Estudo da Automação de Trocadores de Calor do Tipo Casco e Tubos

Abstract

Este trabalho foi motivado a partir da experiência do autor, enquanto engenheiro de automação de uma indústria de transporte de petróleo e derivados, atuando na melhoria do controle de temperatura de óleo pesado de um trocador de calor do tipo casco e tubos. Associados aos problemas inerentes dos sistemas térmicos industriais como a inércia, resistências e capacitâncias térmicas, tempo morto e histereses, encontram-se também as limitações devido ao subdimensionamento ou superdimensionamento destas plantas. Portanto, controladores clássicos monovariáveis são pouco eficazes na regulação de e diminuição da variabilidade de teperatura de óleo, podendo assumir valores de até ± 60 ºC em torno do setpoint. Neste trabalho são investigadas estratégias para o controle de temperatura aplicado ao trocador de calor na realização da tarefa de regular a temperatura de saída de óleo sob variações de carga (vazão de óleo e alimentação de vapor). Primordialmente, são levantadas informações sobre os mecanismos termodinâmicos que regem o funcionamento do trocador. Em seguida, é proposta uma modelagem baseada em parâmetros físicos, como, dimensões, vazões de entrada e saída de óleo e vapor e massa de aço do casco e tubos. São apresentados e comparados resultados da modelagem proposta com dados reais de um trocador. A principal contribuição do estudo foi a proposição de uma associação de estratégias de controle para regular a energia consumida pelo trocador, baseada na realimentação de fluxos de vapor e de entrada de óleo. As informações de vazão, pressão e temperatura foram unificadas na variável energia e associada a técnicas de controle PID feedback, feedforward e preditor de Smith. O arranjo foi capaz de compensar variações de cargas tanto da vazão óleo como da linha de vapor, reduzindo a variabilidade para ± 10 ºC. O método de controle de energia e associações de estratégias foi confrontado com o método clássico PID feedback monovariável, que além de diminuir o desgaste do atuador foi capaz diminuir o desperdício de energia em até 69% . Ao final do trabalho, são apresentados resultados da simulação do controlador proposto sobre a modelagem e arranjo de instrumentação para aplicação do método abordado.