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CONTROLE ESTATÍSTICO MULTIVARIADO DE UMA CALDEIRA · PDF file CONTROLE ESTATÍSTICO MULTIVARIADO DE UMA CALDEIRA COM MÚLTIPLOS PONTOS DE OPERAÇÃO Bruno M. de Sousa , Hugo C. C

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CONTROLE ESTATSTICO MULTIVARIADO DE UMA CALDEIRA COMMLTIPLOS PONTOS DE OPERAO

Bruno M. de Sousa, Hugo C. C. Michel, Ansio R. Braga, Andr P. Lemos, Webber E.P. Aguiar, Carmela M. P. Braga

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica - Universidade Federal de Minas GeraisAv. Antnio Carlos 6627, 31270-901. Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Departamento de Engenharia Eletrnica - Universidade Federal de Minas GeraisAv. Antnio Carlos 6627, 31270-901. Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Colgio Tcnico da UFMG - Setor de EletrnicaAv. Antnio Carlos 6627, 31270-901. Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

GPEMG - Companhia Energtica de Minas GeraisAv. Barbacena 1200, 30190-131. Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Emails: [email protected], [email protected], [email protected],[email protected], [email protected], [email protected]

Abstract PCA technique and Hotellings T 2 control chart are used for monitoring and statistical processcontrol of a boilers unit of a thermal power station. Considering a quasi-stationary process with variableoperational setpoints, two distinct normalization methods are proposed, one using piecewise constant averagesfor each identifiable chart operation region and another with an adaptative average estimation using recursivefiltering. The normalization with adaptative average is proposed as an instrument to adequate the PCA techniqueto non-stationary operation setpoints. Experimental results of the chart design stage and of the scores monitoringstage are presented. It is verified that the normalization of variables with an adaptative average, in comparisonwith piecewise averages for chart regions, is more efficient since different power plant operation setpoints aresmoothly and automatically accounted for. Finally, examples show that the analysis of scores, on the occurrenceof an atypical condition, proves to be effective in tracking the variables that most likely contributed to thatsituation.

Keywords multivariate statistical process control, Hotellings T 2 chart, principal component analisys.

Resumo A tcnica de PCA e a carta de Hotelling T 2 so utilizadas para monitoramento e controle estatsticoda unidade da caldeira de uma usina termoeltrica. Por se tratar de um processo quase estacionrio com mltiplospontos de operao, so propostos dois mtodos distintos de padronizao, um deles utilizando mdias constantespara cada regio de operao identificvel da carta e outro com estimao adaptativa de mdia utilizando filtragemrecursiva. A padronizao com mdia adaptativa proposta como meio de adequar a tcnica de PCA aospatamares de operao no estacionrios. So apresentados resultados experimentais da fase de projeto da cartae da fase de monitoramento dos escores. Verifica-se que a padronizao das variveis com mdia adaptativa, emcomparao com a mdia por partes, mostra-se mais eficaz j que diferentes patamares de operao da usina sosuavemente e automaticamente considerados. Por fim, so apresentados exemplos nos quais a anlise dos escores,na ocorrncia de uma condio atpica, mostra-se eficaz no rastreamento das variveis que mais contriburampara que aquela situao se sucedesse.

Palavras-chave controle estatstico de processos multivariados, carta de Hotelling T 2, anlise das compo-nentes principais.

1 Introduo

A busca da melhoria da qualidade e do desempe-nho de processos tem se mostrado imperativa paraqualquer indstria que queira se manter competi-tiva. Tal melhoria pode ser conseguida por meiodo monitoramento e da anlise de informaes doprocesso, que resultam em deteces eficazes decondies anormais de operao. Muitas vezes,eventos incomuns detectados por meio de ferra-mentas de controle estatstico de processos (CEP)podem indicar falhas ou deterioraes em compo-nentes dos sistemas.

Boa parte dos sistemas industriais modernosenvolve uma quantidade considervel de variveisque interferem no desempenho e na qualidade dosprocessos e produtos. Alm disso, certo grau de

inter-relao entre algumas delas bastante co-mum. Por isso, mtodos de anlise e monitora-mento estatstico que consideram a correlao en-tre variveis so uma alternativa eficaz aborda-gem univariada (Montgomery, 2004). A carta deHotelling T 2 e a tcnica de PCA (do ingls, Prin-cipal Component Analysis) so dois importantesmtodos estatsticos de monitoramento e anlisemultivariada, respectivamente.

O monitoramento com a carta de Hotelling T 2 baseado na traduo das informaes de um con-junto de variveis correlacionadas em um nico n-dice estatstico (Mason and Young, 2002). No en-tanto, como observado por Montgomery (2004),a eficcia desse mtodo multivariado diminui medida que o nmero de variveis p aumenta.Isso se deve ao fato de que uma possvel altera-

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o no vetor de mdias dissolvida no espao p-dimensional, podendo no ser detectada. Nessecaso, o PCA se apresenta como tcnica capaz dereduzir o espao de variveis, gerando componen-tes principais descorrelacionadas, sem que hajaperda significativa de informao (Jackson, 2003).

Originalmente, as cartas de controle estats-tico surgiram no ambiente do controle de quali-dade. No entanto, pelo seu potencial na reduoda variabilidade, elas vm sendo aplicadas tam-bm no monitoramento de variveis de processo.Algumas dessas variveis, apesar de no repre-sentarem caractersticas de qualidade, podem serteis na indicao do desempenho de sistemas.

Alguns autores apresentam resultados posi-tivos no uso de ferramentas multivariadas deCEP para monitoramento de variveis de processo(Qin, 2003; Nijhuis et al., 1997; Lee et al., 2006;Kourti and MacGregor, 1995). Kourti e McGre-gor (1995) discutem diversas razes pelas quais omonitoramento de variveis de processo, em com-parao com apenas caractersticas de qualidade,deve ser realizado. Qin (2003) aborda a utiliza-o da estatstica T 2 de Hotelling, da tcnica dePCA e de outros mtodos multivariados para de-teco, identificao e diagnstico de falhas, en-quanto Lee et al. (2006) utilizam a tcnica de in-dependent component analysis no monitoramentode um processo de tratamento de gua e de umaetapa do processamento de semicondutores.

Este trabalho apresenta a implementao e aanlise de ferramentas estatsticas multivariadas(PCA e carta de Hotelling T 2) para a detecode mudanas operacionais, como suporte ges-to de ativos e ao monitoramento do desempenhode uma usina termoeltrica, com foco nos siste-mas da caldeira. A usina em questo possui acaracterstica de ter seu ponto de operao cons-tantemente alterado, em funo das variaes nademanda energtica exigida e na disponibilidadede combustveis. Como a aplicao da tcnica dePCA exige que o processo se encontre em estadode quase-estacionariedade, so propostos dois m-todos para padronizao das amostras: um delesutilizando mdias dos trechos de projeto da cartae outro com filtro adaptativo recursivo de mdiamvel. A padronizao com mdia adaptativa, es-pecialmente, busca adequar a tcnica de PCA aosdiversos patamares de operao da usina. Nas se-es a seguir, apresentam-se detalhes dos proces-sos da usina termoeltrica estudada, a metodolo-gia utilizada e resultados experimentais obtidos.

2 Descrio do Processo da Caldeira

Os mtodos de anlise e monitoramento multiva-riados abordados neste trabalho so aplicados so-bre os sistemas da caldeira da Usina Termoel-trica Barreiro (UTBA). A UTBA est localizadana Vallourec Tubos do Brasil, em Belo Horizonte,

Minas Gerais, e operada pela CEMIG. A usinapossui potncia instalada de 12, 9 MW e utilizacomo combustveis o gs natural (GN) e o gs dealto-forno (GAF).

Em linhas gerais, ocorre um processo dequeima dos combustveis no queimador. O ca-lor gerado utilizado na caldeira para a produ-o de vapor de gua com valores de presso etemperatura adequados, o qual responsvel pormovimentar as ps da turbina e, consequente-mente, produzir energia eltrica. O vapor de baixapresso extrado da turbina e, aps passar porcondensadores, aquecedores e desaeradores, vaporcondensado e gua so bombeados para reaprovei-tamento na caldeira.

2.1 Caldeira

Os sistemas da caldeira exercem influncia diretana eficincia e no desempenho da usina e repre-sentam uma seo crtica para as equipes de ope-rao e manuteno. A caldeira da UTBA dotipo aquatubular e possui capacidade de produ-o de at 60 toneladas/hora de vapor de gua auma presso de 60 bar e temperatura de 450 grausCelsius (Passos, 2009). Os combustveis so uti-lizados de modo complementar: prioritariamente,a usina queima GAF como forma de aproveitaresse subproduto dos processos siderrgicos da Val-lourec. Quando a quantidade disponvel de GAFno suficiente para suprir as demandas energ-ticas, a UTBA passa a consumir GN de maneiracomplementar. De modo simplificado, a Figura 1apresenta os fluxos de energia envolvidos na reada caldeira. A UTBA foi projetada para operartambm com alcatro como combustvel, emboraeste no esteja mais sendo usado.

Figura 1: Fluxo de energia na caldeira da UTBA.

Fonte: Adaptado de Braga et al. apud (Passos, 2009).

Conforme explicado por Passos (2009), a efi-cincia da caldeira determinada pela proporoda energia de entrada transferida para o vaporsuperaquecido. Os fluxos de entrada de energiaprincipais vm dos combustveis, da gua de ali-mentao e dos crditos de calor provenientes doar de combusto, que j entra aquecido depois depassar pelos pr-aquecedores. A maior parte dessa

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energia transferida para o vapor de sada, masuma parcela dela irreversivelmente perdida.

A Tabela 1 apresenta algumas importantesvariveis da caldeira. A partir de estudos, reu-nies e discusses com operadores da usina e en-genheiros envolvidos no Projeto GT336, definiu-