Uso de simulação de dutos para aumentar a eficiência de bombas e compressores
Bombas e compressores em dutos
Embora as bombas e os compressores possam operar com princípios muito semelhantes, é importante saber distinguir os dois. Nos dutos, as bombas são usadas para o transporte de líquidos e os compressores são usados para o transporte de gases.1
Simulá-los apresenta uma série de desafios especiais e nem todos os aplicativos em um simulador de dutos precisam modelá-los de maneira rigorosa. Em um modelo em tempo real implantado apenas para detecção de vazamentos, por exemplo, é necessário que os instrumentos sejam bons o suficiente para poderem isolar o interior de cada estação.
Portanto, nesse aplicativo, é essencial que a simulação não modele bombas ou compressores nem dependa da precisão deles.
No entanto, em outras aplicações, o modelo de bombas e compressores desempenha um papel vital para garantir que a simulação do duto seja precisa e que seja possível solucionar problemas em cenários em tempo real.
Quando off-line, eles são importantes para projetar estudos para os engenheiros considerarem possíveis mudanças nas operações do duto ou futuras atualizações. É particularmente interessante ver o desempenho de bombas e compressores em diferentes cenários. Eles podem, por exemplo, analisar as economias de longo prazo que podem ser feitas otimizando as operações, economizando energia ou decidindo o que fazer durante a manutenção programada.
Neste artigo, exploraremos:
- Desempenho da bomba ou do compressor
- Tipos de bombas e compressores
- Bombas em dutos de líquidos
- Compressores em dutos de gás
Desempenho da bomba ou do compressor
Se os dados de desempenho da bomba não estiverem disponíveis, uma maneira rápida de modelar uma bomba é usar uma bomba ideal. Uma bomba ou um compressor ideal fornece imediatamente uma quantidade definida de energia útil sem restrições, fazendo exatamente o que o usuário pede.
Figura 1: Diagrama de pressão-volume de um compressor
Qualquer bomba ou compressor afeta o fluido do mundo externo de duas maneiras:
- Transferência de calor
- E trabalhando nele
Ambos são impossíveis de calcular diretamente porque são quantidades dependentes do caminho. A maneira de superar isso é calcular o calor e o trabalho indiretamente. Uma propriedade termodinâmica é uma função de estado, o que significa que ela é puramente uma função das variáveis termodinâmicas que descrevem o estado atual do sistema (como pressão e temperatura)1 Esse tipo de variável é útil para se trabalhar, por mudar na mesma quantidade independentemente do caminho percorrido.
Há quatro fatores principais a serem considerados ao avaliar o desempenho de uma bomba ou compressor. Eles são:
- Potência, trabalho e cabeçote - ajuda a selecionar um driver adequado ou a prever a potência que um driver existente consumirá em um determinado cenário
- Aumento de temperatura - considera as mudanças na densidade do produto que podem levar a ineficiências no duto
- Entalpia e entropia - medidas de energia e degradação de energia
- Eficiência - cálculos de desempenho
Tipos de bomba e compressor
Quase todas as bombas e compressores funcionam com base em um dos dois princípios fundamentais:
- Centrífuga - trabalha com o princípio dinâmico, não empurra diretamente
- Recíprocas - funcionam com base no princípio de deslocamento positivo (DP)
A maioria das bombas e compressores amplamente utilizados em grandes dutos atualmente é centrífuga.1 O aumento da área da seção transversal desse princípio reduz a velocidade, aumentando a pressão com que o produto é descarregado do duto. Além disso, é possível obter taxas de fluxo maiores, o que está relacionado à eficiência do duto.
Os dutos são projetados com um alto grau de resiliência. Isso ajuda a garantir que possam fornecer pelo menos parte da taxa de fluxo especificada, mesmo que uma determinada bomba ou compressor não esteja disponível.
Bombas em dutos de líquidos
A densidade de um líquido quase incompressível varia apenas ligeiramente. Ao bombear líquidos muito compressíveis, como o gás liquefeito de petróleo (GLP), equações especiais de estado são usadas para calcular a mudança na densidade com a pressão e a temperatura. Mesmo em uma bomba perfeitamente eficiente, um líquido compressível tem um aumento de temperatura isentrópico (relacionado à entropia igual ou constante).
Como as bombas que lidam com líquidos compressíveis não são isentrópicas, elas são abordadas de maneira semelhante no Atmos Simulation (SIM) Suite. Para isso, calculamos a potência e a temperatura de descarga por meio da integração, da mesma forma que para um compressor de gás.
Uma das maneiras pelas quais o Atmos SIM pode ser usado para auxiliar as operações de bombeamento é com estratégias de alívio de sobretensão por meio da lógica de controle. Isso protege a bomba e ajuda a manter as condições de segurança. O Atmos SIM não permite que uma bomba opere em uma condição de surto. Se um mapa de bomba não tiver a região de inclinação positiva, ele oculta automaticamente essa região e assume uma inclinação negativa quase plana. O otimizador do Atmos SIM sempre evita a operação de qualquer bomba em sua região de surto.
Figura 2: O Atmos SIM mostra como algumas bombas podem funcionar até a vazão zero sem surtos
Compressores em dutos de gás
O fluido compressível muda de temperatura à medida que é pressurizado porque sua densidade muda. Isso significa que é necessário mais trabalho para comprimir uma massa de gás do que para bombear a mesma massa de líquido incompressível.
O Atmos SIM auxilia as operações de dutos de várias maneiras ao modelar compressores, por exemplo, cálculo de consumo de gás combustível, planejamento de manutenção e gerenciamento de demanda. Ele também pode ajudar no modelo de um compressor mal operado que entra em surto e como ele pode se recuperar dele. A reciclagem de parte da taxa de fluxo do lado da descarga de volta para o lado da sucção é uma das medidas anti-surto que podem ser implementadas. O modelo de compressor centrífugo no Atmos SIM inclui uma conveniente reciclagem interna para automatizar essa atividade. Com esse controle de surto incorporado, o ponto de operação se desloca para a direita, aumentando o fluxo volumétrico na mesma altura até passar pela linha de surto.
Referências
1 “The Atmos book of pipeline simulation”
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Toda ação tem uma consequência quando se trata de operações de dutos. O capítulo oito detalha como a simulação de dutos pode ajudar não apenas nas tarefas cotidianas, mas também a responder a perguntas importantes para o futuro.