pré-seleção de um compressor através da simulação termo ...

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

PRÉ-SELEÇÃO DE UM COMPRESSOR ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO TERMO-

HIDRÁULICA DA LINHA DE TRANSPORTE DE GÁS YACUIBA-RIO GRANDE COM O

SOFTWARE PIPELINE STUDIO GAS NETWORK SIMULATOR

Igor Roberto Emanuel da Silva Patrocinio

Projeto de Graduação apresentado ao curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro Mecânico.

Orientador: Reinaldo de Falco

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

AGOSTO DE 2014

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ





PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Reinaldo de Falco, Eng.

________________________________________________

Prof. Fernando Augusto N. Castro Pinto, Dr.-Ing.

________________________________________________

Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2014

iii

Silva Patrocinio, Igor Roberto Emanuel da.

Pré-seleção de um compressor através da simulação termo-

hidráulica da linha de transporte de gás Yacuiba-Rio Grande com o

software pipeline studio gas network simulator/ Igor Roberto Emanuel

da Silva Patrocinio – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.

viii, 52 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Reinaldo de Falco.

Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia Mecânica,

2014.

Referências Bibliográficas: p. 50-52.

1. Pré-seleção de compressor. 2. Simulação termo-hidráulica. 3.

Pipeline Studio gas network simulator. 4. Yacuiba – Rio Grande. 5.

Dutos I. de Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia Mecânica. III. Pré-seleção de

um compressor através da simulação termo-hidráulica da linha de

transporte de gás Yacuiba-Rio Grande com o software pipeline studio

gas network simulator

iv

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus por tudo que fui, sou e serei.

A meus pais, Roberto da Silva Patrocinio e Ângela Maria por terem dedicado seu tempo e

esforços para que eu pudesse seguir meus sonhos.

À minha avó Maria Antônia que com sua bondade e sabedoria sempre me aconselha a ser

justo e honesto.

Aos meus avós paternos, in memorian, Geraldo e Eva, que mesmo não presentes fisicamente,

seus ensinamentos são levados por toda a vida em seu neto.

Ao Marcelo Teixeira, gerente da área de dutos terrestres da Petrobras, por ter me aceitado

nessa grande família que é o EDUT (Engenharia de Dutos).

Ao Sergio Furley, meu supervisor do estágio no EDUT, que com paciência sempre foi solícito

às minhas dúvidas e sempre me dá suporte a novos patamares.

Ao Luis Carvalho e Fernando Scofield, professores do EDUT, em que sempre posso contar

para aprender ainda mais.

A Claudia Leite e Lindemberg Faria que com sua alegria fazem o cotidiano de trabalho mais

leve.

Ao Bruno Cosso e todos meus amigos e amigas tanto que não citei aqui mas que trilharam por

essa longa caminhada que é a faculdade e partilharam alegrias e tristezas e que me mostraram que

eu não estou sozinho nessa jornada.

E por fim agradeço a todos que passaram em minha vida seja positivamente ou negativamente

pois cada um foi fundamental para que hoje eu pudesse estar na que considero a melhor

faculdade do país, a UFRJ, e que estou a dar mais um passo em direção a um dos meus sonhos

que é me formar em engenharia mecânica.

v

A maior recompensa para o trabalho do homem não é o que ele ganha com isso, mas o que

ele se torna com isso.

John Ruskin.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânica.





Agosto/2014

Orientador: Reinaldo de Falco

Curso: Engenharia Mecânica

Este trabalho tem como objetivo a pré-selecionar um compressor para uma estação de

compressão. Uma das motivações para o desenvolvimento desse projeto foi o de fazer um

approach do trabalho realizado no setor de dutos até a pré-seleção de um compressor. Por se

tratar de uma análise onde mais de um setor é dedicado ao projeto do duto, simulação do

escoamento, viabilidade econômica e pré-seleção do compressor, este projeto apresenta

simplificações necessárias e que visam demonstrar como é feito desde o cálculo do diâmetro dos

dutos e sua espessura até a escolha do compressor. Por pré-seleção se entende que é uma escolha

preliminar, realizada através do contato com fabricantes e cálculos a fim de encontrar um

compressor que se enquadre nos dados de processo gerados pela simulação. Este trabalho contará

com softwares especializados como o pipeline studio gas network simulator, UNISIM e suporte

aos cálculos efetuados através do MathCad.

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

PRE-SELECTION OF A COMPRESSOR THROUGH THERMAL HYDRAULIC

SIMULATION OF A LINE OF GAS TRANSPORT YACUÍBA-RIO GRANDE WITH THE



August/2014

Advisor: Reinaldo de Falco

Course: Mechanical Engineering

This study aims to pre-select a compressor for a compression station. One of the

motivations for the development of this project was to make an approach to the pipeline industry

to pre-select a compressor. Because it is an analysis where more than one sector is dedicated to

duct design, flow simulation, economic feasibility and pre-selection of the compressor, this

design features necessary simplifications and seeking to show how it's done from the calculation

of the diameter and thickness of the ducts to the choice of the compressor. For pre-selection

means that it is a preliminary choice made by contacting manufacturers and calculations in order

to find a compressor that fits the data generated by the simulation process. This study will work

with specialized software such as Pipeline Studio gas network simulator, UNISIM and support

calculations performed by MathCad.

viii

Sumário

Capítulo 1 – Introdução ........................................................................................................... 1

1.1 Objetivo ......................................................................................................................... 1

1.2 Estrutura do Trabalho ................................................................................................. 1

Capítulo 2 – Referencial Teórico ............................................................................................ 2

2.1 Compressores ................................................................................................................ 2

2.1.1 Introdução ..................................................................................................................... 2

2.1.2 Classificação .................................................................................................................. 2

2.2 Compressores Centrífugos ........................................................................................... 3

2.2.1 Características .............................................................................................................. 3

2.2.2 Limites de Operação ..................................................................................................... 3

2.2.3 Triângulo de Velocidades ............................................................................................. 6

2.3 Componentes dos Compressores Centrífugos ............................................................ 9

Capítulo 3 – O Simulador Pipeline Studio ........................................................................... 13

3.1 Apresentação ............................................................................................................... 13

3.2 Fundamentação e Fórmulas ....................................................................................... 15

3.2.1 Condições Padrões ...................................................................................................... 15

3.2.2 Temperatura ............................................................................................................... 15

3.2.3 Vazão volumétrica padrão e de fluxo ........................................................................ 16

3.2.4 Regimes de escoamento .............................................................................................. 17

Capítulo 4 – Simulação e geração dos dados de processo ................................................... 18

4.1 Apresentação do Setor de Dutos no Brasil ............................................................... 18

ix

4.2 Gasoduto Yacuiba-Rio Grande ................................................................................. 23

4.3 Características do Gasoduto ...................................................................................... 24

4.4 Características do Gás Natural ................................................................................. 26

4.5 Pressões ........................................................................................................................ 26

4.6 Temperatura ............................................................................................................... 27

4.7 Velocidade de Escoamento do Gás ............................................................................ 27

4.8 Espessura dos Dutos ................................................................................................... 28

4.8.1 Tensão Mínima de Escoamento (Sy) ......................................................................... 28

4.8.2 Fator de Projeto (F) .................................................................................................... 29

4.8.3 Fator de Eficiência da Junta (E) ................................................................................ 30

4.8.4 Fator de Temperatura (T) .......................................................................................... 30

4.8.5 Seleção da Espessura .................................................................................................. 32

4.9 Escolhendo o Melhor Cenário ................................................................................... 32

4.9.1 Caso 1: Operando Sem Estação de Compressão ...................................................... 33

4.9.2 Caso 2: Operando Com 1 Estação de Compressão .................................................. 35

4.9.3 Caso 3: Operando Com 2 Estações de Compressão ................................................ 36

4.9.4 Comparativo Entre Todos os Casos .......................................................................... 38

4.10 Geração dos Pontos de Trabalho da Estação Compressora ................................... 39

Capítulo 5 – Seleção de um compressor real ....................................................................... 43

5.1 Cálculo do compressor ............................................................................................... 43

5.2 Compressor indicado pelo fabricante ....................................................................... 45

Capítulo 6 – Conclusão .......................................................................................................... 48

x

Capítulo 7 – Referência Bibliográfica .................................................................................. 50

APÊNDICE A — Cálculo da espessura dos dutos ......................................................................... I

APÊNDICE B — Velocidade de erosão do gás ........................................................................ XVIII

APÊNDICE C — Custos dos dutos ............................................................................................ XXI

APÊNDICE D — Cálculo da instalação e operação ....................................................................XLI

APÊNDICE E — Comparativo entre os valores totais dos custos do duto ............................ XLVIII

APÊNDICE F — Cálculo do Compressor Pelo Método N ........................................................... LII

1

Capítulo 1 – Introdução

1.1 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de fazer uma análise termo-hidráulica de uma linha de

transporte de gás. Mais concretamente do gasoduto Yacuiba-Rio Grande, onde será utilizado o

software pipeline studio para a análise do comportamento do gás.

Com esse intuito, será realizado o projeto básico de simulação do escoamento do

gás estudado a fim de obter os dados necessários para a seleção do melhor compressor para as

estações compressoras. Em um primeiro momento serão simuladas condições teóricas de vazão,

pressão requerida e algumas configurações de layout da linha com o intuito de levantar os pontos

de trabalho de um compressor genérico no software. No segundo momento, os pontos de trabalho

levantados pelo software serão usados para selecionar um compressor real pesquisado em uma

empresa do ramo.

1.2 Estrutura do Trabalho

No capítulo 2 deste trabalho é feita uma revisão teórica referente à classificação e

características dos compressores centrífugos como os limites de operação, componentes e cálculo

teórico do head.

No capítulo 3 encontram-se descritas as técnicas e principais fórmulas utilizadas pelo

software utilizado, Pipeline Studio para o cálculo de simulação de gasoduto.

No quarto capítulo é apresentada brevemente a indústria de dutos, vantagens e

desvantagens desse modal seguido do projeto a ser estudado e os dados gerados da simulação.

No quinto capítulo é onde os dados gerados do quarto capítulo serão utilizados para a

escolha de um compressor que seja adequado ao projeto.

No sexto e último capítulo é feita a conclusão do projeto analisando as escolhas e o

resultado final do estudo e das simulações.

Nos apêndices encontram-se as memórias de cálculo e tabelas utilizadas na realização

deste trabalho.

2

Capítulo 2 – Referencial Teórico

2.1 Compressores

2.1.1 Introdução

O propósito da utilização de compressores é o de elevar a pressão de um determinado gás.

Dependendo de uma série de circunstâncias e situações, o aumento de pressão poderá ser a partir

de uma fração de uma libra por polegada quadrada (psi) (ou Pascals) em equipamento de

laboratório para literalmente dezenas de milhares de Pascals em hypercompressores utilizados

para a produção de polietileno.

2.1.2 Classificação

Há dois métodos principais que são usados para comprimir gases. O primeiro método

consiste em comportar um volume de gás e deslocá-lo por ação positiva de um pistão ou

membro; denominam-se essas máquinas compressoras de volumétricos ou deslocamento positivo.

O segundo método usa compressão dinâmica, que é efetuada pelo movimento de elementos

móveis do compressor ou entrada de jatos de gás (que pode ser o mesmo que se deseja ou outro),

que conferem a velocidade para em seguida essa energia cinética ser transformada em pressão.

Esses dois grandes grupos podem ser subdivididos como mostrado na Figura 1.

Figura 1: Tipos de Compressores, REF [1]

Os alternativos utilizam uma câmara de volume variável em que um pistão ligado a uma

biela-manivela comprime o gás recebido pela válvula de admissão até determinada pressão que

faz com que a válvula de descarga se abra e libere o gás.

3

Nos rotativos o rotor é montado dentro de uma carcaça de excentricidade onde as palhetas

ou lóbulos móveis montados no rotor movem-se para dentro e para fora dessas ranhuras. O gás é

comprimido à medida que o volume diminui devido a essa excentricidade do compressor.

Os compressores dinâmicos são máquinas de fluxo contínuo em que o elemento rotativo

ou ejetor acelera o gás. A velocidade é então convertida em pressão, parcialmente no elemento

rotativo e parcialmente pelos difusores e pás do compressor. Os compressores centrífugos são

máquinas dinâmicas onde um ou mais impelidores aceleram o gás. O fluxo principal do gás é

radial. Compressores axiais são compressores onde o fluxo principal do gás é paralelo ao eixo.

Compressores mistos são máquinas dinâmicas que contém impelidores que combinam algumas

características dos compressores axiais e centrífugos.

O foco deste projeto será o de compressores centrífugos, sendo assim, serão definidos

conceitos importantes e explicações acerca desse elemento.

2.2 Compressores Centrífugos

2.2.1 Características

Como explicado anteriormente, o compressor centrífugo acelera o gás para posterior

conversão de parte da energia cinética em pressão. De fato, a operação desse tipo de compressor

se assemelha com o de uma bomba centrífuga. A diferença é que o fluido em questão é

compressível.

O trabalho necessário para fazer a mudança em volume do gás resulta em um aumento da

quantidade de calor sendo transferida para o gás, causando aumento de temperatura. O projeto do

compressor deve levar em conta esse aumento de temperatura a fim de evitar o excesso desta e

acabar por iniciar uma transformação indesejada no gás ou uma temperatura acima do qual o

compressor é capaz de suportar.

2.2.2 Limites de Operação

Além dos limites mecânicos e de projeto, há um limite superior e inferior de operação de

um compressor. São o limite de surge ou stall e stonewall ou choque.

4

Figura 2: Limite de surge em um compressor, REF [2]

Surge: É o limite inferior de operação. Parâmetros relacionados para a

formação do surge é o ângulo de descarga do impelidor, nível de estrangulamento da

válvula de descarga e baixas vazões. Normalmente ocorre em torno de 50% da capacidade

em que se tem máxima eficiência da vazão de projeto sendo que quantos mais estágios o

compressor tiver, a porcentagem da capacidade em relação à vazão de projeto aumenta.

A explicação desse fenômeno é que com a diminuição da vazão e aumento do head

necessário para vencer uma resistência, como uma válvula de descarga muito estrangulada, fica

maior que o head máximo que o compressor pode fornecer. Isso faz com que a contrapressão do

sistema vença a pressão fornecida e há uma inversão de fluxo. Consequentemente, a pressão na

descarga diminui e o compressor consegue fornecer uma vazão maior do qual aquela quando o

surge iniciou. Caso nada seja feito, essa operação ocorrerá ciclicamente podendo ter

consequências sérias para o compressor e ao sistema como:

5

Vibrações, causando empeno do motor, destruição da selagem,

tubulações e impelidor.

Superaquecimento do gás.

Stonewall: É o limite superior de operação. Ocorre quando a velocidade do

gás se aproxima da velocidade do som. Quando o compressor opera em alta vazão e alta

razão de vazão mássica, o compressor não consegue elevar além de determinado ponto

pois ao se aproximar perto da velocidade do som começam a ocorrer ondas de choques

que restringem o escoamento causando uma queda rápida na pressão para um mínimo

aumento na vazão.

Figura 3: Limites de Choke e Surge em um compressor, REF [3]

6

2.2.3 Triângulo de Velocidades

Na figura 5, o triângulo de velocidades é usado para o cálculo do Head em função das

velocidades. Sendo W1 e W2 as velocidades relativas do fluido ao impelidor e V1 e V2 como

velocidades absolutas do fluido e VU1 e VU2 as projeções das velocidades absolutas nas direções

tangenciais.

Figura 4: Triângulo de velocidades de um impelidor, REF [4]

Pelo teorema da variação da quantidade de movimento chega-se à formula do head:

Equação 1: Head pela equação da quantidade de movimento

Nota-se que o head é função do diâmetro e rotação do impelidor e também da vazão em

volume do fluido.

H1

gVU2 U2 VU1 U1

7

O head real é menor que o ideal devido ao fenômeno de circulação (slip) do fluido entre

as duas palhetas do impelidor.

De acordo com o ângulo β2, o impelidor é denominado como:

β2 < 90º: palhetas para trás

β2 = 90º: palhetas radiais

β2 > 90º: palhetas para frente

Figura 5: Performance teórica de um impelidor e tipos de impelidores quanto à inclinação das palhetas, REF [4]

O ângulo β2 influencia diretamente a potência necessária pelo compressor para uma

determinada vazão. Para uma mesma vazão pode-se notar uma diferença significativa na potência

do compressor como visto na figura 6.

8

Figura 6: Relação potência x vazão de acordo com a inclinação das palhetas, REF [4]

Tirando as perdas por atrito, por choques e outras irreversibilidades do sistema, chega-se à

performance real dos impelidores, exemplificado na figura 7.

Figura 7: H x Q real dos impelidores de acordo com a inclinação das palhetas, REF [4]

9

2.3 Componentes dos Compressores Centrífugos

O compressor centrífugo é composto por vários componentes. Aqui serão abordados

brevemente apenas alguns elementos principais.

Impelidores

É o elemento rotativo do compressor centrífugo munido de pás, como exemplificado pela

figura 8, que transferem a energia mecânica produzida pelo acionador com a finalidade de

aumentar a energia cinética e entalpia do fluido.

Figura 8: Impelidor com palhetas para trás, REF [5]

Os principais métodos de fabricação dos impelidores são através de fresagem e rebites,

fresagem e soldagem, fresagem e brasagem e fundição.

A escolha de cada método varia de acordo com a qualidade aerodinâmica que se deseja do

impelidor, resistência e preço.

Rotor

É o elemento que gira em torno do seu próprio eixo e gera rotação. A energia do

compressor é gerada por um motor elétrico ou qualquer outro sistema que gere potência para

colocar o compressor em funcionamento. É nele onde se encontram montados sobre seu eixo ou

10

ao seu redor: o impelidor, mancais e a caixa do compressor. A figura 9 ilustra um tipo de

compressor e alguns de seus elementos.

Em relação à dinâmica do rotor, uma análise preliminar detalhada nos estágios iniciais do

projeto garante a disponibilidade operacional de compressores centrífugos bem projetados. Essa

análise investiga os seguintes fenômenos de vibração: comportamento da ressonância,

estabilidade e análise torsional.

Um conhecimento preciso desses fatores interrelacionados garantem uma operação livre

de problemas e um alto grau de disponibilidade operacional de grandes compressores centrífugos.

Figura 9: Alguns componentes dos compressores, REF [6]

Mancais, Selagem e Lubrificação

Compressores centrífugos são equipados com dois rolamentos para suportar o peso do

rotor e posicionar o rotor concentricamente dentro dos elementos fixos do compressor. Um

rolamento de esfera também é usado para garantir que o rotor do compressor é mantido na sua

posição axial desejada. O projeto da caixa de mancal é instalado em ambos os lados do disco de

11

rolamento. A posição adequada do rotor axial é assim assegurada independentemente da direção

das forças de pressão axial líquidas atuando sobre o rotor.

Duas categorias distintas de selagem de compressor são usadas :

Selagem interna

Selagem do eixo

Selagem interna visa minimizar as perdas de recirculação interna entre os estágios e em

todo o tambor de equilíbrio. Selagem do tipo labirinto é normalmente utilizada para este

propósito para maximizar a eficiência operacional.

São necessárias selagens de eixo para vedar o gás no interior do compressor, no ponto em

que o eixo do rotor do compressor penetra o casco. Esta vital função da selagem é necessária para

impedir a fuga de gás do processo para o ambiente circundante do compressor. Selagem de gás

seco é o tipo mais usado de vedação do eixo. Selagem usando uma película líquida são usadas às

vezes.

Todos os rolamentos têm uma lubrificação pressurizada de óleo. O sistema de lubrificação

de óleo fornece aos rolamentos um fluxo suficiente a fim de formar uma camada de lubrificante

na superfície e dissipar o calor produzido pelo atrito. O óleo é canalizado centralmente para os

rolamentos. Anéis de retenção instalados em ambos os lados controlam a taxa de descarga de

óleo dos rolamentos através do ajuste do canal de saída. A figura 10 ilustra uma caixa de mancal.

12

Figura 10: Caixa de mancal, REF [5]

13

Capítulo 3 – O Simulador Pipeline Studio

3.1 Apresentação

O simulador utilizado para a realização do projeto final foi o Pipeline Studio(figura 10). O

software foi escolhido por ser referência na área e ter bons resultados para escoamento de

líquidos e de gases em grandes distâncias. Algumas das aplicações onde o software pode ser

utilizado:

Cálculo de vazão;

Projeto de dutos;

Concepção e dimensionamento de uma malha de dutos;

Planejamento estratégico e operacional de capacidade do duto;

Prognóstico operacional;

Cálculo de consumo de combustível;

Análise de surge, etc.

Figura 11: Logo do simulador, REF[7]

O programa resolve a malha empregada através de métodos numéricos implícitos e por

isso há a necessidade de escolher o espaçamento dos nós. O espaçamento utilizado foi o default

do software, 1,6 km ou 1 milha.

14

Figura 12: O software pipeline studio, REF [8]

A seguir podem-se ver alguns gráficos gerados de simulações pelo software como

exemplo dos tipos de resposta que pode ser obtido do simulador.

15

Figura 13: Exemplo de gráficos gerados pelo software (velocidade a jusante e volume de fluido

[‘inventory’] no duto ao longo do tempo), REF [9]

3.2 Fundamentação e Fórmulas

3.2.1 Condições Padrões

Temperatura e pressão padrão

Esta temperatura é usada para converter as condições de vazão em condições de fluxo

(actual flow) para as condições padrões de vazão. A pressão padrão também é usada para

operações análogas. A temperatura e pressão utilizada no projeto foi de 20°C e 0 kgf/cm²g

(gauge).

3.2.2 Temperatura

O modelo hidráulico e pneumático do software requer a entrada de dados de temperatura:

Temperatura Ambiente

A temperatura usada no cálculo da transferência de calor entre o fluido e o meio ao redor.

Para valor de simulação foi utilizado a temperatura de 25°C.

16

Temperatura do fluido

Temperatura especificada para uso em vários cálculos: Equação de estado, densidade,

viscosidade, transferência de calor etc.

No projeto foi utilizado o valor de 47°C para San Alberto e 57°C para San Antônio.

3.2.3 Vazão volumétrica padrão e de fluxo

Já que todos os gases são compressíveis, valores usados para descrever qualquer vazão

volumétrica tem significado apenas para a temperatura e pressão ao qual eles estão

submetidos/medidos. Medições feitas a uma temperatura e pressão podem ser comparadas (ou

convertidas) para valores apropriados em outras condições. As condições padrões foram

mencionas no item 3.3.1.

Como esperado, valores convertidos são denominados ‘padrão’ (standard) e os valores

originais obtidos pela pressão e temperaturas locais são denominados ‘de fluxo’ ou ‘reais’

(actual). A seguir, fórmula 3.1 demonstra o cálculo usado para valores padrões:

(

) (

)

Equação 2: Transformação dos valores reais ou de fluxo para o padrão

Onde:

Pactual = pressão de fluxo

Pstandard = pressão padrão

Tactual = temperatura de fluxo

Tstandard = temperatura padrão

17

Zactual = compressibilidade em condições de fluxo

Zstandard = compressibilidade em condições padrão

3.2.4 Regimes de escoamento

Em gasodutos três tipos de regimes podem ser definidos:

Turbulento

Parcialmente turbulento ou Transicional

Laminar1

O número de Reynolds é uma fórmula adimensional usada para reconhecer diferentes

regimes de escoamento dependendo do resultado. A fórmula 3.2 mostra como é feito o cálculo do

número de Reynolds e a equação 6, como se desenvolve o fluxo nos diferentes regimes.

Equação 3: Número de Reynolds

Onde:

ρ = densidade do fluido

D = diâmetro interno do duto

u = velocidade média do fluido

μ = viscosidade do fluido

1 Não é típico encontrar um regime laminar em altas vazões encontradas em gasodutos

18

Capítulo 4 – Simulação e geração dos dados de processo

4.1 Apresentação do Setor de Dutos no Brasil

O setor de dutos é uma parte da indústria de petróleo e gás. O transporte dutoviário é a

opção mais utilizada nessa indústria por ser econômica aliado ao fato de se adequar as vazões do

ponto de destino dependendo da necessidade com uma segurança maior por serem enterrados em

sua maior extensão.

Comparando com outros modais ele é o que apresenta o maior custo fixo e o menor custo

variável entre todos os modais2. Devido ao direito de acesso, construção, mão-de-obra

especializada, necessidade de controle das estações e da capacidade de bombeamento além de

atender às demandas ambientais, áreas para desapropriação, testes em campo e outros fatores são

um dos motivos dele ter o maior custo fixo comparado com outros modais de transporte. Porém

apesar de alto custo inicial, este modal tem a vantagem de não precisar usar embalagens (barris,

por exemplo), tem uma segurança superior, baixo custo de operação, independência em relação

às condições do tempo na sua operação, possibilidade de operar 24 horas por dia e maior

consistência. Só para ter uma ideia comparativa, a figura 14 mostra o que pode ser entregue por

dutos e seu equivalente em caminhões para mostrar o quanto pode ser economizado no longo

prazo em transporte.

2 http://qualidadeonline.wordpress.com/2012/08/14/por-que-no-brasil-o-transporte-dutoviario-e-tao-pequeno/

19

Figura 14: Equivalência do transportado em dutos e em caminhões, REF [10]

Nos Estados Unidos a dutovia representa 20% de acordo com o estudo da COPPEAD

como pode notar na figura 15. O Brasil tem 21 mil km de dutos (16º no ranking mundial) e

grande potencial para exploração desse modal mas infelizmente ainda é tímido o crescimento

(5% no Brasil) e aparentemente com pouco interesse embora esse os dutos levem

desenvolvimento ao país. De acordo com o Plano Nacional de Logística de Transportes (PNLT),

a expectativa é que o modal cresça em torno de 3,6% para 5% em 20253. Enquanto de acordo em

entrevista com o diretor da Associação Brasileira de Engenharia Industrial (Abemi) ressalta que

um bom crescimento para esse setor seria algo em torno de 15% a 20% 4.

3 http://www.youblisher.com/p/248996-RELATORIO-PNLT-2009/

4 http://www.cnt.org.br/Paginas/Agencia_Noticia.aspx?n=8413

20

Figura 15: Market-share dos modais Brasil e EUA (TKm), REF [11]

O Brasil possui atualmente o seguinte mapa (figura 16) de sua malha de gasodutos. O gás

natural é importante para as termelétricas (UTEs) do país. Recentemente com a escassez de

chuva, a oferta de gás natural foi essencial para manter o sistema de energia elétrica nesse

período5. Além das UTEs, o gás natural é utilizado no segmento automobilística no consumo de

gás natural veicular (GNV) o restante da parcela no mercado comercial e residencial.

Quanto a futuros projetos, há uma expectativa da ampliação da malha de gasodutos por

parte do governo com um plano conhecido como Pemat, onde há uma estimativa em que a

demanda subirá de 40,6 milhões para 89,7 milhões de metros cúbicos6.

A figura 17 ilustra os principais componentes do sistema de coleta, transmissão e

distribuição de gás natural. Poços de produção de gás natural, dutos de coleta, estações de

compressão (ecomps), dutos de transmissão, estações de processamento de gás natural, estações

de medições, scrapers (lançadores/recebedores de pig), city gates, válvulas reguladoras, válvulas

de bloqueio etc. fazem parte do sistema de transporte desde a produção do combustível em

questão até os clientes.

5 http://www.jb.com.br/economia/noticias/2014/05/05/escassez-de-chuva-fez-consumo-de-gas-natural-bater-

recorde-de-23-anos/ 6 http://www.valor.com.br/brasil/3395434/governo-mapeia-rede-de-novos-gasodutos-para-atender-demanda-de-

gas

21

Figura 16:Mapa da malha de gasodutos no Brasil, REF [12]

22

Figura 17: Componentes de um sistema de produção, transmissão e distribuição do gás natural, REF [13]

23

4.2 Gasoduto Yacuiba-Rio Grande

Dentre a malha de gasodutos no Brasil, um importante gasoduto é o Gasoduto Bolívia-

Brasil, também conhecido como Gasbol, um dos maiores da América Latina com

impressionantes 3150 km de extensão onde 557 km ficam em território boliviano e 2593 km em

território brasileiro.

O gasoduto Yacuiba-Rio Grande (GASYRG) é um gasoduto em território boliviano que

liga os campos de San Alberto e San Antonio, localizados em Yacuiba, até a cidade de Rio

Grande em Santa Cruz, onde começa o gasoduto Bolívia-Brasil (figura 18).

Figura 18: Gasyrg e o Gasbol, REF [14]

Esse projeto final tem como objetivo simular esse gasoduto para pré-selecionar um

compressor, tomando como base algumas premissas e simplificações que serão mostradas no

decorrer do projeto.

24

4.3 Características do Gasoduto

O GASYRG recebe o gás no km 0 (San Alberto) e no km 71 (San Antonio) e leva até Rio

Grande que fica aproximadamente 429,4 km de distância de San Alberto. Será considerado no

projeto uma vazão de 10 MSM³(milhões de metros cúbicos)/dia em San Antonio e 20MSM³/dia

em San Alberto. Segue abaixo um esquemático em MSM³/dia.

GASYRG

Km 71

Km 429,4

Km 0

10 MSM³/dia 30 MSM³/dia

San Alberto (MSM³/dia)

10

San Antonio (MSM³/dia)

20

Rio Grande

Certas considerações serão feitas:

Serão feitas uma análise em regime permanente e transiente;

O transiente será feito através de um perfil de consumo genérico a fim de

obter dados de processo que serão posteriormente utilizados na obtenção da curva do

compressor;

Serão considerados na pré-seleção unicamente as estações de compressão

nos dutos de transmissão ou de transporte estando fora do escopo os compressores dos

fornecedores de gás natural ou os utilizados após o ponto de entrega, também conhecido

como city-gate.

25

As vazões em San Alberto e San Antonio são considerações feitas nesse

projeto visando se aproximar de uma vazão de 30 MSM³/dia que está dentro da faixa de

valores quando esse gasoduto foi inicialmente feito7;

Será desconsiderada altitude, cruzamento, travessias, restrições de órgãos

governamentais ou ambientais;

No regime permanente a temperatura será de 25ºC constante;

Condição padrão utilizada: Pressão 0 kg/cm² g, Temperatura de 20ºC.

7 O projeto original tem capacidade de 23 milhões a um máximo de 34 milhões de metros cúbicos como pode

ser visto em: http://www.tenaris.com/shared/documents/files/NL173.pdf

26

4.4 Características do Gás Natural

Tabela 1: Composição molar do gás natural transportado

Composição Molar(%)

Componente San Alberto San Antonio

C1 88.455% 89.140%

C2 5.969% 6.340%

C3 2.101% 2.050%

i-C4 0.344% 0.330%

n-C4 0.456% 0.440%

i-C5 0.131% 0.140%

n-C5 0.084% 0.100%

n-C6 0.049% 0.050%

C7+ 0.017% 0.020%

C8 0.005% 0.004%

C9 0.001% 0.001%

N2 0.478% 0.515%

CO2 1.910% 0.870%

Total 100.000% 100.000%

MW (peso molecular) 18.57 18.33

Massa Específica [kg/m³] 83.44 77.95

Densidade Específica (specific gravity) 0.6413 0.6329

Temperatura [°C] 47 57

PCS [MJ/m³] 40.81 41.28

PCI [MJ/m³] 36.88 37.3

Propriedades do fluido calculadas pelo Unisim Design R410

4.5 Pressões

As simulações consideram como dito anteriormente, o gás fluindo de San Alberto (km 0)

e San Antonio (km 71) com as seguintes pressões:

San Alberto e San Antonio

27

Pressão máxima do Supply ou pontos de fornecimento do gás natural: 100

kgf/cm² a 47ºC e 100 kgf/cm² a 57ºC, respectivamente;

Rio Grande

Pressão mínima requerida para o city-gate: 50 kgf/cm²;

Estações de compressão

Pressão máxima de compressão: 100 kgf/cm².

4.6 Temperatura

San Antonio: 47ºC San Alberto: 57ºC

Coeficiente global de Transferência de calor do duto: 2,2 W/(m².K)

4.7 Velocidade de Escoamento do Gás

Uma importante análise de restrição no projeto de um duto é a velocidade de escoamento

de gás. É sabido que velocidades muito excessivas acabam erodindo a parede interna do duto

podendo aos poucos comprometer a integridade física do mesmo. Para quantificar a velocidade

máxima foram utilizadas as fórmulas no apêndice B.

A velocidade máxima pôde ser estipulada a mesma para todos os casos devido às

pequenas variações encontradas ao aplicar as fórmulas em cada um. Com isso velocidade

máxima ficou de aproximadamente 18,6 m/s.

Como método de prevenir que tais velocidades ocorram no duto é prudente utilizar

velocidades menores que a velocidade máxima. Algumas recomendações sugerem de 40% a 50%

da velocidade máxima e outras práticas de 11 a 14 m/s que é o utilizado pela TRANSPETRO até

o momento em que esse projeto final foi realizado (2014). Foi escolhido o valor de 12 m/s para

restringir a máxima velocidade de escoamento no regime permanente a fim de ter uma margem

de segurança adequada ao realizar a análise do transiente quando a vazão for alterada ao longo do

tempo.

28

4.8 Espessura dos Dutos

É necessária uma espessura mínima para que a parede dos tubos e demais componentes da

tubulação possam resistir à pressão interna. Para isso foi usada a norma ABNT 12712 “Projetos

de sistemas de transmissão e distribuição de combustível” para o cálculo da espessura requerida

de parede que também está em conformidade com a norma internacional ASME B31.8 “Gas

Transmission and Distribution Piping Systems”. A referida fórmula se encontra no apêndice A e

é descrita por:

Equação 4: Fórmula da espessura

Onde:

e= espessura requerida de parede (mm)

P= pressão de projeto (kPa)

D= diâmetro externo (mm)

Sy= tensão mínima de escoamento especificada para o material (kPa).

F= fator de projeto

E= fator de eficiência da junta

T= fator de temperatura

Valores de Sy, F, E e T serão mostrados como são selecionados nos subcapítulos

subsequentes.

4.8.1 Tensão Mínima de Escoamento (Sy)

29

Existem vários tipos de aço no mercado, porém foi determinado nesse projeto o aço API

5L gr. X70. Esse aço tem uma tensão mínima de 70000 psi como pode ser verificado na figura 19

que mostra uma parte da tabela do anexo D da norma ABNT 12712.

Figura 19: Tensão mínima de escoamento especificada de materiais para tubos, REF [15]

4.8.2 Fator de Projeto (F)

O fator de projeto é o grau de segurança estrutural que o gasoduto deve ter para suportar

os possíveis danos externos causados pelas diversas ações construtivas que ocorrem durante a

instalação da infraestrutura de serviços.

Da definição da própria norma brasileira NBR 12712, a classe de locação é a um

parâmetro que traduz o grau de atividade humana capaz de expor o gasoduto a danos causados

pela instalação de infraestrutura de serviços, tais como drenagem pluvial, esgoto sanitário, cabos

elétricos e telefônicos, tráfegos rodoviário e ferroviário entre outros.

O fator de projeto é assim determinado em função da classe de locação conforme

mostrado abaixo na figura 20:

30

Figura 20: Classe de locação/ Fator de projeto, REF [15]

Esse projeto final tem como premissa utilizar uma média ponderada das classes de

locação no cálculo hidráulico no simulador já que não serão consideradas a geografia,

distribuição populacional, travessias e cruzamentos. Será adotado 60% para a classe de locação 1,

30% para a classe de locação 2 e 10% para a classe de locação 3.

Na análise dos custos, para se aproximar mais do valor real, foi calculada separadamente

a espessura de cada trecho do duto para estimar melhor o custo total destinado ao preço de cada

caso. Ambos valores (média ponderada ou separados) se encontram no apêndice A.

4.8.3 Fator de Eficiência da Junta (E)

De acordo com a norma ABNT 12712, esse fator deve ser considerado unitário para todos

os tubos cujas normas de fabricação são aceitas por essa norma. Como os tubos se encaixam

nessa descrição, portanto E=1.

4.8.4 Fator de Temperatura (T)

O fator de temperatura deve ser determinado conforme figura 21 a seguir:

31

Figura 21: Fator de temperatura, REF [15]

32

4.8.5 Seleção da Espessura

Feito o cálculo da espessura mínima, é feita a seleção de uma espessura maior e mais

próxima da mínima através de tabelas normalizadas. A norma utilizada foi a ASME B36.10

“Welded and seamless wrought steel pipe”, ilustrada na figura 22 abaixo.

Figura 22: Tabela de dimensões e pesos dos tubos de aço, REF [16]

4.9 Escolhendo o Melhor Cenário

Para construir um duto é necessário escolher o cenário que tem o menor custo possível.

Dentro dessa análise entram os valores do investimento, montagem e construção, construção das

estações de compressão (ecomps), passagem de pig (pipeline inspection gauge) de tempos em

tempos e consumo de combustível ao longo dos anos pelas ecomps. Os dados mais relevantes

foram listados e calculados nas planilhas do apêndice C.

Na tabela abaixo está listado os valores comuns a todos os casos:

Tabela 2: Tabela dos valores comuns a todos os casos

Rugosidade Espaçamento dos

nós (knot)

Equação dos gases Fator de arraste

(Drag Factor)

micrômetro km

9 1,60934 (1 milha) Colebrook 0,96

33

4.9.1 Caso 1: Operando Sem Estação de Compressão

Nesse caso, foi simulado em qual espessura e diâmetro o duto teria que ter para que fosse

possível obter até o ponto de entrega em Rio Grande a pressão de 50 kgf/cm² sem que

transgredisse a velocidade de 12 m/s no regime permanente.

A seguir são mostradas a tabela dos valores que foram obtidos e os gráficos que

confirmam a viabilidade de tais diâmetros e espessura dos dutos.

Tabela 3: Diâmetro e espessura do caso 1

Diâmetro interno Espessura

in (polegadas) in (polegadas)

34,876 0,562

Figura 23: Perfil de Pressão, velocidade e temperatura do caso 1

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

2

3

4

5

6

7

8

9

10

24,0

24,2

24,4

24,6

24,8

25,0

25,2

25,4

25,6

25,8

26,0

0 100 200 300 400

Pressure/Velocity/Temperature ProfilePipe0001 to Pipe0002

Distance 87.742Pressure 97.491Velocity 4.846Temperature25.000

Pre

ssure

(kg/c

m2g)

Velo

city (m

/s)

Tem

pera

ture

(Deg C

)

Distance (km)

Pressure VelocityTemperature

34

Tendo em posse as informações do duto é possível agora calcular os custos referentes à

sua construção, instalação e manutenção. A tabela 4 resume os valores do apêndice C do

investimento total para o caso 1 em milhões de dólares (MM US$):

Tabela 4: Investimento total para o caso 1

INVESTIMENTO

Contrução e montagem 577.594 MM US$

Tubos 347.920 MM US$

Estação de Compressores 0.000 MM US$

City-Gates 2.200 MM US$

Válvulas de bloqueio 0.188 MM US$

Lançadores/recebedores de pigs 0.102 MM US$

Outros 62.336 MM US$

Subtotal 990.340 MM US$

Projeto, administração e apoio 99.034 MM US$

Total 1,089.374 MM US$

Além desses valores é necessário somar os custos operacionais e de consumo de

combustível ao longo dos anos. Foi considerada uma vida útil de 20 anos. Para que essa conta

seja possível é necessário que todos os valores estejam em um mesmo patamar. Sabe-se que o

dinheiro não tem o mesmo valor ao longo do tempo, então uma quantia gasta hoje não terá o

mesmo valor no futuro. Logo, foi usado o valor presente8 levando todos os valores para o

mesmo ano (ano 0) sendo corrigido os valores de outros anos pela taxa de retorno que foi

considerado de 15% a.a. para todos os casos. O cálculo do custo operacional e o custo total do

duto considerando todos os custos ao longo dos 20 anos estão no apêndice D e E

respectivamente. Para o caso 1 o custo total foi de 1205,37 MMUSD ou aproximadamente 1,21

bilhões de dólares.

8 Valor presente (present value) - é a estimativa do valor corrente de um fluxo de caixa futuro, no curso normal

das operações da entidade. Tal fluxo de caixa pode estar representado por ingressos ou saídas de recursos. -

http://www.portaldecontabilidade.com.br/tematicas/ajusteavalorpresente.htm

35

4.9.2 Caso 2: Operando Com 1 Estação de Compressão

Mantendo a mesma análise anterior obtiveram-se os seguintes valores de diâmetro,

espessura e gráficos para o caso 2:




32,876 0,562

Figura 24: Perfil de pressão, velocidade e temperatura para o caso 2

Nesse caso já tem o diferencial da instalação da estação de compressão, operadores e

consumo de gás. O investimento total é descrito a seguir:

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

24,0

24,2

24,4

24,6

24,8

25,0

25,2

25,4

25,6

25,8

26,0

0 100 200 300 400


Distance 125.097Pressure 91.265Velocity 5.880Temperature25.000

Pre

ssure

(kg/c

m2g)

Velo

city (m

/s)

Tem

pera

ture

(Deg C

)

Distance (km)

Pressure Velocity Temperature

36


INVESTIMENTO











Somando-se os valores presentes de todos os custos como pode ser observado no apêndice

E, o custo total para o caso 2 é de 1174,96 MMUSD ou de 1,17 bilhões de dólares.

4.9.3 Caso 3: Operando Com 2 Estações de Compressão

Continuando a análise para o caso 3 com 2 estações de compressão os melhores diâmetros

e espessura foram as seguintes:




31 0,5

37

Figura 25: Perfil de pressão, velocidade e temperatura para o caso 3

O investimento total para esse caso está mostrado a seguir:


INVESTIMENTO











55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

24,0

24,2

24,4

24,6

24,8

25,0

25,2

25,4

25,6

25,8

26,0

0 100 200 300 400


Distance 185.039Pressure 94.629Velocity 6.347Temperature 25.000

Pre

ssure

(kg/c

m2g)

Velo

city (m

/s)

Tem

pera

ture

(Deg C

)

Distance (km)

Pressure Velocity Temperature

38

Todos os custos referentes ao investimento, custo operacional e consumo de gás estão

listados e calculados no apêndice D e E e totalizam 1214,40 MMUSD ou 1,21 bilhões de dólares.

4.9.4 Comparativo Entre Todos os Casos

Após toda a análise dos custos totais de cada caso é necessário observar aquele que teve o

menor custo para prosseguir uma análise do transiente e posterior pré-seleção do compressor. A

seguir são mostradas uma tabela dos custos totais e referente gráfico.

Tabela 9: Custos totais de cada caso

Caso Custo Total

Caso 1 1205.37 MMUSD



Figura 26: Gráfico comparativo dos custos de cada caso

Portanto, o caso 2 será o escolhido para continuar a análise por ser o de menor custo total.

1150,00

1160,00

1170,00

1180,00

1190,00

1200,00

1210,00

1220,00

Caso 1 Caso 2 Caso 3

MM

USD

Custos totais

39

4.10 Geração dos Pontos de Trabalho da Estação Compressora

Agora é necessário obter a faixa de operação da estação compressora e para isso será

aplicado um perfil de consumo genérico por 4 semanas ilustrado pela figura 27.

Figura 27: Perfil de consumo de Rio Grande

Dessa vez foram consideradas a variação de temperatura ao longo do duto onde foi

estipulado um coeficiente de transferência de calor de 2.5 W/m².K e que pode ser verificado seu

efeito no duto após a estação de compressão juntamente com a pressão e velocidade na figura 28 ,

29 e 30.

25

26

27

28

29

30

31

32

33

0 100 200 300 400 500 600 700

MS

M3/D

Elapsed Time (hours)

40

Figura 28: Variação da temperatura de acordo com o perfil de consumo

Figura 29:Variação de pressão de acordo com o perfil de consumo

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

0 100 200 300 400 500 600 700

DE

G C


45

50

55

60

65

70

0 100 200 300 400 500 600 700

KG

/CM

2G


41

Figura 30: Variação da velocidade do gás de acordo com o perfil de consumo

Nota-se que os valores da temperatura estão aceitáveis, a pressão chega a cair em torno de

42 kgf/cm², mas não interfere no projeto visto que isso já era esperado pois a pressão nos clientes

costumam operar em torno de 35 kgf/cm² ou menos, tendo portanto uma boa margem de

segurança de operação no duto. Quanto à velocidade, ela chega a picos de 14,4~14,5 m/s abaixo

do valor calculado de 18,47 m/s no apêndice B e, igualmente aprovado no quesito velocidade do

projeto.

Com todos os dados validados é necessário gerar uma curva head x vazão dos dados do

simulador para posterior pré-seleção dos possíveis compressores. A figura 31 mostra a nuvem de

pontos gerada que será utilizada na seleção dos compressores no próximo capítulo.

7

8

9

10

11

12

13

14

0 100 200 300 400 500 600 700

M/S


42

Figura 31: Curva Head (kN.m/kg) x Vazão(MSM3/h ou milhões de metro cúbicos standard) da Estação

Compressora

10

12

14

16

18

20

22

24

1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3

He

ad (

kN.m

/kg)

Vazão (MSM3/h)

Head x Vazão

Transiente

Condição Normal

43

Capítulo 5 – Seleção de um compressor real

5.1 Cálculo do compressor

O primeiro passo é transformar os pontos de Head x Vazão anteriores e transformá-los

para as condições de sucção do compressor. Após o tratamento dos dados o Head x Vazão da

simulação se encontra abaixo:

Figura 32: Head x Vazão de 1 compressor

A seguir, o resumo dos dados utilizados para a pré-seleção do compressor:

Tabela 10: Dados usados para a pré-seleção do compressor

Pressão de sucção 82,9 kgf/cm2

Temperatura de sucção 32,7 °C

Vazão mássica 0,97 milhão de kg/h

Vazão volumétrica real de sucção 13542 m3/h

Head 22,2 kN.m/kg

Massa molar 18,4 kmol/kg

Composição molar do gás Vide tabela no apêndice F

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

10000 11500 13000 14500

He

ad(k

N.m

/kg)

Vazão(m3/h)

Head x Vazão

Transiente

Condição Normal

44

O segundo passo é fazer um cálculo do compressor para ter uma noção do que é esperado

dos fabricantes. Para isso foi utilizado o método N de um manual da fabricante Elliot. A memória

de cálculo encontra-se no APÊNDICE F. Os dados mais relevantes estão na tabela a seguir:

Tabela 11:Resultados encontrados pelo método N

Frame Head máximo por

estágio Nº de estágios

Temperatura de

descarga

29 M 30 kN.m/kg 1 49,7ºC

45

5.2 Compressor indicado pelo fabricante

Além do manual da Elliot, a empresa The Atlas Copco Group prestou auxílio em

elaborar uma proposta com os dados da simulação. O resultado segue a seguir:

Figura 33: Recorte da tabela emitida pelo fabricante Atlas Copco

46

Figura 34: Curvas do fabricante Atlas Copco

Turbocompressor Performance Map

Order No. : preselecti

Code word :

P R E D I C T E D, curves shape and surge margin are not binding

0 Customer : Petrobras

-2014

Suction at compressor flange - Discharge at compressor flange Type :

15-JUL

Performance Map valid for: Gas handled :

FBarata

Suction press. : 81.30 bar

COSEL-DESIGN Molar mass : 18.34 kg/kmol

Suction temp. : 34.00 degC Isen. Exp. : 1.426 -

53C55E63

Cooling Water temp.: Rel. Humidity :

1 0 0 . 0

98.10 A_DES

[bar]

96.

00

pressure(ab

s)

92.00

Energas GmbH.

Discharge

88.00 -40.0 -20.00.020.0

-60.0

Copco

© 2014 Atlas

84.0

0

-75.0

1 3 5 0 0

Copyrigh

t

5.000 7.000 9.000 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 21.00

Suction volume flow [m3/h] x 10^ 3

rights reserved.

10.00

All 3

20.0

x

10^

8 . 0 0 0

0.0

[kW

]

7218 A_DES -20.0

Coupling

power

6.000

-40.0

-60.0

4 . 0 0 0

Mar11 -75.0

@

2008 / DB E4.4

2.0

00

13500

@ Oct

Zz

5.000 7.000 9.000 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 21.00

4.3

Suction volume flow [m3/h] x 10^ 3

COMAP

Control method : I G V Recomm. driver power : n/a Contact : IGOR Page :

Reference Speed: 7091. 1/min Max discharge press.(abs): n/a Date : 15-JUL-2014 Rev. :

47

O fabricante escolheu um compressor centrífugo com palhetas móveis. Um resumo dos

dados obtidos pelos dados enviados pelo fabricante:

Tabela 12: Principais resultados do fabricante Atlas Copco

Modelo GT063T1D1

Rotação 3600 rpm

Temperatura de descarga 49,7ºC

Número de estágios 1

Diâmetro do impelidor 571 mm

Potência requerida 7,2 MW

Potência do motor 7,9 MW

Comparando com o método N, os dados calculados condizem com os do fabricante Atlas

Copco.

48

Capítulo 6 – Conclusão

O presente projeto final percorreu desde a seleção do material, escolha do diâmetro e

espessura aliando o ponto de vista econômico com o técnico. O projeto original do gasoduto

Yacuiba-Rio Grande contou com 4 estações compressoras (ver figura 35) enquanto analisando

sob esse projeto final só foi viável economicamente apenas 1 estação compressora.

Figura 35: Gasyrg e o Gasbol, REF [14]

A explicação é que o preço do gás natural (figura 36) cresceu muito em comparação a outros

custos. O cenário atual é muito diferente do que foi no da construção do Gasyrg. Custos de

construção e montagem, preço do aço e outros sofreram um aumento expressivo também. Uma

obra dessas proporções costuma obter incentivos fiscais dos governos e nessa análise os preços

foram os praticados atualmente já com impostos embutidos. O comparativo pode ser visto na

tabela abaixo que traz o valor do investimento original com o realizado no estudo nos valores

atuais.

Tabela 13:Comparação entre os valores dos investimentos

Comparação entre investimentos em valor presente

Análise realizada Projeto original

US$ 1,17 bilhão US$ 518 milhões

49

Figura 36: Comportamento dos preços do gás natural no mercado europeu, asiático e norte-americano, REF [28]

Por fim, tanto a simulação quanto o compressor do fabricante estão alinhados com o que era

esperado na ordem de grandeza e atendem às necessidades do projeto final.

50

Capítulo 7 – Referência Bibliográfica

[1]Elementos Electropneumáticos. Disponivel em:

<http://essl.home.sapo.pt/Electropneumatica/producao%20de%20ar.htm>. Acesso em: janeiro

2014.

[2]Turbonetics Performance. Disponivel em:

<http://www.turboneticsinc.com/content/compressor-maps>. Acesso em: Janeiro 2014.

[3] Disponivel em: <http://images.slideplayer.com.br/3/388035/slides/slide_6.jpg>. Acesso

em: Maio 2014.

[4] DE FALCO, R. Curso de Performance de grandes máquinas - Módulo I e II. São

Paulo: [s.n.].

[5] BLOCH, H. P.; SOARES, C. Process Plant Machinery. 2ª. ed. Massachusetts:

Butterworth-Heinemann, 1998.

[6] Disponivel em: <http://www.aircav.com/img/cav/compressor.gif>. Acesso em: Janeiro

2014.

[7] ENERGY Solutions. Energy Solutions. Disponivel em: <http://www.energy-

solutions.com/admin/wp-content/uploads/2011/10/pipeline_studio_large.jpg>. Acesso em:

Janeiro 2014.

[8] Disponivel em: <http://www.cadex99.com/20090101/PETRO/pipeline2.8-2.png>. Acesso

em: Janeiro 2014.

[9] ENERGY Solutions. Energy Solutions. Disponivel em: <http://www.energy-

solutions.com/ >. Acesso em: Janeiro 2014.

[10] Disponivel em: <http://qualidadeonline.files.wordpress.com/2012/08/duto1.jpg>. Acesso

em: Maio 2014.

[11] Disponivel em: <http://images.slideplayer.com.br >. Acesso em: Maio 2014.

51

[12] Disponivel em: < http://www.abegas.org.br/img/mapa_gasoduto.gif >. Acesso em: Maio

2014.

[13] THOMPSON, N. G. Gas Distribution. [S.l.]: [s.n.], p. Apêndice J.

[14] EDITORA Valete. Editora Valete. Disponivel em:

<http://www.editoravalete.com.br/site_petroquimica/edicoes/ed_234/fotos/f_8.jpg>. Acesso em:

Maio 2014.

[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 12712.

Projeto de sistemas de transmissão e distribuição de gás combustível. [S.l.]: [s.n.], 2012.

[16] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS - ASME. B36.10M-2004

Welded and seamless wrought steel pipe. [S.l.]: [s.n.], 2004.

[17] ENERGY SOLUTIONS. Gas Network Training book. [S.l.]: [s.n.].

[18]ENGINEERING Design Encyclopedia. Enggcyclopedia. Disponivel em:

<http://www.enggcyclopedia.com/wp-content/uploads/2012/01/sample-compressor-map11.png>.

Acesso em: Janeiro 2014.

[19] FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO - FIRJAN. O

preço do gás natural para a indústria no Brasil e nos Estados Unidos. [S.l.]. 2013.

[20]GOOGLE sites. Scientia. Disponivel em:

<https://sites.google.com/site/scientiaestpotentiaplus/transicao-laminar-turbulenta>. Acesso em:

Janeiro 2014.

[21] HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 3ª. ed. [S.l.]: Livros Técnicos e

Científicos, 2002.

[22] PIPELINE DESIGN STUDIOS. Advanced Gas design & Operations. Rio de Janeiro:

[s.n.], 2003.

[23] RESENDE, R. Processos Eletroeletrônicos: Compressores de ar. [S.l.]: [s.n.].

52

[24] CARRIER CORPORATION. Elliott multistage compressor. [S.l.]: Bulletin P-25ª,

1975.

[25] ASSOCIAÇÃO Brasileira das Empresa distribuidoras de gás canalizado. Abegás.

Disponivel em: <http://www.abegas.org.br/img/mapa_gasoduto.gif>. Acesso em: Janeiro 2014.

[26] BLOCH, H. P. Simplified equations for determining the performance of dynamic

compressors. In: ______ A practical guide to compressor technology. 2ª. ed. [S.l.]: [s.n.], Cap.

11.

[27] AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS - ASME. B31.8. Gas

transmission and distribution piping systems. [S.l.]: [s.n.], 2012.

[28] AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Boletim Anual de

preços. [S.l.]. 2012.

APÊNDICE A — Cálculo da espessura dos dutos

II

Memória de cálculo da espessura dos dutos (MATHCAD)

CASO 1 – Espessura do duto sem estações de compressão

Caso 1

Dados:

será considerado o aço API 5L gr. X70

Resultados:

Classe de Locação 1

Espessura mínima de parede da linha para resistir à

pressão interna

onde

D= diametro nominal externo, in

Di = diametro interno, in

E= fator de eficiência da junta obtida pela tabela 841.1.7-1 (ASME B31.8)

Fpm= fator de projeto médio pela tabela 841.1.6-1

Fp1,2,3 = fator de projeto para classes de locação 1, 2 e 3 respectivamente pela tabela

841.1.6-1

P= pressao de projeto, psig

Sy= tensão de escoamento, psi

Tf= fator de temperatura obtida pela tabela 841.1.8-1

e= espessura nominal do duto, in

Sc= tensão circunferencial

P 100kgf

cm2

1.422 103

psi

D 36in

E 1

Tf 1

Sy 70000psi

Fp1 .72

eP D

2 Fp1 E Tf Sy0.508in

III

Recomendações:

1) Para NPS 16 ou maior, o duto é projetado para operar com uma tensão circular a mais

de 40% a 80% do SMYS

2) Para dutos menores que NPS 16, o duto é projetado para operar a uma tensao circular

de mais de 72% a 80% do SMYS

onde,

ea= espessura admitida/escolhida para o duto de acordo com a norma B36.10M

Verificação da espessura escolhida:

Verificação das recomendações de tensão circular:

e 0.508in

ea .562in

Di D 2ea 34.876in

ScP D

2ea4.556 10

4 psi

Sc

Sy

0.651

espessura out "A espessura nominal escolhida e ADEQUADA" ea eif

out "A espessura nominal escolhida e INADEQUADA" otherwise

out

espessura "A espessura nominal escolhida e ADEQUADA"

recomendacao out "T ensao circular esta correta"Sc

Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if

out "T ensao circular esta fora das recomendacoes de projeto. " otherwise

out

recomendacao "Tensao circular esta correta"

IV



pressão interna

Recomendações:





onde,




Fp2 .6

eP D

2 Fp2 E Tf Sy0.61 in

e 0.61in

ea .625in

Di D 2ea 34.75in

ScP D

2ea4.096 10

4 psi

Sc

Sy

0.585



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


V



pressão interna

Recomendações:





onde,




Classe de Locação médio (usado para simulação hidráulica)

Fp3 .5

eP D


e 0.731in

ea .750in

Di D 2ea 34.5in

ScP D

2ea3.414 10

4 psi

Sc

Sy

0.488



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fpm .6 .72 .3 .6 .1 .5 0.662

VI


pressão interna

Recomendações:





onde,




eP D

2 Fpm E Tf Sy0.552in

e 0.552in

ea .562in

Di D 2ea 34.876in

ScP D

2ea4.556 10

4 psi

Sc

Sy

0.651



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


VII

CASO 2 – espessura do duto com 1 estação de compressão na transmissão

Caso 2

Dados:


Resultados:



pressão interna

onde






841.1.6-1






Recomendações:



P 100kgf

cm2

1.422 103

psi

D 34in

E 1

Tf 1

Sy 70000psi

Fp1 .72

eP D


VIII



onde,




e 0.48in

ea .562in

Di D 2ea 32.876in

ScP D

2ea4.302 10

4 psi

Sc

Sy

0.615



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


IX



pressão interna

Recomendações:





onde,



Fp2 .6

eP D


e 0.576in

ea .625in

Di D 2ea 32.75in

ScP D

2ea3.869 10

4 psi

Sc

Sy

0.553



out


X




pressão interna

Recomendações:





onde,



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fp3 .5

eP D


e 0.691in

ea .750in

Di D 2ea 32.5in

ScP D

2ea3.224 10

4 psi

Sc

Sy

0.461

XI





pressão interna

Recomendações:





onde,




out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fpm .6 .72 .3 .6 .1 .5 0.662

eP D


e 0.522in

ea .562in

Di D 2ea 32.876in

ScP D

2ea4.302 10

4 psi

Sc

Sy

0.615

XII





out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


XIII

CASO 3 - Espessura do duto com 2 estações de compressão na transmissão

Caso 3

Dados:


Resultados:



pressão interna

onde






841.1.6-1






Recomendações:



P 100kgf

cm2

1.422 103

psi

D 32in

E 1

Tf 1

Sy 70000psi

Fp1 .72

eP D


XIV



onde,






pressão interna

Recomendações:





e 0.452in

ea .562in

Di D 2ea 30.876in

ScP D

2ea4.049 10

4 psi

Sc

Sy

0.578



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fp2 .6

eP D


e 0.542in

XV

onde,






pressão interna

Recomendações:





ea .625in

Di D 2ea 30.75in

ScP D

2ea3.641 10

4 psi

Sc

Sy

0.52



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fp3 .5

eP D


e 0.65in

ea .750in

Di D 2ea 30.5in

XVI

onde,






pressão interna

Recomendações:





ScP D

2ea3.034 10

4 psi

Sc

Sy

0.433



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


Fpm .6 .72 .3 .6 .1 .5 0.662

eP D


e 0.491in

ea .562in

Di D 2ea 30.876in

XVII

onde,




ScP D

2ea4.049 10

4 psi

Sc

Sy

0.578



out



Sy

.4Sc

Sy

.8 D 16in

if


out


APÊNDICE B — Velocidade de erosão do gás

XIX

Velocidade de erosão do gás - considerado para todos os casos

Cálculo do Fator de compressibilidade do gás (Z)

Dados:

Resultados:

onde:

P= pressão, kgf/cm2

T= temperatura, ºC

G= densidade (specific gravity)

Z= fator de compressibilidade do gás

Velocidade de erosão do gás

Dados:

P 100kgf

cm2

T 47.76°C

G .6357

Z out1

1

517060P

1kgf

cm2

101.785G

T

1K

3.825

.544 G( ) G .75( )if

out1

1

1375200P

1kgf

cm2

101.188G

T

1K

3.825

.75 G( ) G 1( )if

out 1 otherwise

out

Z 0.846

P 50kgf

cm2

M 18.41gm

mol

T 25°C 298.15K

XX

onde,

P= pressão mínima no duto, Pa

M= Peso molecular,g/mol (usar gm para grama no mathcad)

Z= fator de compressibilidade e temperatura especificadas

R=8314 m2/s2 mol.K

T= temperatura do gás, K

ve= velocidade de erosão

vr= velocidade recomendada

onde é a massa específica em kg/m³

Resultados:

Valores na faixa de 11 a 14 m/s podem ser considerados aceitáveis para projeto. Será

considerado no máximo o valor de 12 m/s, que é o valor estabelecido pela Transpetro.

R 8.31J

mol K

ve

122kg

.5

s m.5

P M

Z R T

18.587m

s

P M

Z R T

ve 18.587m

s

APÊNDICE C — Custos dos dutos

XXII

A seguir segue as planilhas utilizadas no cálculo dos custos dos dutos

CASO 1 – Custos na condição sem estação de compressão na transmissão

Tubos

Construção e montagem

Seção Comprimento

(km) Diam. externo

(pol) Espessura

(pol) Custo Unitário (US$/m.pol)

Custo total (MM US$)

1 Trecho 1 257.64 36.00 0.562 37.36 346.556

2 Trecho 2 128.82 36.00 0.625 37.36 173.278

3 Trecho 3 42.94 36.00 0.750 37.36 57.759

Total 429.4

577.594

Tubos

Seção Custo Unitário

(US$/kg) Massa (kg/m)

Peso (ton)

Custo Total (MM US$)

1 Trecho 1 2.40 316.38 81,512 195.629

2 Trecho 2 2.40 351.85 45,325 108.780

3 Trecho 3 2.40 422.22 18,130 43.512

Total 144,967 347.920

XXIII

ASSEMBLY & CONSTRUCTION ASSEMBLY & CONSTRUCTION IN AM

Diameter U$/m.pol U$/km

6 313.74 1,882.44

8 229.57 1,836.53

10 179.17 1,791.73

12 145.67 1,748.03

14 121.81 1,705.40 20 94.84 1,896,754.86

16 103.99 1,663.80 22 89.66 1,944,173.73

18 90.18 1,623.22 24 85.48 1,992,778.08

20 79.18 1,583.63 26 82.06 2,042,597.53

22 70.23 1,545.01 28 79.25 2,093,662.47

24 62.81 1,507.32

26 56.56 1,470.56

28 52.00 1,456.00

30 47.58 1,427.45

32 43.73 1,399.46

34 40.35 1,372.02

36 37.36 1,345.12

38 34.70 1,318.74

40 32.32 1,292.89

42 30.18 1,267.54

44 28.24 1,242.68

46 26.49 1,218.32

48 24.88 1,194.43

50 23 1165

VALVULAS E LANÇADORES/RECEBEDORES

VÁLVULAS DE BLOQUEIO

XXIV

DISTRIBUIÇÃO DE VÁLVULAS

Seção Número de válvulas Diam. externo

(pol)

Custo de válvulas (US$)

Total por seção (US$)

1 14 36 13,115 187,717

Total 187,717

Lançadores e recebedores

Seção Diâmetro externo

(pol) Quantidade de lançadores/recebedores

Custo Unitário (US$)


1 0 36 2 50,825 101,649

Total 101,649

Bloqueios Retenções Pares de scrapers

4

6,253.63

6,199.04 50,824.53 1.28 1.23

6

8,004.64

7,624.82 62,514.17 1.28 1.23

XXV

8

10,245.94

9,378.53 76,892.43 1.28 1.23

10

13,114.80

11,535.60 94,577.69 1.28 1.23

12

16,786.95

14,188.78 116,330.56 1.28 1.23

14

21,487.29

17,452.20 143,086.59 1.28 1.23

16

27,503.73

21,466.21 175,996.50 1.28 1.23

18

35,204.78

26,403.44 216,475.70 1.28 1.23

20

45,000.00

33,750.00 276,708.46 1.28 1.23

22

59,711.54

44,783.65 367,170.84 1.33 1.33

24

75,085.92

56,314.44 461,709.14 1.26 1.26

26

92,227.91

69,170.93 567,116.50 1.23 1.23

28

113,283.39

84,962.54 696,588.17 1.23 1.23

30

139,145.80

104,359.34 855,617.99 1.23 1.23

32

170,912.55

128,184.41 1,050,954.02 1.23 1.23

ESTAÇÃO

CUSTO FIXO

Quantidade de Estações Necessárias 0.00

Infra-estrutura por Estação US$/Est 7,000,000

US$ 0

CUSTO VARIÁVEL

Potência Requerida HP 0

Custo por HP US$/HP 1,000

US$ 0

Total US$ 0

ESTAÇÃO DE MEDIÇÃO

Quantidade de Estações Necessárias 2


Total US$ 2,200,000

XXVII

OUTROS INVESTIMENTOS

Obras especiais Indenizações para servidão de passagem

Custo Unitário US$/km 2,000 US$ 858,800

Cathodic Protection

Custo Unitário US$/km 500 US$ 214,700

Supervision

Station 1 429,400.00 Control Center 1 644,100.00 Telecommunication Budget 429,400.00 US$ 1,502,900

Pre-operation

Custo Unitário US$/km 2,000 US$ 858,800

Contingência

Engenharia de traçado Custo Unitário Budget

Custo Unitário US$/km 6,000 5% do investmento 46,400,193

US$ 2,576,400 Contra-partida ambiental

Negociações e litígios para liberação da faixa 0,5% do investmento

US$

4,640,019

Custo Unitário US$/km 1,500 Total US$ 62,335,932

US$ 644,100 Projeto, adm. e apoio

Seguro durante a obra

Custo Unitário Verba Percentual of the Total Investiment

% 10.0

0,5% do investmento US$ 4,640,019 US$ 99,033,980

XXVIII

INVESTIMENTO











XXIX

CASO 2 – Custos na condição com 1estação de compressão na transmissão

Obs.: tabela com o preço do U$/metro.pol na construção e montagem (assembly & construction) é o mesmo usado no caso 1 desse apêndice.

Tubos


Seção Comprimento

(km) Diam. externo

(pol) Espessura



1 Trecho 1 257.64 34 0.500 40.35 353.488 2 Trecho 2 128.82 34 0.625 37.36 163.652 3 Trecho 3 42.94 34 0.750 34.70 50.666

Total 429.4

567.805

Tubos



Peso (ton)


1 Trecho 1 2.40 265.84 68,491 164.378 2 Trecho 2 2.40 332.30 42,807 102.736 3 Trecho 3 2.40 398.76 17,123 41.094

Total 128,420 308.209


XXX




(pol)



1 Trecho 14 34 13,115 187,717

Total 187,717






1 Trecho 34 2 50,825 101,649

Total 101,649


4

6,253.63

6,199.04 50,824.53 1.28 1.23

6 62,514.17 1.28 1.23

XXXI

8,004.64 7,624.82

8

10,245.94

9,378.53 76,892.43 1.28 1.23

10

13,114.80

11,535.60 94,577.69 1.28 1.23

12

16,786.95

14,188.78 116,330.56 1.28 1.23

14

21,487.29

17,452.20 143,086.59 1.28 1.23

16

27,503.73

21,466.21 175,996.50 1.28 1.23

18

35,204.78

26,403.44 216,475.70 1.28 1.23

20

45,000.00

33,750.00 276,708.46 1.28 1.23

22

59,711.54

44,783.65 367,170.84 1.33 1.33

24

75,085.92

56,314.44 461,709.14 1.26 1.26

26

92,227.91

69,170.93 567,116.50 1.23 1.23

28

113,283.39

84,962.54 696,588.17 1.23 1.23

30

139,145.80

104,359.34 855,617.99 1.23 1.23

32

170,912.55

128,184.41 1,050,954.02 1.23 1.23

XXXII

ESTAÇÃO

CUSTO FIXO



US$ 7,000,000

CUSTO VARIÁVEL

Potência Requerida HP 8,388


US$ 8,387,916

Total US$ 15,387,916




Total US$ 2,200,000

XXXIII



Custo Unitário US$/km 2,000

US$ 858,800

Cathodic Protection

Custo Unitário US$/km 500

US$ 214,700

Supervision

Station 1 429,400.00

Control Center 1 644,100.00

Telecommunication Budget 429,400.00

US$ 1,502,900

Pre-operation


US$ 858,800

Contingência





US$

4,469,457





% 10.0


XXXIV

CUSTOS

CUSTO OPERACIONAL

PESSOAL

Operador 3

Mecânico 1

Instrumentista 1

Salario Anual US$ 60,000

US$ 300,000

CUSTO DE MANUTENÇÃO

Faixa 1,000 US$/km 429,400

Estação 1 % Inv. Fixo Est. 70,000

Compressores 5 % Inv. Var. Est. 419,396

Supervisório 5 % Inv. Superv. 75,145

US$ 993,941

Total US$ 1,293,941

SEGURO

0,5% do investimento 4,469,457

CUSTO ADMINISTRATIVO

15 % Custo Op. 194,091

Total US$/ano 5,957,488

Pig instrumentado US$/5anos/km 3,000.00 US$/ano 257,640.00

INVESTIMENTO











XXXV

CASO 3 – Custos na condição com 2 estações de compressão na transmissão

Tubos


Seção Comprimento

(km) Diam. externo

(pol) Espessura



1 Trecho 1 257.64 32 0.469 43.733 360.557

2 Trecho 2 128.82 32 0.562 43.733 180.279

3 Trecho 3 42.94 32 0.688 43.733 60.093

Total 429.4

600.929

Tubos



Peso (ton)


1 Trecho 1 2.40 234.69 60,465 145.117

2 Trecho 2 2.40 281.23 36,228 86.946

3 Trecho 3 2.40 344.28 14,783 35.480

Total 111,476 267.543


XXXVI




(pol)



1 Trecho 14 32 13,115 187,717

Total 187,717






1 Trecho 32 2 50,825 101,649

Total 101,649


4

6,253.63

6,199.04 50,824.53 1.28 1.23

XXXVII

6

8,004.64

7,624.82 62,514.17 1.28 1.23

8

10,245.94

9,378.53 76,892.43 1.28 1.23

10

13,114.80

11,535.60 94,577.69 1.28 1.23

12

16,786.95

14,188.78 116,330.56 1.28 1.23

14

21,487.29

17,452.20 143,086.59 1.28 1.23

16

27,503.73

21,466.21 175,996.50 1.28 1.23

18

35,204.78

26,403.44 216,475.70 1.28 1.23

20

45,000.00

33,750.00 276,708.46 1.28 1.23

22

59,711.54

44,783.65 367,170.84 1.33 1.33

24

75,085.92

56,314.44 461,709.14 1.26 1.26

26

92,227.91

69,170.93 567,116.50 1.23 1.23

28

113,283.39

84,962.54 696,588.17 1.23 1.23

30

139,145.80

104,359.34 855,617.99 1.23 1.23

32

170,912.55

128,184.41 1,050,954.02 1.23 1.23

XXXVIII

ESTAÇÃO

CUSTO FIXO



US$ 14,000,000

CUSTO VARIÁVEL

Potência Requerida HP 22,277


US$ 22,277,020

Total US$ 36,277,020




Total US$ 2,200,000

CUSTOS

CUSTO OPERACIONAL

PESSOAL

Operador 6

Mecânico 2

Instrumentista 2

Salario Anual US$ 60,000

US$ 600,000

CUSTO DE MANUTENÇÃO

Faixa 1,000 US$/km 429,400

Estação 1 % Inv. Fixo Est. 140,000

Compressores 5 % Inv. Var. Est. 1,113,851

Supervisório 5 % Inv. Superv. 75,145

US$ 1,758,396

Total US$ 2,358,396

SEGURO

0,5% do investimento 4,536,190

CUSTO ADMINISTRATIVO

15 % Custo Op. 353,759

Total US$/ano 7,248,346

Pig instrumentado US$/5anos/km 3,000.00 US$/ano 257,640.00

XXXIX




US$ 858,800

Cathodic Protection

Custo Unitário US$/km 500

US$ 214,700

Supervision

Station 1 429,400.00

Control Center 1 644,100.00

Telecommunication Budget 429,400.00

US$ 1,502,900

Pre-operation


US$ 858,800

Contingência





US$

4,536,190





% 10.0


XL

INVESTIMENTO











APÊNDICE D — Cálculo da instalação e operação

XLII

CASO 1 – cálculo da instalação e operação na condição sem estação de compressão na

transmissão

Instalação X Operação

Valores retirados da planilha do Excel de custos de duto

Instalação

Dados:

Resultados:

Operação Pessoal e manutenção

Resultados:

MMUSD 106¤

USD ¤

MMBtu 106Btu

MSM3 106m

3

const montagem 577.594MMUSD

tubos 347.920MMUSD

ecomp 0MMUSD

CityGate 2.2MMUSD

Valv 0.188MMUSD

lancEreceb pig 0.102MMUSD

outros 62.336MMUSD

subtotal const montagem tubos ecomp CityGate Valv lancEreceb pig outros

subtotal 990.34MMUSD

PAA 10% subtotal 99.034MMUSD

Total inst subtotal PAA

Total inst 1089.374MMUSD

custo pessoal 0USD

yr

custo manut 504545USD

yr

custo oper custo pessoal custo manut

custo oper 0.505MMUSD

yr

seguro 0.5%subtotal outros( )

yr 4.64

MMUSD

yr

custo adm 15% custo oper 0.076MMUSD

yr

pig 3000USD

5yr km429.4 km 257640

USD

yr

TotalPeM custo oper seguro custo adm pig

XLIII

Consumo de combustível ao longo dos anos

Dados:

Estipulado no projeto a metade do valor cobrado para a indústria

Resultados:

onde:

constmontagem = construção e montagem

= lançador e recebedor de pig

ecomp = estação de compressão

customanut = custo de manutenção

custooper = custo operacional

= custo total pessoal e manutenção

PAA = projeto, administração e apoio

Totalinst = total de instalação

fatorconv = fator de conversão

preçocomb = preço do combustível

consdia = consumo diário de combustível em milhões de metros cúbicos

consanual = consumo anual de gás em milhões de dólares por ano

Fator de conversão obtido em: http://www.investidorpetrobras.com.br/pt/servicos/formulas-

de-conversao/detalhe-formulas-de-conversao/conversoes-de-precos-para-gas-natural.htm

Preço do gás para a indústria obtido por um estudo da FIRJAN em 2013: “O preço do gás

natural para a indústria no Brasil e nos Estados Unidos – Comparativo de Competitividade”

TotalPeM 5.478MMUSD

yr

fatorconv37.30

1000

MMBtu

m3

cons dia 0MSM3

day

preco comb 17.14USD

MMBtu50 %

consanual preco comb fatorconv consdia 365day

yr

cons anual 0MMUSD

yr

lancEreceb pig

TotalPeM

http://www.investidorpetrobras.com.br/pt/servicos/formulas-de-conversao/detalhe-formulas-de-conversao/conversoes-de-precos-para-gas-natural.htm


XLIV

CASO 2 – cálculo da instalação e operação na condição com 1 estação de compressão na

transmissão



Instalação

Dados:

Resultados:


Resultados:

MMUSD 106¤

USD ¤

MMBtu 106Btu

MSM3 106m

3


tubos 308.209MMUSD

ecomp 15.388MMUSD

CityGate 2.2MMUSD

Valv 0.188MMUSD

lancEreceb pig .0102MMUSD

outros 60.289MMUSD






custo pessoal 300000USD

yr


yr



yr


yr 4.469

MMUSD

yr


yr

pig 3000USD

5yr km429.4 km 257640

USD

yr


XLV


Dados:

Resultados:

onde:






= custo total pessoal e manutenção




preçocomb= preço do combustível







TotalPeM 6.215MMUSD

yr

fatorconv37.30

1000

MMBtu

m3

cons dia 0.01074MSM3

day

preco comb17.14

2

USD

MMBtu


yr

cons anual 1.2531MMUSD

yr

lancEreceb pig

TotalPeM



XLVI

CASO 3 – cálculo da instalação e operação na condição com 2 estação de compressão na

transmissão



Instalação

Dados:

Resultados:


Resultados:

MMUSD 106¤

USD ¤

MMBtu 106Btu

MSM3 106m

3


tubos 267.543MMUSD

ecomp 36.277MMUSD

CityGate 2.2MMUSD

Valv 0.188MMUSD

lancEreceb pig 0.102MMUSD

outros 61.090MMUSD






custo pessoal 600000USD

yr


yr



yr


yr 4.536

MMUSD

yr


yr

pig 3000USD

5yr km429.4 km 257640

USD

yr


XLVII


Dados:

Estipulado no projeto a metade do valor cobrado para a indústria

Resultados:

onde:






= custo total pessoal e manutenção em milhões de dólares por ano




preçocomb = preço do combustível







TotalPeM 7.506MMUSD

yr

fatorconv37.30

1000

MMBtu

m3

cons dia 0.03063MSM3

day

preco comb17.14

2

USD

MMBtu


yr

cons anual 3.57379MMUSD

yr

lancEreceb pig

TotalPeM

APÊNDICE E — Comparativo entre os valores totais dos custos do duto

XLIX

CASO 1

taxa de retorno 15% a.a.

Extensão 429.4 km

D(ext) 36 in

e 0.562 in

consumo de gás(MMUSD)

investimento (MMUSD)

custo operacional(MMUSD)

ano custo/ano VP

custo/ano VP

custo/ano VP

-1

544.69

0

0.00

544.69 1171.08

34.29

Custo Total (valor presente) 1205.37 MMUSD

1 0 0.00

5.48 39.43

2 0 0.00

5.48 39.05

3 0 0.00

5.48 38.60

4 0 0.00

5.48 38.10

5 0 0.00

5.48 37.51

6 0 0.00

5.48 36.84

7 0 0.00

5.48 36.06

8 0 0.00

5.48 35.17

9 0 0.00

5.48 34.15

10 0 0.00

5.48 32.97

11 0 0.00

5.48 31.62

12 0 0.00

5.48 30.06

13 0 0.00

5.48 28.27

14 0 0.00

5.48 26.21

15 0 0.00

5.48 23.84

16 0 0.00

5.48 21.12

17 0 0.00

5.48 17.99

18 0 0.00

5.48 14.38

19 0 0.00

5.48 10.24

20 0 5.48

L

CASO 2


Extensão 429.4 km

D(ext) 34 in

e 0.562 in




ano custo/ano VP

custo/ano VP

custo/ano VP

-1

524.75

0

7.84

524.75 1128.21

38.90


1 1.25 9.02

6.22 44.74

2 1.25 8.93

6.22 44.30

3 1.25 8.83

6.22 43.80

4 1.25 8.71

6.22 43.22

5 1.25 8.58

6.22 42.56

6 1.25 8.43

6.22 41.79

7 1.25 8.25

6.22 40.91

8 1.25 8.05

6.22 39.90

9 1.25 7.81

6.22 38.74

10 1.25 7.54

6.22 37.41

11 1.25 7.23

6.22 35.87

12 1.25 6.88

6.22 34.10

13 1.25 6.47

6.22 32.07

14 1.25 6.00

6.22 29.74

15 1.25 5.45

6.22 27.05

16 1.25 4.83

6.22 23.96

17 1.25 4.11

6.22 20.41

18 1.25 3.29

6.22 16.32

19 1.25 2.34

6.22 11.62

20 1.25 6.22

LI

CASO 3


Extensão 429.4 km

D(ext) 32 in

e 0.5 in




ano custo/ano VP

custo/ano VP

custo/ano VP

-1

532.58

0

22.37

532.58 1145.05

46.98


1 3.57 25.72

7.51 54.03

2 3.57 25.47

7.51 53.50

3 3.57 25.19

7.51 52.90

4 3.57 24.85

7.51 52.20

5 3.57 24.47

7.51 51.40

6 3.57 24.03

7.51 50.47

7 3.57 23.53

7.51 49.41

8 3.57 22.95

7.51 48.19

9 3.57 22.28

7.51 46.79

10 3.57 21.51

7.51 45.18

11 3.57 20.63

7.51 43.32

12 3.57 19.61

7.51 41.19

13 3.57 18.44

7.51 38.73

14 3.57 17.10

7.51 35.91

15 3.57 15.55

7.51 32.67

16 3.57 13.78

7.51 28.94

17 3.57 11.73

7.51 24.64

18 3.57 9.38

7.51 19.71

19 3.57 6.68

7.51 14.03

20 3.57 7.51

APÊNDICE F — Cálculo do Compressor Pelo Método N

LIII

Propriedades da Mistura do gás

Nome do componente

Mistura do gás

[1] Mol %

[2] kmol/h(Mo

l % x 52870)

[3] Massa Molecula

r

[4] Massa Molecula

r aparente

da mistura ([1]x[3])

[5] Mass% [[4]/18,4]x10

0

[6] Tc, K

[7] Pc, bar

[8] Tc, mistura ([1]x[6]

)

[9] Pc, mistura ([1]x[7])

[10] Cp, kJ/(kmol.K

)

[11] Cp , mistura ,

kJ/(kmol.K) ([1]x[10])

Metano C1 88,9366

% 47020,76 16,04 14,27 77,54% 191,1 46,4 169,96 41,26656 35,57 31,634

Etano C2 6,2313% 3294,49 30,07 1,87 10,18% 305,6 48,8 19,04 3,04087 51,89 3,234

Propano C3 2,0648% 1091,68 44,09 0,91 4,95% 370 42,5 7,64 0,87756 72,20 1,491

Iso-Butano IC4 0,3341% 176,63 58,12 0,19 1,06% 408,3 36,5 1,36 0,12194 87,46 0,292

n-Butano NC4 0,4447% 235,09 58,12 0,26 1,40% 425,6 38 1,89 0,16897 87,52 0,389

Iso-Pentano IC5 0,1374% 72,62 72,15 0,10 0,54% 461,1 33,3 0,63 0,04574 118,45 0,163

n-Pentano NC5 0,0953% 50,39 72,15 0,07 0,37% 596,1 23,8 0,57 0,02269 121,05 0,115

Hexano C6 0,0497% 26,28 86,17 0,04 0,23% 508,3 30,3 0,25 0,01506 144,96 0,072

Heptano C7+ 0,0191% 10,11 100,2 0,02 0,10% 540,6 27,4 0,10 0,00524 169,09 0,032

Octano C8 0,0043% 2,27 114,22 0,00 0,03% 569,4 25 0,02 0,00107 185,67 0,008

Nonano C9 0,0010% 0,53 128,25 0,00 0,01% 596,1 23,8 0,01 0,00024 207,72 0,002

LIV

Gás Carbônico

CO2 1,1741% 620,73 44,01 0,52 2,81% 304,4 74 3,57 0,86881 36,81 0,432

Nitrogênio N2 0,5077% 268,42 28,02 0,14 0,77% 126,7 33,9 0,64 0,17211 29,14 0,148

Total 100% 52870,0 851,6 18,4 100% 205,70 46,61 38,01

k(mistura 1,280

LV

Cálculo do compressor pelo método N

Dados do simulador e do UNISIM:

onde:

mf = vazão mássica (mass flow)

v1, v2 = volume específico da entrada e saida do compressor respectivamente

Mr = massa molar aparente da mistura

Q1 = vazão da entrada e saída do compressor respectivamente

q = vazão em kmol/h

t1, t2 = temperatura de entrada e saída do fluido no compressor

T2 = temperatura aproximada da saída do compressor (sem efeitos da compressibilidade)

Tc, Pc = temperatura e pressão críticas

Tr, Pr = Temperatura e pressão reduzidas

Zm, Z1, Z2 = fator de compressibilidade médio, da entrada e saída respectivamente

Hp, Had,, Hmax = head politropico, adiabático e máximo por estágio respectivamente

Cp = calor específico a pressão constante

k = expoente adiabático

n = expoente politrópico

Rc = constante dos gases

r = razão de pressão

η ad, η p = eficiência adiabática e politrópica

X = fator de aumento de temperatura

speed, speednom = velocidade e velocidade nominal

Potgas, Poteixo = Potência do gás e do eixo

kJ 103J

kmol 103

mol

t1 32.7 °C

p1 82.9kgf

cm2

p2 100kgf

cm2

rp2

p11.206

Cp 38.01kJ

kmol K

q 52870kmol

hr

Tc 205.7K

Mr 18.4gm

mol

Pc 46.61bar

Rc8314

Mrmol

gm

J

kg K

k 1.28

LVI

Memória de Cálculo

Cálculo da vazão de sucção

Z1 achado no diagrama de compressibilidade

Seleção do frame do compressor Da tabela do fabricante, o compressor com o menor frame capaz de lidar com a vazão de entrada

é o Frame 29 M com head por estágio de 30 kN.m/kg. Outros dados do compressor:

Cálculo da compressibilidade média

Z2 achado no diagrama de compressibilidade

mf q Mr 9.728 105

kg

hr

Tr1t1

Tc1.487

Pr1p1

Pc1.744

Z1 .8211

v1Z1 Rc t1

p10.014

m3

kg

Q1 v1 mf

Q1 13578m

3

hr

p .76

ad .73

X 0.1

T2X

ad

t1 t1 74.597°C

Tr2T2

Tc1.691

Pr2p2

Pc2.104

Z2 .8635

ZmZ1 Z2

20.842

LVII

Cálculo do Head politrópico

Número de estágios requeridos

Temperatura real de descarga

n1 1

Giv en

n1 1

n1

k 1

k p

n Find n1( ) 1.404

HpZm Rc t1

n 1( )

n

r( )

n 1

n1

Hp 22.43kN m

kg

Hmax 30kN m

kg

stagesHp

Hmax

1

t2Hp

Zm Rck

k 1

p

t1

t2 49.663 °C

pré-seleção de um compressor através da simulação termo ...

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