As emissões atmosféricas têm sido consideradas por especialistas, poder público, iniciativa privada e organizações ambientalistas, um dos maiores impactos ambientais que o planeta vem enfrentando. Neste contexto estão tanto as fontes estacionárias quanto as fontes móveis. Ao mesmo tempo em que se lançam na atmosfera milhões de toneladas de poluentes a cada ano através da indústria, o homem procura soluções alternativas através de fontes de energia limpa. Adicionalmente, procura-se ao diminuir as emissões das fontes fixas exercer melhor controle e tratamento. Apresenta-se nesse trabalho, a possibilidade da implementação de ações que visem minimizar o impacto causado pelas caldeiras geradoras de energia, em especial as que operam com queimadores convencionais. Experimentou-se um procedimento capaz de ser utilizado de imediato pelas indústrias, antes mesmo de se implementar inovações tecnológicas, que demandam tempo e recursos. Desta forma, pode-se reduzir, de maneira imediata, o volume de poluentes lançados diariamente na atmosfera, em especial o monóxido de carbono, CO, os óxidos de nitrogênio, NOx, e o material particulado, MP. Objetivou-se atingir um nível de emissões capaz de minimizar o custo do dano, sem perder a eficiência da combustão. Apresenta-se ainda a base metodológica de um modelo, utilizando-se a lógica difusa, como forma de se obter um controle e confiabilidade na gestão das emissões. / Atmospheric emissions are considered by specialists, government, private organizations and environmental organizations as one of the main causes of all weather changes that our planet has been facing. This work focuses mainly on stationary sources, especially the large ordinary high pressure steam generators. While millions of tons of pollutants are released in the atmosphere by industrial sources annually, human beings are searching for alternative solutions to estabilish clean energy sources. Besides this search, there is growing interest in concentration the generation of emissions on stationary sources, so as to establish an easier way of controlling and treating emissions. A procedure that can be immediately adopted by industries. It has been tested, without the necessity of implementing expensive and time consuming technological changes. Thus, it is possible to immediately reduce the amount of pollutants released in the atmosphere. Besides reducing nitrogen oxides, particulate matter and carbon monoxide, it aimed at reaching a level of them which permitted the establishment of the ideal value between emission and cost of the damage, to obtain the lowest cost of damage. It also presents the methodological base of a model, using Fuzzy logic as a way of obtaining control and reliability on the management of emissions.

Este trabalho propõe desenvolver um projeto de controle de um sistema de geração de vapor composto por múltiplas caldeiras que contemple a otimização do consumo de combustível do sistema. Para atingir este objetivo, deve-se combinar um controle regulatório eficiente de uma caldeira e um mecanismo divisor de carga eficiente para que cada caldeira opere com a confiabilidade normalmente requerida, aliado a um ponto ótimo de consumo de combustível. Esta dissertação apresenta: a modelagem dinâmica de uma caldeira aquatubular industrial; a implementação computacional do modelo dinâmico de uma caldeira aquatubular em Matlab; o projeto de controle de uma caldeira aquatubular no sistema de automação 800xA envolvendo a definição de estratégias de controle, a comunicação do sistema de automação com o modelo da planta no Matlab, uma avaliação sobre algumas técnicas de sintonia, bem como a sua simulação dinâmica e resultados; o problema de otimização para minimização do consumo de total de combustível de um sistema de geração de vapor com múltiplas caldeiras, bem como a avaliação de sua resolução com modelagem por uma abordagem de Programação Linear Inteira Mista; e o projeto de controle de um sistema com múltiplas caldeiras, envolvendo também a simulação dinâmica. Com base nos experimentos simulados considerou-se que a estratégia de controle proposta neste trabalho tem desempenho satisfatório, principalmente pelo fato de que a inclusão do bloco divisor de carga não acarretou prejuízo na característica de rejeição de perturbações, o que encoraja estudos posteriores com o objetivo de se ter uma utilização prática. / This study proposes to develop a control project for a multiple boilers steam generation system that includes fuel optimization. To achieve that, it must combine an efficient boiler regulatory control and an efficient mechanism for load allocation to each boiler in order to operate with normally required reliability and combined with optimum fuel consumption. This dissertation presents: dynamic modeling of an industrial watertube boiler; computational implementation of the dynamic watertube Boiler model in Matlab, the control design of a watertube Boiler in 800xA automation system involving the definition of control strategies, communication of the 800xA automation system with the plant model in Matlab, an evaluation of some techniques for PID tuning including dynamic simulation results, the optimization problem to minimize the total fuel consumption of a multiple boilers steam generation system, as well as the assessment of their resolution with Mixed Integer Linear Programming modeling approach, and control design of a multiple boilers system, also involving dynamic simulation. Based on simulated experiments it was found that the control strategy proposed in this work has satisfactory performance, mainly because of the inclusion of the divider block load did not affect the rejection of disturbances characteristic, which encourages further studies with objective of practical use.

Engenheiros têm introduzido um melhor suporte para procedimentos de monitoramento de condições complexas através da aplicação de sistemas descentralizados inteligentes usando uma variedade de técnicas de inteligência artificial. Agora é largamente reconhecido que estes problemas decorrentes da complexidade funcional do monitoramento de condições podem ser resolvidos com arquiteturas que contenham muitos módulos distribuídos e inteligentes, que interajam dinamicamente, os quais são chamados de agentes inteligentes. A tecnologia baseada em agentes tem gerado muita agitação nos últimos anos por causa da promessa de ser um novo paradigma na hora de definir os conceitos para modelar e implementar sistemas de controle. O objetivo do presente estudo é implantar esta tecnologia no controle de uma caldeira de recuperação com a finalidade de gerenciar e integrar produção, qualidade e segurança no processo. A caldeira de recuperação tem dois objetivos bem definidos, cada um com suas restrições operacionais: (1) geração de vapor vivo a ser utilizado no processo, e, (2) redução de reagentes inorgânicos para recuperar sulfeto e carbonato de sódio, necessários no ciclo do processo de fabricação de celulose. Cada um destes objetivos é um sistema com funções independentes dentro da caldeira, mas que, no entanto tem seus desempenhos interligados entre si através das variáveis comuns existentes no processo. Esta é exatamente a definição de um sistema agente, ou melhor, de um Sistema Multi-Agente (SMA), no qual não existe uma otimização e sim a busca de uma solução possível. O modelo dinâmico da Caldeira foi simulado em Matlab(TM) Simulink(TM) baseado no modelo matemático da caldeira de recuperação de licor negro B&W (Babcock&Wilcox). O SMA foi desenvolvido utilizando a linguagem de programação JAVA e a plataforma de agentes JADE. / Engineers have been introducing better support for procedures of monitoring complex conditions through the application of intelligent decentralized systems, implementing a variety of artificial intelligent techniques. Nowadays it is vastly known that these problems that are consequence of the functional complexity of monitoring conditioning can be solved trough architectures, built by many intelligent distributed modules, which interact dynamically, known as intelligent agents. Technology based on agents have been creating excitement over the last years because of its promise of being a new paradigm that can be used to define modeling and implementing concepts for control systems. The goal of this thesis is to implement this new technology on controlling a recovery boiler, aiming to manage and integrate production, quality and security to the process. The operation of the recovery boiler has two well defined objectives, each one with its operational constraints: (1) steam production, an important asset in the pulp and paper process, and, (2) reduction of inorganic reagents to recover sulfate and sodium carbonates, the necessary chemicals in the Kraft pulp production. Each one of these functions, is an independent system inside the recovery boiler, however they have their performances connected to each other by common variables present in the process. This is exactly the definition of an agent system, in other words, a definition of a Multi-Agent System (MAS), for which there is not an optimization, but the search for the best possible outcome. The recovery boiler dynamic model was simulated using Matlab(TM) Simulink(TM) based on the mathematic model of B&W (Babcock&Wilcox) recovery boiler of black liquor. The MAS was implemented using JAVA(TM) programming language and JADE(TM) agent platform.

Este trabalho apresenta uma avaliação comparativa de desempenho termodinâmico de sistemas térmicos em uma unidade industrial de fabricação de celulose e papel Kraft. Foram coletados dados de projeto e operação para o sistema atual de utilidades e de um novo sistema em fase de implantação. A análise exergética é utilizada como ferramenta de avaliação quantitativa e qualitativa para os principais componentes do sistema de cogeração de energia: caldeiras de força, caldeiras de recuperação química, turbinas e válvulas redutoras. Diferentes critérios de desempenho globais e relativos são determinados através de balanços simultâneos de energia e entropia (balanços exergéticos). As irreversibilidades ou entropia gerada nos sistemas são determinadas através da exergia destruída. Esta abordagem revela os principais pontos onde a energia é degradada em sua qualidade, indicando onde devem ser buscadas alternativas de otimização termoeconômica para um melhor aproveitamento dos recursos energéticos disponíveis. / This work presents a comparative evaluation from thermodynamic performance view of thermal systems in a Kraft pulp and paper mill. The design information and the data of the industrial operation were collected for the current utility system and for the new system that has been buit. The exergy analysis is applied as the quantitative and qualitative evaluation tool for the main energy conversion systems: power boilers, chemical recovery boiler, turbines and throttling valves. Different global and relatives performance criteria are estimated by simultaneous energy and entropy balances (exergy balances). The irreversibility or generated entropy in the systems is determined by the destroyed exergy. This approach reveals the places where energy quality is mainly degraded and shows where alternatives for optimization must be sought for a better use of the available energetic resources.

L'influence d'un système hydrothermal au sein d'un édifice volcanique est un concept encore peu étudiée au regard de son importance pour la stabilité d'un volcan. Ce travail s'intéresse à la relation entre système hydrothermal et tectonique à travers l'étude des déformations engendrées dans un cône volcanique par le fluage de roches affectées par l'altération hydrothermale. La présence de ces argiles, ductiles à l'échelle de temps considérée, modifie profondément le comportement d'un édifice volcanique au cours de son évolution, pouvant conduire à la formation de grandes structures d'effondrement de type caldera. La confrontation de modèles analogiques avec la géologie et les données géophysiques nous permet de contraindre dans ce sens l'interprétation des structures d'effondrement observées par exemple sur Nuku Hiva (Polynésie française) et sur le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion). La modélisation analogique montre également que la formation du plancher plat d'une caldera peut être le résultat d'un processus syneffondrement, ne nécessitant pas de resurfaçage postérieur par érosion ou mise en place de nouveaux produits éruptifs. Les expériences nous permettent d'identifier la pente du cône et la diminution des contraintes latérales sur l'édifice comme les paramètres prépondérants à l'origine de la déformation. Les variations de ces paramètres sont déterminantes pour la morphologie de la caldera.

O desafio para a área de monitoramento de processos, em indústrias químicas, ainda é a etapa de detecção, com a necessidade de desenvolvimento de sistemas confiáveis. Pode-se resumir que um sistema é confiável, ao ser capaz de detectar as situações anormais, de modo precoce, e, ao mesmo tempo, de minimizar a geração de alarmes falsos. Ao se ter um sistema confiável, pode-se empregá-lo para auxiliar o operador, de fábricas, no processo de tomada de decisões. O objetivo deste estudo é apresentar uma metodologia, baseada na técnica, modelo oculto de Markov (HMM, acrônimo de ?Hidden Markov Model?), para se detectar situações anormais em caldeiras de recuperação química. As aplicações de maior sucesso de HMM são na área de reconhecimento de fala. Pode-se citar como aspectos positivos: o raciocínio probabilístico, a modelagem explícita, e a identificação a partir de dados históricos. Fez-se duas aplicações. O primeiro estudo de caso é no ?benchmark? de um sistema de evaporação múltiplo efeito de uma fábrica de produção de açúcar. Identificou-se um HMM, característico de operação normal, para se detectar cinco situações anormais no atuador responsável por regular o fluxo de xarope de açúcar para o primeiro evaporador. A detecção, para as três situações abruptas, é imediata, uma vez que o HMM foi capaz de detectar alterações, abruptas, no sinal da variável monitorada. Em relação às duas situações incipientes, foi possível detectá-las ainda em estágio inicial; ao ser o valor de f (vetor responsável por representar a intensidade de um evento anormal, com o tempo), no instante da detecção, próximo a zero, igual a 2,8% e 2,1%, respectivamente. O segundo estudo de caso é em uma caldeira de recuperação química, de uma fábrica de produção de celulose, no Brasil. O objetivo é monitorar o acúmulo de depósitos de cinzas sobre os equipamentos da sessão de transferência de calor convectivo, através de medições de perda de carga. Este é um dos principais desafios para se aumentar a eficiência operacional deste equipamento. Após a identificação de um HMM característico de perda de carga alta, pôde-se verificar a sua capacidade de informar o estado atual e, por consequência, a tendência do sistema, de modo similar à um preditor. Pôde-se demonstrar também a utilidade de se definir limites de controle, com o objetivo de se ter a informação sobre a distância entre o estado atual e os níveis de alarme de perda de carga. / The greatest challenge faced by the area of process monitoring in chemical industries still resides in the fault detection task, which aims at developing reliable systems. One may say that a system is reliable if it is able to perform early fault detection and, at the same time, to reduce the generation of false alarms. Once there is a reliable system available, it can be employed to help operators, in factories, in the decisionmaking process. The aim of this study is presenting a methodology, based on the Hidden Markov Model (HMM) technique, suggesting its use in the detection of abnormal situations in chemical recovery boilers. The most successful applications of HMM are in the area of speech recognition. Some of its advantages are: probabilistic reasoning, explicit modeling and the identification based on process history data. This study discusses two applications. The first one is on a benchmark of a multiple evaporation system in a sugar factory. A HMM representative of the normal operation was identified, in order to detect five abnormal situations at the actuator responsible for controlling the syrup flow to the first evaporator. The detection result for the three abrupt situations was immediate, since the HMM was capable of detecting the statistical changes on the signal of the monitored variable as soon as they occurred. Regarding to the two incipient situations, the detection was done at an early stage. For both events, the value of vector f (responsible for representing the strength of an abnormal event over time), at the time it occurred, was near zero, equal to 2.8 and 2.1%, respectively. The second case study deals with the application of HMM in a chemical recovery boiler, belonging to a cellulose mill, in Brazil. The aim is monitoring the accumulation of ash deposits over the equipments of the convective heat transfer section, through pressure drop measures. This is one of the main challenges to be overcome nowadays, bearing in mind the interest that exists in increasing the operational efficiency of this equipment. Initially, a HMM for high values of pressure drop was identified. With this model, it was possible to check its capacity to inform the current state, and consequently, the tendency of the system (similarly as a predictor). It was also possible to show the utility of defining control limits, in order to inform the operator the relative distance between the current state of the system and the alarm levels of pressure drop.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:51:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3491.pdf: 1251165 bytes, checksum: 650dd47d0fec8bae05ba378f445f91dc (MD5) Previous issue date: 2011-02-11 / Universidade Federal de Sao Carlos / The aim of this work was to develop and apply a mathematical optimization model to support some key decisions in the steam production operation system with multiple industrial boilers. In the food industry, key decisions into this system are, normally, taken based on people experience, not through decision support tools based on operations research. The proposed model approaches the fuel replenishment decisions, fuel transportation and fuel inventory management. The model also determines the start-up and shutdown moments for each boiler, as well as, which of them will produce steam. An algebraic modeling language was used to implement computationally the model, which was solved by an optimization software. The adjustments and model validation were performed through a case study carried out in a large scale food industry localized in Goiania (GO). In computational experiments conducted with company s data, the results obtained by the model showed better economic performance than those from the company. In face of the good outcomes obtained by applying the model and the lack of protocols or decision tools for the studied system, this model presents itself as a feasible alternative to be considered to support some key-decisions in the steam production system with industrial boilers. / O objetivo deste trabalho foi desenvolver e aplicar um modelo matemático de otimização para apoiar algumas das principais decisões na operação de produção de vapor em múltiplas caldeiras industriais. Em indústrias de alimentos, essas decisões, em geral, são tomadas com base na experiência dos envolvidos e não com ferramentas de auxílio à tomada de decisão apoiadas pela pesquisa operacional. O modelo proposto contempla as decisões de aquisições de combustíveis dos fornecedores, o transporte para fábrica e o gerenciamento dos estoques dos combustíveis adquiridos no sistema. O modelo também determina os momentos de acionamento e desligamento das caldeiras, bem como em quais delas haverá produção de vapor. Uma linguagem de modelagem algébrica foi utilizada para implementar computacionalmente o modelo, que foi resolvido por meio de um software de otimização. Os ajustes e a validação do modelo ocorreram por meio de um estudo de caso realizado em uma indústria de alimentos de grande porte localizada em Goiânia (GO). Nos experimentos realizados com os dados fornecidos pela empresa, os resultados obtidos com o modelo apresentaram melhores desempenhos econômicos do que aqueles praticados pela operação real. Diante dos bons resultados alcançados na aplicação do modelo em situações reais e da ausência de protocolos ou ferramentas para apoiar as decisões no sistema estudado, o modelo proposto apresenta-se como uma alternativa viável para apoiar algumas das principais decisões na operação de produção de vapor em caldeiras industriais.

O desafio para a área de monitoramento de processos, em indústrias químicas, ainda é a etapa de detecção, com a necessidade de desenvolvimento de sistemas confiáveis. Pode-se resumir que um sistema é confiável, ao ser capaz de detectar as situações anormais, de modo precoce, e, ao mesmo tempo, de minimizar a geração de alarmes falsos. Ao se ter um sistema confiável, pode-se empregá-lo para auxiliar o operador, de fábricas, no processo de tomada de decisões. O objetivo deste estudo é apresentar uma metodologia, baseada na técnica, modelo oculto de Markov (HMM, acrônimo de ?Hidden Markov Model?), para se detectar situações anormais em caldeiras de recuperação química. As aplicações de maior sucesso de HMM são na área de reconhecimento de fala. Pode-se citar como aspectos positivos: o raciocínio probabilístico, a modelagem explícita, e a identificação a partir de dados históricos. Fez-se duas aplicações. O primeiro estudo de caso é no ?benchmark? de um sistema de evaporação múltiplo efeito de uma fábrica de produção de açúcar. Identificou-se um HMM, característico de operação normal, para se detectar cinco situações anormais no atuador responsável por regular o fluxo de xarope de açúcar para o primeiro evaporador. A detecção, para as três situações abruptas, é imediata, uma vez que o HMM foi capaz de detectar alterações, abruptas, no sinal da variável monitorada. Em relação às duas situações incipientes, foi possível detectá-las ainda em estágio inicial; ao ser o valor de f (vetor responsável por representar a intensidade de um evento anormal, com o tempo), no instante da detecção, próximo a zero, igual a 2,8% e 2,1%, respectivamente. O segundo estudo de caso é em uma caldeira de recuperação química, de uma fábrica de produção de celulose, no Brasil. O objetivo é monitorar o acúmulo de depósitos de cinzas sobre os equipamentos da sessão de transferência de calor convectivo, através de medições de perda de carga. Este é um dos principais desafios para se aumentar a eficiência operacional deste equipamento. Após a identificação de um HMM característico de perda de carga alta, pôde-se verificar a sua capacidade de informar o estado atual e, por consequência, a tendência do sistema, de modo similar à um preditor. Pôde-se demonstrar também a utilidade de se definir limites de controle, com o objetivo de se ter a informação sobre a distância entre o estado atual e os níveis de alarme de perda de carga. / The greatest challenge faced by the area of process monitoring in chemical industries still resides in the fault detection task, which aims at developing reliable systems. One may say that a system is reliable if it is able to perform early fault detection and, at the same time, to reduce the generation of false alarms. Once there is a reliable system available, it can be employed to help operators, in factories, in the decisionmaking process. The aim of this study is presenting a methodology, based on the Hidden Markov Model (HMM) technique, suggesting its use in the detection of abnormal situations in chemical recovery boilers. The most successful applications of HMM are in the area of speech recognition. Some of its advantages are: probabilistic reasoning, explicit modeling and the identification based on process history data. This study discusses two applications. The first one is on a benchmark of a multiple evaporation system in a sugar factory. A HMM representative of the normal operation was identified, in order to detect five abnormal situations at the actuator responsible for controlling the syrup flow to the first evaporator. The detection result for the three abrupt situations was immediate, since the HMM was capable of detecting the statistical changes on the signal of the monitored variable as soon as they occurred. Regarding to the two incipient situations, the detection was done at an early stage. For both events, the value of vector f (responsible for representing the strength of an abnormal event over time), at the time it occurred, was near zero, equal to 2.8 and 2.1%, respectively. The second case study deals with the application of HMM in a chemical recovery boiler, belonging to a cellulose mill, in Brazil. The aim is monitoring the accumulation of ash deposits over the equipments of the convective heat transfer section, through pressure drop measures. This is one of the main challenges to be overcome nowadays, bearing in mind the interest that exists in increasing the operational efficiency of this equipment. Initially, a HMM for high values of pressure drop was identified. With this model, it was possible to check its capacity to inform the current state, and consequently, the tendency of the system (similarly as a predictor). It was also possible to show the utility of defining control limits, in order to inform the operator the relative distance between the current state of the system and the alarm levels of pressure drop.