Estados estáveis em um duto
Na hidráulica, um estado estável é uma maneira fisicamente estável de operar um duto.
Figura 1: Um duto em um estado estável: os fluxos são perfeitamente equilibrados, imutáveis ao longo do tempo
Os operadores de dutos dão a devida consideração às condições operacionais de estado estável porque são uma maneira útil de ver o que um duto faz, embora não representem as pressões mais desafiadoras vistas pelo duto (associadas a transientes). Para modelar o sistema hidráulico em estado estável de um duto de líquido, podemos nos beneficiar de uma física simplificada. Quando aplicamos uma abordagem semelhante aos estados estáveis em um duto de gás, descobrimos que a densidade variável acrescenta alguma complexidade.
Quando em estado estacionário, os fluxos de massa (𝑀), momento (𝑀∙𝑣) e energia (𝐸) estão todos em perfeito equilíbrio, sem alterações ao longo do tempo. A taxa de fluxo de massa, geralmente expressa como uma taxa de fluxo volumétrico equivalente, é impulsionada por um tipo especial de energia mecânica associada a um fluido, conhecida como cabeça hidráulica. Um fluido que flui ao longo de um duto incorre em perda de carga, devido a vários efeitos agrupados no conceito de atrito. O efeito de atrito pode depender de fatores como a rugosidade da parede do tubo, a densidade e a viscosidade do fluido.1
Quando se trata de modelagem, os modelos de estado estável são mais fáceis de implementar do que um modelo transiente. Às vezes, os cálculos são simples o suficiente para poderem ser feitos em uma planilha, permitindo que o usuário de um simulador de dutos faça uma verificação básica da realidade para garantir que o estado estável esteja fornecendo os resultados esperados. Os estados estáveis são essenciais para a simulação de dutos de gás e líquidos.
Por exemplo, para iniciar um cenário transiente, precisamos primeiro "iniciar a frio", resolvendo um estado estável antes de avançar nas etapas subsequentes. Além disso, há várias aplicações onde os estados estáveis são tão úteis quanto os cenários transientes ou, de fato, mais úteis, facilitando a garantia de fluxo em todo o ciclo de vida do duto.
Neste artigo, examinaremos alguns aspectos importantes dos estados estáveis e como um usuário pode calibrá-los na simulação de dutos para melhorar o desempenho de seu modelo. Abordaremos:
- Hidráulica estável em dutos de líquidos
- Hidráulica estável em dutos de gás
- Calibração de parâmetros usando estados estáveis
Hidráulica estável em dutos de líquidos
Qualquer duto está sujeito a limites razoáveis de velocidade de fluxo. Normalmente, esse limite é de 1 ou 2 m/s em uma linha de líquido, onde uma velocidade além desse limite poderia incorrer em perdas por atritos inaceitáveis ou causar erosão grave.1 Para atingir a taxa de fluxo desejada e, ao mesmo tempo, tornar a velocidade do fluxo mais tolerável, um projetista poderia selecionar um duto de diâmetro maior ou adicionar uma "linha de loop" em paralelo a uma linha principal existente. Esse tipo de tomada de decisão envolve a ponderação dos custos operacionais e de capital de cada abordagem possível em relação a outras opções. Um simulador de dutos permite que muitos cenários e configurações sejam convenientemente comparados, o que o torna uma ótima ferramenta para estudos off-line.
Alguns locais em um duto de líquidos são propensos à sobrepressão, o que significa que a pressão operacional máxima permitida (MAOP) pode ser excedida, violando um limite aceitável nas condições operacionais. Se a violação da sobrepressão for muito grave, há o risco de o duto enfraquecer ou estourar. Por outro lado, alguns locais são propensos a cair abaixo da pressão operacional mais baixa permitida (LAOP). Esse limite pode estar em vigor para manter as condições operacionais acima da pressão de vapor do líquido, portanto, se um duto cair abaixo da LAOP em qualquer lugar ao longo de sua rota, poderá haver a formação de bolhas de vapor.
Os operadores se referem a isso como separação de coluna ou "slack-line" e, se as bolhas entrarem em colapso de forma não planejada, elas arriscam criar ondas de choque no duto. Com o passar do tempo, esse tipo de evento pode causar fadiga no duto por erosão e corrosão, levando a uma possível ruptura. Tanto a pressão operacional máxima quanto a mínima permitida (MAOP e LAOP) são definidas de forma conservadora, aplicando margens razoáveis aos rigorosos limites de operação segura (SOL). São as excursões além desse limite seguro que representam um perigo à segurança, e não "meramente" um risco de interrupção das operações de rotina.
Embora os dutos reais tenham diferentes elevações, diâmetros e propriedades de líquido, é útil começar a pensar em estados estáveis considerando a hidráulica de um duto de líquido plano. Podemos fazer algumas declarações importantes sobre esse caso especial, um duto de líquido plano fluindo em um estado estável:1
- No regime de fluxo laminar, a queda de pressão é proporcional à taxa de fluxo
- No regime de fluxo turbulento, a queda de pressão é aproximadamente proporcional ao fluxo ao quadrado
Um simulador de dutos, como o Atmos Simulation (SIM) Suite, pode calcular como a pressão e a cabeça variam em um duto de líquido usando um perfilador hidráulico.
Figura 2: Um perfilador hidráulico no Atmos SIM mostra que as pressões permanecem nos limites de MAOP e LAOP ao longo de todo o comprimento desse duto de líquidos
Se estiver transportando hidrocarbonetos pesados, como o petróleo bruto, o operador poderá injetar aditivos conhecidos como agentes de redução de arrasto (DRAs) para tornar as propriedades desses fluidos mais favoráveis ao duto. Como os DRAs afetam o comportamento do fluxo da commodity, os controladores exigem que seu simulador não apenas capture o efeito do DRA, mas também configure, resolva e analise inúmeros cenários para determinar a quantidade ideal de DRA e em quais locais injetá-lo ao longo do duto. Essa é uma aplicação na qual a hidráulica estável de líquidos está entrelaçada com a física da solução de problemas mais complexos para dutos.
Hidráulica estável de dutos de gás
Em geral, os dutos de gás são operados em uma condição de desequilíbrio, raramente ou nunca atingindo um estado estável. Em vez disso, uma determinada seção de um duto de gás está empacotando (ganhando estoque) ou desempacotando (perdendo estoque), um processo conhecido como linepack.1 No entanto, os estados estáveis nominais nos permitem definir o envelope operacional de um duto de gás, a taxa de fluxo máxima e mínima que pode ser mantida indefinidamente, o que nos dá um excelente ponto de partida ao analisar a hidráulica de um duto de gás.
Se considerarmos um estado estável com a mesma taxa de fluxo ao longo de um duto de gás, descobriremos que, ao contrário de um duto de líquido, a velocidade do fluxo não é constante ao longo da rota. De fato, a velocidade do fluxo sempre varia como um perfil ao longo de um duto de gás, mesmo em um estado estável.
Se parecer surpreendente que a mesma taxa de fluxo corresponda a diferentes velocidades em diferentes distâncias ao longo da rota, considere a definição de um gás. Um gás é compressível, a densidade muda conforme a pressão. A pressão difere em diferentes pontos ao longo de um duto, portanto, a velocidade do gás deve variar, mesmo em um duto de diâmetro fixo com a mesma taxa de fluxo em todos os lugares em um estado estável. Esse fato torna várias perguntas simples surpreendentemente difíceis de responder sem um simulador de dutos, mesmo em um estado estável.
Por exemplo, quanto tempo leva para um porco percorrer o comprimento de um duto de gás? Ele ficará cada vez mais rápido ao longo do caminho. A velocidade máxima de fluxo permitida em um duto de gás típico é geralmente de 5 a 12 m/s para um gás natural típico. Acima de 15 m/s, a corrosão por dióxido de carbono (CO2) se torna um problema e, acima de 18 m/s, o ruído se torna inaceitável. O Atmos SIM pode alertar o usuário se a velocidade se aproximar desses limites em qualquer ponto do duto.
Os dutos de gás devem permanecer dentro dos MAOPs e LAOPs, assim como as linhas de líquidos. O MAOP ao longo de um duto de transmissão de gás normalmente está bem acima de 100 atmosferas. Na prática, um duto de transmissão de gás é operado para manter um linepack mínimo permitido correspondente a um LAOP fechado. Isso é diferente do LAOP durante uma operação de fluxo.
Um LAOP pode ser especificado contratualmente nos pontos de demanda que chegam a cada cliente. Dependendo do perfil de elevação ao longo de um duto de gás, a pressão pode cair bem abaixo da pressão de entrega em algum ponto ao longo de sua rota. Um simulador pode alertar o usuário sobre qualquer violação do LAOP em qualquer ponto da rede de gás, monitorando todo o comprimento do duto para garantir que a pressão operacional nunca caia demais.
Tanto o MAOP quanto o LAOP são definidos com cautela, com os engenheiros responsáveis aplicando margens rigorosas que garantem que a operação real cumpra os regulamentos e garanta condições operacionais seguras. Esses limites de MAOP e LAOP, juntamente com as restrições de desempenho de equipamentos como os compressores, são o que define os estados estáveis viáveis que delimitam o envelope operacional de um duto de gás.
Uma consideração importante entrelaçada com a hidráulica dos dutos de gás são os limites de temperatura. Um duto de gás pode ficar tão frio que há o risco de congelamento se não for controlado. Assim como acontece com a pressão, medidas cuidadosas são tomadas para controlar a temperatura por meio do planejamento das operações. Se houver líquido em qualquer parte de um duto congelado, ele poderá se transformar em gelo, resultando em bloqueios, especialmente em válvulas.1
Como o gás é compressível, sua densidade muda em função da pressão e da temperatura. A conservação da massa se aplica de forma simplificada em um estado estável, conhecido como balanço de massa. O setor de dutos expressa a taxa de fluxo de massa de uma maneira ligeiramente diferente: a taxa de fluxo volumétrico padrão, geralmente chamada de "fluxo padrão". O Atmos SIM demonstra as consequências da conservação da massa quando configuramos qualquer cenário que envolva a mistura de fluxos de gás de entrada com diferentes composições, como a mistura de gás rico com gás pobre ou a mistura de hidrogênio com gás natural.
Figura 3: Mistura de fluxos de entrada de gás natural com hidrogênio no Atmos SIM
Calibração de parâmetros usando estado estável
O estado de um duto de gás real nunca é realmente estável, mas podemos deduzir um estado estável equivalente para calibrar os parâmetros do nosso modelo. Isso é essencial para que um simulador de dutos, como o Atmos SIM, forneça resultados precisos e representativos do duto real. Para deduzir um estado estável equivalente, a primeira etapa é identificar uma operação estável no conjunto de dados históricos que continua por tempo suficiente para abranger o tempo de rendimento do duto. Durante esse período, o duto foi operado de tal forma que esperamos que quaisquer transientes tenham de fato se estabelecido em algo semelhante a um estado estável. Por fim, os fluxos e pressões médios formam a base para a calibração hidráulica, para alinhar parâmetros incertos do modelo, como a rugosidade da parede. Isso faz com que o modelo preveja com precisão a taxa de fluxo em diferentes quedas de pressão.
Vários casos de ajuste são realizados em um simulador de dutos antes de ser considerado bem calibrado. Embora o simulador de dutos deva inicialmente fornecer bons resultados aproximados, há sempre uma fase de ajuste fino durante um projeto de simulação que torna o modelo muito mais preciso. O Atmos SIM facilita esse processo ao encontrar automaticamente os valores adequados para calibrar o modelo usando um recurso conhecido como assistente de ajuste.
Esse recurso resolve um estado estável com uma estimativa inicial para o parâmetro que está sendo calibrado, analisa automaticamente os resultados, melhora sua estimativa e resolve novamente. Dessa forma, o Atmos SIM calibra a rugosidade da parede, a eficiência geral e o diâmetro interno do duto para corresponder ao fluxo, à queda de pressão e ao tempo de chegada.
Isso pode ser feito automaticamente em conjunto com a calibração dos parâmetros térmicos para garantir a precisão da temperatura ao longo da linha, incluindo o coeficiente geral de transferência de calor, a condutividade térmica do solo, a profundidade de enterramento e a velocidade do meio ambiente.1 O assistente de ajuste capacita o engenheiro a ajustar com um clique qualquer propriedade do duto, para uma calibração rápida de modelos precisos.
Estados estáveis ajudam os profissionais a projetar e operar dutos
Embora o Atmos SIM ofereça um mecanismo de física avançado capaz de lidar com a simulação de dutos totalmente transientes, ele também aproveita ao máximo os estados estáveis em seu devido escopo de aplicação, atendendo às necessidades de projetistas, planejadores e operadores de salas de controle de dutos de gás e líquidos. O estado estável como conceito fundamental e princípio prático de engenharia ajuda o usuário a entender como os fluidos fluem pelos dutos, validar os resultados da simulação e calibrar os parâmetros do modelo.
Referências
1 “The Atmos book of pipeline simulation”
Baixe o capítulo cinco Baixe o capítulo cinco
Pronto para o capítulo seis?
No capítulo seis, analisamos a importância da modelagem térmica na simulação de dutos. Desde como a temperatura afeta o duto até como o Atmos Simulation (SIM) Suite pode ajudar na calibração.