OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DOS BUFFERS DE OXIGÊNIO DE ALTA PRESSÃO 1

OTIMIZAÇÃO DA OPERAÇÃO DOS BUFFERS DE

OXIGÊNIO DE ALTA PRESSÃO

Paulo Barros2 Roger Muniz3 Bruno Penteado4 Daniel Barauna5

Resumo

O consumo do oxigênio de alta pressão na Aciaria é em sua maior parte intermitente e segue a seqüência de sopros de oxigênio nas corridas dos conversores BOF. A previsão antecipada da sequência e frequência de sopros é muito difícil, porém é fundamental para uma operação eficiente da ASU. Assim, o adequado ajuste da produção de oxigênio de alta pressão em sintonia com o ritmo da Aciaria tem grande impacto no custo operacional da ASU, pois minimiza o desperdício com o vent de produção excedente e, por outro lado, reduz a necessidade de vaporizar oxigênio líquido nos casos da produção ser menor que a demanda média real. Para se obter a melhor previsão do consumo de oxigênio da Aciaria foi criado um método de se analisar o comportamento do consumo real de oxigênio e através de levantamentos estatísticos da operação e uso de dados do sistema, se obtém o melhor ajuste do volume de produção de oxigênio. Uma ferramenta em Excel, com entrada de dados automatizada, utilizando-se a tecnologia SCADA, foi implementada indicando ao operador o set-point ideal para a o ajuste da produção de oxigênio de alta pressão.

Palavras-chave: Buffer; Oxigênio; Aciaria; ASU.

HP GOX BUFFERS OPERATION OPTIMIZATION Abstract

The consumption of high pressure oxygen in the steel making plant (SMP) is mostly intermittent and follows the sequence of BOF’s heats. The anticipated prediction of the sequence and frequency of BOF heats is very difficult but essential to achieve efficient operation of the ASU. Thus, the proper adjustment of the oxygen production in line with the rhythm of the SMP has great impact on the ASU’s operating costs because it minimizes blowing-off the excess of oxygen produced and, moreover, reduces the need for vaporizing liquid oxygen in cases where the production is less than the actual demand. To obtain the best prediction of the actual oxygen demand of SMP it was created a method to analyze the behavior of actual oxygen consumption using statistical operating data and project data to gives an indication of the best adjust for high pressure oxygen production. A Excel toll has been created with automated operating data entry using SCADA technology indicating to the operator the ideal "set point" for high pressure oxygen production flow rate.

Keyword: Buffer; Oxygen; Steel making plant; ASU.

1

Contribuição técnica ao 33° Seminário de Balanços Energéticos Globais e Utilidades e

27° Encontro de Produtores e Consumidores de Gases Industriais, 22 a 24 de agosto de 2012,

Belo Horizonte, MG.

2

Engenheiro Mecânico. Gerente Técnico e Especialista Internacional em Unidades de Separação do Ar – Air Liquide Brasil Ltda.

3

Engenheiro Químico. Coordenador de Fábrica e Especialista Nacional em Unidades de Separação do Ar – Air Liquide Brasil Ltda.

4

Engenheiro Químico. Coordenador de Mercado de Metais – Air Liquide Brasil Ltda.

5

1 INTRODUÇÃO

O consumo do oxigênio de alta pressão na Aciaria é em sua maior parte intermitente e segue a sequência de sopros de oxigênio nas corridas dos conversores LD(1) ou Basic Oxygen Furnace (BOF). A previsão antecipada da seqüência e freqüência de sopros é muito difícil, porém é fundamental para se conseguir uma operação eficiente da ASU. Assim, o adequado ajuste da produção de oxigênio de alta pressão em sintonia com o ritmo da Aciaria tem grande impacto no custo da energia da ASU, pois minimiza o desperdício com o "vent" do excesso de oxigênio produzido e, por outro lado, reduz a necessidade de vaporizar oxigênio líquido nos casos da produção ser menor que o consumo médio real. A Figura 1 descreve de maneira simplificada o processo ASU / BOF.

ASU 2 TANQUE DE LOX 1600 Ton ASU 1 BOF Qual o melhor

SP do FIC Vazão de sopro:

FIC MAX PIC BUFFERS: Volumes de armazenagem Pres. Máxima Pres. Mínima. SP: 30 Bar g PIC PIC FIC ASU: CONTROLE DE PRODUÇÃO DO OXIGÊNIO DE ALTA PRESSÃO PIC CONTROLE DA PRODUÇÃO FIC

BOF – CARACTERÍSTICAS DO CONSUMO DE OXIGÊNIO

•Produção por batelada (corrida) • Vazões de sopro de até 1000 Nm3/min •Duração de sopro 16-20 min •Período entre sopros (tap-to-tap) •Possíveis sopros conjuntos em 2 conversores ao mesmo tempo • Ritmos diversos – variáveis aleatórias – como quantidade de gusa em transito -logística das panelas – funcionamento da Aciaria e Alto Fornos.

VAPO

ASU – PROCESSO:

•Produção contínua de HP GOX

•ASU devem ter produção estável e serem protegidas contra variações muito bruscas de retiradas de consumo

VENT para Atm. LOX V APOR IZADO Vazão de sopro:

Figura 1: Descrição Simplificada do Processo.

Baseado nos dados de processo como vazão, pressão e temperatura do oxigênio produzido, pressão dos buffers, set points operacionais etc.; os dados de projeto do sistema, como: volume dos buffers, capacidade e limites de processo das plantas e instalações; e da observação do comportamento real do consumo de oxigênio alta pressão na aciaria, foi construído um programa, tendo como diretriz a utilização máxima da capacidade de flutuação segura da pressão dos buffers de oxigênio e assim apresentar ao operador o nível ideal de produção de oxigênio de alta pressão para o ritmo atual da aciaria.

• Vale lembrar que a otimização da operação dos buffers de oxigênio de alta pressão consiste em trabalhar em uma faixa mais ampla possível, porém dentro a faixa de pressão aceitável (P min < P buffers < P max).

Com o volume de produção ajustado antecipadamente à demanda futura da aciaria, minimiza-se as perdas por vent oxigênio para a atmosfera causadas por produção a maior que a demanda real e por outro lado, também permite reduzir ao máximo possível a necessidade de vaporização de oxigênio líquido, que ocorrem durante ajustes repentinos de produção para atender os picos de consumo da aciaria causados por acúmulos momentâneos de corridas de conversores da aciaria.

2 MATERIAL E MÉTODOS

Para se obter a melhor previsão do consumo real de oxigênio da Aciaria em um futuro próximo (próximas horas) foi criado um método de se analisar o comportamento do consumo real de oxigênio de alta pressão (com base nas últimas corridas) e utilizando-se de levantamentos estatísticos da operação (consumo de oxigênio por sopro, mínimo tempo entre sopros, variação da pressão nos buffers) e dados do sistema(2) (limites de volume de produção, volume dos buffers, faixa aceitável de pressão nos buffers) obtém-se a indicação do melhor set-point para o ajuste do volume de produção de oxigênio de alta pressão. Uma ferramenta em Excel, com entrada de dados automatizada e momentânea utilizando-se a tecnologia SCADA, foi implementada indicando ao operador o "set-point" ideal para a o ajuste da produção de oxigênio de alta pressão. A Figura 2 abaixo apresenta um esquema do algoritmo utilizado.

A

B

minuto pelo SCADA (- 6 hrs)

Produção contínua de Oxigênio de Alta Pressão. Input: Vazão, Pressão, Temp.

Vazão instantânea da SMP: Vazão intermitente de acordo

com as corridas dos conversores ASU 1

ASU 2

ANÁLISE DO COMPORTAMENTE DE “C” RESULTA:

•Vazão e duração de sopro dos BOFs • Freqüência dos sopros (ritmo) •Consumo Médio BOF

•Consumo Médio resto da SMP

C

A = B + C

3 RESULTADOS

Como resultado a ferramenta Excel apresenta os set points recomendados para os controladores de processo da ASU conforme Figura 3:

Data e Hora

Consumo pelo FT 0025 0 Rítimo Previsto [Corr. por Dia] 34 Número de Convertedores em Operação 2 Outros Consumos Internos da Aciaria [Nm3/h] 2.000

Consumo esperado por sopro [Nm3] 21.000 Tempo Típico de Sopro [min] 21 Vazão Típica de Sopro [Nm3/min] 1.000 HPGOX expected consumption [Nm3/h] 31.750

Tempo de "tap to tap" Observado 1:43 "Tap to tap" adotado para próximos sopros 1:24 Rítimo Observado [Corr. por Dia] 28 Mínima Pressão Prevista no Buffer [Bar g] 23,5

dd/mm/aaaa hh:mm:ss 31.750 15.875 1-FIC1510A/B 16.000 1-FIC1510A/B 15.875 2-FIC1510A/B 16.000 2-FIC1510A/B ASU 2 1

OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE HPGOX

ASUs operando Sim = 1 e Não = 0

ASU 1 1

5/3/12 11:38

Set Point dos atual dos FICs

Set Points Recomendados para os FICs FIC 0020 32.000 FIC 0020

Figura 3: Tabela com dados do processo e apresentação dos “set points” de controle recomendados.

Para uma melhor visualização do andamento do processo, é também apresentado um gráfico automaticamente representando o perfil de consumo de oxigênio de alta pressão da Aciaria nas últimas 6 horas e o perfil estimado para as próximas 6 horas:

Steel Making Plant: Perfil do consumo de HPGOX

0 500 1000 1500 2000 2500 5: 38 6: 08 6: 38 7: 08 7: 38 8: 08 8: 38 9: 08 9: 38 10 :0 8 10 :3 8 11 :0 8 11 :3 8 12 :0 8 12 :3 8 13 :0 8 13 :3 8 14 :0 8 14 :3 8 15 :0 8 15 :3 8 16 :0 8 16 :3 8 17 :0 8 [Tempo: 12 hours] Va z ã o [ Nm 3 /m in ] 15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0 P ress ão d o s B u ff er s [ Ba rg]

Consumo inst. BOF [Nm³/min] Pressão dos Buffers [Bar g] Pressão Min [Bar g]

Figura 4: Gráfico dos perfis de consumo de oxigênio de alta pressão, perfil real das últimas 6 horas e

perfil esperado para as próximas horas.

4 CONCLUSÃO

Como benefício da implantação deste trabalho técnico podemos destacar:

 melhoria da confiabilidade no fornecimento de oxigênio de alta pressão para a aciaria; e

 melhoria da eficiência energética da asu com a redução do volume de “vent” de oxigênio gasoso.

Agradecimentos

Agradecemos a todos os colaboradores da unidade ASU Santa Cruz, ao Gerente-Executivo de Mercado de Metais Fábio Nascimento, ao Gerente de Fábrica Carlos

Especialista em DCS Rodrigo Francisco que colaboraram no desenvolvimento e implantação deste trabalho técnico.

REFERÊNCIAS

1 MOURÃO, Marcelo Breda et al. Introdução à Siderurgia. São Paulo: Associação

Brasileira de Metalurgia e Materiais.