Transientes rápidos, análise de picos de pressão e velocidade do som
Os transientes rápidos são geralmente vistos como uma especialidade em seu próprio direito. Os consultores especializados dedicam suas carreiras aos transientes rápidos, realizando análises de picos de pressão para simulação de dutos. A escala de tempo em que ocorrem os transientes rápidos é nitidamente diferente dos cenários operacionais mencionados na otimização de operações usando um simulador de dutos e, somado ao fato de que a velocidade do som difere nos dutos, é um tópico muito interessante para ser analisado mais a fundo.
Segurança em primeiro lugar
Todo duto tem uma sequência de inicialização e um procedimento de desligamento de emergência, mas é fácil errar catastroficamente em ambos. Por exemplo, o que acontece se algo ocorrer muito repentinamente ou muito gradualmente?
Uma ação que pode parecer segura pode ter efeitos indiretos não intencionais em outros pontos de uma rede complexa de dutos.
Por esse motivo, os sistemas de controle e os procedimentos que regem a operação de um duto são cuidadosamente projetados e rigorosamente cumpridos. Sua lógica é representada em um software de simulação de dutos, que oferece cenários que incluem não apenas o que acontece na partida e no desligamento, mas também as consequências de um vazamento, explosão, alívio de pressão e fluxo estrangulado.
Velocidade do som
A velocidade do som é mais lenta em um fluido que se move por um duto do que se esse mesmo fluido existisse fora do duto. O fluido que se move fora de um duto opera na velocidade do som livre, portanto, é governado apenas por duas propriedades: seu módulo de volume isentrópico (Bs) e a densidade (ρ).
A velocidade do som para um fluido de duto envolve métricas adicionais para realizar um cálculo corrigido que considere as propriedades do duto:
- Diâmetro interno (D)
- Módulo elástico (B)
- Espessura da parede (δ)
- Fator de restrição (ϕ)
Para tubos de paredes finas, o cálculo da velocidade corrigida do som seria o seguinte:
Para minimizar as possíveis interrupções de fluxo, são necessários cálculos adicionais, como a equação de Joukowsky, para garantir que as operações seguras do duto possam ser realizadas por um software de simulação como o Atmos SIM.
Aumento de pressão
Aqui, apresentaremos um detalhamento de um possível cenário de picos de pressão, denominado surto de pressão, e como as estratégias de mitigação ativas, passivas e automatizadas de uma análise de picos de pressão com simulação de dutos podem melhorar as operações dos dutos.
Quando o fluido em um duto é submetido a uma mudança inadequada de velocidade, ocorre um surto de pressão, também conhecido como golpe de aríete ou choque hidráulico.
Esse fenômeno é geralmente causado pelo controle inadequado de um duto, como durante os procedimentos de desligamento de emergência (ESD). Após uma falha de energia, por exemplo, uma prioridade do ESD envolve a interrupção rápida do fluxo por meio do fechamento de válvulas, mas quando isso é feito por meio do fechamento de válvulas com a força de gradientes de pressão reversa, há o risco de fluxo reverso em um duto. Isso pode custar caro se o fluxo reverso se transformar em um surto de pressão.
Figure 1: The instant of closure of a valve in a flowing liquid pipeline. One surge moves in the upstream direction and another moves downstream. The top profile is flow velocity, the second is height, the third is elevation and the bottom is pressure
Como os picos de pressão podem causar acidentes catastróficos, a análise de picos de pressão é necessária para garantir que as operações do duto evitem criar transientes hidráulicos que excedam os limites operacionais seguros (SOL).
Consultores especializados são empregados para dimensionar equipamentos de alívio de surtos e avaliar estratégias lógicas de ação rápida para proteger contra os piores cenários, como vazamentos ou rupturas de dutos. Seu trabalho é facilitado por conjuntos de simulação de dutos, como o Atmos SIM, cujos nós são bem espaçados e as etapas de tempo são adequadamente curtas.
A equação de Joukowsky é benéfica no caso de um surto de pressão porque permite que os dutos rastreiem a pressão transitória de pico em seus dutos. Um exemplo disso poderia ser durante uma instância como a da figura 1, quando uma válvula é fechada repentinamente. A análise de picos de pressão, juntamente com cálculos como a equação de Joukowsky, garante que os dutos implementem as estratégias de mitigação de picos mais adequadas, sejam elas ativas, passivas ou automatizadas.
Estratégias ativas de mitigação de surtos
O cálculo de um surto de pressão permite que os projetistas de dutos instalem dispositivos e procedimentos para mitigar os surtos hidráulicos críticos para a segurança e nos quais se pode confiar para mitigar as consequências catastróficas de um surto de pressão.
Se tomarmos o exemplo de uma válvula sendo fechada na saída de um curto duto de petróleo bruto, o duto se romperá, mas uma análise de picos de pressão realizada por um simulador de dutos de fácil utilização, como o Atmos SIM, pode determinar se o pico excede a cabeça máxima da linha. Esses insights podem ser usados para determinar se um procedimento de mitigação de surto (mitigação ativa de surto) ou um dispositivo de alívio de surto (mitigação passiva de surto) é necessário no duto.
Estratégias passivas de mitigação de surtos
Os dispositivos passivos de mitigação de surtos, como as válvulas de alívio, são essenciais para a segurança, por isso é vital que os dutos usem bons padrões e práticas para garantir que operem no momento certo e na pressão certa.
Figura 2: Pressão a montante de um fechamento de válvula de um segundo, com (verde) contra (vermelho) uma válvula de alívio de pressão posicionada imediatamente a montante da válvula de fechamento
Outro exemplo de dispositivo de atenuação de surtos é um tanque de surtos, que pode atenuar tanto os surtos ascendentes quanto os descendentes. Se a pressão da linha exceder o SOL, o líquido é desviado para o tanque, reduzindo a altura do surto de pressão e, se a pressão cair abaixo da pressão do tanque, o líquido flui para fora do tanque e aumenta a pressão na calha.
Análise automatizada de picos de pressão
É fundamental que toda alteração nas características de um duto, nas especificações do material ou nas propriedades do fluido receba uma análise detalhada de picos de pressão. A análise automatizada de picos de pressão pode ser facilitada por soluções como o Atmos SIM, que inclui os seguintes recursos:
- Espaçamento variável entre os nós
- Passos de tempo variáveis
- Modelagem de velocidade reversa para comportamento dinâmico da válvula de retenção
- Modelagem de bomba para um comportamento preciso de rotação e redução de rotação
- Lógica de controle para simular o controle durante eventos de surto
- Entradas de características da válvula para fechamento preciso da válvula
Usando esses recursos, o Atmos SIM pode iniciar automaticamente cenários de surto em sucessão. Ele produz um relatório que resume os principais resultados, incluindo o pico de pressão de surto e sua localização. O relatório também descreve resultados importantes em um formato conveniente para análise e gera tendências para cada cenário de surto de pressão.
Opere seu duto de forma segura e econômica
Em situações potencialmente emergenciais, como os impactos de um cenário de surto, as ações dos operadores de dutos podem ser essenciais para a operação segura dos dutos.
A análise de picos de pressão, juntamente com a simulação de dutos, ajuda os dutoviários a responder rapidamente às mudanças em andamento, manter as operações seguras dos dutos e evitar os efeitos dispendiosos de picos não mitigados.
Referências
1 “The Atmos Book of Pipeline Simulation”
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O Capítulo 10 aborda como a modelagem transiente em tempo real pode ser um sistema eficaz de detecção de vazamentos que detecta vazamentos rapidamente e estima com precisão sua localização e tamanho.