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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Pré-Detalhamento da Instrumentação e Automação de um Forno Industrial
de um Complexo Petroquímico
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511 Projeto de Fim de Curso
Marcelo Khouri Silva
Florianópolis, Setembro de 2009
Pré-Detalhamento da Instrumentação e Automação de um Forno Industrial
de um Complexo Petroquímico
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Marcelo Khouri Silva
Florianópolis, setembro de 2009
Pré-Detalhamento da Instrumentação e Automação de um Forno Industrial de um Complexo Petroquímico
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 Automação
Banca Examinadora:
Carlos Eduardo Neri de Oliveira Orientador Empresa
Agustinho Plucenio Orientador do Curso
Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina
Prof. Julio Elias Normey-Rico, Avaliador
Thiago Boaventura Cunha, Debatedor
Gabriel Veloso Paim, Debatedor
i
Agradecimentos
Agradeço primeiramente à Deus por ter me dado a força e a fé necessárias
para superação dos obstáculos enfrentados durante minha vida acadêmica.
Em especial, quero agradecer aos meus pais pelo apoio e suporte em tudo
que me foi necessário e às minhas irmãs por me alegrarem e me colocar pra cima
sempre que necessário.
Ao meu orientador na Chemtech Carlos Eduardo Neri de Oliveira e ao
companheiro de trabalho Ronaldo da Ponte por sua imensa ajuda no
desenvolvimento deste trabalho e por sua grande dedicação em passar a todos os
seus conhecimento profissionais.
Ao meu orientador Prof. Agustinho Plucênio, pelas importantes sugestões
dadas para o desenvolvimento deste trabalho.
A todos da equipe de Instrumentação do projeto, que sempre tiveram
disposição para passarem o conhecimento que possuem.
Aos amigos que me acolheram na Chemtech, tornando mais agradáveis a
adaptação à empresa e o trabalho no projeto.
Aos amigos mais próximos por sempre escutar as lamentações na hora do
desespero e compartilhar as risadas nos momentos de alegria.
Agradeço ainda a Agência Nacional do Petróleo – ANP – e à Financiadora de
Estudos e Projetos – FINEP – por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP
para o Setor de Petróleo e Gás – PRH-34 ANP/MCT pelo apoio financeiro.
ii
Resumo
Um forno é, basicamente, um trocador de calor que usa os gases quentes da
combustão para elevar a temperatura de um fluido circulando através de uma
serpentina instalada dentro do forno. Alguns fornos simplesmente entregam o fluido
em uma temperatura predeterminada para o próximo estágio do processo de reação.
Outros promovem reações no fluido enquanto ele flui pelos tubos da serpentina.
Os fornos são usados em todos os processos que envolvem hidrocarbonetos
e indústrias químicas como refinarias, plantas de gás, petroquímicas e refinarias de
óleo combustível. A maioria das unidades de operação requerem um ou mais fornos
como pré-aquecedores do fluido de processo, fornos de craqueamento, vaporizador
do fluido de processo, forno de óleo cru ou forno reformador. Os combustíveis para
os fornos incluem desde produtos finais da refinaria como o gás combustível até o
óleo pesado tido como resíduo.
O presente trabalho se propõe a mostrar o projeto de FEED de
instrumentação e automação de um forno à chama, usando gás como combustível,
de uma unidade de um complexo petroquímico.
iii
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.
iv
Sumário Agradecimentos ................................................................................................. i
Resumo ............................................................................................................ ii
Abstract ........................................................................................................... iii
Simbologia ...................................................................................................... vii
Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 1
1.1: A Chemtech ........................................................................................... 1
1.1.1: Histórico ........................................................................................... 1
1.1.2: O projeto de FEED do Complexo Petroquímico .............................. 2
1.2: Objetivos do Trabalho ............................................................................ 4
1.3: Justificativa............................................................................................. 4
1.4: Metodologia............................................................................................ 5
1.5: Organização do Documento................................................................... 6
Capítulo 2: Fornos industriais tubulares sujeitos à chama - Fundamentação
Teórica ........................................................................................................................ 7
2.1: Visão Geral ............................................................................................ 7
2.2: Tipos de concepções de Fornos Industriais ......................................... 10
2.2.1: Forno Cilíndrico Vertical sem Convecção ...................................... 11
2.2.2: Forno Cilíndrico Helicoidal sem Convecção .................................. 11
2.2.3: Forno Cilíndrico Vertical com Convecção ...................................... 12
2.2.4: Caixa com tubos Verticais Aquecidos de ambos os lados (Dupla
Câmara) ............................................................................................................. 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 células....................................................................... 14
2.3: Nomenclatura e componentes de um Forno Industrial ......................... 15
v
2.4: Equipamentos auxiliares ...................................................................... 18
2.4.1: Queimadores ................................................................................. 18
2.4.2: Sopradores de Fuligem ................................................................. 20
2.4.3: Preaquecedores de ar de combustão ............................................ 20
2.5: Variáveis operacionais ......................................................................... 21
2.6: O forno deste projeto ........................................................................... 25
2.7: Critérios Gerais do Projeto ................................................................... 26
2.7.1: Identificação Funcional .................................................................. 26
Capítulo 3: Instrumentação aplicada a Fornos Industriais .............................. 29
3.1: Instrumentos para fornecimento de gás combustível ........................... 29
3.2: Instrumentos para fornecimento de gás para os pilotos ....................... 33
3.3: Instrumentos para fornecimento de gás para os queimadores ............ 39
3.4: Instrumentos do forno .......................................................................... 43
3.5: Instrumentos relacionados ao vapor de abafamento ........................... 44
Capítulo 4: Procedimentos de Controle e Automação de um Forno Industrial48
4.1: Definições preliminares ........................................................................ 48
4.2: Descrição de um seqüencial de partida de um forno ........................... 50
4.2.1: Permissão de purga....................................................................... 50
4.2.2: Realização da purga ...................................................................... 52
4.2.3: Ignição ........................................................................................... 54
4.2.4: Permissão para alinhamento dos queimadores ............................. 56
4.3: Descrição das etapas de parada de um forno...................................... 57
4.4: Malhas típicas associadas ao controle de um forno ............................. 58
4.4.1: Malha para o controle da combustão............................................. 58
4.4.2: Malha de controle da tiragem ........................................................ 60
Capítulo 5: Documentos Gerados e Resultados ............................................. 62
5.1: Diagramas de Fornos ........................................................................... 62
vi
5.1.1: Diagrama de alimentação do forno ................................................ 63
5.1.2: Diagrama de tiragem do forno ....................................................... 66
5.1.3: Planta de locação de instrumentos do forno .................................. 68
5.2: Matriz de causa e efeito do forno ......................................................... 73
5.3: Memorial Descritivo .............................................................................. 77
Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas .......................................................... 80
Bibliografia ...................................................................................................... 82
vii
Simbologia
A seguir:
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
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 Combustível
TV: Temperature Control Valve
XV: Block Valve
ZS: Chave de fim de curso
1
Capítulo 1: Introdução
1.1: A Chemtech
1.1.1: Histórico
Fundada em 1989 com capital 100% nacional, a Chemtech é uma empresa
de consultoria e prestação de serviços em engenharia e TI que alia um profundo
conhecimento de processo ao domínio das mais modernas soluções tecnológicas,
garantindo ao cliente sempre a melhor solução.[ 1 ]
A empresa acredita na engenharia nacional e nos profissionais brasileiros e
quer, cada vez mais, contribuir para o desenvolvimento sustentável e o crescimento
do Brasil.
Hoje a Chemtech é líder brasileira no fornecimento de soluções de otimização
para as indústrias de processos, atuando em diversos países, como Alemanha,
Estados Unidos, Rússia, Japão, Cingapura, Tailândia, Arábia Saudita, França, África
do Sul, Canadá e Espanha.
Em 2001, passou a fazer parte do grupo Siemens, mantendo sua liderança,
padrão mundial de qualidade, marketing share definido, linha de soluções e gestão
independente. Tudo isso aliando sua agilidade à solidez do grande grupo econômico
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 está em constante aprimoramento. O acompanhamento das
tendências e evoluções mundiais e a excelente infra-estrutura oferecida garantem
que a criatividade e a motivação da equipe da Chemtech estejam sempre em alta.
A equipe é multidisciplinar e formada por profissionais com alta capacitação e
experiência. Os engenheiros e demais profissionais são graduados e especializados
nas melhores instituições do Brasil e do mundo. Conhecem profundamente os
processos industriais e as tecnologias mais avançadas disponíveis no mercado, o
2
que permite que entendam os problemas dos clientes de forma rápida, apontando ou
desenvolvendo soluções eficazes.
Na Chemtech, há ainda consultores de altíssimo nível provenientes do
mercado. Todos "vestem a camisa", possibilitando à empresa agir de forma matricial
em forças-tarefa. Verifica-se na Figura 1 - Distribuição da escolaridade dos
funcionários da Chemtech em 2009Figura 1 a distribuição da escolaridade do
funcionário da Chemtech em 2009.
1.1.1.1: Divisão do Projeto do Complexo Petroquímico dentro da Chemtech
O projeto foi dividido em frentes de trabalho denominadas disciplinas. Existem
ao todo 12 disciplinas: Processo, Instrumentação, Tubulação, Civil, PDMS, Mecânica
Estática, Mecânica Rotativa, Segurança, Elétrica, Telecom, Comissionamento e
Equipamentos Críticos.
O presente trabalho se desenvolveu dentro da disciplina de instrumentação,
utilizando como apoio diagramas e informações de outras disciplinas como a de
processo.
1.1.2: O projeto de FEED do Complexo Petroquímico
A definição do FEED (Front End Engineering Design) como etapa no
desenvolvimento de projetos foi à solução adotada para reduzir problemas de
Figura 1 - Distribuição da escolaridade dos funcionários da Chemtech em 2009
3
inconsistências e indefinições no projeto básico e aumentar a precisão das
estimativas de custos e prazos. [ 2 ]
O FEED é uma metodologia que visa “adiantar” os problemas do
detalhamento e construção e fornecer subsídios para a estimativa de custos de
contratação do detalhamento e construção.
Entre o projeto básico e a obra, a nova etapa de análise de consistência do
projeto básico e pré-detalhamento, inaugurada pelo FEED, representa um grande
avanço em todo o processo. Além de resolver falhas no básico, antes de chegar ao
detalhamento tem-se a estimativa mais precisa do valor do empreendimento. Antes
da utilização do FEED como uma das etapas da implantação de um
empreendimento, adotava-se o modelo tradicional, no qual os projetos começavam
com o conceitual, onde se compunha as especificações do projeto e a viabilidade do
mesmo, seguindo para a próxima etapa: o projeto básico.
Com níveis variados de informações e detalhes, a depender do contrato e da
metodologia da empresa responsável pela engenharia, o projeto básico era
desenvolvido e seguia para o detalhamento. O próximo passo era a licitação para o
suprimento, construção e montagem. Desta forma, estimativas de investimentos e
prazos costumavam não condizer com a realidade.[ 2 ]
1.1.2.1: Os objetivos do FEED dentro do Projeto do Complexo Petroquímico
• Identificar inconsistências na documentação dos projetos básicos.
• Elaborar projeto básico complementar principalmente de fornos e válvulas de
controle e outras utilidades como sistema de vapor e ar de instrumento.
• Elaborar projeto de pré-detalhamento que possibilite o levantamento mais
apurado dos quantitativos de materiais, equipamentos, sistemas e serviços
técnicos a serem desenvolvidos nas fases seguintes.
• Elaborar uma especificação detalhada para aquisição dos equipamentos e de
sistemas considerados críticos, pelo planejamento da empresa contratante.
4
1.2: Objetivos do Trabalho
O principal objetivo deste trabalho é gerar documentos da fase de FEED ou
pré-detalhamento da automação e instrumentação de fornos industriais. Cada
unidade do Complexo Petroquímico possui suas particularidades e, por isso, é
projetado um tipo diferente de forno que atenda a requisitos específicos de cada
unidade.
Em específico, a fase de automação de fornos compreende a elaboração dos
seguintes documentos: Diagrama de Alimentação do Forno, Diagrama de Tiragem,
Planta de Locação de Instrumentos, Matriz de Causa-Efeito e Memorial Descritivo.
Os diagramas de alimentação e tiragem são documentos de instrumentação
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 último, o Memorial Descritivo descreve todo o sistema de
automação do equipamento.
1.3: Justificativa
Hoje o Brasil consome cerca de dez milhões de toneladas por ano de nafta
derivada do refino do petróleo. A nafta é utilizada principalmente como matéria-prima
da indústria petroquímica. A escassez relativa de nafta petroquímica e de gás natural
nos próximos anos conduz a um cenário de reduzido investimento para a produção
de petroquímicos básicos no país, matérias-primas para produção de plásticos, e
conseqüente importação, inclusive dos polímeros e outros produtos de segunda
geração. Assim sendo, a implantação de uma refinaria integrada a uma central
petroquímica e outras unidades industriais surge como uma alternativa econômica
para o país.
O Projeto de Pré-Detalhamento (FEED) de automação de fornos está
relacionado ao curso de Engenharia de Controle e Automação da UFSC uma vez
que o projeto envolve conhecimentos nas áreas de controle e automação de
processos e, principalmente, na área de instrumentação. Além disso, o trabalho
insere-se no contexto do Programa de Recursos Humanos PRH-34/ANP/MCT, que
tem como objetivo a formação de engenheiros para atuar na área de automação,
controle e instrumentação para o setor de petróleo e gás natural.
5
1.4: Metodologia
Inicialmente foi feito um estudo bibliográfico em documentos e materiais sobre
o Complexo Petroquímico, a Chemtech e a disciplina de instrumentação dentro da
Chemtech, a fim de adquirir conhecimentos necessários para o trabalho e o
desenvolvimento das atividades do projeto. Além disso, diversos cursos foram e
estão sendo ministrados pela UCC (Universidade Corporativa Chemtech) com a
finalidade de capacitar os funcionários para alguns trabalhos específicos. Dentre
estes cursos estão: Interpretação de fluxogramas de Engenharia, AutoCAD,
Elaboração de Plantas de Locação de Instrumentos e palestras com fabricantes de
alguns equipamentos para automação e instrumentação.
Após esta primeira fase de aquisição de conhecimentos gerais, partiu-se para
estudos específicos da automação de fornos industriais. Foram levantados alguns
requisitos de cada unidade tais como:
• Fluido de processo
• Tipo de tiragem
• Intertravamentos
• Tipo de combustível
• Tipo de sinal e alimentação de cada instrumento presente no forno
• Malhas de controle
• Válvulas
• Transmissores
• Medidores
• Indicadores
De posse dessas informações, foram elaborados todos os documentos
relativos à complementação do projeto básico da automação de fornos industriais,
além dos documentos finais de quantitativos de instrumentos.
6
1.5: Organização do Documento
Este trabalho está estruturado em seis capítulos, enunciados a partir deste,
de forma a apresentar os principais temas referentes a este projeto final.
Capítulo 1 – Introdução, Objetivo e Justificativa – apresentado
anteriormente.
Capítulo 2 – Fornos Industriais Sujeitos à Chama – Fundamentação
Teórica – tem por objetivo descrever os principais componentes e introduzir
conceitos preliminares.
Capítulo 3 – Instrumentação Aplicada a Fornos Industriais – fornece
informações sobre os instrumentos utilizados no projeto do forno bem como sua
representação em diagramas.
Capítulo 4 – Procedimentos de Automação e Controle de um Forno
Industrial – mostra as principais seqüências atreladas aos processos de um forno e
seus intertravamentos.
Capítulo 5 – Documentos Gerados – apresenta os documentos
gerados no fim do projeto, os quais são o objetivo de um projeto de FEED.
Capítulo 6 –Conclusões e Perspectivas – comenta os principais
resultados obtidos a partir das análises realizadas ao longo do projeto e algumas
perspectivas futuras.
E por fim Bibliografia – enumera as principais fontes de consulta para a
realização deste projeto.
7
Capítulo 2: Fornos industriais tubulares sujeitos à chama -
Fundamentação Teórica
Neste capítulo será feita uma introdução aos conceitos básicos sobre fornos
industriais.
2.1: Visão Geral
O forno é, depois dos trocadores de calor, o principal equipamento de
fornecimento de calor para as diversas correntes de uma Planta Industrial. Sua
função em alguns processos vai além da complementação de calor para fins de
condicionamento da temperatura da carga que alimenta as torres de fracionamento
ou os reatores, pois também viabiliza processos de craqueamento térmico atuando
por exemplo como os próprios reatores em Unidades Coqueamento Retardado,
Unidades de Geração de Hidrogênio e de Produção de Eteno. [ 3 ]
Um forno é composto por uma câmara inferior, denominada de câmara de
radiação, uma região superior, denominada de zona de convecção, a chaminé dos
gases de combustão e o sistema de combustíveis que suprem gás ou óleo
combustível para os queimadores. Na próxima página, a Figura 2 mostra um forno
industrial instalado em campo.
Na câmara de radiação é instalada parte da serpentina de processo e onde é
queimado um combustível através dos queimadores. Recebe esta denominação
porque a transferência de calor se dá basicamente por radiação dos gases de
combustão resultantes da queima do combustível.
A zona de convecção é, normalmente, uma caixa de base retangular
montada acima da câmara de radiação onde são instaladas a outra parte da
serpentina de processo e as serpentinas de outros serviços, tais como: geração de
vapor d´água, superaquecimento de vapor d´água, etc., com o objetivo de aumentar
a eficiência do forno. Recebe esta denominação porque o calor dos gases de
combustão é transferido para as serpentinas de tubos basicamente por convecção.
A chaminé é um trecho cilíndrico montado normalmente acima da seção de
convecção, através do qual os gases de combustão são lançados para a atmosfera.
8
Figura 2 - Forno em uma Planta Industrial
9
As principais variáveis operacionais de um forno industrial são a temperatura
de saída do fluido de processo do forno, a vazão através de um ou mais passes e a
carga térmica a ser fornecida pelo sistema de combustíveis.[ 5 ]
Normalmente, a tubulação da carga do forno é dividida em vários “passes”
dentro do forno. A quantidade de passes para distribuir a vazão total do fluido de
processo dentro de um forno é definida em função da carga térmica e da velocidade
requerida para o produto a ser aquecido.
Os fornos controlam a temperatura de saída do produto manipulando a vazão
de combustível para os queimadores. Como os queimadores possuem restrições
quanto à sua pressão de operação, alguns fornos substituem os controladores de
vazão de combustível por controladores de pressão para implementação da
proteção contra apagamento de chama por pressão muito baixa ou deslocamento de
chama por pressão muito alta no queimador.
O controle de temperatura de saída do produto é realizado após a junção dos
passes. Logo, o que se mede geralmente é uma temperatura média do produto
aquecido na saída do forno. Dependendo do tipo de processo e carga há 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
combinação destes arranjos.
Como conseqüência, torna-se
necessário criar configurações
de estratégias de controle que
permitam fornecer carga térmica
específicas por regiões do forno.
[ 3 ] A Figura 3 mostra um
esquema simplificado de um
forno industrial.
Os principais objetivos de
controle de um forno industrial
são: Figura 3 - Esquema de um Forno Industrial
10
• Manter constante e estável a temperatura de saída do produto.
• Manter constantes as vazões de cada passe do forno.
• Manter constante e em um valor seguro a pressão interna da fornalha.
• Manter o excesso de oxigênio nos gases de combustão em uma valor
ótimo.
• Manter constante a pressão, dentro dos limites de segurança
operacional, dos queimadores.
• Manter a vazão do gás combustível em um valor requerido para
fornecer carga térmica desejada naquele instante.
• Manter a vazão de ar para os queimadores no valor desejado.
As principais perturbações ao controle de um forno industrial são:
• A temperatura de entrada do forno.
• A qualidade da carga e suas características térmicas.
• O poder calorífico do gás combustível.
• A pressão a montante ou a jusante do forno.
• A retirada ou colocação em operação de queimadores.
Podem ser identificadas basicamente duas categorias de fornos usados em
refinarias e plantas petroquímicas.
• 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 não ser vaporizada.
• Os fornos de reação que englobam todos os fornos em que a carga,
ao passar pela serpentina de processo, além de sofrer um
aquecimento tem sua composição química alterada.
2.2: Tipos de concepções de Fornos Industriais
Existe uma grande variedade de concepções de projeto de fornos, o que é
explicado pelo fato de um projeto de um forno ser feito por encomenda para atender
condições de processo específicas. Desta forma, não existem projetos de prateleira
e, além disso, projetistas de fornos possuem algumas soluções de “layout” não
convencionais. A seguir, uma breve introdução às concepções mais utilizadas serão
apresentadas.
11
Chaminé
Serpentina da radiação
Queimadores
Figura 5 - Forno Cilíndrico Helicoidal sem Convecção
2.2.1: Forno Cilíndrico Vertical sem Convecção
Concepção de baixa eficiência térmica onde os tubos são dispostos
verticalmente ao longo da superfície cilíndrica da câmara de radiação. Esta
concepção é restrita, normalmente, a fornos de baixa carga térmica (menor que
5.106 BTU/h)1, fornos de operação intermitente ou quando o custo do combustível é
extremamente baixo. A queima é vertical de baixo para cima. A Figura 4 ilustra este
tipo de concepção. [ 5 ]
2.2.2: Forno Cilíndrico Helicoidal sem Convecção
Concepção onde a serpentina de tubos tem
a forma helicoidal e fica disposta ao longo da
superfície cilíndrica da câmara de radiação. Esta
concepção é, normalmente, adotada para os
fornos de partida. Também é restrita,
normalmente, a fornos de baixa carga térmica
(menor que 5.106 BTU/h), fornos de operação
intermitente ou quando o custo do
combustível é extremamente baixo. A
queima é vertical de baixo para cima. A Figura 5 ilustra este tipo de concepção. [ 5 ]
1 BTU é uma unidade de medida não pertencente ao SI utilizada principalmente nos Estados
Unidos e Reino Unido. A quantidade de 1 BTU é definida como a quantidade de energia necessária
para se elevar a temperatura de uma massa de uma libra de água em um grau fahrenheit. Equivale a
252,2 calorias ou 1 055,05585 joules.
Chaminé
Serpentina da Radiação
Queimadores
Figura 4 - Forno Cilíndrico Vertical sem Convecção
12
2.2.3: Forno Cilíndrico Vertical com Convecção
Concepção onde os tubos são dispostos verticalmente ao longo da superfície
cilíndrica da câmara de radiação. A zona de convecção com serpentinas de tubos
horizontais fica montada imediatamente acima da seção de radiação. Esta
concepção resulta em fornos de eficiência relativamente alta e que ocupam pouco
espaço físico. Aplicável, normalmente, para alguns serviços com carga térmica na
faixa de 10. 106 a 200.106 BTU/h. A queima é vertical de baixo para cima. A Figura 6
ilustra este tipo de concepção. [ 5 ]
2.2.4: Caixa com tubos Verticais Aquecidos de ambos os lados (Dupla
Câmara)
Concepção onde tubos verticais são dispostos em uma única fila no centro da
câmara de radiação. Queimadores dispostos nas paredes verticais paralelas a fila de
tubos liberam calor para os 2 lados dos tubos (queima horizontal). É possível
encontrar esta concepção com uma ou duas câmaras de radiação. A zona de
convecção com tubos horizontais fica montada acima da(s) câmara(s) de radiação.
Esta concepção resulta numa distribuição de calor ao longo da circunferência dos
tubos mais uniforme. É uma configuração de alto custo e se aplica, normalmente,
para alguns serviços com carga térmica na faixa de 20.106 à 125.106 BTU/h. A
Figura 7 ilustra este tipo de concepção. [ 5 ]
Queimadores
Serpentina da convecção
Serpentina da convecção
Chaminé
Figura 6 - Forno Cilíndrico Vertical com Convecção
13
Serpentina da Convecção
Serpentina da Radiação
Queimadores
Coletores
Chaminé
Figura 8 - Cabine com Tubos em forma de "U"
2.2.5: Cabine com tubos em forma de “U”
Concepção onde tubos em forma de “U” têm seus trechos verticais dispostos
ao longo da superfície interna de duas paredes da câmara de radiação (paredes
laterais). Os tubos são conectados a dois coletores, um de entrada e outro de saída.
Esta concepção se aplica particularmente ao serviço de aquecimento de grandes
vazões de gases com baixa perda de pressão admissível. 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 convecção com as serpentinas de tubos
horizontais fica montada acima da câmara
de radiação. Aplicação, normalmente, para
cargas térmicas na faixa de 50.106 à
400.106 BTU/h. A Figura 8 ilustra
este tipo de concepção. [ 5 ]
2.2.6: Cabine com tubos horizontais
Concepção onde tubos são dispostos horizontalmente ao longo da superfície
interna das paredes laterais e do teto inclinado da câmara de radiação. A zona de
convecção com serpentinas de tubos horizontais fica montada imediatamente acima
Chaminé
Serpentina da Convecção
Serpentina da Radiação
Queimadores
Figura 7 - Forno Dupla Câmara
14
Chaminé
Serpentina da Convecção
Serpentina da Radiação
Queimadores Queimadores
Figura 10 - Caixa com Duas Células
da seção de radiação, se estendendo por todo o comprimento desta. Esta é a
concepção 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). Aplicação, normalmente, para cargas térmicas na
faixa de 10.106 a 400.106 BTU/h. A Figura 9 ilustra este tipo de concepção. [ 5 ]
2.2.7: Caixa com 2 células
Concepção onde tubos horizontais são dispostos ao longo das superfícies
internas das paredes laterais e do teto das duas
células (câmaras de radiação). A zona de
convecção com serpentinas de tubos
horizontais, comum às duas células, fica
montada imediatamente acima das mesmas.
Admite tanto a queima vertical de baixo para
cima quanto à queima horizontal com
queimadores instalados nas
paredes terminais (sem tubos)
de cada célula. Aplicação,
normalmente, para cargas
térmicas na faixa de 100.106 a 500.106 BTU/h. A Figura 10 ilustra este tipo de
concepção. [ 5 ]
Serpentina da Convecção
Serpentina da Radiação
Queimadores
Chaminé
Figura 9 - Cabine com Tubos Horizontais
15
2.3: Nomenclatura e componentes de um Forno Industrial
A norma NBR-10.778 da ABNT define a terminologia empregada para os
fornos tubulares sujeitos à chama, incluindo os termos relacionados com os projetos
térmico e mecânico, desempenho e dos componentes, acessórios e equipamentos
auxiliares, tais como queimadores e sopradores de fuligem. A seguir é apresentada
uma lista com os termos e componentes mais utilizados.
• Carga térmica 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 saída.
• Liberação Térmica Total – Energia total liberada pelo combustível na
unidade de tempo por todos os queimadores do forno.
• Eficiência – Razão entre a carga térmica absorvida e a liberação térmica
total.
• Fluxo Médio de Calor – Carga térmica idealmente considerada
uniformemente absorvida pela área circunferencial externa dos tubos. Usualmente
referido à área total dos tubos em uma zona ou serviço. Pode também ser definida
como sendo a razão entre a carga térmica absorvida por uma serpentina e a área
circunferencial externa total dos tubos desta serpentina.
• Fluxo Máximo de Calor – Carga térmica por unidade de área realmente
absorvida (ou calculada) no ponto da área circunferencial externa de um trecho,
zona ou serviço, em que seu valor é máximo.
• Excesso de Ar – Porcentagem de massa de ar adicional à
estequiometricamente requerida para a queima do combustível em questão.
• Tiragem – Diferencial de pressão interior ao forno em relação a atmosfera
padrão nas condições de instalação do forno.
• Zona de Radiação – Zona do forno na qual o calor (energia térmica) é
absorvido pelos tubos da serpentina principalmente por radiação.
• Zona de Convecção – Zona do forno na qual o calor (energia térmica) é
absorvido pelos tubos da serpentina principalmente por convecção.
• Serpentina – Tubulação interna ao forno no interior da qual circula um dos
fluidos aquecidos pelo forno.
16
• Tubos de Proteção – Primeiras filas de tubos da zona de convecção que
ainda estão expostas a radiação direta da combustão.
• Corbel – Saliência da superfície refratária da parede da zona de
convecção usada para evitar fluxo preferencial dos gases de combustão junto a esta.
• Suporte do Tubo – Peça metálica sobre a qual se apóiam os tubos e que
transferem a carga dos mesmos para a estrutura do forno.
• Espelho – Tipo especial de suporte que apóia vários tubos numa única
peça. Mais frequentemente utilizado na zona de convecção.
• Estrutura – Vigas e colunas de perfis de aço destinados a suportar e
posicionar os diversos elementos constituintes do forno.
• Abafador ou damper – Registro para bloqueio ou controle de vazão ou
tiragem dos gases de combustão, normalmente instalado na chaminé.
• Coifa – Componente que coleta os gases efluentes da zona de convecção
e os dirige diretamente ou através de dutos à chaminé.
• Chaminé – Duto de seção circular situado imediatamente à coifa cuja
função é descarregar os gases de combustão na atmosfera.
• Queimador – Dispositivo destinado a promover a mistura entre ar e
combustível, e a colocá-la e mantê-la em combustão.
• Soprador de fuligem - são equipamentos que permitem a sopragem de
vapor sobre as superfícies estendidas, possibilitando a retirada de fuligem
acumulada. Este componente só é utilizado para fornos que queimam óleo
combustível.
17
A Figura 11 apresenta os principais componentes de um forno industrial.
1 – Porta de Acesso 9 – Tubulação de Interligação 17 – Suporte de Tubos 2 – Arco (Teto Radiação) 10 – Tubos 18 – Parede Refratária 3 – Coifa 11 – Superfície Extendida 19 – Espelho Terminal 4 – Parede Interna 12 – Curva de Retorno 20 – Base de Concreto 5 – Queimador 13 - Caixa de Cabeçotes 21 – Chaminé 6 – Carcaça 14 – Seção de Radiação 22 – Plataforma 7 – Seção de Convecção 15 – Seção de Proteção 8 – Corbel 16 – Janela de Observação
Figura 11 - Principais componentes de um Forno Industrial
18
2.4: Equipamentos auxiliares
Alguns equipamentos pertencentes à composição de um forno industrial
merecem uma explicação mais detalhada para que se possa entender perfeitamente
o funcionamento completo de um forno. Estes equipamentos são chamados de
equipamentos auxiliares e serão detalhados a seguir.
2.4.1: Queimadores
São equipamentos responsáveis pela liberação de calor necessário para as
diversas serpentinas de um forno, através da combustão de um ou mais
combustíveis. Na Figura 12 é possível ver o esquema de um queimador à gás.
Quanto ao tipo de combustível, os queimadores classificam-se em:
• Queimadores para combustíveis gasosos
• Queimadores para combustíveis líquidos
• Queimadores para queima mista (óleo e/ou gás)
Os queimadores de óleo combustível ou mistos requerem, normalmente,
maiores cuidados tanto do ponto de vista de operação quanto de manutenção. Para
a queima de combustíveis líquidos, especialmente de óleos combustíveis, é
necessária a atomização dos mesmos, isto é, a quebra em gotas de pequena
dimensão. A Figura 13 mostra o esquema de um queimador à gás e óleo.
Figura 12 - Esquema de um Queimador à Gás
19
Na maioria dos queimadores de óleo combustível usados nas refinarias e nas
plantas petroquímicas, a atomização é conseguida usando o vapor d´água como
meio atomizante. Este vapor deve possuir as seguintes características principais:
moderado superaquecimento e uma pressão capaz de garantir um adequado
diferencial em relação a pressão de óleo combustível (na faixa de 1.5 a 2.0 kg/cm2).
Figura 14 - Queimador em funcionamento
Figura 13 - Esquema de um Queimador à Gás e Óleo
20
2.4.2: Sopradores de Fuligem
A queima de óleos combustíveis e o uso de tubos com superfícies estendidas
nas serpentinas da seção de convecção resultam no acúmulo de fuligem nos
referidos tubos, provocando uma redução na eficiência térmica dos mesmos.
Com a finalidade de possibilitar a limpeza periódica destas serpentinas, são
normalmente instaladas filas de sopradores de fuligem em uma ou mais elevações
da seção de convecção.
Os tipos de sopradores mais comumente usados em fornos de refinarias ou
de plantas petroquímicas são:
• Rotativo fixo – Este tipo, pelo fato da lança ficar constantemente em
contato com os gases de combustão, é normalmente especificado para fornos
queimando combustíveis sem ou com baixo teor de vanádio. Para fornos queimando
combustíveis com alto teor de vanádio, limita-se seu uso a regiões de baixa
temperatura dos gases de combustão. Para seções de convecção com larguras
muito grandes não se recomenda o uso desse tipo.
• Rotativo Retrátil – Neste tipo, após o ciclo de sopragem, a lança é retraída
para fora da seção de convecção. Não existe restrição ao uso desse tipo, a não ser
econômica.
2.4.3: Preaquecedores de ar de combustão
Uma das maneiras normalmente adotadas para o aumento da eficiência
térmica global de um forno é o preaquecimento do ar de combustão. Este
preaquecimento é feito através de equipamentos onde o calor é transferido dos
gases de combustão para o ar de combustão, reduzindo a temperatura de saída dos
gases na chaminé, o que promove aumento da eficiência térmica.
Os tipos de preaquecedores de ar de combustão mais comumente usados
são:
• Tipo Recuperativo – Tipicamente de construção tubular, na qual o ar de
combustão passa internamente aos tubos e os gases de combustão escoam através
do feixe de tubos. Este tipo é normalmente especificado para fornos queimando
21
combustíveis sem ou com baixo teor de enxofre. A Figura 15 ilustra este tipo de
preaquecedor.
• Tipo Regenerativo – Este tipo é formado de colméias feitas de placas
metálicas alojadas em um cilindro subdividido, que gira no interior de uma carcaça.
Os gases de combustão passam através de um lado do cilindro, e o ar de
combustão frio passa através do outro. Na medida em que o cilindro vai girando
lentamente, parte da colméia absorve continuamente o calor dos gases de
combustão. Ao continuar girando, esta parte irá ceder o calor absorvido para o ar frio
que entra em contato com a mesma. A maior pressão do ar e a não estanqueidade
do sistema de selagem fazem com que uma porção do ar passe para o fluxo de
gases de combustão. O sistema de preaquecimento deve absorver este vazamento,
particularmente os ventiladores de tiragem forçada e induzida. A Figura 16 ilustra
este tipo de preaquecedor.
2.5: Variáveis operacionais
A necessidade de várias paradas de emergência e até mesmo a redução da
vida útil dos componentes, podem ser provocadas por uma operação inadequada do
forno. No entanto, a simples observação de alguns cuidados especiais relacionados
com as variáveis operacionais resulta em um desempenho satisfatório e na
Figura 15 - Preaquecedor Recuperativo Figura 16 - Preaquecedor Regenerativo
22
conservação do estado de um forno. Seguem abaixo algumas regras e observações
visando uma operação adequada.
2.5.1: Controle das condições de queima dos combustíveis
2.5.1.1: Controle da chama
Uma boa chama de gás deve ser de azul a incolor, sem porções amareladas.
O amarelo indica carbono não queimado e combustão incompleta. Uma boa chama
de óleo deve ser brilhante e limpa, de cor na faixa de amarelo à laranja. Óleos 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, não devendo ser oscilantes com comprimento indefinido. Em nenhuma
circunstância as chamas devem incidir nos tubos.
Em taxas elevadas de queima, o topo das chamas tenderá a ser instável,
contudo esta condição não deverá se estender para o corpo da chama.
As chamas de óleo não devem apresentar centelhamento nos seus topos.
Uma atomização inadequada usualmente resulta em gotas de óleo sendo lançadas
contra os tubos e seus suportes. Estas gotas em altas temperaturas, e contendo
substâncias corrosivas (V, Na e S) acarretam a rápida deterioração dos tubos e
suportes.
As chamas de óleo não devem apresentar traços negros em seus corpos. Isto
indicaria que o topo das mesmas estaria fumaçando, e a fuligem estaria sendo
depositada nas partes superiores do forno.
O óleo combustível, ao ser atomizado, apresenta imediatamente acima do
bico queimador, uma aparência de uma neblina negra. Qualquer tendência do óleo
atomizado deixar o bico com a presença de listras negras, ao invés de uma
aparência de neblina, indica atomização inadequada.
2.5.1.2: Distribuição de calor
A queima adequada do combustível nos queimadores visa também obter na
prática, uma distribuição de calor para os tubos da serpentina da radiação mais
próxima da condição assumida no projeto do forno. Para isso, é sempre conveniente
23
operar o forno com todos os queimadores acesos e liberando a mesma quantidade
de energia.
Para fornos com queima de dois combustíveis (óleo e/ou gás combustível) a
maneira mais segura para se garantir a distribuição uniforme de calor para os tubos
é a queima simultânea dos dois combustíveis, procurando distribuir os mesmos em
vazões iguais para todos os queimadores.
Neste caso é importante observar que a liberação de energia total por
queimador não deve ultrapassar a liberação máxima do queimador.
Quando se opera o forno com 2 combustíveis e cada queimador queimando
um único combustível, o controle do sistema deve ser tal que os queimadores que
estiverem na malha do TRC não ultrapassem a sua liberação máxima. Isto pode ser
feito basicamente de 2 formas:
• Distribuindo a vazão disponível do combustível não controlado em um
determinado número de queimadores, de modo que a liberação de energia por
queimador seja o mais próximo da liberação normal do mesmo.
• Projetando o sistema de controle de modo que ambos os combustíveis
flutuem com o TRC.
Dessa forma o risco de incidência de chama nos tubos é sensivelmente
reduzido.
2.5.1.3: Excesso de ar
A eficiência de um forno sofre alteração em função da quantidade de excesso
de ar usado na combustão. Para maximizar a eficiência recomenda-se operá-lo com
um mínimo de excesso de ar. Por outro lado, a operação com baixo excesso de ar
dificulta o controle da combustão, podendo ocorrer, se o ajuste for mal feito, falta de
ar, o que levaria a combustão incompleta, detectável por chamas fumacentas e de
forma instável.
Isto pode acarretar a queima retardada na parte superior do forno ou na
chaminé, o que pode resultar em danos severos a estas partes. Em geral, o excesso
de ar adequado é normalmente: de 10% a 15% para a queima de gás combustível, e
de 20% a 30% para a queima de óleo combustível. Controlar o excesso de ar
através do exame visual da chama é muito difícil, portanto, insatisfatório. Para tal,
24
recomenda-se a instalação de analisadores de O2, normalmente na saída da
radiação e/ou a execução periódica de análise de Orsat2.
2.5.1.4: Tiragem
O “damper” na chaminé de um forno tem a função de controlar a
contrapressão no forno. É usualmente posicionado para ajustar a pressão negativa
dos gases de combustão na saída da radiação, na faixa de 1.3 a 2.5 mm de coluna
d´água.
Uma pressão negativa muito alta provocaria entrada de ar em excesso na
câmara de combustão, resultando na diminuição da eficiência do forno. Uma
pressão positiva possibilitaria o vazamento de gases de combustão quentes, o que
resultaria na elevação da temperatura da estrutura do forno, podendo acarretar
danos na mesma.
Esta pressão positiva poderia provocar a diminuição da entrada de ar,
levando à combustão incompleta e até mesmo, ao abafamento do forno, o que
precipitaria a parada do mesmo. Esta pressão é ajustada na faixa de pressão
mencionada acima, para evitar os problemas abordados, e também para assegurar
que para fornos de tiragem natural, mudanças nas condições atmosféricas não
acarretem problemas na operação do forno.
2.5.2: Controle da vazão de carga
A vazão de carga escoando no interior dos tubos da serpentina de
radiação é normalmente estabelecida para atender às condições de processo.
Porém, para preservar a integridade da serpentina, as seguintes observações
devem ser consideradas:
• A vazão de carga não deve ser tão baixa que não seja suficiente para
absorver com segurança o calor disponível.
• A temperatura máxima admissível da carga não deve ser excedida (sob o
risco de degradá-la).
2 É a análise dos gases de combustão através do uso do aparelho de Orsat. A análise de
Orsat determina a composição dos gases secos (não inclui vapor d’água).
25
• Quando a carga escoa através de uma serpentina com mais de um passe,
deverá ser garantida a mesma vazão por cada um deles.
• A interrupção de vazão, se temporária ou permanente, poderá acarretar
danos mecânicos nos tubos. A interrupção da vazão, mesmo por um período
de tempo curto, resulta numa redução da temperatura controlada pelo TRC.
Se o forno está operando em controle automático, a taxa de queima é
imediatamente aumentada para compensar esta queda de temperatura. O
superaquecimento então resultante pode acarretar sérios danos aos tubos,
mesmo se a interrupção for mantida por poucos minutos.
• Cuidados especiais devem ser tomados por ocasião da partida do forno, pois
já foi observado que uma grande porcentagem dos casos envolvendo
coqueamento severo ou mesmo superaquecimento dos tubos são provocados
por instabilidades temporárias, que são freqüentes durante a partida.
• Vazões muito baixas podem, dependendo do serviço, provocar regimes de
escoamento não recomendáveis para a operação segura do forno.
2.6: O forno deste projeto
Diante de todo o exposto anteriormente, já é possível descrever o forno
utilizado para este projeto. O propósito da unidade do complexo petroquímico dentro
do qual se enquadra o forno deste projeto é maximizar a produção de aromáticos a
partir de nafteno e parafinas para uso como matéria-prima em compostos aromáticos
específicos. Esta unidade de processamento do Complexo Petroquímico, possui
quatro fornos dispostos em série (F-01, F-02, F-03 e F-04) e que compartilham uma
zona de convecção e uma chaminé comum. Todos eles são de tiragem natural. A
escolha de se trabalhar em apenas um dos quatro se embasa no fato de que todos
eles possuem as mesmas características, mudando apenas o número 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 gás como combustível com ignitores
elétricos. Possui 13 pilotos e 13 queimadores e faz uso de detectores de chama do
tipo Flame Rod.
26
O forno também possui válvulas 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: Critérios Gerais do Projeto
Antes de prosseguir torna-se necessária a explicação de algumas definições
importantes para o entendimento dos capítulos que se seguem.
O DCS (Distributed Control System) é definido como o equipamento
responsável pelo monitoramento do processo e controle de uma unidade industrial.
O PES (Programmable Eletronic System) é o equipamento responsável pelo sistema
de intertravamentos de uma unidade ou de um subsistema da unidade.
Geralmente, a comunicação dos instrumentos relacionados ao controle como
os controladores, transmissores e válvulas de controle possuem comunicação
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 representação do sinal de comunicação Fieldbus.
Os instrumentos relacionados com os intertravamentos e que possuem
comunicação com o PES, os que pertencem a pacotes de fornos e compressores e
os instrumentos relacionados a segurança da unidade como detectores de gases
tóxicos possuem comunicação análogica 4-20mA. A Figura 17 também mostra a
representação para este tipo de sinal.
O sinal digital é utilizado nas solenóides das válvulas solenóides e nas chaves
manuais e de fim de curso. A representação pode ser vista na Figura 17.
É importante ressaltar que, quando se tem um intertravamento, o qual é
controlado pelo PES, o sinal enviado para este deve ser analógico (4-20mA).
2.7.1: Identificação Funcional
É importante esclarecer como são identificados os instrumentos utilizados
para a elaboração da documentação do forno deste projeto. Toda a simbologia
descrita a seguir é normatizada pela norma ISA 5.1 – Instrumentation Symbols and
27
Tabela 1 – Iniciais dos instrumentos
Letra Variável
F Vazão
L Nível
P Pressão
T Temperatura
Identification. A primeira letra indica a variável
medida e não a variável manipulada. A Tabela 1
mostra as iniciais dos principais instrumentos.
As letras subseqüentes podem se
combinar para nomear os mais diversos
instrumentos. A Tabela 2 mostra as letras
subseqüentes às letras iniciais nos nomes dos
instrumentos.
A Figura 17 abaixo mostra as representações para as principais linhas de
instrumentação utilizadas para a confecção dos documentos do forno deste projeto.
Tabela 2 – Letras Subseqüentes às iniciais
Letra Função Letra Função
A Alarme L Baixo
C Controlador Q Totalizador
D Diferencial R Registrador
E Elem. Primário S Chave
G Visor T Transmissor
H Alto V Válvula
I Indicador
Figura 17 - Representação das Linhas de Instrumentação
28
A representação dos instrumentos nos P&ID’s é bastante simples. No entanto,
torna-se necessário o esclarecimento de quando o instrumento será instalado em
campo ou em algum painel (local ou não). A Figura 18 mostra a simbologia utilizada
para instrumentos simples (transmissores, indicadores e chaves) quando é instalado
em campo ou não. Válvulas e solenóides possuem uma simbologia própria mostrada
na Figura 37 na sessão 5.1.3:.
A Figura 19 mostra a simbologia para os instrumentos com comunicação
Fieldbus (controle distribuído/compartilhado – comunicação com o DCS).
Figura 19 - Instrumentos com comunicação Fieldbus
A Figura 20 mostra a representação utilizada para computadores e, por fim, a
Figura 21 mostra a representação dos instrumentos com comunicação com o PES.
Figura 20 - Representação dos Computadores
Figura 21 - Instrumentos com Comunicação com o PES
Figura 18 - Instrumentos Simples
(1) Painel Central
(2) Painel Local
(1) Painel Central
(2) Painel Local
29
Capítulo 3: Instrumentação aplicada a Fornos Industriais
O propósito de um forno industrial é muito simples: fornecer calor para um
fluido de processo. No entanto, fornos industriais estão entre os mais complexos
equipamentos de controle de processos. Cada forno é, no mínino, dois
equipamentos em um. Primeiramente, é uma variação bastante especial de um
trocador de calor, uma vez que o seu propósito é trocar calor com o fluido de
processo. Segundo, é um reator químico no qual combustível e ar se misturam numa
forte reação exotérmica para produzir o calor requerido.
Para que seja feita a correta monitoração, controle e manutenção desses
equipamentos tão complexos, são necessários instrumentos que auxiliam a
implementação desses propósitos. Este capítulo trata da instrumentação aplicada
aos fornos bem como a representação dos instrumentos em diagramas de
instrumentação e processo. As Figura 26 e Figura 27 mostram um esquema de um
arranjo típico de instrumentação para fornos que queimam gás combustível. A Figura
26 descreve a instrumentação da linha de gás dos pilotos e a Figura 27 descreve a
instrumentação da linha de gás dos queimadores.
3.1: Instrumentos para fornecimento de gás combustível
O gás combustível fornecido a um forno deve receber um tratamento especial
antes de ir para os pilotos e queimadores. É comum o gás ser filtrado por filtros
específicos para retirar qualquer tipo de impurezas e depois ser condicionado em um
vaso de pressão chamado de “Knock-out Drum”. Este vaso possui a finalidade de
retirar qualquer tipo de umidade existente no gás. Esta umidade dificulta uma
combustão completa do gás, podendo até provocar o apagamento dos pilotos e
queimadores. A instrumentação e as lógicas de controle destes equipamentos são
fornecidas pela licenciadora do projeto básico e não é escopo do presente trabalho.
A Figura 22 ilustra o vaso de “knock-out” do forno deste projeto.
30
Para o forno deste
projeto, a pressão do gás
combustível é divida em
dois estágios. Isto
acontece pois há a
necessidade de se dividir o
gás para a linha principal
de alimentação dos
queimadores e para a linha
de alimentação dos pilotos.
Assim, para se fazer a
regulagem da pressão de
gás na linha antes da
divisão utilizou-se uma
válvula de controle de
pressão PV (PV-1), pois o
controle desta válvula
permite regular a vazão de
gás fornecendo uma
pressão adequada. A
Figura 23 ilustra a
configuração típica
utilizada como base para
o projeto do forno deste
trabalho.
Toda malha de controle necessita, além da válvula de controle, que é o
elemento final, de um transmissor para a variável controlada ou medida. Existe um
elemento indicador que permite ao operador monitorar o funcionamento da malha de
controle. Assim, foi utilizado um indicador de pressão PI (PI-1) conectado a um
medidor manométrico de pressão PT (PT-1). O controlador de pressão PIC-1
implementa a lógica de controle e permite ao operador ajustar a referência (setpoint)
da malha de controle. O controle desse tipo de válvula geralmente é feito por sinal
de software, controlado pelo DCS.
Figura 22 - Vaso de "Knock-out"
31
Muitos componentes da linha de alimentação de gás combustível possuem
um limite de pressão de aproximadamente 100 psig [ 4 ]. Uma falha tanto na PV-1
quanto na PV-21 poderia causar um aumento de pressão indesejado, danificando
vários instrumentos da linha. Assim, tornou-se necessário o uso de uma válvula de
alívio (PSV-1) para alívio de pressão em caso de necessidade. Vale a pena
ressaltar que, em caso de incêndio próximo à tubulação ou algum vaso próximo,
essa válvula também é utilizada para alívio de pressão na linha. Os gases são
enviados para o flare3. O sistema de flare é representado no P&ID por um quadrado
com o número 96.
Recomenda-se que se coloque um medidor de vazão para o gás logo em
seguida da válvula de controle da linha principal (header). Este medidor tem a
finalidade de monitorar se a vazão necessária de gás combustível antes da divisão
para as linhas dos pilotos e queimadores está passando através da PV-1. Assim
colocou-se um medidor de vazão do tipo placa de orifício (FE-1) para medir o fluxo
de gás na linha do header juntamente com um transmissor de vazão (FT-1).
3 Aparato vertical semelhante a uma chaminé utilizado em plantas petroquímicas e refinarias
para queimar os gases liberados durante um procedimento de alívio de pressão.
32
Figura 23 – Instrumentação da linha principal de gás combustível
33
3.2: Instrumentos para fornecimento de gás para os pilotos
Para regular a pressão de gás combustível que é fornecida aos os pilotos
utilizou-se uma válvula de controle de pressão (PV-11), a qual é ajustada para
fornecer gás na pressão requerida pelos pilotos. Esta válvula deve ser do tipo “fail-
closed”, ou seja, em caso de falha da mesma, ela deverá ir para a sua posição
segura para que o risco de acidentes seja minimizado. No caso da PV-11, a posição
segura é a fechada. Atrelado a essa válvula há um transmissor de pressão (PT-11),
o qual mede a variável controlada assim como o PT-1.
Durante o acendimento dos pilotos é necessário fazer uma regulagem manual
da pressão de gás combustível que chegará aos pilotos. Essa regulagem é
necessária porque apenas a válvula PV-11 não é suficiente para controlar as
variações de pressões durante o regime transitório, uma vez que esta válvula não
abrande todo o range de pressão necessário. Assim, com este propósito, foi utilizada
a válvula de controle HV-30. Esta válvula é acionada por um posicionador diafragma
e possui uma válvula solenóide (HY-30) acionada eletricamente. Esta válvula
solenóide tem a finalidade de cortar a alimentação pneumática do atuador da HV-30
em caso de alguma emergência.
A abertura da válvula HV-30 é determinada pelo operador na sala de controle
através do controlador HIC-30 e do posicionador I/P. O controlador envia um sinal de
corrente para o conversor e este fornece um sinal pneumático proporcional ao sinal
de entrada. O sinal pneumático passa pela válvula solenóide antes de chegar à
válvula HV-30. O operador, conforme a necessidade, vai abrindo ou fechando a
válvula permitindo maior ou menor vazão de gás.
Esta válvula possui também uma chave de fim de curso para indicar a posição
fechada (ZSL-30) e com indicação no painel na casa de controle. Como se trata de
uma válvula de controle com solenóide acionada pneumaticamente, é necessário um
conversor I/P para converter o sinal pneumático em elétrico para acionar a
solenóide. É importante ressaltar que esta válvula só será usada durante o
acendimento do forno (regime transitório) e permanecerá fechada durante o período
de funcionamento do mesmo (regime permanente).
Diferentemente da válvula de vent (XV-15 – Será detalhada mais adiante), os
gases liberados pela HV-30 vão para o sistema de flare, onde serão queimados
34
antes de serem liberados para a atmosfera. Como a quantidade de gases liberados
é muito maior que a liberada pela válvula de vent, a queima dos mesmos no flare se
torna necessária para evitar um incêndio. Escolheu-se utilizar uma HV ao invés de
uma XV para este fim por um motivo bem simples: as válvulas XV são válvulas on-
off, ou seja, possuem apenas a posição aberta ou fechada. As válvulas HV, por se
tratar de válvulas de controle, permitem aberturas intermediárias 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 válvulas de bloqueio antes de o gás
combustível chegar efetivamente aos pilotos. Assim sendo, foi utilizada a válvula de
bloqueio XV-14 como sendo a primeira válvula e a XV-16 como sendo a segunda. A
finalidade de se ter um duplo bloqueio é garantir que não haja vazamentos de gás
combustível.
A API recomenda também que haja uma terceira válvula de bloqueio,
denominada de “vent”, entre as duas de duplo bloqueio. Esta é utilizada para
eliminar os gases presentes no espaço entre as duas primeiras válvulas e garantirá
que não haverá nenhuma pressão de gás na segunda válvula de bloqueio devido a
vazamentos ou fugas de gás da primeira. Utilizou-se, então, a válvula XV-15 para
este fim. A XV-15, assim com a XV-14 e a XV-16, é acionada pneumaticamente por
uma válvula solenóide (XY-14/15/16). Esta válvula solenóide recebe um sinal elétrico
emitido através do sistema de intertravamento (PES).
Todas as válvulas XV’s anteriormente citadas possuem uma chave de fim de
curso (ZS-14/15/16) com indicação de posição na casa de controle do sistema de
intertravamento (PES) tanto para indicar posição aberta ou fechada da mesma
(ZSL/H-14/15/16). Estas chaves utilizadas no intertravamento estarão nas posições
corretas durante a purga4 do forno ou caso uma falha ocorra com a válvula. A Figura
24 mostra uma típica instalação em campo de um duplo bloqueio com vent.
4 Fase antes da ignição, onde se realiza uma vaporização do interior do forno com o intuito de
retirar gases remanescentes e evitar explosões e queimas indesejadas.
35
Pode-se notar na representação da válvula XV-15, um quadrado com o
número 22 “entrando” na solenóide e outro com o número 92 “saindo” da solenóide.
Estes números são a representação das utilidades de instrumentação. Esta
representação indica que existe ar de instrumento entrando na solenóide e que esta
está liberando este ar para a atmosfera.
Nota-se também que a representação no P&ID das XV14/16 é diferente da
XV-15. O motivo é simples. Estas válvulas sofrem um teste diferenciado chamado de
“partial stroke”.
Como um forno é projetado para operar de forma intermitente, raramente
essas válvulas mudarão de posição e, devido às intempéries do meio em que estão
instaladas, podem sofrer corrosão e “travar” em uma posição fixa.
Por solicitação do cliente, deve ser feito o teste de “partial stroke”
periodicamente em válvulas que podem sofrer desse problema. É efetuado uma
pequeno deslocamento (10 a 20% do curso) da haste, com o objetivo de identificar o
agarramento desta e o funcionamento da válvula solenóide. [ 7 ]
Figura 24 - Configuração de duplo bloqueio e vent em campo
36
Em reunião com a empresa contratante ficou acordado que apenas as
válvulas participantes do duplo bloqueio deveriam sofrer teste de partial stroke. Isso
porque estas válvulas são críticas e, caso haja uma emergência, devem estar
funcionando corretamente. Na representação, o que diferencia as válvulas com
partial stroke é o desenho da solenóide. Nesses casos, a XY é indicada pelo seu
nome envolta por uma circunferência, representando não só a solenóide, mas todo o
equipamento necessário 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 válvulas que deve ser
feito nas válvulas de duplo bloqueio e individuais dos pilotos e queimadores para
verificar se não há vazamentos nas válvulas (estes procedimentos serão melhor
detalhados na sessão 4.2.1). Assim, foi necessária a utilização de um transmissor de
pressão (PT-18) entre a segunda válvula do duplo bloqueio (XV-16) e as válvulas
individuais (XV-19/.../32).
Caso haja vazamentos e a faixa de pressão ultrapasse os valores máximos e
mínimos permitidos para operação, chaves indicadoras de pressão muito baixa
(PSLL-18) e pressão muito alta (PSHH-18) acionarão um intertravamento (“I”) e seus
respectivos alarmes serão disparados: PALL-18 para pressão muito baixa e PAHH-
18 para pressão muito alta.
O PI-3 foi utilizado para monitorar o teste de estanqueidade das válvulas do
duplo bloqueio (XV-14 e XV-16) e da válvula de vent (XV-15) durante o período de
manutenção do forno.
As válvulas de bloqueio XV-19/.../32 correspondem à representação da
válvula de bloqueio individual de cada piloto. Também são equipadas com uma
chave de fim de curso (ZS-19/.../32), a qual deve garantir que a válvula esteja na
posição segura caso esta venha a falhar. Como esta válvula deve ser do tipo “fail-
closed”, pois, uma vez que caso haja uma falha, o fornecimento de gás para o piloto
daquela válvula deve ser cortado, a posição segura é a fechada. Existem tantas
válvulas de bloqueio individual quantos pilotos existirem no forno. Também possuem
acionamento elétrico da solenóide, a qual corta o sinal pneumático da válvula em
caso de falha, e a chave de fim de curso se envia sinal para o PES. As válvulas de
37
bloqueio de cada piloto são abertas uma por vez, na seqüência de acendimento pré-
estabelecida.
No final da linha dos pilotos foi utilizado um transmissor de pressão (PT-20), o
qual possui chaves (PSLL-20 e PSHH-20) e alarmes (PALL-20 e PAHH-20) cujos
princípios de funcionamento são os mesmos das chaves e alarmes do PT-18. Este
transmissor tem a finalidade de indicar como está a pressão no final de da linha. A
cada vez que se acende um piloto, a pressão total na linha muda e este fenômeno
deve ser controlado para que se chegue em regime permanente.
Um equipamento de ignição produz a faísca necessária para acendimento
dos pilotos. Este equipamento é alimentado por um transformador de alta tensão.
Um detector de chama (BSL-19/.../32) é colocado em cada piloto e é utilizado
para confirmar que eles estão acesos e queimando de maneira estável. Foi
solicitado pela empresa contratante que os detectores de chama fossem do tipo
“Flame-Rod” ou barra de ionização. Recebe este nome pelo falo de a barra que fica
próxima à chama se ionizar na presença da mesma. A ilustração 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
38
Pilo
t Lin
e
Figura 26 - Instrumentação da linha de gás dos pilotos
39
3.3: Instrumentos para fornecimento de gás para os queimadores
Os queimadores utilizam uma pressão variável de gás da linha principal de
suprimento e necessitam de uma compensação de pressão e, ocasionalmente, da
temperatura para o seu perfeito funcionamento. Este controle de pressão é feito
através da válvula (PV-21). A compensação é feita através de um transmissor de
pressão (PT-21), um transmissor de vazão (FT-21) e um transmissor de temperatura
(TT-21), os quais fornecem os dados para atuação na válvula de controle PV-21. O
uso destes instrumentos será melhor detalhado no capítulo 4. O PSLL-22 é uma
chave de pressão muito baixa que previne o início da ignição sem que haja pressão
suficiente para tal.
A XV-24 é uma das três válvulas de bloqueio existentes na linha dos
queimadores. Esta válvula deve ter reset manual. Uma vez que ocorreu um trip5 do
forno, o reset manual desta válvula prevenirá a reignição dos queimadores. Assim
como as XV’s da linha dos pilotos, estas válvulas possuem acionamento elétrico da
solenóide (XY-24) e esta recebe sinal vindo do sistema de intertravamento. Possui
uma chave de fim de curso com indicação na casa de controle para posição aberta
ou fechada (ZSL/H-24) . Esta indicação é utilizada principalmente para garantir que a
válvula estará fechada durante a fase de ignição e purga.
Mesmo com uma pressão insuficiente para manter uma chama, gás não
queimado pode ficar estocado nos espaços da tubulação e, caso haja uma ignição,
queimar com uma força explosiva. Por este motivo, utilizou-se a segunda válvula de
bloqueio como uma válvula de vent (XV-25) entre a XV-24 e a XV-26. Esta válvula
possui a mesma finalidade e características da XV-15.
A terceira válvula de bloqueio é a XV-26. Ela é um pouco diferente da
primeira, uma vez que não possui reset manual. A válvula é “fail-closed”. Assim
como as demais chaves de fim de curso das válvulas de bloqueio, as chaves de fim
de curso dessa válvula estão conectadas à lógica de controle do PES.
O transmissor de pressão PT-27 e suas chaves e alarmes juntamente com o
indicador de pressão PI-4 foram designados para o teste de estanqueidade das
válvulas do duplo bloqueio, individuais e vent dos queimadores. Além disso, ele age
5 Parada do forno por algum motivo, seja para manutenção ou por motivo de segurança.
40
conjuntamente com o PT-29 para regular a pressão de gás combustível na linha dos
queimadores.
Os queimadores também são acesos um a um seqüencialmente e o problema
da variação de pressão que ocorre nos pilotos também 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
diferença entre a configuração que utilizada para os PT-18 e 20 e para os PT-27 e
29. Enquanto os primeiros possuem chaves e alarmes tanto para pressão muito alta
e muito baixa, o PT-27 possui chave e alarme somente para pressão muito alta e o
PT-29 possui chave e alarme somente para pressão muito baixa.
Essa diferença se deve ao fato de que a variação de pressão durante o
acendimento dos queimadores é maior do que a variação durante o acendimento
dos pilotos. Um transmissor com as duas chaves e alarmes pode não abranger o
range de variação necessário. Assim sendo, para a linha dos queimadores, foi
necessário um transmissor com chave e alarme para pressão muito alta no início da
linha onde esse fenômeno tem maior probabilidade de acontecer (PT-27, PSHH-27,
PAHH-27) e outro no final da linha para pressão muito baixa (PT-29, PSLL-29,
PALL-29).
Afim de permitir ou não a passagem de gás para os queimadores, utilizou-se
uma válvula de bloqueio individual para cada queimador (XV-28/.../41) que regula o
fluxo de gás que vai para cada queimador. Essas válvulas devem ser “fail-close”
uma vez que, caso haja alguma falha, não deve haver fluxo de gás para os
queimadores. A essas válvulas estão associadas chaves de fim de curso (ZSL-
28/.../41), as quais também se comunicam com o PES.
As válvulas de bloqueio individual dos queimadores possuem uma diferença
relevante em relação às válvulas dos pilotos. O projeto básico deste forno não incluiu
detectores de chama para os queimadores. Assim, a detecção deve ser feita
visualmente pelo operador através das virolas de observação. Deste modo, incluiu-
se chaves manuais (hand-switches – HS-28/.../41) que permitem a abertura e o
fechamento das válvulas individuais pelo operador quando este julga necessário.
41
As válvulas individuais dos queimadores devem ser colocadas o mais próximo
possível das janelas de observação de modo a garantir um local de operação seguro
e confortável do equipamento.
Tanto na linha dos pilotos como na dos queimadores utilizou-se válvulas
borboleta e globo manuais com o objetivo de fazer by-pass nas válvulas de controle
de pressão (PV’s) e auxiliar no teste de estanqueidade das válvulas de bloqueio e
individuais. Este teste será descrito na sessão 4.2.1:.
42
Burn
ers
Lin
e
Figura 27 - Instrumenta da linha de gás dos queimadores
43
3.4: Instrumentos do forno
Os tubos da serpentina da seção de radiação normalmente operam sujeitos
ao fenômeno de fluência6. Com o objetivo de monitorar a temperatura de parede dos
tubos e aumentar a vida útil dos mesmos, fez-se uso de dois termopares de pele
(“skin points”) em cada passe de tubos. Eles são 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.
Pressões demasiadamente elevadas na câmara de radiação são causas para
o desligamento do forno. Por isso, tornou-se necessário o uso de uma chave (PSHH-
42) que aciona um alarme de pressão muito elevada (PAHH-42) através do
transmissor de pressão PT-42 e do indicador PI-42. A chave e o alarme recebem
sinal do PES.
Para que o forno possa operar com máxima eficiência, a razão entre oxigênio
e combustível deve ser sempre medida e controlada. A vazão, pressão e
temperatura do combustível é medida com os instrumentos mencionados
anteriormente. Para se medir a quantidade de oxigênio dentro do forno utilizou-se
um analisador de O2 (AT-43) localizado no final da câmara de radiação. Esta
localização é especificada no projeto básico. Utilizou-se também um indicador de
quantidade de O2 (AI-42) que se comunica com o DCS assim como todos os
indicadores. O nível de oxigênio está intimamente ligado à eficiência do forno como
explicado no item 2.5.1.3.
Para uma operação adequada do forno a norma recomenda que a pressão
dos gases de combustão na saída da seção de radiação esteja na faixa de -1,27 a -
2,5 mm H2O. Para se garantir isto, fez-se uso de um sistema de controle automático
do damper da chaminé contemplando os seguintes componentes:
• PT-50 instalado na saída da seção de radiação
6 Deformação plástica que ocorre em materiais sujeitos à tensão constante e a variações de
temperaturas.
44
• PIC-50 para ajuste da posição do damper
• Condicionador de sinal para transformar o sinal de software em pneumático
para a solenóide (XY-50) da válvula de controle de pressão(PV-50)
• Atuador do damper
Esta válvula de controle também 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 pressão e temperatura em alguns
pontos da câmara de convecção e da chaminé. Todos são utilizados para o
monitoramento das condições destes ambientes. A localização exata será 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 também o interior do forno. Além do controle automático das chamas,
é muito comum se fazer um controle visual. Essas virolas são feitas de vidro
temperado e requerem uma pequena corrente de ar para mantê-las limpas e
refrescadas.
3.5: Instrumentos relacionados ao vapor de abafamento
A maioria dos acidentes com fornos ocorrem durante a ignição ou
desligamento dos mesmos. Dessa forma, torna-se bastante importante a seleção de
instrumentos adequados que poderão minimizar os riscos de acidentes. A Figura 28
ilustra tais instrumentos.
Neste âmbito se encaixam os instrumentos ligados ao vapor de abafamento.
Este é o vapor utilizado no processo de purga do forno e tem a finalidade de
expulsar da câmara de combustão gases indesejados e que podem causar
explosões caso o forno seja ligado com esses gases em suspensão.
Um transmissor de pressão (PT-45) tem a finalidade de medir a pressão na
linha do vapor de abafamento e enviar o sinal para um indicador de pressão (PI-45)
localizado na casa de controle. Caso essa pressão esteja muito alta, um alarme é
acionado.
45
Utilizou-se uma válvula de bloqueio (XV-44) acionada pneumaticamente por
uma válvula solenóide (XY-44). Esta válvula solenóide recebe um sinal eletrônico
emitido através do sistema de intertravamento. É este sistema que dirá quando o
vapor de abafamento deverá ser injetado na câmara do forno.
A válvula de bloqueio XV-44 possui uma chave de fim de curso (ZS-44) com
indicação de posição na casa de controle tanto para indicar posição aberta ou
fechada da mesma (ZSL/H-44).
Um orifício de restrição (FO-46) do tipo placa de orifício foi utilizado na
entrada do vapor no forno, com o objetivo de se ajustar a velocidade do vapor para
um completo processo de purga.
46
Câmara deConvecção eChaminé
Figura 28 - Instrumentação do Forno - Convecção e Chaminé
47
Câmara de Radiação
Figura 29 - Instrumentação do Forno - Radiação
48
Capítulo 4: Procedimentos de Controle e Automação de um
Forno Industrial
É praticamente impossível existir um forno industrial sem que haja um
complexo e eficiente sistema de controle agindo sobre ele. É de suma importância
que o sistema de controle e automação funcione de maneira adequada para que se
possa evitar acidentes e diminuir custos de manutenção. Neste capítulo serão
apresentados os principais procedimentos de automação para as várias etapas de
funcionamento do forno.
É importante ressaltar que serão abordados somente os procedimentos e os
tipos de malhas de controles utilizados. A sintonia de controladores, os tipos de
controladores utilizados e as lógicas de controle não fazem parte desta etapa do
projeto, ou seja, a etapa de FEED. Esses itens serão trabalhados na próxima fase do
projeto, a etapa de Detalhamento, que não é objeto deste trabalho.
4.1: Definições preliminares
Antes de prosseguir torna-se necessária a explicação de alguma definições
importantes para o entendimento do capítulo que se segue.
Por critérios 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 através de
uma conexão discreta. Além disso, todos os comandos relacionados ao
desligamento do forno devem vir do DCS para o PES também por conexão discreta.
Qualquer outro comando implementado no DCS deve ser enviado ao PES pela
comunicação de rede DCS-PES, assim como indicações disponíveis no PES devem
usar esta interface para enviá-las ao DCS.
O painel local possui uma HMI, uma chave para permissão de início remoto e
uma chave de desligamento de emergência. Essas chaves possuem conexão direta
com o PES. A HMI inclui todas as indicações listadas na Tabela 3, além de todos os
alarmes, variáveis de processo e status das válvulas.
49
A Figura 30 mostra um esquema simplificado das conexões entre o campo, o
PES, o DCS e o painel local.
Tabela 3 - Interface de comandos do Forno
Comandos do Forno F-01 Atuação a partir do:
Painel Local DCS Campo
Início de Purga X
Abrir/Fechar Válvulas de Bloqueios dos Pilotos X
Abrir/Fechar Válvulas Individuais dos Pilotos X
Abrir/Fechar Válvulas da alimentação de Combustível X
Ignição X
Desligamento de Emergência X
Permissão de início remoto X
Figura 30 - Diagrama de conexões
50
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 forçada ou induzida há algumas questões que divergem das
descritas abaixo. Estes procedimentos são desejados pela empresa contratante,
foram acordados em reunião com a mesma e implementados sob supervisão de um
engenheiro experiente na área.
4.2: Descrição de um seqüencial de partida de um forno
Serão apresentadas a seguir as descrições das diversas fases para a partida
do forno deste projeto cuja lógica deve ser executada pelo PES.
4.2.1: Permissão de purga
Para que se possa iniciar o procedimento de partida de um forno, é
necessário realizar a purga do mesmo. Este procedimento garantirá que não existirá
nenhum resquício de gás combustível remanescente dentro do forno. Caso exista
gás combustível dentro forno, ao se acender os pilotos pode haver uma grande
explosão e causar enormes danos à industria e aos funcionários. [ 6 ]
Primeiramente, uma verificação da correta posição de todas as válvulas de
bloqueio e de vent do sistema de combustível (gás piloto e gás principal) deve ser
feita através do PES. A posição correta das válvulas é checada através da posição
das chaves de fim de curso ZSL’s e ZSH’s. As seguintes condições devem ser
satisfeitas e indicadas no painel local e no DCS:
• Todas as linhas de fornecimento de gás combustível devem estar
bloqueadas.
• As válvulas do duplo bloqueio dos pilotos e dos queimadores devem
estar fechadas e a válvula de vent aberta.
• Damper da chaminé deve estar completamente aberto
• Não deve haver indicação de chama
• Não deve haver indicação de nível alto de condensado no “Knock-out
Drum” (este item será melhor detalhado na seção 5.2)
• As janelas de tiragem natural devem estar abertas
51
É recomendado que seja feito um teste de estanqueidade nas válvulas
individuais de bloqueio antes da partida. Este teste deve ser feito na linha dos pilotos
e dos queimadores. Para uma melhor compreensão da explicação que se seguirá,
veja a Figura 31.
O teste checa se há algum vazamento nas válvulas individuais (válvulas 4 –
XV-19/.../32 e XV-28/.../41 no forno deste projeto) e na segunda válvula de bloqueio
(válvula 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. É importante ressaltar
que o teste de estanqueidade é condição necessária para a continuação do
processo de purga. O tempo de purga deve começar a contar somente quando o
teste estiver completo.
Um transmissor de pressão deve monitorar a pressão no espaço intervalvular
entre o segundo bloqueio e as válvulas individuais (PT-18 e PT-27 no forno deste
projeto). Esta pressão não deve cair a uma taxa abaixo de 3% da pressão de
operação em um tempo de 60s (∆Pteste). Caso contrário, se a despressurização for
mais rápida, podemos interpretar que uma ou mais válvulas individuais ou, ainda, a
segunda válvula de bloqueio está dando passagem. Nesse caso, a partida do forno é
inibida.
Todas as válvulas manuais (válvulas 5) devem estar abertas e permanecer
nesta posição durante todo o teste. Caso alguma esteja ou seja fechada durante o
teste, ela deve permanecer assim até o acendimento dos demais pilotos e
Figura 31 - Teste de estanqueidade
52
queimadores. Após este momento poderá ser aberta para acendimento do
respectivo conjunto piloto e queimador.
Caso seja detectado algum vazamento, o operador deve identificar qual
válvula está vazando (válvulas 2 ou 4) e fechar a válvula manual 6. Se a pressão for
mantida, existe vazamento na válvula 2 e as demais válvulas estão “OK”. Se houver
queda de pressão, deve-se buscar o vazamento nas válvulas individuais.
No final do teste, a segunda válvula de bloqueio (válvula 2) deve ser aberta
automaticamente por 5s para a despressurização da linha entre as válvulas 2 e 4.
Os itens serão registrados e arquivados nos históricos do forno. A Figura 32 mostra
um fluxograma descrevendo o teste de estanqueidade.
É importante que nenhum detector de chama esteja detectando chama nos
pilotos e nos queimadores.
Todas as condições de trip (parada) devem estar normalizadas com exceção
dos seguintes iniciadores (agentes que acionam os intertravamentos) que deverão
estar contornados por lógicas de by-pass automático:
• Pressão muito alta de gás combustível nos pilotos e queimadores
• Pressão muito baixa de gás combustível 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 condições acima citadas e elas não são permitidas
pelo sistema de intertravamento do forno.
Por fim, devemos ter o “damper” na condição totalmente aberta (ZSH-50 da
PV-50 ativada).
4.2.2: Realização da purga
O início do procedimento de purga se dá a partir do comando da abertura da
válvula do vapor de abafamento pelo operador e somente após a completa parada
do forno. A confirmação da abertura da válvula de vapor pode ser feita através da
chave de fim de curso ativada (ZSH-44) e da pressão de vapor na linha de vapor. A
partir daí inicia-se a contagem do tempo de purga. Uma indicação deve ser
apresentada no painel local.
53
Figura 32 - Fluxograma para teste de estanqueidade das válvulas individuais (4) e de bloqueio (2)
54
Uma purga adequada dura em média 5 minutos ou o tempo necessário para
renovar em 3 vezes o volume da câmara. Utiliza-se o que for maior. Ainda, pode-se
utilizar o tempo de 15 minutos e a vazão de vapor ou ar dimensionada para renovar
3 vezes o volume da câmara nesse intervalo de tempo.
Caso alguma das condições de purga sejam perdidas ou a válvula de vapor
perca a confirmação de abertura ou de vazão, é feita a paralisação da contagem e o
reset do temporizador, recomeçando assim toda a contagem do tempo de purga.
4.2.3: Ignição
Decorrido o tempo de purga, um sinal é emitido ao operador no painel local
sinalizando a finalização da operação e permitindo a ele dar início ao procedimento
de ignição. Se a purga for feita com vapor, a válvula de vapor deve estar totalmente
fechada nesse momento. A seguir é iniciada a contagem do tempo de ignição.
O operador, então, envia um comando de abertura do header de gás piloto.
Esse comando pode ser automático, disparado logo após a purga. As condições de
parada por pressão muito baixa ou muito alta no header piloto devem ficar desviadas
durante a partida e até a estabilização da pressão, quando o número de pilotos
acesos garantem essa estabilidade.
Existem duas formas de desvio que são mais utilizadas:
• Desvio por estabilização da pressão no header
• Desvio por tempo
No desvio por estabilização da pressão no header, a pressão do header deve
estabilizar por mais de um determinado intervalo de tempo (típico 30 segundos)
dentro de um intervalo de pressão (típico entre os alarmes de alta ou de baixa
pressão). Normalmente é aplicável em fornos maiores, com mais de 5 pilotos. É o
caso do forno deste trabalho, uma vez que o mesmo possui 13 pilotos.
No desvio por tempo é disparado um timer no momento da abertura do gás
piloto. Após esse tempo, é removido o sinal de contorno dos iniciadores de pressão
muito alta e muito baixa. Normalmente é aplicável em fornos menores, com até 5
pilotos.
55
Ainda não existe um total consenso sobre a ordem de atuação das duas
válvulas de duplo bloqueio e da válvula de vent. Algumas refinarias atuam nas 3
válvulas simultaneamente. A vantagem seria que precisaríamos de apenas uma
solenóide para atuar as três válvulas e, em caso de falha da solenóide, o sistema vai
para a posição segura.
Há ainda a opção de fechar o vent e abrir o segundo bloqueio
simultaneamente, para depois, com a confirmação de vent fechado, abrir o primeiro
bloqueio. Nessa configuração seriam necessárias duas solenóides.
Outra refinarias solicitam primeiro a abertura da segunda válvula de bloqueio,
para em seguida fechar o vent e, com a confirmação de vent fechado, abrir a
primeira válvula de bloqueio. A desvantagem desse sistema seria a necessidade de
três solenóides, uma para cada válvula. A contratante do projeto, no entanto,
solicitou esse tipo de atuação para as três válvulas, sendo então esse modelo
adotado no projeto do forno.
Depois do alinhamento das três válvulas, é dado o comando de ignição de um
piloto pelo operador. Este comando é iniciado a partir do DCS. O mesmo comando
de ignição deve abrir também a válvula 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 ignição e depois a injeção de gás dentro do forno.
O comando de ignição, normalmente, é disparado pela ação do operador por
meio de uma chave (Hand-switch - HS). Após a sinalização da permissão para
ignição, a lógica do seqüenciamento abre o vent da linha de gás dos pilotos para o
flare sinalizando esta abertura no DCS.
A ignição de um piloto deve ocorrer limitada a um certo intervalo de tempo –
normalmente de 15 a 30 segundos. Caso dentro desse intervalo não ocorra queima,
a válvula individual do piloto deve fechar e um temporizador deve ser disparado,
evitando nova abertura dessa válvula nesse espaço de tempo.
Durante o tempo de ignição, a lógica de controle deve acender, normalmente,
50% mais um piloto de forma a evitar o trip do piloto por falta de chama. É
importante ressaltar que o timer “tempo de ignição” deve desviar a condição de trip
“falta de chama em 50% dos pilotos” durante a partida do forno.
56
Caso a operação não consiga acender esse número durante o tempo de
ignição, uma parada automática do forno é iniciada, onde uma purga pós trip é
realizada. Por procedimento operacional, a operação deve acender um piloto de
cada vez.
Caso ocorra quatro tentativas infrutíferas consecutivas de acendimento em
pilotos distintos dois caminhos podem ser tomados:
• Se o número de pilotos acesos for menor que o número mínimo (50%
mais um), deve ocorrer um trip total do forno antes do final do tempo de
ignição.
• Se o número de pilotos acesos for maior que o número mínimo, a
lógica de controle temporizará a permissão de acendimento dos
demais pilotos com reset do contador de tentativas de ignição. O tempo
para a nova tentativa de ignição deve ser de 120s.
A norma de fornos permite que essa purga pós trip possa ser aproveitada
para novo tempo de ignição. Se o operador, durante o tempo de ignição, não tentar
abrir nenhuma válvula do sistema de combustível (no caso a lógica só deve permitir
a abertura do piloto), não é necessária a purga pós trip tendo em vista que não foi
injetado gás dentro da câmara de combustão.
4.2.3.1: Final de ignição
Se durante o tempo de ignição foram acesos 50% mais um pilotos, a partida
do forno tem prosseguimento. O timer “tempo de ignição”, após a sua finalização,
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 automática é iniciada.
4.2.4: Permissão para alinhamento dos queimadores
Após o acendimento do número mínimo de pilotos e a finalização do tempo de
ignição, a lógica do seqüenciamento de partida sinaliza no DCS e no painel local a
permissão de abertura do vent da linha de gás dos queimadores para o flare. A
abertura da válvula de vent para o flare e o alinhamento do header deve ser
realizado por comando do DCS. A lógica só deve permitir abrir a válvula de
combustível de um queimador em que o piloto associado esteja aceso.
57
O operador deve acender todos os queimadores de forma que o forno
trabalhe corretamente balanceado, embora isso não seja obrigatório pelo
intertravamento.
Para permissão de alinhamento dos queimadores principais, a lógica de
partida deve acender um determinado número de pilotos, que normalmente coincide
com o número mínimo de pilotos acesos para evitar a parada do equipamento.
Com o número mínimo de pilotos acesos para permissão de abertura do
header dos queimadores principais, o operador deve, no campo, comandar a
abertura das válvulas individuais de cada queimador (XV-28/.../41) através de
botoeiras (HS-28/../41). Isso se deve ao fato de ser necessária a observação da
chama e a realização de ajustes pelo operador, como ajuste de ar pelas janelas de
tiragem.
Via comando do operador, a válvula individual de um queimador pode ser
aberta se o piloto associado a esse queimador estiver acusando presença de
chama. O operador confirma visualmente a presença de chama no campo, ficando
sob sua responsabilidade o fechamento da válvula individual do queimador, caso o
mesmo não acenda. Se o piloto associado a esse queimador acusar falta de chama
deve ser iniciado um trip no conjunto queimador-piloto.
As condições de parada por pressão muito baixa ou muito alta devem ficar
desviadas durante a partida e até a estabilização da pressão, quando o número de
queimadores acesos garante essa estabilidade.
Os mesmos recursos de desvios listados para os pilotos são aplicados aos
queimadores de gás.
4.3: Descrição das etapas de parada de um forno
Há dois tipos de parada possíveis para um forno industrial:
• Trip parcial
• Trip total
Quando ocorre trip ou parada parcial de um forno apenas os queimadores são
bloqueados, ficando os pilotos acesos. Esse tipo de parada é proveniente de
58
iniciadores de processo, tais como vazão muito baixa pelos passes da serpentina de
processo do forno.
Já quando há trip total todos os queimadores e pilotos são apagados. São
trips geralmente relacionados ao sistema de gás combustível. Como se trata de uma
parada total do forno, é necessário executar uma purga “pós trip”.
Em qualquer condição de parada total prevista na matriz de causa e efeito
(essa matriz será detalhada no capítulo 5), as válvulas de bloqueio deverão fechar,
as válvulas de vent deverão abrir e o sistema de purga deverá ser acionado. A
válvula de vapor de abafamento (XV-44) deverá ser aberta pelo período previsto
pelo tempo de purga sem previsão de fechamento antecipado pela operação.
Em caso de apenas perda de detecção de chama em um piloto onde seu
queimador não tem detector de chama o operador deve fechar a válvula de bloqueio
correspondente ao piloto em questão e a válvula de bloqueio correspondente ao
queimador desse piloto.
4.4: Malhas típicas associadas ao controle de um forno
Para se controlar a temperatura de um forno, a maneira mais utilizada é atuar
no sistema de combustível. Existem várias possibilidades para se controlar o gás
combustível que alimenta o forno.
Abaixo serão descritas algumas abordagens ressaltando as duas malhas de
controle utilizadas para o forno deste trabalho. Tratam-se da malha de controle de
admissão do gás de combustão para os queimadores e da malha de controle de
tiragem do forno.
É importante ressaltar que dependendo do tipo do forno podem haver outras
malhas de controle. Em forno que usam óleo e gás como combustível, por exemplo,
há malhas para o controle da quantidade de admissão de cada um em combinação
com malhas para o controle do ar de combustão.
4.4.1: Malha para o controle da combustão
A primeira possibilidade é mostrada na Figura 34 onde se manipula a vazão
de combustível. Um sensor de temperatura mede a temperatura de saída do produto
e usa esse valor como setpoint do controlador de vazão na entrada de combustível
59
do forno. A desvantagem dessa estratégia é não respeitar os limites de pressão
seguros para a operação dos queimadores.
Outra opção é mostrada na Figura 33 onde se manipula a pressão de
combustível. Caso o controle de temperatura necessite de mais calor, ele irá
aumentar referência (setpoint) do controlador de pressão, o que implicará em mais
combustível para os queimadores. A saída do TIC é limitada entre os valores
mínimos e máximos permitidos de pressão para operação dos queimadores.
Figura 34 - Controle utilizando FIC e TIC
Figura 33 - Controle utilizando TIC e PIC
60
Esse tipo de controle permite compensar rapidamente perturbações na
pressão de alimentação do combustível e garante os limites de segurança
operacional, evitando o apagamento da chama por pressão muito baixa ou
descolamento por pressão muito alta nos queimadores. Entretanto, se o operador
retirar ou colocar em operação queimadores, como a pressão está constante, isto é,
a vazão por cada queimador individual está constante, então a vazão total de
combustível irá mudar afetando a carga térmica fornecida. Só quando a temperatura
do produto “sentir”, o sistema de controle irá compensar e mudar a referência
(setpoint) do controlador de pressão. Em alguns fornos industriais, isto pode ser
muito ruim, principalmente aqueles com grande tempo de resposta.
Uma outra alternativa de controle é a que foi utilizada neste trabalho. Ela é
mostrada na Figura 27. Neste caso, introduziu-se um controlador de vazão (FIC-21)
em cascata com o controlador de pressão do combustível (PIC-21). Como a vazão é
definida pelo controle de temperatura do produto, qualquer perturbação nessa vazão
é compensada rapidamente manipulando-se a pressão do combustível. Pode-se
também facilmente limitar o valor máximo e mínimo de referência (setpoint) da
pressão, evitando os riscos de apagar o queimador por operar fora da faixa
recomendada pelo fabricante.
Para esta malha de controle são utilizados alguns instrumentos, os quais
garantem que a malha cumpra o seu objetivo. Um transmissor de pressão (PT-21),
um de vazão (FT-21) e um de temperatura (TT-21) foram colocados em série a
jusante da válvula de controle de pressão. Eles enviam sinal para um bloco
compensador (FY-21), o qual envia um sinal como setpoint (SP) para o controlador
de vazão. Esse controlador recebe também o valor da variável de processo (PV)
vinda do controlador de temperatura (TIC) na saída da serpentina de processo.
A saída desse controlador de vazão é utilizada como setpoint do controlador
de pressão, o qual atua em uma válvula de controle de pressão e mantém a pressão
de gás combustível na faixa adequada de operação.
4.4.2: Malha de controle da tiragem
O forno industrial deste trabalho utiliza queimadores auto-aspirados, isto é,
eles aspiram o ar necessário para realizar a queima do gás combustível. Os gases
quentes oriundos da combustão, e com uma densidade menor do que o ar, tendem a
61
subir pela chaminé criando uma pressão negativa no interior do forno. Entretanto,
esta pressão interna da câmara de combustão deve ser controlada. Este é o
chamado controle da tiragem do forno. Neste controle mede-se a pressão e atua-se,
caso necessário, no “damper”, que é uma válvula na entrada na chaminé (PV-50). A
Figura 28 mostra os instrumentos pertencentes a esta malha de controle.
A pressão interna do forno deve ser mantida ligeiramente abaixo da pressão
atmosférica, de maneira a facilitar a entrada de ar nos queimadores e evitar que haja
uma tendência de o gás combustível sair do forno e ser queimado fora. Isto traria
risco aos operadores e às instalações. Caso a pressão de tiragem esteja alta, o
controlador irá abrir o “damper”. Se o “damper” já estiver todo aberto, deve-se
reduzir a carga térmica do forno. A diminuição da queima de gás combustível irá
aliviar a pressão na câmara. Entretanto, isto acarreta a redução da vazão de carga
ou a diminuição da temperatura de saída do produto.
Além disso, a abertura dessa válvula em maior ou menor escala proporciona a
saída dos gases de combustão não queimados presentes na câmara do forno,
auxiliando no processo de purga juntamente com o vapor de abafamento.
Os instrumentos pertencentes a esta malha são um transmissor de pressão
instalado no topo da câmara de radiação, um controlador de pressão e uma válvula
de controle com solenóide, a qual atua na abertura e fechamento do “damper”.
De acordo com a pressão transmitida pelo transmissor, o controlador atua
enviando um sinal para um conversor, o qual converterá o sinal de software enviado
pelo controlador em sinal pneumático para atuação no solenóide da válvula, abrindo
ou fechando o atuador da válvula.
62
Capítulo 5: Documentos Gerados e Resultados
Como explicitado no capítulo 1 do presente trabalho, o projeto deste forno
está dentro do projeto de FEED de um complexo petroquímico. Assim, o objetivo não
é fazer o detalhamento de cada equipamento, instrumento e das malhas que os
interligam. O objetivo é gerar uma série de documentos, os quais deverão ser
aprovados pela empresa contratante e, posteriormente, darão embasamento para
uma estimativa de quantitativos e custos da construção do complexo.
Além disso, os documentos relacionados aos fornos feitos por mim dentro da
Chemtech fazem parte da etapa de complementação do projeto básico. Assim, eles
não servem apenas como estimativa de quantitativos, mas também como
documentos de referência para o projeto de detalhamento.
Dentro do escopo de fornos industriais existem alguns documentos
específicos que devem ser gerados. Estes documentos são gerados embasados nas
informações citadas nos capítulos anteriores e nos documentos do projeto básico
fornecidos por uma licenciadora contratada pela empresa solicitante do projeto. Os
documentos da complementação do básico feitos pela Chemtech são os diagramas
de fornos, a matriz de causa e efeito (MCE) e o memorial descritivo (MD). Já na
etapa de FEED propriamente dito, é feito mais um diagrama conhecido como planta
de locação de instrumentos (PLI). Todos estes documentos são emitidos em
tamanho A1, com exceção do Memorial Descritivo, o qual é emitido em tamanho A4.
Cada documento tem um objetivo e uma seqüência de passos deve ser
seguida para a sua confecção. Estes documentos e esta seqüência serão
detalhados nas próximas páginas.
5.1: Diagramas de Fornos
Os diagramas de fornos são documentos com a finalidade de proporcionar um
melhor entendimento dos instrumentos, localização e finalidade destes instrumentos
e das malhas de controle constituintes do forno. Durante a etapa de
complementação do projeto básico são gerados dois diagramas:
• Diagrama de alimentação do forno
63
• Diagrama de Tiragem do forno
Estes dois diagramas são enviados para a empresa contratante para fins de
aprovação. Paralelamente, esses diagramas são utilizados na etapa de FEED para a
confecção de mais um diagrama: a planta de locação de instrumentos do forno.
5.1.1: Diagrama de alimentação do forno
Os diagramas de alimentação dos fornos possuem a finalidade de descrever
os instrumentos e as malhas de controle responsáveis pela alimentação de gás
combustível do forno. Nele são explicitadas as válvulas de bloqueio da linha dos
pilotos e dos queimadores, as válvulas de vent, as válvulas individuais dos pilotos e
dos queimadores além das malhas de controle e os intertravamentos. Os
intertravamentos são representados por losangos com um “I” interior.
Observando as Figura 26 e Figura 27 podemos ver que cada válvula possui
um intertravamento associado. Isso se deve ao fato de que são elas as principais
responsáveis pelo perfeito funcionamento dos intertravamentos explicitados no
capítulo 4.
Para a confecção desse diagrama, devem-se seguir alguns passos os quais
são descritos abaixo.
Passo 1: Levantamento das características dos fornos a partir das folhas de
dados da disciplina de mecânica fornecidas pela licenciadora. As principais
características que se deve levantar para um forno são: o número de queimadores, o
tipo de combustível, o tipo de tiragem e se ele possui pré-aquecedor.
A partir desses dados e das informações dos capítulos anteriores tornou-se
possível a confecção do diagrama. Com o número de queimadores é possível saber
quantos pilotos serão necessários, uma vez que existe um piloto para cada
queimador. Além disso, é possível saber também o número de válvulas individuais
para cada piloto e cada queimador.
Para cada tipo de combustível existe um tipo de malha de controle específica.
A partir do tipo de combustível é possível saber o tipo dos queimadores e o tipo de
válvula do header principal de combustível. Além disso, há válvulas de vent caso o
combustível seja gás. Caso o combustível seja óleo, há o sistema de atomização do
óleo, para permitir uma melhor queima do mesmo.
64
O fato de o forno ser de tiragem forçada ou natural e possuir ou não pré-
aquecedor influenciará na confecção do diagrama de tiragem do forno.
Passo 2: Deve-se capturar a última numeração de malha de cada variável do
projeto básico e, em seguida, numerar os instrumentos pertencentes à
complementação do básico do forno. Para este fim deve-se deixar um intervalo de
numeração depois do último número de malha projeto básico. Isso é feito pelo fato
de que, porventura, em uma nova revisão dos documentos do básico, novos
instrumentos podem ser inseridos.
O diagrama foi feito em AutoCAD. Dentro da Chemtech existem normas de
qualidade, como padronização da escrita, cores dos desenhos, cabeçalhos e
rodapés, dentro das quais os documentos devem se enquadrar. Além disso, é
acordado com a empresa contratante um “template” padrão para cada tipo de
documento. A Figura 35 mostra o diagrama de alimentação do forno deste projeto
dentro das normas de qualidade e enquadrado em seu respectivo “template”.
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Figura 35 - Diagrama de Alimentação do Forno
66
5.1.2: Diagrama de tiragem do forno
Neste diagrama são explicitadas informações adicionais que não são
descritas nos diagramas de alimentação. Caso o forno seja de tiragem forçada, são
explicitados os ventiladores e compressores de ar necessários para esse tipo de
tiragem. Além disso, as malhas de controle associadas a estes equipamentos com
seus respectivos instrumentos também são mostradas.
Uma informação muito importante detalhada neste diagrama é a localização
dos analisadores de oxigênio. O analisador deste forno foi colocado no início da
zona de convecção compartilhada por todos os fornos da unidade, logo acima da
zona de radiação de cada forno.
Medidores de temperatura e pressão também foram distribuídos pela zona de
convecção para análise e monitoramento destas variáveis. Um medidor de pressão
foi colocado no limite entre as zonas de radiação e convecção do lado esquerdo com
um intertravamento associado. Esse medidor monitora a pressão dessas zonas e,
caso a pressão ultrapasse os limites permitidos, o intertravamento é acionado.
No lado direito dessa zona, um medidor de pressão foi colocado associado ao
“damper” da chaminé. De acordo com pressão medida e os níveis de pressão
negativa requeridos para uma boa combustão, o controlador associado atua abrindo
ou fechando a válvula do “damper”.
Também são explicitados os intertravamentos associados aos detectores de
chama dos pilotos, os quais devem entrar em ação caso seja detectado que mais de
50% dos pilotos estão apagados. Além disso, também são mostrados as válvulas e
instrumentos ligados ao sistema de vapor de abafamento (“snuffing steam” no
diagrama), utilizado no processo de purga do forno. A Figura 36 abaixo ilustra o
diagrama de tiragem do forno com seu respectivo template.
Figura 36 - Diagrama de Tiragem do Forno
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68
5.1.3: Planta de locação de instrumentos do forno
O último diagrama feito em relação ao forno é chamado de planta de locação
de instrumentos. Este diagrama recebe este nome pelo fato de que todos os
instrumentos relacionados ao forno listados tanto nos P&IDs vindos da licenciadora
quanto nos P&IDs da complementação do básico da disciplina de processo são
agrupados e colocados em posições próximas de onde ficarão na planta do projeto
de detalhamento. Uma planta de locação não faz parte da etapa de complementação
do básico. É constituinte da etapa de feed propriamente dito.
O objetivo principal deste documento é justamente fornecer embasamento do
local onde ficará cada instrumento. Com isso, poderemos ter uma estimativa da
quantidade e tipo de cabos necessários para alimentar e transmitir os sinais dos
instrumentos, além dos materiais como eletrodutos e calhas. Para este documento
em específico, existe uma simbologia utilizada para cada instrumento e tipo de cabo
de alimentação. Esta simbologia está de acordo com a norma ISA 5.1 –
INSTRUMENTATION SYMBOLS AND IDENTIFICATION e pode ser vista na Figura
37 abaixo.
Para este documento também existe uma série de passos que devem ser
seguidos para se chegar no resultado final. Tais passos serão descritos a seguir.
Existe um diagrama geral chamado de “Drawing Index” no qual é apresentada
a planta de toda uma unidade do complexo petroquímico. Esse diagrama é
subdividido em diagramas menores contendo os equipamentos e as elevações de
cada equipamento. Esses diagramas menores são chamados de plantas. A Figura
38 mostra a planta do forno F-01.
69
Figura 37 – Simbologia utilizada nas plantas de Locação de Instrumentos
70
Figura 38 - Planta do Forno F-01
Com a planta do forno em mãos, utilizam-se
os P&IDs que contem instrumentos
relacionados ao forno e listam-se todos os
instrumentos em uma planilha Excel. Esses
instrumentos incluem válvulas de bloqueio e
de controle, transmissores, medidores e
indicadores. É importante ressaltar que na
etapa do FEED são listados apenas os
instrumentos que ficam locados em campo.
Os instrumentos que ficam em painéis e/ou
na subestação não são locados.
Nesta planilha também são listadas as
elevações de cada instrumento, o tipo de
alimentação e transmissão de sinais de cada
instrumento. Esses sinais podem ser de
software, analógico, digital ou de alimentação
elétrica. Alimentação hidráulica não entra no
escopo da disciplina. As elevações devem
seguir um padrão:
• Transmissores: 1,5m acima do
nível do piso.
• Elemento primário de
temperatura: 2m acima do nível
do piso.
• Válvulas: 0,5m acima do nível
do piso.
• Hand-switches: 1,2m acima do
nível do piso.
Depois de listados todos instrumentos com seus respectivos sinais e
elevações, parte-se para a locação propriamente dita. Como se trata de um projeto
de FEED, a localização de cada instrumento dependerá do bom senso de quem está
fazendo a planta de locação. O mais usual é colocar os instrumentos perto do
equipamento ao qual possuem alguma ligação no P&ID. Se o projeto já estivesse na
71
etapa de detalhamento, seria imprescindível saber a localização exata de cada
instrumento em campo.
Após a locação de cada instrumento, passam-se eletrodutos conduzindo cada
tipo de cabo para os devidos instrumentos. As eletrocalhas comportam até 36 pares
de cabos, o que corresponde a 36 instrumentos. As eletrocalhas conduzem os cabos
até as respectivas caixas de junção e delas para o bandejamento localizado “pipe-
rack”7. É importante salientar que cada válvula de bloqueio (XV’s e HV’s) e as
válvulas de controle necessitam de alimentação pneumática. Cada duto pneumático
comporta até 5 válvulas. Tanto os dutos pneumáticos, os eletrodutos e as
eletrocalhas são considerados como instalados 3m acima do piso.
Os instrumentos são identificados por meio de bandeirolas, nas quais são
indicados o número correspondente ao instrumento na planta, o nome do
instrumento, a elevação do instrumento e o número da caixa de junção para a qual o
sinal do instrumento é encaminhado. A Figura 39 ilustra um instrumento com a sua
respectiva bandeirola.
Por fim, depois de pronta e revisada, são contados os materiais usados para
a confecção da planta. Dentre esses materiais estão o número de peças de
eletrocalhas (cada peça possui 3m), o número de junções e conexões para interligar
as peças de eletrocalhas, os metros de eletrodutos de ¾” e suas conexões,
utilizados para condução de cabos para até 3 instrumentos e os metros e conexões
de material pneumático. Os tipos de cabos e a metragem também são
contabilizados. Todos estes valores serão utilizados para a confecção da planilha de
quantitativos, um documento de suma importância e um dos objetivos do projeto de
FEED. A Figura 40 abaixo mostra a planta do forno F-01 com os instrumentos
locados já com o template.
7 Estrutura que serve de suporte para os encaminhamentos de tubulações e onde se localiza
o bandejamento principal de instrumentação que leva à CCL (Casa de Controle Local).
Figura 39 - Representação de uma válvula de controle com sua bandeirola
72
Figura 40 - Planta final do forno F-01
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73
5.2: Matriz de causa e efeito do forno
Após os diagramas de alimentação e tiragem estarem prontos, é possível
partir para o próximo documento da etapa da complementação do básico. A matriz
de causa e efeito de um forno, como o próprio nome já diz, tem a finalidade de listar
todas as causas de intertravamentos de um forno e listar seus efeitos, ou seja, as
medidas que serão tomadas caso um intertravamento seja disparado. A Figura 41
mostra a matriz de causa e efeito para este forno.
Existe um relatório técnico fornecido pela licenciadora em parceria com a
empresa contratante do projeto que rege o modo como os intertravamentos devem
agir e reagir para um perfeito funcionamento do forno. É a partir deste relatório que a
matriz é feita.
Para cada forno, dependendo do tipo, finalidade e equipamentos adjuntos,
existem mais ou menos intertravamentos e todos eles, juntamente com as suas
conseqüências, são listados na matriz de causa e efeito.
Para este forno em específico são listados os seguintes intertravamentos:
• Não detecção de chama em 50% dos pilotos
• Não detecção de chama em nenhum dos pilotos
• Pressão de gás muito alta nos pilotos
• Pressão de gás muito baixa nos pilotos
• Pressão de gás muito alta nos queimadores
• Pressão de gás muito baixa nos queimadores
Além dos intertravamentos específicos, são listados também os
intertravamentos ou causas gerais. Para este forno, foram listados:
• Nível muito alto de condensado no vaso de “knock-out” de gás
combustível
• “Trip” manual
• Vazão muito baixa nos passes
• Iniciadores do processo parcialmente desligados
74
Figura 41 - Matriz de Causa e Efeito do Forno F-01
75
Quando não é detectada chama em 50% dos pilotos o intertravamento deve
agir de modo a abrir o “damper” da chaminé, fechar as válvulas individuais de cada
piloto apagado, fechar as válvulas individuais de bloqueio de cada queimador
associado aos pilotos apagados, fechar a válvula de bloqueio do header e abrir a
válvula de “vent” dos pilotos e dos queimadores. Caso não seja detectada chama em
nenhum dos pilotos, as válvulas individuais de cada piloto e as dos respectivos
queimadores devem ser fechadas.
Em caso de pressão muito alta ou muito baixa nos pilotos, as medidas
aplicadas são as mesmas listadas para o caso de não detecção de chama nos
pilotos. Por fim, caso haja pressão muito alta ou muito baixa nos queimadores deve-
se abrir o “damper” da chaminé, fechar todas as válvulas individuais de bloqueio dos
pilotos, fechar a válvula de bloqueio do header e abrir a válvula de “vent” dos
queimadores.
Dentro das causas gerais, é necessário se preocupar com o nível de
condensado existente no vaso de “knock-out”. Este vaso possui a finalidade de filtrar
e, principalmente, tirar toda a umidade existente no gás combustível. Este processo
é necessário para que se tenha uma combustão perfeita nos pilotos e queimadores,
sem falhas ou descolamentos nas chamas.
A umidade retirada do gás combustível se precipita no vaso de “knock-out” na
forma de condensado e é drenado por bombas específicas para esse fim. Caso o
nível desse condensado atinja um patamar muito elevado, pode vazar líquido para
as tubulações, pilotos e queimadores. Caso isso aconteça, o intertravamento deve
agir de modo a abrir o “damper” da chaminé, fechar as válvulas de bloqueio dos
pilotos, queimadores e do header e abrir as válvulas de “vent” dos pilotos e dos
queimadores. Estas medidas são tomadas para preservar a integridade dos
instrumentos do forno iniciando um processo de “trip”.
O “trip” manual ocorre quando um operador interrompe toda a operação do
forno quando pressiona uma chave específica para esse fim. Caso isso ocorra, o
intertravamento age da mesma maneira de quando se tem nível muito alto no vaso
de “knock-out”. No entanto, como se trata de uma parada do forno, deve-se ter um
processo de purga logo em seguida. Para esse fim, o intertravamento abre a válvula
do sistema de vapor de abafamento.
76
Figura 42 - Ampliação da Matriz do Forno F-01
Quando ocorrer uma vazão muito baixa nos passes do forno ou os iniciadores
do processo estiverem parcialmente desligados o intertravamento deverá abrir o
“damper” da chaminé, fechar as válvulas de bloqueio dos pilotos e dos queimadores
e abrir as válvulas de “vent” dos pilotos e dos queimadores.
Os intertravamentos devem ser checados periodicamente para permitir um
perfeito funcionamento do forno e evitar acidentes. A Figura 42 mostra um zoom na
parte da matriz referente ao forno F-01.
77
5.3: Memorial Descritivo
O Memorial Descritivo também é baseado no relatório técnico usado como
base para a matriz de causa e efeito. Este documento descreve principalmente as
lógicas de automação do forno.
As lógicas dizem respeito à permissão de purga, teste de vazamento das
válvulas de bloqueio, seqüencia de purga, seqüência de ignição, alinhamento dos
queimadores e desligamento do forno. Estes seqüenciamentos foram descritos com
mais detalhes no capítulo 4.
Além disso, há uma tabela descrevendo toda a configuração do forno. Todas
as lógicas de automação devem ser seguidas em acordo com estes itens. Abaixo a
Tabela 4 é a tabela descritiva do forno deste trabalho. Como se trata da tabela
original, foram conservadas as descrições dos outros fornos.
78
Tabela 4 - Características do Forno F-01
Characteristics F-01 F-02 F-03 F-04
Natural Draft X X X X
Forced Draft - - - -
Induced Draft - - - -
Balanced Draft - - - -
With Air Preheater - - - -
Fuel Gas X X X X
Fuel Oil - - - -
LPG - - - -
With electric Igniters X X X X
Number of Burners per Fired Heater 13 21 14 8
With Flame Rod Detectors at Each Pilot X X X X
With UV detectors at each Pilot - - - -
With UV detectors at each burner - - - -
With redundant UV detectors at each burner - - - -
With automatic valves at each individual pilot X X X X
With automatic valves at each individual fuel gas burner X X X X
With automatic valves at each atomizing steam line X X X X
With automatic natural draft doors X X X X
O documento descreve também os requisitos funcionais e de interface
necessários para os seqüenciamentos e intertravamentos. As Tabela 5 e Tabela 6
abaixo mostram tais interfaces.
79
Tabela 5 – Interfaces de comandos para o forno F-01
F-01, F-02, F-03 and F-304
Commands
Actuation From:
Local Panel DCS Field
Purge Start X
Open/Close Pilot Gas Double Block and Close/Open Vent Valves X
Open/Close Pilot Gas Individual Valves X
Open/Close Fuel Gas Double Block and Close/Open Vent Valves X
Open Fuel Gas Individual Valves X
Close Fuel Gas Individual Valves X
Ignition X
Emergency Shutdown X X
Remote Start-Up Permission X
Tabela 6 - Interfaces de indicações para o forno F-01
F-01, F-02, F-03 and F-04
Indications Local Panel HMI DCS
Purge started X X
Purging and remaining time T1 X X
Leakage test - State for each pilot and burner header X X
Leakage test – Initial pressure of each pilot and burner header X X
Leakage test – Pressure drop (%)of each pilot and burner header X X
Leakage test – Alarms for each pilot and burner header X X
Enable to Ignition X X
Bypass of each pressure pilot header remaining time X X
Permission to open burner header X X
Bypass of each pressure burner header remaining time X X
Permission light on burner X X
Partial trip (and first event) X X
General trip (and first event) X X
80
Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas
O trabalho desenvolvido durante este período de estágio na Chemtech foi
uma ótima oportunidade de crescimento profissional, permitindo o contato com o
mercado de trabalho e com um importante projeto de engenharia.
A indústria de Petróleo e Gás é uma área muito interessante para a
engenharia. Com processos bastante complexos e utilização das mais recentes
tecnologias, a área oferece muitas oportunidades de aplicação do conhecimento
obtido durante o curso de Engenharia de Controle e Automação. O interesse pela
área de Petróleo e Gás, despertado durante a graduação, como integrante do PRH-
34 – Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural
e Biocombustíveis (ANP) –, tornou-se ainda maior com este projeto.
A experiência de participar do projeto de uma nova unidade em um grande
complexo petroquímico foi muito interessante. Foi enorme o conhecimento adquirido,
não somente na área técnica, como também na visão do planejamento que projetos
deste tipo necessitam.
O conhecimento adquirido na área de fornos industriais serão de grande
utilidade futuramente, uma vez que este tipo de equipamento é vital em qualquer
refinaria ou petroquímica. Os conhecimentos de FEED e a dinâmica de participar de
um projeto tão grande são aprendizados que certamente levarei por muito tempo.
Ao fim do projeto, considero que o trabalho foi desenvolvido com sucesso. Os
prazos de entrega foram cumpridos e todos os documentos elaborados foram
aprovados em suas versões finais pela empresa contratante. Como o projeto de
detalhamento desta unidade de processamento de aromáticos não será realizado
pela Chemtech, minha participação no projeto deste forno será encerrada no FEED.
Para a Chemtech, o sucesso em projetos deste tipo tem grande importância.
A realização de projetos com qualidade e respeitando os prazos aumenta a
visibilidade e o reconhecimento da empresa junto aos seus clientes. A experiência e
o sucesso nestes projetos de engenharia possibilitaram à Chemtech expandir sua
atuação nesta área. O projeto de FEED deste complexo petroquímico continua e eu
81
continuarei trabalhando na disciplina de instrumentação, mas agora em outras
frentes de trabalho.
82
Bibliografia
[ 1 ] Chemtech – A Siemens Company. Disponível em:
<http://www.chemtech.com.br> Acesso em: 01/07/2009
[ 2 ] SIEMENS. Projeto de FEED. Disponível em:
<http://www.siemens.com.br/templates/imprensa_mais.aspx?channel=247&press_id
=15557> Acesso em: 01/07/2009
[ 3 ] CAMPOS, Mario Cesar M. Massa de; TEIXEIRA, Hebert C. G. Controles
Típicos de Equipamentos e Processos Industriais, 1. Ed. Brazil; Petrobrás, 2007
[ 4 ] DRIEDGER, Walter, Controling Fired Heaters, Estados Unidos, 1997
[ 5 ] LOPES JUNIOR, Sylvio, Curso de Fornos de Processo, Rio de Janeiro,
2009, Chemtech.
[ 6 ] PEREZ, Automação de Forno e Caldeiras, Rio de Janeiro, Chemtech, 2009
[ 7 ] BINGHAM, Ken, Partial Stroke Testing of Emergency Shutdown Valves,
Estados Unidos, 2005
