MANUAL DE OPERAÇÃO
E TREINAMENTO
VASO SEPARADOR
DE TESTE
© 2007, IESA
MANUAL DE OPERAÇÃO
E TREINAMENTO
VASO SEPARADOR
DE TESTE
Giovani Pasetti
[email protected]
Projetos Equip. e Mont. S/A
Rod. Manoel de Abreu, Km 4,5
14806-500 Araraquara-SP Brasil
www.iesa.com.br
APRESENTAÇÃO
Visando atender as exigências da Agência Nacional de Petróleo (ANP), que impôs
maior rigor nas medições de produção de poços de petróleo, a Petrobrás-BA adquiriu
da IESA, um moderno Sistema Separador de Teste que viabiliza a separação e
medição dos fluidos (óleo e gás) produzidos em poços de petróleo conforme as novas
normas da ANP.
O equipamento permite que sejam feitas medições individualizadas dos fluidos
produzidos para catalogar seu fluxo de produção, possibilitando inclusive a avaliação
do potencial de poços pioneiros (reservatórios recém descobertos) para a declaração
de comercialização de um campo.
Embora o princípio de funcionamento seja semelhante a muitos outros sistemas de
separação, este equipamento possui dispositivos internos mais eficazes na separação,
além de possuir uma elevada capacidade de medição de vazão à altas
pressões. Desta forma, é possível atender poços dos mais variados tipos e nas mais
diversas localidades.
As unidades de separação móveis existentes possuem uma instrumentação de
medição predominantemente mecânica. Diferentemente, este novo sistema possui
uma instrumentação totalmente eletrônica, dotada de um computador de vazão que
calcula e compensa as vazões instantaneamente. Todas as leituras das variáveis,
registros e relatórios de medição são efetuados automaticamente, não existindo mais
a necessidade de leituras manuais e cálculos em planilhas.
Em virtude disso, este manual tem por objetivo treinar as pessoas envolvidas, para
torná-las aptas a operarem satisfatoriamente o equipamento de separação, bem como
todos os instrumentos que dele fazem parte.
Além de uma descrição do processo de separação, são abordados detalhes de
diversos tipos de instrumentos existentes no mercado, sempre focando a
instrumentação que fora adotada para o sistema separador. São discutidos, os
conceitos das variáveis medidas no processo e mediante a isto, esclarece como opera
cada um dos dispositivos de medição, controle e segurança do vaso separador.
É apresentada também uma explanação sobre Áreas Classificadas e Teoria de
Controle, cujos conceitos e práticas são aplicadas ao sistema separador.
SUMÁRIO
APRESENTAÇÃO.......................................................................................................... 3
SUMÁRIO....................................................................................................................... 4
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS ................................................................................................... 11
1. SISTEMA SEPARADOR.......................................................................................... 12
1-COMPONENTES DO SISTEMA SEPARADOR DE TESTE ................................. 12
2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ................................................................................ 15
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 15
2 - PROCESSO DE SEPARAÇÃO ........................................................................... 16
3. INSTRUMENTAÇÃO................................................................................................ 19
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 19
2 - CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS ...................................... 19
2.1 - Classificação ................................................................................................. 19
2.2 - Definições...................................................................................................... 20
3 - IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS ...................................... 21
4 - INSTRUMENTAÇÃO DO VASO SEPARADOR .................................................. 24
4. TRANSMISSORES .................................................................................................. 27
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 27
2 - ALIMENTAÇÃO E SINAL .................................................................................... 27
3 - PROTEÇÃO......................................................................................................... 28
4 - INDICAÇÃO LOCAL ............................................................................................ 28
5 - MONTAGEM........................................................................................................ 28
6 - SINAIS DE SAÍDA ............................................................................................... 28
5. COMPUTADOR DE VAZÃO .................................................................................... 29
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 29
2 - STARDOM ........................................................................................................... 30
SUMÁRIO
6. PAINÉIS ................................................................................................................... 31
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 31
2 - PAINEL DE CONTROLE ..................................................................................... 31
3 - PAINEL DE ALIMENTAÇÃO E PAINEL DAS BATERIAS ................................... 33
4 - CAIXAS DE JUNÇÃO .......................................................................................... 34
7. MEDIDORES DE TEMPERATURA ......................................................................... 36
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 36
2 - CONCEITO DE TEMPERATURA........................................................................ 36
3 - ESCALAS DE TEMPERATURA .......................................................................... 37
3.1 - Escala Celsius............................................................................................... 37
3.2 - Escala Fahreinheit......................................................................................... 37
3.3 - Escala Kelvin................................................................................................. 38
3.4 - Escala Rankine ............................................................................................. 38
4 - MEDIDORES DE TEMPERATURA ..................................................................... 39
5 - TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA ................................................. 39
5.1 - Poço Termométrico ....................................................................................... 41
6 - TRANSMISSOR DE TEMPERATURA ................................................................ 41
8. MEDIDORES DE NÍVEL .......................................................................................... 44
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 44
2 - CLASSIFICAÇÃO DOS MEDIDORES DE NÍVEL ............................................... 44
3 - VISORES DE NÍVEL............................................................................................ 45
4 - TRANSMISSOR DE NÍVEL RADAR POR ONDA GUIADA................................. 46
9. MEDIDORES DE PRESSÃO ................................................................................... 48
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 48
1.1 - Pressão Estática ........................................................................................... 48
1.2 - Pressão Dinâmica ......................................................................................... 48
1.3 - Pressão Total ................................................................................................ 48
2 - TIPOS DE PRESSÃO.......................................................................................... 49
2.1 - Pressão atmosférica...................................................................................... 49
2.2 - Pressão absoluta........................................................................................... 49
2.3 - Pressão manométrica (gage) ........................................................................ 49
2.4 - Pressão diferencial........................................................................................ 49
3 - UNIDADES DE PRESSÃO .................................................................................. 50
4 - ELEMENTO TIPO ELÁSTICO (MANÔMETRO).................................................. 50
4.1 - Manômetro com Tubo de Bourdon................................................................ 51
5
SUMÁRIO
5 - TIPOS DE SENSORES ELETRÔNICOS DE PRESSÃO .................................... 52
5.1 - Sensor Extensométrico (Strain Gage)........................................................... 52
5.2 - Sensor Piezoelétrico ..................................................................................... 53
5.3 - Sensor Capacitivo (Célula Capacitiva).......................................................... 53
5.4 - Sensor por Silício Ressonante ...................................................................... 53
6 - TRANSMISSOR DE PRESSÃO (SILÍCIO RESSONANTE) ................................ 53
6.1 - Construção e Funcionamento do Sensor...................................................... 54
10. MEDIDORES DE VAZÃO ...................................................................................... 56
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 56
2 - DEFINIÇÃO ......................................................................................................... 56
2.1 - Vazão Volumétrica ........................................................................................ 56
2.2 - Vazão Mássica .............................................................................................. 57
2.3 - Vazão Gravitacional ...................................................................................... 57
3 - CONCEITOS FÍSICOS BÁSICOS ....................................................................... 57
3.1 - Calor Específico ............................................................................................ 57
3.2 - Viscosidade ................................................................................................... 58
3.3 - Tipos de Escoamento.................................................................................... 58
3.4 - Número de Reynolds..................................................................................... 59
4 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS MEDIDORES ............................................ 60
5 - PLACA DE ORIFÍCIO .......................................................................................... 60
5.1 - Princípio de Operação e Equações............................................................... 61
5.2 - Cálculo da Placa de Orifício .......................................................................... 63
5.3 - Medição Sem o Computador de Vazão ........................................................ 65
5.4 - Tipo de Orifício .............................................................................................. 66
5.5 - Tomadas ....................................................................................................... 66
5.6 - Válvula Porta Placas ..................................................................................... 66
5.7 - Trecho Reto................................................................................................... 67
5.8 - Condicionador de Fluxo ................................................................................ 68
6 - TRANSMISSOR DE VAZÃO (PRESSÃO DIFERENCIAL).................................. 68
7 - TRANSMISSOR DE VAZÃO (MEDIDOR CORIOLIS)......................................... 69
7.1 - A Força de Coriolis........................................................................................ 69
7.2 - Aplicação do Efeito de Coriolis aos Medidores de Vazão............................. 70
11. VÁLVULAS DE CONTROLE ................................................................................. 73
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 73
2 - COMPONENTES................................................................................................. 73
6
SUMÁRIO
2.1 - Atuador.......................................................................................................... 74
2.2 - Corpo e Internos............................................................................................ 74
2.3 - Castelo e Engaxetamento ............................................................................. 75
3 - CARACTERÍSTICA DA VÁLVULA ...................................................................... 75
4 - POSICIONADORES ............................................................................................ 77
5 - VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO ..................................................... 77
6 - VÁLVULAS DE CONTROLE DO VASO SEPARADOR ...................................... 79
12. VÁLVULAS DE SEGURANÇA .............................................................................. 80
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 80
2 - OBJETIVO ........................................................................................................... 81
3 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO ............................................................................... 81
4 - VÁLVULAS DE SEGURANÇA DO VASO SEPARADOR.................................... 82
13. ÁREA CLASSIFICADA.......................................................................................... 83
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 83
2 - QUADRADO DO FOGO ...................................................................................... 83
3 - CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA ............................................................................... 83
3.1 - Zona .............................................................................................................. 84
3.2 - Grupo ............................................................................................................ 84
3.3 - Normas IEC, NEC e ATEX............................................................................ 85
4 - CLASSIFICAÇÃO DE TEMPERATURA .............................................................. 86
5 - TIPOS DE PROTEÇÃO CONTRA EXPLOSÃO .................................................. 87
5.1 - Prova de Explosão (Ex-d) ............................................................................. 87
5.2 - Segurança Intrínseca (Ex-i)........................................................................... 88
5.3 - Segurança Aumentada (Ex-e)....................................................................... 89
5.4 - Pressurização ou Purga (Ex-p) ..................................................................... 90
6 - PROTEÇÃO EM FUNÇÃO DA CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA.............................. 90
6.1 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 0 ........................................ 90
6.2 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 1 ........................................ 90
6.3 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 2 ........................................ 91
7 - PROTEÇÃO PROVIDA PELO INVÓLUCRO....................................................... 91
8 - INSTALAÇÕES DO VASO SEPARADOR........................................................... 92
14. TEORIA DE CONTROLE ....................................................................................... 96
1 - INTRODUÇÃO..................................................................................................... 96
2 - DEFINIÇÕES ....................................................................................................... 97
3 - CONCEITOS........................................................................................................ 97
7
SUMÁRIO
3.1 - Objetivo do Controle de Processos............................................................... 97
3.2 - Princípio de Operação de um Sistema de Controle ...................................... 98
3.3 - Controle em Malha Aberta e Malha Fechada................................................ 98
3.4 - Diagrama de Blocos ...................................................................................... 99
4 - AÇÕES DE CONTROLE ..................................................................................... 99
4.1 - Controle Liga-Desliga (On-Off).................................................................... 100
4.2 - Controle Proporcional (P)............................................................................ 100
4.3 - Controle Proporcional Integral (PI).............................................................. 101
4.4 - Controle Proporcional Derivativo (PD) ........................................................ 102
4.5 - Controle Proporcional Integral Derivativo (PID) .......................................... 103
5 - CONTROLE DAS VARIÁVEIS........................................................................... 105
5.1 - Vazão .......................................................................................................... 105
5.2 - Pressão ....................................................................................................... 106
5.3 - Nível ............................................................................................................ 106
5.4 - Temperatura................................................................................................ 106
5.5 - Sugestões Práticas ..................................................................................... 107
6 - SINTONIA DE CONTROLADORES PID ........................................................... 107
6.1 - Método da Sensibilidade Limite .................................................................. 107
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 110
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Componentes do Sistema Separador de Teste (Lateral Esquerda)......... 13
Figura 1.2 - Componentes do Sistema Separador de Teste (Lateral Direita) .............. 14
Figura 2.1 - Sistema Separador de Teste..................................................................... 15
Figura 2.2 – Esquema do processo de separação gás-líquido .................................... 16
Figura 2.3 – Separador ciclone..................................................................................... 17
Figura 2.4 – Eliminador de névoa Vane ....................................................................... 17
Figura 2.5 – Estrutura do quebra-espuma.................................................................... 18
Figura 2.6 – Internos do vaso separador...................................................................... 18
Figura 3.1 – Diagrama de instrumentação ................................................................... 26
Figura 5.1 – Estação de controle autônoma................................................................. 30
Figura 6.1 – Conjunto interligando dos painéis de controle, alimentação e bateria ..... 31
Figura 6.2 – Painel de controle com detalhe da IHM.................................................... 32
Figura 6.3 – Parte interna do painel de controle........................................................... 32
Figura 6.4 – Parte interna do painel de alimentação e painel das baterias.................. 34
Figura 6.5 – Caixas de junção ...................................................................................... 34
Figura 7.1 – Temperatura x Resistência de um Pt-100 ................................................ 40
Figura 7.2 – Transmissor de temperatura acoplado ao poço termométrico ................. 42
Figura 7.3 – Conexão a 3 fios entre o Pt-100 e o Transmissor .................................... 42
Figura 8.1 - Visor de nível............................................................................................. 46
Figura 8.2 – Transmissor de nível radar....................................................................... 47
Figura 9.1 – Relação dos tipos de pressão .................................................................. 49
Figura 9.2 – Construção básica do manômetro de Bourdon tipo “C” ........................... 51
Figura 9.3 – Manômetro da estação de redução.......................................................... 52
Figura 9.4 – Transmissor de pressão flangeado .......................................................... 54
Figura 9.5 – Sensor por silício ressonante ................................................................... 55
Figura 9.6 – Princípio de funcionamento do sensor por silício ressonante .................. 55
Figura 10.1 – Vazão com regime laminar..................................................................... 59
Figura 10.2 – Vazão com regime turbulento................................................................. 59
Figura 10.3 – Esquema de uma placa de orifício ......................................................... 63
Figura 10.4 - Porta placas e placa de orifício ............................................................... 67
LISTA DE FIGURAS
Figura 10.5 – Trecho reto ............................................................................................. 68
Figura 10.6 – Transmissor de vazão e pressão ........................................................... 68
Figura 10.7 – Ilustração do efeito Coriolis .................................................................... 69
Figura 10.8 – Ação do efeito de Coriolis nos tubos do medidor ................................... 70
Figura 10.9 – Medidor de vazão mássica com tubos em forma de U .......................... 71
Figura 10.10 - Medidor mássico e transmissor de vazão remoto................................ 72
Figura 11.1 – Componentes de uma válvula de controle ............................................. 73
Figura 11.2 - Característica dos obturadores das válvulas globo................................. 76
Figura 11.3 – Característica das gaiolas das válvulas globo........................................ 76
Figura 11.4 – Curva característica de válvulas............................................................. 77
Figura 11.5 – Componentes da estação de redução.................................................... 78
Figura 11.6 – Estação de redução................................................................................ 79
Figura 11.7 – Válvulas de controle de nível e pressão................................................. 79
Figura 12.1 – Partes de uma válvula de segurança e alívio convencional................... 80
Figura 12.2 - Posições da válvula de segurança e alívio ............................................. 82
Figura 12.3 – Válvulas de segurança e Alívio .............................................................. 82
Figura 13.1 – Quadrado do Fogo ................................................................................. 83
Figura 13.2 – Circuito intrinsecamente seguro ............................................................. 89
Figura 13.3 – Área classificada do vaso separador...................................................... 93
Figura 13.4 – Cabo armado para a interligação dos instrumentos............................... 94
Figura 13.5 – Prensa cabo em alumínio para cabo armado......................................... 94
Figura 14.1 – Diagrama de blocos de controle............................................................. 99
Figura 14.2 – Controle on-off...................................................................................... 100
Figura 14.3 – Erro de off-set de um controle proporcional ......................................... 101
Figura 14.4 – Resposta em MA de um controlador PI................................................ 102
Figura 14.5 - Resposta em MA de um controlador PD............................................... 103
Figura 14.6 - Ação do controle derivativo para uma amostra de desvios................... 103
Figura 14.7 – Resposta em MA de um controlador PID ............................................. 104
Figura 14.8 – Processo criticamente estável.............................................................. 108
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Relação dos componentes do Sistema Separador de Teste .................. 13
Tabela 3.1 – Exemplo de identificação de instrumento ................................................ 21
Tabela 3.2 – Letras de identificação funcional de instrumentos................................... 22
Tabela 3.3 – Símbolos de identificação de instrumentos ............................................. 23
Tabela 3.4 – Símbolos de linhas para instrumentos..................................................... 24
Tabela 3.5 – Descrição dos instrumentos do vaso separador...................................... 25
Tabela 5.1 – Instrumentos acoplados aos módulos do computador de vazão............. 30
Tabela 9.1 - Conversão de unidades de pressão......................................................... 50
Tabela 9.2 - Elementos de recepção de pressão ......................................................... 51
Tabela 10.1 - Tipos e características dos medidores de vazão ................................... 60
Tabela 10.2 – Variáveis medidas continuamente......................................................... 62
Tabela 10.3 – Resultados do cálculo de vazão ............................................................ 65
Tabela 13.1 – Subdivisão do Grupo II .......................................................................... 85
Tabela 13.2 – Relação entre as normas IEC e NEC (Zonas)....................................... 85
Tabela 13.3 – Relação entre as normas IEC e NEC (Grupos)..................................... 86
Tabela 13.4 – Divisão de Grupos e Categorias ATEX ................................................. 86
Tabela 13.5 – Classificação de temperatura dos instrumentos.................................... 87
Tabela 13.6 – Critérios de interconexão de componentes Ex-i .................................... 89
Tabela 13.7 - Tipos de proteção permitidos em cada zona classificada ...................... 91
Tabela 13.8 – Designação dos algarismos do Índice de Proteção (IP)........................ 92
Tabela 13.9 – Comparação aproximada entre graus de proteção IEC e NEMA.......... 92
Tabela 13.10 - Equipamentos instalados no vaso separador e suas proteções .......... 93
Tabela 13.11 – Dados de marcação dos fabricantes para os instrumentos Ex-i ......... 95
Tabela 14.1 – Efeito de cada parâmetro PID sobre o processo................................. 105
Tabela 14.2 – Sugestões práticas de ações de controle............................................ 107
Tabela 14.3 – Fórmula para o cálculo dos parâmetros do controlador ...................... 108
Tabela 14.4 – Tentativas para melhorar o desempenho do processo ....................... 109
1. SISTEMA SEPARADOR
1-COMPONENTES DO SISTEMA SEPARADOR DE TESTE
O sistema separador de teste é composto pelos componentes numerados e descritos
na Tabela 1.1 e ilustrados na Figura 1.1 e Figura 1.2.
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
DESCRIÇÃO
Vaso Separador
Estrutura do Skid
Válvula de Controle de Nível (LV-001)
Válvula de Controle de Pressão (PV-003)
Posicionador da Válvula de Nível
Posicionador da Válvula de Pressão
Transmissor de Pressão de Líquido (PIT-001)
Transmissor de Pressão de Gás (PIT-002)
Transmissor de Pressão do Vaso (PIT-003)
Transmissor de Vazão de Líquido (FIT-001)
Transmissor de Vazão de Gás (FIT-002)
Medidor Mássico
Porta Placas
Trecho Reto (Jusante)
Trecho Reto (Montante)
Transmissor de Temperatura de Líquido (TIT-001)
Transmissor de Temperatura de Gás(TIT-002)
Transmissor de Nível do Vaso (LIT-001)
Manômetro (PI-004)
Estação de Redução (PCV-001)
Válvula de Segurança (PSV-001)
Válvula de Segurança (PSV-002)
Visor de Nível (LG-002)
Caixa de Junção de Sinal (CJE-01)
Caixa de Junção de Alimentação (CJA-01)
Eletrocalha
Porta-Cabos
Válvula de Bloqueio da Saída de Óleo
Válvula By-Pass da Tubulação de Óleo
Válvula By-Pass da Tubulação de Gás
Válvula de Bloqueio da Saída de Óleo
Válvula de Bloqueio da Saída de Gás
Válvula de Bloqueio do Medidor Mássico (Jusante)
Válvula de Bloqueio do Medidor Mássico (Montante)
Válvula By-Pass do Medidor Mássico
SISTEMA SEPARADOR
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
Válvula de Bloqueio do Dreno de Óleo
Válvula de Bloqueio da Entrada de Produto
Válvula de Bloqueio do Visor de Nível (Superior)
Válvula de Bloqueio do Visor de Nível (Inferior)
Válvula de Bloqueio do Transmissor de Pressão
Válvula de Bloqueio da Estação de Redução
Boca de Visita
Bocal de Entrada de Produto
Bocal Extra de Saída de Óleo
Bocal de Saída de Gás
Bocal de Saída Extra de Óleo
Bocal de Saída Extra de Óleo
Tabela 1.1 – Relação dos componentes do Sistema Separador de Teste
Figura 1.1 – Componentes do Sistema Separador de Teste (Lateral Esquerda)
13
SISTEMA SEPARADOR
Figura 1.2 - Componentes do Sistema Separador de Teste (Lateral Direita)
14
2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
1 - INTRODUÇÃO
A finalidade básica do Sistema Separador de Teste, ilustrado na Figura 2.1, é medir a
capacidade de produção de poços petrolíferos. O sistema fará a separação e medição
das vazões das fases líquida e gasosa a partir do recebimento de produto do poço
cujo potencial se pretende avaliar.
O teste do potencial de um poço pioneiro é importante para a determinação da
capacidade de produção diária do reservatório. Assim é possível selecionar os meios
adequados de armazenamento do produto. Da mesma forma, para reservatórios já em
operação, realizam-se com regularidade durante a sua vida de produção, testes de
potencial para catalogar seu fluxo de produção.
Figura 2.1 - Sistema Separador de Teste
A capacidade de produção de um poço e a relação óleo x gás existente, são testadas
utilizando-se o sistema de separação gás-liquido. Esta operação consiste,
basicamente, na interligação da linha de saída do poço ao vaso separador. Devido a
alta pressão na saída do poço é inserido na tubulação de interligação uma peça
denominada choke. Esta peça possui um orifício de restrição responsável pela
redução da pressão, que pode chegar a 5000 psig antes da entrada no sistema, para
valores na faixa de 500 a 1500 psig.
DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Junto com a redução da pressão, o choke limita também a vazão de petróleo e gás
que escoa para o separador. São utilizados chokes com diversos tamanhos de furos,
dependendo da pressão do poço e da pressão e vazão na qual se deseja fazer o teste.
A Figura 2.2, a seguir, mostra esquematicamente este procedimento.
Figura 2.2 – Esquema do processo de separação gás-líquido
A válvula de controle PV controla a saída de gás, de modo que a pressão permaneça
constante no valor desejado. Deste modo, após a estabilização da pressão no valor
predeterminado, a quantidade de gás que sai é igual à quantidade que entra. Assim,
medindo-se a vazão de saída de gás do separador estamos medindo a vazão de gás
que sai do poço.
A válvula de controle LV controla o nível no vaso separador de teste de modo a mantêlo constante. Nesta condição, a vazão de líquido que sai do vaso separador será igual
a vazão de liquido que está saindo do poço.
Alguns separadores permitem também a separação da água e do petróleo, o que,
entretanto, não esta sendo previsto neste projeto.
2 - PROCESSO DE SEPARAÇÃO
A mistura óleo-gás proveniente do poço entra no separador pelo bocal de entrada,
onde ocorre a separação da maior parte do gás e do óleo. Neste bocal, no lugar de se
colocar tradicionalmente uma placa defletora (chicana) perpendicular à trajetória do
produto, para evitar que a corrente de alimentação se projete dentro do vaso, é
instalado um separador Ciclone (Figura 2.3).
Neste dispositivo de separação, o produto sofre uma variação tangencial em sua
direção, promovendo uma força centrífuga. Diante disso, o líquido, que possui maior
inércia, tende a se juntar na forma de lâmina nas paredes do cilindro, se separando do
gás.
Este tipo de separação, ao contrário da chicana, evita o impacto e fragmentação do
produto. Conseqüentemente diminui o arraste de líquido no gás e a formação de
espuma dentro do vaso, que prejudica o controle de nível e afeta a performance dos
demais internos de separação.
16
DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Figura 2.3 – Separador ciclone
O óleo acumula-se no fundo do separador, de onde é retirado continuamente através
do bocal de saída inferior. A vazão de retirada é controlada pela válvula de controle
LV, de modo que o nível seja mantido constante.
O gás efluente do separador centrifugo passa a ocupar todo o espaço acima do nível
de óleo e escoa na direção do bocal de saída superior. Como o gás ainda arrasta uma
quantidade de óleo na forma de pequenas gotas, existe um Eliminador de Névoa Vane
(palheta), ilustrado na Figura 2.4, que opera pelo principio de impacto. O dispositivo
possui 3 fileiras de placas em forma de ”V” nas quais as gotas de líquido colidem e
escorrem, juntando-se ao líquido no fundo do vaso separador.
Figura 2.4 – Eliminador de névoa Vane
Posteriormente o produto passa por um outro Eliminador de Névoas Vane, com o
mesmo principio de operação, porém com um espaçamento mais estreito entre as
placas. Este eliminador é alojado em uma estrutura metálica (Figura 2.5) sendo o
conjunto chamado de Quebra Espuma, responsável pela atenuação da mesma.
Antes de sair pelo bocal superior, o gás deve ainda passar por um Eliminador de
Névoa Demister, constituído por uma malha (tela), que retém as gotas de líquido
remanescentes.
17
DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Figura 2.5 – Estrutura do quebra-espuma
Além desses internos responsáveis pelo processo de separação, existem outros dois
que auxiliam na medição do nível e na proteção contra corrosão.
O primeiro é o tubo acalmador, que ajuda a proteger a haste do medidor de nível
(Capítulo 8), suavizando as oscilações provocadas por possíveis agitações no nível de
líquido. O segundo é um conjunto de cinco discos de alumínio, conhecidos como
anodos de sacrifício. A proteção ocorre devido ao princípio da eletrólise. A imersão em
água de dois metais diferentes cria uma pequena corrente que corrói o anodo (devido
a liberação de elétrons) ao invés das paredes do vaso e dos outros internos. Para
manter a eficiência, o anodo deve ser trocado quando chegar a 50% de desgaste.
A Figura 2.6 ilustra os internos do vaso separador
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Separador Ciclone
Anodo de Sacrifício
Eliminador de Névoas Vane
Quebra espuma (Eliminador de Névoas Vane)
Tubo acalmador
Eliminador de Névoas Demister
Figura 2.6 – Internos do vaso separador
Durante o processo de separação deve ser observado que tanto a Pressão de Projeto
como a Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) do vaso separador são de
99,4 kgf/cm2 (1413.8 psi), limitada pela taxa de #600 dos flanges. A pressão de
operação máxima foi calculada em 88 kgf/cm2 (1251.7 psi).
18
3. INSTRUMENTAÇÃO
1 - INTRODUÇÃO
A Instrumentação pode ser definida como “a arte e ciência da medição e controle”. O
termo instrumentação pode ser utilizado para fazer menção à área de trabalho dos
técnicos e engenheiros de processo (instrumentistas e engenheiros de
instrumentação), que lidam com os aparelhos do processo produtivo, mas também
pode referir-se aos vários métodos e utilizações possíveis para os instrumentos.
Um instrumento é um dispositivo que é utilizado para medir grandezas características
de sistemas físicos. As variáveis medidas são praticamente todas as variáveis
mensuráveis relacionadas com as ciências físicas, tais como pressão, temperatura,
nível, vazão, densidade, viscosidade, etc. O instrumento também pode ser visto
simplesmente como um aparelho que ao receber um estímulo na “entrada” produz
uma “saída”.
Geralmente os instrumentos estão ligados a um sistema de controle qualquer, o qual
analisa a medição enviada pelo instrumento. A resposta gerada pelo controlador é
enviada para os atuadores inseridos no processo.
Este ciclo de medição dos valores das variáveis (PV), sua comparação com um valor
de referência ou set-point (SP) e atualização das saídas de controle que, é enviada
para as variáveis manipuladas (MV), é a forma mais simples de descrever os
conceitos associados ao controle de processos. Maiores detalhes sobre teoria de
controle serão enfocado no Capítulo 14.
2 - CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS
2.1 - Classificação
Nas instalações industriais é comum se encontrar arranjos complexos de instrumentos
de medição e controle. Para compreender mais facilmente suas funções, é necessário
analisá-los utilizando-se a classificação adequada.
Os instrumentos podem ser classificados em:
•
Instrumentos Cegos: são instrumentos que não possuem indicação visível do
valor da variável medida, tais como pressostatos e termostatos (chaves de
pressão e temperatura).
•
Instrumentos Indicadores: são instrumentos que dispõem de indicador e
escala graduada, na qual se pode ler o valor da variável medida.
INSTRUMENTAÇÃO
•
Elementos Primários: são elementos que estão em contato direto com a
variável medida e que utilizam ou absorvem energia do próprio meio para
fornecer ao sistema de medição uma resposta em função da variável medida.
•
Transmissores: são instrumentos que detectam as variações na variável
medida através do elemento primário e a transmitem a distância. O elemento
primário pode ou não fazer parte integrante do transmissor. Por sua
importância, este item será melhor abordado no Capítulo 4.
•
Conversores: são instrumentos que recebem um sinal de entrada pneumático
ou elétrico, procedente de um outro instrumento e o converte em um sinal de
saída padrão (4 a 20 mA, por exemplo). Geralmente são parte integrante dos
transmissores.
•
Controladores: são instrumentos que comparam o valor da variável medida
com o valor desejado (set-point) e exercem uma ação de correção na variável
manipulada, função da diferença entre dois valores (erro) e de sua ação de
controle (P, PI, PID). Este assunto será melhor abordado no Capítulo 14.
•
Elementos Finais de Controle: São equipamentos que recebem o sinal do
controlador e em função deste sinal atuam sobre a variável manipulada ou
agente de controle (válvula de controle).
2.2 - Definições
1
•
Faixa de Medida (Range): faixa ou conjuntro de valores da variável medida
que estão compreendidos dentro dos limites superior e inferior de capacidade
de medição, transmissão ou controle do instrumento, vem expressa
estabelecendo os seus valores extremos. Exemplo: a faixa de um instrumento
de temperatura é de 100 a 300 oC.
•
Alcance (Span): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da
faixa medida (range) do instrumento. O instrumento do exemplo anterior possui
um alcance de 200 oC.
•
Erro (Off Set): é a diferença ou o desvio entre o valor do ponto de ajuste (set
point) e o valor medido da variável controlada.
•
Ponto de Ajuste (Set Point): é o ponto de referência no qual o controlador é
ajustado para controlar o processo.
•
Exatidão (Accuracy): é a aptidão de um instrumento para dar respostas
próximas ao valor verdadeiro do mensurando.
•
Precissão (Precision): a palavra precisão foi substituída por repetibilidade1.
•
Repetibilidade (Repeatability): é a capacidade de reprodução ao se medir,
repetidamente, valores idêntico da variável medida nas mesmas condições de
operação e no mesmo sentido de variação.
De acordo com o VIM (Vocabulário Internacional de Metrologia).
20
INSTRUMENTAÇÃO
Se em várias medições obtém-se valores sempre iguais, porém estes valores
estão distantes do valor verdadeiro, pode-se afirmar que as medições possuem
boa repetibilidade, porém uma má exatidão.
•
Sensibilidade (Sensivity): é o valor mínimo que a variável deve mudar para
se obter uma variação na indicação ou transmissão
•
Histerese (Histeresis): é a diferença máxima que se observa nos valores
indicados pelo instrumento quando a variável percorre toda a escala tanto no
sentido crescente como decrescente, para um mesmo valor qualquer da faixa
medida.
•
Elevação de Zero: é a quantidade com que o valor zero da variável supera o
valor inferior da faixa de medida (range).
•
Supressão de Zero: é a quantidade com que o valor inferior da faixa medida
(range) supera o valor zero da variável.
•
Calibração: calibração e aferição são sinônimos e definidos como o conjunto
de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os
valores indicados por um instrumento de medição e os valores
correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. Isso significa que,
a calibração consiste na comparação da indicação de um instrumento
desconhecido com outro instrumento conhecido, caracterizado e rastreado,
chamado de padrão.
3 - IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificações para a
identificação alfa-numérica de instrumentos que deverão ser utilizadas nos diagramas
e malhas de controle de projetos de instrumentação.
O propósito dos símbolos gráficos e codificações estabelecidos pelas normas é
estabelecer uma maneira uniforme de identificação dos instrumentos e sistemas de
instrumentação, facilitar o entendimento dos diagramas e malhas de instrumentação e
viabilizar a comunicação entre usuários, projetistas e fornecedores.
A simbologia mais utilizada mundialmente na área de instrumentação de processos é
a padronizada na norma S 5.1 da ISA (The Instrumentation Systems and Automation
Society).
A padronização da ISA considera que cada instrumento será identificado por um
conjunto de letras e um conjunto de algarismos (ver exemplo na Tabela 3.1).
P
CV
3100.00
001
A
No Seqüencial
Área de
Variável
Função
Sufixo
Atividades
da Malha
Identificação Funcional (Letras)
Identificação da Malha (Algarismos)
Identificação do Instrumento
Tabela 3.1 – Exemplo de identificação de instrumento
21
INSTRUMENTAÇÃO
Letra
A primeira letra do conjunto de letras (Tabela 3.2) indica a variável medida, e as letras
subseqüentes indicam a função que o instrumento desempenha na malha de controle.
PRIMEIRA LETRA
Variável Medida Ou Iniciadora
Primeira letra
Analisador
A
B Chama de queimador
Condutividade
C
elétrica
Densidade ou massa
D
específica (Density)
E
Tensão elétrica
F
G
I
Vazão (Flow)
Escolha do Usuário
Comando Manual
(Hand)
Corrente Elétrica
J
Potência
H
L
Tempo ou
Temporização
Nível (Level)
M
Umidade (Moisture)
N
O
P
Escolha do Usuário
Escolha do Usuário
Pressão ou Vácuo
Quantidade ou
Evento
K
Q
R
Controlador
Diferencial
Sensor (Elemento
primário)
Razão (fração)
Visor
Alto
Indicador
Varredura ou
seletor manual
Taxa de variação
com o Tempo
Velocidade ou
freqüência (Speed)
Temperatura
T
Multivariável
U
Viscosidade
V
Peso ou Força
W
(weigh)
Não classificada
X
Estado, presença ou
seqüência de
Y
eventos
Posição
Estação de Controle
Lâmpada piloto
Baixo
Médio ou
Intermediário
Instantâneo
Orifício de restrição
Ponto de teste
Integrador ou
totalizador
Registrador ou
Impressor
Radioatividade
S
Z
Modificadora
LETRAS SUBSEQUENTES
Função
Passiva ou de
Ativa ou de saída Modificadora
informação
Alarme
Segurança
Chave
Transmissor
Multifunção
Válvula ou defletor
Eixo dos X
Poço ou ponta de
prova
Não classificada
Não classificada
Eixo dos Y
Relé ou computação
Eixo dos Z
Elemento final de
controle não
classificado
Não classificada
Tabela 3.2 – Letras de identificação funcional de instrumentos
22
INSTRUMENTAÇÃO
O primeiro conjunto de algarismos indica a área e o segundo indica a malha à qual o
instrumento pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser
acrescido um sufixo.
Em uma malha, a primeira letra de identificação funcional é selecionada de acordo
com a variável medida ou controlada e não de acordo com a variável manipulada.
Adicionalmente, a identificação funcional de um instrumento é feita de acordo com a
função por ele executada e não de acordo com sua construção.
A seqüência de letras de identificação funcional de um instrumento começa com a
primeira letra da variável. As letras de funções passivas ou de informação devem
seguir em qualquer ordem. As letras de funções ativas ou de saída seguem-nas
também em qualquer ordem, com exceção da letra de função de saída C (controle),
que deve preceder a letra V (válvula), quando ambas coexistirem. Se forem utilizadas
letras modificadoras, estas deverão ser interpostas de forma que fiquem posicionadas
seguindo imediatamente as letras que elas modificam.
Os símbolos gerais utilizados para representar os instrumentos de acordo com a
norma são ilustrados na Tabela 3.3.
Local
Tipo
Montado no
campo
Montado no
painel
principal de
controle
Interface CLP/
Campo/CLP
Interface CLP/
Supervisório/CLP
Montado atrás Montado em
do painel
painel local ou
do
principal de
equipamento
controle
Instrumento
Discreto
Display
compartilhado
(Panel view)
Função do
equipamento
executada no
computador
PLC
Interface Interna
(lógica)
Interface CLP/
Panel View/CLP
Tabela 3.3 – Símbolos de identificação de instrumentos
A Tabela 3.4 ilustra os símbolos utilizados para representar linhas para instrumentos
de acordo com a norma em referência.
23
INSTRUMENTAÇÃO
Suprimento ou
impulso
Sinal não definido
Sinal pneumático
Sinal elétrico
Sinal hidráulico
Tubo capilar
Sinal eletromagnético
ou sônico
(transmissão guiada)
Sinal eletromagnético
ou sônico
(transmissão não
guiada)
Ligação configurada
internamente ao
sistema (ligação por
software)
Ligação mecânica
Sinal binário
pneumático
Sinal binário elétrico
Tabela 3.4 – Símbolos de linhas para instrumentos
4 - INSTRUMENTAÇÃO DO VASO SEPARADOR
De acordo com o diagrama de instrumentação, ilustrado na Figura 3.1, a Tabela 3.5
descreve, conforme a norma, cada um dos instrumentos instalados no vaso separador.
Identificação
(Tag)
Função
Instalação
FIT-001
Transmissor e Indicador de Vazão
Tubulação de Óleo
FIT-002
Transmissor e Indicador de Vazão
Tubulação de Gás
TIT-001
Transmissor e Indicador de Temperatura
Tubulação de Óleo
TIT-002
Transmissor e Indicador de Temperatura
Tubulação de Gás
PIT-001
Transmissor e Indicador de Pressão
Tubulação de Óleo
PIT-002
Transmissor e Indicador de Pressão
Tubulação de Gás
PIT-003
Transmissor e Indicador de Pressão
Tanque Separador
LIT-001
Transmissor e Indicador de Nível
Tanque Separador
LV-001
Válvula de Controle de Nível
Tubulação de Óleo
PV-003
Válvula de Controle de Pressão
Tubulação de Gás
LG-002
Visor de Nível
Tanque Separador
PI-004
Indicado de Pressão
Alimentação
Pneumática
PSV-001
Válvula de Segurança de Pressão
Tanque Separador
Tipo
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Local
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
24
INSTRUMENTAÇÃO
PSV002
Válvula de Segurança de Pressão
Tanque Separador
TE-001
Elemento Primário de Temperatura
Tubulação de Óleo
TE-002
Elemento Primário de Temperatura
Tubulação de Gás
FE-001
Elemento Primário de Vazão
Tubulação de Óleo
FE-002
Elemento Primário de Vazão
Tubulação de Gás
UC-01
Controlador Multifuncional
Painel de Controle
FIR-001
Indicador e Registrador de Vazão
Painel de Controle
FIR-002
Indicador e Registrador de Vazão
Painel de Controle
TI-001
Indicador de Temperatura
Painel de Controle
TI-002
Indicador de Temperatura
Painel de Controle
PI-001
Indicador de Pressão
Painel de Controle
PI-002
Indicador de Pressão
Painel de Controle
PIC-003
Indicador e Controlador de Pressão
Painel de Controle
PAH-003
Alarme de Pressão Alta
Painel de Controle
PAL-003
Alarme de Pressão Baixa
Painel de Controle
LIRC-001
Indicador, Registrador e Controlador de Nível Painel de Controle
LAH-001
Alarme de Nível Alto
Painel de Controle
LAL-001
Alarme de Nível Baixo
Painel de Controle
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
Instrumento
Discreto
PLC
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Executado no
Computador
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Campo
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Montado no Painel
de Controle
Tabela 3.5 – Descrição dos instrumentos do vaso separador
25
INSTRUMENTAÇÃO
Figura 3.1 – Diagrama de instrumentação
26
4. TRANSMISSORES
1 - INTRODUÇÃO
Entendemos por transmissores, os instrumentos que convertem um sinal qualquer, de
um sensor ou elemento primário, em um sinal padrão para ser enviado a distância.
Outras funções de tratamento dos sinais, como a filtragem e a linearização, podem
também ser incorporadas ao transmissor.
Rigorosamente o transmissor não é necessário nem sob o ponto de vista de medição,
nem sob o ponto de vista de controle. No entanto, pelo fato dos instrumentos estarem
montados geralmente em lugares dispersos e hostis, é conveniente disponibilizar os
dados do processo em um local centralizado, seguro e num formato padronizado.
Neste ponto, a transmissão dos sinais é essencial.
Inicialmente, os primeiros instrumentos utilizados nos processos tinham função
meramente supervisora, o que significa que somente permitiam a leitura da variável. A
indicação era local e o controle, quando existente, era manual.
Posteriormente, com o surgimento dos primeiros controladores e a adoção da
supervisão e do controle centralizado, começou a surgir a necessidade do envio a
distância de um sinal proporcional a variável medida, ou seja, a transmissão do sinal.
Quando se tornou generalizado o emprego da instrumentação pneumática, o sinal
padrão adotado foi a variação da pressão do ar de 3 a 15 psi.
Algumas malhas pneumáticas ainda se encontram em operação, e o sinal pneumático
continua sendo empregado na atuação de válvulas de controle.
Com o advento da instrumentação eletrônica, foi padronizada a transmissão de sinais
na forma de corrente contínua na faixa de 4 a 20mA.
Atualmente, além da transmissão analógica 4 a 20mA, adota-se também a
transmissão de sinais digitais.
2 - ALIMENTAÇÃO E SINAL
A alimentação e transmissão dos sinais dos instrumentos pode ser a quatro ou a dois
fios.
Nos transmissores a quatro fios a alimentação é fornecida através de um par de fios
(geralmente 24Vcc) e um outro par de fios independente fornece o sinal de 4 a 20mA.
São empregadas principalmente nos instrumentos que requerem potências mais
TRANSMISSORES
elevadas. Sua desvantagem é o maior custo de instalação, pois requer fiações
independentes para alimentação e para o sinal.
Nos instrumentos a dois fios, de baixo consumo de energia, a alimentação é fornecida
juntamente com o sinal de 4 a 20 mA, sendo que a tensão nominal de alimentação é
de 24 Vcc.
No vaso separador, com exceção do medidor mássico (4 fios), todos os outros
transmissores são a 2 fios. A alimentação de todos os instrumentos é 24 Vcc, com
sinal de transmissão de 4 a 20 mA.
3 - PROTEÇÃO
Conforme descrito no Capítulo 13, os transmissores podem ou não apresentar
proteção para utilização em uma área classificada, além da proteção segundo a
classificação IP.
4 - INDICAÇÃO LOCAL
Os transmissores podem ser cegos (sem indicação local), ou dotados de indicação
analógica ou digital.
Os transmissores do vaso separador possuem indicação digital numérica, além de um
bar graf que proporciona a visualização “posicional” semelhante a um ponteiro.
5 - MONTAGEM
O sensor ou elemento primário pode estar localizado a uma certa distância do
transmissor (remoto), ou pode estar montado diretamente ao mesmo, como é o caso
do poço do termo elemento. A possibilidade de realização deste tipo de montagem
depende do espaço físico, da visualização do indicador local e das condições de
operação (temperatura e vibração admissíveis para o transmissor).
Como exemplo, no vaso separador o transmissor do medidor mássico é instalado
remotamente, em um suporte devido a melhor visualização, as vibrações na tubulação
e ao espaço físico disponível.
6 - SINAIS DE SAÍDA
Além do já citado sinal de corrente 4 a 20mA, utilizado no vaso separador, existe
outros tipos de transmissão de sinais. A faixa de 10 a 50 mA foi introduzida por um
fabricante, mas não frutificou e foi logo abandonada. A faixa de 0 a 20 mA é
empregada na Alemanha e em alguns outros países. Esta não é compatível com
instrumentos a dois fios, pois é impossível alimentar um transmissor com corrente
zero, ou muito próxima de zero. Além disso, não possui “zero vivo”, impossibilitando
distinguir entre um valor da variável no início da faixa e uma suposta falha no sistema.
Além disso, muitos receptores requerem sinal de entrada de 1 a 5 Vcc, que se obtém
facilmente circulando a corrente de 4 a 20 mA por um resistor padrão de 250 Ω.
28
5. COMPUTADOR DE VAZÃO
1 - INTRODUÇÃO
O computador de vazão é um equipamento destinado à medição e compensação da
vazão. Pode ser aplicado tanto para gases como líquidos, sendo mais crítico para o
primeiro devido a sua compressibilidade.
A partir das informações recebidas dos elementos primários e secundários, os
computadores de vazão são capazes de calcular e totalizar a vazão. Esses dados
podem ser armazenados para emissão de relatórios, registros históricos, gráficos, etc.
Basicamente é necessário os seguintes sinais para a compensação da vazão:
1. Sinal do transmissor de vazão;
2. Sinal do transmissor de pressão, proporcional à pressão absoluta estática do
processo. Normalmente se usa um transmissor de pressão manométrico e
acrescentasse a pressão atmosférica do local.
3. Sinal do transmissor de temperatura, proporcional a temperatura absoluta do
processo.
4. Opcionalmente, o sinal de um transmissor de densidade ou viscosidade.
As tomadas de pressão e de temperatura devem ser localizadas corretamente, para
minimizar o erro na medida final.
A tomada de pressão é mais critica que a da temperatura, pois há uma grande
variação da pressão local no medidor de vazão. Na prática, há uma pequena diferença
entre a pressão a montante (maior) e a jusante (menor) do medidor devido a perda de
carga. É comum se tomar a pressão a montante do medidor. Qualquer que seja a
localização, a pressão deve corresponder a vazão não perturbada, em pontos sem
flutuações ou pulsações. No sistema com placa de orifício, é comum se usar a mesma
tomada a montante da placa usada medir a pressão diferencial.
A tomada de temperatura é menos crítica, pois existe pouca variação da temperatura
ao longo do medidor de vazão. As tomadas de temperatura estão tipicamente
localizadas depois do medidor para não causar turbulência na medição.
No sistema do vaso separador existe um computador de vazão para a medição de gás
através de placa de orifício. O equipamento é capaz de fazer os cálculos conforme a
norma internacional AGA3 para a medição fiscal de gás.
Para a medição de óleo do sistema separador é utilizado um medidor mássico e a
compensação dos cálculos segue a norma API.
COMPUTADOR DE VAZÃO
2 - STARDOM
Para a medição e compensação da vazão de gás do vaso separador é utilizado um
computador de vazão da Yokogawa, conhecido com Stardom.
O Stardom é um NCS (Network Based Control System), ou seja, sistema de controle
baseado em rede, com Estações de Controle autônomas de pequena e média
capacidade (Figura 5.1).
Figura 5.1 – Estação de controle autônoma
Esta estação de controle autônoma utiliza processadores MMX - Pentium 166 MHz
com 256 MB de memória. Em uma única estação podem ser alocados até 8 módulos
de entrada/saída, podendo este número ser expandido.
Atualmente, o equipamento possui 2 módulos, sendo um modulo com 8 entradas
analógicas 4 a 20mA, mais 8 saídas analógicas 4 a 20mA (NFAI841); e um módulo
com 16 saídas digitais a relé (NFDR541).
A Tabela 5.1 ilustra os instrumento que estão acoplados a cada um dos módulos.
Módulo Analógico (NFAI841)
Entrada
Saída
Módulo Digital
(NFDR541)
Transmissor de Vazão (FIT-001)
Transmissor de Pressão (PIT-001)
Transmissor de Temperatura (TIT-001)
Transmissor de Vazão (FIT-002)
Válvula de Nível (LV-001)
Transmissor de Pressão (PIT-002)
Válvula de Pressão (PV-003)
Buzina (XA-001)
Transmissor de Temperatura (TIT-002)
Transmissor de Nível (LIT-001)
Transmissor de Pressão (PIT-003)
Tabela 5.1 – Instrumentos acoplados aos módulos do computador de vazão
Observa-se que no módulo analógico todas as entradas estão ocupadas e as saídas
possuem apenas dois instrumentos acoplados (possui 6 saídas disponíveis). O módulo
digital possui apenas um instrumento acoplado restando 15 saídas disponíveis.
30
6. PAINÉIS
1 - INTRODUÇÃO
O computador de vazão, a fonte de alimentação 24 Vcc e as baterias são
equipamentos que necessitam de proteção mecânica especial contra poeira e
intempéries. Desta forma, para o condicionamento dos mesmos são utilizados painéis
de proteção chamados respectivamente de painel de controle, painel de alimentação e
painel das baterias, discutidos a seguir.
Os painéis de controle e alimentação são totalmente protegidos contra poeira e jatos
de água (IP65). O painel das baterias, como necessita de ventilação, interna é apenas
protegido contra poeira e água aspergida (IP53). A interligação entre os painéis é feita
através de cabos conectados a plugs e tomadas também com alto grau de proteção
(IP67).
A Figura 6.1 ilustra o conjunto dos 3 painéis do vaso separador interligados.
Figura 6.1 – Conjunto interligando dos painéis de controle, alimentação e bateria
2 - PAINEL DE CONTROLE
O computador de vazão fica condicionado em um painel de controle. Toda a interface
de monitoração, medição e controle do processo, são feitos através de uma IHM
instalada na porta frontal do painel. A Figura 6.2 ilustra o painel de controle com o
detalhe da IHM.
PAINÉIS
Figura 6.2 – Painel de controle com detalhe da IHM
A Figura 6.3 Ilustra com maiores detalhes a parte interna do painel de controle onde
podem ser observados os seguintes itens:
4
2
6
5
1
3
10
7
8
9
12
11
13
Figura 6.3 – Parte interna do painel de controle
PAINEL DE CONTROLE (PN-3100.0001):
1. Computador de Vazão
2. Disjuntores do Stardom (DJ1) e da borneira TBD-2 (DJ2)
3. Barreiras de segurança intrínseca das válvulas de controle e da buzina
4. Borneira TBA-A1 de entrada (24Vcc)
5. Borneira TBA-2 intermediária (24Vcc)
6. Borneira TBD-2 de alimentação das barreiras, buzina e IHM (24Vcc)
32
PAINÉIS
7. Borneira TB-EA1 de entrada analógica (transmissores)
8. Borneira TB-SA1 de saída analógica (válvulas de controle)
9. Borneira TB-SD1 de saída digital (buzina)
10. Barras de aterramento
11. Tomada de entrada e saída analógica (transmissores e válvulas de controle)
12. Tomada de saída digital (buzina)
13. Tomada de entrada da alimentação do painel (24Vcc)
Detalhes de interligação do painel de controle podem ser encontrados no “Diagrama
de Alimentação e Aterramento” (DE-3100.00-1212-800-IEV-021).
3 - PAINEL DE ALIMENTAÇÃO E PAINEL DAS BATERIAS
O painel de alimentação tem a função de retificar e reduzir uma tensão de entrada de
110/220 Vca para uma tensão de saída 24Vcc. Esta tensão é utilizada para
alimentação do painel de controle e do transmissor de vazão (FIT-001).
Além disso, o painel funciona como um no-break, capaz de alimentar o sistema
temporariamente durante a falta de energia. Duas baterias de 12 Vcc em série,
localizadas no painel das baterias, são responsáveis pela acumulação de energia.
Desta forma, quando o retificador é alimentado, além de fornecer energia para os
equipamentos, ele carrega as baterias. No momento de uma falta de energia, a bateria
fornece instantaneamente a energia necessária para o sistema.
O painel de alimentação possui 6 tomadas de saída 24 Vcc, sendo capaz de fornecer
uma corrente total de até 5A para o sistema.
A Figura 6.4 Ilustra com maiores detalhes a parte interna do painel de alimentação e o
painel das baterias, onde podem ser observados os seguintes itens:
PAINEL DE ALIMENTAÇÃO (PN-3100.0002):
1. Fonte de alimentação retificadora com carregador de bateria.
2. Disjuntores geral do painel (DJ1), geral das saídas 24Vcc (DJ2), e individuais
das saídas 24 Vcc (DJ3, DJ4, DJ5, DJ6, DJ7, DJ8)
3. Barramento de alimentação (110/220Vca) e aterramento
4. Tomada para uso externo (110/220Vca)
5. Borneira X0 de entrada (110/220Vca)
6. Borneira X1 de saída para a bateria (24Vcc)
7. Borneira X2 de saída para as tomadas de alimentação (24Vcc)
8. Tomadas de saída (24 Vcc)
9. Tomada de saída para a bateria (24Vcc)
10. Tomada de entrada da alimentação do painel (110/220Vca)
PAINEL DAS BATERIAS (BT-3100.0001):
11. Tomada de alimentação das baterias (24Vcc)
12. Borneira X0 de entrada (24Vcc)
13. Baterias em série (2 x 12Vcc)
Detalhes de interligação podem ser encontrados no “Projeto Elétrico e Lay-Out” do
Painel de Alimentação (DE-3100.00-1212-744-IEV-001) e Painel das Baterias (DE3100.00-1212-744-IEV-002).
33
PAINÉIS
3
2
11
10
4
1
12
13
9
8
5
6
7
Figura 6.4 – Parte interna do painel de alimentação e painel das baterias
4 - CAIXAS DE JUNÇÃO
A caixa de junção é o dispositivo que faz a conexão elétrica (sinal e alimentação) entre
os instrumentos instalados no skid e o painéis de controle e alimentação.
No vaso separador existem duas caixas de junção, como ilustra a Figura 6.5. Uma
dela é uma para sinais analógicos 4 a 20 mA (CJE) e a outra para a alimentação
24Vcc (CJA).
Figura 6.5 – Caixas de junção
34
PAINÉIS
A principal característica destas caixas reside no fato de serem para área classificada,
mais especificamente a prova de explosão (Ex-d). Da mesma forma, os prensa cabos
conectados à caixa também são destinados para área classificada (ver Capítulo 13).
Os sinais do painel de controle são transmitidos para as válvulas de controle e
adquiridos dos transmissores através de um multicabo (12 x 1p x 0,75 mm2) conectado
entre este e a caixa de junção CJE. Da caixa de junção se ramificam cabos armados
(1p x 1,5mm2) para cada um dos instrumentos. De forma semelhante, um cabo (1p x
1,5mm2) conecta o painel de alimentação até a caixa de junção CJA, que por sua vez
é conectado ao FIT-001 (único instrumento que necessita alimentação extra).
Detalhes de interligação da caixa de junção com os painéis e instrumentos podem ser
encontrados no “Diagrama de Malha” (DE-3100.00-1212-800-IEV-020).
35
7. MEDIDORES DE
TEMPERATURA
1 - INTRODUÇÃO
Temperatura é uma variável muito importante nos processos industriais, e sua
medição e controle, embora difíceis, são vitais para a qualidade do produto e a
segurança, não só das máquinas como também do homem. Não é difícil de se chegar
a esta conclusão, basta verificar que todas características físico-químicas de qualquer
substância alteram-se de forma bem definida com a temperatura.
Assim sendo, uma determinada substância pode ter suas dimensões, seu estado físico
(sólido, líquido, gasoso), sua densidade, sua condutividade, etc., alterados pela
mudança conveniente de seu estado térmico.
Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu
comportamento provocando, por exemplo:
•
•
•
•
•
ritmo maior ou menor na produção
uma mudança na qualidade do produto
um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal
um maior ou menor consumo de energia
e, por conseguinte, um maior ou menor custo de produção.
2 - CONCEITO DE TEMPERATURA
Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, é difícil encontrar
uma definição exata para ela. Estamos acostumados à noção de “temperatura” pela
sensação de calor ou frio quando tocamos um objeto. Além disso, aprendemos logo
por experiência, que ao colocarmos um corpo quente em contato com um corpo frio, o
corpo quente se resfria e o corpo frio se aquece. Se esses corpos permanecem em
contato por um determinado tempo, eles parecerão ter o mesmo grau de aquecimento
ou resfriamento. Entretanto, sabemos que essa sensação não é bastante segura.
Algumas vezes os corpos frios podem parecer quentes e os corpos de materiais
diferentes, que estão na mesma temperatura, parecem estar a temperatura diferentes.
Isto acontece porque a temperatura é uma propriedade da matéria que está
relacionada com o movimento dos átomos de uma substância. Normalmente estes
átomos possuem uma determinada energia cinética que se traduz nas formas de
vibrações ou deslocamento para os líquidos e gases.
Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se encontra o corpo, e,
quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condição pode
MEDIDORES DE TEMPERATURA
ser descrita como um potencial térmico ou como uma energia efetiva da substância
(energia cinética).
Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: “A propriedade da
matéria que reflete a média de energia cinética de um corpo”.
Na prática a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quanto
maior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.
3 - ESCALAS DE TEMPERATURA
Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de
termômetro sentiam dificuldades para atribuir valores de forma padronizada à
temperatura por meio de escalas reproduzíveis. Essa dificuldade fez com que se
buscassem pontos nos quais se pudesse reproduzir de forma definida os valores
medidos. Muitas escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao
longo do tempo. Dentre elas as mais importantes foram a Fahreinheit, a Celsius, a
Rankine e a Kelvin.
A escala Fahreinheit é ainda utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa.
Porém, a tendência é de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o
mundo a escala Celsius.
A escala Rankine e a escala Kelvin, que são as escalas absolutas, são mais usadas
nos meios científicos, sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a
escala Kelvin.
3.1 - Escala Celsius
A escala Celsius é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a 1
Kelvin, numa escala de temperatura em que o ponto 0 (zero) coincida com 273,15 K. A
identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo “ºC”
colocado após o número; exemplo: 245,36ºC.
A escala Celsius tem como valor 0 (zero) o ponto de fusão de gelo e como valor 100 o
ponto de ebulição da água, sendo estes pontos tomados na condição de pressão igual
a 1 atm.
É uma escala relativa obtida através da escala Kelvin, sendo esta relação definida pela
equação:
t = T - To
Onde:
t = temperatura em ºC
T = temperatura em K
To = 273,15 K
3.2 - Escala Fahreinheit
37
MEDIDORES DE TEMPERATURA
A escala Fahreinheit é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a
1 grau Rankine, numa escala em que o ponto zero coincide com 459,67º R. A
identificação de uma temperatura na escala Fahreinheit é feita com o símbolo “ºF”
colocado após o número; exemplo: 23,40ºF.
A escala Fahreinheit tem como ponto de fusão do gelo o valor 32 e como ponto de
ebulição da água o valor 212, sendo estes pontos tomados na condição de pressão
igual a 1 atm.
Esta escala é também relativa, obtida pela escala Rankine conforme a relação definida
pela equação abaixo:
tf = T’ - T’o
Onde:
tf = temperatura em ºF
T’ = temperatura em ºR
T’o = 459,67 ºR
3.3 - Escala Kelvin
A temperatura básica é a temperatura termodinâmica (T), cuja unidade é o Kelvin (K),
que é uma escala absoluta.
O Kelvin é a fração 1/273,16 temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.
Nota-se que, de acordo com a definição acima e a equação (t = T - 273,15 K), o ponto
triplo da água ocorre à 0,01ºC (à pressão de 61,652 Pa).
K = 273,15 + ºC
Observação: Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa
encontram-se em equilíbrio.
3.4 - Escala Rankine
Assim como a escala Kelvin, a escala Rankine é uma escala absoluta, tendo como
zero absoluto, o valor 0 (zero), porém ao ponto de fusão e ao ponto de ebulição da
água foram dados os valores de 491,67 e 671,67, respectivamente.
ºR = ºF + 459,67
Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas,
colocando em um mesmo ambiente quatro termômetros: um Celsius, um Fahreinheit,
um Kelvin e um Rankine.
As diferentes leituras representam, em escalas diversas, uma mesma temperatura. A
equação a seguir, nos permite relacionar a leitura de uma escala para outra, de uma
mesma temperatura.
C F − 32 K − 273,15 R − 491,67
=
=
=
5
9
5
9
38
MEDIDORES DE TEMPERATURA
4 - MEDIDORES DE TEMPERATURA
A temperatura não pode ser determinada diretamente, mas deve ser deduzida a partir
de seus efeitos elétricos ou físicos produzidos sobre uma substância, cujas
características são conhecidas. Os medidores de temperatura são construídos
baseados nesses efeitos.
Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos, conforme
segue:
a) 1º grupo (contato direto)
• Termômetro à dilatação
de líquidos
de sólido
• Termômetro à pressão
de líquido
de gás
de vapor
• Termômetro a par termoelétrico
• Termômetro de resistência elétrica (RTD)
b) 2º grupo (contato indireto)
• Pirômetro óptico
• Pirômetro fotoelétrico
O primeiro grupo abrange os medidores nos quais o elemento sensível está em
contato direto com o material cuja temperatura se deseja medir. Já no segundo grupo
estão os medidores nos quais o elemento sensível não está em contato direto com o
material cuja temperatura se deseja medir.
No vaso separador se aplica um medidor de contato direto, sendo este um termômetro
de resistência elétrica que será discutido a seguir.
5 - TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA
Os termômetro de resistência, termoresistências, bulbos de resistência ou RTD
(Resistance Temperature Detectors), são sensores que se baseiam no princípio de
variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a
resistência com o aumento da temperatura.
Seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina, de níquel
ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cerâmica ou de vidro.
Entre estes materiais, o mais utilizado é a platina de alta pureza, pois apresenta uma
ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior
sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma
boa linearidade resistência x temperatura e também por ter rigidez e dutibilidade para
ser transformada em fios finos.
Desta forma, o vaso separador emprega para a medição de temperatura o sensor Pt100, assim chamado por possuir elemento de platina (Pt) e resistência padronizada de
39
MEDIDORES DE TEMPERATURA
100 Ω a 0 ºC. este tipo de sensor é o RTD mais empregado em todo o mundo, devido
à sua estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de operação.
A equação matemática que rege a variação de resistência em função da temperatura
chama-se de equação Callendar-Van Dusen ilustrada a seguir:
Para o range de -200 a 0ºC:
Rt = R0 [1 + At + Bt2 + Ct3.(t-100)]
Para o range de 0 a 850ºC:
Rt = R0 [1 + At + Bt2]
Onde:
Rt = resistência na temperatura t
R0 = resistência a 0ºC
t = temperatura ºC
A, B, C = coeficientes determinados pela norma DIN 43760 / IEC 60751:
A = 3,90802.10-3
B = -5,80195.10-7
C = -4,2735.10-12
A Figura 7.1 exibe o gráfico da variação da resistência de um Pt-100 de acordo com a
temperatura medida.
Segundo a norma DIN 43760 / IEC 60751 os limites de erros admissíveis para as
classes A e B são as seguintes:
CLASSE B: ± 0,30 + (0,005.t)ºC
CLASSE A: ± 0,15 + (0,002.t)ºC
450
350
300
250
200
150
100
50
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
0
-200
Resistência (ohms)
400
Temperatura (ºC)
Figura 7.1 – Temperatura x Resistência de um Pt-100
40
MEDIDORES DE TEMPERATURA
5.1 - Poço Termométrico
O poço termométrico possui a função de proteger os termoelementos contra a ação do
processo (ambientes agressivos, esforços mecânicos entre outros), além de vedar o
processo contra vazamentos, perdas de pressão, contaminações e outros.
Genericamente usa-se o poço onde as condições do processos requisitam alta
segurança e são críticas, tais como altas temperaturas e pressões, fluidos muito
corrosivos, vibrações e alta velocidade de fluxo2.
Sua fixação ao processo é feita normalmente por meio de rosca externa (3/4” NPT) ou
flange (1.1/2”). Para linhas com classe de pressão acima de 600 psi (como é o caso do
vaso separador), devem ser utilizadas apenas conexões flangeadas (norma N-1882).
Para permitir a remoção do sensor sem ter que parar o processo, utiliza-se
dispositivos (niple ou união) que se estendem entre o poço e o cabeçote.
Todos os poços termométricos passam por uma série de testes para verificar sua
integridade e garantir a vedação do processo. Estes testes são dimensionais, liquido
penetrante, pressão hidrostática, ultra-som e inspeção em raio X.
A principal desvantagem do poço é o aumento do tempo morto na resposta do
sistema. Isto devido a camada de ar isolante existente entre o poço e o bulbo, além da
espessura da sua parede. Para diminuir essa influência deve-se minimizar a distância
entre o bulbo e o poço ou então aplicar uma substância condutora para substituir o ar
existente.
No vaso separador os dois RTDs existentes são protegidos por poços termométricos
identificados como TE-001 e TE-002. Estes poços são fixados na tubulação através de
conexões flangeadas (1.1/2”). Rosqueado ao cabeçote do poço são fixados os
transmissores de temperatura que recebem os sinais provenientes dos RTDs. Estes
instrumentos auxiliam na compensação de óleo e gás respectivamente.
6 - TRANSMISSOR DE TEMPERATURA
O vaso separador possui dois transmissores de temperatura. São identificados como o
TIT-001, que mede a temperatura da tubulação de óleo, e TIT-002 que mede a
temperatura da tubulação de gás para a compensação da vazão no computador de
vazão. A Figura 7.2 ilustra o transmissor acoplado ao poço termométrico instalado na
tubulação.
2
Embora com a mesma função básica o poço termométrico difere-se do tubo de proteção com relação
a sua construção física. Enquanto os tubos são fabricados de uma chapa metálica enrolada e soldada, os
poços são feitos a partir de uma barra maciça usinada, executando um furo interno longitudinal mantendose assim a espessura da parede de acordo com especificações pré-determinadas. Isto proposciona ao
conjunto final, resistência mecânica à pressão e deformação superiores aos tubos metálicos.
41
MEDIDORES DE TEMPERATURA
Figura 7.2 – Transmissor de temperatura acoplado ao poço termométrico
O transmissor de temperatura tem a função de converter e transmitir para o
computador de vazão, a leitura da temperatura efetuada pelo RTD (Pt-100), além de
indicar localmente no display o valor da medição.
A variação da temperatura faz com que o Pt-100 varie sua resistência que é detectada
através de 3 fios conectados entre o termoelemento e o transmissor, como ilustra a
Figura 7.3.
Rfio1
Rfio2
Pt-100
R2
R1
Rt
TIT
Rfio3
Figura 7.3 – Conexão a 3 fios entre o Pt-100 e o Transmissor
Na conexão a 3 fios, a configuração do circuito do transmissor é tal que, para fins de
medição, ele “enxerga” apenas a resistência Rt.
42
MEDIDORES DE TEMPERATURA
Desta maneira sendo Rfio1= Rfio2= Rfio3, o efeito das resistências dos fios é cancelado,
ou seja:
Rmedida = R1 – R2 = Rfio3 + Rfio2 + Rt – Rfio1 – Rfio2
Onde:
Rt = resistência do Pt-100
Rfio1 = resistência do fio 1
Rfio2 = resistência do fio 2
Rfio3 = resistência do fio 3
A conexão a 3 fios é o método mais utilizado na industria sendo sujeito apenas a um
erro mínimo devido à desigualdade dos condutores dos cabos 3.
3
A ligação a 2 fios é pouco utilizada, pois o sistema precisa ser calibrado para compensar a resistência
do comprimento do cabo, situação inadmissível em termos de custos de comissionamento e manutenção.
Existe, além disso, a possibilidade de erros devido a variação da resistência do cabo com a temperatura
ambiente.
A ligação a 4 fios é a mais precisa, porém pouco usada na indústria, tendo sua maior aplicação em
laboratórios sendo utilizada em sensores padrões.
43
8. MEDIDORES DE NÍVEL
1 - INTRODUÇÃO
A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes artifícios e
técnicas apuradas.
O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do
próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Os
sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para
leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático.
2 - CLASSIFICAÇÃO DOS MEDIDORES DE NÍVEL
A medida do nível de um reservatório contendo líquido ou sólido, é efetuada a fim de
manter esta variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou ainda
para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão.
Existem dois métodos de medição que são usados nos processos em geral.
a) Método de Medição Direta
É a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da
substância medida, ou seja, medem diretamente a distância entre o nível do produto e
um referencial previamente definido.
Pode ser feita através da observação visual direta (visores de nível), através da
comparação de uma escala graduada (trenas), pela posição de um detector sobre a
superfície (bóia), ou pela reflexão de ondas ultra-sônicas ou eletromagnéticas (radar)
na superfície do produto.
b) Método da Medição Indireta (Inferencial)
É o tipo de medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda
variável, ou seja determinam a posição da superfície através da medição de outra
grandeza física relacionada.
Incluem-se nesta classe os instrumentos que medem o nível através da medida da
pressão da coluna hidrostática exercida pelo líquido, ou os que medem o peso do
equipamento que contém o produto cujo nível se quer medir.
No vaso separador são utilizados apenas medidores diretos: o visor de nível e o
transmissor de nível radar por onda guiada, que serão discutidos a seguir.
MEDIDORES DE NÍVEL
3 - VISORES DE NÍVEL
Aplica-se nestes instrumentos o princípio dos vasos comunicantes. Um tubo
transparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto,
permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões.
Os visores de nível se destinam exclusivamente à monitoração do nível de líquido ou
da interface entre dois líquidos imiscíveis, em vasos, colunas, reatores, tanques, etc.
submetidos ou não à pressão.
Devido às suas características construtivas, os visores de nível são de fácil
manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança na operação.
Para atender as mais variadas aplicações em diversos processos existem atualmente
os visores do tipo tubular e os de vidro plano.
Os visores de vidro tubular são fabricados com tubos de vidro reto, fixados entre duas
válvulas de bloqueio e protegidos normalmente por hastes metálicas. Devido às
características construtivas, estes visores não suportam altas pressões e
temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro
por choque externo. Por este motivo, o vaso separador adotou o visor de vidro plano.
Os visores de vidro plano substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dos
visores tubulares. Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos
visores tubulares em aplicações com pressões elevadas. Atualmente, os visores
planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas
industriais.
Os visores de vidro plano são compostos de um ou vários módulos onde se fixam
barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores.
Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma altura
variando de 100 a 350 mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores
podem ser compostos de várias seções (visor multisseção). Contudo, recomenda-se
que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Quando ultrapassa esse limite, o
peso da unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser auto-sustentável,
necessitando de suportes adicionais.
A principal desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não visibilidade
entre seções adjacentes.
Existem dois tipos de visores planos: o reflexivo e o transparente.
No visor reflexivo a superfície interna do vidro é composta de prismas. A luz quando os
atinge sofre reflexão total, pois o ângulo crítico é ultrapassado (para a superfície vidroar o ângulo crítico é de 42º). Nesta condição, o visor apresenta-se para o observador
em uma cor prata brilhante. Na região do visor onde existe líquido, não ocorre a
reflexão total, pois o ângulo não é ultrapassado. Conseqüentemente, é possível ver a
superfície que se apresenta na cor negra.
Estes visores porém, não devem ser utilizados nos seguintes casos: locais com pouca
iluminação; com fluidos corrosivos; com fluidos viscosos, pois o agarramento do fluido
sobre o vidro torna ineficaz a ação dos prismas; e na detecção da interface de dois
líquidos não miscíveis, caso em que o visor ficaria escurecido por igual na região onde
qualquer dos dois líquidos não miscíveis estivesse presente.
45
MEDIDORES DE NÍVEL
Como o líquido a ser medido no vaso separador é óleo, fluido com alta viscosidade, o
visor plano empregado foi o transparente, como ilustra a Figura 8.1.
Figura 8.1 - Visor de nível
Este visor plano transparente, identificado por LG-002, utiliza dois vidros localizados
um na parte posterior do visor e outro na parte anterior. Os dois vidros vão permitir a
transparência do visor à luz. O raio luminoso entrará por um dos vidros e será
absorvido parcial ou totalmente pelo fluido no interior do visor. A região vazia
absorverá menos luz que a com líquido, proporcionando assim um contraste ao
observador.
4 - TRANSMISSOR DE NÍVEL RADAR POR ONDA GUIADA
O transmissor de nível do tipo radar por onda guiada, ou também conhecido como
TDR (Time Domain Reflectometry), é instalado no topo do tanque e emite pulsos
eletromagnéticos em alta freqüência (aproximadamente 1 GHz). Quando o pulso
encontra uma mudança na constante dielétrica4 do meio, ou seja, a superfície do
produto, uma energia de reflexão é gerada. Esta energia de reflexão é proporcional a
4
A constante dielétrica é um valor atribuído a uma substância que está associada à sua capacidade de
ser isolante elétrica. Por exemplo, o ar possui uma constante dielétrica 1, a água 80 e o óleo
aproximadamente 4.
46
MEDIDORES DE NÍVEL
mudança da constante dielétrica do meio. Os pulsos refletidos são transmitidos ao
longo da haste para um sensor no medidor, que opera com base no tempo decorrido
entre a emissão e a recepção da onda refletida.
Assim sendo, temos que:
D = (c . t) / 2
L=E–D
Onde:
D = distância do medidor até a superfície do nível
c = velocidade da luz
E = comprimento da haste
L = nível medido
O dispositivo TDR não é afetado pela turbulência na superfície do líquido, nem pela
presença de espuma, uma vez que o guia de ondas (haste) fornece um meio para o
sinal viajar sem interferência através da camada de espuma. Casos onde a onda não
é guiada (transmissores com antena parabólica), a turbulência na superfície do líquido
tende a dispersar a onda, não refletindo inteiramente o sinal para o sensor.
O transmissor de nível TDR do vaso separador identificado por LIT-001, possui uma
antena com 1300mm de comprimento, protegida por um tubo acalmador. Este tubo
ajuda a suavizar as oscilações, proporcionando uma medida mais retilínea. O
transmissor instalado no vaso é ilustrado na Figura 8.2.
Figura 8.2 – Transmissor de nível radar
47
9. MEDIDORES DE PRESSÃO
1 - INTRODUÇÃO
Pressão pode ser definida como sendo a relação entre uma força aplicada
perpendicularmente à uma área, expressa pela seguinte equação:
P=F/A
Onde:
P = Pressão
F = Força
A = Área
A pressão pode ser também expressa como a somatória da pressão estática e
pressão dinâmica e assim chamada de pressão total.
1.1 - Pressão Estática
É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida
integralmente em todas as direções, produzindo a mesma força em áreas iguais.
1.2 - Pressão Dinâmica
É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente. A pressão
dinâmica é representada pela seguinte equação:
Pd = 0,5.ρ.V²
Onde:
Pd = pressão dinâmica (N/m²)
ρ = massa específica do fluido (Kg/m3)
V = velocidade do fluido (m/s)
1.3 - Pressão Total
É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por
um fluido que se encontra em movimento.
MEDIDORES DE PRESSÃO
2 - TIPOS DE PRESSÃO
A pressão medida pode ser representada pela pressão absoluta, manométrica ou
diferencial. A escolha de uma destas três depende do objetivo da medição. A seguir
será definido cada tipo, bem como suas inter-relações e unidades utilizadas para
representá-las.
2.1 - Pressão atmosférica
A pressão atmosférica é a pressão exercida pelos gases da atmosfera terrestre e foi a
primeira pressão a ser realmente medida.
2.2 - Pressão absoluta
É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica
do local e a pressão manométrica. Geralmente coloca-se a letra “a” após a unidade.
Mas quando representamos pressão abaixo da pressão atmosférica por pressão
absoluta, esta é denominada grau de vácuo ou pressão barométrica.
2.3 - Pressão manométrica (gage)
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser
positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra “g” após a unidade para representála. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação a pressão atmosférica
chamamos pressão de vácuo.
2.4 - Pressão diferencial
É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Em outras palavras, é a
pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão
atmosférica. A Figura 9.1 ilustra graficamente a relação entre os tipos de pressão.
Figura 9.1 – Relação dos tipos de pressão
49
MEDIDORES DE PRESSÃO
3 - UNIDADES DE PRESSÃO
A pressão possui vários tipos de unidade. Os sistemas de unidade MKS, CGS,
gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados, tendo como
referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização,
tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc.
Em geral são utilizadas para medição de pressão, as unidades KPa, N/m², kgf/cm²,
mmHg, mmH2O, lbf/pol², atm e bar.
A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza para
que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000. Assim, as sete unidades
anteriormente mencionadas, além dos casos especiais, são suficientes para cobrir as
faixas de pressão utilizadas no campo da instrumentação industrial. Suas relações
podem ser encontradas na Tabela 9.1.
Unidade de
Pressão
Kgf/cm²
lbf/pol²
(psi)
bar
Kgf/cm²
1
14,2233
0,9807
28,96
393,83
0,9678
735,58
10003
98,0665
lbf/pol² (psi)
0,0703
1
0,0689
2,036
27,689
0,068
51,71
70329
6,895
bar
1,0197
14,504
1
29,53
401,6
0,98692
750,06
10200
100
Pol Hg
0,0345
0,4911
0,03386
1
13,599
0,0334
25,399
345,4
3,3863
Pol H2O
atm
Pol Hg Pol H2O
0,002537 0,03609 0,00249 0,07348
1,0332
14,696
1,0133
29,921
mmHg (Torr) 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937
mmH2O
1
406,933
atm
mmHg
KPa
mmH2O
(Torr)
(KN/m²)
0,002456 1,8665
1
760,05
0,5354 0,001316
1
0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353
Kpa (KN/m²) 0,010197 0,14504
0,01
0,29539
25,399 0,24884
10335
101,325
13,598 0,13332
1
4,0158 0,009869 7,50062 101,998
0,0098
1
Tabela 9.1 - Conversão de unidades de pressão
4 - ELEMENTO TIPO ELÁSTICO (MANÔMETRO)
Este tipo de instrumento de medição de pressão baseia-se na lei de Hooke sobre
elasticidade dos materiais. Em 1676, Robert Hook estabeleceu essa lei que relaciona
a força aplicada em um corpo e a deformação por ele sofrida. Em seu enunciado ele
disse: “o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação
provocada”.
Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão sempre
abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força a ele submetida o medidor
retorna a sua posição inicial sem perder suas características.
50
MEDIDORES DE PRESSÃO
O elemento de recepção de pressão tipo elástico, comumente chamado de
manômetro, é aquele que mede a deformação elástica sofrida quando está submetido
a uma força resultante da pressão aplicada sobre uma área específica.
Essa deformação provoca um deslocamento linear que é convertido de forma
proporcional a um deslocamento angular através de mecanismo específico. Ao
deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja
faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção.
Principais tipos de elementos de recepção são mostrados na Tabela 9.2.
ELEMENTO
Bourdon
APLICAÇÃO /
FAIXA DE
RESTRIÇÃO
PRESSÃO (MÁX)
Não apropriado para
~ 1000 kgf/cm2
micropressão
Diafragma
Baixa pressão
~ 3 kgf/cm2
Fole
Baixa e média
pressão
~ 10 kgf/cm2
Cápsula
Micropressão
~ 300 mmH2O
Tabela 9.2 - Elementos de recepção de pressão
No vaso separado são utilizados um manômetros do tipo Bourdon com descrito a
seguir.
4.1 - Manômetro com Tubo de Bourdon
Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em
forma de “C”, espiral ou helicoidal, tem uma de suas extremidades fechada, estando a
outra aberta à pressão a ser medida.
Figura 9.2 – Construção básica do manômetro de Bourdon tipo “C”
Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular
resultando em um movimento na sua extremidade fechada. Esse movimento através
51
MEDIDORES DE PRESSÃO
de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão
em uma escala graduada.
A construção básica, o mecanismo interno e seção de tubo de Bourdon, é ilustrado na
Figura 9.2.
No vaso separador este dispositivo pode ser encontrado na saída da estação de
redução (PI-004), como ilustra a Figura 9.3, bem como nas válvulas de controle,
instalados no posicionador e na válvula reguladora de entrada.
Figura 9.3 – Manômetro da estação de redução
5 - TIPOS DE SENSORES ELETRÔNICOS DE PRESSÃO
Os vários tipos de transmissores de pressão que existem comercialmente possuem
elementos de detecção que convertem o sinal de pressão em um sinal elétrico
mensurável pelo transmissor. Existem vários princípios físicos relacionados com as
variações de pressão que podem ser utilizados como elemento de transferência. Os
mais utilizados nos transmissores são:
5.1 - Sensor
Extensométrico (Strain Gage)
É um dispositivo que mede a deformação elástica sofrida pelos sólidos quando estes
são submetidos ao esforço de tração ou compressão.
Baseia-se no princípio da variação da resistência de um fio, quando são alteradas
suas dimensões. Este fio é colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão
compacto quanto possível formando assim o extensômetro ou strain gage.
O extensômetro é fixado nas faces do corpo de medição, que submetido a tração ou
compressão tem sua seção transversal e seu comprimento alterado devido a este
esforço.
52
MEDIDORES DE PRESSÃO
5.2 - Sensor Piezoelétrico
Este tipo de sensor se baseia nos elementos piezoelétricos (cristais como o quartzo,
turmalina e o titanato), que ao sofrerem uma deformação elástica ao longo do seu eixo
axial produzem internamente um potencial elétrico, gerando um fluxo de carga elétrica
em um circuito externo.
A quantidade elétrica produzida é proporcional a pressão aplicada, sendo então essa
relação linear, o que facilita sua utilização.
5.3 - Sensor Capacitivo (Célula Capacitiva)
É um sensor constituído por duas placas fixas e um diafragma móvel entre elas. Entre
as placas e o diafragma existe um líquido de enchimento que funciona como um
dielétrico.
Ao sofrer uma pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do
capacitor) sofre uma deformação que modifica sua distância em relação as placas
fixas e conseqüentemente a capacitância entre elas. Esta alteração é medida por um
circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à
câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.
5.4 - Sensor por Silício Ressonante
Este é o princípio aplicado a todos os transmissores de pressão do vaso separador,
por isso será discutido com mais detalhe na seqüência.
6 - TRANSMISSOR DE PRESSÃO (SILÍCIO RESSONANTE)
O vaso separador utiliza três transmissores de pressão: PIT-001, PIT-002 e PIT-003.
O PIT-001 mede a pressão da linha de óleo, sendo acoplado a tubulação através de
um flange de 3 polegadas, sendo responsável pela compensação da vazão do mesmo
(Figura 9.4).
53
MEDIDORES DE PRESSÃO
Figura 9.4 – Transmissor de pressão flangeado
O PIT-002 mede a pressão da linha do gás e pertence ao conjunto de instrumentos
responsáveis pela compensação da vazão do gás. Sua tomada é localizada no
dispositivo porta placas, na parte montante.
O PIT-003 é instalado na parte superior do vaso separador, e mede a pressão interna
do vaso, fazendo parte da malha de controle de pressão.
Estes transmissores são baseados no princípio do sensor por silício ressonante. O
sensor consiste em uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um
diafragma, cuja pressão diferencial faz com que esta vibre com maior ou menor
intensidade. Esta vibração possui uma freqüência que é proporcional a pressão
aplicada.
6.1 - Construção e Funcionamento do Sensor
Um sensor de pressão por silício ressonante é formado por dois ressonadores de
silício encapsulados a vácuo, ambos com a forma da letra “H” (Figura 9.5). Através de
um imã é gerado um campo magnético permanente e quando é aplicada uma corrente
alternada no conjunto, os ressonadores oscilam, fazendo com que o sensor entre em
ressonância.
54
MEDIDORES DE PRESSÃO
Figura 9.5 – Sensor por silício ressonante
Um dos sensores fica localizado no centro do diafragma (FC), enquanto o outro terá a
sua disposição física mais à borda do diafragma (FR). Por estarem localizados em
locais diferentes, havendo uma pressão, um sofrerá uma compressão, e o outro
sofrerá uma tração, como ilustra a Figura 9.6.
Figura 9.6 – Princípio de funcionamento do sensor por silício ressonante
Desta maneira, os sensores apresentarão uma diferença de freqüência entre si. Esta
diferença pode ser lida por um microprocessador, cujo sinal será proporcional ao
diferencial de pressão (P1-P2) aplicado.
55
10. MEDIDORES DE VAZÃO
1 - INTRODUÇÃO
Entre as variáveis mais freqüentemente medidas, a vazão é a que requer os recursos
tecnológicos mais diversos para a realização de medidores e transmissores.
Na maioria das operações realizadas nos processos é muito importante efetuar a
medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos
granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do
rendimento do processo.
Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada
uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo
processo.
2 - DEFINIÇÃO
Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou
gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal
por unidade de tempo.
A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional
pela média da velocidade do fluido.
2.1 - Vazão Volumétrica
É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa
seção em um intervalo de tempo considerado. É expressa pela seguinte equação:
Qv = V / t
Onde:
Qv = vazão volumétrica
V = volume
t = tempo
Unidades de Vazão Volumétricas: m3/s, m3/h, l/h, l/min GPM, Nm3/h e SCFH.
Na medição da vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de
pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor, pois o volume de uma
substância depende da pressão e temperatura a que está submetido.
MEDIDORES DE VAZÃO
2.2 - Vazão Mássica
É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de
uma tubulação por unidade de tempo. É pela seguinte equação:
Qm = m / t
Onde:
Qm = vazão mássica
m = massa
t = tempo
Unidades de Vazão Mássica: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.
A relação entre as unidades de medição de vazão volumétrica e mássica pode ser
obtida pela seguinte expressão:
Qm = ρ . Qv
Onde:
ρ = massa específica
2.3 - Vazão Gravitacional
É a quantidade em peso que passa por uma certa seção por unidade de tempo. É
expressa pela seguinte equação:
Qρ = W / t
Onde:
Qρ = vazão gravitacional
W = peso
Unidade Gravitacional: kgf/h e lbf/h.
3 - CONCEITOS FÍSICOS BÁSICOS
3.1 - Calor Específico
Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor
fornecido a uma unidade de massa duma substância pela variação infinitesimal de
temperatura resultante deste aquecimento.
Na prática é: A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de 1 grama
de uma substância em 1ºC.
57
MEDIDORES DE VAZÃO
O conhecimento do calor específico de determinada substância é muito importante
para um bom controle da vazão.
Para exemplificar, podemos citar o caso em que se deseja controlar a vazão de um
fluido no estado gasoso, tendo uma placa de orifício como elemento primário.
É necessário que se conheça a relação “k” (coeficiente isentrópico), do calor
específico do gás a ser medido, para que se possa calcular o coeficiente de correção
da expansão térmica, e posteriormente dimensionar a placa de orifício.
O coeficiente isentrópico, é a relação dos calores específicos à pressão e a volume
constantes.
k = CP/CV
Onde:
k = coeficiente isentrópico
CP = calor específico à pressão constante (J/Kg x K)
CV = calor específico a volume constante (J/kg x K)
3.2 - Viscosidade
É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto
qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser
considerada na medição de vazão.
A vazão de um fluido viscoso é chamada de vazão real e a vazão de um fluido sem
viscosidade é chamada de vazão ideal. Esta última nunca é conseguida na prática,
pois todos os fluidos possuem algum grau de viscosidade.
Viscosidade absoluta ou dinâmica
Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se opõe ao movimento relativo
de suas moléculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam. É
representada pela letra grega µ (mi). Unidades: Pa.s, poise (dyna.S/cm2) e centipoise.
Viscosidade cinemática
É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados à
mesma temperatura. É representada pela letra ν (ni). Unidade: m2/s, stoke (cm2/s) e
centistoke (mm2/s).
3.3 - Tipos de Escoamento
Regime Laminar
Caracteriza-se por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, sem a
passagem das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de
velocidade. Neste tipo de vazão, toda a turbulência é amortecida pela ação da
viscosidade, por isso, os termos vazão laminar e vazão viscosa são equivalentes.
58
MEDIDORES DE VAZÃO
Em uma tubulação circular a velocidade adjacente a parede é zero e aumenta para um
máximo no centro do tubo descrevendo uma parábola. Desta forma apresenta um
perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades entre as
camadas são maiores. A vazão com regime laminar é ilustrado na Figura 10.1.
Figura 10.1 – Vazão com regime laminar
Regime Turbulento
Se caracteriza por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidade e
pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida. No
entanto, o perfil de velocidade é mais uniforme, ou seja, as diferenças de velocidade
presentes no líquido são menores. O regime turbulento é ilustrado na Figura 10.2.
Figura 10.2 – Vazão com regime turbulento
Erroneamente se pensa que é mais fácil medir vazões laminares. Na prática industrial
e na natureza, a maioria das vazões é turbulenta. Inclusive, muitos medidores só
conseguem medir este tipo de vazão, justamente porque o perfil da velocidade é mais
uniforme.
3.4 - Número de Reynolds
Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em
regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro
modificador dos coeficientes de descarga.
Re =
V .D
ν
=
1,273.Qm
D.µ
Onde:
59
MEDIDORES DE VAZÃO
V = velocidade (m/s)
D = diâmetro interno da tubulação (m)
ν = viscosidade cinemática (m2/s)
µ = viscosidade dinâmica (Pa.s)
Qm = vazão mássica (kg/s)
Observação:
Na prática, se Re > 4000, o fluxo é turbulento;
se 2000 < Re < 4000 o fluxo é transitório;
e se Re < 2000 o fluxo é laminar.
Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos
turbulento com Re > 5.000.
4 - TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS MEDIDORES
Existem três tipos fundamentais de medidores de vazão: indiretos, diretos e especiais,
como ilustra a Tabela 10.1.
TIPOS E CARACTERÍSTICAS
1 - Medidores indiretos
utilizando fenômenos
intimamente
relacionados a
quantidade de fluido
passante
2 - Medidores diretos de
volume do fluido
passante
EXEMPLOS
− Tubo Pitot
− Tubo de Venturi
I - Perda de carga variável
− Tubo de Dall
(área constante)
− Annubar
− Placa de orifício
II - Área variável (perda de
− Rotâmetro
carga constante)
I - Deslocamento positivo
do fluido
II – Velocidade pelo
impacto do fluido
3 - Medidores especiais
− Disco Nutante
− Pistão flutuante
− Ogivas ovais
− Roots
− Tipo Hélice
− Tipo turbina
− Eletromagnetismo
− Vortex
− Ultra-sônico
− Calhas Parshall
− Coriolis
Tabela 10.1 - Tipos e características dos medidores de vazão
Dentre os tipos existentes dois deles são adotados para as medições de vazão do
vaso separador: a Placa de Orifício, para a medição de gás e o Medidor Coriolis para a
medição de óleo.
5 - PLACA DE ORIFÍCIO
De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão
diferencial, e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples e
60
MEDIDORES DE VAZÃO
portanto a mais empregada. Não sendo diferente, esta foi a solução adotada para a
medição de gás do vaso separador.
A placa consiste basicamente em uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e
calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges
ou porta placas. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da
pressão da linha.
O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas
dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão a uma pressão diferencial
máxima adequada. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas,
porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será
comprometida.
5.1 - Princípio de Operação e Equações
Os medidores de vazão que geram pressão diferencial são descritos pela equação de
Bernoulli, que estabelece que a soma da energia estática, da energia cinética e da
energia potencial do fluido se conserva na vazão através de uma restrição em uma
tubulação e pela continuidade.
A equação de Bernoulli estabelece:
V12 p1
V22 p 2
+
+ Z1 =
+
+ Z2
2g γ
2g γ
Onde:
V = velocidade do fluido (m/s)
p = pressão (kgf/cm2)
g =aceleração da gravidade
γ = peso específico (kgf/cm3)
Z = elevação da tubulação
A equação da continuidade fornece a relação entre a velocidade e vazão instantânea
de um fluido incompressível. Quando a área da tubulação varia de S1 para S2, a
velocidade do fluido também se altera de V1 para V2, valendo a seguinte relação:
Qv = S1 .V1 = S 2 .V2
Onde:
Qv = vazão volumétrica (m3/s)
S = área (m2)
V = velocidade (m/s)
A equação de Bernolli não pode ser aplicada diretamente para escoamentos reais,
pois num escoamento real a velocidade do fluido não é igual em todos os pontos. A
fim de permitir o uso prático é necessário introduzir o coeficiente de descarga (C):
C=
Vazão real
Vazão teórica
61
MEDIDORES DE VAZÃO
A vazão teórica é calculada a partir de medidas precisas do elemento, e a real através
de ensaios de laboratório. Assim, o coeficiente de descarga é normalizado
internacionalmente (normas AGA3 e ISO 5167) através de uma equação empírica,
sendo esta função de Re e β.
Outra limitação está no fato de que a equação de Bernoulli foi desenvolvida para
fluidos incompressíveis. Com fluidos compressíveis, a massa específica se altera pela
mudança de pressão quando o fluido passa pelo orifício. Desta forma, para corrigir
este efeito, torna-se necessário introduzir um fator de expansão isentrópica (ε),
representado, pela seguinte equação empírica (para uma tomada a montante):
ε = 1 − [(0,41 + 0,35β 4 ).(∆p / Pabs ) / k
Onde:
ε = fator de expansão isentrópica
β = relação entre os diâmetros do orifício e da tubulação
∆p = diferencial de pressão
Pabs = pressão absoluta a montante
k = expoente isentrópico
Utilizando a equação Qreal = C.Qteórica, e combinando a equação de Bernolli (para um
trecho horizontal) com a equação da continuidade, temos:
Qm = 1,1107.C.E.β 2 .D 2 .ε . ρ . ∆p.
Onde:
β =d/D
E = 1/ 1 − β 4
∆p = p1 − p 2
Qm = vazão mássica (kg/s)
C = coeficiente de descarga
D = diâmetro interno da tubulação
d = diâmetro do orifício da placa
ε = fator de expansão isentrópica
p1 = pressão a montante da placa
p2 = pressão a jusante da placa
ρ = massa específica ou densidade absoluta (kg/m3)
No computador de vazão são medidas continuamente as variáveis apresentadas na
Tabela 10.2.
Variável
Pressão Diferencial
Pressão Estática
Temperatura
Variável Auxiliar
Simbolo
Aplicação
∆p
Na equação principal e no cálculo de ε
Pabs
No cálculo da densidade e de ε
No cálculo da densidade, dos diâmetros D e d e
Tabs
eventualmente no cálculo da viscosidade
ρ ou µ Opcionalmente para densidade ou viscosidade
Tabela 10.2 – Variáveis medidas continuamente
62
MEDIDORES DE VAZÃO
A Figura 10.3 ilustra um esquema de montagem de uma placa de orifício e os pontos
de tomada da pressão diferencial.
Figura 10.3 – Esquema de uma placa de orifício
5.2 - Cálculo da Placa de Orifício
De acordo com as práticas estabelecidas, os elementos primários geradores de
pressão diferencial são calculados individualmente para cada aplicação. O cálculo
pode ser feito de três formas, dependendo das necessidades.
1- Calcular o valor de β
Para quando se quer fabricar a placa de orifício em função dos dados do processo. É
necessário conhecer o diâmetro da tubulação (D), o diferencial de pressão gerado
(∆p), a vazão normal de operação (Q) e de fundo de escala (QFE) e os dados do fluido.
2- Calcular a vazão (Q)
Para quando já se tem um medidor instalado. É necessário conhecer o diâmetro da
tubulação (D), o valor de β, o diferencial de pressão gerado (∆p) e os dados do fluido.
3- Calcular o diferencial de pressão (∆p)
Para quando se deseja especificar o transmissor. É necessário conhecer o diâmetro
da tubulação (D), o valor de β, a vazão normal (Q) e de fundo de escala (QFE) e os
dados do fluido.
Os dados de vazão normal e de fundo de escala (FE) são necessárias para se avaliar
adequadamente o coeficiente de descarga (C), que varia com o número de Reynolds
(Re), por sua vez função direta da vazão.
Deve ser observado o seguinte: no primeiro caso o valor de C depende do valor de β,
que é a incógnita. No segundo caso, o valor de C depende do valor de Re, que
depende de Q, que é a incógnita. No terceiro caso, se o fluido for compressível, o valor
de ε depende de ∆p que é a incógnita.
Desta forma, o cálculo deve ser feito de forma iterativa até convergir para um valor
confiável, pois a incógnita a ser calculada não pode ser isolada.
63
MEDIDORES DE VAZÃO
Atualmente existem diversos softwares de cálculo numérico, específicos para o cálculo
de placas de orifício, capazes de executar facilmente estes cálculos conforme as
normas AGA3 e ISO 5167.
No caso do vaso separador, como existe um conjunto de placas com valores de β prédefinidos e o transmissor já especificado, calcula-se qual será a vazão do processo,
em função dos valores de β disponíveis. Deverá ser utilizada a placa cuja vazão
calculada se aproxime mais da faixa desejada.
O ideal é que a placa seja selecionada de forma que a vazão normal de operação
fique na faixa de 60% a 100% da vazão máxima. Isto porque, abaixo de 60% os
valores, por diminuírem de forma quadrática, estão muito próximos ao fundo de escala
inferior, onde a medida não é exata. Desta forma, quanto mais próxima a medição
estiver do fundo de escala superior, mais exata será a indicação da vazão.
Não confundir o fundo de escala no qual o transmissor foi calibrado em 100%
(10000mmH2O), com o fundo de escala físico (50000mmH2O), no qual o transmissor
pode atingir. Próximo ao fundo de escala físico superior a medida também não é
exata.
Se depois de instalada a placa de orifício, a indicação de vazão acusar um valor
abaixo de 60% da vazão máxima calculada, a placa deve ser substituída por um
orifício menor (β menor), que esteja dentro da faixa de vazão observada no medidor.
Se acusar um valor acima da capacidade de medição diferencial do instrumento, a
placa deve ser substituída por um β maior.
Observa-se, que via de regra, os cálculos são feitos como se a malha de medição não
incluísse o computador de vazão. Com a difusão cada vez maior dos computadores de
vazão acoplados as placas de orifício, a rangeabilidade aumentou e os erros
diminuíram, em função dos cálculos serem atualizados constantemente em virtude das
variações do processo.
A seguir é apresentado um exemplo que ilustra os resultados de vazão obtidos para
alguns valores de β pré-estabelecidos.
Neste caso, deseja-se calcular o valor da vazão normal de operação para cada valor
de β disponível (0.2, 0.3, 0.4 e 0.6), considerando-a 70% da vazão máxima (fundo de
escala). Para isto são fornecidos os seguintes dados do processo:
DADOS OPERACIONAIS
FLUIDO
MASSA ESPEC NAS COND OP
MASSA ESPEC DE REFERÊNCIA5
PESO MOLECULAR
VISCOSIDADE NAS COND OP
EXPOENTE ISENTRÓPICO
TEMPERATURA DE OPERACAO
PRESSAO NA ENTRADA DO ELEMENTO
GAS NATURAL
72.821 kg/m3
0.78427 kg/m3 (@ 20o C 1 atm)
18.5
0.013 cP
1.2900
30 Graus C
88 kg/cm2 g
DADOS DO ELEMENTO PRIMARIO
DIAM DO ORIFICIO A 20 oC
MATERIAL DO ELEMENTO
Ver Tabela 10.3
Aço Inox 316
5
Massa específica de referência é necessária quando se deseja obter a vazão em termos volumétricos.
Neste caso a vazão volumétrica será dada em relação a massa específica de referência.
64
MEDIDORES DE VAZÃO
DADOS DO TUBO
DIAM INT DO TUBO A 20 C
MATERIAL DO TUBO
146.36 mm
Aço Carbono
DADOS DO INSTRUMENTO
RANGE
10000 mm H2O
OBS.: Cálculo da vazão de acordo com API/AGA utilizando o método de ReaderHarris e Gallagher (RG) com tomadas nos flanges (flange taps).
Os resultados são apresentados na Tabela 10.3:
Valor de β
0,2
0,3
0,4
0,6
Diâmetro do furo (d)
mm (20 oC)
29,272
43,908
58,544
87,816
Máxima
6.960
15.473
28.329
67.875
Vazão (Qv)
Nm3/h
Operação (70%)
4.872
11.020
19.831
47.512
Tabela 10.3 – Resultados do cálculo de vazão
Através destes resultados e conhecendo a priori qual a vazão aproximada que se
deseja medir, opta-se pelo valor de β mais adequado.
Tomando como exemplo a placa com β=0,4 e supondo uma indicação de vazão no FIT
de 14.000 Nm3/h, verifica-se que esta vazão (49,4% da vazão máxima) está abaixo do
mínimo recomendado (60% da vazão máxima). Desta forma, substitui-se a placa por
uma outra com β=0,3, cujo valor da vazão medida anteriormente será
aproximadamente 90,4% da vazão máxima, ou seja, mais exata.
5.3 - Medição Sem o Computador de Vazão
Se a malha de medição consistir somente num transmissor de pressão diferencial, um
extrator de raiz quadrada (que pode pertencer ao transmissor de ∆p ou a um módulo
de painel) e um instrumento de leitura, o valor da vazão terá uma incerteza mínima na
vazão normal e haverá um erro sistemático nas outras vazões.
De fato, quando a malha de medição é simples, a leitura da vazão é calculada em
função da pressão diferencial de acordo com a equação:
Qv = K ∆p
O valor do fator K é calculado de acordo com os valores de Qv e de ∆p, que são
conhecidos:
K = Qv / ∆p
Comparando com a equação completa (vazão volumétrica) para um fluido
compressível, temos:
K = 1,1107.C.E.β 2 .D 2 .ε . 1 / ρ
65
MEDIDORES DE VAZÃO
E para uma vazão mássica, o valor do fator pode ser dado como:
K m = 1,1107.C.E.β 2 .D 2 .ε . ρ
O valor de K constante implica em considerar o coeficiente de descarga constante (C).
Para números de Reynolds elevados, o coeficiente de descarga varia pouco, porém
abaixo de Re=10.000, a curva fica mais inclinada, levando a erros sistemáticos
elevados. Por este motivo é importante o uso de computadores de vazão,
principalmente quando o fluido medido é compressível.
5.4 - Tipo de Orifício
O tipo de orifício utilizado no vaso separador é do tipo concêntrico. É o tipo mais
clássico, sendo utilizado para fluidos que não contenham sólidos em suspensão.
Neste caso, o ângulo de entrada do orifício é de 90° com aresta viva e totalmente
isenta de rebarbas e imperfeições. A saída possui um chanfro num ângulo de 45º e
serve para diminuir a turbulência do fluido.
Além deste tipo de orifício existem os excêntricos (fluidos com sólidos em suspensão)
e segmentais (fluidos com sólidos em suspensão em regime laminar).
5.5 - Tomadas
Existem critérios para a colocação das tomadas de pressão nas placas de orifício,
podendo ser nos flanges (flange taps), a D e ½ D (radius taps), nos cantos (corner
taps) e a 2½D e 8D (pipe taps).
No vaso separador são utilizadas tomadas do tipo flange taps, instaladas diretamente
no porta placas. São as mais populares e com excelente precisão, sendo utilizadas em
tubulações acima de 2 polegadas. As tomadas ficam localizadas a 1 polegada a
jusante e a 1 polegada a montante da placa de orifício.
5.6 - Válvula Porta Placas
Quando há a necessidade de trocas freqüentes e rápidas da placa de orifício sem
interrupção do processo e sem uso de bypass, é comum o uso de válvulas porta
placas.
66
MEDIDORES DE VAZÃO
Figura 10.4 - Porta placas e placa de orifício
Pelo fato do dispositivo possuir dois compartimentos isolados entre si, a troca pode ser
feita sem a despressurização da linha. Durante a instalação ou a remoção da placa, o
compartimento de cima fica selado do inferior, que mantém a placa na posição de
operação.
Como o vaso separador de teste é utilizado na medição de diferentes poços, que
possuem diferentes valores de vazão, existe a necessidade de uma troca constante da
placa de orifício. Desta forma, houve a necessidade da instalação de um porta placas
(FE-002) de 6 polegadas na tubulação, possibilitando maior flexibilidade nas medições
de gás. O porta placas e a placa de orifício são ilustrados na Figura 10.4.
5.7 - Trecho Reto
O trecho reto é o conjunto formado por um tubo a montante e a jusante da placa de
orifício que auxilia a correta medição da vazão.
O comprimento do trecho, as tolerâncias para o diâmetro e as restrições de
rugosidade para a superfície interna são todas padronizadas por norma (AGA 3, ISO
5127).
O conjunto do trecho reto a jusante e a montante do porta placas é ilustrado na Figura
10.5.
67
MEDIDORES DE VAZÃO
Figura 10.5 – Trecho reto
5.8 - Condicionador de Fluxo
O trecho reto pode ser reduzido por meio de um condicionador de fluxo, que é um
dispositivo colocado no trecho a montante da placa de orifício, com a finalidade de
normalizar o perfil de velocidade e evitar a rotação da veia fluida.
Deve ser observado que o condicionador fluxo não tem o objetivo de tornar um fluido
laminar e sim diminuir sua rotatividade.
Devido a restrição de espaço existente no skid do vaso separador, para sua redução,
foi necessária a instalação de um condicionador do tipo feixe tubular, formado por 19
pequenos tubos soldados lado a lado.
6 - TRANSMISSOR DE VAZÃO (PRESSÃO DIFERENCIAL)
Para a medição e transmissão do sinal de vazão é utilizado um transmissor de
pressão diferencial (FIT-002) com sensor por silício ressonante, semelhante ao
transmissor discutido no Capítulo 9, com um range de 0 a 10000 mmH2O.
Figura 10.6 – Transmissor de vazão e pressão
O transmissor é acoplado nas tomadas do porta placa por meio de tubos (tubing) de ½
polegada (tubing), convencionalmente chamadas de “linhas de impulso”.
68
MEDIDORES DE VAZÃO
A Figura 10.6 ilustra respectivamente, o transmissor FIT-002, juntamente com o PIT002 (Capítulo 9).
7 - TRANSMISSOR DE VAZÃO (MEDIDOR CORIOLIS)
O engenheiro e matemático francês Gaspard Coriolis estabeleceu, no inicio do século
r
XIX que uma massa m , deslocando-se com uma velocidade relativa vr em relação a
r
um sistema de referência, por sua vez em movimento de rotação ω , é submetida a
r
uma força f c de acordo com a equação:
r
rr
f c = 2.m.ω .v r
r
Á força f c deu-se o nome de Força de Coriolis.
7.1 - A Força de Coriolis
Para entender a força de Coriolis, imaginemos um sistema constituído por um disco
em rotação, com velocidade angular constante, e jogadores de bola, um no centro e
outro na borda do disco, girando juntamente com este, formando um “sistema de
referência” (Figura 10.7). Quando a bola é lançada do centro para o jogador da borda,
se a direção inicial da bola visar o ponto instantâneo em que estava no momento do
lançamento, ela não atingirá o objetivo. Sua trajetória em relação ao disco será uma
curva, chegando atrás do objetivo inicialmente visado. Em relação ao sistema de
referência, é como se uma força derivasse a bola de seu objetivo.
Figura 10.7 – Ilustração do efeito Coriolis
Para que não se desviasse do objetivo, a bola deveria ter adquirido uma velocidade
tangencial à medida que se afastasse do centro. A cada ∆r de afastamento do centro,
r
se a bola adquirisse um acréscimo de velocidade tangencial ∆r.ω , ela atingiria o alvo.
Em sentido contrário, se o jogador da borda do disco lançar a bola em direção ao
centro, esta descreverá uma curva, devido à velocidade tangencial que tinha no
momento do lançamento, não atingindo o objetivo, como precedentemente. De novo,
tomando como referência o disco, é como se uma força desviasse a bola do objetivo.
Se colocássemos um tubo para guiar a bola entre os dois jogadores, necessariamente
ela atingiria o objetivo, tendo para tanto que apoiar-se na parede do tubo com a força
69
MEDIDORES DE VAZÃO
necessária para incrementar sua velocidade tangencial afastando-se do centro, ou
decrementá-la em sentido contrário. Esta é a força de Coriolis.
7.2 - Aplicação do Efeito de Coriolis aos Medidores de Vazão
O princípio pode ser aplicado a um medidor, constituído por um tubo em forma de U e
animado de um movimento oscilatório, percorrido por um fluido a uma vazão
constante. Num elemento de tempo muito curto, o tubo pode ser considerado em
movimento de rotação. Considera-se um elemento de fluxo de massa numa das partes
retas do U. Quando esse elemento se afasta do centro de rotação, a força de Coriolis,
na parte inicial do seu percurso no tubo, se dá em direção contrária à do movimento
angular. O elemento de fluído acaba por adquirir a velocidade angular imposta pela
oscilação do tubo, e percorre a curva do U com essa velocidade. Quando inicia o
segundo ramo do U a velocidade angular produz uma força em sentido contrário à
primeira, como ilustrado na Figura 10.8. Em se tratando de um escoamento contínuo,
a cada elemento de fluido que se desloca na primeira parte do U corresponde
simetricamente um outro que se desloca na segunda parte. Assim, as forças atuam de
forma a criar um conjugado, que acaba provocando uma rotação no tubo em U.
Figura 10.8 – Ação do efeito de Coriolis nos tubos do medidor
A Figura 10.9 ilustra o medidor Coriolis, onde os dois tubos de medição são
submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à
baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluído qualquer é
introduzido no tubo em vibração, o efeito da força de Coriolis se manifesta causando
uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos
que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.
70
MEDIDORES DE VAZÃO
Figura 10.9 – Medidor de vazão mássica com tubos em forma de U
O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é
montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações
das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.
É comum o uso de dois tubos oscilando em oposição de
transferência de vibrações à linha de processo. Por outro
produzidas pelo processo não influenciam na medição, pois
defasagem entre os tubos. Assim, se o instrumento sofrer uma
tubos vibrarão em conjunto sem alterar a defasagem entre eles.
fase para evitar a
lado, as vibrações
esta é baseada na
vibração externa, os
Uma forma mais simples de se compreender o efeito de Coriolis sobre o tubo do
instrumento é imaginar uma mangueira de jardim suspensa pelas pontas formando um
U (semelhante ao do instrumento). Conecta-se uma das extremidades a uma torneira,
enquanto que a outra permanece aberta. Segurando-se no meio da mangueira
executa-se um balanço em sua freqüência natural (simulando a bobina de vibração).
Mantendo-se esta freqüência, abre-se a torneira permitindo que exista um fluxo de
água. Neste momento observa-se uma oscilação contínua da mangueira (diferente da
freqüência natural) que será proporcional a velocidade da vazão, ou seja, equivalente
a quantidade de massa que circula na mangueira.
O vaso separador utiliza um medidor mássico (FE-001) de 4 polegadas para a
medição da vazão de óleo. Para melhor visualização da indicação de vazão local e
devido a uma restrição de espaço o transmissor do instrumento (FIT-001) foi instalado
remotamente. Outro benefício da instalação remota é de isentar o transmissor das
vibrações provocadas pelo elemento primário. A Figura 10.10 ilustra respectivamente
o medidor mássico e o transmissor de vazão remoto.
71
MEDIDORES DE VAZÃO
Figura 10.10 - Medidor mássico e transmissor de vazão remoto
Devido ao fato do instrumento medir a massa e esta não se alterar com a variação da
pressão e temperatura, não existe a necessidade de um computador de vazão para
compensar estas variáveis.
A vazão volumétrica é dada indiretamente em função da medição da massa e da
massa específica (densidade absoluta). No entanto, a presença de bolhas no líquido
compromete a exatidão da medição da massa específica e conseqüentemente da
vazão volumétrica. Assim, para a medição de líquidos é recomendado o uso da vazão
mássica como unidade de medida.
72
11. VÁLVULAS DE CONTROLE
1 - INTRODUÇÃO
A válvula de controle desempenha um papel muito importante no controle automático
de processos, que dependem da correta distribuição e controle de líquidos gases e
vapores.
Os elementos finais de controle, que têm na válvula seu principal representante, são
os responsáveis pela manipulação do fluxo de matéria ou energia. A finalidade é atuar
no processo de modo a corrigir o valor da variável controlada sempre que houver
algum desvio em relação ao valor desejado.
Apesar de largamente utilizada, a válvula de controle é o elemento que normalmente
recebe menos atenção dentro da malha de controle. Na maioria dos casos a válvula
de controle é o componente mais sujeito a condições severas de pressão,
temperatura, corrosão, erosão etc. e, ainda assim, deve operar de modo satisfatório,
para não comprometer o controle da variável em consideração.
Uma válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação e é
definida por alguns como sendo um orifício de dimensões variáveis.
2 - COMPONENTES
Uma válvula de controle divide-se basicamente nas seguintes partes: Atuador; corpo e
internos; e castelo e engaxetamento, como ilustra a Figura 11.1.
Figura 11.1 – Componentes de uma válvula de controle
VÁLVULAS DE CONTROLE
2.1 - Atuador
É a parte da válvula de controle que fornece a força com que a válvula realiza o seu
trabalho. Normalmente consiste numa câmara bipartida que contêm um diafragma
flexível. Numa das partes o desta câmara o atuador recebe o sinal de controle e na
outra parte, o diafragma é fixado a um prato, onde se apóiam uma haste e uma mola.
Quando é aplicado o sinal de controle (ar pneumático), a força produzida pela pressão
na câmara se opõem à força gerada pela mola, a qual limita o curso e regula a posição
da haste. Assim este tipo de atuador transforma a pressão de ar aplicada num
movimento de translação.
A faixa de pressão com que cada atuador trabalha varia conforme modelo e fabricante.
No caso do vaso separador as válvulas de controle operam com uma faixa de pressão
de 12 a 30 psi.
Com uma pressão de 12 psi aplicada no atuador, o diafragma começa a se mover,
dando início ao curso da haste. Com uma pressão de 21 psi (metade do valor da faixa
de atuação), o curso da válvula corresponde à metade do curso total e para uma
pressão de 30 psi, a haste completa seu curso, atingindo a outra posição extrema.
O sistema de atuação das válvulas de controle, em última análise, transforma pressão
de ar em força aplicada ao diafragma, existindo uma relação praticamente linear entre
a pressão de ar de atuação e o deslocamento da haste.
Na especificação de uma válvula de controle, um dos valores que se deve especificar
é a pressão de ar de acionamento disponível na planta para que sejam definidas as
dimensões do atuador em função das forças necessárias a sua operação.
Os atuadores quanto a ação, podem ser do tipo direta ou inversa. Um atuador de ação
direta, no qual a válvula de controle fecha com o aumento da pressão de ar, assume a
posição totalmente aberta em caso de falha de suprimento de ar de acionamento. É o
caso da válvula PV-003 (válvula de gás). O de ação inversa por sua vez se dirige à
posição totalmente fechada, como é o caso da válvula LV-001 (válvula de óleo).
2.2 - Corpo e Internos
Como já visto anteriormente, a válvula de controle varia a vazão introduzindo uma
restrição no circuito, dissipando uma parte da energia proveniente de uma fonte de
pressão. A válvula reduz a pressão na descarga da linha, de modo análogo a um
resistor, o qual faz cair a tensão desenvolvida por uma fonte de energia elétrica.
O fluido de processo passa pelo corpo da válvula de controle, sendo que o obturador
(plug) é o elemento móvel da válvula, responsável por restringir a vazão. O seu
formato fixa a relação entre a abertura da válvula e a vazão correspondente, dando
origem, a característica de vazão da válvula de controle. O corpo da válvula é função
da aplicação, bem como os seus internos.
O tipo de corpo mais freqüentemente utilizado é o da válvula globo de sede simples, o
mesmo utilizado pelas válvulas de controle do vaso separador.
74
VÁLVULAS DE CONTROLE
Obviamente, qualquer que seja o tipo de válvula utilizando, a manipulação é feita de
forma semelhante, com a diferença que, para cada aplicação, o tipo de válvula
adequada deve ser escolhido.
2.3 - Castelo e Engaxetamento
O castelo é a parte da válvula que conecta o atuador ao corpo da válvula, guiando a
haste da mesma, alojando o sistema de selagem do fluido de processo e exercendo
um papel importante de realizar troca de calor do sistema de engaxetamento com o
ambiente.
No caso das válvulas globo, como a haste é deslizante, há a necessidade de uma
selagem desta haste através do sistema de engaxetamento. Constituem-se de anéis e
acessórios com a função de fixar o sistema ao castelo, em torno da haste, de modo a
se evitar vazamento do fluido de processo.
Os materiais mais utilizados no engaxetamento das válvulas de controle são o teflon, o
asbesto e o grafite, sendo que as válvulas do vaso separador utilizam o teflon.
3 - CARACTERÍSTICA DA VÁLVULA
A característica da válvula de controle é definida como a relação entre a vazão através
dela e a posição da haste, variando ambas de 0 a 100%.
Na definição da característica, admite-se que:
•
•
•
o atuador da válvula é linear (o deslocamento da haste é proporcional à saída
do controlador),
a queda de pressão através da válvula é constante,
o fluido do processo não está em cavitação ou flashing6
São definidas duas características da válvula: inerente e instalada. A característica
inerente se refere à observada com uma queda de pressão constante através da
válvula. É a característica construída e fora do processo. A instalada se refere à
característica quando a válvula está em operação real, com uma queda de pressão
variável, interagindo com as influências do processo não consideradas no projeto.
Para se ter um controle eficiente e estável em todas as condições de operação do
processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa.
Ter um comportamento constante significa ser linear.
Na prática, a maioria dos processos é não linear, porém é possível determinar uma
faixa de operação em que a relação entre a vazão e a posição da haste seja linear, ou
até mesmo linearizar a curva através de software. Caso contrário, seria necessário a
implantação de controle não linear, mais complexo e menos usual no controle de
processos industriais.
6
Quando o fluido entra na válvula ocorre uma queda de pressão. Se esta pressão atingir um valor abaixo
da pressão de vapor ocorre uma condição denominada flashing, com vapor na saída da válvula. Quando
ocorre a recuperação desta pressão (acima da pressão de vapor) existe a formação de bolhas que geram
a cavitação.
75
VÁLVULAS DE CONTROLE
O objetivo da caracterização da vazão é fornecer um ganho do processo total
relativamente constante para a maioria das condições de operação.
A característica da válvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno
do obturador (plug) e da gaiola, ilustrados na Figura 11.2 e na Figura 11.3, definem a
característica da válvula. As três características típicas são linear, igual porcentagem e
abertura rápida, como ilustra a Figura 11.4.
Figura 11.2 - Característica dos obturadores das válvulas globo
Figura 11.3 – Característica das gaiolas das válvulas globo
Na válvula igual porcentagem, iguais porcentagens de variação de abertura da válvula
correspondem a iguais porcentagens de variação de vazão. Produz uma variação de
vazão muito pequena no inicio de sua abertura e muito alta na próxima da abertura
total. Esta válvula perde sua característica inerente quando instalada no processo,
aproximando-se da linear. Utilizada normalmente no controle de pressão de líquidos,
em processos rápidos e quando não se conhece muito bem a dinâmica do processo.
Na válvula linear a vazão é diretamente proporcional a sua abertura. Possui ganho
constante em todas as vazões, independente do ponto de operação. Utilizada
normalmente para controle de nível, controle de pressão de fluidos compressíveis e
em outros sistemas onde a perda de carga na válvula seja cerca de 40% ou mais da
perda de carga total do sistema. Esta característica é a empregada em ambas as
válvulas do vaso separador.
Na válvula de abertura rápida existe uma grande variação da vazão da vazão para
uma pequena abertura no inicio da faixa. Não é adequada para controle contínuo,
sendo aplicada geralmente em controle liga-desliga.
76
VÁLVULAS DE CONTROLE
Figura 11.4 – Curva característica de válvulas
É muito difícil prever o comportamento da válvula instalada, sendo normal a diferença
entre a característica real e inerente da válvula. Desta forma, é muito comum através
de software, a parametrização do sinal enviado para a válvula, com o objetivo de
tornar a curva linear.
4 - POSICIONADORES
O posicionador é um servo-amplificador cuja função é assegurar o correto
posicionamento da haste da válvula, de acordo com o sinal de comando
correspondente enviado pelo controlador.
Normalmente, o atrito da haste com o sistema de engaxetamento da válvula é o que
mais contribui para a denominada histerese, ou seja, uma pequena diferença entre o
posicionamento da haste para o mesmo valor do sinal de comando em instantes
diferentes.
Desta forma, o objetivo do posicionador é o de comparar o sinal de referência da
posição desejada com a posição real da haste da válvula. Através de um elo eletromecânico é possível verificar se a haste não está na posição desejada. Neste caso, o
posicionador irá aumentar ou diminuir a pressão enviada para o diafragma até que a
haste atinja a posição de referência.
No vaso separador as válvulas de controle utilizam posicionadores eletropneumáticos,
que convertem o sinal elétrico de 4 a 20 mA em sinal pneumático de 12 a 30 psi.
5 - VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO
As válvulas reguladoras de pressão são dispositivos que exercem praticamente a
mesma função de uma válvula de controle, quando se trata de controle de pressão
porém, de forma mais simples.
77
VÁLVULAS DE CONTROLE
A função primordial de uma reguladora de pressão é manter a pressão de entrada do
fluido no ponto de consumo, compensando a variação da demanda. Com o aumento
da demanda a tendência da pressão é cair, sendo que a válvula deve abrir para
restabelecer o valor da pressão. O inverso ocorre quando a demanda diminui e a
pressão aumenta, provocando o fechamento da válvula.
O vaso separador possui uma estação de redução, que é na verdade um conjunto de
válvulas reguladoras. Esta estação é responsável pelo condicionamento da
alimentação das válvulas de controle, ou seja, faz a limpeza e a diminuição do gás
retirado do vaso separador para utilizá-lo na alimentação pneumática do sistema.
A estação de redução (Fisher 1367) é composta por 5 ítens, como ilustra a Figura
11.5:
1. um filtro, responsável pela remoção de sujeira, oxidação e umidade;
2. uma válvula reguladora de alta (1301F) que reduz a pressão de entrada para
100 psi;
3. uma válvula de escape (H120), que alivia a pressão da reguladora 1301F se a
mesma atingir 150 psi;
4. uma válvula reguladora de baixa (67AF) que reduz a pressão para 35 psi;
5. uma válvula de escape (H800), que alivia a pressão da reguladora 67AF se a
mesma atingir 44 psi;
Figura 11.5 – Componentes da estação de redução
Ar ou gás saindo de uma ou de ambas as válvulas de escape, indica que um ou
ambos os reguladores estão desgastados ou danificados e devem ser reparados ou
substituídos imediatamente.
A Figura 11.6 ilustra a estação de redução instalada no vaso separador. Além desta
estação de redução, antes de cada posicionador existe um filtro regulador (67CFR),
que age como um elemento adicional, garantindo ar limpo a uma pressão máxima de
35 psi.
78
VÁLVULAS DE CONTROLE
Figura 11.6 – Estação de redução
6 - VÁLVULAS DE CONTROLE DO VASO SEPARADOR
O vaso separador possui duas válvulas de controle: uma de 1 polegada para o
controle do nível de óleo (LV-001) e outra de 2 polegadas para o controle da pressão
de gás (PV-003) do vaso separador.
Como já citado, ambas possuem posicionadores eletropneumáticos, além de filtros
reguladores na entrada da alimentação pneumática. A Figura 11.7 ilustra as válvulas
de controle de nível e pressão respectivamente.
Figura 11.7 – Válvulas de controle de nível e pressão
79
12. VÁLVULAS DE
SEGURANÇA
1 - INTRODUÇÃO
A função de toda válvula de segurança instalada em processos industriais é aliviar o
excesso de pressão, devido ao aumento da pressão de operação acima de um limite
pré-estabelecido no projeto do equipamento por ela protegido.
Uma das principais responsabilidades do gerenciamento da planta de processo é a de
operar de modo seguro. Desta forma, a válvula de segurança e alívio é a ultima linha
de defesa para proteger o equipamento e os recursos humanos das conseqüências da
acumulação de energia maior do que a permitida pelos limites do projeto.
A Válvula de Segurança e Alívio, cujas partes são ilustradas na Figura 12.1, é um
dispositivo automático de alívio de pressão atuado pela pressão estática a montante
da válvula, operando tanto como válvula de alívio como de segurança.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Corpo
Bocal
Anel do bocal
Paraf. trava do anel
Disco
Suporte do disco
Paraf. trava para TH
Guia
Junta da guia
Haste
Cupilha
Suporte da mola
Mola
Castelo
Parafuso regulador
Porca do paraf. reg.
Junta do capuz
Capuz
Arame do lacre
Lacre
Figura 12.1 – Partes de uma válvula de segurança e alívio convencional
VÁLVULAS DE SEGURANÇA
A válvula de segurança opera na presença de gás e é caracterizada pela abertura total
e rápida (ação pop). A válvula de alívio opera na presença de líquidos abrindo
gradualmente conforme o aumento da pressão.
Normalmente, os procedimentos e controles de operação regulam as pressões dentro
dos limites de projeto. No caso de mau funcionamento do controle, sistemas de
desligamento de emergência servem para levar o sistema para uma condição segura,
de modo ordenado. Porém, se também o sistema de desligamento de emergência
falhar, o projeto da planta deve incorporar dispositivos de alívio de pressão para aliviar
a energia acumulada e evitar danos maiores.
A simplicidade relativa e a natureza auto-atuante da válvula de segurança e alívio a
tornam mais confiável e prático o dispositivo de proteção (melhor que o disco de
ruptura). É importante ressaltar que uma válvula de alívio é instalada apenas para
limitar a pressão. Não é sua função controlar, regular, reduzir ou despressurizar o
sistema.
2 - OBJETIVO
A válvula de alívio, é instalada por causa de uma ou várias das seguintes razões de
segurança ou economia:
1. Atender normas e leis governamentais, inclusive as de controle ambiental.
2. Proteger o pessoal de operação contra perigos causados pelo excesso
depressão nos equipamentos.
3. Minimizar a perda de material durante e após um distúrbio operacional,
causado por uma sobrepressão rápida.
4. Evitar danos a equipamentos e propriedades, inclusive a jusante do
equipamento com excesso de pressão.
5. Minimizar as paradas da unidade causadas por sobrepressão.
6. Evitar processos jurídicos resultantes de danos a pessoal e propriedade
externos à planta causados por sobrepressão.
7. Reduzir os prêmios de seguro da planta.
8. Evitar poluição do meio ambiente por causa da ruptura de tubulações
provocadas por sobrepressão da linha.
3 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO
As válvulas de segurança e alívio possuem discos pressionados por mola, que fecham
a abertura de entrada da válvula contra a pressão do processo. A pressão da mola é
ajustada de acordo com uma pressão predeterminada, que quando atingida, levanta o
disco da válvula permitindo a passagem do fluido através da abertura.
As válvulas de alívio são projetadas de modo que a área exposta a sobrepressão seja
a mesma, com a válvula aberta ou fechada, fazendo com que o disco seja levantado
proporcionalmente ao aumento da pressão de entrada quando operada por líquido.
Em válvulas de segurança, o bocal é usualmente cercado por um anel ajustável, que
forma com a borda do disco um orifício secundário. Durante a abertura, este o orifício
permite que a pressão seja aplicada a uma superfície adicional e não apenas ao disco.
81
VÁLVULAS DE SEGURANÇA
Esta área adicional objetiva levantar rapidamente o disco colocando a válvula em uma
posição de totalmente aberta quando operada por gás (ação pop).
Os as posições de abertura de uma válvula de segurança e alivio são ilustradas na
Figura 12.2.
Figura 12.2 - Posições da válvula de segurança e alívio
4 - VÁLVULAS DE SEGURANÇA DO VASO SEPARADOR
Foram instaladas no vaso separador duas válvulas de segurança e alivio
convencionais, ambas com entrada 3 e saída de 4 polegadas, calibradas com
pressões de abertura em 91,0 kg/cm2.(PSV-001) e 96,0 kg/cm2.(PSV-002). A Figura
12.3 ilustra as duas válvulas instaladas na parte superior do vaso
Figura 12.3 – Válvulas de segurança e Alívio
82
13. ÁREA CLASSIFICADA
1 - INTRODUÇÃO
Por definição, área classificada é qualquer local onde possa existir combustível e
oxigênio que permitam a formação de atmosfera explosiva, capaz de dar origem a um
processo de combustão.
O objetivo fundamental em instalações de sistemas de instrumentação e automação
em áreas classificadas é evitar que tais instrumentos se tornem fontes de ignição ou
garantir, que uma eventual explosão que ocorra, fique confinada no interior do
invólucro do instrumento ou sistema, não se propagando ao ambiente externo.
2 - QUADRADO DO FOGO
Para que uma reação química de combustão seja iniciada é necessário que exista a
ocorrência simultânea das quatro partes integrantes desta reação: o combustível, o
comburente, o calor e a reação em cadeia. Estas condições que geram a combustão
podem ser representadas pelo Quadrado do Fogo, ilustrado na Figura 13.1.
Figura 13.1 – Quadrado do Fogo
Considerando a instalação do vaso separador, o combustível é o gás natural. O
comburente é representado pelo oxigênio do ar, sempre presente na atmosfera. E o
calor é propiciado por qualquer liberação de energia em quantidade suficiente para
iniciar o processo de combustão. Esta fonte de ignição pode ser gerada pelos
instrumentos instalados na planta.
3 - CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA
Para se especificar de modo correto e seguro um instrumento elétrico em determinado
local é mandatório se conhecer a classificação do local. Ou seja, o ponto de partida
ÁREA CLASSIFICADA
para a classificação do instrumento é a classificação da área onde tal instrumento será
instalado.
De um modo geral, diz-se que uma área industrial é perigosa ou classificada quando
neste local é processado, armazenado, transportado, e manuseado material que
possua vapor, gás ou pó inflamável. Como isso é vago e pouco operacional, classificase uma área perigosa considerando todos os parâmetros relacionados com o grau de
perigo. É recomendável se referir a tal área como área classificada, em vez de área
perigosa.
Classificar uma área é fazer um mapa da planta, atribuindo números e letras a
determinados locais limitados, em função do tipo da substância, grau de perigo e
probabilidade da presença da substância.
A norma brasileira de classificação de áreas é a NBR IEC 60079-10, baseada na
normalização internacional da IEC (International Electrotechnical Comission), que
classifica as áreas de risco em Zonas e Grupos, como apresentado a seguir.
3.1 - Zona
Zona expressa a probabilidade estatística de um material perigoso (gás, vapor, névoa
poeira ou fibra) estar presente no ar ambiente formando uma mistura em concentração
perigosa.
Se esta mistura for composta por gás, vapor ou névoa, é dividida da seguinte forma:
ZONA 0: área onde a presença de uma atmosfera explosiva de gás é
continuamente presente, ou por longos períodos ou freqüentemente.
ZONA 1: área onde a presença de uma atmosfera explosiva de gás pode
ocorrer ocasionalmente em condições normais de operação.
ZONA 2: área onde a presença de uma atmosfera explosiva de gás não é
previsto ocorrer em condições normais de operação, mas se ocorrer é por um
curto período.
Os procedimentos para classificação de áreas consideram que uma área na qual a
probabilidade de ocorrência da presença de atmosfera explosiva seja maior do que
1000 horas por ano deva ser classificada como sendo Zona 0. Se a probabilidade de
ocorrência da presença de atmosfera explosiva seja menor do que 10 horas por ano, a
área classificada deve ser considerada Zona 2. Caso a probabilidade de ocorrência
de atmosfera explosiva seja menor do que 1000 horas/ano e maior do que 10
horas/ano, a área classificada deve ser considerada como sendo Zona1.
Se esta mistura for composta por poeira ou fibra, é dividida como anteriormente,
porém com a inclusão do algarismo 2 na frente da numeração, ou seja, Zona 20, Zona
21 e Zona 22.
3.2 - Grupo
A determinação do grupo é estabelecida em função dos gases explosivos presentes
no ambiente, sendo subdividido em:
84
ÁREA CLASSIFICADA
GRUPO I: é relativo às instalações subterrâneas, como nas minas de carvão,
onde se encontra basicamente a presença do gás metano.
GRUPO II: é relativo às instalações de superfície, sendo subdividido de acordo
com o gás representativo com mostra a Tabela 13.1.
Grupo II
Gás
Energia de
Ignição
IIA
IIB
IIC
Propano
Etileno
Hidrogênio
180µJ
60µJ
20µJ
Tabela 13.1 – Subdivisão do Grupo II
3.3 - Normas IEC, NEC e ATEX
Os conceitos da norma NEC (National Electric Code), relacionadas a classificação de
área, embarcaram no Brasil com o surgimento da indústria de petróleo. Como o Brasil
não tinha nessa época normas próprias sobre o assunto, as empresas americanas de
engenharia aplicaram aquelas que usavam no seu país de origem.
A partir de 1996, o NEC (artigo 500) também passou a utilizar esta divisão de Zonas e
Grupos. Porém, ainda hoje podem ser encontrados projetos com a terminologia
antigamente utilizada nas normas norte americanas. A Tabela 13.2 e Tabela 13.3
relacionam as normas IEC e NEC.
Agente formador da atmosfera explosiva
Gás/Vapor/Névoa
Poeira
Fibra
NBR/IEC
NEC
NBR/IEC
NEC
NBR/IEC
Presença da
atmosfera
explosiva
Sempre ou por
tempo
prolongado
Zona 0
Provável em
operação
normal
Zona 1
Improvável em
operação
normal e quando
ocorre
é só por curto
tempo
Zona 2
NEC
Zona 20
Classe I
Divisão 1
Classe II
Divisão 1
Zona 21
Classe I
Divisão 2
Zona 22
Classe II
Divisão 2
Não
distinguem
entre
poeiras
e fibras
Classe III
Divisão 1
Classe III
Divisão 2
Tabela 13.2 – Relação entre as normas IEC e NEC (Zonas)
85
ÁREA CLASSIFICADA
NBR/IEC
NEC
Grupo I Grupo II - Todas
Equipamentos
as
para minas
outras áreas
Grupo
A - Propano
D - Gasolina
C - Éter Dietílico
B - Etileno
Metano
B - Hidrogênio
C - Hidrogênio
A - Acetileno
E - Metálica
F - Carvão
G - Farinha
Tabela 13.3 – Relação entre as normas IEC e NEC (Grupos)
O CENELEC (Comité Europeu de Normalização Electrotécnica) e o CEN (Comité
Europeu de Normalização) são responsáveis pelas novas diretivas que visam a
harmonização da legislação dos Estados-Membros da União Européia. Eles criaram a
diretiva ATEX (Atmosphère Explosible) muito utilizada na Europa.
Na diretiva ATEX. a divisão de Grupos é semelhante a norma IEC e as Categorias são
relacionada com as divisões por Zonas. A Tabela 13.4 apresenta um resumo desta
concepção.
Grupo
Categoria
Símbolo ATEX
M1 - Presença de metano e poeiras
I - Equipamento destinado a
utilização em minas
M2 - Risco de presença metano e
poeiras
1 - Zona 0 / 20 (proteção muito alta)
II - Equipamento destinado a
utilização na superfície.
2 - Zona 1 / 21(proteção alta)
3 - Zona 2 / 22 (proteção normal)
G – Gás
D – Poeira (Dust)
Tabela 13.4 – Divisão de Grupos e Categorias ATEX
4 - CLASSIFICAÇÃO DE TEMPERATURA
A eletricidade, por causa do efeito Joule, pode provocar aquecimento. A alta
temperatura por sua vez, pode se constituir em fonte de energia capaz de inflamar ou
provocar explosão de determinada atmosfera potencialmente explosiva.
Em vista desses fatos, todo instrumento elétrico deve também possuir uma
classificação de temperatura. Esta classificação está relacionada com a máxima
temperatura que a superfície do instrumento pode atingir em funcionamento normal
quando a temperatura ambiente é de 40 oC.
A norma IEC estabelece e define seis classes de temperatura conforme ilustra a
Tabela 13.5.
86
ÁREA CLASSIFICADA
Classe de
Temperatura
Máxima
Temperatura
de superfície
T1
T2
T3
T4
T5
T6
450 oC
300 oC
200 oC
135 oC
100 oC
85 oC
Tabela 13.5 – Classificação de temperatura dos instrumentos
5 - TIPOS DE PROTEÇÃO CONTRA EXPLOSÃO
Diferentes técnicas construtivas são aplicadas na fabricação de instrumentos para
operar em áreas classificadas, distinguindo-os dos instrumentos de “uso industrial
geral”, os quais não são apropriados ou certificados para aplicação em locais de risco
contendo atmosferas explosivas. Os tipos mais comumente utilizados são:
5.1 - Prova de Explosão (Ex-d)
O invólucro com tipo de proteção à prova de explosão deve ser capaz de confinar em
seu interior qualquer detonação que ocorra devido ao ingresso de substância
explosiva, impedindo que a energia decorrente desta explosão se propague para o
ambiente externo. Mesmo depois de sucessivas explosões o instrumento deve
continuar funcionando.
O invólucro a prova de explosão é dimensionado mecanicamente, de forma a resistir à
grande pressão interna (pressão de pico) que pode resultar desta detonação interior.
O projeto construtivo do invólucro deve garantir que os vazamentos de gazes para o
exterior do mesmo, através de flanges, roscas ou pequenos orifícios, sejam resfriados
a valores seguros, de modo a garantir que quando atinjam a parte externa do
equipamento estejam abaixo da temperatura de ignição dos gases presentes neste
local.
Além destas críticas características construtivas, outra característica necessária ao
invólucro à prova de explosão é a de que nenhuma superfície externa ultrapasse a
temperatura máxima admissível da classe da atmosfera explosiva, seja em operação
normal ou seja em caso de defeito dos componentes internos.
Na técnica de proteção do tipo à prova de explosão, o projeto de construção do
invólucro depende das características do gás explosivo da área onde o mesmo foi
instalado, ou seja, do Grupo de classificação da área. Um invólucro projetado e
certificado para os Grupos IIA e IIB, por exemplo, não pode ser instalado em áreas do
Grupo IIC.
Um equipamento a prova de explosão, respeitando o Grupo, pode ser utilizado
normalmente em Zona 2. Em Zona 1, pode ser utilizado com algumas restrições de
Grupos. Porém não se pode utilizar este tipo de equipamento em Zona 0.
87
ÁREA CLASSIFICADA
Existem diferenças construtivas nos invólucros do tipo à prova de explosão,
normalmente produzidos por fabricantes europeus, que utilizam basicamente
invólucros com tampas roscadas (como é o caso dos instrumentos do vaso separador)
e por fabricantes americanos, que adotam basicamente os invólucros com juntas
planas aparafusadas (como é o caso das caixas de junção do vaso separador).
5.2 - Segurança Intrínseca (Ex-i)
Um sistema intrinsecamente seguro pode ser definido como aquele que é incapaz de
liberar energia, seja na forma elétrica ou térmica, suficiente para provocar a ignição de
determinada mistura explosiva que possa se fazer presente. A impossibilidade de
ignição deve ser mantida e garantida, mesmo em caso de falha no sistema.
A máxima energia que pode ser liberada sem comprometer a segurança depende da
atmosfera considerada, o que é levado em consideração pelas normas e pela
certificação.
A filosofia da proteção do tipo segurança intrínseca enfoca o circuito como um todo e
não somente o instrumento de campo, como é o caso dos outros tipos de proteção,
como a do invólucro à prova de explosão, por exemplo. São considerados circuitos
intrinsecamente seguros aqueles em que existe uma compatibilidade de
características elétricas entre os componentes do mesmo (instrumento, cabo e
barreira), de forma a não ser possível o acumulo de energia suficiente para a
ocorrência de centelhas, mesmo em casos de falhas dos componentes ou curtocircuito.
Por ser baseada no projeto dos equipamentos e não na inclusão de medidas auxiliares
de proteção, um sistema intrinsecamente seguro uma vez adequadamente projetado,
especificado e instalado, apresenta elevado índice de segurança e imunidade à
introdução de falhas humanas nos procedimentos de manutenção.
Falhas humanas, que podem chegar a ser fatais em sistemas que empregam outras
técnicas, como por exemplo, a abertura de um instrumento com invólucro do tipo a
prova de explosão em condições onde haja presença de atmosfera explosiva ou
fechamento inadequado da tampa deste invólucro, não constituem condições de risco
na proteção Ex-i.
A limitação da aplicabilidade desta técnica, baseada na limitação da energia, é o
consumo e armazenamento de energia do próprio instrumento.
Como praticamente toda a malha de instrumentação é alimentada por uma fonte de
tensão que obtém energia de uma rede elétrica ou gerador, não se pode pretender
que todo o sistema seja intrinsecamente seguro. A fonte e a rede trabalham em níveis
de energia elevados, por isto é considerado suficiente que apenas uma parte da
malha, que se localiza na área classificada, apresente características intrinsecamente
seguras.
A parte do circuito constituída pela fonte de alimentação, juntamente com o painel de
controle que não são intrinsecamente seguros, são instalados em áreas seguras
(áreas não classificadas)
88
ÁREA CLASSIFICADA
A Figura 13.2 apresenta um diagrama típico de instalação de um circuito
intrinsecamente seguro, composto por instrumento de campo intrinsecamente seguro,
barreira de segurança e o sistema de controle.
ÁREA SEGURA
Sistema
de
Controle
ÁREA CLASSIFICADA
Barreira de
Segurança
Intrínseca
Instrumento
Intrinsecamente
Seguro
Figura 13.2 – Circuito intrinsecamente seguro
É importante ressaltar que a segurança intrínseca abrange o sistema constituído por
todas as partes componentes deste circuito como um todo e não somente o
instrumento de campo isoladamente.
Em uma situação em que um transmissor intrinsecamente seguro seja conectado
erroneamente a um cabo cuja capacitância permite o armazenamento de uma
quantidade de energia suficiente para provocar uma ignição, o sistema não
apresentará segurança por não atender ao conceito de entidade.
O conceito de entidade permite a interligação de instrumentos com barreiras sem que
os mesmos tenham sido certificados juntos. Os critérios para esta interconexão são
apresentados na Tabela 13.6.
Barreira
Uo
Io
Po
Co
Lo
≤
≤
≤
≥
≥
Instrumento
Ui
Ii
Pi
Ci
Li
Cabo
+
+
Cc
Lc
Descrição
Tensão
Corrente
Potência
Capacitância
Indutância
Tabela 13.6 – Critérios de interconexão de componentes Ex-i
Os instrumentos intrinsecamente seguros são enquadrados nas seguintes categorias:
Categoria “ia”: os equipamentos desta categoria apresentam altos índices de
segurança e parâmetros restritos, qualificando-os a operar em zonas de alto
risco como zona 0.
Categoria “ib”: nesta categoria o equipamento pode operar somente na Zona
1 e na Zona 2, apresentando parametrização menos rígida, facilitando assim, a
interconexão dos equipamentos.
5.3 - Segurança Aumentada (Ex-e)
O tipo de proteção segurança aumentada é aplicável a instrumentos e equipamentos
elétricos que em condições normais de operação, não apresentam fontes de ignição.
89
ÁREA CLASSIFICADA
Na etapa de projeto do equipamento são introduzidas medidas construtivas que
impossibilitam a ocorrência de centelhas ou o aparecimento de pontos quentes.
Como conseqüência, equipamentos que produzem arcos ou faíscas durante a
operação normal, ou equipamentos que geram calor excessivo não são adequados
para este tipo de proteção.
Está técnica é muito aplicada em painéis, que comparados aos painéis Ex-d, são mais
leves e podem alcançar um grau de proteção (IP) mais elevado.
5.4 - Pressurização ou Purga (Ex-p)
Na prática e para efeito de proteção, tanto a purga (vazão) como a pressurização
(pressão), possuem o mesmo significado prático. A proteção é conseguida pela
aplicação de uma pressão positiva em relação à pressão externa (pressurização) ou
através da vazão de um gás inerte ou ar puro (purga), no interior da caixa do
instrumento. Esta pressão interna positiva impede a entrada dos gases perigosos
existentes na atmosfera circundante e impede o contato da mistura perigosa com a
fonte de ignição. A pressão aplicada é da ordem de 65 a 130 Pa (5 a 10 mm de coluna
d`água).
A técnica de purga ou pressurização pode ser aplicada a instrumentos de grande
volume, onde a técnica à prova de explosão é impraticável. Podem ser utilizados em
Zona 1 ou Zona 2 e dependendo do local e do tipo do circuito interno, são necessárias
salvaguardas adicionais ao sistema de pressurização, tais como, chaves de
desligamento com abertura da porta, temporizadores, portas trancadas, fusíveis,
pressostatos ou chaves de vazão.
6 - PROTEÇÃO EM FUNÇÃO DA CLASSIFICAÇÃO DE ÁREA
6.1 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 0
•
•
Equipamentos intrinsecamente seguros (Ex ia);
Outros equipamentos elétricos projetados especificamente para utilização
em Zona 0, desde que esta condição esteja claramente definida no
certificado emitido por laboratório credenciado (Ex s).
6.2 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 1
•
•
•
•
•
•
•
•
Equipamentos permissíveis em Zona 0;
Equipamentos a prova de explosão (Ex d);
Equipamento de segurança aumentada (Ex e);
Equipamento de segurança intrínseca (Ex ib)
Equipamentos com pressurização ou purga (Ex p);
Equipamentos imersos em areia (Ex q);
Equipamentos imersos em óleo (Ex o);
Equipamentos encapsulados em resinas especiais (Ex m)
90
ÁREA CLASSIFICADA
•
•
Outros equipamentos projetados especificamente para utilização em Zona
1, que não satisfaçam as exigências de nenhum tipo de proteção
normalizado, mas que sejam aprovados por laboratório credenciado (Ex s);
Equipamentos que sejam combinações de tipos de proteção dos acima
mencionados, como por exemplo: equipamento Ex de (combinando prova
de explosão e segurança aumentada).
6.3 - Equipamentos elétricos permissíveis em ZONA 2
•
•
•
•
Equipamentos permissíveis em Zona 0 e Zona 1;
Equipamento elétrico com tipo de proteção pressurizado projetado
especificamente para utilização em Zona 2;
Outros equipamentos elétricos especificamente projetados para utilização em
Zona 2, como por exemplo não acendível (Ex n).
Equipamentos elétricos construídos de acordo com os requisitos de norma
referente a equipamento elétrico para uso industrial e que em condições
normais de serviço não produzem arcos, centelhas ou superfícies quentes que
possam provocar a ignição da atmosfera explosiva.
A Tabela 13.7 apresenta um resumo dos tipos de proteção permitidos em cada zona
classificada.
Proteção Zona 0 Zona 1 Zona 2
x
x
d
x
x
e
x
x
x
a
i
x
x
b
x
x
m
x
n
x
x
o
x
x
p
x
x
q
Tabela 13.7 - Tipos de proteção permitidos em cada zona classificada
7 - PROTEÇÃO PROVIDA PELO INVÓLUCRO
Distinta dos tipos de proteção para uso em áreas classificadas, a proteção provida por
invólucros contra penetração enfoca a proteção do equipamento em si e também do
pessoal envolvido. Esta proteção abrange desde a simples proteção contra o contato
acidental em pontos energizados ou superfícies quentes, até a proteção de um
instrumento contra jatos de água ou imersão prolongada.
A classificação IP (Ingress Protection) é codificada pelas letras IP, seguidas de dois
algarismos, (IP-_ _), conforme mostrado na Tabela 13.8.
•
•
O primeiro algarismo indica o grau de proteção contra a penetração de corpos
sólidos ou poeira.
O segundo algarismo indica o grau de proteção com relação à penetração de
água, em condições normalizadas, estabelecidas na Norma NBR IEC-60529.
91
ÁREA CLASSIFICADA
Primeiro
Algarismo
Proteção contra ingresso
de corpos sólidos e poeira
Segundo
Algarismo
Proteção contra a
entrada de água
0
Não protegido
0
Não protegido
1
Protegido contra objetos
sólidos maiores que 50mm
1
Protegido contra quedas
verticais de gotas d´agua
2
Protegido contra objetos
sólidos maiores que 12mm
2
Protegido contra queda de gotas
d´agua p/ uma inclinação máx. de 15
3
Protegido contra objetos
sólidos maiores que 2,5mm
3
Protegido contra
água aspergida
4
Protegido contra objetos
sólidos maiores que 1,0mm
4
Protegido contra
projeções de água
5
Protegido contra poeira
5
Protegido contra
jatos d´água
6
Totalmente protegido
contra poeira
6
Protegido contra
ondas do mar
7
Protegido contra imersão temporária
8
Protegido contra imersão contínua
Tabela 13.8 – Designação dos algarismos do Índice de Proteção (IP)
A normalização NEMA (National Electrical Manufactures Association) adota
classificação diferente da IEC, que não apresenta correspondência exata com a
designação IP, pois se baseia em outras condições de teste.
Na Tabela 13.9 são apresentadas algumas equivalências aproximadas entre a
designação de grau de proteção adotada pelas normalizações IEC e NEMA.
IEC
NEMA
IP30
NEMA 1
IP31
NEMA 2
IP52
NEMA 12/12K
IP54
NEMA 3/3R/3S
IP55
NEMA 13
IP56
NEMA 4/4X
IP67
NEMA 6/6P
Tabela 13.9 – Comparação aproximada entre graus de proteção IEC e NEMA
8 - INSTALAÇÕES DO VASO SEPARADOR
De acordo com os estudos de classificação de área, foram definas as seguintes Zonas
para o vaso separador:
92
ÁREA CLASSIFICADA
•
Zona 2: compreende um volume dado por uma área de 30m ao redor do skid
limitado a uma altura de 0,6m, mais uma área de 7,5m ao redor do skid
limitado a uma altura de 7,5 acima do equipamento.
•
Zona 1: Compreende um volume dado por um raio de 0,3m ao redor das
saídas das válvulas de segurança.
A Figura 13.3 ilustra a área classificada do vaso separador.
Zona 1
Zona 2
Figura 13.3 – Área classificada do vaso separador
Por se tratar de área classificada, todos os instrumentos devem estar de acordo com
as normas que regem as instalações elétricas em atmosferas explosivas. A Tabela
13.10 mostra os diversos equipamentos elétricos instalados no skid do vaso separador
relacionando o tipo de proteção e o grau de proteção do invólucro de cada um deles.
Tag do Instrumento
Tipo de Proteção Grau de Proteção
Transmissor de Vazão (FIT-001)
Ex-d IIC T6
IP67
Transmissor de Pressão (PIT-001)
Ex-d IIC T6
IP66
Transmissor de Temperatura (TIT-001)
Ex-d IIC T6
IP67
Transmissor de Vazão (FIT-002)
Ex-d IIC T6
IP66
Transmissor de Pressão (PIT-002)
Ex-d IIC T6
IP66
Transmissor de Temperatura (TIT-002)
Ex-d IIC T6
IP67
Transmissor de Nível (LIT-001)
Ex-d IIC T6
IP68
Transmissor de Pressão (PIT-003)
Ex-d IIC T6
IP66
Posicionador da Válvula de Nível (LV-001)
Ex-ia IIC T6
IP54
Posicionador da Válvula de Pressão (PV-003)
Ex-ia IIC T6
IP54
Caixa de Junção
Ex-d IIB
IP54
Caixa de Junção
Ex-d IIB
IP54
Painel de Controle
Área Segura
IP65
Painel de Alimentação
Área Segura
IP65
Painel da Baterias
Área Segura
IP53
Tabela 13.10 - Equipamentos instalados no vaso separador e suas proteções
93
ÁREA CLASSIFICADA
Observa-se que os painéis não apresentam tipo de proteção contra explosão, pois
estão alocados em área segura. Ou seja, os mesmos devem estar alocados a uma
distância mínima de 30 metros do skid.
Assim como os equipamentos, toda a montagem e a instalação também devem estar
conforme a norma. A norma brasileira que estabelece estes requisitos é a NBR 5418 Instalações Elétricas em Atmosferas Explosivas (equivalente a IEC 79.14). Nesta
norma estão presentes todos os métodos de montagem e instalação que são
utilizados pela filosofia americana (eletrodutos metálicos + unidades seladoras), como
também pela filosofia européia (cabos + prensa-cabos).
Nas instalações do vaso separador é utilizada a segunda filosofia, que permite a
montagem elétrica em área classificada com cabos sem eletrodutos metálicos (o
encaminhamento dos cabos é feito através de eletrocalhas). A chegada ao invólucro
do instrumento é feita através de prensa-cabos.
Para uma melhor proteção mecânica, os cabos possuem uma armadura metálica
situada entre a capa interna e externa do cabo. Além disso, existe uma blindagem
(shield) de alumínio e poliéster que envolve e protege o par de condutores (1,5mm2)
contra ruídos eletromagnéticos. A Figura 13.4 ilustra o cabo utilizado para a
interligação dos instrumentos.
Capa Externa
Armadura
Blindagem
Condutores
Capa Interna
Dreno
Figura 13.4 – Cabo armado para a interligação dos instrumentos
Assim como os instrumentos os prensa-cabos também devem respeitar o tipo de
proteção Ex e o grau de proteção IP. Estas proteções devem ser iguais ou melhores
que a do equipamento. Deve ser verificado também a compatibilidade do material do
prensa-cabo com o invólucro do instrumento para se evitar corrosões galvânicas. Da
mesma forma, o prensa-cabo deve estar de acordo com o diâmetro externo e interno
(se for armado) do cabo utilizado.
No vaso separador, todos os instrumentos a prova de explosão (Ex-d), inclusive as
caixas de junção são de alumínio. Desta forma, são utilizados prensa-cabos em
alumínio para cabos armados (Øext=12mm, Øint=9mm) com proteção Ex-d IIC e IP68
para garantir a segurança do sistema (Figura 13.5).
Figura 13.5 – Prensa cabo em alumínio para cabo armado
94
ÁREA CLASSIFICADA
Na caixa de junção CJE o prensa cabo do multicabo possui proteção Ex-d IIC e IP54.
Para o caso dos posicionadores com segurança intrínseca (Ex-ia), os prensa-cabos
são mais simples, já que o conceito de proteção deste equipamento é diferente dos
demais.
Como descrito anteriormente este instrumento não possui energia suficiente para
provocar uma explosão graças a barreira de segurança intrínseca instalada no painel.
Contudo, deve ser respeitado o conceito de entidade conforme citado na Tabela 13.6.
Os dados fornecidos pelo fabricante da barreira de segurança intrínseca (Sense KD22T/Ex) e do posicionador (Foxboro SRI986) são apresentados na Tabela 13.11.
Uo
Io
Po
Lo
Co
Barreira
28V
66mA
0,46W
7,5mH
130nF
Ui
Ii
Pi
Li
Ci
Posicionador
30V
150mA
1W
insignificante
insignificante
Tabela 13.11 – Dados de marcação dos fabricantes para os instrumentos Ex-i
Os valores de tensão (U), corrente (I) e potência (P) da barreira são menores que os
valores do posicionador. Já os valores de indutância (L) e capacitância (C) do
posicionador são insignificantes comparados aos da barreira. Da mesma forma, os
valores de indutância e capacitância do cabo também podem ser desconsiderados
devido ao seu pequeno comprimento7. Desta forma, o conjunto está intrinsecamente
seguro está apto a trabalhar em área classificada.
7
Para cabos longos (≅1000m ou maior) que ultrapassem a capacitância e indutância da barreira de
segurança, devem ser utilizados cabos especiais para segurança intrínseca.
95
14. TEORIA DE CONTROLE
1 - INTRODUÇÃO
Apesar da contínua modernização dos processos de fabricação e manufatura, a
maioria das leis e princípios de medição e controle de processos industriais se
conserva intacta até os dias atuais.
Entretanto, os instrumentos que utilizam estes princípios se modernizaram
tecnologicamente, assim como novas técnicas de medição foram introduzidas,
somando-se às já existentes. Desta maneira, as variáveis de processo podem
atualmente ser medidas com grande precisão, maior do que há alguns anos atrás.
Os sinais de transmissão dos valores das variáveis de processo na década de 70
eram essencialmente pneumáticos, bem como os instrumentos receptores de sinais,
dos quais os principais representantes se constituem nos controladores (componente
central de uma malha de controle).
As funções de uma malha de controle eram efetuadas de forma incrivelmente
artesanal, tendo em vista que se utilizavam vários elementos de cômputo analógico
para em conjunto, determinarem o resultado requerido.
No que se refere ao controlador, as ações por ele executadas eram igualmente
artesanais, considerando-se os verdadeiros “elementos de relojoaria” dos
controladores pneumáticos utilizados para compor as ações de controle.
A evolução da eletrônica industrial determinou a introdução da instrumentação
analógica eletrônica, diminuindo o tamanho dos componentes e a conseqüente
simplificação das salas de controle.
A miniaturização cada vez mais crescente determinou a introdução dos
microprocessadores, que hoje constituem a base de construção da quase totalidade
dos instrumentos e sistemas disponíveis no mercado de instrumentação e automação
industrial.
Os sistemas de controle digitais surgiram como decorrência desta tecnologia e
atualmente, dominam as aplicações de medição, controle e monitoração nas mais
modernas indústrias de processamento.
Este rápido retrospecto da evolução tecnológica dos sistemas de controle visa apenas
uma adequação ao tempo (década de 70 até o presente), e para lembrar que, apesar
de toda esta evolução, não podemos prescindir dos conhecimentos básicos de
medição e controle. Por mais modernas que sejam as ferramentas, a teoria básica de
controle é fundamental, e dela não se pode abrir mão.
TEORIA DE CONTROLE
2 - DEFINIÇÕES
Para facilitar o entendimento de alguns termos, são descritas a seguir, algumas
definições:
Planta: Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de
itens, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação.
Processo: Qualquer operação ou seqüência de operações, envolvendo uma mudança
de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser
definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em batelada.
Sistemas: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam
um certo objetivo.
Variável do Processo (Process Value - PV): Variável que é controlada no processo,
como temperatura, pressão, vazão, nível, umidade, etc.
Variável Manipulada (Manipulated Variable - MV): Variável sobre a qual o
controlador atua para controlar o processo, como posição de uma válvula, tensão
aplicada a uma resistência de aquecimento, velocidade de um motor, etc.
Set Point (SP) ou Set Value (SV): Valor desejado ou valor de referência para a
variável de processo
Distúrbio (Ruído): É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável
controlada.
Desvio ou erro: Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o
valor da variável controlada (erro=SP-PV).
Ganho: Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída
e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas devem ser expressas na
mesma unidade.
Realimentação (Feedback): É um sistema que tende a manter uma relação
preestabelecida entre o sinal de saída (PV) e a entrada de referência (SP),
comparando-as e utilizando a diferença entre estes sinais como um meio de controle
do sinal de saída.
3 - CONCEITOS
3.1 - Objetivo do Controle de Processos
Controlar um processo industrial significa, basicamente, manter os valores das
variáveis do processo dentro de uma faixa aceitável para sua operação conveniente.
Desta forma, o controle de processos destina-se basicamente a:
•
Manter os processos em seus pontos operacionais mais eficientes e
econômicos;
97
TEORIA DE CONTROLE
•
•
Prevenir condições instáveis no processo que podem pôr em risco pessoas
e/ou equipamentos;
Exibir dados sobre o processo aos operadores da planta, para que se possa
conservar o ritmo seguro e eficiente.
3.2 - Princípio de Operação de um Sistema de Controle
O controle tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num
certo valor. Este valor que pretendemos é o valor desejado. Para atingir esta finalidade
o sistema de controle automático opera do seguinte modo:
•
•
•
MEDIR – fazer a medição do valor atual da variável que se quer regular;
COMPARAR – executar a comparação do valor atual com o valor desejado
determinando o desvio;
ATUAR – aplicar um sinal de controle ao sistema.
Um sistema de controle que executa estas 3 funções essenciais é um sistema de
controle em malha fechada (realimentado). O sistema que executa somente a última
função é um sistema de controle em malha aberta.
3.3 - Controle em Malha Aberta e Malha Fechada
a) Sistema de Controle em Malha Aberta (MA)
É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a
saída não tem efeito na ação de controle. Em outras palavras, a saída não é medida e
nem comparada com a entrada. Um exemplo prático disto é o da máquina de lavar
roupa. As operações de colocar de molho, lavar e enxugar numa lavadora são
executadas numa seqüência programada em função do tempo. A máquina não mede
o sinal de saída, isto é, a limpeza das roupas.
Neste tipo de controle cada sinal de referência na entrada corresponde a uma
condição de operação fixa. Como resultado, a exatidão do sistema depende de uma
calibração. Na presença de um distúrbio, os sistemas de controle em malha aberta
não desempenham a tarefa desejada. Na prática, os sistemas de controle MA são
usados somente quando as relações entre entrada e saída do processo a controlar
forem conhecidas e quando não existem distúrbios internos e externos. Note-se que
todos os sistemas em que as ações de controle são diretamente uma função do tempo
constituem um sistema em malha aberta. O controle de tráfego por meio de sinais
operados com base no tempo é um outro exemplo de controle em MA.
b) Sistema de Controle em Malha Fechada (MF)
É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a
saída possui um efeito direto na ação de controle. Desta forma, o sinal atuante de erro,
que é a diferença entre o sinal de referência e o sinal medido, excita o controlador de
modo a reduzir o erro e trazer o valor do sinal de saída para o valor desejado, ou seja
existe uma realimentação no sistema. Um exemplo disso seria o sistema de controle
de temperatura de um ambiente. Medindo-se a temperatura do ambiente e
comparando-a com a temperatura de referência, o termostato aciona o equipamento
de calefação ou de refrigeração, ligando ou desligando cada um deles, de tal sorte que
a temperatura do ambiente permaneça na faixa de conforto estabelecida.
98
TEORIA DE CONTROLE
Os sistemas de controle MF não ficam limitados as aplicações de engenharia,
podendo ser encontrados em diversos outros campos. O corpo humano, por exemplo,
é um sistema de controle MF altamente sofisticado. A pressão sanguínea e a
temperatura do corpo são mantidas constantes por intermédio de uma realimentação
fisiológica. Isso torna o corpo relativamente insensível às perturbações externas,
habilitando-o a funcionar de forma adequada sob condições ambientais mutáveis.
Resumidamente, a grande vantagem do sistema MF é o fato do uso da realimentação
que torna o sistema relativamente insensível a perturbações externas.
3.4 - Diagrama de Blocos
Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante
difícil de ser analisado. Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções
desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um
diagrama denominado “Diagrama de Blocos”.
Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções
desempenhadas por cada componente e do fluxo de sinais. Assim, conforme pode ser
visto na Figura 14.1, os componentes principais de um sistema são representados por
blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais
entre os blocos. Estes diagramas são então utilizados para representar as relações de
dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.
Figura 14.1 – Diagrama de blocos de controle
O diagrama de blocos pode ser interpretado da seguinte forma: para que exista uma
realimentação do sistema de controle, ou seja, opere em MF, um sensor mede a
variável a ser controlada (PV). Este valor medido é transmitido e comparado com o
valor desejado (SP). Desta comparação é gerado um erro (erro=SP-PV). Este erro é
enviado ao controlador que aplica um sinal de correção (MV) no atuador da planta.
Esta irá responder gerando um novo valor de processo (PV) que será novamente
medido reiniciando o ciclo.
O bloco do controlador possui uma ação de controle, que varia de acordo com o
processo onde é aplicada.
4 - AÇÕES DE CONTROLE
No controle de um sistema em malha fechada efetua-se sempre a medição da variável
controlada, compara-se este valor medido com o valor desejado e a diferença entre
99
TEORIA DE CONTROLE
estes dois valores é então processada para finalmente atuar na posição do elemento
final de controle.
Este processamento ocorre no controlador através de cálculos matemáticos. Cada tipo
de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos
corretivos no processo em questão, os mais adequados.
Geralmente são adotados 5 tipos de ações básicas de controle: Controle Liga-Desliga
(on-off), Proporcional (P), Proporcional Integral (PI), Proporcional Derivativo (PD) e
Proporcional Integral Derivativo (PID).
4.1 - Controle Liga-Desliga (On-Off)
De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também
a mais barata, e por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle
industrial como doméstico.
Como o próprio nome indica, ela só permite duas posições para o elemento final de
controle, ou seja, totalmente aberto ou totalmente fechado. Assim, a variável
manipulada é rapidamente alterada para o valor máximo ou o valor mínimo,
dependendo se a variável controlada está maior ou menor que o valor desejado. Este
tipo de controle é ilustrado na Figura 14.2.
Figura 14.2 – Controle on-off
Devido a isto, este tipo de ação fica restrito a sistemas onde se pode tolerar algum
erro apreciável na resposta de saída.
4.2 - Controle Proporcional (P)
A ação proporcional é assim chamada porque a posição do elemento final é
proporcional a amplitude do erro. É uma ação de controle contínua, onde o elemento
final de controle pode assumir qualquer valor intermediário entre 0 e 100% do valor de
atuação.
Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, porém pode
se tornar instável, se o ganho for muito alto.
100
TEORIA DE CONTROLE
Note que, sendo um controlador proporcional ao sinal de erro, sempre deve existir um
erro em regime permanente8 para manter acionado o atuador.
Dessa forma, a ação proporcional isolada limita a exatidão do controle proporcional,
pois esta não é suficiente para fazer com que a variável do processo se estabilize no
valor desejado. A esta diferença dá-se o nome de erro de off-set e está ilustrado na
Figura 14.3.
Figura 14.3 – Erro de off-set de um controle proporcional
Como existem muitos processos que não admitem erro de off-set, outras ações de
controle devem ser utilizadas.
4.3 - Controle Proporcional Integral (PI)
Esta ação de controle fornece ao controle proporcional um recurso adicional chamado
ação integral, que elimina o erro em regime permanente.
A ação integral vai atuar no processo ao longo do tempo enquanto existir diferença
entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no
tempo e por isto, enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando
acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar
por completo o erro.
Se por um lado, a ação integral elimina o erro em regime permanente, por outro,
aumenta o tempo de estabilização da resposta e piora a estabilidade relativa do
sistema, o que usualmente é indesejável. Desta forma, para se evitar a instabilidade, o
ganho de um controlador PI deve ser sempre menor que a de um controlador
puramente proporcional.
Para o ajuste da ação integral deve-se alterar o tempo integral (Ti) que é definido
como o tempo necessário para se obter uma repetição do efeito proporcional. O
inverso de Ti é conhecido como ganho integral (Ki), sendo definido como a quantidade
de vezes que a ação proporcional é repetida na unidade de tempo.
8
Regime transitório é o período inicial durante o qual o controlador reage intensamente. Regime
permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece estável (controlada).
101
TEORIA DE CONTROLE
Para melhor entender como atua a ação proporcional e integral em um sistema de
controle, recorre-se à Figura 14.4, onde está sendo ilustrado como se comporta esta
ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo degrau em uma malha
aberta.
Figura 14.4 – Resposta em MA de um controlador PI
Observa-se que a resposta à ação proporcional respondeu de forma imediata e
proporcional ao erro seguindo o degrau. A ação integral foi aumentando enquanto o
desvio esteve presente, até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em
saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior será a saída do
controlador. Se o desvio fosse maior, sua resposta seria mais rápida, ou seja, a reta
seria mais inclinada.
4.4 - Controle Proporcional Derivativo (PD)
Esta ação de controle que reage em função da velocidade do erro, ou seja, não
importa a amplitude do desvio, mas sim a velocidade com que ele aparece. Ela atua,
fornecendo uma correção antecipada do desvio, isto é, no instante em que o desvio
tende a acontecer ela fornece uma correção de forma a prevenir o sistema quanto ao
aumento do desvio, diminuindo assim o tempo de resposta. Sua principal função é
melhorar o desempenho do processo durante os transitórios, não tendo nenhum efeito
quando o processo está estável.
O ajuste da ação derivativa se dá através da alteração do tempo derivativo (Td),
também é conhecido como ganho derivativo (Kd), definido como o intervalo de tempo
pelo qual a ação derivativa avança o efeito da ação de controle proporcional.
Para melhor entender como atua a ação proporcional derivativa em um sistema de
controle, recorre-se à Figura 14.5, onde está sendo ilustrado como se comporta esta
ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo rampa em uma malha
aberta.
102
TEORIA DE CONTROLE
Figura 14.5 - Resposta em MA de um controlador PD
Observa-se que a resposta à ação proporcional respondeu de forma imediata e
proporcional ao erro seguindo a rampa. A ação derivativa promoveu uma antecipação
em relação a ação proporcional de um tempo Td . Quanto mais rápida a razão de
mudança do erro (curva mais inclinada do erro), maior será a correção (amplitude
inicial) do controlador
A Fig ilustra a ação do controle derivativo para uma amostra seqüencial de sinais de
desvios.
Figura 14.6 - Ação do controle derivativo para uma amostra de desvios
Contudo, na prática, raramente se aplica um controlador PD no controle de processos.
4.5 - Controle Proporcional Integral Derivativo (PID)
O controle proporcional associado ao integral e ao derivativo é um sofisticado tipo de
controle utilizado em sistemas de malha fechada. O proporcional oferece um ganho na
103
TEORIA DE CONTROLE
velocidade da resposta, o integral elimina o erro de off-set, enquanto o derivativo
fornece ao sistema uma ação antecipativa, evitando previamente que o desvio se
torne maior quando o processo se caracteriza por ter uma correção lenta comparada
com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns controles de temperatura).
A Figura 14.7, ilustrada como se comporta esta ação quando o sistema é sensibilizado
por um distúrbio do tipo rampa em uma malha aberta.
Figura 14.7 – Resposta em MA de um controlador PID
Observa-se que a resposta à ação proporcional respondeu de forma imediata e
proporcional ao erro seguindo a rampa. A ação derivativa promoveu uma antecipação
em relação a ação proporcional de um tempo Td. A ação integral gerou um resposta
exponencial devido ao incremento do erro dado por uma rampa.
O uso da ação derivativa deixa o sistema mais estável permitindo o uso de um ganho
maior e de um menor tempo integral, para a mesma estabilidade.
Erradamente se acha que todo processo lento (com grande constante de tempo)
necessita da ação derivativa. A lentidão do processo é uma condição necessária, mas
não é suficiente para justificar a aplicação da ação derivativa. É também necessário
que haja variação rápida da carga do processo lento para exigir a aplicação da ação
derivativa. O processo lento que sofre variação lenta da carga não necessita da ação
derivativa. Aliás, a ação derivativa praticamente não responde a pequenas rampas de
erro. Além disso, ação derivativa não tem nenhum efeito no desvio permanente
deixado pela ação proporcional (não elimina o erro). Em processos rápidos não é
necessário usar a ação derivativa, pois sua resposta já é rápida e o seu uso provocaria
certamente oscilação no sistema. Também não se deve usar ação derivativa em
processo com ruído, pois ela amplifica o ruído.
A Tabela 14.1 resume o efeito de cada um dos parâmetros sobre o desempenho do
processo.
104
TEORIA DE CONTROLE
Parâmetro
Kp
Ti
Ao aumentar, o processo ...
Ao diminuir, o processo ...
Torna-se mais rápido
Torna-se mais lento.
Fica mais instável ou mais oscilante
Geralmente se torna mais estável ou menos
oscilante.
Tem mais overshoot
Tem menos overshoot
Torna-se mais lento, demorando para atingir o Torna-se mais rápido, atingindo rapidamente o
set-point
set-point
Fica mais estável ou menos oscilante.
Fica mais instável ou mais oscilante
Tem menos overshoot.
Tem mais overshoot
Torna-se mais lento.
Td
Tem mais overshoot
Tem menos overshoot
Tabela 14.1 – Efeito de cada parâmetro PID sobre o processo
5 - CONTROLE DAS VARIÁVEIS
As variáveis de processo mais envolvidas em controle são: pressão, temperatura,
vazão e nível. Serão abordadas suas características dinâmicas, suas dificuldades e
suas exigências de controle.
5.1 - Vazão
A vazão é a variável de processo com a resposta mais rápida sendo a variável
manipulada da maioria dos controles de outras variáveis. Quando se tem o controle de
vazão, a coincidência entre a variável manipulada e a controlada torna mais fácil o
controle.
A vazão sofre distúrbios das conexões e acidentes da tubulação, da colocação de
elementos sensores e de válvulas. Como a vazão dos líquidos é não compreensível,
esses ruídos provocados pelos distúrbios não são amortecidos e se transmitem por
todo o sistema. Na escolha e nos ajustes do controlador, esses ruídos da vazão
devem ser considerados. Como conclusão, nunca se utiliza o modo derivativo no
controlador de vazão, justamente por causa desses ruídos e por possuir uma resposta
rápida.
Se o fluido é gás, está sujeito a expansão e compressão devido as variações de
pressão e temperatura. Neste caso pode-se usar um pequeno ganho derivativo,
embora não seja usual por se tratar de um processo rápido.
No controle de vazão, e de outros controles a ela relacionados, a válvula de controle
geralmente é colocada depois medidor de vazão para se evitar que os distúrbios
provocados pela ação da válvula afetem a medição da placa de orifício. Devem ser
respeitadas as distâncias mínimas de trecho reto antes e depois do medidor.
Por causa dos vários elementos dinâmicos associados a medição de vazão, o ganho
dinâmico da malha de medição é muito grande e desta forma o ganho proporcional
deve ser menor que um. Para não permitir desvios permanentes o modo integral é
utilizado com um tempo integral pequeno, sendo o PI, o controlador típico para a
vazão.
105
TEORIA DE CONTROLE
5.2 - Pressão
A pressão é caracterizada por um pequeno tempo morto e uma resposta rápida, caso
seja controlada a pressão de um tanque manipulando-se diretamente a vazão, por
exemplo. Por outro lado, a resposta pode ser lenta, como por exemplo, se for
manipulada a vazão de resfriamento de um trocador de calor para controlar a pressão
do vaso. A dinâmica da transferência do calor e o atraso d'água através do trocador
influem no tempo de resposta da malha de controle da pressão.
Pode-se controlar a pressão de um gás pela manipulação da vazão da entrada ou da
saída do gás de um tanque de volume constante. A pressão de gás em um tanque de
volume constante é de fácil controle, mesmo quando o volume é pequeno. Basta um
controlador proporcional com um ganho alto. Quando não se pode ter desvio
permanente, usa-se também o modo integral. Geralmente não se utiliza a ação
derivativa para o controle de pressão. O controlador típico para o controle de pressão
é o PI. O ganho proporcional é tipicamente menor que um, e o tempo integral é
pequeno.
O controle de pressão de liquido é praticamente igual ao controle de vazão.
5.3 - Nível
O nível de um líquido no tanque é a integral da sua vazão de entrada. Esta variável
apresenta diferentes graus de dificuldade, havendo níveis fáceis e difíceis de serem
controlados.
O controle de nível pode ser controlado com controle liga-desliga. Quando se requer
um controle mais rigoroso utiliza o controlador proporcional e finalmente, quando não é
admissível a ocorrência de desvios, utiliza-se a ação integral. Raramente se usa ação
derivativa. O controlador típico para o nível é o proporcional puro com ganho igual a
um.
5.4 - Temperatura
Não há malha de controle de temperatura típica. A temperatura é outra variável, como
o nível, que apresenta diferentes graus de dificuldade de controle. Os problemas do
controle de temperatura se referem a transferência de calor, como a radiação, a
condução e a convecção.
A temperatura está associada ao tempo morto, um parâmetro de difícil controle
caracterizado por pequena velocidade de reação. Esta variável é usualmente lenta por
causa dos atrasos do sensor e dos atrasos da transferência de calor.
Os processos de temperatura com pequeno atraso de transferência, pequeno tempo
morto e que permitem oscilações podem ser controlados com os modos liga-desliga,
como por exemplo fornos elétricos e fornalhas com chama aberta.
Para resultados mais precisos, é utilizado o controlador proporcional, principalmente
nos processos que apresentam grandes variações de carga. Neste tipo de aplicação o
ganho deve ser alto, a fim de se ter pequenos desvios permanentes. Porém, isso pode
tornar o sistema sensível aos tempos de atraso. Para conciliar essas exigências, é
necessário o uso da ação derivativa.
106
TEORIA DE CONTROLE
É muito importante também o uso do modo integral associado ao proporcional. Como
o uso da ação integral piora a resposta dinâmica do controlador, geralmente é
aconselhável o uso também da ação derivativa, que melhora a resposta dinâmica.
A maioria dos controladores PID é usada em malhas de temperatura e a maioria das
malhas de temperatura requer o controlador PID. Os ajustes do ganho é alto. O tempo
integral é da mesma ordem do período natural do processo, ou seja, quanto mais
rápido o processo, menor é o tempo integral ajustado. O tempo derivativo deve ser
ajustado em cerca de 1/4 do período natural do processo, dependendo do nível do
ruído.
A conclusão mais importante é que a temperatura é uma variável extremamente
complexa e dependente dos fatores termodinâmicos, de transferência de calor, de
funções não-lineares, de tempo morto. É muito freqüente a utilização de sistema de
controle, com mais de um controlador, para o conjunto executar um controle mais
avançado (cascata, faixa dividida, controle programado, controle auto-seletor).
5.5 - Sugestões Práticas
A Tabela 14.2 ilustra algumas sugestões de cunho prático para determinar qual o tipo
de ação de controle normalmente utilizada nas situações mais comuns.
Ação de
Controle
Vazão de
líquido
Vazão de
Gás
Pressão de Pressão de Pressão de
Líquido
Gás
Vapor
Proporcional
Essencial
Essencial
Essencial
Integral
Essencial
Essencial
Essencial
Derivativo
Não
Não
necessário
Não
Essencial
Não
necessário
Não
necessário
Nível de
Temperatura
Líquido
Essencial
Essencial
Essencial
Importante
Raramente
Importante
Essencial
Não
necessário
Essencial
Tabela 14.2 – Sugestões práticas de ações de controle
A seleção apropriada da melhor ação de controle é uma das etapas mais críticas no
projeto e instalação de sistemas de controle de processos. Não há um controlador que
seja universal e que atenda a todo e qualquer processo.
6 - SINTONIA DE CONTROLADORES PID
Existem diversos métodos de sintonia de controladores que são aplicados para a
calibração dos parâmetros do PID. Muitos deles necessitam da identificação
matemática da planta do processo. Neste caso será apresentada uma forma mais
simples e prática de sintonia (método da sensibilidade limite) em que não é necessário
conhecer a dinâmica do processo.
6.1 - Método da Sensibilidade Limite
Este método, baseado no ajuste de uma malha fechada até se obterem oscilações
com amplitude constante, utiliza um conjunto de fórmulas para determinar os
parâmetros do controlador, as quais requerem duas medidas do sistema: o ganho
critico (Gu), que é o ganho mínimo que torna o processo criticamente estável, e o
107
TEORIA DE CONTROLE
período crítico de oscilação (Pu) correspondente. Este método também é conhecido
como método de sintonia de Ziegler-Nichols baseada no ganho crítico.
O procedimento para a calibração dos parâmetros do controlador é descrito a seguir:
1. Reduzir as ações integral e derivativa ao seu efeito mínimo (Ki=0 ou Ti=∞ e
Kd=0 ou Td=0);
2. Iniciar o processo com ganho reduzido;
3. Aumentar o ganho até que a variável controlada (saída do sistema) entre em
oscilações com amplitude constante, enquanto se provocam pequenas
perturbações no sistema. Anotar o ganho Gu, e o período de oscilação Pu (ver
Figura 14.8).
Figura 14.8 – Processo criticamente estável
Com a obtenção destes valores, calcular os parâmetros do controlador com base nas
fórmulas da Tabela 14.3
Controlador
P
PI
PID
Fórmulas
Kp = 0.5 Gu
Kp = 0.45 Gu
Kp = 0.6 Gu
Ti = Pu/1.2
Ti = 0.5 Pu
Td = 0.125 Pu
Tabela 14.3 – Fórmula para o cálculo dos parâmetros do controlador
Após uma análise da tabela verifica-se que :
•
•
•
O ganho proporcional é reduzido 10% quando o modo integral é introduzido,
uma vez que este torna o sistema menos estável.
Quando o modo derivativo é adicionado, verifica-se um aumento de Kp e uma
redução de Ti ,devido ao efeito estabilizador do derivador.
Os valores de 0.6 Gu e 0.125 Pu são muito conservadores quando não existe
ação integral, uma vez que a ausência desta última torna o sistema mais
estável, permitindo um aumento do ganho.
108
TEORIA DE CONTROLE
No entanto, este método de calibração apresenta as seguintes desvantagens:
•
•
•
As fórmulas acima descritas não garantem uma resposta ótima;
Nem todos os sistemas podem entrar em oscilação, ou não é desejável;
É impraticável para processos muito lentos.
Se após a calibração dos parâmetros através do método da sensibilidade limite, o
desempenho do processo não estiver satisfatório, tentar uma a uma as opções
contidas na Tabela 14.4.
Se o desempenho do processo ...
Está quase bom, mas o overshoot está um
pouco alto
Tentar uma a uma as opções:
Diminuir Kp em 20%
Aumentar Ti em 20%
Aumentar Kd em 50%
Está quase bom, mas não tem overshoot e
demora para atingir o set-point
Aumentar Kp em 20%
Diminuir Ti em 20%
Diminuir Kd em 50%
Está bom, mas MV está sempre variando
entre 0% e 100% ou está variando demais.
Está ruim. Após a partida, o transitório dura
vários períodos de oscilação, que reduz muito
lentamente ou não reduz.
Está ruim. Após a partida avança lentamente
em direção ao set-point, sem overshoot.
Ainda está longe do set-point e MV já é
menor que 100%
Diminuir Kp em 20%
Diminuir Kd em 50%
Diminuir Kp em 50%
Aumentar Kp em 50%
Diminuir Ti em 50%
Diminuir Kd em 70%
Tabela 14.4 – Tentativas para melhorar o desempenho do processo
109
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