos queimadores............................. 56 4.3: Descrio das etapas de parada de um forno...................................... 57 4.4: Malhas tpicas associadas ao controle de um forno............................. 58 4.4.1: Malha para o controle da combusto............................................. 58 4.4.2: Malha de controle da tiragem ........................................................ 60 Captulo 5: Documentos Gerados e Resultados ............................................. 62 5.1: Diagramas de Fornos ........................................................................... 62 v

5.1.1: Diagrama de alimentao do forno................................................ 63 5.1.2: Diagrama de tiragem do forno ....................................................... 66

5.1.3: Planta de locao de instrumentos do forno.................................. 68 5.2: Matriz de causa e efeito do forno ......................................................... 73 5.3: Memorial Descritivo .............................................................................. 77 Captulo 6: Concluses e Perspectivas .......................................................... 80 Bibliografia ...................................................................................................... 82

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Simbologia

A seguir: ABNT: Associao Brasileira de Normas Tcnicas AT: Analyzer Transmitter BTU: British Thermal Unit DCS: Distributed Control System FEED: Front End Engeniering Design FI: Flow Indicator FO: Flow Orifice FT: Flow Transmitter FV: Flow Control Valve HMI: Human Machine Interface I: Intertravamento P&ID: Piping and Instrumentation Diagram PES: Programmable Eletronic System PI: Pressure Indicator PMI: Project Management Institute PT: Pressure Transmitter PV: Pressure Control Valve TI: Temperature Indicator TT: Temperature Transmitter TRC: Controlador de Demanda de Combustvel TV: Temperature Control Valve XV: Block Valve ZS: Chave de fim de curso vii

Captulo 1: Introduo

1.1: A Chemtech1.1.1: HistricoFundada em 1989 com capital 100% nacional, a Chemtech uma empresa de consultoria e prestao de servios em engenharia e TI que alia um profundo conhecimento de processo ao domnio das mais modernas solues tecnolgicas, garantindo ao cliente sempre a melhor soluo.[ 1 ] A empresa acredita na engenharia nacional e nos profissionais brasileiros e quer, cada vez mais, contribuir para o desenvolvimento sustentvel e o crescimento do Brasil. Hoje a Chemtech lder brasileira no fornecimento de solues de otimizao para as indstrias de processos, atuando em diversos pases, como Alemanha, Estados Unidos, Rssia, Japo, Cingapura, Tailndia, Arbia Saudita, Frana, frica do Sul, Canad e Espanha. Em 2001, passou a fazer parte do grupo Siemens, mantendo sua liderana, padro mundial de qualidade, marketing share definido, linha de solues e gesto independente. Tudo isso aliando sua agilidade solidez do grande grupo econmico Siemens. Em 2008, foi eleita pela segunda vez consecutiva a melhor empresa para se trabalhar no Brasil e, desde 2004, Figura nas listas das melhores, de acordo com pesquisas de clima organizacional. Toda a equipe est em constante aprimoramento. O acompanhamento das tendncias e evolues mundiais e a excelente infra-estrutura oferecida garantem que a criatividade e a motivao da equipe da Chemtech estejam sempre em alta. A equipe multidisciplinar e formada por profissionais com alta capacitao e experincia. Os engenheiros e demais profissionais so graduados e especializados nas melhores instituies do Brasil e do mundo. Conhecem profundamente os processos industriais e as tecnologias mais avanadas disponveis no mercado, o

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que permite que entendam os problemas dos clientes de forma rpida, apontando ou desenvolvendo solues eficazes. Na Chemtech, h ainda consultores de altssimo nvel provenientes do mercado. Todos "vestem a camisa", possibilitando empresa agir de forma matricial em foras-tarefa. Verifica-se na Figura 1 - Distribuio da escolaridade dos funcionrios da Chemtech em 2009Figura 1 a distribuio da escolaridade do funcionrio da Chemtech em 2009.

Figura 1 - Distribuio da escolaridade dos funcionrios da Chemtech em 2009

1.1.1.1: Diviso do Projeto do Complexo Petroqumico dentro da Chemtech O projeto foi dividido em frentes de trabalho denominadas disciplinas. Existem ao todo 12 disciplinas: Processo, Instrumentao, Tubulao, Civil, PDMS, Mecnica Esttica, Mecnica Rotativa, Segurana, Eltrica, Telecom, Comissionamento e Equipamentos Crticos. O presente trabalho se desenvolveu dentro da disciplina de instrumentao, utilizando como apoio diagramas e informaes de outras disciplinas como a de processo.

1.1.2: O projeto de FEED do Complexo PetroqumicoA definio do FEED (Front End Engineering Design) como etapa no desenvolvimento de projetos foi soluo adotada para reduzir problemas de

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inconsistncias e indefinies no projeto bsico e aumentar a preciso das estimativas de custos e prazos. [ 2 ] O FEED uma metodologia que visa adiantar os problemas do detalhamento e construo e fornecer subsdios para a estimativa de custos de contratao do detalhamento e construo. Entre o projeto bsico e a obra, a nova etapa de anlise de consistncia do projeto bsico e pr-detalhamento, inaugurada pelo FEED, representa um grande avano em todo o processo. Alm de resolver falhas no bsico, antes de chegar ao detalhamento tem-se a estimativa mais precisa do valor do empreendimento. Antes da utilizao do FEED como uma das etapas da implantao de um empreendimento, adotava-se o modelo tradicional, no qual os projetos comeavam com o conceitual, onde se compunha as especificaes do projeto e a viabilidade do mesmo, seguindo para a prxima etapa: o projeto bsico. Com nveis variados de informaes e detalhes, a depender do contrato e da metodologia da empresa responsvel pela engenharia, o projeto bsico era desenvolvido e seguia para o detalhamento. O prximo passo era a licitao para o suprimento, construo e montagem. Desta forma, estimativas de investimentos e prazos costumavam no condizer com a realidade.[ 2 ]

1.1.2.1: Os objetivos do FEED dentro do Projeto do Complexo Petroqumico Identificar inconsistncias na documentao dos projetos bsicos. Elaborar projeto bsico complementar principalmente de fornos e vlvulas de controle e outras utilidades como sistema de vapor e ar de instrumento. Elaborar projeto de pr-detalhamento que possibilite o levantamento mais apurado dos quantitativos de materiais, equipamentos, sistemas e servios tcnicos a serem desenvolvidos nas fases seguintes. Elaborar uma especificao detalhada para aquisio dos equipamentos e de sistemas considerados crticos, pelo planejamento da empresa contratante.

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1.2: Objetivos do TrabalhoO principal objetivo deste trabalho gerar documentos da fase de FEED ou pr-detalhamento da automao e instrumentao de fornos industriais. Cada unidade do Complexo Petroqumico possui suas particularidades e, por isso, projetado um tipo diferente de forno que atenda a requisitos especficos de cada unidade. Em especfico, a fase de automao de fornos compreende a elaborao dos seguintes documentos: Diagrama de Alimentao do Forno, Diagrama de Tiragem, Planta de Locao de Instrumentos, Matriz de Causa-Efeito e Memorial Descritivo. Os diagramas de alimentao e tiragem so documentos de instrumentao contendo os instrumentos presentes nos fornos, com suas malhas de controle e intertravamentos; a Matriz de Causa-Efeito descreve os intertravamentos

relacionados ao forno; por ltimo, o Memorial Descritivo descreve todo o sistema de automao do equipamento.

1.3: JustificativaHoje o Brasil consome cerca de dez milhes de toneladas por ano de nafta derivada do refino do petrleo. A nafta utilizada principalmente como matria-prima da indstria petroqumica. A escassez relativa de nafta petroqumica e de gs natural nos prximos anos conduz a um cenrio de reduzido investimento para a produo de petroqumicos bsicos no pas, matrias-primas para produo de plsticos, e conseqente importao, inclusive dos polmeros e outros produtos de segunda gerao. Assim sendo, a implantao de uma refinaria integrada a uma central petroqumica e outras unidades industriais surge como uma alternativa econmica para o pas. O Projeto de Pr-Detalhamento (FEED) de automao de fornos est relacionado ao curso de Engenharia de Controle e Automao da UFSC uma vez que o projeto envolve conhecimentos nas reas de controle e automao de processos e, principalmente, na rea de instrumentao. Alm disso, o trabalho insere-se no contexto do Programa de Recursos Humanos PRH-34/ANP/MCT, que tem como objetivo a formao de engenheiros para atuar na rea de automao, controle e instrumentao para o setor de petrleo e gs natural. 4

1.4: MetodologiaInicialmente foi feito um estudo bibliogrfico em documentos e materiais sobre o Complexo Petroqumico, a Chemtech e a disciplina de instrumentao dentro da Chemtech, a fim de adquirir conhecimentos necessrios para o trabalho e o desenvolvimento das atividades do projeto. Alm disso, diversos cursos foram e esto sendo ministrados pela UCC (Universidade Corporativa Chemtech) com a finalidade de capacitar os funcionrios para alguns trabalhos especficos. Dentre estes cursos esto: Interpretao de fluxogramas de Engenharia, AutoCAD, Elaborao de Plantas de Locao de Instrumentos e palestras com fabricantes de alguns equipamentos para automao e instrumentao. Aps esta primeira fase de aquisio de conhecimentos gerais, partiu-se para estudos especficos da automao de fornos industriais. Foram levantados alguns requisitos de cada unidade tais como: Fluido de processo Tipo de tiragem Intertravamentos Tipo de combustvel Tipo de sinal e alimentao de cada instrumento presente no forno Malhas de controle Vlvulas Transmissores Medidores Indicadores

De posse dessas informaes, foram elaborados todos os documentos relativos complementao do projeto bsico da automao de fornos industriais, alm dos documentos finais de quantitativos de instrumentos.

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1.5: Organizao do DocumentoEste trabalho est estruturado em seis captulos, enunciados a partir deste, de forma a apresentar os principais temas referentes a este projeto final. Captulo 1 Introduo, Objetivo e Justificativa apresentado anteriormente. Captulo 2 Fornos Industriais Sujeitos Chama Fundamentao Terica tem por objetivo descrever os principais componentes e introduzir conceitos preliminares. Captulo 3 Instrumentao Aplicada a Fornos Industriais fornece informaes sobre os instrumentos utilizados no projeto do forno bem como sua representao em diagramas. Captulo 4 Procedimentos de Automao e Controle de um Forno Industrial mostra as principais seqncias atreladas aos processos de um forno e seus intertravamentos. Captulo 5 Documentos Gerados apresenta os documentos gerados no fim do projeto, os quais so o objetivo de um projeto de FEED. Captulo 6 Concluses e Perspectivas comenta os principais resultados obtidos a partir das anlises realizadas ao longo do projeto e algumas perspectivas futuras. E por fim Bibliografia enumera as principais fontes de consulta para a realizao deste projeto.

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Captulo 2: Fornos industriais tubulares sujeitos chama Fundamentao Terica

Neste captulo ser feita uma introduo aos conceitos bsicos sobre fornos industriais.

2.1: Viso GeralO forno , depois dos trocadores de calor, o principal equipamento de fornecimento de calor para as diversas correntes de uma Planta Industrial. Sua funo em alguns processos vai alm da complementao de calor para fins de condicionamento da temperatura da carga que alimenta as torres de fracionamento ou os reatores, pois tambm viabiliza processos de craqueamento trmico atuando por exemplo como os prprios reatores em Unidades Coqueamento Retardado, Unidades de Gerao de Hidrognio e de Produo de Eteno. [ 3 ] Um forno composto por uma cmara inferior, denominada de cmara de radiao, uma regio superior, denominada de zona de conveco, a chamin dos gases de combusto e o sistema de combustveis que suprem gs ou leo combustvel para os queimadores. Na prxima pgina, a Figura 2 mostra um forno industrial instalado em campo. Na cmara de radiao instalada parte da serpentina de processo e onde queimado um combustvel atravs dos queimadores. Recebe esta denominao porque a transferncia de calor se d basicamente por radiao dos gases de combusto resultantes da queima do combustvel. A zona de conveco , normalmente, uma caixa de base retangular montada acima da cmara de radiao onde so instaladas a outra parte da serpentina de processo e as serpentinas de outros servios, tais como: gerao de vapor dgua, superaquecimento de vapor dgua, etc., com o objetivo de aumentar a eficincia do forno. Recebe esta denominao porque o calor dos gases de combusto transferido para as serpentinas de tubos basicamente por conveco. A chamin um trecho cilndrico montado normalmente acima da seo de conveco, atravs do qual os gases de combusto so lanados para a atmosfera. 7

Figura 2 - Forno em uma Planta Industrial

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As principais variveis operacionais de um forno industrial so a temperatura de sada do fluido de processo do forno, a vazo atravs de um ou mais passes e a carga trmica a ser fornecida pelo sistema de combustveis.[ 5 ] Normalmente, a tubulao da carga do forno dividida em vrios passes dentro do forno. A quantidade de passes para distribuir a vazo total do fluido de processo dentro de um forno definida em funo da carga trmica e da velocidade requerida para o produto a ser aquecido. Os fornos controlam a temperatura de sada do produto manipulando a vazo de combustvel para os queimadores. Como os queimadores possuem restries quanto sua presso de operao, alguns fornos substituem os controladores de vazo de combustvel por controladores de presso para implementao da proteo contra apagamento de chama por presso muito baixa ou deslocamento de chama por presso muito alta no queimador. O controle de temperatura de sada do produto realizado aps a juno dos passes. Logo, o que se mede geralmente uma temperatura mdia do produto aquecido na sada do forno. Dependendo do tipo de processo e carga h a necessidade de se medir a temperatura em todos os passes do forno. Queimadores podem

estar dispostos no piso do forno, nas laterais, no teto ou em uma combinao destes arranjos.

Como conseqncia, torna-se necessrio criar configuraes de estratgias de controle que permitam fornecer carga trmica especficas por regies do forno. [ 3 ] A Figura 3 mostra um esquema simplificado de um forno industrial. Os principais objetivos de controle de um forno industrial so: 9Figura 3 - Esquema de um Forno Industrial

Manter constante e estvel a temperatura de sada do produto. Manter constantes as vazes de cada passe do forno. Manter constante e em um valor seguro a presso interna da fornalha. Manter o excesso de oxignio nos gases de combusto em uma valor timo. Manter constante a presso, dentro dos limites de segurana operacional, dos queimadores. Manter a vazo do gs combustvel em um valor requerido para fornecer carga trmica desejada naquele instante. Manter a vazo de ar para os queimadores no valor desejado.

As principais perturbaes ao controle de um forno industrial so: A temperatura de entrada do forno. A qualidade da carga e suas caractersticas trmicas. O poder calorfico do gs combustvel. A presso a montante ou a jusante do forno. A retirada ou colocao em operao de queimadores.

Podem ser identificadas basicamente duas categorias de fornos usados em refinarias e plantas petroqumicas. Os fornos de aquecimento que englobam todos os fornos em que a carga, ao passar pela serpentina de processo, sofre apenas um aquecimento, podendo ou no ser vaporizada. Os fornos de reao que englobam todos os fornos em que a carga, ao passar pela serpentina de processo, alm de sofrer um aquecimento tem sua composio qumica alterada.

2.2: Tipos de concepes de Fornos IndustriaisExiste uma grande variedade de concepes de projeto de fornos, o que explicado pelo fato de um projeto de um forno ser feito por encomenda para atender condies de processo especficas. Desta forma, no existem projetos de prateleira e, alm disso, projetistas de fornos possuem algumas solues de layout no convencionais. A seguir, uma breve introduo s concepes mais utilizadas sero apresentadas. 10

2.2.1: Forno Cilndrico Vertical sem ConvecoConcepo de baixa eficincia trmica onde os tubos so dispostos verticalmente ao longo da superfcie cilndrica da cmara de radiao. Esta concepo restrita, normalmente, a fornos de baixa carga trmica (menor que 5.106 BTU/h)1, fornos de operao intermitente ou quando o custo do combustvel extremamente baixo. A queima vertical de baixo para cima. A Figura 4 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]

Chamin

Serpentina da Radiao

Queimadores Figura 4 - Forno Cilndrico Vertical sem Conveco

2.2.2: Forno Cilndrico Helicoidal sem ConvecoConcepo onde a serpentina de tubos tem a forma helicoidal e fica disposta ao longo da superfcie cilndrica da cmara de radiao. Esta concepo , normalmente, adotada para os fornos de partida. Tambm restrita,Serpentina da radiao Chamin

normalmente, a fornos de baixa carga trmica (menor que 5.106 BTU/h), fornos de operao intermitente ou quando o custo do combustvel extremamente baixo. AFigura 5 - Forno Cilndrico Helicoidal sem Conveco Queimadores

queima vertical de baixo para cima. A Figura 5 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]1

BTU uma unidade de medida no pertencente ao SI utilizada principalmente nos Estados

Unidos e Reino Unido. A quantidade de 1 BTU definida como a quantidade de energia necessria para se elevar a temperatura de uma massa de uma libra de gua em um grau fahrenheit. Equivale a 252,2 calorias ou 1 055,05585 joules.

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2.2.3: Forno Cilndrico Vertical com ConvecoConcepo onde os tubos so dispostos verticalmente ao longo da superfcie cilndrica da cmara de radiao. A zona de conveco com serpentinas de tubos horizontais fica montada imediatamente acima da seo de radiao. Esta concepo resulta em fornos de eficincia relativamente alta e que ocupam pouco espao fsico. Aplicvel, normalmente, para alguns servios com carga trmica na faixa de 10. 106 a 200.106 BTU/h. A queima vertical de baixo para cima. A Figura 6 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]

Chamin

Serpentina da conveco

Serpentina da conveco

Queimadores Figura 6 - Forno Cilndrico Vertical com Conveco

2.2.4: Caixa com tubos Verticais Aquecidos de ambos os lados (Dupla Cmara)Concepo onde tubos verticais so dispostos em uma nica fila no centro da cmara de radiao. Queimadores dispostos nas paredes verticais paralelas a fila de tubos liberam calor para os 2 lados dos tubos (queima horizontal). possvel encontrar esta concepo com uma ou duas cmaras de radiao. A zona de conveco com tubos horizontais fica montada acima da(s) cmara(s) de radiao. Esta concepo resulta numa distribuio de calor ao longo da circunferncia dos tubos mais uniforme. uma configurao de alto custo e se aplica, normalmente, para alguns servios com carga trmica na faixa de 20.106 125.106 BTU/h. A Figura 7 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]

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Chamin

Serpentina da Conveco

Serpentina da Radiao

Queimadores Figura 7 - Forno Dupla Cmara

2.2.5: Cabine com tubos em forma de UConcepo onde tubos em forma de U tm seus trechos verticais dispostos ao longo da superfcie interna de duas paredes da cmara de radiao (paredes laterais). Os tubos so conectados a dois coletores, um de entrada e outro de sada. Esta concepo se aplica particularmente ao servio de aquecimento de grandes vazes de gases com baixa perda de presso admissvel. Admite tanto a queima vertical de baixo para cima, quanto a queima horizontal com os queimadores instalados nas paredes perpendiculares aos coletores (paredes terminais). A zona de conveco com as serpentinas de tubos horizontais fica montada acima da cmara de radiao. Aplicao, normalmente, para cargas trmicas na faixa de 50.106 400.106 BTU/h. A Figura 8 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]Coletores Serpentina da Radiao QueimadoresSerpentina da Conveco

Chamin

Figura 8 - Cabine com Tubos em forma de "U"

2.2.6: Cabine com tubos horizontaisConcepo onde tubos so dispostos horizontalmente ao longo da superfcie interna das paredes laterais e do teto inclinado da cmara de radiao. A zona de conveco com serpentinas de tubos horizontais fica montada imediatamente acima 13

da seo de radiao, se estendendo por todo o comprimento desta. Esta a concepo de maior uso em projetos de fornos atuais. Admite tanto a queima vertical de baixo para cima quanto a queima horizontal com queimadores instalados nas paredes terminais (sem tubos). Aplicao, normalmente, para cargas trmicas na faixa de 10.106 a 400.106 BTU/h. A Figura 9 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]Chamin Serpentina da Conveco

Serpentina da Radiao

Queimadores

Figura 9 - Cabine com Tubos Horizontais

2.2.7: Caixa com 2 clulasConcepo onde tubos horizontais so dispostos ao longo das superfcies internas das paredes laterais e do teto das duas clulas (cmaras de radiao). A zona de conveco com serpentinas duas de tubosSerpentina da Conveco Chamin

horizontais, comum s

clulas, fica

montada imediatamente acima das mesmas. Admite tanto a queima vertical de baixo para cima quanto queima horizontal comSerpentina da Radiao

queimadores instalados nas paredes terminais (sem tubos) de cada clula. Aplicao, cargasQueimadores Queimadores Figura 10 - Caixa com Duas Clulas

normalmente,

para

trmicas na faixa de 100.106 a 500.106 BTU/h. A Figura 10 ilustra este tipo de concepo. [ 5 ]

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2.3: Nomenclatura e componentes de um Forno IndustrialA norma NBR-10.778 da ABNT define a terminologia empregada para os fornos tubulares sujeitos chama, incluindo os termos relacionados com os projetos trmico e mecnico, desempenho e dos componentes, acessrios e equipamentos auxiliares, tais como queimadores e sopradores de fuligem. A seguir apresentada uma lista com os termos e componentes mais utilizados. Carga trmica absorvida Energia absorvida por todas as correntes que atravessam o forno ou por apenas uma delas, se assim explicitamente especificado, na unidade de tempo, medidas pelas propriedades do fluido na entrada e na sada. Liberao Trmica Total Energia total liberada pelo combustvel na unidade de tempo por todos os queimadores do forno. Eficincia Razo entre a carga trmica absorvida e a liberao trmica total. Fluxo Mdio de Calor Carga trmica idealmente considerada uniformemente absorvida pela rea circunferencial externa dos tubos. Usualmente referido rea total dos tubos em uma zona ou servio. Pode tambm ser definida como sendo a razo entre a carga trmica absorvida por uma serpentina e a rea circunferencial externa total dos tubos desta serpentina. Fluxo Mximo de Calor Carga trmica por unidade de rea realmente absorvida (ou calculada) no ponto da rea circunferencial externa de um trecho, zona ou servio, em que seu valor mximo. Excesso de Ar Porcentagem de massa de ar adicional

estequiometricamente requerida para a queima do combustvel em questo. Tiragem Diferencial de presso interior ao forno em relao a atmosfera padro nas condies de instalao do forno. Zona de Radiao Zona do forno na qual o calor (energia trmica) absorvido pelos tubos da serpentina principalmente por radiao. Zona de Conveco Zona do forno na qual o calor (energia trmica) absorvido pelos tubos da serpentina principalmente por conveco. Serpentina Tubulao interna ao forno no interior da qual circula um dos fluidos aquecidos pelo forno.

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Tubos de Proteo Primeiras filas de tubos da zona de conveco que ainda esto expostas a radiao direta da combusto. Corbel Salincia da superfcie refratria da parede da zona de conveco usada para evitar fluxo preferencial dos gases de combusto junto a esta. Suporte do Tubo Pea metlica sobre a qual se apiam os tubos e que transferem a carga dos mesmos para a estrutura do forno. Espelho Tipo especial de suporte que apia vrios tubos numa nica pea. Mais frequentemente utilizado na zona de conveco. Estrutura Vigas e colunas de perfis de ao destinados a suportar e posicionar os diversos elementos constituintes do forno. Abafador ou damper Registro para bloqueio ou controle de vazo ou tiragem dos gases de combusto, normalmente instalado na chamin. Coifa Componente que coleta os gases efluentes da zona de conveco e os dirige diretamente ou atravs de dutos chamin. Chamin Duto de seo circular situado imediatamente coifa cuja funo descarregar os gases de combusto na atmosfera. Queimador Dispositivo destinado a promover a mistura entre ar e combustvel, e a coloc-la e mant-la em combusto. Soprador de fuligem - so equipamentos que permitem a sopragem de vapor sobre as superfcies estendidas, possibilitando a retirada de fuligem acumulada. Este componente s utilizado para fornos que queimam leo combustvel.

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A Figura 11 apresenta os principais componentes de um forno industrial.

Figura 11 - Principais componentes de um Forno Industrial

1 Porta de Acesso 2 Arco (Teto Radiao) 3 Coifa 4 Parede Interna 5 Queimador 6 Carcaa 7 Seo de Conveco 8 Corbel

9 Tubulao de Interligao 10 Tubos 11 Superfcie Extendida 12 Curva de Retorno 13 - Caixa de Cabeotes 14 Seo de Radiao 15 Seo de Proteo 16 Janela de Observao

17 Suporte de Tubos 18 Parede Refratria 19 Espelho Terminal 20 Base de Concreto 21 Chamin 22 Plataforma

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2.4: Equipamentos auxiliaresAlguns equipamentos pertencentes composio de um forno industrial merecem uma explicao mais detalhada para que se possa entender perfeitamente o funcionamento completo de um forno. Estes equipamentos so chamados de equipamentos auxiliares e sero detalhados a seguir.

2.4.1: QueimadoresSo equipamentos responsveis pela liberao de calor necessrio para as diversas serpentinas de um forno, atravs da combusto de um ou mais combustveis. Na Figura 12 possvel ver o esquema de um queimador gs.

Figura 12 - Esquema de um Queimador Gs

Quanto ao tipo de combustvel, os queimadores classificam-se em: Queimadores para combustveis gasosos Queimadores para combustveis lquidos Queimadores para queima mista (leo e/ou gs)

Os queimadores de leo combustvel ou mistos requerem, normalmente, maiores cuidados tanto do ponto de vista de operao quanto de manuteno. Para a queima de combustveis lquidos, especialmente de leos combustveis, necessria a atomizao dos mesmos, isto , a quebra em gotas de pequena dimenso. A Figura 13 mostra o esquema de um queimador gs e leo.

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Figura 13 - Esquema de um Queimador Gs e leo

Na maioria dos queimadores de leo combustvel usados nas refinarias e nas plantas petroqumicas, a atomizao conseguida usando o vapor dgua como meio atomizante. Este vapor deve possuir as seguintes caractersticas principais: moderado superaquecimento e uma presso capaz de garantir um adequado diferencial em relao a presso de leo combustvel (na faixa de 1.5 a 2.0 kg/cm2).

Figura 14 - Queimador em funcionamento

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2.4.2: Sopradores de FuligemA queima de leos combustveis e o uso de tubos com superfcies estendidas nas serpentinas da seo de conveco resultam no acmulo de fuligem nos referidos tubos, provocando uma reduo na eficincia trmica dos mesmos. Com a finalidade de possibilitar a limpeza peridica destas serpentinas, so normalmente instaladas filas de sopradores de fuligem em uma ou mais elevaes da seo de conveco. Os tipos de sopradores mais comumente usados em fornos de refinarias ou de plantas petroqumicas so: Rotativo fixo Este tipo, pelo fato da lana ficar constantemente em contato com os gases de combusto, normalmente especificado para fornos queimando combustveis sem ou com baixo teor de vandio. Para fornos queimando combustveis com alto teor de vandio, limita-se seu uso a regies de baixa temperatura dos gases de combusto. Para sees de conveco com larguras muito grandes no se recomenda o uso desse tipo. Rotativo Retrtil Neste tipo, aps o ciclo de sopragem, a lana retrada para fora da seo de conveco. No existe restrio ao uso desse tipo, a no ser econmica.

2.4.3: Preaquecedores de ar de combustoUma das maneiras normalmente adotadas para o aumento da eficincia trmica global de um forno o preaquecimento do ar de combusto. Este preaquecimento feito atravs de equipamentos onde o calor transferido dos gases de combusto para o ar de combusto, reduzindo a temperatura de sada dos gases na chamin, o que promove aumento da eficincia trmica. Os tipos de preaquecedores de ar de combusto mais comumente usados so: Tipo Recuperativo Tipicamente de construo tubular, na qual o ar de combusto passa internamente aos tubos e os gases de combusto escoam atravs do feixe de tubos. Este tipo normalmente especificado para fornos queimando

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combustveis sem ou com baixo teor de enxofre. A Figura 15 ilustra este tipo de preaquecedor. Tipo Regenerativo Este tipo formado de colmias feitas de placas metlicas alojadas em um cilindro subdividido, que gira no interior de uma carcaa. Os gases de combusto passam atravs de um lado do cilindro, e o ar de combusto frio passa atravs do outro. Na medida em que o cilindro vai girando lentamente, parte da colmia absorve continuamente o calor dos gases de combusto. Ao continuar girando, esta parte ir ceder o calor absorvido para o ar frio que entra em contato com a mesma. A maior presso do ar e a no estanqueidade do sistema de selagem fazem com que uma poro do ar passe para o fluxo de gases de combusto. O sistema de preaquecimento deve absorver este vazamento, particularmente os ventiladores de tiragem forada e induzida. A Figura 16 ilustra este tipo de preaquecedor.

Figura 15 - Preaquecedor Recuperativo

Figura 16 - Preaquecedor Regenerativo

2.5: Variveis operacionaisA necessidade de vrias paradas de emergncia e at mesmo a reduo da vida til dos componentes, podem ser provocadas por uma operao inadequada do forno. No entanto, a simples observao de alguns cuidados especiais relacionados com as variveis operacionais resulta em um desempenho satisfatrio e na

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conservao do estado de um forno. Seguem abaixo algumas regras e observaes visando uma operao adequada. 2.5.1: Controle das condies de queima dos combustveis 2.5.1.1: Controle da chama Uma boa chama de gs deve ser de azul a incolor, sem pores amareladas. O amarelo indica carbono no queimado e combusto incompleta. Uma boa chama de leo deve ser brilhante e limpa, de cor na faixa de amarelo laranja. leos mais leves queimam com uma chama mais brilhante e mais amarelada. As chamas, de um modo geral, devem ser intensas na maior parte de seu comprimento, no devendo ser oscilantes com comprimento indefinido. Em nenhuma circunstncia as chamas devem incidir nos tubos. Em taxas elevadas de queima, o topo das chamas tender a ser instvel, contudo esta condio no dever se estender para o corpo da chama. As chamas de leo no devem apresentar centelhamento nos seus topos. Uma atomizao inadequada usualmente resulta em gotas de leo sendo lanadas contra os tubos e seus suportes. Estas gotas em altas temperaturas, e contendo substncias corrosivas (V, Na e S) acarretam a rpida deteriorao dos tubos e suportes. As chamas de leo no devem apresentar traos negros em seus corpos. Isto indicaria que o topo das mesmas estaria fumaando, e a fuligem estaria sendo depositada nas partes superiores do forno. O leo combustvel, ao ser atomizado, apresenta imediatamente acima do bico queimador, uma aparncia de uma neblina negra. Qualquer tendncia do leo atomizado deixar o bico com a presena de listras negras, ao invs de uma aparncia de neblina, indica atomizao inadequada. 2.5.1.2: Distribuio de calor A queima adequada do combustvel nos queimadores visa tambm obter na prtica, uma distribuio de calor para os tubos da serpentina da radiao mais prxima da condio assumida no projeto do forno. Para isso, sempre conveniente

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operar o forno com todos os queimadores acesos e liberando a mesma quantidade de energia. Para fornos com queima de dois combustveis (leo e/ou gs combustvel) a maneira mais segura para se garantir a distribuio uniforme de calor para os tubos a queima simultnea dos dois combustveis, procurando distribuir os mesmos em vazes iguais para todos os queimadores. Neste caso importante observar que a liberao de energia total por queimador no deve ultrapassar a liberao mxima do queimador. Quando se opera o forno com 2 combustveis e cada queimador queimando um nico combustvel, o controle do sistema deve ser tal que os queimadores que estiverem na malha do TRC no ultrapassem a sua liberao mxima. Isto pode ser feito basicamente de 2 formas: Distribuindo a vazo disponvel do combustvel no controlado em um determinado nmero de queimadores, de modo que a liberao de energia por queimador seja o mais prximo da liberao normal do mesmo. Projetando o sistema de controle de modo que ambos os combustveis flutuem com o TRC. Dessa forma o risco de incidncia de chama nos tubos sensivelmente reduzido. 2.5.1.3: Excesso de ar A eficincia de um forno sofre alterao em funo da quantidade de excesso de ar usado na combusto. Para maximizar a eficincia recomenda-se oper-lo com um mnimo de excesso de ar. Por outro lado, a operao com baixo excesso de ar dificulta o controle da combusto, podendo ocorrer, se o ajuste for mal feito, falta de ar, o que levaria a combusto incompleta, detectvel por chamas fumacentas e de forma instvel. Isto pode acarretar a queima retardada na parte superior do forno ou na chamin, o que pode resultar em danos severos a estas partes. Em geral, o excesso de ar adequado normalmente: de 10% a 15% para a queima de gs combustvel, e de 20% a 30% para a queima de leo combustvel. Controlar o excesso de ar atravs do exame visual da chama muito difcil, portanto, insatisfatrio. Para tal, 23

recomenda-se a instalao de analisadores de O2, normalmente na sada da radiao e/ou a execuo peridica de anlise de Orsat2. 2.5.1.4: Tiragem O damper na chamin de um forno tem a funo de controlar a contrapresso no forno. usualmente posicionado para ajustar a presso negativa dos gases de combusto na sada da radiao, na faixa de 1.3 a 2.5 mm de coluna dgua. Uma presso negativa muito alta provocaria entrada de ar em excesso na cmara de combusto, resultando na diminuio da eficincia do forno. Uma presso positiva possibilitaria o vazamento de gases de combusto quentes, o que resultaria na elevao da temperatura da estrutura do forno, podendo acarretar danos na mesma. Esta presso positiva poderia provocar a diminuio da entrada de ar, levando combusto incompleta e at mesmo, ao abafamento do forno, o que precipitaria a parada do mesmo. Esta presso ajustada na faixa de presso mencionada acima, para evitar os problemas abordados, e tambm para assegurar que para fornos de tiragem natural, mudanas nas condies atmosfricas no acarretem problemas na operao do forno. 2.5.2: Controle da vazo de carga A vazo de carga escoando no interior dos tubos da serpentina de radiao normalmente estabelecida para atender s condies de processo. Porm, para preservar a integridade da serpentina, as seguintes observaes devem ser consideradas: A vazo de carga no deve ser to baixa que no seja suficiente para absorver com segurana o calor disponvel. A temperatura mxima admissvel da carga no deve ser excedida (sob o risco de degrad-la).

2

a anlise dos gases de combusto atravs do uso do aparelho de Orsat. A anlise de

Orsat determina a composio dos gases secos (no inclui vapor dgua).

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Quando a carga escoa atravs de uma serpentina com mais de um passe, dever ser garantida a mesma vazo por cada um deles.

A interrupo de vazo, se temporria ou permanente, poder acarretar danos mecnicos nos tubos. A interrupo da vazo, mesmo por um perodo de tempo curto, resulta numa reduo da temperatura controlada pelo TRC. Se o forno est operando em controle automtico, a taxa de queima imediatamente aumentada para compensar esta queda de temperatura. O superaquecimento ento resultante pode acarretar srios danos aos tubos, mesmo se a interrupo for mantida por poucos minutos.

Cuidados especiais devem ser tomados por ocasio da partida do forno, pois j foi observado que uma grande porcentagem dos casos envolvendo coqueamento severo ou mesmo superaquecimento dos tubos so provocados por instabilidades temporrias, que so freqentes durante a partida.

Vazes muito baixas podem, dependendo do servio, provocar regimes de escoamento no recomendveis para a operao segura do forno.

2.6: O forno deste projetoDiante de todo o exposto anteriormente, j possvel descrever o forno utilizado para este projeto. O propsito da unidade do complexo petroqumico dentro do qual se enquadra o forno deste projeto maximizar a produo de aromticos a partir de nafteno e parafinas para uso como matria-prima em compostos aromticos especficos. Esta unidade de processamento do Complexo Petroqumico, possui quatro fornos dispostos em srie (F-01, F-02, F-03 e F-04) e que compartilham uma zona de conveco e uma chamin comum. Todos eles so de tiragem natural. A escolha de se trabalhar em apenas um dos quatro se embasa no fato de que todos eles possuem as mesmas caractersticas, mudando apenas o nmero de queimadores. Este trabalho se baseia no projeto do forno F-01. Trata-se de um forno do tipo cabine com tubos verticais que queima gs como combustvel com ignitores eltricos. Possui 13 pilotos e 13 queimadores e faz uso de detectores de chama do tipo Flame Rod.

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O forno tambm possui vlvulas de bloqueio em cada piloto e em cada queimador e portas manuais para entrada de ar, uma vez que se trata de um forno com tiragem natural.

2.7: Critrios Gerais do ProjetoAntes de prosseguir torna-se necessria a explicao de algumas definies importantes para o entendimento dos captulos que se seguem. O DCS (Distributed Control System) definido como o equipamento responsvel pelo monitoramento do processo e controle de uma unidade industrial. O PES (Programmable Eletronic System) o equipamento responsvel pelo sistema de intertravamentos de uma unidade ou de um subsistema da unidade. Geralmente, a comunicao dos instrumentos relacionados ao controle como os controladores, transmissores e vlvulas de controle possuem comunicao Foundation Fieldbus entre si e com o DCS. Todos os comandos e sinais devem ser enviados e recebidos da casa de controle do DCS por sinal Fieldbus. A Figura 17 mostra a representao do sinal de comunicao Fieldbus. Os instrumentos relacionados com os intertravamentos e que possuem comunicao com o PES, os que pertencem a pacotes de fornos e compressores e os instrumentos relacionados a segurana da unidade como detectores de gases txicos possuem comunicao anlogica 4-20mA. A Figura 17 tambm mostra a representao para este tipo de sinal. O sinal digital utilizado nas solenides das vlvulas solenides e nas chaves manuais e de fim de curso. A representao pode ser vista na Figura 17. importante ressaltar que, quando se tem um intertravamento, o qual controlado pelo PES, o sinal enviado para este deve ser analgico (4-20mA).

2.7.1: Identificao Funcional importante esclarecer como so identificados os instrumentos utilizados para a elaborao da documentao do forno deste projeto. Toda a simbologia descrita a seguir normatizada pela norma ISA 5.1 Instrumentation Symbols and 26

Identification. A primeira letra indica a varivel medida e no a varivel manipulada. A Tabela 1 mostra as iniciais dos principais instrumentos. As combinar letras para subseqentes nomear os podem se

Tabela 1 Iniciais dos instrumentos

Letra F L P T

Varivel Vazo Nvel Presso Temperatura

mais

diversos

instrumentos. A Tabela 2 mostra as letras subseqentes s letras iniciais nos nomes dos instrumentos.

Tabela 2 Letras Subseqentes s iniciais

Letra A C D E G H I

Funo Alarme Controlador Diferencial Elem. Primrio Visor Alto Indicador

Letra L Q R S T V

Funo Baixo Totalizador Registrador Chave Transmissor Vlvula

A Figura 17 abaixo mostra as representaes para as principais linhas de instrumentao utilizadas para a confeco dos documentos do forno deste projeto.

Figura 17 - Representao das Linhas de Instrumentao

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A representao dos instrumentos nos P&IDs bastante simples. No entanto, torna-se necessrio o esclarecimento de quando o instrumento ser instalado em campo ou em algum painel (local ou no). A Figura 18 mostra a simbologia utilizada para instrumentos simples (transmissores, indicadores e chaves) quando instalado em campo ou no. Vlvulas e solenides possuem uma simbologia prpria mostrada na Figura 37 na sesso 5.1.3:.(1) Painel Central (2) Painel Local

Figura 18 - Instrumentos Simples

A Figura 19 mostra a simbologia para os instrumentos com comunicao Fieldbus (controle distribudo/compartilhado comunicao com o DCS).

Figura 19 - Instrumentos com comunicao Fieldbus

A Figura 20 mostra a representao utilizada para computadores e, por fim, a Figura 21 mostra a representao dos instrumentos com comunicao com o PES.

Figura 20 - Representao dos Computadores

(1) Painel Central (2) Painel Local

Figura 21 - Instrumentos com Comunicao com o PES

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Captulo 3: Instrumentao aplicada a Fornos Industriais

O propsito de um forno industrial muito simples: fornecer calor para um fluido de processo. No entanto, fornos industriais esto entre os mais complexos equipamentos de controle de processos. Cada forno , no mnino, dois equipamentos em um. Primeiramente, uma variao bastante especial de um trocador de calor, uma vez que o seu propsito trocar calor com o fluido de processo. Segundo, um reator qumico no qual combustvel e ar se misturam numa forte reao exotrmica para produzir o calor requerido. Para que seja feita a correta monitorao, controle e manuteno desses equipamentos to complexos, so necessrios instrumentos que auxiliam a implementao desses propsitos. Este captulo trata da instrumentao aplicada aos fornos bem como a representao dos instrumentos em diagramas de instrumentao e processo. As Figura 26 e Figura 27 mostram um esquema de um arranjo tpico de instrumentao para fornos que queimam gs combustvel. A Figura 26 descreve a instrumentao da linha de gs dos pilotos e a Figura 27 descreve a instrumentao da linha de gs dos queimadores.

3.1: Instrumentos para fornecimento de gs combustvelO gs combustvel fornecido a um forno deve receber um tratamento especial antes de ir para os pilotos e queimadores. comum o gs ser filtrado por filtros especficos para retirar qualquer tipo de impurezas e depois ser condicionado em um vaso de presso chamado de Knock-out Drum. Este vaso possui a finalidade de retirar qualquer tipo de umidade existente no gs. Esta umidade dificulta uma combusto completa do gs, podendo at provocar o apagamento dos pilotos e queimadores. A instrumentao e as lgicas de controle destes equipamentos so fornecidas pela licenciadora do projeto bsico e no escopo do presente trabalho. A Figura 22 ilustra o vaso de knock-out do forno deste projeto.

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Para o forno deste projeto, a presso do gs combustvel divida em dois acontece estgios. pois h Isto a

necessidade de se dividir o gs para a linha principal de alimentao dos

queimadores e para a linha de alimentao dos pilotos. Assim, para se fazer a regulagem da presso de gs na linha antes da diviso vlvula utilizou-se de controle uma de

presso PV (PV-1), pois o controle desta vlvula

permite regular a vazo de gs fornecendo adequada. 23 ilustra uma A a

presso Figura

configurao

tpicaFigura 22 - Vaso de "Knock-out"

utilizada como base para o projeto do forno deste trabalho.

Toda malha de controle necessita, alm da vlvula de controle, que o elemento final, de um transmissor para a varivel controlada ou medida. Existe um elemento indicador que permite ao operador monitorar o funcionamento da malha de controle. Assim, foi utilizado um indicador de presso PI (PI-1) conectado a um medidor manomtrico de presso PT (PT-1). O controlador de presso PIC-1 implementa a lgica de controle e permite ao operador ajustar a referncia (setpoint) da malha de controle. O controle desse tipo de vlvula geralmente feito por sinal de software, controlado pelo DCS. 30

Muitos componentes da linha de alimentao de gs combustvel possuem um limite de presso de aproximadamente 100 psig [ 4 ]. Uma falha tanto na PV-1 quanto na PV-21 poderia causar um aumento de presso indesejado, danificando vrios instrumentos da linha. Assim, tornou-se necessrio o uso de uma vlvula de alvio (PSV-1) para alvio de presso em caso de necessidade. Vale a pena

ressaltar que, em caso de incndio prximo tubulao ou algum vaso prximo, essa vlvula tambm utilizada para alvio de presso na linha. Os gases so enviados para o flare3. O sistema de flare representado no P&ID por um quadrado com o nmero 96. Recomenda-se que se coloque um medidor de vazo para o gs logo em seguida da vlvula de controle da linha principal (header). Este medidor tem a finalidade de monitorar se a vazo necessria de gs combustvel antes da diviso para as linhas dos pilotos e queimadores est passando atravs da PV-1. Assim colocou-se um medidor de vazo do tipo placa de orifcio (FE-1) para medir o fluxo de gs na linha do header juntamente com um transmissor de vazo (FT-1).

3

Aparato vertical semelhante a uma chamin utilizado em plantas petroqumicas e refinarias

para queimar os gases liberados durante um procedimento de alvio de presso.

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Figura 23 Instrumentao da linha principal de gs combustvel

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3.2: Instrumentos para fornecimento de gs para os pilotosPara regular a presso de gs combustvel que fornecida aos os pilotos utilizou-se uma vlvula de controle de presso (PV-11), a qual ajustada para fornecer gs na presso requerida pelos pilotos. Esta vlvula deve ser do tipo failclosed, ou seja, em caso de falha da mesma, ela dever ir para a sua posio segura para que o risco de acidentes seja minimizado. No caso da PV-11, a posio segura a fechada. Atrelado a essa vlvula h um transmissor de presso (PT-11), o qual mede a varivel controlada assim como o PT-1. Durante o acendimento dos pilotos necessrio fazer uma regulagem manual da presso de gs combustvel que chegar aos pilotos. Essa regulagem necessria porque apenas a vlvula PV-11 no suficiente para controlar as variaes de presses durante o regime transitrio, uma vez que esta vlvula no abrande todo o range de presso necessrio. Assim, com este propsito, foi utilizada a vlvula de controle HV-30. Esta vlvula acionada por um posicionador diafragma e possui uma vlvula solenide (HY-30) acionada eletricamente. Esta vlvula solenide tem a finalidade de cortar a alimentao pneumtica do atuador da HV-30 em caso de alguma emergncia. A abertura da vlvula HV-30 determinada pelo operador na sala de controle atravs do controlador HIC-30 e do posicionador I/P. O controlador envia um sinal de corrente para o conversor e este fornece um sinal pneumtico proporcional ao sinal de entrada. O sinal pneumtico passa pela vlvula solenide antes de chegar vlvula HV-30. O operador, conforme a necessidade, vai abrindo ou fechando a vlvula permitindo maior ou menor vazo de gs. Esta vlvula possui tambm uma chave de fim de curso para indicar a posio fechada (ZSL-30) e com indicao no painel na casa de controle. Como se trata de uma vlvula de controle com solenide acionada pneumaticamente, necessrio um conversor I/P para converter o sinal pneumtico em eltrico para acionar a solenide. importante ressaltar que esta vlvula s ser usada durante o acendimento do forno (regime transitrio) e permanecer fechada durante o perodo de funcionamento do mesmo (regime permanente). Diferentemente da vlvula de vent (XV-15 Ser detalhada mais adiante), os gases liberados pela HV-30 vo para o sistema de flare, onde sero queimados 33

antes de serem liberados para a atmosfera. Como a quantidade de gases liberados muito maior que a liberada pela vlvula de vent, a queima dos mesmos no flare se torna necessria para evitar um incndio. Escolheu-se utilizar uma HV ao invs de uma XV para este fim por um motivo bem simples: as vlvulas XV so vlvulas onoff, ou seja, possuem apenas a posio aberta ou fechada. As vlvulas HV, por se tratar de vlvulas de controle, permitem aberturas intermedirias e com isso o operador pode regular a passagem dos gases. Em projetos de fornos, a API Standard 560 Fired Heaters for General Refinery Services recomenda que se use duas vlvulas de bloqueio antes de o gs combustvel chegar efetivamente aos pilotos. Assim sendo, foi utilizada a vlvula de bloqueio XV-14 como sendo a primeira vlvula e a XV-16 como sendo a segunda. A finalidade de se ter um duplo bloqueio garantir que no haja vazamentos de gs combustvel. A API recomenda tambm que haja uma terceira vlvula de bloqueio, denominada de vent, entre as duas de duplo bloqueio. Esta utilizada para eliminar os gases presentes no espao entre as duas primeiras vlvulas e garantir que no haver nenhuma presso de gs na segunda vlvula de bloqueio devido a vazamentos ou fugas de gs da primeira. Utilizou-se, ento, a vlvula XV-15 para este fim. A XV-15, assim com a XV-14 e a XV-16, acionada pneumaticamente por uma vlvula solenide (XY-14/15/16). Esta vlvula solenide recebe um sinal eltrico emitido atravs do sistema de intertravamento (PES). Todas as vlvulas XVs anteriormente citadas possuem uma chave de fim de curso (ZS-14/15/16) com indicao de posio na casa de controle do sistema de intertravamento (PES) tanto para indicar posio aberta ou fechada da mesma (ZSL/H-14/15/16). Estas chaves utilizadas no intertravamento estaro nas posies corretas durante a purga4 do forno ou caso uma falha ocorra com a vlvula. A Figura 24 mostra uma tpica instalao em campo de um duplo bloqueio com vent.

4

Fase antes da ignio, onde se realiza uma vaporizao do interior do forno com o intuito de

retirar gases remanescentes e evitar exploses e queimas indesejadas.

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Figura 24 - Configurao de duplo bloqueio e vent em campo

Pode-se notar na representao da vlvula XV-15, um quadrado com o nmero 22 entrando na solenide e outro com o nmero 92 saindo da solenide. Estes nmeros so a representao das utilidades de instrumentao. Esta representao indica que existe ar de instrumento entrando na solenide e que esta est liberando este ar para a atmosfera. Nota-se tambm que a representao no P&ID das XV14/16 diferente da XV-15. O motivo simples. Estas vlvulas sofrem um teste diferenciado chamado de partial stroke. Como um forno projetado para operar de forma intermitente, raramente essas vlvulas mudaro de posio e, devido s intempries do meio em que esto instaladas, podem sofrer corroso e travar em uma posio fixa. Por solicitao do cliente, deve ser feito o teste de partial stroke periodicamente em vlvulas que podem sofrer desse problema. efetuado uma pequeno deslocamento (10 a 20% do curso) da haste, com o objetivo de identificar o agarramento desta e o funcionamento da vlvula solenide. [ 7 ] 35

Em reunio com a empresa contratante ficou acordado que apenas as vlvulas participantes do duplo bloqueio deveriam sofrer teste de partial stroke. Isso porque estas vlvulas so crticas e, caso haja uma emergncia, devem estar funcionando corretamente. Na representao, o que diferencia as vlvulas com partial stroke o desenho da solenide. Nesses casos, a XY indicada pelo seu nome envolta por uma circunferncia, representando no s a solenide, mas todo o equipamento necessrio ao partial stroke. Antes de se ligar um forno, deve-se fazer a purga do mesmo. Dentro do procedimento de purga, existe um teste de estanqueidade de vlvulas que deve ser feito nas vlvulas de duplo bloqueio e individuais dos pilotos e queimadores para verificar se no h vazamentos nas vlvulas (estes procedimentos sero melhor detalhados na sesso 4.2.1). Assim, foi necessria a utilizao de um transmissor de presso (PT-18) entre a segunda vlvula do duplo bloqueio (XV-16) e as vlvulas individuais (XV-19/.../32). Caso haja vazamentos e a faixa de presso ultrapasse os valores mximos e mnimos permitidos para operao, chaves indicadoras de presso muito baixa (PSLL-18) e presso muito alta (PSHH-18) acionaro um intertravamento (I) e seus respectivos alarmes sero disparados: PALL-18 para presso muito baixa e PAHH18 para presso muito alta. O PI-3 foi utilizado para monitorar o teste de estanqueidade das vlvulas do duplo bloqueio (XV-14 e XV-16) e da vlvula de vent (XV-15) durante o perodo de manuteno do forno. As vlvulas de bloqueio XV-19/.../32 correspondem representao da vlvula de bloqueio individual de cada piloto. Tambm so equipadas com uma chave de fim de curso (ZS-19/.../32), a qual deve garantir que a vlvula esteja na posio segura caso esta venha a falhar. Como esta vlvula deve ser do tipo failclosed, pois, uma vez que caso haja uma falha, o fornecimento de gs para o piloto daquela vlvula deve ser cortado, a posio segura a fechada. Existem tantas vlvulas de bloqueio individual quantos pilotos existirem no forno. Tambm possuem acionamento eltrico da solenide, a qual corta o sinal pneumtico da vlvula em caso de falha, e a chave de fim de curso se envia sinal para o PES. As vlvulas de

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bloqueio de cada piloto so abertas uma por vez, na seqncia de acendimento prestabelecida. No final da linha dos pilotos foi utilizado um transmissor de presso (PT-20), o qual possui chaves (PSLL-20 e PSHH-20) e alarmes (PALL-20 e PAHH-20) cujos princpios de funcionamento so os mesmos das chaves e alarmes do PT-18. Este transmissor tem a finalidade de indicar como est a presso no final de da linha. A cada vez que se acende um piloto, a presso total na linha muda e este fenmeno deve ser controlado para que se chegue em regime permanente. Um equipamento de ignio produz a fasca necessria para acendimento dos pilotos. Este equipamento alimentado por um transformador de alta tenso. Um detector de chama (BSL-19/.../32) colocado em cada piloto e utilizado para confirmar que eles esto acesos e queimando de maneira estvel. Foi solicitado pela empresa contratante que os detectores de chama fossem do tipo Flame-Rod ou barra de ionizao. Recebe este nome pelo falo de a barra que fica prxima chama se ionizar na presena da mesma. A ilustrao destes detectores de chama pode ser vista na Figura 29. O instrumento em amarelo na Figura 25 mostra um detector de chama instalado em campo.

Figura 25 - Detector de chama em campo

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Figura 26 - Instrumentao da linha de gs dos pilotos

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Pilot Line

3.3: Instrumentos para fornecimento de gs para os queimadoresOs queimadores utilizam uma presso varivel de gs da linha principal de suprimento e necessitam de uma compensao de presso e, ocasionalmente, da temperatura para o seu perfeito funcionamento. Este controle de presso feito atravs da vlvula (PV-21). A compensao feita atravs de um transmissor de presso (PT-21), um transmissor de vazo (FT-21) e um transmissor de temperatura (TT-21), os quais fornecem os dados para atuao na vlvula de controle PV-21. O uso destes instrumentos ser melhor detalhado no captulo 4. O PSLL-22 uma chave de presso muito baixa que previne o incio da ignio sem que haja presso suficiente para tal. A XV-24 uma das trs vlvulas de bloqueio existentes na linha dos queimadores. Esta vlvula deve ter reset manual. Uma vez que ocorreu um trip5 do forno, o reset manual desta vlvula prevenir a reignio dos queimadores. Assim como as XVs da linha dos pilotos, estas vlvulas possuem acionamento eltrico da solenide (XY-24) e esta recebe sinal vindo do sistema de intertravamento. Possui uma chave de fim de curso com indicao na casa de controle para posio aberta ou fechada (ZSL/H-24) . Esta indicao utilizada principalmente para garantir que a vlvula estar fechada durante a fase de ignio e purga. Mesmo com uma presso insuficiente para manter uma chama, gs no queimado pode ficar estocado nos espaos da tubulao e, caso haja uma ignio, queimar com uma fora explosiva. Por este motivo, utilizou-se a segunda vlvula de bloqueio como uma vlvula de vent (XV-25) entre a XV-24 e a XV-26. Esta vlvula possui a mesma finalidade e caractersticas da XV-15. A terceira vlvula de bloqueio a XV-26. Ela um pouco diferente da primeira, uma vez que no possui reset manual. A vlvula fail-closed. Assim como as demais chaves de fim de curso das vlvulas de bloqueio, as chaves de fim de curso dessa vlvula esto conectadas lgica de controle do PES. O transmissor de presso PT-27 e suas chaves e alarmes juntamente com o indicador de presso PI-4 foram designados para o teste de estanqueidade das vlvulas do duplo bloqueio, individuais e vent dos queimadores. Alm disso, ele age5

Parada do forno por algum motivo, seja para manuteno ou por motivo de segurana.

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conjuntamente com o PT-29 para regular a presso de gs combustvel na linha dos queimadores. Os queimadores tambm so acesos um a um seqencialmente e o problema da variao de presso que ocorre nos pilotos tambm ocorre na linha dos queimadores. Assim sendo, com a mesma finalidade do PT-20 e os instrumentos ligados a ele, fez-se uso do PT-29 e suas chaves e alarmes. Entretanto, existe uma diferena entre a configurao que utilizada para os PT-18 e 20 e para os PT-27 e 29. Enquanto os primeiros possuem chaves e alarmes tanto para presso muito alta e muito baixa, o PT-27 possui chave e alarme somente para presso muito alta e o PT-29 possui chave e alarme somente para presso muito baixa. Essa diferena se deve ao fato de que a variao de presso durante o acendimento dos queimadores maior do que a variao durante o acendimento dos pilotos. Um transmissor com as duas chaves e alarmes pode no abranger o range de variao necessrio. Assim sendo, para a linha dos queimadores, foi necessrio um transmissor com chave e alarme para presso muito alta no incio da linha onde esse fenmeno tem maior probabilidade de acontecer (PT-27, PSHH-27, PAHH-27) e outro no final da linha para presso muito baixa (PT-29, PSLL-29, PALL-29). Afim de permitir ou no a passagem de gs para os queimadores, utilizou-se uma vlvula de bloqueio individual para cada queimador (XV-28/.../41) que regula o fluxo de gs que vai para cada queimador. Essas vlvulas devem ser fail-close uma vez que, caso haja alguma falha, no deve haver fluxo de gs para os queimadores. A essas vlvulas esto associadas chaves de fim de curso (ZSL28/.../41), as quais tambm se comunicam com o PES. As vlvulas de bloqueio individual dos queimadores possuem uma diferena relevante em relao s vlvulas dos pilotos. O projeto bsico deste forno no incluiu detectores de chama para os queimadores. Assim, a deteco deve ser feita visualmente pelo operador atravs das virolas de observao. Deste modo, incluiuse chaves manuais (hand-switches HS-28/.../41) que permitem a abertura e o fechamento das vlvulas individuais pelo operador quando este julga necessrio.

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As vlvulas individuais dos queimadores devem ser colocadas o mais prximo possvel das janelas de observao de modo a garantir um local de operao seguro e confortvel do equipamento. Tanto na linha dos pilotos como na dos queimadores utilizou-se vlvulas borboleta e globo manuais com o objetivo de fazer by-pass nas vlvulas de controle de presso (PVs) e auxiliar no teste de estanqueidade das vlvulas de bloqueio e individuais. Este teste ser descrito na sesso 4.2.1:.

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Burners LineFigura 27 - Instrumenta da linha de gs dos queimadores

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3.4: Instrumentos do fornoOs tubos da serpentina da seo de radiao normalmente operam sujeitos ao fenmeno de fluncia6. Com o objetivo de monitorar a temperatura de parede dos tubos e aumentar a vida til dos mesmos, fez-se uso de dois termopares de pele (skin points) em cada passe de tubos. Eles so o TT-41 com seu respectivo indicador (TI-41) e o TT-44 com seu respectivo indicador (TI-44) vistos na Figura 29. Estes termopares devem ser soldados diretamente nos tubos e devem suportar altas temperaturas. Presses demasiadamente elevadas na cmara de radiao so causas para o desligamento do forno. Por isso, tornou-se necessrio o uso de uma chave (PSHH42) que aciona um alarme de presso muito elevada (PAHH-42) atravs do transmissor de presso PT-42 e do indicador PI-42. A chave e o alarme recebem sinal do PES. Para que o forno possa operar com mxima eficincia, a razo entre oxignio e combustvel deve ser sempre medida e controlada. A vazo, presso e temperatura do combustvel medida com os instrumentos mencionados anteriormente. Para se medir a quantidade de oxignio dentro do forno utilizou-se um analisador de O2 (AT-43) localizado no final da cmara de radiao. Esta localizao especificada no projeto bsico. Utilizou-se tambm um indicador de quantidade de O2 (AI-42) que se comunica com o DCS assim como todos os indicadores. O nvel de oxignio est intimamente ligado eficincia do forno como explicado no item 2.5.1.3. Para uma operao adequada do forno a norma recomenda que a presso dos gases de combusto na sada da seo de radiao esteja na faixa de -1,27 a 2,5 mm H2O. Para se garantir isto, fez-se uso de um sistema de controle automtico do damper da chamin contemplando os seguintes componentes: PT-50 instalado na sada da seo de radiao

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Deformao plstica que ocorre em materiais sujeitos tenso constante e a variaes de

temperaturas.

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PIC-50 para ajuste da posio do damper Condicionador de sinal para transformar o sinal de software em pneumtico para a solenide (XY-50) da vlvula de controle de presso(PV-50)

Atuador do damper Esta vlvula de controle tambm possui uma chave de fim de curso ZT-50

enviando e recebendo sinal do PES, indicador ZI-50 e alarme ZAH se comunicando com a sala de controle (DCS). Mais detalhes sobre o controle de tiragem podem ser lidos no item 4.4.2. Utilizou-se transmissores e indicadores de presso e temperatura em alguns pontos da cmara de conveco e da chamin. Todos so utilizados para o monitoramento das condies destes ambientes. A localizao exata ser definida na fase de detalhamento. A Figura 28 ilustra estes instrumentos. Existem janelas ou virolas utilizadas para avaliar a qualidade das chamas dos queimadores e tambm o interior do forno. Alm do controle automtico das chamas, muito comum se fazer um controle visual. Essas virolas so feitas de vidro temperado e requerem uma pequena corrente de ar para mant-las limpas e refrescadas.

3.5: Instrumentos relacionados ao vapor de abafamentoA maioria dos acidentes com fornos ocorrem durante a ignio ou desligamento dos mesmos. Dessa forma, torna-se bastante importante a seleo de instrumentos adequados que podero minimizar os riscos de acidentes. A Figura 28 ilustra tais instrumentos. Neste mbito se encaixam os instrumentos ligados ao vapor de abafamento. Este o vapor utilizado no processo de purga do forno e tem a finalidade de expulsar da cmara de combusto gases indesejados e que podem causar exploses caso o forno seja ligado com esses gases em suspenso. Um transmissor de presso (PT-45) tem a finalidade de medir a presso na linha do vapor de abafamento e enviar o sinal para um indicador de presso (PI-45) localizado na casa de controle. Caso essa presso esteja muito alta, um alarme acionado. 44

Utilizou-se uma vlvula de bloqueio (XV-44) acionada pneumaticamente por uma vlvula solenide (XY-44). Esta vlvula solenide recebe um sinal eletrnico emitido atravs do sistema de intertravamento. este sistema que dir quando o vapor de abafamento dever ser injetado na cmara do forno. A vlvula de bloqueio XV-44 possui uma chave de fim de curso (ZS-44) com indicao de posio na casa de controle tanto para indicar posio aberta ou fechada da mesma (ZSL/H-44). Um orifcio de restrio (FO-46) do tipo placa de orifcio foi utilizado na entrada do vapor no forno, com o objetivo de se ajustar a velocidade do vapor para um completo processo de purga.

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Cmara de Conveco e Chamin

Figura 28 - Instrumentao do Forno - Conveco e Chamin

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Cmara de Radiao

Figura 29 - Instrumentao do Forno - Radiao

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Captulo 4: Procedimentos de Controle e Automao de um Forno Industrial

praticamente impossvel existir um forno industrial sem que haja um complexo e eficiente sistema de controle agindo sobre ele. de suma importncia que o sistema de controle e automao funcione de maneira adequada para que se possa evitar acidentes e diminuir custos de manuteno. Neste captulo sero apresentados os principais procedimentos de automao para as vrias etapas de funcionamento do forno. importante ressaltar que sero abordados somente os procedimentos e os tipos de malhas de controles utilizados. A sintonia de controladores, os tipos de controladores utilizados e as lgicas de controle no fazem parte desta etapa do projeto, ou seja, a etapa de FEED. Esses itens sero trabalhados na prxima fase do projeto, a etapa de Detalhamento, que no objeto deste trabalho.

4.1: Definies preliminaresAntes de prosseguir torna-se necessria a explicao de alguma definies importantes para o entendimento do captulo que se segue. Por critrios de projeto da empresa contratante, todos os comandos devem ser implementados usando as interfaces definidas na Tabela 3. Os sinais relacionados ao desligamento do forno devem vir do campo para o PES atravs de uma conexo discreta. Alm disso, todos os comandos relacionados ao desligamento do forno devem vir do DCS para o PES tambm por conexo discreta. Qualquer outro comando implementado no DCS deve ser enviado ao PES pela comunicao de rede DCS-PES, assim como indicaes disponveis no PES devem usar esta interface para envi-las ao DCS. O painel local possui uma HMI, uma chave para permisso de incio remoto e uma chave de desligamento de emergncia. Essas chaves possuem conexo direta com o PES. A HMI inclui todas as indicaes listadas na Tabela 3, alm de todos os alarmes, variveis de processo e status das vlvulas.

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A Figura 30 mostra um esquema simplificado das conexes entre o campo, o PES, o DCS e o painel local.Tabela 3 - Interface de comandos do Forno Atuao a partir do: Comandos do Forno F-01 Painel Local Incio de Purga Abrir/Fechar Vlvulas de Bloqueios dos Pilotos Abrir/Fechar Vlvulas Individuais dos Pilotos Abrir/Fechar Vlvulas da alimentao de Combustvel Ignio Desligamento de Emergncia Permisso de incio remoto X X X DCS X X X X Campo

Figura 30 - Diagrama de conexes

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Os procedimentos descritos a seguir se aplicam apenas para fornos de tiragem natural, no qual se enquadra o forno projetado no presente trabalho. Para os fornos de tiragem forada ou induzida h algumas questes que divergem das descritas abaixo. Estes procedimentos so desejados pela empresa contratante, foram acordados em reunio com a mesma e implementados sob superviso de um engenheiro experiente na rea.

4.2: Descrio de um seqencial de partida de um fornoSero apresentadas a seguir as descries das diversas fases para a partida do forno deste projeto cuja lgica deve ser executada pelo PES.

4.2.1: Permisso de purgaPara que se possa iniciar o procedimento de partida de um forno, necessrio realizar a purga do mesmo. Este procedimento garantir que no existir nenhum resqucio de gs combustvel remanescente dentro do forno. Caso exista gs combustvel dentro forno, ao se acender os pilotos pode haver uma grande exploso e causar enormes danos industria e aos funcionrios. [ 6 ] Primeiramente, uma verificao da correta posio de todas as vlvulas de bloqueio e de vent do sistema de combustvel (gs piloto e gs principal) deve ser feita atravs do PES. A posio correta das vlvulas checada atravs da posio das chaves de fim de curso ZSLs e ZSHs. As seguintes condies devem ser satisfeitas e indicadas no painel local e no DCS: Todas as linhas de fornecimento de gs combustvel devem estar bloqueadas. As vlvulas do duplo bloqueio dos pilotos e dos queimadores devem estar fechadas e a vlvula de vent aberta. Damper da chamin deve estar completamente aberto No deve haver indicao de chama No deve haver indicao de nvel alto de condensado no Knock-out Drum (este item ser melhor detalhado na seo 5.2) As janelas de tiragem natural devem estar abertas

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recomendado que seja feito um teste de estanqueidade nas vlvulas individuais de bloqueio antes da partida. Este teste deve ser feito na linha dos pilotos e dos queimadores. Para uma melhor compreenso da explicao que se seguir, veja a Figura 31.

Figura 31 - Teste de estanqueidade

O teste checa se h algum vazamento nas vlvulas individuais (vlvulas 4 XV-19/.../32 e XV-28/.../41 no forno deste projeto) e na segunda vlvula de bloqueio (vlvula 2 XV-16 e XV-26). O operador deve enviar o comando para o teste a partir do DCS e o PES deve automaticamente efetuar o mesmo. importante ressaltar que o teste de estanqueidade condio necessria para a continuao do processo de purga. O tempo de purga deve comear a contar somente quando o teste estiver completo. Um transmissor de presso deve monitorar a presso no espao intervalvular entre o segundo bloqueio e as vlvulas individuais (PT-18 e PT-27 no forno deste projeto). Esta presso no deve cair a uma taxa abaixo de 3% da presso de operao em um tempo de 60s (Pteste). Caso contrrio, se a despressurizao for mais rpida, podemos interpretar que uma ou mais vlvulas individuais ou, ainda, a segunda vlvula de bloqueio est dando passagem. Nesse caso, a partida do forno inibida. Todas as vlvulas manuais (vlvulas 5) devem estar abertas e permanecer nesta posio durante todo o teste. Caso alguma esteja ou seja fechada durante o teste, ela deve permanecer assim at o acendimento dos demais pilotos e

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queimadores. Aps este momento poder ser aberta para acendimento do respectivo conjunto piloto e queimador. Caso seja detectado algum vazamento, o operador deve identificar qual vlvula est vazando (vlvulas 2 ou 4) e fechar a vlvula manual 6. Se a presso for mantida, existe vazamento na vlvula 2 e as demais vlvulas esto OK. Se houver queda de presso, deve-se buscar o vazamento nas vlvulas individuais. No final do teste, a segunda vlvula de bloqueio (vlvula 2) deve ser aberta automaticamente por 5s para a despressurizao da linha entre as vlvulas 2 e 4. Os itens sero registrados e arquivados nos histricos do forno. A Figura 32 mostra um fluxograma descrevendo o teste de estanqueidade. importante que nenhum detector de chama esteja detectando chama nos pilotos e nos queimadores. Todas as condies de trip (parada) devem estar normalizadas com exceo dos seguintes iniciadores (agentes que acionam os intertravamentos) que devero estar contornados por lgicas de by-pass automtico: Presso muito alta de gs combustvel nos pilotos e queimadores Presso muito baixa de gs combustvel nos pilotos e queimadores Falta de chama em 50% dos pilotos

Esses iniciadores devem ser contornados pelo fato de que, para se ter a purga do forno, deve-se ter as condies acima citadas e elas no so permitidas pelo sistema de intertravamento do forno. Por fim, devemos ter o damper na condio totalmente aberta (ZSH-50 da PV-50 ativada).

4.2.2: Realizao da purgaO incio do procedimento de purga se d a partir do comando da abertura da vlvula do vapor de abafamento pelo operador e somente aps a completa parada do forno. A confirmao da abertura da vlvula de vapor pode ser feita atravs da chave de fim de curso ativada (ZSH-44) e da presso de vapor na linha de vapor. A partir da inicia-se a contagem do tempo de purga. Uma indicao deve ser apresentada no painel local. 52

Figura 32 - Fluxograma para teste de estanqueidade das vlvulas individuais (4) e de bloqueio (2)

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Uma purga adequada dura em mdia 5 minutos ou o tempo necessrio para renovar em 3 vezes o volume da cmara. Utiliza-se o que for maior. Ainda, pode-se utilizar o tempo de 15 minutos e a vazo de vapor ou ar dimensionada para renovar 3 vezes o volume da cmara nesse intervalo de tempo. Caso alguma das condies de purga sejam perdidas ou a vlvula de vapor perca a confirmao de abertura ou de vazo, feita a paralisao da contagem e o reset do temporizador, recomeando assim toda a contagem do tempo de purga.

4.2.3: IgnioDecorrido o tempo de purga, um sinal emitido ao operador no painel local sinalizando a finalizao da operao e permitindo a ele dar incio ao procedimento de ignio. Se a purga for feita com vapor, a vlvula de vapor deve estar totalmente fechada nesse momento. A seguir iniciada a contagem do tempo de ignio. O operador, ento, envia um comando de abertura do header de gs piloto. Esse comando pode ser automtico, disparado logo aps a purga. As condies de parada por presso muito baixa ou muito alta no header piloto devem ficar desviadas durante a partida e at a estabilizao da presso, quando o nmero de pilotos acesos garantem essa estabilidade. Existem duas formas de desvio que so mais utilizadas: Desvio por estabilizao da presso no header Desvio por tempo

No desvio por estabilizao da presso no header, a presso do header deve estabilizar por mais de um determinado intervalo de tempo (tpico 30 segundos) dentro de um intervalo de presso (tpico entre os alarmes de alta ou de baixa presso). Normalmente aplicvel em fornos maiores, com mais de 5 pilotos. o caso do forno deste trabalho, uma vez que o mesmo possui 13 pilotos. No desvio por tempo disparado um timer no momento da abertura do gs piloto. Aps esse tempo, removido o sinal de contorno dos iniciadores de presso muito alta e muito baixa. Normalmente aplicvel em fornos menores, com at 5 pilotos.

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Ainda no existe um total consenso sobre a ordem de atuao das duas vlvulas de duplo bloqueio e da vlvula de vent. Algumas refinarias atuam nas 3 vlvulas simultaneamente. A vantagem seria que precisaramos de apenas uma solenide para atuar as trs vlvulas e, em caso de falha da solenide, o sistema vai para a posio segura. H ainda a opo de fechar o vent e abrir o segundo bloqueio simultaneamente, para depois, com a confirmao de vent fechado, abrir o primeiro bloqueio. Nessa configurao seriam necessrias duas solenides. Outra refinarias solicitam primeiro a abertura da segunda vlvula de bloqueio, para em seguida fechar o vent e, com a confirmao de vent fechado, abrir a primeira vlvula de bloqueio. A desvantagem desse sistema seria a necessidade de trs solenides, uma para cada vlvula. A contratante do projeto, no entanto, solicitou esse tipo de atuao para as trs vlvulas, sendo ento esse modelo adotado no projeto do forno. Depois do alinhamento das trs vlvulas, dado o comando de ignio de um piloto pelo operador. Este comando iniciado a partir do DCS. O mesmo comando de ignio deve abrir tambm a vlvula de bloqueio individual do piloto em acendimento com um atraso de tempo (na faixa de 2 segundos) de forma a garantir que primeiro ocorra a ignio e depois a injeo de gs dentro do forno. O comando de ignio, normalmente, disparado pela ao do operador por meio de uma chave (Hand-switch - HS). Aps a sinalizao da permisso para ignio, a lgica do seqenciamento abre o vent da linha de gs dos pilotos para o flare sinalizando esta abertura no DCS. A ignio de um piloto deve ocorrer limitada a um certo intervalo de tempo normalmente de 15 a 30 segundos. Caso dentro desse intervalo no ocorra queima, a vlvula individual do piloto deve fechar e um temporizador deve ser disparado, evitando nova abertura dessa vlvula nesse espao de tempo. Durante o tempo de ignio, a lgica de controle deve acender, normalmente, 50% mais um piloto de forma a evitar o trip do piloto por falta de chama. importante ressaltar que o timer tempo de ignio deve desviar a condio de trip falta de chama em 50% dos pilotos durante a partida do forno.

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Caso a operao no consiga acender esse nmero durante o tempo de ignio, uma parada automtica do forno iniciada, onde uma purga ps trip realizada. Por procedimento operacional, a operao deve acender um piloto de cada vez. Caso ocorra quatro tentativas infrutferas consecutivas de acendimento em pilotos distintos dois caminhos podem ser tomados: Se o nmero de pilotos acesos for menor que o nmero mnimo (50% mais um), deve ocorrer um trip total do forno antes do final do tempo de ignio. Se o nmero de pilotos acesos for maior que o nmero mnimo, a lgica de controle temporizar a permisso de acendimento dos demais pilotos com reset do contador de tentativas de ignio. O tempo para a nova tentativa de ignio deve ser de 120s. A norma de fornos permite que essa purga ps trip possa ser aproveitada para novo tempo de ignio. Se o operador, durante o tempo de ignio, no tentar abrir nenhuma vlvula do sistema de combustvel (no caso a lgica s deve permitir a abertura do piloto), no necessria a purga ps trip tendo em vista que no foi injetado gs dentro da cmara de combusto. 4.2.3.1: Final de ignio Se durante o tempo de ignio foram acesos 50% mais um pilotos, a partida do forno tem prosseguimento. O timer tempo de ignio, aps a sua finalizao, deve remover seu desvio da falta de chama em 50% dos pilotos. Se, a partir desse momento, o forno perder 50% dos pilotos uma parada automtica iniciada.

4.2.4: Permisso para alinhamento dos queimadoresAps o acendimento do nmero mnimo de pilotos e a finalizao do tempo de ignio, a lgica do seqenciamento de partida sinaliza no DCS e no painel local a permisso de abertura do vent da linha de gs dos queimadores para o flare. A abertura da vlvula de vent para o flare e o alinhamento do header deve ser realizado por comando do DCS. A lgica s deve permitir abrir a vlvula de combustvel de um queimador em que o piloto associado esteja aceso. 56

O operador deve acender todos os queimadores de forma que o forno trabalhe corretamente balanceado, embora isso no seja obrigatrio pelo intertravamento. Para permisso de alinhamento dos queimadores principais, a lgica de partida deve acender um determinado nmero de pilotos, que normalmente coincide com o nmero mnimo de pilotos acesos para evitar a parada do equipamento. Com o nmero mnimo de pilotos acesos para permisso de abertura do header dos queimadores principais, o operador deve, no campo, comandar a abertura das vlvulas individuais de cada queimador (XV-28/.../41) atravs de botoeiras (HS-28/../41). Isso se deve ao fato de ser necessria a observao da chama e a realizao de ajustes pelo operador, como ajuste de ar pelas janelas de tiragem. Via comando do operador, a vlvula individual de um queimador pode ser aberta se o piloto associado a esse queimador estiver acusando presena de chama. O operador confirma visualmente a presena de chama no campo, ficando sob sua responsabilidade o fechamento da vlvula individual do queimador, caso o mesmo no acenda. Se o piloto associado a esse queimador acusar falta de chama deve ser iniciado um trip no conjunto queimador-piloto. As condies de parada por presso muito baixa ou muito alta devem ficar desviadas durante a partida e at a estabilizao da presso, quando o nmero de queimadores acesos garante essa estabilidade. Os mesmos recursos de desvios listados para os pilotos so aplicados aos queimadores de gs.

4.3: Descrio das etapas de parada de um fornoH dois tipos de parada possveis para um forno industrial: Trip parcial Trip total

Quando ocorre trip ou parada parcial de um forno apenas os queimadores so bloqueados, ficando os pilotos acesos. Esse tipo de parada proveniente de

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iniciadores de processo, tais como vazo muito baixa pelos passes da serpentina de processo do forno. J quando h trip total todos os queimadores e pilotos so apagados. So trips geralmente relacionados ao sistema de gs combustvel. Como se trata de uma parada total do forno, necessrio executar uma purga ps trip. Em qualquer condio de parada total prevista na matriz de causa e efeito (essa matriz ser detalhada no captulo 5), as vlvulas de bloqueio devero fechar, as vlvulas de vent devero abrir e o sistema de purga dever ser acionado. A vlvula de vapor de abafamento (XV-44) dever ser aberta pelo perodo previsto pelo tempo de purga sem previso de fechamento antecipado pela operao. Em caso de apenas perda de deteco de chama em um piloto onde seu queimador no tem detector de chama o operador deve fechar a vlvula de bloqueio correspondente ao piloto em questo e a vlvula de bloqueio correspondente ao queimador desse piloto.

4.4: Malhas tpicas associadas ao controle de um fornoPara se controlar a temperatura de um