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PRH-ANP 16 RELATORIO FINAL

I

PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA

ANP PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS -- PRH--ANP//MME//MCT

PRH-ANP 16 PU

UP

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

MONOGRAFIA:

“Controle e Supervisão de pressão e vazão em Gasodutos”

Bolsista: Fábio Pereira Feletto Orientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Murari Pinheiro Período: Agosto/2003 a Setembro/2005


I

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a Deus, a minha família, meus amigos e a todos

que compartilharam junto a mim momentos de alegria e tristeza.


II

AGRADECIMENTOS

Agradeço a minha família e a todos que me ajudaram nos momentos de

dificuldade para realização deste trabalho.

Agradeço ao orientador Professor Carlos Murari Pinheiro pela ajuda no

desenvolvimento deste trabalho.

Agradeço ao Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional de

Petróleo da Universidade Federal de Itajubá PRH-ANP 16, pela

oportunidade recebida para concretização desta pesquisa, em especial

aos coordenadores do programa Professores Jamil Haddad e Roberto

Alves de Almeida.


III

RESUMO

�A utilização de gasodutos é a maneira mais eficaz para o transporte de gás

natural em longas distâncias, de forma que este gera um envio contínuo e

ininterrupto de gás.

O controle e supervisão das variáveis vazão e pressão são de fundamental

importância para o funcionamento correto e seguro da rede. Para isso, a

instalação depende de uma grande quantidade de equipamentos estar

funcionando e se comunicando de maneira confiável, desde compressores

em estações de compressão a válvulas de bloqueio de gás natural. Este

trabalho vem em uma etapa inicial reunir informações descritivas dos

componentes e dispositivos de um sistema de transporte de gás natural por

dutos, passando pelos seus modelos, equações, maneiras de atuação e

forma de controle.

Os equipamentos de controle bem como o sistema SCADA de controle e

supervisão de variáveis comumente utilizados nas instalações de

gasodutos foram descritos analisando suas características e as novas

tecnologias que poderão ser utilizadas em futuras construções e

modernizações da malha existente.

Na parte de simulação computacional, foram utilizados os modelos e

equações obtidas previamente para simular o controle do compressor

centrifugo de uma estação de compressão, além da plotagem de algumas

de suas curvas especificas.

Palavras Chaves: Gás Natural, Gasoduto, Sistema de controle, Controlador

Programável, Supervisório, SCADA , Simulação.


IV

ABSTRACT

The use of gas pipelines is the way most eficient for natural gas transport in

long distances, of form that this provides a continuous and ininterrupted

sending.

The control and supervision of flow and pressure variables has a lot of

importance in order to correct and safe working of the net. For this, the

instalation depends of the work and communicating of a great amount of

devices and equipaments, since compression stations to natural gas block

valves. This work in a initial stage congregate descriptive information of the

components and devices of a natural gas pipeline system, passing for its

models, equations, performances and control way.

The equipament of controle as well SCADA system of control and supervision

with wide use in pipeline instalations was described analisyng its features and

the new technologies that can be used in next constructions or net

atualization.

In computational simulation part, was used the models and equations gotten

previously to simulate the control of a centrifugal compressor in a compressor

station, beyond the print of some specify curves.

Key Words: Natural Gas, Gas pipeline, Control system, Programable

Controller, Supervision, SCADA, Simulation.


V

SUMÁRIO

CAPÍTULO I - Descrição do sistema de transporte de gás natural por dutos e seus dispositivos

1.1. Introdução .............................................................................................................. 1

1.2. Componentes do sistema – Rede de dutos ........................................................... 2

1.3. Compressores ......................................................................................................... 5

1.3.1. Compressores à jato ............................................................................. 6

1.3.2. Compressores alternativos .................................................................... 7

1.3.2.1. Efeito Simples ............................................................... 8

1.3.2.2. Duplo Efeito .................................................................. 9

1.3.3. Compressores dinâmicos ....................................................................... 9

1.3.3.1. Centrífugos ................................................................... 9

1.3.3.2. Axiais .......................................................................... 13

1.4. Máquinas primárias (Prime Movers) ....................................................................... 13

1.4.1. Motores Elétricos ................................................................................. 14

1.4.2. Turbinas a Vapor ................................................................................. 15

1.4.3. Turbinas a Gás .................................................................................... 15

1.5. Válvulas .................................................................................................................. 17

1.5.1. Válvulas de Bloqueio ............................................................................ 20

1.5.2. Válvulas de Alívio de Pressão .............................................................. 21

1.5.3. Válvulas Reguladora de Pressão ......................................................... 21

1.6. Medidores ............................................................................................................... 21

1.6.1. Pressão ................................................................................................ 21

1.6.1.1. Manômetros ...........................................……….…….. 22

1.6.1.2. Strain Gauges .......................................……….……... 23

1.6.1.3. Medidor Diferencial Capacitivo ................................... 23

1.6.2. Vazão ................................................................................................... 23

1.6.2.1. Tipo Placa de Orifício ................................................. 24

1.6.2.2. Tipo Ultrasom ............................................................. 24

1.7. Considerações ........................................................................................................ 26

CAPÍTULO II - Controle de fluxo e pressão em gasodutos

2.1. Introdução ........................................................................................................ 27

2.2. Estrutura do sistema ........................................................................................ 28

2.2.1. Estação de Compressão ...................................................................... 28

2.2.2. Estação de Entrega .............................................................................. 37


VI

2.2.3. Estação de Medição ............................................................................. 38

2.2.4. Válvulas De Bloqueio ....................................................................... 41

2.3. Problemas ........................................................................................................ 41

2.4. Considerações ................................................................................................. 43

CAPÍTULO III - Equipamentos digitais de processamento de controle

3.1. Introdução ........................................................................................................ 44

3.2. Equipamentos digitais de controle ................................................................... 44

3.2.1. Controladores Programáveis ............................................................... 45

3.2.1.1. Estrutura Básica ......................................................... 45

3.2.1.2. Funções Especiais ..................................................... 48

3.2.1.3. Programa Aplicativo ................................................... 49

3.2.1.4. Linguagens de Programação ..................................... 51

3.2.2. PC Industrial ........................................................................................ 52

3.2.3. Sensores Inteligentes .......................................................................... 54

3.3. Estruturas de controle ...................................................................................... 54

3.3.1. Estruturas utilizando CP ...................................................................... 55

3.3.2. Fieldbus ............................................................................................... 56

3.3.2.1. Aspectos Técnicos ..................................................... 59

3.3.2.2. Topologias em Fieldbus ............................................. 63

3.3.2.3. FISCO ........................................................................ 63

3.4. Considerações ................................................................................................. 65

CAPÍTULO IV – Aplicação do sistema SCADA no controle e supervisão de gasodutos

4.1. Introdução ........................................................................................................ 66

4.2. Caracterização de um sistema SCADA ........................................................... 66

4.2.1. Sensores e Atuadores .......................................................................... 68

4.2.2. Estações Remotas ............................................................................... 68

4.2.3. Rede de Comunicações ....................................................................... 69

4.2.4. Estações de Monitoramento Central .................................................... 71

4.3. Funções ........................................................................................................... 71

4.3.1. Aquisição de dados .............................................................................. 72

4.3.2. Visualização de dados ......................................................................... 72

4.3.3. Processamento de alarmes ................................................................. 73

4.3.4. Tolerância a falhas ............................................................................... 74

4.4. Modos de comunicação ................................................................................... 74


VII

4.4.1. Comunicação Mestre-Escravo ............................................................. 74

4.4.2. Comunicação por Interrupção .............................................................. 75

4.5. Software …………………………………………………………………………...… 76

4.5.1. FactorySuite ………………………………………………………………... 77

4.5.1.1. Intouch ................................................……………..… 78

4.5.1.2. Industrial SQL Server ……………………………………78

4.5.1.3. FactorySuite Web Server .............…………................ 79

4.5.1.4. InControl ..................................................................... 79

4.5.1.5. I/O Servers ................................................................. 79

4.6. Considerações ................................................................................................. 80

CAPÍTULO V - Simulação de sistemas de controle e compressão em gasodutos

5.1. Introdução ................................................................................................................... 81

5.2. Simulação Computacional .......................................................................................... 82

5.3. Simulação da compressão de gás natural .................................................................. 83

5.4. Simulação de controle ................................................................................................ 89

5.5. Softwares dedicados .................................................................................................. 93

5.6. Considerações finais .................................................................................................. 94

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 96


VIII

LISTA DAS FIGURAS

Figura 1: Perda de carga em tubulação horizontal ......................................................................... 5

Figura 2: diagrama exemplo de utilização de compressor à jato ................................................... 6 Figura 3: Diagrama do comportamento real de um compressor alternativo ................................... 7

Figura 4: Fator de perdas X razão de compressão- compressores alternativos ............................ 8

Figura 5: construção básica de um compressor centrifugo .......................................................... 10

Figura 6: Esquema funcional de uma turbina á gás ..................................................................... 15

Figura 7: Formas de estrangulamento de fluxo pelas válvulas .................................................... 18 Figura 8: Curva Head-Vazão ........................................................................................................ 30 Figura 9: Limite de surge .............................................................................................................. 32 Figura 10: Deslocamento do set-point por aumento da perda de carga pós-compressor ............ 34 Figura 11: Diagrama de fluxo interno de uma estação de compressão ....................................... 35 Figura 12: Estação de entrega ..................................................................................................... 38 Figura 13: Diagrama de blocos da medição ................................................................................. 39 Figura 14: Estação de medição .................................................................................................... 40

Figura 15: Estrutura básica de funcionamento do CP .................................................................. 45

Figura 16: Forma cíclica de trabalho do CP ................................................................................. 51

Figura 17: Etapas para programação de um CP .......................................................................... 52

Figura 18: Arquitetura tradicional com CP .................................................................................... 55

Figura 19: Arquitetura utilizando Fieldbus e instrumentos inteligentes ........................................ 59

Figura 20: Estrutura de controle e supervisão de processos ....................................................... 67

Figura 21: Esquema básico de funcionamento do sistema SCADA ............................................. 68

Figura 22: Estrutura de uma RTU com transmissão via radio modem ......................................... 70

Figura 23: Curva termodinâmica do compressor Solar C452 ....................................................... 85

Figura 24: Curva de compressor aproximada obtida através de modelo ..................................... 88

Figura 25: Curva de compressor aproximada para 8000 RPM .................................................... 88

Figura 26: Simulação do controle de capacidade de um compressor centrífugo por variação da rotação .......................................................................................................................................... 90


IX

Figura 27: Pressão de descarga do compressor compensada .................................................... 91

Figura 28: Variação de rotação devido a degrau da pressão de descarga .................................. 92

Figura 29: Pressão de descarga para regime de distúrbio seqüencial ......................................... 92

Figura 30: Tela do software Pipeline Studio da Energy Solutions ................................................ 93�


X

LISTA DE VARIÁVEIS ��

Q = Vazão volumétrica [cu ft/day]

Pb = Pressão base [psia]

Tb = Temperatura base [ºR]

(1/f )0,5 = fator de transferência

P1 = pressão entrada [psia]

P2 = pressão saída [psia]

T1= Temperatura de entrada [ºR]

T2= Temperatura de saída[ºR]

G = Constante do gás (ar=1)

T = média da temperatura do gás [ºR]

L = comprimento [milhas]

D = Diâmetro interno da tubulação [pol]

Di = Diâmetro do impelidor [pol]

Z = fator de compressibilidade

K = rugosidade efetiva [pol]

Kp= coeficiente de perda de carga

Le= comprimento equivalente

Re= Número de Reynolds

k = razão entre os calores específicos Cp/Cv

H = head real [pé/libra quad]

Hp= Head politrópico [pé/libra quad]

Hth= Head termodinâmico

H’= head por estágio [pé/libra quad]

Pex= Potencia requerida no eixo [Hp]

0e = Eficiência geral do sistema

Hp= Head politrópico [pé/libra quad]

n = expoente politrópico da compressão

N = velocidade rotativa [RPM]


XI

P= numero de pares de pólos

µ = coeficiente de pressão

C1 = constante de proporcionalidade

f0= freqüência base [Hz]

θ = ângulo entra o onda e escoamento [graus]

Vs = velocidade do som no fluído [m/s]

Vm= velocidade media [m]

Ls= distancia entre os sensores [m]

Tm= tempo médio [s]

E= erro

SP=set point��


1

CAPÍTULO I

TRANSPORTE DE GÁS NATURAL POR DUTOS

1.1- INTRODUÇÃO

A malha nacional de transporte de gás natural via dutos foi profundamente

modificada com a recente construção de novos gasodutos de grande porte e a

crescente demanda por este tipo de fonte energética proporciona uma maior

necessidade de otimização e expansão do sistema. Tal fato, portanto, modificou

a matriz energética brasileira e junto trouxe alguns gargalos tecnológicos

principalmente relacionados ao controle, supervisão e segurança de grandes

gasodutos, que exigem soluções específicas.

A simulação computacional por si só possui um caráter de extrema

importância relacionada com o tópico, uma vez que é através deste tipo de

atividade é que se torna possível a previsão de eventos sem a necessidade de

envolver o meio físico real. É possível também a análise da utilização de

determinados equipamentos utilizando tecnologia digital que possam atuar no

campo e realizar um trabalho otimizado.

Este trabalho vem descrever as peculiaridades do funcionamento de um

sistema de transporte de gás via dutos e seus componentes, auxiliando na

escolha das variáveis do processo que serão controladas, dos equipamentos e

sistemas digitais para controle e monitoramento à distância. Sugerindo

modificações em sistemas obsoletos e sugestões para implantação de novas

unidades.

Este capítulo mostra as características de um sistema de transporte de

gás natural por dutos, relacionando seus principais componentes e

equipamentos, e as equações que modelam as variáveis com o sistema em

funcionamento.


2

1.2- COMPONENTES DO SISTEMA- REDE DE DUTOS

A rede de dutos é composta por peças de seção circular cilíndricas

geralmente compostas por aço, sendo interconectadas entre si de modo a se

obter uma linha contínua pela qual o fluído irá escoar. A espessura do gasoduto

é calculada a fim de suportar a pressão existente e a seção é obtida de modo a

atender a vazão de projeto da linha. Toda a tubulação deve ser preservada por

um sistema de proteção catódica para evitar a corrosão, além de um

revestimento anticorrosivo externo.

Uma gama de parâmetros relacionada à linha ou ao próprio gás natural

transportado influencia diretamente nas variáveis pressão e vazão ao longo do

sistema e, portanto devem ser considerados. Alguns parâmetros de maior

importância são:

- Coeficiente de atrito;

- Gravidade específica do gás;

- Fator de transferência;

- Temperatura;

A equação que determina a vazão do gás em dutos horizontais,

considerando a transferência do fluído como um processo isotérmico pode ser

expressa por : [1]

5,2

5,0225,0

.21

.1

..77.38 DGTLZ

PP

fPb

TbQ

−

= (1.1)

A determinação do tipo de fator de transmissão depende do regime de

escoamento do fluído. Para isso existem algumas fórmulas de fluxo que já

consideram tal fator para o calculo da vazão. Estas fórmulas estão descritas a

seguir.


3

Weimouth (para tubulação de aço):

667,2

5.02

2

2

15,433 DGTLZ

PP

Pb

TbQ

−=

(1.2)

Panhandle A:

6182,2

5392,0

8539,0

2

2

2

1

0788,1

7,435 DTLZG

PP

Pb

TbQ

−

=

(1.3)

New Panhandle:

53,2

51,0

961,0

2

2

2

1

02,1

737 DTLZG

PP

Pb

TbQ

−

=

(1.4)

De maneira geral, o regime de escoamento em operação natural dos

gasodutos é bastante turbulento com números de Reynolds bastante elevados.

Desta maneira o fator de transmissão se torna:

=

k

D

f7,3log4

15,0

(1.5)

e portanto a equação da vazão é expressa por:

5,2

5,02

2

2

17,3log08,155 D

GTLZ

PP

k

D

Pb

TbQ

−

=

(1.6)

Ao escoar por um trecho reto de tubulação, o fluído sofre uma perda de

energia denominada perda de carga distribuída que é diretamente proporcional

ao fator de atrito. Normalmente se utiliza um revestimento nas paredes internas

de pintura epóxi com o objetivo de diminuir o fator de atrito e assim diminuir as

perdas de carga.


4

Existem vários tipos de equações para cálculo da perda de carga. Uma

delas é denominada equação de Darcy-Weisbach:

gD

vLfh f

2.

..2

= (1.7)

Porém, durante toda a malha existem singularidades que pelo fato de

acarretarem perturbações no escoamento, ocasionam perda de cargas

localizadas maiores que a perda de carga distribuída e que são dadas por:

g

vKh

p

f2

. 2

= (1.8)

Entretanto, devido ao grande grau de empirismo destas equações (que podem

acarretar em grandes erros) é preferível realizar o calculo da perda através da

própria equação de vazão em linhas horizontais, fixando o valor de variáveis

como vazão e pressão inicial. Desta forma, é possível obter uma função da

perda de carga pelo comprimento da linha.

Fixando assim a pressão inicial como 92 Kg/cm2 (≈ 1310psi), assumindo uma

vazão de 20MMm3/dia (706,293 MMcft/dia) e assumindo valores típicos para a

situação temos para o caso de uma tubulação com diâmetro interno de 32

polegadas, a perda de carga levantada e representada no gráfico da figura 1:


5

Figura 1: Perda de carga em tubulação horizontal

A perda de carga que ocorre na realidade deve ser acrescida das perdas

de carga localizadas e das perdas de carga devido ao relevo.

Nos períodos de baixo consumo ocorre uma tendência de elevação da

pressão na linha decorrente da diminuição da vazão. Desta maneira, o gasoduto

passa a realizar um acumulo de energia na forma de armazenamento de gás, o

que é uma característica importante, pois pode ser utilizado para suprir picos de

demanda. Quando o sistema possui a mínima vazão e a máxima pressão

denomina-se que o sistema é compatível. Na situação reversa, o sistema é

denominado não compatível.

1.3- COMPRESSORES

São estruturas mecânicas industriais de grande porte distribuídas pela linha de

dutos com a finalidade de elevar a energia do gás natural pelo aumento da

pressão, para que esta se encontre em um certo nível necessário para a sua

transmissão compensando assim perdas provenientes do próprio consumo e

pelo atrito com a parede interna do duto. Os tipos de compressores que podem

ser utilizados em gasodutos basicamente se dividem em três: [1]


6

- Jato;

- Dinâmicos

o Centrífugos

o Axiais

- Volumétricos do tipo Alternativo

o Efeito simples

o Duplo efeito

A definição do tipo de compressor a ser utilizado depende exclusivamente

das condições de operação do gasoduto e seus aspectos econômicos, sendo,

portanto o problema concentrado na definição da capacidade e na potência

requerida por máquina. Para ajudar na escolha são utilizados alguns métodos

como, por exemplo, através dos diagramas de Mollier.

1.3.1- Compressores à jato

Os compressores a jato não possuem partes rotativas e utilizam o

próprio gás a alta pressão para comprimir o gás à baixa pressão chegando assim

a um nível intermediário. São utilizados em campos de gás natural para estimular

poços com baixa pressão e assim aumentar a produção, além de permitir o

transporte em gasoduto que necessite de pressão intermediária. A figura 2

apresenta um exemplo de utilização de um compressor à jato.

Figura 2: diagrama exemplo de utilização de compressor à jato


7

1.3.2- Compressores alternativos

De maneira geral, são representados pelos compressores tipo êmbolo e

tipo membrana, sendo caracterizados como compressor volumétrico. São

constituídos por um cilindro onde existe um pistão (ou êmbolo) que se desloca

em movimento retilíneo alternativo, movimentado geralmente por um sistema de

transmissão do tipo biela-manivela, sendo que a entrada e a saída do fluído é

controlada por um conjunto de válvulas.

Desta maneira, um compressor alternativo durante um ciclo deve realizar

as operações de aspiração e descarga.

Analisando o comportamento termodinâmico real de um compressor

alternativo através de um plano de Clapeyron, obtemos o seguinte diagrama

ilustrado na Fig. 3:

Figura 3: Diagrama do comportamento real de um compressor alternativo

FONTE: [3]

As seções A e B (subpressão e sobrepressão respectivamente) ocorrem

devido à resistência dos condutos de admissão além das inércias das válvulas

de admissão e escape. Temos a existência também de um volume residual V “,

já que nem todo o fluído comprimido abandona o cilindro, pois o pistão não pode

chegar ao fundo deste onde ficam as válvulas, gerando assim o que é chamado

de espaço nocivo ou clearance volume”.


8

A eficiência adiabática para este tipo de compressor é tomada como

100%, porém a sua eficiência mecânica é baixa quando comparada com os

compressores centrífugos, por possuírem mais partes móveis. Sua eficiência

geral varia exponencialmente de acordo com a razão de compressão

empregada, de modo que é possível perceber tal fato através da função entre

razão de compressão e fator de perdas (perdas devido a perdas de carga

localizada nas válvulas e atrito do pistão e câmara) para compressores

alternativos apresentada como gráfico ilustrado na Fig. 4:

Figura 4: Fator de perdas X razão de compressão-compressores alternativos

A formula 1.9 permite calcular o valor de potência teórico para uma certa

diferença de pressão e volume, sendo dada por:

( )

1−

1−229

=

1−k

k

P

P

k

kVPHPteórico

1

211 .

(1.9)

sendo que Hp efetivo = Hp teórico X fator de perdas.

1.3.2.1- Efeito simples

Neste tipo de máquina, a compressão de dá apenas de um lado do

pistão, o que resulta em somente uma compressão para cada rotação do eixo.


9

1.3.2.2- Duplo efeito

Existe uma câmara de compressão em cada lado do pistão, assim

resultando em duas compressões para cada rotação do eixo. Existe uma haste

deslizante em uma graxeta vedada, que estando na parte do cilindro posterior ao

pistão acaba por realizar a articulação do mesmo [3].

1.3.3- Compressores Dinâmicos

São máquinas rotativas geradoras que tem como objetivo aumentar a

energia utilizável de fluídos elásticos pelo aumento de sua pressão dinâmica.A

forma de aquisição de energia cinética pelo fluído classifica os compressores

deste tipo em axiais ou centrífugos.

1.3.3.1- Centrífugos (Fluxo radial)

Neste tipo de compressor, o aumento de pressão se dá pela ação de um

rotor provido de pás que faz com que gás seja impulsionado através de um

impelidor atingindo velocidade elevada sendo posteriormente descarregado em

um difusor formado por um caixa em forma de voluta ou por canais difusores.

Ambos tem como objetivo fazer com que o gás perca velocidade. Desta forma, a

energia cinética oferecida ao gás pelo rotor é praticamente toda revertida em

pressão para o fluído.

Podem ser classificados em ventiladores centrífugos, compressores

centrífugos, turboventiladores e turbocompressores.

Ventiladores centrífugos: são compostos por apenas um estágio de

compressão e devido a exatamente este fato são destinados a produzirem

diferenças de pressões pequenas, inferiores a 700 Kgf/m2 (1 psi). De tal maneira

não são geralmente aplicados a industria de transporte de gás natural.

Compressores centrífugos básicos: são também de rotor único, ou

seja, proporcionam apenas um estágio de compressão a exemplo dos


10

ventiladores. Porém, devido à seus aspectos construtivos tal máquina é aplicada

para gerar diferenças de pressões da ordem de 3500 Kgf/m2 (4,98 psi). A Fig. 5

ilustra sua estrutura básica.

Figura 5: Construção básica de um compressor centrifugo [1]

Turboventiladores: possuem vários estágios de compressão, porém

mesmo desta forma não permitem diferenças de pressão muito elevadas.

Turbocompressores: são os tipos de máquinas mais utilizadas em

gasodutos de grande porte. Isso se dá por sua capacidade de gerar altas

diferenças de pressão (bem acima de 10 Kgf/cm2), e justifica a utilização de

refrigeração intermediária. Tal tipo de máquina é de difícil construção e exige

acabamento mecânico com precisão o que encarece bastante seu custo final.

Estes tipos de compressores apresentam geralmente baixo

consumo de óleo lubrificante e custo de manutenção baixo devido a poucas

partes móveis (impelidor e eixo). Não alcançam taxas de compressão altas como

as unidades alternativas, porém propiciam uma entrega contínua de fluído sem

variações no ciclo.

A pressão de descarga varia sensivelmente com pequenas variações na

velocidade de rotação, e devido a isso os acionadores designados para operar


11

com este tipo de compressor devem operar com variações de velocidade angular

de 5%.

Os três itens de maior importância para a definição de um compressor

centrífugo em uma linha de transporte de gás natural trabalhando com uma

determinada pressão de descarga e capacidade são: potência do eixo,

temperatura de descarga e velocidade de operação. Para determinar estes

valores inicialmente deve-se calcular o head (trabalho por unidade de massa

comprimida) que é dado por:

∫= VdpHth 144 (1.10)

Porém, como para um compressor centrífugo o volume específico é uma

variável. Portando assumindo um processo de compressão ideal politrópico, cujo

o head é:

−

−

=

−

11

1

1

21

n

n

pP

PZRT

n

nH

(1.11)

O rendimento termodinâmico associado ao processo politrópico resulta da

divisão do head ideal pelo real da forma mostrada abaixo:

H

H p

p =η (1.12)

Sendo que o head real pode ser calculado por:

)(1

12 TTk

RkH −

−=

(1.13)

A partir disso, podemos calcular a potencia requerida para compressão do

gás usando 1.13:


12

033000e

WHPex =

(1.13)

A potencia no eixo é dada dividindo este resultado pela eficiência

mecânica [1].

A temperatura de saída pode ser dada utilizando esta relação

fundamental da termodinâmica:

k

k

P

PTT

1

1

212

−

=

(1.14)

A definição da rotação pode ser realizada utilizando o diâmetro do

impelidor e coeficiente de pressão. A expressão é a mostrada a seguir:

µ'

1300H

iDN =

(1.15)

µ = 0,55 – Valor médio para um estágio de um turbocompressor tipo Clark.

O compressor centrífugo não pode atuar abaixo de uma capacidade

mínima, pois a partir deste ponto este entra em instabilidade que vem

acompanhado de um ruído denominado surge ou pumping. Tal limite está

intimamente ligado pelo ângulo de descarga do impelidor, sendo na média das

máquinas este ponto se dá em 50% do ponto de maior eficiência.

Existe um outro fenômeno limitante denominado stall ou limite de

stonewall, que se resume quando a velocidade do gás do impelidor no 1º estágio

(ou outro) chega próxima a velocidade do som. Tal fato gera ondas de choque

que efetuam um processo de blocagem na máquina.


13

1.3.3.2- Axiais

São compressores que tem como princípio de funcionamento

proporcionar a aceleração axial do fluído, ou seja, uma aceleração paralela ao

eixo rotativo da máquina para que depois tal energia seja convertida em pressão.

Estes tipos de compressores são menos utilizáveis na indústria de transporte de

gás natural, porém podem ser utilizados em algumas aplicações

específicas.Existem três classes de compressores axiais: os ventiladores

helicoidais, ventiladores turbo-axiais e turbocompressores axiais.

Os primeiros são os mais simples, dotados apenas de uma hélice e que

tem aplicabilidade somente para movimentação de ar ambiente e não são

utilizados para compressão de gás. Os ventiladores turbo-axiais são como os

ventiladores helicoidais, porém possuem uma carcaça que permite canalizar o

fluído na entrada e na saída do rotor. São utilizáveis para baixas pressões e

grandes vazões.

Os turbocompressores axiais são os que são realmente aplicáveis ao

transporte de gás, por sua vez também trabalham como ventiladores, mas são

bem mais eficazes devido a seu aspecto construtivo que integraliza em um só

elemento vários estágios de compressão. Cada estágio possui pás fixas e

móveis que formam um conjunto difusor-distribuidor. São aparelhos de dimensão

bem menores que um compressor centrífugo apesar de não possuírem a mesma

capacidade de compressão por estágio [3].

1.4- MÁQUINAS PRIMÁRIAS (PRIME MOVERS)

São máquinas que transformam algum tipo de energia em energia

mecânica e tem como objetivo gerar a potência necessária para a compressão

do Gás Natural. A escolha de um tipo de gerador utilizado em um sistema

depende intimamente das características do tipo de compressor empregado.


14

1.4.1- MOTORES ELÉTRICOS

Motores elétricos de grande porte são amplamente utilizados. Demandam

baixa manutenção além de possibilitar um controle automático diminuindo os

custos gerais.

O compressor vem tomando espaço no cenário da industria de transporte

de gás natural nos últimos 10 anos, por sua eficiência. A grande limitação deste

tipo de máquina era a velocidade. Para países que utilizam linhas elétricas de

60Hz, o limite teórico de velocidade era de 3600 RPM na utilização de motores

síncronos e um pouco menos na utilização de MIT´s (motores de indução

trifásicos), a menos que fosse utilizado um sistema de transmissão com

engrenagens, o que encarecia muito o custo final. Por esta limitação, tal tipo de

máquina não era costumeiramente utilizado junto com compressores centrífugos,

já que necessitam de altas rotações. A rotação síncrona de um motor é dada por:

P

fN

60=

(1.16)

O desenvolvimento no controle de velocidade de motores indutivos

possibilitou a conexão de motores diretamente a compressores centrífugos

através de inversores de freqüência e acoplamentos hidráulicos, já que permitem

uma variação de velocidade adequada [12]. Tal equipamento ainda possui custo

bastante elevado, pois devem permitir a variação de freqüência em alta potencia.

Uma tendência aponta que estes equipamentos sejam barateados no futuro.

Outro fator importante é a disponibilidade de rede elétrica de grande porte

próximo a estação de compressão.

Desta forma, os motores elétricos representam uma alternativa promissora

para o futuro da compressão para transporte de gás natural por dutos.


15

1.4.2- TURBINAS A VAPOR

Tal tipo de máquina possui uma peculiaridade interessante que é o fato de

possibilitar o consumo de qualquer combustível sendo ele sólido, líquido ou

gasoso. Podendo ser utilizado o que for mais economicamente viável na área, o

que não é uma vantagem quando analisamos transporte de gás natural, pois

este é a fonte mais viável de energia.

Pode ser acoplado a compressores centrífugos por permitir alta

velocidade de rotação, mas seus custos com manutenção e consumo são

elevados.

1.4.3- TURBINAS A GÁS

São equipamentos rotativos que tem como objetivo transformar energia

química da combustão de combustíveis gasosos em energia mecânica. Possui

uma série de dispositivos que em conjunto possibilitam a compressão de ar

como comburente da reação, mesclando este com o fluído combustível (próprio

gás natural). Queima a mistura através de uma parte ignitora e captação da

energia através da turbina de potência, transferindo a um eixo rotativo

posteriormente acoplado ao compressor (Fig. 6).

Figura 6: Esquema funcional de uma turbina á gás.

Portanto podemos salientar quatro componentes mais importantes no

processo construtivo de uma turbina a gás [6]:


16

O Compressor de ar trabalha para garantir alta razão de compressão

para o ar (12:1), fazendo assim com que a queima libere maior energia, podendo

ser axial ou centrífugo.

O regenerador funciona de maneira a aproveitar melhor

termodinamicamente os recursos, transformando parte do calor do gás de saída

para o ar de entrada, podendo em alguns casos gerar uma redução do consumo

na faixa de 30%.

Os combustores são responsáveis pela elevação da temperatura e

combustão da mistura, fornecendo o residual para a turbina.

A turbina de potência é responsável pela transformação efetiva da energia

obtida em energia mecânica. Existem as turbinas de fluxo axial e as turbinas de

influxo-radial com diferentes princípios de funcionamento, porém em 80% das

aplicações a utilização é de fluxo axial.

Existe também uma outra turbina, a de alta pressão que geralmente são

acopladas ao compressor de ar, com o objetivo de se melhorar a eficácia da

expansão.

As turbinas a gás podem ser classificadas segundo vários critérios:

Podem possuir um ou dois eixos, uma vez que as turbinas com um eixo

geralmente são utilizadas para movimentação de geradores e as com dois eixos

para acionamento mecânico geral, podendo assim atuar-se tanto no eixo do

compressor quanto no eixo principal de fornecimento.

Referente aos aspectos construtivos elas podem ser aeroderivativas, que

possuem no seu projeto considerações principalmente a respeito da otimização

dos fatores tamanho e peso, ou podem ser industriais, que priorizam neste caso

a sua eficácia e resistência no ambiente de trabalho.

Quanto à eficiência termodinâmica, já que esta pode trabalhar em ciclo

simples (sem regenerador) onde os gases são exauridos na atmosfera. Ou com


17

ciclo regenerativo (com regenerador), onde o calor dos gases da saída aquece o

ar de entrada e em ciclo combinado, onde o calor da exaustão é utilizado para

acionar uma turbina a vapor, gerando uma maior eficiência termodinâmica ao

processo.

O consumo de uma turbina a gás é relativamente alto, porém como o gás

natural é um combustível extremamente energético o custo é reduzido. Para um

ciclo regenerativo, a eficiência térmica máxima é da ordem de 27,5%.

1.5- VÁLVULAS

Em toda a totalidade da linha de transmissão de gás natural será

encontrada uma vasta gama de válvulas realizando os mais diversos tipos de

funções, mas todas elas têm em comum a intervenção junto ao fluxo de gás. São

acopladas junto aos atuadores, que podem ser acionados eletricamente,

pneumaticamente ou hidraulicamente, por meio de um sistema de controle a

distancia ou próximo ao próprio processo. As válvulas utilizadas em um gasoduto

são robustas e feitas de materiais que apresentam resistência mecânica elevada

(normalmente aço carbono, ferro fundido ou bronze) de modo a permitir sua

aplicação em altas pressões, necessitando também uma resistência à corrosão e

temperatura. Basicamente seguem um dos quatro métodos de funcionamento de

válvulas [7]:

Tipo Borboleta: É constituída por um disco de mesmo diâmetro o qual

pode ser rotacionado por volta da lentilha dentro da tubulação, limitando a área

livre e assim permitindo uma maior ou menor passagem de fluxo. Proporciona

uma alta perda de carga, pois gera turbulência no fluído.

Tipo globo e de agulha: Baseia-se no lançamento de um disco contra uma

abertura para bloquear o fluxo. A válvula agulha normalmente é utilizada para

controles muito finos de vazão.


18

Tipo diafragma: Tal válvula consiste em um corpo cilíndrico no qual na

parte superior existe uma membrana plástica interna que é movimentada

perpendicularmente na direção do fluxo por um pistão controlado externamente.

Normalmente existe um canal elevado na parte central da válvula por onde o

fluxo escoa, e ali é que a membrana interrompe o fluxo, porém existem

dispositivos também com a passagem reta.

Tipo esférica e gaveta: Possui uma esfera com um furo ou cunha que ao

deslizar por uma abertura proporciona o estrangulamento ou abertura do fluxo,

sendo este deslizamento externamente controlado. São utilizadas geralmente

para o controle ON-OFF.

Um importante parâmetro das válvulas reguladoras é a característica de

fluxo, que consiste na relação do fluxo passante pela válvula e sua porcentagem

de fechamento. Isso se dá de acordo com a forma de estrangulamento do fluxo.

A Fig. 7 mostra alguns tipos de estrangulamento de fluxo.

Figura 7: Formas de estrangulamento de fluxo pelas válvulas

A cada válvula com um tipo de estrangulamento diferente segue uma

curva de fluxo por abertura. Uma válvula com estrangulamento tipo b acima

possui uma curva linear de abertura x vazão.

As válvulas de controle industrial são geralmente dotadas de atuadores.

Estes dispositivos integrantes das válvulas são responsáveis por fornecer a força

necessária para que a válvula se movimente de maneira adequada a atuar no

sistema. Os atuadores podem ser das seguintes naturezas


19

:

o Pneumáticos;

o Elétricos;

o Hidráulicos;

o Mecânicos;

A maioria dos atuadores utilizados em válvulas de controle são

pneumáticos. Dentre estes se destacam os do tipo diafragma, pinhão e pistão.

Neste tipo de atuador o sinal de controle é um sinal pneumático (ar ou outro gás)

que fornece o comando para o fechamento da válvula.

Os atuadores elétricos são de maneira geral um sistema de motoredução

acoplados a haste da válvula de forma a possibilitar o acionamento. A maior

vantagem deste tipo de atuador é o fato de ser acionado eletricamente,

minimizando o efeito da distância do elemento que gera o sinal ao sistema.

Os atuadores hidráulicos são conjuntos que necessitam de reservatórios

de óleo, válvulas e bombas para efetuar o acionamento da válvula principal. Por

depender de uma gama muito grande de equipamentos não são muito utilizadas.

Os atuadores mecânicos são compostos por um dispositivo que possibilita

a movimentação de uma haste acionando a válvula. São pouquíssimos utilizados

e somente em aplicações que exijam pouco torque devido suas perdas

mecânicas.

Outros dispositivos importantes que podem vir incorporados a algumas

válvulas são os posicionadores. Estes dispositivos são controladores que

funcionam com sinais de controle pneumáticos ou eletro-eletrônicos e tem como

função manter uma relação entre haste o eixo e o sinal aplicado. Desta forma

são atribuídas as mesmas características de um controlador que influência

diretamente na dinâmica do sistema como o ganho, tempo morto entre outros.

De maneira geral, estes dispositivos são dotados de um ajuste de ganho de

modo a propiciar uma adequação ao sistema controlado. Em gasodutos por ser

um processo rápido, este ajuste deve estar próximo ao mínimo e o ajuste da


20

velocidade do ar de saída deve estar no máximo, de modo a permitir uma

resposta correta.

Os posicionadores são classificados quanto ao tipo de atuador utilizado.

Podem ser rotativos (válvula esfera, borboleta) ou lineares (válvulas globo e

gaveta).

Atualmente existem posicionadores que funcionam com protocolos

digitais, inclusive integrados a redes Fieldbus.

Quando as válvulas são dotadas de posicionadores acionados

eletricamente são chamadas de válvula proporcionais. A abertura deste tipo de

válvula depende do nível de tensão aplicado em sua entrada, desta forma

podendo-se controlar a vazão através da aplicação de um sinal de tensão. Este

tipo de válvula possui grande aplicação em gasodutos.

Tais válvulas são combinadas dentro do sistema a fim de realizar

determinadas funções pelas quais são classificadas.

1.5.1- VÁLVULAS DE BLOQUEIO

São equipamentos que permitem o corte no fluxo de gás e assim

possibilitando o isolamento de parte da linha para manutenção ou emergência.

Provida de atuadores pneumáticos utilizam o próprio gás natural para propiciar o

acionamento além de possuírem também dispositivo de proteção de rápida

atuação no sistema para bloquear o fluxo no caso de mau funcionamento, como

falha de controle, excesso de pressão ou vazão (vazamentos, fogo, falha nos

controladores etc). São válvulas que possuem principio de funcionamento ON-

OFF.

Possuem sistema de monitoramento de posição, que indica se está aberta

ou fechada e transmite esta informação de maneira que isto possa ser

monitorado em uma estação central.


21

1.5.2 - VÁLVULAS DE ALÍVIO DE PRESSÃO

A ação desta válvula trabalha para prevenir sobrepressões no sistema,

atuando automaticamente quando um limite de pressão previamente

estabelecido é transposto. Normalmente são utilizados em conjunto com as

válvulas de bloqueio automático, aliviando o gradiente de pressão formado no

acionamento desta.

1.5.3 - VÁLVULAS REGULADORA DE PRESSÃO

É uma válvula tipo diafragma que tende a manter os níveis de pressão

em um valor que permita a transferência. É utilizada principalmente nas estações

de entrega e assim mantém a pressão do duto em níveis aceitáveis para os

sistemas de consumo.

1.6- MEDIDORES

A medição confiável das variáveis pressão e vazão são imprescindíveis

para garantir o bom funcionamento do duto, manter a segurança e garantir o

faturamento. Para realizá-la existe uma enorme quantidade de equipamentos, os

quais serão citados os mais importantes.

De maneira geral funcionam como transdutores convertendo o valor de

grandeza física em um sinal elétrico de corrente analógico padrão de 4 a 20 mA.

Ou outro qualquer que permita a comunicação com a porta de entrada analógica

de controladores programáveis, e com uma série de instrumentos possibilitando

um monitoramento a distância.

1.6.1- PRESSÃO

A medição de pressão ocorre sempre de maneira comparativa,

diferenciando-se apenas pela referência em questão. A medição da pressão


22

absoluta do gás se dá pela soma da pressão barométrica mais a pressão

manométrica do gás.

De maneira geral, são utilizados manômetros de precisão e transmissores

de pressão, como os sensores capacitivos ou piezelétricos.

1.6.1.1- MANÔMETROS

Podem ser utilizados inúmeros tipos de manômetro na medição de

pressão:

Manômetro de coluna: É constituído por um tubo com uma escala

graduada e diâmetro constante onde fica uma quantidade pré-estabelecida de

fluido incompressível no qual a força é aplicada, e assim a indicação na escala

do valor de pressão é efetuada. Pode ser feita uma configuração com Ponte de

Wheatstone de modo a fornecer um sinal analógico referente à medida efetuada.

Manômetro Bourdon: Consiste em um tubo em configuração elíptica no

qual uma ponta é livre e a outra fixa. Quando é aplicada a pressão, existe uma

tendência de o tubo se tornar circular, assim gerando um deslocamento que

pode ser medido.

Para transferência da pressão em uma determinada região interna do

duto (normalmente central) são utilizados tubos de Pitot, que são sondas

compostas simplesmente por um tubo que fica alinhado com o fluxo de modo

transferir a pressão existente para uma parte externa, e assim realizar a medição

por um manômetro. No tubo de Pitot simples a pressão medida é a soma da

pressão estática e pressão dinâmica. Utilizando-se o tubo de Pitot estático ou

tubo de Prandtl é possível a medição de somente a pressão dinâmica, pois

existe um outro tubo que permite que a leitura já esteja sem a pressão estática.

Para realizar uma medida media de pressão em uma tubulação pode-se

efetuar uma tomada em anel.


23

1.6.1.2- STRAIN GAUGES

São pequenas células de silício que possuem resistência elétrica variável

de acordo com o nível de esforço mecânico ao qual é submetido. Normalmente

são montados e uma membrana que é submetida ao nível de pressão que

deseja ser medido. Assim, os sensores podem ser utilizados em uma

configuração ponte de Wheatstone na qual a resistência dos quatro elementos

varia com a pressão, fornecendo então um sinal de tensão correspondente à

medida de pressão.

1.6.1.3- MEDIDOR DIFERENCIAL CAPACITIVO

Consiste em um dispositivo com duas membranas nas quais as pressões

serão aplicadas. É provido de dutos que transferem as grandezas até seu interior

por meio de um óleo viscoso, onde as placas metálicas são encontradas. A

diferença entre as duas faz com que a placa metálica móvel central se envergue

para um dos lados diminuindo a distância para uma das placas e aumentando

para a outra e desta forma mudando a relação:

c

c

d

AC .ε=

(1.17)

Desta forma existe uma variação do valor da capacitância entre as placas,

para uma determinada diferença de pressão, que coletada e tratada por um

circuito indica o valor diferencial. São sensores normalmente muito precisos.

1.6.2- VAZÃO

Existem os mais variados tipos de sensores de vazão: Venturis,

Placas de Orifício, Turbinas, ultra-som, hélices etc. A maioria dos medidores

utiliza os princípios de medição da velocidade do fluido ou da variação de

energia cinética.


24

Todos os tipos de medidores de vazão devem ser instalados em trecho

reto de tubulação, e em caso de medição para faturamento, deve ser respeitada

uma distância de 120 diâmetros de qualquer singularidade.

1.6.2.1- TIPO PLACA DE ORIFÍCIO

Consiste em uma placa com uma passagem circular no meio que é

colocada de modo a promover o estrangulamento do fluxo, alterando assim o

perfil de velocidade do escoamento.Seu principio de funcionamento é similar ao

medidor venturi, porém necessita de um acabamento de usinagem não tão

perfeita, além de gerar uma menor perda de carga. Para o calculo da vazão é

necessário o monitoramento da diferença pressão no medidor, que é feita

geralmente um pol. a esquerda e a direita da placa.

De tal forma modelando o problema partindo da equação de Bernoulli

para fluídos tem-se que:

PCQ ∆= 1 (1.18)

onde C1 é comumente é obtido através de calibração do equipamento, mas

pode ser obtido também de maneira teórica.

1.6.2.2- TIPO ULTRASOM

Tal dispositivo utiliza o conceito de físico de propagação de ondas em um

meio para determinar a vazão. Existem duas classificações possíveis para

sensores deste tipo [7]:

Efeito Doppler: Baseiam-se no principio Doppler da variação da

freqüência de ondas entre células emissoras e receptoras estando em

movimento relativo. A faixa de freqüência utilizada é de 150Khz à 5Mhz, porém

para ser utilizado o fluido deve possuir uma quantidade de partículas em

suspensão maior que 1% e menor que 10%.


25

Emissor e receptor ficam instalados externamente alinhados nas laterais da

tubulação, sendo assim realizada a emissão do sinal e captação devido a

reflexão nas partículas em suspensão do fluído sendo medida, portanto a

freqüência de chegada. De tal forma é possível calcular a vazão utilizando 1.19:

0

2

.cos4

.

f

fvDQ s ∆

=θ

π

(1.19)

Tempo de trânsito: Este tipo de medidor possui uma abordagem

diferente do efeito Doppler, pois a vazão neste caso é medida através da

detecção do tempo em que a onda emitida demora para chegar ao receptor

passando pelo escoamento. Neste caso os sensores são conjuntos

emissores/receptores colocados sobre a tubulação com uma certa distância pré-

estabelecida que emitem e recebem sinais calculando o tempo de chegada (a

onda caminha contra e a favor do escoamento). Este tipo é aplicável para

medição de fluidos limpos com nível de partículas em suspensão menor que 3%,

e portanto é mais aplicável para medição de gás natural. Assim, a velocidade

média pode ser calculada por:

θcos22

s

m

m

L

T

TV

∆=

(1.20)

Podem ser instalados aproveitando as configurações Z, V e W de acordo

com o diâmetro do duto para permitir maior exatidão. Em dutos de grandes

diâmetros a configuração z é mais adequada devido ao problema de atenuação

de sinal, enquanto nos tubos de diâmetros menores, são utilizadas as

configurações W e V para aumentar a exatidão do instrumento.


26

1.7- CONSIDERAÇÕES

Este capítulo mostrou uma visão geral de uma linha de transporte de Gás

Natural e seus principais componentes, bem como apresentou as fórmulas que

modelam seu funcionamento.

Estas informações são importantes, pois é através da análise da estrutura de

funcionamento e do modelamento de tais equipamentos é que se torna possível

à implementação de sistemas de controle e supervisão, além de softwares que

possibilitam a simulação computacional destes processos.


27

CAPITULO II

CONTROLE DE FLUXO E PRESSÃO EM GASODUTOS

2.1-) INTRODUÇÃO

O controle das características de pressão e vazão de uma linha de

gasoduto é uma tarefa que exige um complexo sistema de aquisição e

monitoramento dos dados, efetuando medições de uma gama de variáveis,

analises e atuações automáticas nos atuadores e máquinas primarias da rede.

O bom funcionamento de uma malha de dutos de transporte de gás

natural exige o conhecimento detalhado dos seus componentes. São

necessárias estratégias de operação e controle que permitem que o sistema não

entre em situação de insegurança que possa vir a causar um colapso na rede.

Desta maneira, os estudos das características do sistema e dos seus fenômenos

correlacionados, são de fundamental importância, tanto para definição de uma

estratégia de controle que possibilite um bom desempenho, quanto para a

construção de modelos que permitam representá-lo adequadamente em análises

diversas.

Neste capitulo a abordagem será especifica para o sistema de controle de

uma linha de transporte de gás como um todo, utilizando para isso estruturas

consolidadas em sistemas atuais, mostrando os princípios de funcionamento

dinâmico das estações e os componentes que compõem a malha. Para tanto,

serão necessários conceitos de engenharia de controle moderno e também de

conceitos sobre termodinâmica.

Além do funcionamento normal, serão abordadas situações de falhas de

um gasoduto, como por exemplo, situações de vazamentos e as medidas que

possibilitam a correção e/ou compensação de falhas.

As conceituações serão focadas em uma linha que utiliza compressores

centrífugos e com acionadores por turbinas á gás.


28

2.2-) ESTRUTURA DO SISTEMA

Por toda a linha existem estações que realizam as funções necessárias para o

transporte, integrando a ação dos componentes vistos no capitulo anterior.

Existem basicamente três tipos de estações:

Estação de compressão: Provida de compressores, acionadores e

válvulas que compensam as perdas cargas do gás promovendo o aumento da

pressão do fluido.

Estação de entrega: Permite a entrega ao consumo do gás transportado.

É dotada de válvulas que permitem a redução de pressão a níveis específicos de

operação.

Estação de Medição: Possuem medidores que medem os valores das

variáveis para análises e cálculos diversos.

Cada tipo de estação possui um modo de atuação dentro do sistema.

Desta forma, a análise deve ser focada em cada tipo de estação, além de alguns

dispositivos isolados.

2.2.1- ESTAÇÃO DE COMPRESSÂO

A estação de compressão é responsável pela manutenção da pressão

na linha atuando de modo a fornecer energia na forma de pressão dinâmica ao

fluído. O controle de pressão é responsável pelas características de fluxo do

produto.

Um gasoduto geralmente opera com diversas faixas de regime de

trabalho, devendo o sistema de controle possuir uma grande flexibilidade. Os

fenômenos físicos e dinâmicos com influência nas variáveis pressão e vazão que

mais ocorrem no sistema são:


29

- Variação da vazão devido a uma variação do consumo (suprimento);

- Variação de temperatura;

- Variação dos perfis de escoamento;

- Variação das características intrínsecas do gás natural;

Em uma estação de compressão as ações dinâmicas são rápidas, e

desta forma os recursos de controle automático são utilizados para minimizar os

efeitos das mesmas, que poderiam levar o sistema a uma condição de

inoperabilidade.

Portanto, cada máquina em uma estação de compressão,

independentemente da configuração em que se encontram (série ou paralelo),

possuem um conjunto de instrumentos que proporcionam o controle de

capacidade, de forma a manter uma determinada variável operando dentro de

certa faixa de atuação. Em quase a totalidade dos casos, as variáveis

controladas são:

o Pressão de sucção

o Pressão de descarga

o Vazão

Para o controle da pressão de sucção faz-se uma atuação na vazão

mássica do compressor de forma a que esta se iguale a vazão mássica de

suprimento, ou seja, toda a vazão a montante é comprimida e entregue a

jusante.

Adotando o controle da pressão de descarga, a atuação é feita no

sentido de se igualar à vazão mássica do compressor à vazão mássica de

descarga, com adequação da pressão de sucção ao processo.

No controle de vazão mássica, a atuação do controlador ocorre sobre o

compressor, de modo a estabilizar o sistema em caso de alterações a jusante e

montante da máquina que inferem nas variáveis controladas.


30

No caso de compressores centrífugos, são utilizados os seguintes

métodos para o controle de capacidade:

- Variação de rotação;

- Estrangulamento de sucção através de válvulas controladas;

- Variação do ângulo das pás impelidoras;

Fonte: [4]

Pelo fato dos compressores centrífugos possuírem intrinsecamente em

suas curvas de head-vazão uma pequena inclinação, uma grande sensibilidade

da vazão pela variação de rotação ocorre neste tipo de máquina.

Devido a esta característica, a variação na velocidade de rotação do

compressor é utilizada como meio de compensação das alterações de uma

determinada variável de processo, de maneira que fique constante.

O controle através de estrangulamento da sucção consiste na instalação

de uma válvula que estrangula o fluxo de modo a gerar uma perda de carga na

tubulação de sucção do compressor. É gerada assim, uma diferença de pressão

entre a sucção do sistema e a entrada da máquina de compressão, que depende

exclusivamente da posição de abertura da válvula.

A variação do ponto de trabalho na curva head-vazão relacionado com a

abertura da válvula de estrangulamento se dá de acordo com o gráfico a seguir:

Figura 8: Curva Head-Vazão.


31

O controle através de mudança do ângulo de pás guias consiste na

atuação em um componente interno do compressor centrifugo provido de pás

com ângulos controláveis de orientação, geralmente instalado no primeiro

estágio. Isto proporciona uma rotação inicial do escoamento de forma com que a

entrada de gás não seja puramente radial. De acordo com as características

desta rotação, ocorrerá mais ou menos transferência de energia para o gás.

De maneira geral, a técnica de variação de rotação é mais utilizada. A

técnica de estrangulamento de sucção na maioria dos casos é utilizada somente

em caso quando a variação da rotação é impossível ou muito difícil, pois

energeticamente ela não é interessante pelo fato de inserir uma perda de carga

no sistema. A técnica de variação do ângulo das pás guias também não é muito

utilizada por esta razão, além de necessitar equipamentos especiais.

Um modelo bastante simples, mas que permite uma análise sobre a

atuação do controle de capacidade em termos de head termodinâmico e vazão

volumétrica de sucção e rotação é:

2

11

2 .... VCVNBNAH th ++= (2.1)

Onde A, B e C são constantes. Este modelo constitui uma família de

parábolas na curva de vazão volumétrica por head termodinâmico.

Não menos importante do que o controle de capacidade torna-se

necessário à existência de um controle anti-surge, de modo a fazer com que o

sistema não entre em uma condição de inoperabilidade devido a uma diminuição

da vazão.

O sistema de controle anti-surge utiliza um sistema de circulação

paralelo ao compressor composto de uma válvula com atuador controlado

automaticamente. Assim, a vazão excedente da saída recircula para a entrada,

fazendo o compressor trabalhar próximo ao limite de estabilidade, mas em

condições aceitáveis.


32

Tomando o sistema isolado, ou seja, sem considerar a existência de um

controle de capacidade, o limite de surge seria dado por somente um ponto de

operação, e o set-point do controle atua próximo a este ponto respeitando uma

margem de segurança. O controlador anti-surge baseia-se então em uma

medição de erro:

SPVCE −= ( 2.2 )

Sendo que sempre que o erro possui um valor positivo a válvula deve se

encontrar na posição fechada.

Porém, colocando em conjunto com o controle anti-surge um controle de

capacidade como o de variação de rotação, possuímos devido à existência de

varias curvas head-vazão, vários pontos operacionais se estabelecem, portanto

uma curva limite de surge é definida de acordo com a figura 9:

Figura 9: Limite de surge

Os controladores utilizados para o controle de capacidade e anti-surge

devem possuir as ações proporcional e integral. A ação integral é indispensável,

pois atua aproximando o ponto de operação do set-point, não deixando que se


33

aproxime do limite de surge no controle de surge, e aproximando do valor

desejado no caso do controle de capacidade.

Basicamente o limite de surge varia (mesmo que pouco), com a

compressibilidade do gás que passa pelo compressor, que pode ser modificada

por uma mudança na temperatura de sucção ou mudança no peso molecular

intrínseco do gás natural. Para definição do limite anti-surge em um único ponto,

é necessário a consideração desta variável em seu grau mais desfavorável, ou

seja, com a máxima compressibilidade. De maneira bastante simplificada,

podemos definir a curva de surge como uma parábola:

2

1 1.VH p α= (2.3)

A única forma de se estabelecer de maneira precisa o limite de surge é a

efetuação de teste nas instalações definitivas do sistema. Torna-se necessário à

realização de um estudo sobre como o controle de capacidade e o controle anti-

surge interagem entre si. Basicamente, a análise feita com relação a condições

de regime permanente denomina-se interação estática e em regimes transitórios

denomina-se interação dinâmica.

Em sistemas bem ajustados de controle, com variações pequenas no

processo e atuando em regime permanente, a interação estática entre os

controles de capacidade e anti-surge pode ser utilizada como modo de

representação. Para tal sistema de análise considera-se que as variáveis

estejam fixas em seus respectivos set-points.

As perturbações basicamente podem ser de dois tipos:

- Variações da perda de carga do sistema pós-compressor;

- Variações de suprimento;


34

Mantida a vazão de suprimento e a pressão de sucção como constantes

supondo um aumento da pressão de descarga, a tendência é o controle de

capacidade atuar de forma a manter a vazão constante, até que o sistema esteja

próximo do surge. Assim o sistema passa a operar acompanhando a linha limite

de surge. A figura a seguir mostra a pressão de descarga em função da vazão

mássica neste caso, considerando um controle de capacidade baseado na

variação da rotação.

Figura 10: Deslocamento do set-point por aumento da perda de carga pós-compressor [4]

No caso de existir uma queda no suprimento, o controle de capacidade

atua para se adequar à vazão exigida pelo sistema e a válvula de reciclo atua

para que o limite de surge não seja ultrapassado.

A interação dinâmica ocorre quando são efetuadas manobras no

sistema, sendo que a simulação dinâmica se torna indispensável para ser

possível determinar as condições do sistema após distúrbio. De maneira geral,

devido à interação entre os controladores, estes podem se tornar mais lentos ou

mais rápidos, podendo permitir grandes desvios das variáveis com relação aos

set-points ou mesmo ocasionando instabilidade.


35

A interação entre os controles pode ser:

Positiva: A ação do controle de capacidade é adjacente a do controle

anti-surge.

Negativa: A ação do controle de capacidade é oposta a do controle anti-

surge;

O diagrama P&ID (Pipes&Instrumentation devices) hidráulico de uma

estação de compressão de um gasoduto real é representado pela figura abaixo.

Figura 11: Diagrama de fluxo interno de uma estação de compressão

FONTE: Folder TBG

Analisando o circuito hidráulico, percebemos logo que os compressores

estão dispostos em paralelo, o que permite parar ou partir máquinas de acordo

com a vazão demandada pelo sistema, ou também controlar uma variável do

sistema através da modulação da capacidade das máquinas. A estação em

análise possui dois compressores nesta configuração com um terceiro em stand-

by. Este número pode ser maior em outras aplicações, dependendo

exclusivamente da topologia da estação de compressão.


36

Este tipo de operação requer um sistema de controle fino e bem

ajustado, de maneira a permitir a partida e a parada de uma das máquinas com a

outra em funcionamento e da mesma forma para evitar a sobrecarga de uma das

máquinas na operação. De maneira geral, é definido um método de divisão de

carga, que pose ser utilizando um controlador principal fornecendo o set-point

para outros dois controladores secundários com ação integral, cada um

conectado a um dos compressores.

No caso é possível verificar que o circuito hidráulico se aplica somente

para uma máquina o que é o suficiente para a análise inicial. Em estações de

compressão deste tipo, antes de passar pelos compressores, existem filtros que

retiram as impurezas do gás e limitam as partículas em um tamanho aceitável

para que a turbina não seja danificada.

Existe um elemento que pode ser utilizado de modo a manter a pressão

de sucção do compressor em um certo nível, neste caso representado por uma

válvula controladora de pressão que se encontra instalada na entrada da

tubulação com uma válvula manual em configuração by-pass. Um controlador

pode atuar diretamente nesta válvula com base na indicação de um medidor de

pressão fixado na entrada da turbina, caracterizando uma estrutura de controle

do tipo pressão de sucção invariante.

Com o acréscimo de pressão a temperatura do gás se eleva. Assim, na

saída do compressor existe uma etapa de resfriamento, geralmente com

ventiladores, que abaixam para a temperatura normal de transmissão. Após esta

etapa, o gás é liberado para a saída da estação onde se junta com a saída dos

outros compressores atuantes, aonde a pressão também é monitorada.

No controle de capacidade, existe um controlador programável em

conjunto com um sistema de monitoramento da pressão de saída e entrada da

estação, que tem ação direta na rotação da turbina a gás, caracterizando,

portanto um sistema de controle de capacidade por variação de rotação.

Uma pequena parcela do gás transportado é utilizada como combustível para a

turbina. Este consumo pode ser caracterizado, para efeito de simulação interna

do duto, como uma leve vazão a ser quantizada.


37

Pode-se ressaltar a característica de alarme do medidor de vazão de

modo a proteger a integridade do compressor.

2.2.2- ESTAÇÃO DE ENTREGA

A linha de transmissão de gás possui várias estações de entrega

(denominadas city-gates) durante toda a sua extensão, cada uma com sua

determinada capacidade de entrega. O consumo é variável, assim a linha como

um todo deve se adequar a esta dinâmica de consumo e, portanto a vazão.

Torna-se necessário uma etapa de redução de pressão do gás para um

nível aceitável de segurança para o consumo. Basicamente o sistema de entrega

envolve quatro passos:

- Passagem por filtros e cartuchos;

- Troca de calor entre o gás e uma caldeira (boiler);

- Redução de pressão;

- Etapa de medição;

A passagem do gás por filtros e cartuchos permite a retirada de água e

de outras partículas.

A etapa de aquecimento do gás passando por uma caldeira é necessária

com o objetivo de evitar que o gás fique com temperaturas extremamente baixas

(abaixo de 0ºC) na etapa de redução e comprometa a estrutura de dutos.

Na etapa de redução o gás passa por válvulas redutoras de pressão

controladas através de atuadores pneumáticos, que trabalham de forma a

manter a pressão do gás em níveis aceitáveis.

Na etapa final o gás passa por medidores (geralmente do tipo turbina)

que contabilizam a quantidade de gás que esta sendo entregue a distribuidora.

Este valor é convertido para uma unidade de energia e enviado para uma central

de controle e supervisão.

Da mesma forma que em uma estação de compressão, uma parte do

gás é utilizada como fonte de energia para a estação de entrega, onde a maior


38

parte do consumo ocorre nos aquecedores. O set-point da pressão do gás na

saída de estação é bem delimitado, por razões contratuais e de segurança a

junto às distribuidoras.

Cada estação de entrega pode ser contabilizada em termos de

simulação da linha, como um ramo com uma determinada perda de carga e com

u ma determinada vazão que pode variar ao longo do tempo.

É possível verificar, portanto a existência destas etapas em um diagrama

de fluxo de uma estação de entrega como ilustrado na Fig. 12:

Figura 12: Estação de entrega [Folder TBG]

2.2.3- ESTAÇÃO DE MEDIÇÃO

A estação de medição é basicamente constituída por um conjunto de

equipamentos de precisão que possibilitam a efetuação da medição da vazão da

linha principal, principalmente para efeito de faturamento. São utilizados

equipamentos com altas classes de precisão, para minimizar erros de

faturamento.


39

O sistema de medição de variáveis e aquisição de dados do processo,

tanto para fins de tarifação (estação de medição), quanto para controle e

supervisão, seguem basicamente a estrutura indicada na Fig.13:

Figura 13: Diagrama de blocos da medição.

Elemento primário: São os medidores, elementos que possibilitam as

condições necessárias à medição. São placas de orifício, manômetros,

termistores etc.

Sensor: O sensor possui a função de detectar o nível da variável e assim

converter este nível para um sinal elétrico ou mecânico proporcional.

Conversor: Converte os sinais dos sensores em níveis compatíveis com

os controladores e/ou atuadores do sistema. Se o sinal do próprio sensor for

adequado, a existência do conversor não é necessária. Um exemplo em

gasodutos consiste nos computadores de vazão, que hoje possuem varias

funções agregadas, além de já converter o sinal de vazão para as unidades do

sistema.

Amplificador: Aumenta a magnitude do sinal do conversor ou sensor.

Transmissor: Possibilita o envio do sinal captado do sistema para um

outro local. Pode ser simplesmente um sistema de cabos, que transmite um sinal

elétrico, até um sistema de transmissão e recepção via satélite ou fibras ópticas.

Indicador: Promove a indicação e leitura da variável medida.


40

Esta estrutura é perfeitamente adequada ao sistema de medição de

variáveis nas estações, podendo se tornar mais ou menos complexa dentro do

contexto de aplicação ao se utilizar controladores, sistemas de transmissão

remota, sensores inteligentes etc.

No caso das estações para a medição de gás, os equipamentos listados

acima devem possuir classes de exatidão adequadas a aplicação, objetivando

minimizar todas as formas de erro nas medições das variáveis do sistema.

Tais estações utilizam normalmente medidores do tipo placa de orifício,

turbina ou ultra-som. Outros dispositivos também podem ser agregados à

estação, como equipamentos para lançamento de pig´s de limpeza e/ou reparo e

medidores adicionais de pressão, vazão ou potencial, como pode ser verificado

na figura abaixo.

Figura 14: Estação de medição [Folder TBG].

Todos os equipamentos possuem comunicação com a central de

controle e supervisão, que recebe os dados, toma decisões e pode atuar no

sistema remotamente.


41

Os equipamentos devem possuir segurança intrínseca especifica. Esta

técnica permite a proteção de áreas classificadas na utilização de equipamentos

elétricos, de forma que estes não constituam uma fonte de ignição em

atmosferas explosivas. São utilizados invólucros apropriados e limita-se a

energia dos sinais transmitidos na instrumentação empregada, de forma que a

energia utilizada não seja suficiente para causar uma explosão em uma

atmosfera explosiva. Logicamente, esta característica dos equipamentos deve

ser aplicada a todo o gasoduto, não sendo aplicável apenas em estações de

medição.

2.2.4- VÁLVULAS DE BLOQUEIO

As válvulas de bloqueio existentes no sistema possuem a função de

isolar trechos da linha em caso de vazamentos ou situações que signifiquem

risco ao processo. Cada válvula é acionada através de um circuito hidráulico,

que possui um redutor de pressão, além de um medidor de vazão em série com

a linha, que utiliza o próprio gás natural como fluido, possibilitando o

intertravamento em casos extremos.

De acordo com a medição de pressão diferencial do medidor placa de

orifício, o circuito hidráulico atua de forma a executar o bloqueio, que pode

ocorrer devido a uma vazão excessiva (rompimento do duto) ou por

sobrepressão no duto.

2.3- PROBLEMAS

Dentro de um sistema tão grande e com tantas variáveis, existem

grandes possibilidades de ocorrerem imprevistos. Porém, isto esta diretamente

ligado a qualidade e direcionamento dos equipamentos empregados no

gasoduto.

De maneira geral, o sistema inicialmente está susceptivo à:


42

- Problemas ligados a sobrepressão;

- Problemas ligados a subpressão;

- Transitórios de pressão e vazão;

- Falhas em equipamentos;

- Vazamentos;

Sendo que estes últimos são os mais problemáticos, pois os outros

podem ser contornados através de ações implementadas nos controles, com a

previsão de redundâncias e com manutenção preventiva.

No caso de vazamentos, a indeterminação de onde e como o problema

irá acontecer é a pior ocorrência não desejada, que pode ocasionar desastres

ambientais e acidentes fatais.

Dentro das soluções encontram-se técnicas de detecção por gradientes

de vazão, pressão e acústicas. A tecnologia ALDS (Acoustic Leak Detection

System) tem se mostrado a mais eficaz existente na detecção destes problemas.

Consiste numa técnica que utiliza sensores acústicos em pontos

estratégicos da linha de modo a captar ondas sonoras especificas. Estas ondas

sonoras têm natureza subsônica (abaixo de 1Hz) e são provocadas pelo

gradiente de pressão exercido no sistema quando ocorre uma ruptura. Os

receptores são sincronizados a um sistema GPS que permite a localização do

vazamento com uma boa eficácia.

Algumas outras características deste sistema são: [13]

- Possibilita a localização do vazamento com a linha sem fluxo

(bloqueada);

- Localização de vazamento com precisão de ±40m a ±80m;

- Detecção muito rápida, entre 20s a 70s da ocorrência;

- Baixa taxa de falsos alarmes (uma por ano);

- Sensibilidade muito boa (pode detectar furos de 3mm a 5mm de

diâmetro);

- Interface com sistema SCADA para Alarmes;


43


Este capítulo permitiu a visualização das estratégias de controle de

pressão e vazão de uma linha de gás natural, além dos principais componentes

de cada estação e suas características principais.

O conhecimento prévio das características intrínsecas de cada etapa do

processo é fundamental devido à escolha das estratégias de controle

adequadas. A forma de atuação dos equipamentos frente ao fluxo de gás é de

fundamental importância ao funcionamento do sistema, com o objetivo de

minimizar falhas decorrentes de situações aonde os limites dos equipamentos

são cobrados em situações anômalas ou de falhas de equipamentos.


44

CAPITULO III

EQUIPAMENTOS E SISTEMAS PARA PROCESSAMENTO E CONTROLE

3.1- INTRODUÇÃO

Cada estação explicitada no capitulo anterior forma um subsistema de

um sistema maior que é o gasoduto. Desta forma, diversas ações devem ser

realizadas nestes subsistemas de maneira automatizada, como o controle da

rotação de compressores ou o controle de válvulas proporcionais ou discretas.

São necessários instrumentos com capacidade de processamento e tomada de

decisão atuando nestas unidades. Tanto para efetuação dos controles

propriamente dito, quanto no monitoramento de uma grande quantidade de

variáveis.

Muito utilizado em plantas industriais, os CP´s (Controladores

Programáveis) possuem uma enorme gama de utilização em sistemas de

transporte de gás via dutos. Sua robustez, confiabilidade e facilidade de

programação permitem a utilização deste tal equipamento em aplicações

bastante criticas.

Novas arquiteturas de controle e automação como o Fieldbus

(Barramentos de Campo), possibilitam sistemas mais integrados, eficazes e mais

imunes à falhas de comunicação de dados.

3.2 - EQUIPAMENTOS DIGITAIS DE CONTROLE

O controle de pressão de um duto ocorre na estação de compressão

atuando na turbina, aumentando ou diminuindo a velocidade de rotação do

compressor como visto no capitulo II, verificando os limites (surge e stonewall)

para que o sistema não entre em colapso.

Para esta aplicação, o controle deve ser realizado através de um

equipamento capaz de executar um algoritmo de controle, tanto de velocidade,


45

como para o controle anti-surge, podendo empregar-se um CP ou um

computador industrial.

3.2.1 - CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS (CP´S).

O CP é um equipamento com capacidade de processamento como um

computador de uso industrial no qual é possível a implementação de uma lógica

de controle. Pode possuir um grande número de entradas e saídas e funções de

controle, além de funções avançadas de comunicação.

A facilidade da programação e sua robustez, aliadas a extrema

diversidade de equipamentos deste tipo existentes no mercado, fazem deste a

primeira alternativa de controle de processos industriais e em especial no

controle de estações de compressão, que exige que o sistema de controle seja

robusto à falhas.

3.2.1.1 - ESTRUTURA BASICA

A estrutura básica de um CP é composta basicamente:

- Pontos de entrada;

- Pontos de saída;

- Unidade Central de Processamento;

Figura 15: Estrutura básica de funcionamento do CP


46

Cada sinal recebido pelo CP, a partir de dispositivos ou componentes

externos (sensores do campo), são vistos como pontos de entrada. Os pontos de

entrada podem ser digitais ou analógicos. As entrada digitais reconhecem

apenas dois estados: ligado ou desligado. Já os pontos de entrada analógicos

reconhecem sinais com variações entre valores mínimos e máximos.

Normalmente a resolução é dada como um número múltiplo de dois (256, 1024,

4096, ...). Estes valores dependem do número de bits usado pelo conversor A/D

da entrada. Os sinais das entradas analógicas podem ser provenientes de

termopares, sensores resistivos de posição, sinais 4 a 20mA ou 0 a 10V, tensão,

corrente, etc.

Cada sinal produzido pelo CP para acionar dispositivos ou componentes

do sistema de controle (atuadores) constitui um ponto de saída. Novamente,

podemos separar em saídas digitais ou analógicas. Da mesma forma que as

entradas, as saídas digitais possuem apenas dois estados, enquanto saídas

analógicas possuem faixas de valores, sendo que a precisão se encontra ligada

ao numero de bits do conversor D/A correspondente. Pontos de saída digitais

podem ser utilizados no acionamento de relés, contatores ou ainda dispositivos

de eletrônica de potencia como SCR´s, TRIACS e IGBT´s. As saída analógicos,

podem fornecem correntes de 4 a 20mA, ou tensões de 0 a 10V ( mais comuns).

São usados para atuar válvulas proporcionais, o que deve acontecer, por

exemplo, na válvula de controle anti-surge e na válvula de entrada do

compressor de uma estação de compressão.

A conexão de sensores e sinais externos no controlador programável deve

ser feita com certo cuidado, devido a possibilidade de ocorrência de interferência

elétrica induzida por cabos de força ou acionamento. Como os sinais de entrada,

normalmente têm níveis de tensão e corrente pequenos (mV, no caso de

termopares), eles se tornam susceptíveis a interferências de campos elétricos e

magnéticos a sua volta. Assim, cabos de entradas analógicas devem ter malha

de blindagem, e os cabos de entradas (tanto analógicas quanto digitais) devem

ser conduzidos dos sensores ao CP via eletroduto ou calha específica, de metal

e com aterramento. Tais medidas aumentam a confiabilidade e robustez do


47

sistema. Não se deve misturar aos cabos de entrada com cabos de acionamento

ou cabos de força. No caso de cruzamento entre cabos de entrada e cabos de

força ou acionamento, fazer o cruzamento a 90°, de forma a minimizar a

possibilidade de interferências. Deve-se evitar colocar cabos de entrada e cabos

de força “correndo” em paralelo em um eletroduto ou calha, pois o acoplamento

indutivo e capacitivo entre eles será maximizado. A utilização de entradas

analógicas a corrente (4 a 20mA) possuem maior imunidade a ruídos elétricos do

que entradas a tensão, pois apresentam uma menor impedância. São mais

aplicáveis em sistemas de controle para gasodutos por esta característica.

Da mesma forma, as saídas analógicas são pontos de saída de baixa

potência e, por isso, devem ser isoladas de cabos de força ou acionamento.

Podem ser incluídas no eletroduto ou calha com os cabos de entrada ao CP. No

caso de atuação de cargas indutivas, há de se considerar ainda a supressão da

força contra-eletromotriz gerada na bobina do atuador ao desligá-lo.

A unidade central de processamento é responsável pelo funcionamento

de todo a lógica de controle e supervisão. É composta por microprocessadores

ou microcontroladores responsáveis pela execução do programa aplicativo que

fica residente na memória interna. Pode manipular dados binários, decimais,

hexadecimais, etc.

A memória interna é dividida em:

o Memória do usuário;

o Memória de dados;

o Memória de entrada e saída;

o Memória do programa monitor;

A memória do usuário é onde se armazena o programa da aplicação

desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada conforme a necessidade, sendo

que alguns modelos de CP admitem a mudança em funcionamento inclusive “a

quente”. A memória de dados é a região de memória destinada a armazenar os

dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores,


48

valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso etc. São valores

armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do

programa do usuário. Em alguns CP´s, utiliza - se a bateria para reter os

valores desta memória no caso de uma queda de energia.

A memória imagem das entradas e saídas é responsável por armazenar

os valores das entradas e saídas durante a execução cíclica do CP. Já a

memória do programa monitor é a região onde fica armazenado o sistema

operacional do CP [11].

3.2.1.2 - FUNÇÕES ESPECIAIS

Alguns CP´s possuem funções adicionais adequadas para o controle de

dutos. Além de funções de lógica combinacional e de seqüênciamento (para

realizar controles lógicos e intertravamentos), possuem também funções

especiais como:

o Função de controle PID;

o Comunicação via rede;

o Transmissão de dados wireless;

O controle da variação de velocidade de um compressor centrífugo de

uma estação de compressão de gás deve possuir característica Proporcional e

Integral, por exemplo. Em CP´s modulares pode se acoplar à função PID em

separado, de modo que o módulo executa o controle independente do

controlador. O controlador programável interage com o módulo através de

instruções de transferências de blocos de palavras. O controlador envia ao

módulo os parâmetros de ajuste de controle, tais como, ganhos, valores de set-

point, valores de alarme de alta e baixa e limites máximos de saída. O

controlador pode obter do módulo os dados referentes ao processo, valores de

entradas e saídas analógicas, limites de alarme e diagnósticos do próprio

módulo.


49

Em algumas versões de controladores não existe um módulo específico

para o controle PID sendo que o controle é realizado pelo próprio CP pela forma

de instruções previamente inseridas no programa de usuário.

A comunicação via rede proporciona uma possibilidade de integração do

CP com outros equipamentos de medição e controle como, por exemplo,

FieldBus e sistemas SCADA. Normalmente a comunicação destes equipamentos

é realizada utilizando protocolos tipo Ethernet/TCP, MODBUS/TCP, Foundation

Fieldbus, DeviceNet ou Profibus. Em sistemas de controle de dutos de grande

porte, essa característica se torna essencial, pois a comunicação de dispositivos

adicionais como os computadores de vazão, geralmente são realizadas através

destes de protocolos de comunicação.

Existem CP´s que possuem capacidade de redundância de CPU´s, fonte

de alimentação, e eventualmente de módulos de entradas e saídas, o que

aumenta a confiabilidade do sistema. No controle de gasodutos, o sistema deve

ser instalado com o máximo nível de redundância possível, de forma a evitar

uma eventual falha nos processos devido a saída de operação do controlador.

3.2.1.3 - PROGRAMA APLICATIVO

A lógica que avalia a condição dos pontos de entrada e dos estados

anteriores do CP, executando as funções desejadas e acionando as saídas, é

chamado de programa aplicativo ou simplesmente programa do CP.

Para isso, o controlador lê ciclicamente as entradas, transferindo-as para

uma memória imagem (que recebe em cada endereço correspondente a uma

entrada o seu valor). De posse da memória imagem e dos estados internos

gerados pelos ciclos de execução anteriores, o CP gera uma memória imagem

das saídas conforme as operações definidas no programa aplicativo.

Por fim, a memória imagem das saídas é transferida para as saídas (valor

0 ou 1 causa o desligamento ou acionamento de uma saída digital, ou um valor

numérico modifica o valor de corrente ou tensão de uma saída analógica). Como

em vários sistemas de controle ou de automação é necessário o maior grau de


50

paralelismo possível (em qualquer processo sempre pode ocorrer mais de um

evento diferente ao mesmo tempo), são empregados nos CP´s métodos

adequados para atualizações de dados nos controles.

Neste método os parâmetros de entrada (estado de ligações e valores de

variáveis) são mantidos numa tabela acessível por qualquer um dos blocos de

instrução que esteja sendo interpretado (memória imagem das entradas). Uma

segunda tabela (memória imagem das saídas), com os resultados produzidos

pela interpretação de cada bloco, vai sendo montada à medida que os blocos

vão sendo lidos e interpretados.

Assim, cada bloco poderá utilizar qualquer um dos parâmetros de entrada

sem que estes sejam alterados devido à atuação de algum outro bloco funcional.

Depois, no final do ciclo, a tabela de saída (com os resultados) é movida

diretamente para a tabela de entrada para que os novos valores estejam

disponíveis igualmente para todos os blocos no próximo ciclo.

É fácil perceber que esta forma de funcionamento faz com que todos os

blocos sejam interpretados de forma virtualmente paralela, o que permite a

elaboração de programas segmentados, onde cada parte pode controlar um

processo independentemente e ao mesmo tempo em que as demais.


51

Figura 16: Forma cíclica de trabalho do CP

Esta estrutura, porém pode ser problemática quando se trabalha com

variáveis que podem variar muito rapidamente, pois neste caso a velocidade do

ciclo de execução do programa acarretaria em perda de informação. Assim, se

torna necessário à inclusão de interrupções no programa de modo a fazer a

leitura de determinada variável durante a própria execução do programa. Esta

característica pode ser importante na detecção rápida de variações abruptas dos

gradientes de pressão e vazão em gasodutos.

3.2.1.4 - LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO

De acordo com a norma internacional IEC 61131-3 existem cinco tipos

básicos de linguagens para CP´s:

o Ladder ou diagrama de contatos;

o Linguagem por blocos funcionais;

o SFC - diagrama de funções seqüenciais;

o Lista de instruções;


52

o Texto estruturado;

De maneira geral, os fabricantes de CP´s possuem softwares que

possibilitam a programação por parte do projetista em várias destas linguagens,

propiciando uma intercambiabilidade e agrupamento entre elas dentro de um

único projeto.

A estrutura básica para a criação e implementação de uma lógica de controle

para uma aplicação segue os seguintes passos:

Figura 17: Etapas para programação de um CP.

3.2.2- PC INDUSTRAL

O PC Industrial é um equipamento que funciona exatamente da mesma

forma que um computador pessoal convencional. Porém, possui diversas

características adicionais como:

- Maior robustez externa para poder trabalhar em ambiente industrial;

- Usa componentes mais confiáveis;

- Possibilidade de funcionar 24 horas ininterruptas;

- Utiliza sistema operacional mais robusto;


53

A utilização deste tipo de equipamento para função de controle possui

algumas vantagens e desvantagens em relação a um CP, como:

- Utilização de ambientes gráficos conhecidos;

- Existência de IHM amigável;

- Arquitetura aberta;

- Possibilidade de utilização de um software supervisório no próprio

equipamento, possibilitando a coleta de dados e emissão de logs;

- Maior facilidade na instalação em rede (utilização de TCP/IP);

- Susceptibilidade a propagação de vírus via rede e/ou mídia de

entrada;

- Confiabilidade do Sistema operacional;

- Confiabilidade do microcomputador;

Este equipamento ainda não é utilizado em aplicações criticas de controle

como no controle de dutos, pois sua confiabilidade ante ao CP ainda é discutível.

Porém, atualmente são grandes os esforços de empresas do setor de

automação no sentido de se unir as melhores características dos dois

equipamentos. Por exemplo, a criação da Ethernet industrial (que está em

aprimoramento) pode aumentar a confiabilidade destes sistemas.

Existem também cartões de comunicação entre CP´s e computadores

industriais. Estes cartões são muito utilizados e são importantes na automação

de processos e máquinas, pois permitem que um sinal recebido por um CP,

possa acionar um contato de outro CP ou de uma placa conversora A/D

instalada em um computador distante. Tal tecnologia pode ser utilizada para

coleta de informações em um sistema de aquisição de dados para gasodutos

que não disponibilizem de transmissão via satélite. Realizando a transmissão de

dados via rede telefônica ou Internet.


54

3.2.3 - SENSORES INTELIGENTES

Sensores inteligentes, de acordo com a norma IEEE1451, são

dispositivos que integram em si o elemento de medição, as funções de

compensação, as de processamento de dados e as de comunicação com uma

rede. Eles podem ser projetados para serem autocalibráveis, realizarem

autoteste, e utilizarem técnicas de processamento digital, entre outras. O sensor

instalado no campo possui um microcontrolador acoplado que o fornece essa

capacidade de processamento. Desta forma, a informação captada pelo sensor

já é analisada pelo processador e a tomada de decisão é enviada ao atuador

correspondente através de vias de rede tipo fieldbus.

Atualmente já existem microcontroladores que integram em si

subsistemas de JAVA, BASIC e protocolos de comunicação como o TCP/IP, cuja

implementação em dispositivos programáveis pode vir a ser uma possibilidade

concreta de extensão num futuro próximo.

Pelo fato de ser uma tecnologia nova, ainda estes sensores inteligentes

não são freqüentemente utilizados no controle de sistemas com risco intrínseco,

porém são grandes promessas nesta área.

3.3- ESTRUTURAS DE CONTROLE

De maneira geral, os diversos sistemas de controle podem ser

classificados como centralizado e distribuído. O controle centralizado tem como

base uma única central de controle atuando em um processo com centenas ou

milhares de pontos de entrada e saída. Já nos sistemas de controle distribuído,

as etapas de controle são divididas de forma a se obter um sistema onde o

controle é executado próximo aos elementos de captação de dados ou neles

próprios (sensores “inteligentes”).

Cada arquitetura de controle utiliza uma destas configurações. O

controle totalmente centralizado não é mais utilizado em novas unidades. Em

gasodutos, o que se verifica é a possibilidade de atuação no sistema através de


55

uma central de controle e monitoramento, mas com o controle afetivo dos

equipamentos sendo executado próximo destes. A maneira de controle e

comunicação de dados está intimamente ligada as estruturas de controle

utilizadas nos subsistemas de uma linha de dutos.

3.3.1- ESTRUTURAS UTILIZANDO CP

A estrutura de controle mais utilizada atualmente em processos é a que

se baseia em um controlador programável como central de controle de um

determinado processo. Neste tipo de configuração existe uma grande utilização

de cabos e condutores para permitir a transferência de sinal do processo ao CP

e vice-versa. Por exemplo, no caso de uma estação de compressão, os cabos

dos sensores e atuadores devem seguir todos de forma a chegar no módulo de

I/O do CP.

Figura 18: Arquitetura tradicional com CP.

Não é difícil perceber que nesta topologia se torna necessário uma

grande quantidade de cabos, pois de cada sensor deve sair pelo menos um par

de cabos até o módulo do controlador. Isto pode ser um problema em caso de

estações onde os equipamentos se encontram muito espaçados uns dos outros,

ou que sejam de grande porte devido ao alto custo de instalação.


56

3.3.2- FIELDBUS

O conceito de fieldbus ou, barramento de campo, consiste em interligar

os sensores e atuadores de um subsistema através de uma rede multi-drop de

comunicação (com base no modelo OSI) formada por um único cabo.

A comunicação entre os dispositivos é efetuada de maneira digital, através

de frame de dados, utilizando o formato serial. Isso proporciona algumas

vantagens:

o Transmissão de dados eficiente;

o Maior imunidade a interferências eletromagnéticas;

o Maior confiabilidade dos dados (com utilização de bits de

paridade);

o Comunicação bi-direcional (Half-Duplex);

A norma IEC 61158, objetivando a regulamentação de alguma

padronização na área, definiu a existência de 8 tipos de Fieldbus, com protocolos

e formas de atuação diferentes: Fieldbus Foundation; ControlNet; Profibus; P-

Net; High Speed Ethernet; SwiftNet; WorldFip; Interbus. Destaca-se a utilização

dos sistemas Profibus, Fieldbus Foundation e Interbus.

O Foundation Fieldbus, por exemplo, mantém muitas das características

operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interface física com

padronização da fiação, dispositivos alimentados por um único par de fios e as

opções de segurança intrínseca, e ainda oferece uma série de benefícios

adicionais aos usuários:

Interoperabilidade: Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus

pode ser substituído por um dispositivo similar com maior funcionalidade de um

outro fornecedor, mantendo as características originais. Isto permite aos usuários

mesclar dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores. Dispositivos

individuais Fieldbus podem transmitir e receber a informação de variáveis,


57

permitindo que novos dispositivos sejam adicionados ao barramento sem

interromper o sistema.

Dados de Processo Mais Completos: Com o Fieldbus as variáveis de

cada dispositivo podem ser enviadas a supervisório para análises, registros,

estudos de otimização de processo e geração de relatórios.

Vista expandida do processo: Mecanismos eficientes de comunicação

de dados permitem que os erros possam ser reconhecidos mais rapidamente e

com uma maior precisão. Como conseqüência, os operadores de planta são

notificados de condições anormais ou da necessidade de manutenção

preventiva. Esta característica permite uma ação corretiva mais rápida em caso

de falha, por exemplo, uma ocasião de vazamentos de gás.

Maior Segurança da unidade: Fornecendo aos operadores notificações e

avisos antecipados de circunstâncias perigosas, pendentes e atuais, a tecnologia

Fieldbus permite a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As

potencialidades de diagnóstico das unidades reduzem também a necessidade do

acesso freqüente às áreas perigosas, minimizando assim os riscos pessoais.

Redução de Custos de fiação e de Manutenção: O Fieldbus pode

utilizar a fiação já existente, e as conexões multi-drop fornecem economias

significativas nos custos de instalação. Isto inclui reduções nos custos em

barreiras de segurança intrínseca e de cabos, particularmente nas áreas onde a

fiação já está presente. Redução de custo adicional pode ser conseguida com a

redução do tempo necessário para a construção e partida do sistema, bem como

com a simplificação da programação das funções do controle e de lógica, usando

os blocos de função embutidos nos dispositivos.

Com objetivo de alcançar uma maior confiabilidade, foi prevista em

sistemas de Fieldbus a capacidade de substituição imediata de instrumentação

de controle, em caso de pane, por outro de modo a implementar a mesma

função. Pela necessidade de se integrar um subsistema, não importando o


58

fabricante dos equipamentos, a padronização das funções foram distribuídas

através de blocos funcionais (BF´s). Assim, interligando blocos funcionais é fácil

restabelecer uma estratégia de controle e a programação do processo a ser

controlado. Na configuração seleciona-se a FB e em que dispositivo será

executado.

Atualmente a tecnologia Fieldbus atua em conjunto com um CP ou um PC

industrial na execução de algoritmos de controle. Existe uma tendência de

utilização de sensores inteligentes e distribuição máxima das estruturas de

controle. De maneira geral, é possível aplicar o sistema de Fieldbus em três

estruturas básicas:

o Blocos de E/S digitais adaptando os sinais de sensores e

atuadores de um sub-sistema à uma rede Fieldbus, com o

controle feito por um CP ou PC industrial;

o Utilização de sensores e atuadores inteligentes com controle

sendo feito parte no próprio instrumento, ou parte pelo CP/PC

industrial que realiza também a comunicação com o

supervisório;

o Utilização de sensores inteligentes realizando o controle

completo em comunicação com o supervisório;


59

�

Figura 19: Arquitetura utilizando Fieldbus e instrumentos inteligentes.

A forma mais usual de utilização é com blocos de entrada e saída,

utilizando os sensores e atuadores sem capacidade de processamento. Estes

blocos possibilitam a transferência de sinais de padrões de corrente e tensão

tradicionais utilizados por sensores e atuadores (4-20mA, 0-5V etc), para sinais

digitais dos protocolados de redes ou sistemas Fieldbus. Desta forma tais blocos

devem estar fisicamente próximos ao processo para possibilitar uma economia

de cabeamento.

3.3.2.1 - ASPECTOS TÉCNICOS

Existem vários fatores que podem influenciar o desempenho de um

sistema de controle via rede Fieldbus. Alguns deles são:

o Modelo da rede;

o Eficiência do protocolo de comunicação;

o Taxa de transmissão;

Uma rede Fieldbus basicamente pode ser duas naturezas: origem-destino,

no qual as informações são endereçadas a um determinado equipamento que irá

usufruir daquele dado; ponto-a-ponto; ou do tipo produtor-consumidor, onde a

informação possui um identificador e pode ser utilizada por qualquer


60

equipamento que esteja ligado ao barramento no momento em que ela for

disponibilizada. Este último modelo é o modo mais eficiente para transferência

de dados entre vários usuários. Desta forma, o sinal do sensor de rotação do

compressor em uma estação de compressão é consumido pelo controlador ao

mesmo tempo em que um indicador mostra a visualização da grandeza em IHM,

por exemplo. Da mesma forma, o atuador da turbina consome a informação

oriunda do controlador.

A eficiência do protocolo de comunicação é dada basicamente através da

comparação do total de bytes que trafegam na rede e do numero de bytes que

correspondem aos dados. A taxa de transmissão do sistema é padronizada

através de normas.

Os tipos mais comuns de comunicação existentes entre equipamentos

são:

o Ponto a ponto: Dados enviados no barramento são

aproveitados pelos dispositivos que necessitam.

o Mestre-escravo: O mestre solicita o envio de informação de

todos os dispositivos do barramento.

o Multimestre: Podem existir outros equipamentos mestres.

Necessário a utilização de Token.

As redes tipo produtor-consumidor são capazes de suportar qualquer um

dos três modos de comunicação.

O Fieldbus é baseado no sistema OSI, porém não possui todas as suas

definições de camadas. As camadas do Fieldbus se dividem em: camada física e

camadas de software.


61

Camada física

A camada física trata do meio físico, equipamentos, conectores dentre

outros dispositivos para a realização das interligações. A norma ANSI/ISA-

S50.02-1992 define e conceitua os principais itens. Alguns deles são:

o Transmissão de dados somente digital;

o Comunicação bidirecional;

o Velocidades de transmissão de 31,25 Kb/s, 1.0 Mb/s e 2.5

Mb/s;

o Modulação de tensão (acoplamento paralelo);

o Código Manchester;

o Barramento sem energia, não intrinsecamente seguro

o Barramento com energia, não intrinsecamente seguro;

o Barramento sem energia, intrinsecamente seguro;

o Barramento com energia, intrinsecamente seguro.

Os sistemas Fieldbus, para serem utilizados em sistemas para controle de

gasodutos, devem possuir segurança intrínseca, ou seja, possuir níveis de

tensões e correntes limitados para não haver risco de explosões. A velocidade

normalizada é 31,25 Kb/s para instrumentos em campo. As outras velocidades

são utilizadas para a interligação de bridges e gateways para a conexão em alta

velocidade destes dispositivos.

Nível de Enlace

Este nível controla o acesso ao meio de transmissão, determinando quem

pode transmitir e em que momento, garantindo também que os dados cheguem

de maneira correta aos equipamentos. A garantia de integridade é feita por dois

bytes calculados através um polinômio de check aplicado a todos os bytes da

mensagem e que é acrescentado no final da mesma. A camada de enlace possui

ainda uma série de características técnicas como:


62

o Forma de acesso ao meio: pode ser por passagem de Token,

Requisição de Token ou resposta Imediata. Na passagem

Token, o equipamento que o recebeu envia a informação e o

retorna para o Link Active Scheduler (LAS). Na requisição de

Token, o equipamento que deseja enviar a informação solicita

o mesmo através de um código em uma das resposta

transmitidas por ele no barramento. Em resposta imediata, o

mestre permite que a estação responda através de uma

mensagem.

o Sincronização do tempo: Importante para manter o

sincronismo do barramento.

o Escalonamento: Coordenação do tempo necessário para cada

transmissão na rede, definindo prioridades.

o Endereçamento: Pode ser usado para endereçar desde uma

variável até um grupo de estações.

o Passagem do Token num anel lógico: Método utilizado pelo

Profibus.

Nível de Aplicação

O nível de aplicação é responsável pela definição de como ler, escrever e

iniciar um aplicativo em uma estação remota sendo que a principal tarefa é a

definição de uma sintaxe para as mensagens. Ele também define a forma de

transmissão das mensagens, ou seja, se esta se dá imediatamente, ou somente

uma vez quando requisitado pelo consumidor ou ainda ciclicamente.

O gerenciamento define como inicializar a rede e suas atribuições

subseqüentes. Ele também controla a operação da rede com levantamento

estatístico de detecção de falhas e de adição de um novo elemento ou remoção

de uma estação. O gerenciamento ainda faz o monitoramento continuo do

barramento para identificar a adição de novas estações.


63

Nível do Usuário

Este nível possui como objetivo definir a forma de acesso de informação

dentro dos equipamentos Fieldbus e ainda de como esta informação pode ser

distribuída por entre os nós da rede. Este atributo é fundamental para aplicações

em controle de processo. A aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação

dentre outras funções são definidos dentro do sistema Fieldbus, através de

blocos funcionais que contém um algoritmo, uma base de dados (entradas e

saídas) e um nome definido pelo usuário (Tag name). Cada equipamento

FIELDBUS contém um número definido de blocos funcionais.

3.3.2.2- TOPOLOGIAS EM FIELDBUS

As topologias que de maneira geral são utilizadas em um sistema Fieldbus são:

o Topologia Ponto a Ponto: Ligação em série de todos os

equipamentos utilizados na aplicação. As instalações que

utilizam esta topologia devem usar conectores de maneira que

a desconexão de um equipamento não interrompa a

continuidade da rede.

o Topologia de Barramento com Spurs: Barramento único com

equipamentos ou barramentos secundários (spurs)

diretamente.

o Topologia End to End: Utilizada na conexão de apenas dois

equipamentos. Pode estar no campo ou ainda ligar um

equipamento de campo ao Device Host.

o Topologia em Árvore: Concentração em caixas de campo a

ligação de vários equipamentos.

o Topologia Mista: Topologia que mescla as topologias em

árvore, barramento de spurs e ponto-a-ponto.


64

3.3.2.3- FISCO

Um sistema FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) nada mais é que

um sistema Fieldbus capaz de possuir um barramento intrinsecamente seguro e

capaz de suprir a altas demandas de consumo.

Este sistema foi concebido através de severos testes. Alguns dos

requisitos do padrão são:

o Única fonte de alimentação ativa por sistema;

o Nós passivos com indutâncias e capacitâncias internas

desprezíveis;

o Comprimento máximo do cabeamento de 1000m com

terminações nas duas pontas;

o Equipamentos de campo e fonte de alimentação compatível

com sistema FISCO;

O sistema consiste de uma série de especificações técnicas para todos os

elementos da camada física, de forma a possibilitar uma melhor utilização do

sistema. O conceito FISCO foi otimizado para que seja permitido um numero

maior de equipamentos de campo, de acordo com o comprimento do

barramento, levando-se em conta as variações das características do cabo,

terminadores, segurança intrínseca, etc. Desta maneira consegue-se aumentar a

capacidade de corrente por segmento. A solução FISCO permite que se tenha

10 a 12 equipamentos por segmento fieldbus ao invés de 4 ou 5 de alguns

sistemas típicos.

Este padrão, portanto é bastante aplicável em ambientes com risco de

explosão como no setor de petróleo e gás, podendo ser utilizado no controle de

gasodutos para aumentar a segurança do sistema [14].


65

3.4-) CONSIDERAÇÕES

Mostrou-se através deste capítulo os princípios de funcionamento de

equipamentos dedicados a efetuar o controle em sistemas de dutos.

As estruturas de controle podem ser aplicadas em várias etapas de um

gasoduto, como por exemplo, diversas estações de compressão interligadas

através de um sistema SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) de

forma a se obter os dados de supervisão e possibilitar também um

monitoramento à distância das mesmas. Este tipo de integralização será o tema

abordado no próximo capitulo.


66

CAPITULO IV

APLICAÇÃO DO SISTEMA SCADA NO CONTROLE DE VARIÁVEIS

4.1- INTRODUÇÃO

O sistema SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) é o sistema

mais utilizado no controle de gasodutos e polidutos modernos em todo o mundo,

por sua grande versatilidade e capacidade de gerenciamento e atuação à

grandes distâncias em sistemas de grande porte.

Os primeiros sistemas SCADA possuíam natureza estritamente

telemétrica, atuando de maneira a informar de maneira periódica a situação de

um determinado sistema através de monitoramento da condição dos dispositivos

e de sinais referentes ao processo. E a interface com o operador a distância

ocorria através de indicadores em painéis luminosos, constituindo um sistema

supervisório básico.

Com o advento dos computadores como instrumentos de análise e

tratamentos de dados e sinais, juntamente com a capacidade de processamento

de funções complexas, possibilitou-se que funções de controle fossem também

implementadas de modo a utilizar o computador como central de controle com

gerenciamento de milhares de variáveis simultaneamente.

O grande número de variáveis a serem controladas em um gasoduto e o

risco inerente a atividade, necessita de um sistema robusto e insusceptível à

falhas. Desta forma, o sistema SCADA vem a atender estes requisitos, como

será visto neste capítulo.

4.2- CARACTERIZAÇÃO DE UM SISTEMA SCADA

O sistema de controle e monitoramento de um gasoduto segue, de

maneira geral, a estrutura de qualquer sistema automatizado, que em linhas

gerais pode ser representado através da figura abaixo.


67

Figura 20: Estrutura de controle e supervisão de processos.

Os sistemas SCADA atuam de acordo com esta filosofia, porém

possibilitam outras facilidades não previstas neste esquemático (Fig. 21). São

compostos por dispositivos que podem ser classificados basicamente pelas

seguintes unidades:

- Sensores e atuadores

- Estações remotas

- Rede de comunicações

- Estações de monitoramento central


68

Figura 21: Esquema básico de funcionamento do sistema SCADA.

4.2.1- SENSORES E ATUADORES

Os sensores e atuadores são dispositivos conectados aos dispositivos da

rede com o objetivo de serem controlados e monitorizados pelo sistema SCADA.

Os sensores realizam a conversão dos parâmetros físicos para sinais analógicos

e digitais legíveis pela estação remota. São as variáveis de entrada do sistema,

que serão analisadas para a realização do controle.

Os atuadores são dispositivos (pneumáticos ou elétricos) que permitem

modificar as variáveis do sistema, ligando, desligando ou controlando

determinados equipamentos. São desta forma, as saídas do sistema de controle.

4.2.2- ESTAÇÕES REMOTAS

O processo de controle e aquisição de dados tem inicio nas estações

remotas, compostas por CP´s (Controladores Programáveis) e/ou RTUs (Remote

Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que lhes estão

associados e o respectivo controle.

Os RTU´s são unidades com base em computador, dedicadas à

aquisição de dados ao controle de processos através dos quais as estações


69

centrais de monitoramento. Comunicam-se com os dispositivos existentes no

gasoduto. São basicamente constituídos por:

o CPU e memória volátil;

o Memória não volátil para armazenamento de programas e dados

o Capacidade de comunicação serial e/ou modem.

o Fonte de tensão com backup a bateria

o Auto-monitoramento contra falhas

Os CP´s, como foi explicitado no capitulo anterior, apresentam como

principal vantagem à programação conhecida pelos instrumentistas e o controle

de I/O. Por outro lado, os RTU´s possuem boas capacidades de comunicação,

incluindo comunicação via rádio, satélite e internet, estando especialmente

indicados para situações adversas onde a comunicação é difícil. Ideais para a

atuação em estações de compressão, medição ou distribuição, que de maneira

geral se encontram distante da central.

O RTU ainda possui um importante diferencial, é multi–tarefa com

recursos para atendimento de interrupções e escalonamento de tarefas,

diferentemente do CP que executa as tarefas passo a passo de maneira

seqüencial. Esta característica é importante fator na detecção de falhas em curto

especo de tempo.

Atualmente existe uma convergência no sentido de reunir as melhores

características destes dois equipamentos, a facilidade de programação e

controle dos CP´s e as capacidades de comunicação dos RTU´s.

4.2.3- REDE DE COMUNICAÇÕES

A rede de comunicações é a plataforma através da qual a informação de

um sistema SCADA é transferida. As redes de comunicação podem ser

implementadas através dos seguintes meios físicos (entre outros meios

possíveis), tendo em consideração os requisitos do sistema e as distâncias a

cobrir:


70

- Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas

distâncias, normalmente em fábricas, não sendo adequados para grandes

distâncias devido ao elevado custo da cablagem, instalação e manutenção;

- Linhas Dial-Up - As linhas Dial-Up podem ser usadas em sistemas com

atualizações periódicas, os quais não necessitem de uma conexão permanente.

Desta forma, quando for necessário comunicar com uma estação remota é

efetuada uma ligação para o respectivo número;

- Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que

necessitam de conexão permanente. Esta é uma solução cara, pois é necessário

o aluguel permanente de uma linha telefônica ligada a cada estação remota;

- Radio Modems – Dispositivos são usados em locais onde não estão

acessíveis linhas telefônicas (Fig. 22). Por vezes, em situações onde uma

ligação direta via rádio não pode ser estabelecida devido à distância, é

necessária a instalação de dispositivos repetidores.

Figura 22: Estrutura de uma RTU com transmissão via radio modem.


71

- Satélite: São aplicadas em sistemas de distancias extremamente longas

(gasodutos de grande porte e com grande distancia da central). Existem alguns

sistemas usuais de envio de dados via satélite sendo dois dos mais importantes

o Inmarsat e Vsat (very small aperture terminal) dentre outros sistemas. As

atualizações para a central podem ser em tempo real ou entre intervalo de

tempo.

- Fibra Óptica: As informações digitalizadas podem ser transferidas

através de fibra óptica. O custo, a exemplo do sistema com cabos, é o grande

limitador do uso deste meio que se torna inviável para grandes distancias.

4.2.4- ESTAÇÕES DE MONITORAMENTO CENTRAL

A estação de monitoramento central é a unidade principal do sistema

SCADA, sendo responsável por recolher a informação gerada pelas estações

remotas e agir em conformidade com os eventos. Podem estar centralizadas

num único computador, ou distribuída por uma rede de computadores de modo a

permitir a divisão da informação proveniente do sistema SCADA, facilitando o

processamento.

A interação entre os operadores e o sistema SCADA (campo) é realizada

através de uma interface Homem-Máquina. Assim é possível visualizar um

diagrama representativo do gasoduto, a representação gráfica das estações

remotas (compressão, medição e entrega), os valores atuais dos equipamento, e

a apresentação dos alarmes detectados através de software especifico instalado

nos computadores da estação de monitoramento central. Este software permite a

visualização em vários níveis, desde uma visão geral tanto quanto uma visão

especifica de determinado equipamento, como por exemplo, um compressor e a

sua vazão e pressões internas especificas.

4.3- FUNÇÕES

Os sistemas SCADA apresentam, entre outras, as seguintes funções:

- Aquisição de dados


72

- Visualização de dados

- Processamentos de alarmes

- Tolerância à falhas

4.3.1- AQUISIÇÃO DE DADOS

A aquisição de dados é o processo que envolve a coleta e transmissão de

dados desde o gasoduto, eventualmente de remotas, até às estações centrais de

monitoramento.

O processo de aquisição de dados inicia-se no gasoduto, onde as

estações remotas lêem os valores dos dispositivos de medição conectados a

linha. O sinal de 4 à 20 mA, padrão da maioria dos instrumentos, é digitalizado

com algum instrumento (A/D) e depois condicionado para a transmissão.

Normalmente é utilizado um computador de vazão, onde as variáveis são

digitalizadas e transferidas utilizando um protocolo digital (MODBUS / TCP/IP

entre outros) compatível com o sistema de transmissão utilizado. (via satélite ou

rede telefônica).

Na fase de transmissão de dados deve ser escolhido um modo de

comunicação, quer em modo de comunicação por polling, quer em modo de

comunicação por interrupção (Report by Exception), e desta forma os dados são

transmitidos através da rede de comunicações até à estação central.

Por fim, o processo de aquisição de dados é concluído com o respectivo

armazenamento em bases de dados.

4.3.2- VISUALIZAÇÃO DE DADOS

A visualização de dados consiste na apresentação de informação através

de interfaces homem-máquina, geralmente acompanhados por animações, de

modo a simular a evolução do estado dos dispositivos controlados na instalação

fabril.


73

Os sistemas SCADA permitem visualizar, além dos dados recolhidos,

previsões e tendências do processo produtivo com base em valores recolhidos e

valores parametrizados pelo operador, bem como gerar gráficos e relatórios

relativos a dados atuais e os armazenados em histórico.

Além disso, funções do software principal podem possibilitar a visualização

gráfica de gradientes de pressão, vazão, temperatura, velocidade no duto.

Fazem o acompanhamento de PIG´s de limpeza e inspeção, além de efetuar o

calculo de inventario da linha e auxiliar na detecção de vazamentos.

4.3.3- PROCESSAMENTO DE ALARMES

O processamento de alarmes assume um papel de elevada importância

na medida em que permite informar situações de funcionamento adverso e

anomalias no sistema, sugerir medidas a tomar e, em determinadas situações,

reagir automaticamente mediante parâmetros previamente estabelecidos.

O computador ao analisar os dados recolhidos, verifica se algum dos

dispositivos gerou valores de exceção indicadores de situações de alarme.

No tratamento de valores digitais, as situações de alarme podem ser

detectadas através de uma variável que assume o valor 0 ou 1; no tratamento de

valores analógicos são definidos valores que limitam as situações aceitáveis, de

modo a que quando os valores lidos estiverem situados fora das faixas de

valores permitidos seja detectada uma situação de alarme.

Além das situações de alarme detectadas com base nos valores lidos

pelos dispositivos, os sistemas SCADA podem fazer soar alarmes com base na

ocorrência de determinadas combinações de eventos.

Os alarmes são classificados por níveis de prioridade em função da sua

gravidade, sendo reservada a maior prioridade para os alarmes relacionados

com questões de segurança.

Em situações de falha do servidor ou da rede de comunicações, é

possível efetuar o armazenamento das mensagens de alarme em buffer, o que,

aliado à capacidade de transmissão de mensagens de alarme para vários

servidores, permite atingir um maior grau de tolerância à falhas.


74

Através da informação proveniente de login, os sistemas SCADA

identificam e localizam os operadores, de modo a filtrar e encaminhar os alarmes

em função das suas áreas de competência e responsabilidade.

Os sistemas SCADA guardam em arquivos digitais a informação relativa a

todos os alarmes gerados, de modo a permitir que posteriormente se proceda a

uma análise mais detalhada das circunstâncias que geraram a sua origem.

4.3.4- TOLERÂNCIA A FALHAS

Para atingir níveis aceitáveis de tolerância à falhas é usual a existência de

informação redundante na rede e de máquinas backup como CP´s em standby,

de modo a permitir que sempre que se verifique uma falha num computador, o

controle das operações seja transferido automaticamente para outro computador

(uma réplica de backup) sem que se notem interrupções significativas.

Tais redundâncias acarretam um aumento significativo na confiabilidade

da linha de dutos a ser controlada, devido a menor exposição do sistema de

controle e aquisição de dados a colapsos por falhas individuais.

4.4- MODOS DE COMUNICAÇÃO

Os sistemas SCADA utilizam genericamente dois modos de comunicação:

sistema mestre-escravo e comunicação por interrupção, normalmente designada

por Report by Exception.

4.4.1- COMUNICAÇÃO MESTRE-ESCRAVO

Neste modo de comunicação, a estação central (Mestre) tem o controle

absoluto das comunicações, efetuando seqüencialmente o polling aos dados de

cada estação remota (Escravo), que apenas responde à estação central após a

recepção de um pedido, ou seja, em configuração de envio de dados half-duplex.

Cada estação remota é identificada por um endereço único. Se uma

estação remota não responder durante um pré-determinado período de tempo,


75

às solicitações que lhe são dirigidas, a estação central efetua novas tentativas de

polling antes de avançar para a próxima estação.

São apresentadas as principais vantagens e desvantagens deste modo de

comunicação.

Vantagens

- Simplicidade no processo de recolha de dados;

- Inexistência de colisões no tráfego da rede;

- Permite, devido ao seu caráter determinístico, calcular a largura de

banda utilizada pelas comunicações e garantir os tempos de resposta;

- Facilidade na detecção de falhas de ligação;

- Permite o uso de estações remotas não inteligentes.

Desvantagens

- Incapacidade, por parte das estações remotas, de comunicar situações

que requeiram tratamento imediato por parte da estação central;

- O aumento do número de estações remotas leva a impactos negativos

no tempo de espera;

- A comunicação entre estações remotas tem obrigatoriamente que passar

pela estação central.

4.4.2- COMUNICAÇÃO POR INTERRUPÇÃO

Neste modo de comunicação a estação remota monitora os seus valores

de entrada e quando detecta alterações significativas, os valores que

ultrapassarem os limites definidos, inicia a comunicação com a estação central e

a conseqüente transferência de dados.

O sistema está implementado de modo a permitir a detecção de erros e

recuperação de colisões.


76

Antes de iniciar a transmissão, a estação remota verifica se o meio de

transmissão está para ser utilizado por outra estação, aguardando se isto

ocorrer, um tempo aleatório antes de efetuar nova tentativa de transmissão.

Em caso de colisões excessivas em que o sistema é gravemente afetado,

a estação remota cancela a transmissão aguardando que a estação central

proceda à leitura dos seus valores através de polling.

São apresentadas as principais vantagens e desvantagens deste modo de

comunicação.

Vantagens

- Evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego

na rede;

- Permite uma rápida detecção de informação com caráter urgente;

- Permite comunicação entre estações remotas (Escravo/Escravo).

Desvantagens

- A estação central apenas consegue detectar falhas na ligação após um

determinado período de tempo, ou seja, quando efetua polling ao sistema;

- É necessária a existência de ação por parte do operador para obter os

valores atualizados.

4.5- SOFTWARE

O software do sistema SCADA é o que permite a interface entre o

operador e o gasoduto. Através do software o operador da central de controle e

supervisão consegue não só visualizar o que ocorre no sistema como um todo,

como atuar nele à distância. O pacote de maneira geral é comprado pela

companhia detentora da concessão de operação do gasoduto, e assim esta irá

implementar a construção de um aplicativo cujo tamanho, detalhamento e formas


77

de visualização será de acordo com a sua aplicação, como tamanho da rede,

numero de estações, compressores dentre outros fatores. Existem ferramentas

que possibilitam a emissão de relatórios, análise dos dados, otimização e

ferramentas para facilitar a visualização.

Além disso, existem funções adicionais que podem ser somadas ao

pacote original, que possibilitam, por exemplo, o monitoramento de “pigs” de

limpeza e inspeção, detecção de vazamentos, cálculo de armazenamento de gás

nos dutos e acompanhamento dos gradientes hidráulicos da linha.

4.5.1- FACTORYSUITE

Como exemplo de software para aplicações em sistemas SCADA, temos

o pacote Factorysuite da Wonderware que possui os seguintes componentes:

• InTouch

• IndustrialSQL Server

• FactorySuite Web Server

• InControl

• InTrack

• InBatch

• I/O Servers

A combinação do IndustrialSQL Server com o InTrack e o InTouch permite

obter informação sobre o processo de produção em tempo real, e armazenar um

histórico completo das operações e dos produtos, para posterior análise.

Esta combinação pode ser otimizada com a adição do InBatch e do

SPCPro de modo a incorporar processamento de lotes e estatísticas.

Através da publicação no FactorySuite Web Server, a informação pode

ficar acessível aos vários utilizadores da empresa através da Internet.

Os componentes do FactorySuite estão integrados, o que significa menor

necessidade de codificação, menos interfaces, menor tempo de configuração e


78

inexistência de custos adicionais para integração. Dado que todos os

componentes têm uma base de dados comum, trabalham em conjunto, partilham

informação entre aplicações, têm a mesma aparência e suportam mecanismos

de comunicação comuns.

O FactorySuite permite aumentar a sua funcionalidade através do uso de

toolkits, OPC, DCOM, VBA e ActiveX.

4.5.1.1- InTouch

O InTouch é uma interface gráfico homem-máquina, desenvolvido para a

indústria de automação, supervisão e controle de processos que permite a

visualização de ambientes industriais compostos por várias unidades fabris

interligadas, disponibilizando ao operador toda a informação necessária.

O InTouch é composto por diversos componentes que permitem

visualização, acesso a dados, integração com componentes e sistemas externos,

gestão e manutenção de históricos, tratamento de eventos e alarmes,

elaboração de relatórios e ferramentas de análise.

As aplicações desenvolvidas com o InTouch podem-se conectar aos

servidores via Internet através do protocolo standard HTTP, podendo

eventualmente utilizar dados e processar alarmes de vários servidores em

simultâneo. Utiliza o protocolo TCP.

4.5.1.2- IndustrialSQL Server

O IndustrialSQL Server é uma base de dados relacional que adquire e

armazena todo o histórico de um elevado número de dispositivos de controlo e

aquisição através do uso de servidores de I/O e de vários nós InTouch e

InControl.

Adicionalmente integra toda esta informação com dados de configuração,

mensagens de alarmes e eventos, dados estatísticos e outros dados associados

à produção.


79

4.5.1.3- FactorySuite Web Server

O FactorySuite Web Server é a porta de acesso à informação do processo

produtivo que permite aos utilizadores, independentemente de se encontrarem a

utilizar dados no local, ou remotamente através da Internet, obter uma interface

idêntica.

O FactorySuite Web Server permite administrar e distribuir as aplicações

InTouch e a informação através da Internet/intranet.

O FactorySuite Web Server suporta a nível de segurança, o protocolo SSL

(Secure Socket Layer), a autenticação de senhas e o uso de certificados digitais,

além de restrições de leitura/escrita.

4.5.1.4- InControl

O InControl disponibiliza uma alternativa aos CP´s com custos mais

reduzidos. Comparado com os CP´s, o InControl, em execução num sistema

aberto, oferece um controle mais robusto, maior conectividade e capacidades

lógicas mais sofisticadas para o tratamento de processos complexos discretos e

em lote.

4.5.1.5- I/O Servers

Os I/O Servers permitem estabelecer comunicação entre os dispositivos

de hardware e o FactorySuite.

O FactorySuite disponibiliza vários servidores de I/O para interface com os

dispositivos instalados nas fábricas, permitindo efetuar conexões com, entre

outros, CP´s e RTU´s.

Existem diversos outros tipos de fabricantes que fornecem pacotes de

sistemas SCADA similares, como o sistema da Motorola com utilização de

MOSCAD (Motorola Scada).


80


Este capítulo apresentou a conceituação de sistemas SCADA na

supervisão e controle de variáveis de duto, bem como algumas características de

utilização e softwares. Pode-se perceber a importância de tal sistema no que se

diz respeito à modernização e automação de gasodutos já existentes e

aplicações em novas instalações que irão ser construídas. O sistema SCADA é

de fundamental importância na prevenção de falhas como vazamentos, para

evitar operações inadequadas de controle, juntamente com medições e

monitoramento das características em tempo real do sistema.

Pode-se perceber também uma sucinta vantagem na utilização de

sistemas SCADA agregados as unidades terminais remotas (RTU´s) para

aquisição de dados. Tanto quanto por sua característica de escalonamento de

tarefas quanto suas características de telecomando, tele-supervisão e tele-

controle intrínsecas, sem necessidade de aquisição de sistemas adicionais.


81

CAPITULO V

SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE CONTROLE E COMPRESSÃO EM

GASODUTOS

5.1 - INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, a simulação computacional vem assumindo uma

importância cada vez maior como ferramenta de aquisição de conhecimento. No

inicio da pesquisa operacional, os problemas eram resolvidos por meio da

obtenção dos melhores resultados possíveis para cada parte individual do

modelo.

Porém, de maneira natural e acompanhando o desenvolvimento

tecnológico, ocorreu um aumento da complexidade dos problemas acarretando a

necessidade de se utilizar uma abordagem mais sistêmica e generalista. A

simulação utilizou-se, inicialmente, de linguagens de programação geral, como o

FORTRAN e PASCAL. Mas, à medida que a complexidade das observações e a

capacidade dos recursos computacionais cresceram, surgiram os programas de

simulação de propósito geral e que são os baseados em funções que

representam a dinâmica dos sistemas reais.

Atualmente existe uma gama de softwares comerciais que

possibilitam a simulação computacional de sistemas complexos. Muitos deles

são dedicados a determinada área do conhecimento, e muitas vezes a

aplicações bastante especificas.

Este capítulo tem como objetivo mostrar algumas das aplicações

que a simulação computacional permite quando aplicada ao sistema de controle

de um gasoduto.


82

5.2 - SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

A simulação computacional tem se constituído numa ferramenta

poderosa para a compreensão dos fenômenos físicos, químicos e energéticos

em sistemas reais. A utilização desta ciência dentro da área de engenharia já

tem sua importância consolidada devido a sua extrema praticidade.

A concorrência nos mercados locais e internacionais tem levado as

empresas a tornarem-se cada vez mais competitivas e atentas as mudanças no

mercado, possibilitando-lhes melhorias em seus processos produtivos. A

simulação computacional foi utilizada, portanto, como ferramenta de análise das

possíveis oportunidades de melhorias a serem introduzidas em sistemas e

processos produtivos.

De maneira geral pode-se apontar alguns motivos que justificam o grande

investimento nesta área de pesquisa:

- Simulações computacionais possibilitam uma estreita ligação entre a teoria

e a experiência. Simulações numéricas bem elaboradas podem conduzir a

melhorias do processo;

- Não existe a necessidade de gerar modificações no meio físico para se

obter conclusões;

- O universo acessível à simulação computacional não está limitado a

processos que ocorrem na natureza;

- Possibilidade de simulação com quebras de simetria e efeitos não-lineares

incorporados;

O próprio gráfico da figura 1 apresentado no capitulo I é fruto da aplicação

computacional utilizando o software MATLAB e a equação de vazão em tubos

longos. Nesta simulação foi imaginada uma situação hipotética onde existe uma

longa tubulação somente com perdas de carga distribuída e sem inclinação.


83

Boa parte das aplicações da simulação computacional é na solução

numérica de problemas. A grande velocidade de processamento pode ser

utilizada para fazer um numero de iterações por segundo, de forma que tal

característica aplicada a equações que regem o funcionamento do sistema,

pode-se gerar valores tão precisos quanto se queira.

Um dos problemas mais pesquisados e relevantes de engenharia, em

suas mais diversas áreas, é a modelagem e simulação dinâmica de sistemas.

Com o aumento da competitividade entre as empresas, um melhor desempenho

dinâmico dos sistemas toma uma grande relevância o sentido de que seu

entendimento possibilita uma análise capaz de diminuir perdas e aumentar a

eficiência e robustez do processo. Além disso, tal entendimento fornece maiores

informações sobre fenômenos que podem causar problemas.

5.3- SIMULAÇÃO DA COMPRESSÃO DE GAS NATURAL

Um exemplo simples de simulação computacional foi implementado em

um programa com MATLAB de maneira a se permitir o calculo do head

termodinâmico, além do head real e a eficiência termodinâmica. Este programa

lançou mão das equações (1.11), (1.12) e (1.13) citadas durante o capitulo I.

% PROGRAMA PARA CALCULO DE HEAD POLITROPICO

disp('Entre com os dados do sistema');

MW = input ('Entre com o Peso Molecular= ');

P1 = input ('Entre com Pressao Sucçao= ');

T1 = input ('Entre com Temp entrada= ');

P2 = input ('Entre com Pressao de descarga= ');

T2 = input ('Entre com Temp de saida= ');

R = input ('Entre com R= ');

k = input ('Entre com coef adiabatico= ');


84

% Calculo do Head Politropico, real e eficiencia

quo = log(T2/T1)/log(P2/P1) % (n-1)/n

Hp = (1/(quo*MW))*R*T1*[((P2/P1)^quo)-1]

H = (T2-T1)*R*k/((k-1)*MW)

ep = Hp/H

% FIM

Tal aplicação possibilita a calculo automático dos valores a partir da

entrada das temperaturas e pressões de sucção e de entrada, além das

características do gás natural. Desta maneira, poderíamos facilmente

implementar uma rotina de forma a que estes dados fossem lidos de um arquivo

com dados seqüenciais, e assim realizar uma análise seqüencial dos resultados.

Como já foi dito anteriormente, estes dados inseridos podem ou não ser

oriundos do processo real. As mais variadas combinações de dados podem ser

montadas de forma a analisar o head e a eficiência em condições de

extranormalidade.

Em uma outra situação, tem-se posse de uma curva para uma

determinada rotação de um compressor de uma estação de compressão de gás

natural similar o apresentado no capitulo II. Deseja-se então a expansão desta

curva para outras

Através da utilização do software MATLAB, foi feito um programa que

possibilita o traçado de curvas no plano Vazão X Head Politrópico referentes a

um compressor exposto a um controle de capacidade tipo variação de rotação do

compressor.

Foi utilizada para isto uma curva de performance termodinâmica como

base de um compressor real Solar C452 retirada do catalogo do fabricante. É

importante notar que esta curva esta utilizando a base isentrópica.


85

Figura 23: Curva termodinâmica do compressor Solar C452

Analisando a curva básica do compressor, verifica-se que a curva de head

isentrópico possui em sua característica um ponto de inflexão máximo separando

a curva em duas, uma praticamente linear em um trecho de variação de vazão e

uma levemente parabólica para um segundo trecho de vazão. Sendo que a

interseção entre as duas curvas se dá o ponto de head máximo. Neste caso, se

torna impossível à análise desta curva de uma maneira generalista através de

uma só equação.

Os modelos das curvas serão tratados independentemente através do

modelo do compressor descrito na equação (2.1), de forma a conseguirmos uma

formulação que permita o modelamento deste tipo especifico de compressor.

Para este programa devem ser capturados alguns pontos da curva de

operação do compressor em questão, pois são necessários para a composição

da curva básica e da definição dos parâmetros e das constantes do modelo.

Também é necessário é o conhecimento da rotação referente à curva inicial.


86

% PROGRAMA PARA CALCULO DAS CURVAS DE OPERAÇAO DE

COMPRESSOR

disp('Entre com os dados da curva');

pt1 = input ('Entre com vo ponto 1= ');




ptmax= input ('Entre com o ponto de maximo Head= ');

N = input ('Entre com a velocidade de rotaçao do grafico base= ');

Q1 = input ('Entre com a vazao minima do graf A= ');

Q2 = input ('Entre com a vazao max do graf A= ');

Q3 = input ('Entre com a vazao min do graf B= ');

Q4 = input('Entre com a vazao max do graf B= ');

% Calculo das constantes

Ya=[N^2 N*pt1(1) pt1(1)^2;N^2 N*pt2(1) pt2(1)^2;N^2 N*ptmax(1) ptmax(1)^2];

Xa=[pt1(2);pt2(2);ptmax(2)];

ABCa=Ya\Xa;

Aa=ABCa(1);

Ba=ABCa(2);

Ca=ABCa(3);

Yb=[N^2 N*ptmax(1) ptmax(1)^2;N^2 N*pt3(1) pt3(1)^2;N^2 N*pt4(1) pt4(1)^2];

Xb=[ptmax(2);pt3(2);pt4(2)];

ABCb=Yb\Xb;

Ab=ABCb(1);

Bb=ABCb(2);

Cb=ABCb(3);

disp(ABCa);

disp(ABCb);

% Modelo do compressor

Vea=[Q1:1:Q2];

Veb=[Q3:1:Q4];

Hfa=Ca*(Vea.^2)+ Ba*Vea.*N + Aa*(N^2);

Hfb=Cb*(Veb.^2)+ Bb*Veb.*N + Ab*(N^2);

plot(Vea,Hfa,Veb,Hfb);

grid;


87

xlabel ('Vazao volumetrica [m3/s]');

ylabel ('Head termodinamico isentropico [KJ/Kg]');

% Nova rotaçao de trabalho

N2 = input ('Entre com a nova rotaçao= ');

Hfa=Ca*(Vea.^2)+ Ba*Vea.*N2 + Aa*(N2^2);

Hfb=Cb*(Veb.^2)+ Bb*Veb.*N2 + Ab*(N2^2);

plot(Vea,Hfa,Veb,Hfb);

grid;

xlabel ('Vazao volumetrica [m3/s]');

ylabel ('Head termodinamico isentropico [KJ/Kg]');

%FIM

Como resultado deste programa, obtém-se um gráfico aproximado das

condições de head por vazão do compressor na sua situação original.

Logicamente de acordo com a exatidão dos pontos inseridos, o gráfico resultante

ficará mais ou menos próximo do real.

Para a confecção deste programa foi fundamental a capacidade do

MATLAB de resolver sistemas lineares de maneira direta e fácil. Em outro

software de programação tradicional, este trabalho necessitaria da construção de

uma rotina para resolução numérica através de métodos como, por exemplo,

Gauss-Seidel.

Neste gráfico, pode-se inserir uma nova rotação, sendo que o programa

adaptará o modelo para a referida rotação. Os gráficos abaixo foram obtidos

para um compressor cuja curva segue o molde da curva do compressor solar C-

452 a uma rotação inicial de 10000 RPM.


88

Figura 24: Curva de compressor aproximada obtida através de modelo.

O segundo gráfico se dá para uma situação onde o controle de

capacidade atuou diminuindo a rotação para 8000 RPM.

Figura 25: Curva de compressor aproximada para 8000 RPM.


89

Desta forma então fica fácil notar a possibilidade de se formar uma

família de curvas, de modo a analisar as características resultantes da variação

de velocidade de rotação de um compressor em um gasoduto a comparar com o

head termodinâmico e a vazão volumétrica.

O resultado obtido em comparado com a curva real é bastante

satisfatório, demonstrando que o modelo é adequado, bastando como dados de

entrada apenas o conhecimento de alguns pontos de operação da unidade.

5.4 - SIMULAÇÃO DO CONTROLE

O controlador utilizado no controle de capacidade dos compressores

centrífugos deve possuir a ação integral como já foi salientado no capitulo II.

Utilizando o software Simulink do pacote MATLAB, foi possível a realização de

uma simulação hipotética de um sistema de controle de capacidade através da

variação da rotação de um sistema de compressão de um gasoduto.

Desta forma, foi possível a construção de um modelo que implementasse

a dinâmica de um sistema proporcional integral aplicada por um controlador tipo

CP de forma discreta. A dinâmica do sistema do compressor e da turbina não

foram consideradas como sendo ganhos estáticos.

Neste caso, a metodologia encontrada para a simulação foi à aplicação

da equação de head termodinâmico (1.11), porém aplicada de forma

referenciada a um sistema adiabático. E da equação de modelo estático do

compressor (2.1), tomando como parâmetros, aqueles obtidos através do

programa anterior (para o compressor base já citado).

A saída do controlador PI é a própria informação de comando da rotação

da turbina e do compressor centrífugo, de modo que esta varia de acordo com o

erro de pressão.

O diagrama de blocos do simulink representativo do sistema ficou desta

forma:


90

Figura 26: Simulação do controle de capacidade de um compressor centrífugo por variação da rotação.

Nesta simulação, foi tomado também que a variável de controle seria a

pressão de descarga do compressor. Além disso, as condições de vazão

volumétrica de sucção, pressão de entrada, característica do gás ou temperatura

de entrada foram fixadas utilizando valores típicos para uma estação de

compressão podendo, entretanto podem ser variadas no modelo do compressor.

Foram estipulados valores arbitrários através da simulação que

possibilitassem uma melhor visualização das condições do sistema. O ganho

derivativo foi colocado neste caso como zero, para a situação apenas do PI.

As variáveis monitoradas foram à rotação do compressor, o erro obtido e

a saída de pressão de descarga. O resultado da pressão de saída está ilustrado

na figura a seguir.


91

Figura 27: Pressão de descarga do compressor compensada.

Pode-se verificar no gráfico que o sistema se estabiliza rapidamente na

pressão de set-point desejado. No tempo igual a 3s foi simulado uma variação da

pressão de descarga em degrau ocorrida devido alguma manobra no sistema.

Percebe-se o controlador assim que percebe a variação de pressão atua no

sentido de compensa-la.

Da mesma forma, pode se verificar que a rotação da turbina é

incrementada pelo controlador de modo a possibilitar o fornecimento de tal

pressão de descarga. O seu perfil pode ser obtido através da simulação

representada pela Fig. 28.


92

Figura 28: Variação de rotação devido a degrau da pressão de descarga.

Após isso foi considerado como distúrbio um sinal de variação de

pressão repetitivo, de forma a verificar a ação do controlador em tal situação. As

variações eram do tipo rampa linear de 0 a 15 bar em 500ms e caindo

abruptamente para zero neste tempo.O resultado de pressão de descarga obtido

foi:

Figura 29: Pressão de descarga para regime de distúrbio seqüencial.


93

Foi possível verificar que o controle mesmo em uma condição extrema

de variação tende a manter a pressão próxima de um limite pré-estabelecido.

5.5 - SOFTWARES DEDICADOS

Existem alguns softwares que possuem o objetivo especifico de

simulação computacional de gasodutos. Alguns deles são:

o Pipeline Studio;

o PIPESIM;

o FlowTran;

o ATMOS Gsim;

Estes softwares possuem vários modelos embutidos na forma de

elementos, de modo a que o sistema em questão pode ser facilmente

implementado pelo usuário (Fig. 30). Possibilitam a simulação de dutos em

condições de operação ou não, podendo construir gradientes de pressão,

temperatura, vazão etc.

Figura 30: Tela do software Pipeline Studio da Energy Solutions.


94

Alguns softwares permitem interligação com o sistema SCADA e podem

trabalhar on-line ou off-line, ou seja, possibilitam a utilização das próprias

variáveis do sistema real, fornecendo resultados bem mais precisos. Por

exemplo, o software da Atmos , o Gsim, possui esta característica.

Geralmente estes softwares possuem funções adicionais já

implementadas como a simulação do lançamento de pig´s e também simulam

condições de anomalia como em caso de vazamentos.

5.6 - CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através deste trabalho foi possível efetuar a análise dos aspectos técnicos

de um sistema de transporte de gás de forma geral. O conteúdo teórico obtido

através da pesquisa bibliográfica possibilitou um ganho extremamente

considerável no sentido de possibilitar um trabalho que reunisse uma gama de

informações de modo a possibilitar a análise sobre a técnica de funcionamento

de um gasoduto.

Foi analisado o aspecto construtivo dos componentes da linha, levantando

a forma de que estes interagem com o sistema, levantando as equações que

regem o seu funcionamento, possibilitando o calculo de variáveis importantes

para o funcionamento do gasoduto (como head termodinâmico e rotação de

trabalho).

Uma análise das estratégias de controle de pressão e vazão de um

gasoduto foi efetuada de modo a explicitar a maneira energeticamente mais

eficiente evitando perdas desnecessárias. Foram apontadas futuras

possibilidades de melhoria do sistema com a evolução tecnológica, como é o

caso da utilização de motores elétricos como máquinas primárias dos

compressores centrífugos de estações de compressão, através do uso de

inversores de freqüência de grande porte. A conceituação dos limites operativos

do sistema, surge e stonewall, foram efetuadas, mostrando que se ultrapassados

poderiam acarretar um colapso do sistema.


95

Os equipamentos que efetuam o processamento de controle e supervisão,

e suas referentes arquiteturas foram descritos objetivando uma possibilidade de

escolha por um modelo mais adequado.

Foi mostrado que novas tecnologias como o FISCO e sensoriamento

inteligente, junto com a utilização de controladores programáveis são relevantes

por sua robustez e confiabilidade, e são muito utilizadas pela maioria dos

projetistas.

A descrição dos aspectos técnicos de um sistema SCADA de supervisão e

controle possibilitou explicitar sua relevância dentro do sistema, com suas

características telemétricas e operacionais, além de possibilitar o entendimento

necessário para sua aplicação em novas instalações de transporte de Gás

Natural.

Foi ainda ressaltada a importância da simulação computacional para este

tipo de aplicação, com a construção de pequenas rotinas capazes de fornecer

resultados importantes para análise do funcionamento da linha.

Toda a análise baseou-se em um sistema típico, porém os conceitos e

dados aqui obtidos podem ser expandidos a linhas de diferentes portes,

provendo assim uma fonte de conhecimento tanto para novas aplicações, quanto

para modernização de antigas e obsoletas linhas de transporte de Gás Natural.


96

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