análise da performance de um compressor alternativo em...

ANALISE DA PERFORMANCE DE UM COMPRESSOR ALTERNATIVO EM

FUNCAO DE VARIACOES NO ESPACO MORTO DOS CILINDROS

Pedro Paredes Zambrano Brasil

Projeto de Graduacao apresentado ao Curso de

Engenharia Mecanica da Escola Politecnica, da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessarios a obtencao do

tıtulo de Engenheiro.

Orientador: Reinaldo de Falco

Rio de Janeiro

Agosto de 2018




PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

CURSO DE ENGENHARIA MECANICA DA ESCOLA POLITECNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECANICO.

Examinado por:

Prof. Reinaldo de Falco, Eng.

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

Prof. Nısio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

AGOSTO DE 2018

Brasil, Pedro Paredes Zambrano

Analise da performance de um compressor alternativo

em funcao de variacoes no espaco morto dos

cilindros/Pedro Paredes Zambrano Brasil. – Rio de

Janeiro: UFRJ/Escola Politecnica, 2018.

XIV, 66 p.: il.; 29, 7cm.


Projeto de Graduacao – UFRJ/Escola

Politecnica/Curso de Engenharia Mecanica, 2018.

Referencias Bibliograficas: p. 64 – 66.

1. Compressor Alternativo. 2. Processamento de

gas. 3. Espaco Morto. 4. Oleo e Gas. 5.

Offshore. I. de Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal

do Rio de Janeiro, Escola Politecnica, Curso de Engenharia

Mecanica. III. Tıtulo.

iii

Dedico este trabalho aos meus

pais. Obrigado por investirem

em minha educacao e por sempre

apoiarem minhas escolhas.

iv

“One day I will find the right

words, and they will be simple.”

- Jack Kerouac

v

Agradecimentos

Durante os anos de graduacao pude viver momentos unicos com diversas pessoas

que contribuıram para minha formacao profissional e pessoal.

Primeiramente, agradeco a meus pais e irmas, pelo carinho e compreensao du-

rante todo esse tempo. Nao teria sido possıvel sem voces.

Agradeco tambem a minha namorada e amigos que tornaram essa jornada mais

leve.

A equipe Icarus UFRJ de Formula SAE que me ensinou o verdadeiro significado

de trabalhar em equipe.

Aos amigos que fiz na Colorado School of Mines. Obrigado por me ensinarem

tanto com nossas diferencas.

Aos amigos que fiz durante os dois anos de Shell Brasil e Shell USA. Nao tenho

duvidas que boa parcela da minha formacao como engenheiro se deve a voces.

Finalmente, agradeco a todos os professores do departamento de Engenharia

Mecanica da Escola Politecnica da UFRJ que contribuıram ativamente para o meu

desenvolvimento durante todos esses anos. Um obrigado especial ao Professor Rei-

naldo de Falco pela orientacao durante este trabalho.

vi

Resumo do Projeto de Graduacao apresentado a Escola Politecnica/UFRJ como

parte dos requisitos necessarios para a obtencao do grau de Engenheiro Mecanico.




Agosto/2018


Curso: Engenharia Mecanica

A industria de petroleo e, e continuara sendo durante as proximas decadas,

responsavel por elevada parcela do fornecimento de energia na matriz global.

Como a producao de oleo esta, quase sempre, associada a producao de gas natu-

ral, faz-se necessario desenvolver conhecimento para que os processos de compressao

e tratamento desse fluido se tornem cada vez mais eficientes.

Este trabalho foi desenvolvido com dois objetivos principais: compilar in-

formacoes relevantes sobre o processamento primario offshore de gas natural e de

compressores alternativos utilizados nessa industria e realizar um estudo de caso

em que e analisado o comportamento dos principais parametros operacionais de um

compressor alternativo em funcao de variacoes no espaco morto dos cilindros de

compressao.

Palavras-chave: Compressor alternativo, Processamento de gas, Offshore, Oleo

e Gas, Espaco morto

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment

of the requirements for the degree of Engineer.

ANALYSIS OF A RECIPROCATING COMPRESSOR PERFORMANCE

THROUGH VARIATIONS IN THE CYLINDERS CLEARANCE POCKETS


August/2018

Advisor: Reinaldo de Falco

Department: Mechanical Engineering

The oil industry is, and will continue to be, over the next few decades, responsible

for a large share of the energy supply in the global matrix.

As oil production is almost always associated with the production of natural

gas, it is necessary to develop knowledge so that the processes of compression and

treatment of this fluid become increasingly efficient.

This work was developed with two main objectives: to compile relevant

information on the offshore primary processing of natural gas and reciprocat-

ing compressors used in this industry and to carry out a case study in which

the behavior of the main operational parameters of an reciprocating compressor

is analyzed through variations in the clearance pockets of the compression cylinders.

Keywords: Reciprocating compressor, Gas processing, Offshore, Oil and Gas,

Clearance pockets

viii

Sumario

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xiv

1 Introducao e Objetivos 1

1.1 Industria de Oleo e Gas Offshore no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Perspectivas do Setor Energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Organizacao do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Compressao de Gas Offshore 6

2.1 Planta de Processamento de Gas Offshore . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Separacao Primaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.2 Compressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.3 Desidratacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.4 Adocamento do Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.5 Funcoes do gas natural produzido . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Revisao Bibliografica 16

3.1 O que sao compressores? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Tipos de Compressores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.1 Compressores Volumetricos ou de Deslocamento Positivo . . . 18

3.2.2 Compressores Dinamicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3 Teoria de Compressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3.1 Tipos de compressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3.2 Eficiencia do Processo de Compressao . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.3 Fator de Compressibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.4 Eficiencia Volumetrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.5 Composicao do Fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3.6 Capacidade do Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.7 Razao de Compressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

ix

3.3.8 Potencia Requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.9 Eficiencia Mecanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.10 Ciclo de Compressao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.11 Compressao em Estagios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4 Aspectos relevantes em um compressor alternativo . . . . . . . . . . . 31

3.4.1 Principais partes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.2 Valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4.3 Sistema de Lubrificacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4.4 Sistema de Resfriamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.4.5 Principais motivos de falhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4.6 Metodos de Controle de Capacidade . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Estudo de Caso 43

4.1 Compressor Analisado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2 Propriedades do Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3 Calculos dos parametros operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3.1 Eficiencia Volumetrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3.2 Vazao Volumetrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.3 Potencia Requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3.4 Cargas nos Pistoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5 Conclusoes e Recomendacoes 61

5.1 Conclusoes sobre o Estudo de Caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.2 Futuros Trabalhos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Referencias Bibliograficas 64

x

Lista de Figuras

1.1 Evolucao dos empreendimentos offshore na industria de oleo e gas.

(Fonte: MORAIS (2013)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Matriz Energetica Global por fonte de energia. (Fonte: BP (2017)) . 2

1.3 Relacao entre reservas e producao de petroleo por continente. (Fonte:

BP (2017)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Variacao nos precos do barril de petroleo BRENT em US$ nos ultimos

20 anos. (Fonte: NASDAQ (2018)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Etapas do escoamento de fluidos produzidos em empreendimento de

O&G offshore. (Adaptado das notas de aula do Prof. Elısio Caetano,

Dr.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Diagrama ilustrando comportamento do fluido de reservatorio sob

diferentes pressoes e temperaturas. (Fonte: DAKE (1978)) . . . . . . 7

2.3 Esquematico de compressao em varios estagios de separacao. (Fonte:

ENGINERNG (2015)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Diagrama ilustrando sistema de compressao de gas offshore. (Fonte:

MOBLEY (2001)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Esquematico de um trocador de calor do tipo casco e tubo. (Fonte:

SHAH e SEKULIC (2003)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6 Diagrama retratando processo de desidratacao por glicois. (Fonte:

NGINX (2018)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.7 Esquematico simplificado ilustrando o mecanismo de gas lift. (Fonte:

SOUZA (2012)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.8 Esquematico da reinjecao de fluidos em um reservatorio. (Fonte:

DAKE (1978)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.9 Gas sendo queimado em um FPSO. (Fonte: OILNOW (2018)) . . . . 15

3.1 Tipos de Compressores. (Fonte: BLOCH e HOEFNER (1996)) . . . . 17

3.2 Aplicacoes de Compressores levando em conta pressao de descarga e

capacidade de processamento. (Fonte: BLOCH e HOEFNER (1996)) 17

3.3 Compressor rotativo de palhetas deslizantes. (Fonte: MOBLEY (2001)) 18

xi

3.4 Estrutura de um compressor de escoamento axial. (Fonte: BAHA-

DORI (2014)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.5 Diagrama pV para um ciclo ideal de compressao e representacao do

espaco morto em um cilindro. (Fonte: DE FALCO (1989)) . . . . . . 22

3.6 Impacto do coeficiente politropico em processos de compressao.

(Fonte: VAN WYLEN et al. (2003)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.7 Impacto da gravidade especıfica dos gases em parametros operacionais

do compressor. (Fonte: GARCIA-HERNANDEZ et al. (2015)) . . . . 25

3.8 Efeitos da compressibilidade no processo de compressao. (Fonte:

DE FALCO (1989)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.9 Diagrama pV para um ciclo teorico de compressao. (Fonte:

BELTRAN et al. (2005)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.10 Diagrama pV para um ciclo real de compressao. (Fonte: BELTRAN

et al. (2005)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.11 Comportamento da temperatura de descarga para ar com admissao a

mesma temperatura para diferentes configuracoes. (Fonte: BLOCH

e HOEFNER (1996)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.12 Impactos da compressao em estagios no diagrama pV. (Fonte:

BLOCH e HOEFNER (1996)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.13 Secao transversal de um compressor alternativo. (Fonte: BLOCH e

HOEFNER (1996)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.14 Ciclo ideal de compressao para um compressor duplo-efeito. (Fonte:

BLOCH e HOEFNER (1996)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.15 Principais partes de um compressor alternativo horizontal. (Fonte:

BLOCH e SOARES (1998)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.16 Diagrama ilustrando sistema de lubrificacao de um compressor alter-

nativo. (Fonte: FORSTHOFFER (2005)) . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.17 Diagrama ilustrando sistema de refrigeracao a base de agua de um

compressor alternativo. (Fonte: FORSTHOFFER (2005)) . . . . . . . 37

3.18 Causas de paradas nao programadas de compressores alternativos.

(Fonte: MINO (2013)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.19 Controle da vazao de um compressor atraves da recirculacao do gas.

(Fonte: DE FALCO (1989)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.20 Cilindro de compressao com alıvio nas valvulas de succao (A) e con-

trole no espaco morto (B). (Fonte: BLOCH e SOARES (1998)) . . . . 42

4.1 Diagrama simplificado representando um compressor com tres

estagios de compressao e respectiva instrumentacao. (Fonte: HO-

DAKAN (2018)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

xii

4.2 Compressor Alternativo Ariel Modelo JGC. (Fonte: ARIEL (2018)) . 44

4.3 Variable Volume Clearence Pocket. (Cortesia de Dresser-Rand Com-

pany.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Grafico ilustrando impacto da variacao no espaco morto dos cilindros

no comportamento da vazao volumetrica padrao do compressor. . . . 50

4.5 Eficiencia Volumetrica Teorica contra volume do espaco morto.

(Fonte: BLOCH e SOARES (1998)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Grafico ilustrando impacto da variacao no espaco morto dos cilindros

no comportamento da potencia total de compressao. . . . . . . . . . . 52

4.7 Geometria do mecanismo do tipo biela-manivela que permite o mo-

vimento alternativo do pistao. (Fonte: ATKINS et al. (2014)) . . . . 53

4.8 Comportamento das cargas inerciais em cada estagio de compressao

durante revolucao do virabrequim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.9 Comportamento da pressao em ambos efeitos durante um ciclo do

virabrequim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.10 Comportamento das cargas causadas pela compressao do gas nos

pistoes do primeiro estagio durante um ciclo do virabrequim. . . . . . 57

4.11 Comportamento das cargas causadas pela compressao do gas nos ci-

lindros dos tres estagios durante um ciclo do virabrequim. . . . . . . 57

4.12 Comportamento das cargas resultantes nos cilindros dos tres estagios

durante um ciclo do virabrequim. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.13 Importancia da reversao da haste do pistao para integridade do pino

da cruzeta. (Fonte: MINO (2013)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.14 Impacto da utilizacao do VVCP do primeiro estagio na carga devido

a compressao do gas no efeito principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.15 Impacto da utilizacao do VVCP do primeiro estagio na carga total

sobre os pistoes do primeiro estagio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

xiii

Lista de Tabelas

3.1 Tabela exibindo diminuicao do rendimento volumetrico devido as fu-

gas. (Fonte: DE FALCO (1989)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Tabela exibindo condicoes padrao de pressao e temperatura. (Fonte:

CHERESOURCES (2011)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Tabela comparando diversos materiais de cilindros em relacao a sua

faixa de pressao recomendada. (Fonte: SPE (2015)) . . . . . . . . . . 33

4.1 Tabela indicando instrumentacao disponıvel no sistema de com-

pressao estudado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Tabela exibindo principais dados geometricos do compressor. (Adap-

tado de ARIEL (2018)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3 Tabela exibindo volumes de espaco morto no compressor. (Adaptado

de ARIEL (2018)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4 Tabela exibindo impacto do percentual de abertura do VVCP do

primeiro estagio no volume do espaco morto do cilindro. Volumes em

polegadas cubicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.5 Pressoes e Temperaturas medidas no processo. . . . . . . . . . . . . . 47

4.6 Tabela exibindo propriedades do gas utilizado no servico. . . . . . . . 47

4.7 Tabela exibindo impacto do percentual de abertura do VVCP do

primeiro estagio no comportamento da eficiencia volumetrica do Head

End. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.8 Tabela exibindo resultados dos calculos das eficiencias volumetricas

dos segundo e terceiro estagios para ambos efeitos. . . . . . . . . . . . 49

4.9 Tabela exibindo dados necessarios para obter forcas inerciais. . . . . . 54

xiv

Capıtulo 1

Introducao e Objetivos

1.1 Industria de Oleo e Gas Offshore no Brasil

Em meados da decada de 1960, a PETROBRAS - empresa estatal criada para

concentrar atividades de exploracao e producao de petroleo no paıs - constatou

que as descobertas de campos terrestres nao eram suficientes para garantir a au-

tossuficiencia do Brasil na commodity, reduzindo sua dependencia em relacao as

importacoes de derivados. Dessa maneira, decidiu-se redirecionar as exploracoes

para o mar.

Apesar de um inıcio um tanto quanto frustrante nessas exploracoes, no decorrer

da decada de 1970, foram descobertos os primeiros campos de petroleo na Bacia de

Campos. Comecou a partir de entao, um ciclo de descobertas nos quais podem-se

citar os campos de Enchova, Namorado e Badejo.

Figura 1.1: Evolucao dos empreendimentos offshore na industria de oleo e gas.(Fonte: MORAIS (2013))

Nas decadas posteriores, as seguintes descobertas colaboraram crucialmente para

1

o aumento das reservas nacionais de petroleo e, finalmente, o alcance da autossu-

ficiencia nacional no ano de 2006. Como pode ser observado na figura 1.1, a PE-

TROBRAS teve papel imprescindıvel nesse marco atraves do desenvolvimento de

campos em aguas cada vez mais profundas.

Por fim, as recentes descobertas no pre-sal da Bacia de Santos elevaram o Brasil

a uma condicao de paıs, nao apenas autossuficiente, mas tambem exportador de

petroleo.

1.2 Perspectivas do Setor Energetico

Um estudo da BP (BP (2017)), empresa multinacional sediada na Gra-Bretanha

que opera no setor de energia, realizado no ano de 2017 mapeou os principais

numeros mundiais no que tange a industria de energia.

Nele, e possıvel perceber uma tendencia de transicao na matriz energetica glo-

bal. Tal fato pode ser confirmado observando companhias, antes denominadas pe-

trolıferas, que agora se definem como empresas de energia. Ha tambem uma pressao

da populacao mundial para que se opte, cada vez mais, por fontes mais limpas de

energia que as utilizadas nas revolucoes industriais anteriores.

Em contrapartida ao apresentado acima, como apresentado no grafico 1.2, ainda

ha uma elevada dependencia das fontes energeticas de origem fossil na matriz

energetica mundial.

Figura 1.2: Matriz Energetica Global por fonte de energia. (Fonte: BP (2017))

Para atender a demanda por energia, a exploracao e producao em locais mais re-

motos e crucial. Nesse cenario, os campos offshore brasileiros tem papel fundamental

no suprimento da demanda global por petroleo e gas.

2

Ainda nesse contexto, pode-se perceber, atraves do grafico 1.3, que o continente

sul americano - devido, dentre outros motivos, aos gigantes campos brasileiros -

concentra boa parte de reservas mundiais de oleo em termos percentuais. O grafico

apresenta a razao entre reservas e producao. Esta razao compara quanto ha do

recurso disponıvel ja descoberto contra o quanto e produzido anualmente.

Figura 1.3: Relacao entre reservas e producao de petroleo por continente. (Fonte:BP (2017))

Apos a mais recente crise no setor que resultou numa altıssima queda nos precos

do barril de petroleo nos ultimos anos, a industria de oleo e gas no Brasil e no mundo

teve que se reinventar ao mudar sua mentalidade e se preocupar cuidadosamente com

custos de operacao e producao.

3

Figura 1.4: Variacao nos precos do barril de petroleo BRENT em US$ nos ultimos20 anos. (Fonte: NASDAQ (2018))

Seguindo essa logica, faz-se necessario elevar o entendimento dos principais equi-

pamentos utilizados na cadeia de producao dessa commodity visando aumentar as

taxas de disponibilidade dos mesmos nas plataformas.

A fim de uma recuperacao economica mais veloz, foram incentivados investi-

mentos internacionais no setor de oleo e gas brasileiro. Diversas medidas foram

tomadas buscando atrair companhias internacionais a explorar no Brasil. Dentre

elas, podem-se destacar reducoes nos percentuais de conteudo local e isencao fiscal

em equipamentos anteriores a fase de producao - REPETRO - e a nao obrigatorie-

dade da participacao da PETROBRAS em todo consorcio exploratorio na regiao do

Pre-Sal da Bacia de Santos.

Os reservatorios presentes nesta bacia sedimentar sao caracterizados por oleos

de elevado grau API, tendo, portanto, alto valor comercial agregado. Tambem tem

como caracterıstica elevado RGO – razao gas oleo – o que exige uma complexa estru-

tura para processamento e exportacao do gas, incluindo gasodutos e compressores.

Esperam-se nos proximos anos, portanto, elevados investimentos no setor oriun-

dos de empresas internacionais que planejam consolidar sua posicao do atraente

ambiente offshore brasileiro.

1.3 Motivacao

Durante a graduacao, pude realizar dois estagios numa empresa multinacional de

energia. Tais experiencias foram fundamentais para aplicar conceitos e fundamentos

aprendidos durante a faculdade de engenharia mecanica. Como parte do programa

4

de estagio, desenvolvi uma ferramenta para monitoramento dos compressores alter-

nativos de um FPSO - Floating, Production, Storage and Offloading unit - a partir

de dados operacionais do processo bem como parametros fornecidos pelo fabricante.

Atraves dessa experiencia, surgiu a ideia de realizar o presente estudo, analisando e

discorrendo sobre a performance desses equipamentos na industria de processos.

1.4 Objetivos

Este trabalho tem dois objetivos principais. O primeiro e, atraves da analise de

uma serie de artigos e livros sobre o tema, compilar informacoes relevantes sobre

compressores alternativos em uma planta de processos. Boas praticas da industria

e dados estatısticos sobre esses equipamentos tambem estarao presentes neste tra-

balho.

O segundo objetivo e analisar o comportamento dos principais parametros ope-

racionais de um equipamento em operacao em funcao de alteracoes no espaco morto

do efeito principal dos cilindros do primeiro estagio de compressao. Serao analisa-

dos como sao afetados vazao volumetrica, potencia requerida e carga resultante nos

pistoes devido a utilizacao desse metodo de controle de capacidade.

1.5 Organizacao do Trabalho

Este trabalho esta organizado em um total de 5 capıtulos. O Capıtulo 2 analisa

como se da o processamento, tratamento e compressao de gas natural em plantas

offshore do tipo FPSO. No Capıtulo 3 e apresentada uma revisao na literatura de

compressores. Fala-se tanto da teoria dos processos de compressao bem como dos

tipos de compressores utilizados na industria de processos. O Capıtulo 4 foca em um

estudo de caso em que sao feitas as analises dos principais parametros operacionais de

um compressor alternativo em operacao a partir de dados fornecidos pelo fabricante e

outros medidos na planta. Nesse capıtulo tambem sao descritas como os parametros

operacionais se comportam a partir de variacoes realizadas no espaco morto dos

cilindros. No Capıtulo 5 sao feitas conclusoes baseadas nos resultados observados

do estudo de caso e comentarios sobre topicos estudados durante a elaboracao deste

trabalho. Finalmente, sao apresentadas as referencias bibliograficas utilizadas neste

trabalho.

5

Capıtulo 2

Compressao de Gas Offshore

2.1 Planta de Processamento de Gas Offshore

Em geral, a explotacao de oleo a partir dos reservatorios nas bacias sedimentares

esta associada a producao de agua e gas. Embora muito comum, nao e sempre que se

encontra um percentual de agua na vazao de fluidos produzidos por pocos. Por outro

lado, sabendo que o petroleo consiste numa mistura de diversos hidrocarbonetos,

pode-se dizer que sua producao costuma estar associada a alguma quantidade de

gas oriunda das fracoes mais leves do hidrocarboneto em questao. Para explicar

a afirmacao acima, sera assumido um reservatorio que nao possui gas livre nas

condicoes de pressao e temperatura do mesmo.

Figura 2.1: Etapas do escoamento de fluidos produzidos em empreendimento deO&G offshore. (Adaptado das notas de aula do Prof. Elısio Caetano, Dr.)

Ao elevar uma certa massa de oleo a superfıcie durante o processo de producao,

6

ha uma reducao na pressao do fluido. Isso se deve a reducao da coluna hidrostatica

em que a massa de oleo esta sujeita. Com essa queda de pressao, os componentes

mais leves dessa mistura se desassociam. Portanto, ao chegar a superfıcie, espera-se

que parte da massa de oleo original explotado, apresente-se na forma de gas.

Esse fato pode ser explicado com o auxılio do diagrama 2.2. Nele, pode-se

perceber que conforme a pressao do fluido reduz, a fracao volumetrica de gas presente

na producao aumenta.

Figura 2.2: Diagrama ilustrando comportamento do fluido de reservatorio sob dife-rentes pressoes e temperaturas. (Fonte: DAKE (1978))

Dessa forma, faz-se necessario uma instalacao offshore capaz de lidar com o gas

produzido. Nos proximos paragrafos serao descritos um tıpico percurso de gas ao

ser produzido e os principais equipamentos dessa planta de processos.

2.1.1 Separacao Primaria

Primeiramente, sendo trazidos pelo riser de producao, os fluidos produzidos sao

direcionados para separadores trifasicos de alta pressao. Esses separadores consistem

em enormes vasos de pressao que, atraves da gravidade, separam os fluidos em oleo,

agua e gas. Basicamente, ocorre uma decantacao do componente mais pesado para

o mais leve.

A corrente de gas deixa o separador primario e e direcionada aos compressores de

alta pressao. Neles, o gas e comprimido para posteriormente ser exportado, utilizado

7

como combustıvel para plataforma usado como gas lift, como ainda sera discutido

neste trabalho.

Apos o primeiro estagio de separacao, o oleo ainda passa por outros separadores

com menor nıvel de pressao, a fim de retirar a maior quantidade possıvel de agua e

gas dessa corrente. Esse tratamento e fundamental para que o oleo que adentra os

tanques do FPSO estejam nas especificacoes comerciais e regulatorias. Por sua vez,

o gas que e desassociado da corrente de oleo no decorrer dos estagios de separacao

e direcionado para compressores de baixa pressao, tambem chamados de flash gas

compressors, que elevam a pressao dessa corrente de gas a fim de combinar a mesma

a corrente principal de gas oriunda do primeiro separador trifasico antes de passar

pelos compressores de alta pressao.

Figura 2.3: Esquematico de compressao em varios estagios de separacao. (Fonte:ENGINERNG (2015))

2.1.2 Compressao

Com o objetivo de evitar elevadas razoes entre as pressoes de descarga e succao

dos compressores, o que pode impactar na integridade mecanica do equipamento, a

compressao de gas natural e, geralmente, realizada em estagios.

8

Figura 2.4: Diagrama ilustrando sistema de compressao de gas offshore. (Fonte:MOBLEY (2001))

De forma resumida, um estagio de compressao pode ser dividido em tres partes

principais, sao elas:

2.1.2.1 Vaso Filtrador (Scrubber Vessel)

A funcao deste vaso e remover tracos de lıquidos da corrente de gas. O princıpio

de funcionamento e semelhante ao de um vaso separador - onde o lıquido, por ser

mais denso, e liberado pela parte inferior do vaso e o gas, menos denso, e liberado pela

parte superior do mesmo - ja descrito anteriormente. O objetivo desse equipamento

e proteger o compressor da entrada de gotas de lıquidos. A presenca de lıquidos no

compressor pode causar problemas de erosao em seus componentes.

2.1.2.2 Compressor

O compressor e o local onde efetivamente ocorre o processo de compressao do

gas acontece. Neste trabalho, serao descritos diversos tipos de compressores, bem

como suas partes e aplicacoes.

2.1.2.3 Trocador de Calor

De acordo com o princıpio fundamental da termodinamica dos gases, um aumento

na pressao esta atrelado a um aumento na temperatura desse gas. Dessa forma, faz-

se necessario reduzir a temperatura desse gas apos o processo de compressao a fim

de evitar danos nos equipamentos e tubulacoes a jusante do compressor. Para tal,

sao usados trocadores de calor.

9

Os trocadores de calor na industria de processos podem ser de diversos tipos. Os

mais comuns sao os do tipo casco e tubo e de placas.

Trocadores de calor casco e tubo sao constituıdos por uma serie de tubos apri-

sionados no interior de um casco. Um dos fluidos, que sera aquecido ou resfriado,

passa no interior desses tubos enquanto a outra corrente passa por dentro do casco

na parte exterior dos tubos.

Ja trocadores de calor de placas sao compostos por diversas placas finas. Elas

sao levemente separadas e, devido a sua grande area de superfıcie, permitem alto

fluxo de transferencia de calor. Para um mesmo espaco, esse arranjo tende a possuir

maior eficiencia termica que um trocador do tipo casco e tubo.

Em geral, em condicoes de elevadas pressoes e temperaturas, e evitada a uti-

lizacao de trocadores de calor de placas por problemas de vedacao. Dessa forma,

costuma-se utilizar trocadores de calor do tipo casco e tubo nessas circunstancias.

Figura 2.5: Esquematico de um trocador de calor do tipo casco e tubo. (Fonte:SHAH e SEKULIC (2003))

2.1.3 Desidratacao

Apos ser pressurizada, a corrente de gas deixa os compressores de alta pressao e

passa pelo sistema de glicois. Essa etapa do processo busca retirar a agua presente

no gas, desidratando-o.

Ao termino das etapas de separacao e compressao, faz-se necessario desidratar o

gas. Esse processo e de suma importancia pois caso nao ocorra, diversos problemas

podem ser causados.

O principal deles e a formacao de hidratos nas tubulacoes, podendo ate mesmo

plugar os dutos por excessiva incrustacao. Esse fenomeno ocorre na presenca de gas

e agua sob condicoes de baixa temperatura e elevada pressao.

Dentre outros problemas, a presenca de lıquidos pode causar a erosao dos gaso-

dutos e tambem problemas de corrosao atraves da formacao de gases acidos como

10

CO2 e H2S nas linhas.

Ha diferentes metodos para realizar tal processo. Eles variam de acordo com o

fenomeno fısico - adsorcao e absorcao - e tambem com o agente dessecante, podendo

ser no estado lıquido ou solido, a serem utilizados. O metodo mais comum e o

processo de desidratacao de gas natural atraves da absorcao com glicois. Portanto,

apenas esse sera descrito no presente trabalho.

Ao chegar na unidade de desidratacao com glicois, o gas umido (com teor de

agua) e direcionado para a parte inferior da glycol contactor, enquanto na parte

superior, ha a entrada de glicol com elevado grau de pureza (baixıssimo teor de

agua livre). Durante esse contato, o glicol remove agua do gas natural atraves de

uma absorcao fısica, sendo liberado pela parte inferior da coluna com teor de agua

elevado - rich glycol. Ele passara por um processo de regeneracao na planta a fim

de liberar a agua absorvida e poder ser reutilizado para a desidratacao da corrente

de gas e dar continuidade no processo.

Por sua vez, o gas seco - baixıssimo teor de agua - e liberado pela parte superior

da torre de glicol.

A figura 2.6 retrata um PFD - process flow diagram - de uma unidade de desi-

dratacao de gas com glicois:

Figura 2.6: Diagrama retratando processo de desidratacao por glicois. (Fonte:NGINX (2018))

2.1.4 Adocamento do Gas

Para colocar o gas nas condicoes de exportacao, alguns trens de processamento

de gas contem equipamentos especıficos para remocao de componentes indesejados

como H2S e CO2. Esses gases sao considerados acidos e podem contribuir para

11

fenomenos de corrosao em equipamentos e tubulacoes da planta de processo. Assim,

o processo de desacidificacao ou adocamento da corrente de gas e necessario para a

remocao dos mesmos.

Ha diversos metodos para o adocamento da corrente de gas e dentre eles podem

ser citados processos de absorcao, adsorcao e tecnologia de membranas. Tambem

e comum a utilizacao de solucoes hıbridas que combinam mais de um metodo em

plantas de processamento de gas offshore.

Uma outra alternativa quando o teor de H2S nao e muito elevado e a injecao

de compostos quımicos sequestrantes de sulfeto de hidrogenio nao regenerativos.

Esses quımicos costumam ser injetados em equipamentos submarinos anteriores a

separacao primaria a fim de aumentar seu tempo de interacao com a corrente de

gas.

Para a planta de processos analisada neste trabalho, por nao haver teor relevante

de CO2 e o teor de H2S nao ser elevado, optou-se por adotar o metodo descrito

acima.

2.1.5 Funcoes do gas natural produzido

Apos os processos de compressao e tratamento, ha algumas possibilidades de

destino para o gas produzido. Sao elas:

2.1.5.1 Exportacao

Embora quando comparado ao oleo, seu valor comercial seja baixo, ha, sem

duvidas, mercado para as fracoes mais leves de hidrocarbonetos. Tal mercado pos-

sui grande relevancia no cenario nacional ja que o gas e utilizado para diversos

fins, dentre eles: combustıvel para frota de veıculos e para plantas industriais, uso

domestico para aquecimento e preparacao de alimentos.

Como exemplo de empresas presentes nesse mercado, pode-se citar as compa-

nhias que fazem a distribuicao de gas para uso domestico e industrial (Ultragaz,

Supergasbras, dentre outras).

Portanto, boa parte do gas produzido offshore e exportado para a costa atraves

de gasodutos.

Ha tambem a possibilidade de exportar esse gas produzido para outros empre-

endimentos offshore, como plataformas de producao de petroleo, que nao sejam

autossuficientes em gas natural.

2.1.5.2 Combustıvel para o FPSO

Em geral, o sistema de energia de um FPSO se da atraves de turbinas geradoras

que podem utilizar como combustıvel diesel e o proprio gas natural produzido pela

12

planta.

Por aspectos logısticos e financeiros, a utilizacao de diesel fica restrita apenas a

situacoes de emergencia ou iniciacao de planta. Dessa forma, e preferıvel usar o gas

natural produzido como combustıvel para os sistemas do FPSO.

2.1.5.3 Gas Lift

O gas produzido tambem pode ser utilizado como metodo de elevacao artificial

a fim de dar suporte a surgencia dos pocos produtores.

O mecanismo consiste em reinjetar o gas (comprimido e desidratado) na regiao

anular da coluna de producao. Atraves de valvulas contidas em mandris, o gas

pressurizado e capaz de ser transferido da regiao do anular para a parte interna da

coluna de producao.

Ao adicionar gas na coluna, por se tratar de um componente mais leve, a den-

sidade da mesma diminui. Dessa forma, a pressao hidrostatica na coluna tambem

e reduzida e, assumindo uma pressao de reservatorio constante, e possıvel perceber

um aumento na vazao de producao do poco.

O metodo de gas lift e um dos mais utilizados como elevacao artificial, permitindo

que pocos nao surgentes sejam capazes de fluir e aumentando a vazao daqueles ja

surgentes. A figura 2.7 ilustra, de forma simplificada, como funciona esse mecanismo

de elevacao.

Figura 2.7: Esquematico simplificado ilustrando o mecanismo de gas lift. (Fonte:SOUZA (2012))

13

2.1.5.4 Reinjetado no Reservatorio como metodo de Recuperacao

Devido a grande quantidade de gas presente, em alguns campos do pre-sal da

Bacia de Santos esta sendo utilizada a injecao de gas no reservatorio em pocos

especıficos (assim como ocorre com a agua) como metodo de recuperacao avancada.

Tal medida tem como objetivo manter a pressao do reservatorio elevada, permitindo

a manutencao de elevadas vazoes de producao.

Esse mecanismo funciona da seguinte forma: ao injetar gas atraves do poco

injetor, essa massa de gas empurra o oleo aos pocos produtores, proporcionando

maiores vazoes de producao de oleo e mantendo a pressao no interior do reservatorio

elevada.

Figura 2.8: Esquematico da reinjecao de fluidos em um reservatorio. (Fonte: DAKE(1978))

2.1.5.5 Queima (Flare)

Como alternativa menos desejada, o gas pode ser queimado no flare da propria

planta de processos. Em casos emergenciais ou de paradas nao programadas no

sistema de processamento de gas, muitas vezes, queimar e a unica opcao a fim de

garantir a seguranca da plataforma.

14

Figura 2.9: Gas sendo queimado em um FPSO. (Fonte: OILNOW (2018))

15

Capıtulo 3

Revisao Bibliografica

Apos ter sido discorrido sobre alguns conceitos fundamentais da engenharia de

processos em uma planta offshore de producao de hidrocarbonetos, faz-se necessario

realizar uma analise mais aprofundada nos equipamentos responsaveis pela com-

pressao de gas.

Portanto, este capıtulo e destinado a prover o embasamento teorico necessario

para a compreensao do estudo de caso presente no capıtulo seguinte. Os dois objeti-

vos centrais sao definir o que sao compressores e seus tipos e analisar os fundamentos

e prıncipios que regem compressores do tipo alternativo.

3.1 O que sao compressores?

Compressores sao equipamentos mecanicos utilizados tanto na industria quanto

no quotidiano cuja funcao e elevar a pressao de fluidos no estado gasoso. Depen-

dendo do seu princıpio de operacao, os compressores podem ser classificados em

dois grandes grupos. Esses grupos, por sua vez, podem ser subdivididos em diversos

tipos, como ilustrado na figura 3.1.

16

Figura 3.1: Tipos de Compressores. (Fonte: BLOCH e HOEFNER (1996))

A figura 3.2 mostra faixas de aplicacao aproximadas para compressores axiais,

centrıfugos e alternativos.

Figura 3.2: Aplicacoes de Compressores levando em conta pressao de descarga ecapacidade de processamento. (Fonte: BLOCH e HOEFNER (1996))

17

3.2 Tipos de Compressores

3.2.1 Compressores Volumetricos ou de Deslocamento Po-

sitivo

Neste tipo de compressor, a elevacao na pressao da massa de gas se da atraves

de uma reducao no volume que a mesma ocupava anteriormente ao processo de

compressao. Em geral, ha uma peca movel (membro ou pistao) para deslocar esse

gas.

3.2.1.1 Compressores Alternativos

Em compressores alternativos, a massa de gas e admitida apos a abertura de

uma valvula de succao em um cilindro. Apos o fechamento desta valvula, ocorre

a compressao do gas atraves do movimento linear de um pistao conectado a um

virabrequim atraves de um mecanismo biela-manivela. Finalmente, ao ser atingida

uma pressao especıfica no interior do cilindro, ha a abertura de uma valvula de

descarga para permitir a saıda do gas pressurizado. Nesse tipo de compressor, o

processo ocorre de forma intermitente.

3.2.1.2 Compressores Rotativos

Em compressores rotativos, ha a compressao dos gases atraves de elementos

giratorios. Diferentemente de compressores alternativos, a compressao e feita de

forma contınua e nao intermitente.

Ha diversos tipos de compressores rotativos, dentre eles: compressores de lobulos,

de palhetas, de parafusos e de anel lıquido.

Figura 3.3: Compressor rotativo de palhetas deslizantes. (Fonte: MOBLEY (2001))

3.2.2 Compressores Dinamicos

Compressores dinamicos sao maquinas de fluxo contınuo no qual um elemento

rotativo acelera a massa de gas conforme a mesma passa por esse elemento. Dessa

18

forma, o gas que inicialmente recebe um trabalho mecanico, adquirindo energia

cinetica, tem essa forma de energia convertida em energia de pressao atraves do

aumento progressivo da area transversal no sentido do fluxo do gas. Pelos princıpios

de mecanica dos fluidos, isso faz com que a massa de gas ao perder velocidade,

aumente a pressao.

Dependendo da maneira pelo qual a corrente de gas obtem energia cinetica, o

compressor pode ser classificado em diversas formas.

3.2.2.1 Compressores Centrıfugos

Em geral, um compressor e chamado de centrıfugo quando o fluxo de gas e radial

e a energia transferida e devido a uma mudanca nas forcas centrıfugas atuando no

gas.

Nesse tipo de compressor, o gas entra no olho do impelidor. Nesse momento,

ha a transferencia de energia do impelidor rotativo para o gas, que e acelerado.

Conforme o impelidor gira, mais gas e confinado no espaco criado pela voluta. O

gas e comprimido ja que mais gas e forcado para dentro da voluta pelas laminas do

impelidor. A pressao do gas aumenta e ele vai sendo empurrado pelo espaco livre

na voluta.

3.2.2.2 Compressores Axiais

Compressores axiais sao constituıdos tanto por componentes rotativos quanto

estacionarios. Ha um eixo que contem diversos aerofolios. O princıpio de funciona-

mento e muito parecido com o compressor centrıfugo, mas neste a trajetoria do gas

e axial.

Figura 3.4: Estrutura de um compressor de escoamento axial. (Fonte: BAHADORI(2014))

19

3.3 Teoria de Compressao

Tanto compressores volumetricos quanto dinamicos sao governados por princıpios

derivados dos fundamentos de termodinamica e mecanica dos fluidos. Este topico se

destina a definir terminologıa e discorrer sobre os principais parametros operacionais

necessarios a compreensao desses equipamentos.

Embora boa parte dos conceitos aqui descritos se apliquem a outros tipos de

compressores, o foco deste topico estara em prover fundamentacao teorica para

permitir uma analise mais detalhada de compressores alternativos.

3.3.1 Tipos de compressao

Embora os tipos de compressao listados abaixo sejam apenas modelos, ou seja,

nao representam exatamente a realidade do processo de compressao, eles permitem

equacionar o processo fısico, aumentando seu nıvel de entendimento.

3.3.1.1 Compressao Isentropica

Um processo isentropico, tambem conhecido como adiabatico e reversıvel, e

aquele que nao ha calor adicionado ou removido do sistema. A equacao 3.1 re-

laciona as pressoes e volumes para esse tipo de processo:

P1Vk

1 = P2Vk

2 = constante (3.1)

O termo k corresponde a razao entre os calores especıficos a pressao constante e

a volume constante do gas analisado.

Na pratica, o processo de compressao nao e perfeitamente adiabatico e algum

ganho de calor pelas partes do compressor e inevitavel. Mesmo assim, o modelo de

compressao isentropica se apresenta como uma boa aproximacao para o fenomeno

de compressao.

3.3.1.2 Compressao Politropica

Um processo politropico, por sua vez, tem como base alteracoes nas carac-

terısticas do gas durante sua compressao. A equacao que rege esse tipo de com-

pressao e muito similar a referente ao processo isentropico, porem utiliza o expoente

n, que varia durante a compressao.

P1Vn

1 = P2Vn

2 = constante (3.2)

Em geral, o expoente politropico n e determinado experimentalmente para um

determinado tipo de compressor, podendo ser inferior ou superior ao expoente

20

isentropico.

3.3.2 Eficiencia do Processo de Compressao

Ambos os processos de compressao descritos na secao anterior possuem eficiencias

isentropica e politropica, respectivamente.

Pode-se definir a eficiencia isentropica como sendo a razao entre o trabalho que

sai para um processo ideal e o trabalho realizado pelo compressor para pressurizar

o gas.

Para um determinado ponto de operacao, a equacao abaixo nos mostra como

calcular a eficiencia isentropica:

ηs =Ts

[(Pd

Ps

) (k−1)k − 1

](Td − Ts)

(3.3)

De forma similar, a eficiencia do processo politropico e dada por:

ηp =

[(n−1)nln(Pd

Ps

)]ln(TdTs

) (3.4)

Por se tratar de um calculo utilizado apenas para um determinado ponto de

operacao, tal valor nao se mostra muito representativo para situacoes mais gerais.

Dessa forma, neste trabalho, sera utilizado o valor de 83,5% como eficiencia po-

litropica para compressores alternativos. Esse valor foi proposto por SCHEEL.

3.3.3 Fator de Compressibilidade

A equacao dos gases ideais, derivada das leis de Charles e Boyle, torna possıvel

uma relacao entre diversos estados termodinamicos.

PV = nRT (3.5)

Todavia, todos os gases tendem a desviar em diversos nıveis do comportamento

de um gas ideal.

Tendo em vista a compressibilidade do fluido e a operacao em elevadas condicoes

de pressao, faz-se necessaria uma adaptacao na lei dos gases perfeitos ao comporta-

mento real dos gases. Para isso, utiliza-se uma fator de correcao, denominado fator

de compressibilidade z.

PV = znRT (3.6)

21

3.3.4 Eficiencia Volumetrica

No momento em que o pistao atinge a posicao extrema junto ao cabecote do

compressor, ainda ha certo volume de gas no cilindro que nao sera descarregado.

Esse volume existe devido a valvulas e folgas necessarias entre o cabecote e o pistao

e e inevitavel.

Espaco morto ou espaco nocivo e o nome que se da a essa massa de gas que e

pressurizada, porem nao descarregada.

Figura 3.5: Diagrama pV para um ciclo ideal de compressao e representacao doespaco morto em um cilindro. (Fonte: DE FALCO (1989))

Com base no diagrama acima, pode-se perceber que ao ser iniciado o retorno do

pistao (ponto 3), ha uma expansao do gas contido no espaco morto. Isso faz com

que a pressao reduza gradativamente, seguindo um processo politropico, ate atingir

a pressao de succao.

Dessa forma, ate atingir essa pressao, o pistao deve percorrer um trecho do seu

curso. Obviamente, pode-se perceber que o volume aspirado do reservatorio de

succao a partir daı sera inferior que o volume total deslocado pelo pistao.

A razao entre esses volumes e denominada eficiencia volumetrica e representa

importante parametro na analise de maquinas alternativas.

ηvt =VaspVd

(3.7)

Considerando os processos 1-2 e 3-4 politropicos e o volume no ponto 3 no grafico

3.5 como sendo igual ao volume do espaco morto do cilindro Vo, pode-se reescrever

a a equacao acima em termos dos volumes e pressoes do diagrama pV.

22

ηvt = 1 − VoVd

(r1nc − 1) (3.8)

E importante ressaltar que a equacao 3.8 se refere a uma eficiencia teorica. O

rendimento volumetrico real do compressor sera inferior a aquele previsto anterior-

mente. Alguns dos motivos serao explicados abaixo:

Em geral, a agua utilizada para o resfriamento dos cilindros e mantida com a

temperatura mais alta que a temperatura de succao do gas. No momento em que

ha a admissao do gas, o mesmo recebe calor das paredes do cilindro, o que aumenta

sua temperatura e, consequentemente, seu volume especıfico. Assim, a massa de gas

que preenchera o cilindro sera menor.

As valvulas de succao e os aneis de pistao durante a compressao do gas no espaco

nocivo podem permitir fugas de gas. No processo de expansao, todavia, essas fugas

teriam um efeito positivo, aumentando a vazao.

A fim de contabilizar, dentre outros, os fatores levantados acima, BOTELER

propos a seguinte equacao para a eficiencia volumetrica real:

ηv = 0, 97 − VoVd

(zszdr

1nc − 1

)− L (3.9)

Podem ser feitas algumas observacoes em relacao a equacao 3.9, sao elas:

O fator 0,97 ao inves de 1,0 leva em consideracao o efeito do aquecimento do

gas durante a admissao na vazao massica do compressor. Tambem e levada em

consideracao a perda de carga nas valvulas.

Pode-se notar tambem o impacto da compressibilidade do gas na relacao.

Por fim, o termo L indica uma reducao na eficiencia volumetrica devido as fugas

de gases. E importante ressaltar que as faixas desse parametro dependem da vedacao

e, por consequencia, da lubrificacao do compressor. Em compressores lubrificados,

o oleo atua como agente vedador e as fugas de gas sao inferiores. Tambem cabe

observar que gases com menor peso molecular tendem a apresentar maiores nıveis

de fuga que gases com maior densidade.

Tabela 3.1: Tabela exibindo diminuicao do rendimento volumetrico devido as fugas.(Fonte: DE FALCO (1989))

Tipo de Compressor Faixa de L

Compressores lubrificados 0,02 - 0,05

Compressores nao lubrificados 0,04 - 0,10

Quantificar a eficiencia volumetrica para um determinado compressor alternativo

e, como sera visto nos proximos itens, fundamental para prever a vazao realmente

fornecida por esse equipamento.

23

3.3.5 Composicao do Fluido

Como pode ser observado nas equacoes descritas neste presente trabalho, fatores

como compressibilidade, massa especıfica e coeficientes isentropico e politropico tem

papel importante nos resultados obtidos. Todos esses parametros estao intimamente

ligados a composicao do gas.

Experimentalmente, foi observado que gases com composicoes quımicas distintas,

quando submetidos as mesmas condicoes de compressao, ha variacao na temperatura

de descarga. Isso pode ser notado quando se testa um compressor utilizando um

fluido diferente daquele de servico.

Tal fato pode ser observado atraves das equacoes definidas nos itens em que

foram discutidas os processos de compressao politropica e isentropica. Ao alterar

a composicao do gas, tambem mudam seus calores especıficos, portanto, espera-se

que haja um deslocamento na curva do processo de compressao no diagrama PV.

Figura 3.6: Impacto do coeficiente politropico em processos de compressao. (Fonte:VAN WYLEN et al. (2003))

Em GARCIA-HERNANDEZ et al. (2015), foi realizado um estudo em que, ao

serem mantidas constantes a rotacao do compressor e a razao de compressao do

primeiro estagio, ha uma reducao na eficiencia do compressor conforme a massa

especıfica do gas aumenta. Pode-se tambem notar um aumento no consumo de

potencia pelo compressor.

24

Figura 3.7: Impacto da gravidade especıfica dos gases em parametros operacionaisdo compressor. (Fonte: GARCIA-HERNANDEZ et al. (2015))

Segundo DE FALCO (1989), o fator de compressibilidade tem influencia sobre o

trabalho requerido pelo cilindro e pode ser visto na figura 3.8:

Figura 3.8: Efeitos da compressibilidade no processo de compressao. (Fonte:DE FALCO (1989))

Pode-se notar que, quando a razao de compressibilidade entre descarga e succao

e inferior a 1, ha um decrescimo na eficiencia volumetrica do cilindro. Isso faz com

que haja uma reducao na vazao em volume em relacao aquela prevista ao assumir

a lei dos gases perfeitos.

3.3.6 Capacidade do Compressor

3.3.6.1 Vazao Massica

A vazao massica e expressa como uma certa massa por unidade de tempo. Em

compressores, e comum a utilizacao de quilogramas por minuto (kg/min) ou libras

por minuto (lbm/min).

25

A vazao massica e um valor especıfico independente das propriedades do gas e

das condicoes de succao do compressor. Ela tambem pode ser especificada numa

base seca ou umida (vapor d’agua incluso).

3.3.6.2 Vazao Volumetrica Padrao

A vazao volumetrica padrao e a maneira mais comum na industria de descrever

a capacidade de um compressor. Isso ocorre pois essa medida e independente das

reais pressao e temperatura do gas.

A vazao volumetrica padrao, portanto, retrata um volume por unidade de tempo

usando pressao e temperatura corrigidas para as condicoes padrao. Essas condicoes

devem ser aplicadas para nao apenas pressao e temperatura, mas tambem, o peso

molecular e o fator de compressibilidade.

Tabela 3.2: Tabela exibindo condicoes padrao de pressao e temperatura. (Fonte:CHERESOURCES (2011))

Parametro Valor usado na condicao padrao

Pressao 14,696 psi

Temperatura 15 oC

A unidade para vazao volumetrica padrao e, em geral, expressa em milhoes de

pes cubicos padrao por dia (MMScf/D).

3.3.6.3 Vazao Volumetrica Real

Por sua vez, a vazao volumetrica real e definida como um certo volume por uni-

dade de tempo da succao do compressor. Ele difere em relacao a vazao volumetrica

padrao por ser medido nas condicoes de pressao e temperatura reais do gas no ins-

tante da succao.

3.3.7 Razao de Compressao

Em um compressor, o gas e admitido em uma baixa pressao e expelido a uma

pressao mais elevada. A maneira mais conveniente de expressar a relacao entre

pressoes de succao e descarga e a razao de compressao.

Dessa forma, a razao entre a pressao absoluta de descarga e a pressao absoluta

de succao e definida como a razao de compressao.

Note que, por se tratar de uma razao entre duas variaveis com mesmas unidades,

a razao de compressao e um numero adimensional.

26

3.3.8 Potencia Requerida

A fim de realizar a compressao do gas, e necessario fornecer energia ao com-

pressor. Alem disso, e necessario contabilizar as perdas mecanicas por atrito e

termodinamicas por calor durante o processo de compressao.

Dessa forma, pode-se definir como potencia requerida a quantidade de energia

por unidade de tempo para dar continuidade ao processo.

Em um compressor alternativo, a potencia pode ser estimada com base nos dados

operacionais e geometricos do compressor. A equacao abaixo descreve como calcular

a potencia requerida para a compressao em um cilindro. A mesma esta expressa na

equacao 4.9 e sera detalhada no capıtulo seguinte.

W = ηpηmNPsVaspn

n− 1

(r

n−1n

c − 1)zs + zd

2zs(3.10)

Graficamente, o trabalho indicado em um ciclo, considerando uma rotacao com-

pleta do virabrequim, corresponde a area do diagrama pV para o cilindro nas

condicoes de servico.

Por sua vez, a potencia de um compressor sera o produto entre a rotacao do vira-

brequim com o somatorio dos trabalhos realizados por ciclo para todos os cilindros

do compressor.

Vale ressaltar que no caso de um cilindro de duplo efeito, devem ser contabilizados

os trabalhos em ambos os lados do pistao.

3.3.9 Eficiencia Mecanica

A potencia requerida W calculada no item anterior, para condicoes especıficas,

e aquela que efetivamente deve ser fornecida ao compressor. Obviamente, devido a

atritos entre as partes moveis do equipamento, a potencia fornecida ao compressor

deve ser superior aquela calculada anteriormente.

Essa potencia entregue ao compressor, em geral, e fornecida por um motor ou

turbina associado ao eixo virabrequim do compressor. Ela e chamada de potencia

efetiva de compressao. Por sua vez, a parcela de potencia aproveitada na compressao

do gas e denominada potencia indicada.

Dessa forma, pode-se definir como eficiencia mecanica a razao entre ambas

potencias definidas acima:

ηm =W

Potfornecida(3.11)

Ha casos, todavia, em que nao e possıvel realizar uma medicao precisa acerca de

quanta potencia esta sendo fornecida especificamente para o compressor. Isso ocorre

27

pois as turbinas que geram energia offshore alimentam diversos equipamentos, nao

havendo uma instrumentacao individual para cada um deles.

Nesse cenario, quando nao e possıvel realizar uma medicao precisa, costuma-se

estimar as perdas mecanicas em aproximadamente 5%. Esse valor esta de acordo

com aqueles propostos por DE FALCO (1989) e adotados na industria.

3.3.10 Ciclo de Compressao

O ciclo de compressao em um compressor alternativo ocorre durante uma volta

completa do virabrequim. De forma simplificada, o diagrama pV (pressao versus

volume) e capaz de ilustrar as etapas do ciclo para um efeito do cilindro. Vale

ressaltar que em cilindros de duplo efeito, ha uma defasagem entre as etapas do

processo entre ambas as camaras.

A figura 3.9 ilustra um ciclo termodinamico teorico de compressao:

Figura 3.9: Diagrama pV para um ciclo teorico de compressao. (Fonte: BELTRANet al. (2005))

O ponto 3, tambem denominado de espaco morto, corresponde ao momento em

que o pistao se encontra no ponto morto superior. Esse ponto e o que contem o

volume mınimo de gas no processo.

Nesse momento, comeca o processo de expansao do gas contido no espaco morto

e, conforme o pistao recua, ha uma reducao na pressao do gas.

O ponto 4 e o momento em que ha a abertura da valvula de succao, permitindo

a admissao de uma carga de gas no pistao. Conforme o gas adentra o cilindro, o

pistao se desloca ate o ponto em que o volume e maximo, ponto 1.

Nesse ponto, ha o fechamento da valvula de succao e o processo de compressao

do gas admitido ocorre. Esse processo ocorre ate o momento em que a carga de gas

atinge as condicoes do ponto 2.

28

Finalmente, a essa altura, a valvula de descarga e aberta, ha a expulsao da carga

durante o deslocamento do pistao do ponto 2 ate o ponto 3. Ao fim desta etapa,

fica no cilindro apenas uma pequena massa, referente ao volume morto do cilindro.

Os processos de expansao e compressao aqui descritos sao idealmente

isentropicos. Isso assume que nao ha geracao de irreversibilidade ou perda de calor.

Na pratica isso nao acontece, e os processos sao ditos politropicos.

E importante deixar claro que embora o ciclo descrito acima represente um bom

modelo inicial, o ciclo real possui algumas particularidades nao previstas no modelo

teorico. Alem das irreversibilidades dos processos, ha a influencia de valvulas e fugas

de gas que impactam no formato do diagrama.

Figura 3.10: Diagrama pV para um ciclo real de compressao. (Fonte: BELTRANet al. (2005))

Embora, de fato, os diagramas apresentem semelhancas, algumas diferencas se

destacam.

O ponto 4 tende a apresentar pressao inferior ao do diagrama ideal. Isso se

deve pelo fato da pressao no interior do cilindro cair um pouco abaixo da pressao

atmosferica no momento da admissao da nova carga de gas. Tambem e possıvel

notar uma leve queda na pressao durante o processo de descarga. Essa variacao na

pressao e necessaria para que a valvula possa abrir.

3.3.11 Compressao em Estagios

Ao substituir a relacao entre volumes e temperaturas extraıda da lei dos gases

ideais relatada pela equacao 3.5 a um processo politropico descrito pela equacao

3.2, pode-se perceber que a temperatura cresce proporcionalmente com a pressao

durante o processo de compressao. Tal relacao fica evidenciada na equacao 3.12:

29

T2

T1

=

(P2

P1

) (n−1)n

(3.12)

Dessa forma, faz-se necessario definir um limite para a razao de compressao a fim

de manter o gas a uma temperatura que nao cause danos a integridade do compressor

e dos equipamentos a jusante desse equipamento.

Para servicos em que elevadas razoes de compressao sao requeridas, costuma-

se dividir a compressao em estagios com trocadores de calor entre os compressores

visando reduzir a temperatura de descarga global do processo.

Figura 3.11: Comportamento da temperatura de descarga para ar com admissao amesma temperatura para diferentes configuracoes. (Fonte: BLOCH e HOEFNER(1996))

Dessa forma, a integridade desses equipamentos e da tubulacao e mantida. Alem

disso, plantas de compressao de gas com trocadores de calor, denominados intercoo-

lers, tendem a ter maior eficiencia energetica, pois a compressao tende a se aproximar

a um processo isotermico em que o trabalho requerido e reduzido.

30

Figura 3.12: Impactos da compressao em estagios no diagrama pV. (Fonte: BLOCHe HOEFNER (1996))

Outros impactos positivos na compressao em estagios sao o aumento da eficiencia

volumetrica ja que a razao de compressao por estagio e inferior, bem como uma

reducao nas cargas dos pistoes. Esse ultimo fato sera detalhado e explicado poste-

riormente no capıtulo seguinte.

Embora sejam notorios os benefıcios da compressao em estagios, faz-se necessario

realizar um estudo de viabilidade tecnica e economica a fim de comparar o inves-

timento inicial e custos de manutencao necessarios para prover esse resfriamento

intermediario com a economia em energia decorrente do projeto.

3.4 Aspectos relevantes em um compressor alter-

nativo

Pelo presente trabalho estar focado na analise de um compressor alternativo, faz

sentido dedicar uma secao apenas para esse tipo de compressor. Assim, durante os

proximos topicos serao descritos diversos aspectos sobre essas maquinas.

3.4.1 Principais partes

Compressores alternativos estao disponıveis em diversos modelos e arranjos. Um

tıpico compressor alternativo e suas principais partes pode ser visto na figura 3.13:

31

Figura 3.13: Secao transversal de um compressor alternativo. (Fonte: BLOCH eHOEFNER (1996))

Em geral, ha uma estrutura que contem todas as partes rotativas. Nela, tambem

estao montados a guia da cruzeta e o cilindro. Trata-se de uma estrutura robusta e

pesada que e projetada para receber elevados carregamentos contınuos.

O cilindro consiste em um vaso de pressao que contem o gas que sera sujeito ao

ciclo de compressao. Eles podem ser de simples ou duplo efeito.

Um cilindro e dito de simples efeito se ele comprime gas em apenas um dos lados

do pistao, independente de qual seja. Cilindros de duplo efeito sao aqueles que o

gas e comprimido em ambos sentidos de trajeto do pistao. Dessa forma, ha duas

camaras de compressao trabalhando em paralelo, cada uma delas limitada por uma

face do pistao.

32

Figura 3.14: Ciclo ideal de compressao para um compressor duplo-efeito. (Fonte:BLOCH e HOEFNER (1996))

A grande maioria dos compressores alternativos utiliza cilindros de duplo efeito

pois esta configuracao apresenta algumas vantagens em relacao ao simples efeito.

Dentre elas, podem-se destacar:

1. Maior regularidade do torque pois a cada volta do virabrequim, sao realizados

dois ciclos de compressao;

2. Por utilizar os dois lados do pistao, a capacidade de compressao de gas e

aumentada. Vale ressaltar que um cilindro duplo efeito nao tem o dobro da

capacidade de um de simples efeito, pois deve ser descontado, dentre outros,

o volume da haste do pistao;

3. Os esforcos laterais dos aneis do pistao contra o cilindro sao reduzidos;

4. O contato entre o oleo lubrificante e o gas pode ser mais eficientemente evitado.

A selecao do material do cilindro e funcao da pressao de operacao. A tabela 3.3

compila alguns materiais e suas respectivas faixas de pressao de aplicacao:

Tabela 3.3: Tabela comparando diversos materiais de cilindros em relacao a suafaixa de pressao recomendada. (Fonte: SPE (2015))

Material do Cilindro Faixa recomendada de pressoes, em psi

Ferro fundido Ate 1000

Ferro nodular Ate 1500

Aco fundido 1500-2500

Aco forjado Acima de 2500

33

E recomendavel que a maxima pressao de trabalho admissıvel (MAWP - maxi-

mum allowable working pressure) de um cilindro seja, pelo menos, 10% superior em

relacao a pressao de descarga prevista no projeto.

Cumpre ressaltar que os compressores podem ser classificados quanto disposicao

de seus cilindros. Eles podem ser horizontais, verticais ou em angulo. Cilindros

dispostos de maneira horizontal tendem a ter maior facilidade e acesso, em especial

as valvulas. Em contrapartida, sao exigidas maiores fundacoes por ocuparem mais

espaco e ha esforcos laterais sobre os aneis do pistao.

Ja cilindros verticais, apesar de terem acesso mais difıcil, ocupam menor espaco

e, portanto, exigem menores fundacoes. A lubrificacao tambem e mais facil nessa

configuracao. Vale destacar que, em compressores muito grandes, o peso do pistao

deve ser levado em consideracao no dimensionamento do equipamento.

O espacador e uma peca que promove a separacao entre o cilindro do compressor

e sua estrutura. Durante o ciclo de compressao, a haste do pistao se movimenta

axialmente pelo bloco contido no interior dessa peca. Dentre as funcoes dessa peca,

podemos destacar a minimizacao do gas comprimido por oleo lubrificante.

O virabrequim, tambem chamado de eixo de manivela, e rotacionado ao redor

do eixo da estrutura e e responsavel por movimentar a biela, a haste do pistao e

o proprio pistao. Ele recebe energia de uma fonte externa para poder ser rotaci-

onado. Em geral, o virabrequim fica na parte central da estrutura e e suportado

por rolamentos em suas extremidades. Esses rolamentos sao instalados de forma

a permitir que o virabrequim se mantenha quase perfeitamente alinhado enquanto

em rotacao. Cabe ressaltar que um pequeno desalinhamento nesse eixo pode causar

serias consequencias ao sistema e iniciar uma falha do mesmo.

A cruzeta e o mecanismo responsavel por converter o movimento rotacional da

biela em movimento translacional alternativo que conduzira o pistao. A biela faz a

conexao entre o virabrequim e a cruzeta e haste do pistao conecta a biela e o pistao.

34

Figura 3.15: Principais partes de um compressor alternativo horizontal. (Fonte:BLOCH e SOARES (1998))

3.4.2 Valvulas

Ha diferentes tipos de valvulas para compressores alternativos, porem, indepen-

dente do modelo, elas possuem as mesmas finalidades. De forma resumida, elas

permitem gas entrar nos cilindros, previnem o retorno do escoamento para a linha

de succao e tambem permitem a passagem de gas a linha de descarga quando a

pressao de descarga do processo no flange do compressor e superada.

As valvulas sao as partes dos compressores alternativos que exigem os maiores

nıveis de manutencao. Suas vidas sao dependentes da composicao do gas e das

condicoes do processo, bem como temperatura e velocidade do pistao.

3.4.3 Sistema de Lubrificacao

A lubrificacao dos pistoes e da selagem do compressor e, provavelmente, o mais

importante fator no processo de compressao. Sem lubrificacao, aneis do pistao e a

selagem se tornarao quentes e vao, eventualmente, quebrar, derreter ou deformar.

Nos compressores industriais mais modernos costuma ser utilizado um sistema

de lubrificacao de salpicos ou um sistema a oleo sob pressao, tambem chamado de

lubrificacao forcada. Esses metodos sao utilizados para pecas como cruzeta, aneis

de selagem, mancais e o proprio virabrequim.

Por sua vez, os cilindros, em geral, sao lubrificados com um lubrificador mecanico,

podendo ter uma ou mais injecoes em cada cilindro. O acionamento desse lubrifica-

dor mecanico pode ser feito atraves de um pequeno motor eletrico ou pelo proprio

virabrequim fazendo uso de um trem de engrenagens. Nesse ultimo cenario, faz-se

35

necessaria uma bomba de pre-lubrificacao para a partida da unidade.

O tipo de lubrificante usado no sistema dependera tanto da qualidade do gas

quanto do material utilizado para construcao do equipamento. Caso o gas contenha

componentes corrosivos, como H2S, CO2, ou oxigenio, lubrificantes resistentes a

corrosao podem ser necessarios.

Normalmente, utiliza-se bronze como material e quando o compressor e do tipo

nao lubrificado, e comum a utilizacao de aneis de vedacao de carvao ou teflon.

Figura 3.16: Diagrama ilustrando sistema de lubrificacao de um compressor alter-nativo. (Fonte: FORSTHOFFER (2005))

3.4.4 Sistema de Resfriamento

Como ja descrito anteriormente, o processo de compressao de gases esta atrelado

ao aumento de temperatura do fluido e, por consequencia, dos equipamentos do

sistema.

Dessa forma, os cilindros, a carcaca e o gas de processo devem ser resfriados

para ampliar a disponibilidade do sistema e minimizar manutencoes necessarias.

Um tıpico circuito de resfriamento por agua e ilustrado no diagrama abaixo.

36

Figura 3.17: Diagrama ilustrando sistema de refrigeracao a base de agua de umcompressor alternativo. (Fonte: FORSTHOFFER (2005))

Cabe ressaltar que a temperatura do lıquido refrigerante, em geral agua, deve ser

regulada a fim de evitar a formacao de condensado no cilindro em caso de aplicacoes

em que ha teor de umidade no gas. Recomenda-se que a agua do sistema de resfri-

amento seja mantida pelo menos 5oC acima da temperatura de succao do gas.

Faz-se necessario um monitoramento cuidadoso do circuito de resfriamento para

a determinacao de manutencoes e limpezas necessarias nos cilindros e trocadores de

calor.

3.4.5 Principais motivos de falhas

Um estudo realizado por Dresser-Rand teve como objetivo identificar e avaliar

os principais fatores que contribuem para paradas nao programadas de compressores

alternativos. Os resultados dessa investigacao industrial podem ser observados na

figura 3.18:

37

Figura 3.18: Causas de paradas nao programadas de compressores alternativos.(Fonte: MINO (2013))

Observando os resultados acima e possıvel notar que falhas em valvulas sao

a principal causa de tempo nao-produtivo de compressores alternativos. Valvulas

danificadas podem ser detectadas atraves do monitoramento diario da temperatura

na capa da valvula.

Outros problemas encontrados durante a operacao de um compressor alternativo

sao:

1. Vazamentos de gas do cilindro de compressao que podem, alem de reduzir a

eficiencia e a capacidade de processamento de gas, danificar partes mecanicas

e as paredes do cilindro devido aos aumentos na pressao e temperatura do gas;

2. Baixas eficiencias volumetricas alem de reduzir a capacidade de compressao dos

cilindros tambem podem resultar em desgastes das valvulas e, dessa forma, de-

vem ser monitoradas. De acordo com recomendacoes da industria, a eficiencia

volumetrica deve ser monitorada e mantida superior a 20%;

3. Elevadas cargas nos pistoes tambem devem ser evitadas. Durante um ciclo

de compressao, um pistao e sujeito a cargas trativas e compressivas, portanto,

faz-se necessario o acompanhamento desse parametro;

4. Baixas reversoes do pistao tambem sao responsaveis por um grande numero

de falhas em cilindros de simples efeito.

38

Por se tratar de um movimento alternativo, ha uma reversao na direcao do pistao

durante o ciclo de compressao. A reversao do pistao e medida como uma parcela dos

360 graus de uma revolucao do virabrequim e deve ser mantida superior a 70 graus

a fim de garantir o balanceamento das cargas. Um desequilıbrio nas cargas pode

forcar o pino da cruzeta a favor de um lado, impactando na sua lubrificacao. No

cenario de duplo-efeito, as reversoes dos pistao costumam ser saudaveis por haver

forcas tanto trativas quanto compressivas.

As principais causas de baixas reversoes sao a quebra de valvulas, elevadas razoes

de compressao combinadas com altas pressoes e cilindros de simples efeito em baixas

rotacoes.

3.4.6 Metodos de Controle de Capacidade

Considerando a rotacao de um compressor constante, mesmo elevadas variacoes

na pressao de succao tendem a nao alterar consideravelmente a capacidade do com-

pressor.

Dessa forma, para sistemas em que ha a necessidade de variar a vazao de gas

processado, faz-se necessario a instalacao de um sistema auxiliar que lhe possibilita

tal flexibilidade.

O tipo de controle utilizado dependera das caracterısticas requeridas pelo sis-

tema.

A vazao de um compressor alternativo e dada pela seguinte relacao. A mesma

sera detalhada no capıtulo seguinte atraves da equacao 4.6.

Qv = (PDHEηv,HE + PDCEηv,CE)(Ps + Patm)

(Ts + 273, 15)(3.13)

Pode-se verificar que ao alterar qualquer das grandezas participantes da ex-

pressao, com excecao obvia dos parametros geometricos, ocasionara numa variacao

da vazao fornecida pelo compressor.

Abaixo, serao descritos alguns metodos adotados pela industria de processos para

controle de capacidade em compressores alternativos.

3.4.6.1 Variacao na rotacao do compressor

A vazao de volume nos cilindros do compressor sao proporcionais a rotacao

do virabrequim. Para uma variacao na rotacao, ha um aumento na potencia ne-

cessaria para comprimir o gas, bem como um aumento na magnitude das cargas nos

pistoes do equipamento. Por outro lado, as eficiencias de compressao, mecanica e

volumetrica tendem a sofrer pequenas variacoes.

Em geral, atraves desse metodo, a capacidade pode sofrer reducoes da ordem de

39

50% da nominal. E importante ressaltar que para reducoes superiores a 50%, faz-se

necessario prover o compressor com um sistema especial de lubrificacao.

Para a utilizacao desse metodo, faz-se necessario a utilizacao de um acionador.

Este pode ser uma turbina, motor de combustao interna ou um motor de inducao

de rotor bobinado.

3.4.6.2 Estrangulamento na succao

Esse metodo se utiliza de uma valvula na succao, podendo ser manual ou co-

mandada, para estrangular o gas. A pressao na entrada do compressor sera funcao

do nıvel de estrangulamento do gas.

Ao reduzir a pressao de succao, ha tambem uma reducao na densidade do gas

na entrada. Isso tambem implica numa diminuicao da vazao em massa fornecida

ao sistema. Todavia, o trabalho requerido por unidade de massa sofre um aumento

devido a maior razao de compressao.

Esse metodo possui elevada limitacao pois a elevacao da razao de compressao

pode implicar numa excessiva temperatura de descarga. Alem disso, elevadas razoes

de compressao requerem altas potencias.

Dessa forma, devido as perdas de energia disponıvel do fluido, pode-se perceber

que o estrangulamento da succao nao se mostra um metodo muito eficaz.

3.4.6.3 Recirculacao e descarga para atmosfera

Em situacoes que requerem vazoes inferiores as fornecidas pelo compressor, e

possıvel recircular parte do gas de volta a succao atraves de um bypass provido de

uma valvula de controle.

Para utilizacao desse bypass, e necessario a utilizacao de um trocador de calor

de forma a resfriar o gas recirculado a fim de evitar um aumento progressivo da

temperatura do mesmo.

40

Figura 3.19: Controle da vazao de um compressor atraves da recirculacao do gas.(Fonte: DE FALCO (1989))

A recirculacao consiste em um metodo de controle pouco economico pois ha o

consumo constante da potencia mesmo com a vazao reduzida entregue pelo com-

pressor.

E importante ressaltar que quando ha compressao em estagios, a fim de evitar

um consumo de potencia mais elevado, e feita a recirculacao apenas no primeiro

estagio.

Quando se tratam de gases baratos e nao perigosos, e realizada simplesmente a

descarga dos mesmos para a atmosfera. Tal medida, considerando gas natural em

um FPSO, e completamente inadmissıvel por questoes ambientais, regulatorias e,

principalmente, de seguranca.

3.4.6.4 Alıvio nas valvulas de succao

Um outro tipo de controle de capacidade em compressores alternativos consiste

no alıvio das valvulas de succao de um cilindro ou de uma das camaras no caso de um

cilindro de duplo-efeito. Tal medida permite ao gas presente no cilindro retornar a

succao durante o ciclo de compressor, reduzindo a potencia de compressao consumida

por esse cilindro.

O alıvio de valvulas de succao e capaz de reduzir a metade ou ate anular a vazao

em cilindros de duplo-efeito dependendo se o metodo for aplicado em uma ou ambas

as camaras de compressao, respectivamente.

Ha impactos negativos decorrentes da utilizacao deste metodo de controle. Den-

tre eles, pode-se citar o desbalanceamento do compressor causado pelas cargas

atıpicas no virabrequim decorrentes da diferenca de pressao entre o cilindro aliviado

e os demais.

Para compressores de multiplos estagios que se utilizam desse metodo, faz-se

necessario reduzir as capacidades dos demais estagios proporcionalmente.

41

3.4.6.5 Variacao do Espaco Morto

Todas as maquinas alternativas possuem um espaco morto em seus cilindros,

que e imposto pelo seu projeto. Em compressores, particularmente, ele e mantido o

menor possıvel.

Ao termino do curso de compressao, esse espaco estara preenchido com gas com-

primido. Quando o pistao retorna, esse gas se expande ate a pressao de admissao

antes que a valvula de succao abra e o gas possa fluir para o cilindro.

Assim, quanto maior for o espaco morto, maior sera a perda no volume de succao.

O metodo de controle de capacidade atraves do incremento no espaco morto e ba-

seado nesse fato. Ao aumentar artificialmente o espaco morto, a quantidade na

descarga do compressor pode ser regulada com baixas perdas.

Da maneira mais simples, esse espaco adicional pode ser obtido atraves da

anexacao de bolsos de volume variavel aos cilindros de compressao - conhecidos

como clearance pockets - que permitem variar suas eficiencias volumetricas.

Em geral, a variacao do espaco morto de um cilindro pode ocorrer de maneira

contınua ou descontınua.

Todavia, o controle atraves desse metodo tende a se tornar impraticavel para

razoes de compressao muito baixas pois nestes casos o espaco morto devera ser

muito grande para se conseguir consideraveis reducoes na vazao.

Figura 3.20: Cilindro de compressao com alıvio nas valvulas de succao (A) e controleno espaco morto (B). (Fonte: BLOCH e SOARES (1998))

42

Capıtulo 4

Estudo de Caso

O presente capıtulo e destinado a analisar o comportamento dos principais

parametros mecanicos mediante a variacoes no espaco morto dos cilindros de com-

pressao do primeiro estagio, e, consequentemente, variacoes na eficiencia volumetrica

dos mesmos.

4.1 Compressor Analisado

O sistema total de compressao de gas estudado consiste em tres estagios de

compressao. Como ja definido anteriormente, cada estagio e composto por um vaso

separador (Scrubber), o compressor em si e um trocador de calor.

Figura 4.1: Diagrama simplificado representando um compressor com tres estagiosde compressao e respectiva instrumentacao. (Fonte: HODAKAN (2018))

Como pode ser percebido na figura 4.1, cada estagio possui diversos sensores que

permitem o monitoramento de alguns parametros fundamentais para o processo de

compressao de gas. A instrumentacao presente neste equipamento esta compilada

na tabela 4.1.

43

Tabela 4.1: Tabela indicando instrumentacao disponıvel no sistema de compressaoestudado

Estagio Medicao diponıvel

Primeiro Pressao de Succao (anterior ao Scrubber)

Pressao de Succao (apos Scrubber)

Pressao de Descarga

Temperatura de Descarga do Cilindro 1.1


Temperatura de Descarga do Trocador de Calor

Nıvel do Scrubber

Segundo Pressao de Descarga




Nıvel do Scrubber

Terceiro Pressao de Descarga




Nıvel do Scrubber

O compressor avaliado e do tipo alternativo e possui dois cilindros iguais e opostos

por estagio (totalizando 6 cilindros). E fabricado pela Ariel Corporation, empresa

americana especializada em compressao de gases. A fim de ilustrar um compressor

alternativo, e possıvel observar tal equipamento na figura 4.2 que foi obtida no site

do fabricante.

Figura 4.2: Compressor Alternativo Ariel Modelo JGC. (Fonte: ARIEL (2018))

As tabelas 4.2 e 4.3 compilam, respectivamente, os principais dados geometricos

do compressor e volumes do espaco morto em ambos efeitos dos cilindros:

44

Tabela 4.2: Tabela exibindo principais dados geometricos do compressor. (Adaptadode ARIEL (2018))

Parametro Descricao Estagio

Primeiro Segundo Terceiro

N Rotacao do Compressor, em RPM 892 892 892

Dp Diametro do Pistao, em polegadas 15,375 9,625 5,875

Dh Diametro da Haste do Pistao, em polegadas 2,5 2,5 2,5

s Curso do Pistao, em polegadas 6,5 6,5 6,5

Tabela 4.3: Tabela exibindo volumes de espaco morto no compressor. (Adaptadode ARIEL (2018))

Estagio Volume (em polegadas cubicas) HE CE

Primeiro Espaco Morto Fixo 160 162

Espaco Morto Variavel Maximo 531 0

Segundo Espaco Morto Fixo 48 51

Terceiro Espaco Morto Fixo 30 34

O controle de capacidade do compressor em questao e feito atraves da combinacao

de dois metodos: recirculacao do gas descarregado de volta a succao e variacao do

espaco morto nos cilindros do primeiro estagio de compressao.

Como o objetivo do presente trabalho e avaliar os impactos da variacao do espaco

morto nos cilindros nos parametros operacionais do compressor, serao desconsidera-

dos os efeitos de reciclo no problema. Dessa forma, qualquer variacao na capacidade

desse equipamento rotativo se dara exclusivamente devido a alteracao na eficiencia

volumetrica dos cilindros.

Conforme ja descrito anteriormente, a alteracao da eficiencia volumetrica de

cilindros de compressao pode se dar atraves da instalacao dos chamados bolsos de

folga, ou clearance pockets, que permitem uma variacao do espaco morto no lado do

pistao nos quais sao instalados. Esses podem ser do tipo fixo ou variavel.

Bolsos de folga variaveis (Variable Volume Clearance Pockets - VVCPs) permi-

tem adicionar volume ao espaco nocivo atraves de um sistema de rosca que, depen-

dendo do numero de voltas do fuso, oferece certo volume adicional ao espaco morto

do cilindro. A figura 4.3 ilustra o mecanismo de funcionamento desse dispositivo.

45

Figura 4.3: Variable Volume Clearence Pocket. (Cortesia de Dresser-Rand Com-pany.)

E pratica comum na industria se referir aos VVCPs como um percentual de

sua abertura. Assim, a tabela 4.4 indica o percentual de abertura do bolsao e o

quanto esse percentual acrescenta de volume ao espaco morto do cilindro. Cabe

ressaltar que na configuracao estudada, ha apenas a possibilidade de alteracao do

espaco morto no efeito principal de compressao (head end). Dessa forma, o volume

do espaco morto no efeito secundario (crank end) e fixo e igual ao destacado na

tabela 4.3, nao impactando na variacao da eficiencia volumetrica do compressor.

Tabela 4.4: Tabela exibindo impacto do percentual de abertura do VVCP do pri-meiro estagio no volume do espaco morto do cilindro. Volumes em polegadas cubicas.

Uso do VVCP Volume Acrescido Correspondente Espaco Morto Total do HE

0% - 160,1

25% 132,7 292,8

50% 265,5 425,5

75% 398,2 558,2

100% 530,9 691,0

A fim de tornar as comparacoes do presente estudo validas e analisar os efeitos da

variacao nas eficiencias volumetricas nos principais parametros operacionais, serao

mantidas condicoes de sistema constantes para os diversos casos analisados. Na ta-

bela 4.5, e possıvel observar os valores de pressao e temperatura definidos para essa

analise. Cumpre ressaltar que embora fisicamente espera-se que haja variacoes nas

pressoes e temperaturas intermediarias, esse estudo nao as levou em consideracao.

Isso pode ser justificado nao apenas pela impossibilidade de obter valores confiaveis

para esses parametros sob diferentes condicoes operacionais, mas tambem pelo desejo

de observar a sensibilidade do percentual de espaco morto utilizado nos parametros

operacionais estudados. Atraves de dados historicos do equipamento, foi ainda ob-

46

servado que variacoes na configuracao dos VVCPs nao implicaram em variacoes

consideraveis dos parametros intermediarios.

Tabela 4.5: Pressoes e Temperaturas medidas no processo.

Variavel Descricao Valor

Ps Pressao de Succao do Primeiro Estagio 8,79 barg

Pd1 Pressao de Descarga do Primeiro Estagio 22,75 barg

Pd2 Pressao de Descarga do Segundo Estagio 68,37 barg

Pd3 Pressao de Descarga do Terceiro Estagio 174,61 barg

Ts1 Temperatura na Garrafa de Succao do Primeiro Estagio 51 oC

Ts2 Temperatura de Succao no Segundo Estagio 46 oC

Ts3 Temperatura de Succao no Terceiro Estagio 49 oC

Tf Temperatura de Saıda do Gas 33 oC

Td1.1 Temperatura de Descarga do Cilindro 1.1 111 oC






4.2 Propriedades do Gas

No decorrer da vida de um campo de oleo e gas, e natural que haja alteracoes nas

caracterısticas dos fluidos produzidos. Dessa maneira, as propriedades do gas utili-

zadas no comissionamento do compressor tendem a ser diferentes daquelas medidas

no decorrer da operacao.

As propriedades da corrente de gas podem ser calculadas a partir da composicao

do gas obtida de analises cromatograficas realizadas por laboratorios especializados.

Uma outra forma de obter tais propriedades e atraves de simulacoes numericas em

software capaz de simular processos quımicos. Essa ultima abordagem foi a utilizada

no presente trabalho.

A tabela 4.6 compila as propriedades do gas da planta de processos utilizado

nessa analise:

Tabela 4.6: Tabela exibindo propriedades do gas utilizado no servico.

Sımbolo Descricao Estagio


zs Fator de Compressibilidade na Succao 0,9687 0,9299 0,8253

zd Fator de Compressibilidade na Descarga 0,9575 0,9152 0,8832

SG Gravidade Especıfica 0,8307 0,8180 0,8037

n Razao entre Calores Especıficos (Coeficiente Politropico) 1,2178 1,2332 1,2513

47

4.3 Calculos dos parametros operacionais

4.3.1 Eficiencia Volumetrica

Como ja descrito anteriormente no Capıtulo 3, sabe-se que o volume total des-

locado durante o curso do pistao e superior aquele efetivamente aspirado pelo com-

pressor e, dessa forma, a eficiencia volumetrica real deve ser calculada para cada um

dos efeitos de compressao.

Os paragrafos abaixo detalham a metodologia de calculo desse parametro para

cada efeito ja levando em consideracao as perdas previstas por, dentre outros fatores,

fugas de gas nas valvulas. Foram generalizados os calculos para o primeiro estagio

de compressao, mas o procedimento poderia ser aplicado aos outros estagios sem

perder veracidade.

Assim, fazendo uso das equacoes ja detalhadas no capıtulo 3, podem-se escrever

as eficiencias volumetricas de ambos os efeitos como proposto por BOTELER:

ηv,HE = 0, 97 − Vo,HEVd,HE

(zszdr

1nc − 1

)− L (4.1)

ηv,CE = 0, 97 − Vo,CEVd,CE

(zszdr

1nc − 1

)− L (4.2)

Os parametros zs, zd e n sao dependentes da natureza do gas de processo e estao

indicados na tabela 4.6.

Os termos Vo,HE e Vo,CE representam o volume de espaco morto no cilindro em

questao e, para o efeito principal, ja foram consolidados na tabela 4.4. Ja os termos

Vd,HE e Vd,CE indicam o volume deslocado no cilindro em cada um dos efeitos. Eles

podem ser calculados geometricamente pelas equacoes abaixo:

Vd,HE = πD2p

4s (4.3)

Vd,CE = π(D2

p −D2h)

4s (4.4)

O termo rc - tambem conhecido como razao de compressao - foi tambem definido

no capıtulo 3 e pode ser obtido a partir da equacao abaixo:

rc =(Pd + Patm)

(Ps + Patm)(4.5)

Finalmente o termo L, tambem ja destrinchado no Capıtulo 3, retrata a reducao

do rendimento volumetrico devido as fugas de gas. Como o compressor analisado e

lubrificado sera assumido o valor de L igual a 0,05 a fim de adotar uma metodologia

mais conservadora.

48

Utilizando a metodologia descrita acima, foram compilados na tabela 4.7 os

valores da eficiencia volumetrica para as diversas configuracoes do espaco morto no

efeito principal do cilindro da tabela 4.4.

Tabela 4.7: Tabela exibindo impacto do percentual de abertura do VVCP do pri-meiro estagio no comportamento da eficiencia volumetrica do Head End.

Uso Percentual do VVCP Eficiencia Volumetrica do HE, ηv,HE

0% 77,5%

25% 65,5%

50% 53,5%

75% 41,4%

100% 29,4%

Por sua vez, o efeito secundario pode ser calculado de forma similar ao principal.

E importante ressaltar que por nao haver variacoes do espaco morto nesse efeito,

havera apenas um valor, ao inves de uma tabela, para esse parametro. Dessa forma,

apos repetir o procedimento para o Crank End, ηv,CE e igual a 76,9%.

De forma analoga, as eficiencias volumetricas dos outros estagios para ambos

efeitos podem ser calculadas. A tabela 4.8 compila esses dados para o segundo e

terceiro estagios. Tais resultados serao fundamentais para os calculos nas proximas

sessoes.

Tabela 4.8: Tabela exibindo resultados dos calculos das eficiencias volumetricas dossegundo e terceiro estagios para ambos efeitos.

Estagio Eficiencia Volumetrica no Head End, ηv,HE Eficiencia Volumetrica no Crank End, ηv,CE

Segundo 77,5% 75,6%

Terceiro 72,3% 65,0%

4.3.2 Vazao Volumetrica

Aproveitando os resultados de eficiencia volumetrica obtidos no topico anterior, e

possıvel calcular a vazao volumetrica do primeiro estagio de compressao. A equacao

abaixo nos fornece a vazao volumetrica padrao admitida pelo compressor.

Qv = (PDHEηv,HE + PDCEηv,CE)(Ps + Patm)

(Ts + 273, 15)(4.6)

O deslocamento do pistao para ambos efeitos, PDHE e PDCE, podem ser obtidos

atraves das equacoes abaixo. Nelas, sao combinados os parametros geometricos

elementares do cilindro com a rotacao N do virabrequim. Esses dados podem ser

obtidos a partir da tabela 4.2.

PDHE =πD2

psN

4(4.7)

49

PDCE =π(D2

p −D2h)sN

4(4.8)

Vale destacar que o ultimo termo da equacao 4.6 e responsavel por converter o

valor obtido para as condicoes padrao de pressao e temperatura. Dessa maneira, e

possıvel normalizar vazoes de oriundas de diferentes servicos a fim de compara-las.

Finalmente, para as diferentes eficiencias volumetricas calculadas no item an-

terior, o comportamento da vazao volumetrica padrao e retratado na figura 4.4.

Cumpre ressaltar que o grafico em questao ja leva em consideracao ambos os ci-

lindros do primeiro estagio. Dessa forma, os valores obtidos sao referentes a vazao

total do compressor.

Figura 4.4: Grafico ilustrando impacto da variacao no espaco morto dos cilindrosno comportamento da vazao volumetrica padrao do compressor.

A linearidade entre as variaveis retratada pelo grafico acima ja havia sido prevista

na literatura por Sulzer-Burckhardt et al,como pode ser observado na figura 4.5.

50

Figura 4.5: Eficiencia Volumetrica Teorica contra volume do espaco morto. (Fonte:BLOCH e SOARES (1998))

4.3.3 Potencia Requerida

A fim de determinar a potencia requerida para a compressao nos cilindros, faz-se

necessario utilizar as eficiencias, mecanica e de compressao, definidas no Capıtulo 3.

A eficiencia mecanica ηm, devido a ausencia de sensores capazes de medir dados

relativos a corrente eletrica fornecida ao motor que aciona o compressor, foi assu-

mida como igual a 95% como proposto por SCHEEL. Ainda segundo o autor, para

compressores comuns, e indicada uma eficiencia politropica ηp de aproximadamente

83,5%.

Alem dos dados operacionais do sistema, as propriedades do gas do processo,

como compressibilidade e coeficiente politropico, tambem tem papel importante na

analise.

Dessa forma, segundo DE FALCO (1989), pode-se escrever a expressao para o

calculo da potencia requerida para compressao W como:

W = ηpηmNPsVaspn

n− 1

(r

n−1n

c − 1)zs + zd

2zs(4.9)

Cabe ressaltar que a equacao 4.9 e valida para todo o cilindro, levando em consi-

deracao ambos os efeitos de compressao. Assim, pode-se definir o volume aspirado,

Vasp, como o volume real de gas aspirado pelo cilindro.

Como pode ser visto na equacao abaixo, ja sao consideradas as perdas por

eficiencia volumetrica para ambos efeitos.

Vasp = ηv,HEVd,HE + ηv,CEVd,CE (4.10)

51

Os volumes deslocados de ambos os efeitos podem ser obtidos de forma simples

pois sao os mesmos que os apresentados nas equacoes 4.3 e 4.4. As eficiencias

volumetricas de ambos os efeitos tambem sao conhecidas da mesma secao.

Obviamente, o volume deslocado real e ligeiramente maior que o calculado

atraves das equacoes acima. Isso se deve devido a folgas presentes em valvulas

e demais dispositivos. Todavia, como esses volumes sao muito inferiores ao volume

deslocado calculado, e uma boa aproximacao desconsidera-los no calculo do volume

aspirado.

A potencia requerida tambem e funcao da eficiencia volumetrica como pode ser

observado na metodologia descrita acima. Dessa forma, e de se esperar que haja um

impacto nessa grandeza mediante a variacoes no espaco morto dos cilindros.

O grafico 4.6 indica o somatorio da potencia necessaria para a compressao ser

realizada por cada um dos cilindros, bem como sua dependencia em relacao ao

percentual de uso do VVCP do primeiro estagio de compressao.

Figura 4.6: Grafico ilustrando impacto da variacao no espaco morto dos cilindrosno comportamento da potencia total de compressao.

Assim como observado na vazao volumetrica, tambem ha uma dependencia li-

near entre a potencia requerida para compressao e o aumento no espaco morto dos

cilindros.

4.3.4 Cargas nos Pistoes

Compressores alternativos sao, em geral, descritos em temos de potencia, rotacao

e carga nos pistoes. Se por um lado, os dois primeiros parametros sao de mais simples

52

compreensao, as cargas nos pistoes podem ser interpretadas de algumas diferentes

maneiras na industria. Essa secao sera dedicada a discorrer sobre esse tema.

Considerando um compressor alternativo de duplo-efeito, as forcas as quais os

pistoes estao sujeitos podem ser geradas tanto pela diferenca de pressao entre succao

e descarga como tambem de origem inercial. Durante uma rotacao do virabrequim,

todas essas cargas variam entre valores mınimos e maximos.

As cargas de ambas naturezas serao detalhadas nos proximos paragrafos.

4.3.4.1 Forcas Inerciais

O movimento alternativo do pistao no interior do cilindro se da atraves da con-

versao do movimento rotativo do virabrequim por um mecanismo do tipo biela-

manivela ilustrado na figura 4.7. A posicao exata do pistao em funcao do angulo θ

do virabrequim pode ser escrita pela equacao 4.11:

x = rcosθ + l

√1 − r2sen2θ

l2(4.11)

Os parametros r e l sao, respectivamente, o raio da manivela e o comprimento

da biela.

Figura 4.7: Geometria do mecanismo do tipo biela-manivela que permite o movi-mento alternativo do pistao. (Fonte: ATKINS et al. (2014))

E possıvel aproximar o movimento do pistao usando os dois primeiros harmonicos

da serie de Taylor. Dessa forma, a posicao do pistao passa a ser descrita pela equacao

4.12:

53

x = rcosθ + l(

1 − r2

2l2sen2θ

)(4.12)

Derivando a equacao 4.12 duas vezes em relacao ao tempo e possıvel obter a

expressao que indica a aceleracao do conjunto alternativo.

a = rω2[cos(ωt) +

r

lcos(2ωt)

](4.13)

O Princıpio Fundamental da Dinamica ou Segunda Lei de Newton para um

movimento translacional e definida pela famosa equacao 4.14:

F = ma (4.14)

Finalmente, substituindo o resultado de 4.13 em 4.14, a forca inercial FI pode

ser calculada atraves da equacao 4.15:

FI = maltrω2[cos(ωt) +

r

lcos(2ωt)

](4.15)

O termo malt representa a massa dos componentes alternativos do cilindro e o

termo ω indica a velocidade angular do virabrequim. Como a rotacao do compressor

e conhecida e tem valor constante, e possıvel obter ω atraves da equacao 4.16.

ω = 2πN (4.16)

A tabela 4.9 compila dados relevantes para o calculo das cargas inerciais.

Tabela 4.9: Tabela exibindo dados necessarios para obter forcas inerciais.

Sımbolo Descricao Estagio


malt Massa Alternativa, em libras 513 576,1 577,4

l Comprimento da Biela, em polegadas 17 17 17

r Raio da Manivela, em polegadas 3,25 3,25 3,25

Ainda com base no conhecimento da rotacao do motor, e possıvel obter o perıodo

de uma revolucao completa do virabrequim. Assumindo que este eixo gira a veloci-

dade constante, pode-se determinar o tempo decorrido para percorrer certo espaco

angular. Dessa maneira, torna-se possıvel obter o perfil da forca inercial em pistao

durante uma revolucao do virabrequim. A figura 4.8 retrata o perfil das cargas

inerciais dutante um ciclo de revolucao do virabrequim.

54

Figura 4.8: Comportamento das cargas inerciais em cada estagio de compressaodurante revolucao do virabrequim.

4.3.4.2 Forcas de Gas

Conforme o pistao do compressor se move para pressurizar o gas, a diferenca de

pressao em ambas as camaras resultam em cargas sobre o mesmo e sobre sua haste.

Essas cargas, durante a revolucao do virabrequim, se alternam entre compressao e

tensao.

A maxima forca de compressao devido a pressao ocorre quando a camara prin-

cipal do cilindro esta sujeita a pressao de descarga enquanto a maxima carga de

tensao ocorre quando a pressao na camara secundaria e igual a de descarga. Os

valores nas extremidades sao obtidos a partir das equacoes 4.17 e 4.18:

Ft = (PdACE) − (PsAHE) (4.17)

Fc = (PdAHE) − (PsACE) (4.18)

Cumpre ressaltar que os termos AHE e ACE representam as areas das secoes

transversais de ambas as camaras do cilindro onde se da o processo de compressao.

As equacoes 4.19 e 4.20 devem ser utilizadas para obtencao destes parametros.

AHE =πD2

p

4(4.19)

ACE =π(D2

p −D2h)

4(4.20)

55

A metodologia utilizada para o calculo das pressoes entre as extremidades defi-

nidas acima sera descrita nos proximos paragrafos.

De forma simplificada, o volume das camaras foi associado a posicao angular do

virabrequim, respeitando os limites definidos pelo ciclo de compressao. Portanto,

ao conhecer o volume do gas comprimido como funcao do angulo do virabrequim,

e possıvel, ao serem assumidos processos politropicos de compressao e expansao,

relacionar o volume com a pressao correspondente atraves da relacao 4.21 e obter a

curva de pressao da figura 4.9 em ambas as camaras.

P1Vn

1 = P2Vn

2 (4.21)

Figura 4.9: Comportamento da pressao em ambos efeitos durante um ciclo do vira-brequim.

Ao realizar essa discretizacao, e usando as equacoes 4.17 e 4.18 para relacionar

as forcas nos pistoes com as respectivas pressoes atuantes da figura 4.9, podem ser

calculadas as cargas nos pistoes oriundas da pressurizacao do gas.

56

Figura 4.10: Comportamento das cargas causadas pela compressao do gas nos pistoesdo primeiro estagio durante um ciclo do virabrequim.

Assim como calculado para cargas inerciais, tambem foram obtidas as forcas de

gas de ambos efeitos para os tres estagios de compressao. Por se tratarem de pistoes

com geometrias diferentes e tambem por estarem sujeitas a diferentes pressoes, va-

riacoes no comportamento das curvas sao esperadas. Ainda assim, como todas re-

presentam processos de mesma natureza com razoes de compressao na mesma faixa,

ha semelhancas no formato das curvas.

Figura 4.11: Comportamento das cargas causadas pela compressao do gas nos cilin-dros dos tres estagios durante um ciclo do virabrequim.

57

Ao combinar as cargas inerciais com aquelas que ocorrem devido a compressao

do gas e possıvel obter a forca resultante que atua sobre os pistoes dos cilindros em

todos os estagios de compressao. O grafico 4.12 ilustra o comportamento da dessa

resultante para cada um dos estagios de compressao.

Figura 4.12: Comportamento das cargas resultantes nos cilindros dos tres estagiosdurante um ciclo do virabrequim.

Outro ponto que pode ser observado na figura 4.12 e merece destaque e a reversao

da haste do pistao. Esse parametro deve ser monitorado principalmente no caso de

cilindros de simples efeito e e de suma importancia para garantir a lubrificacao do

pino que une a biela a cruzeta. Um desequilıbrio nas cargas sobre o pistao pode

causar um favorecimento do pino para um determinado lado, nao permitindo que o

mesmo receba a lubrificacao adequada.

A reversao da haste do pistao e expressa a partir dos graus de rotacao de cada

revolucao do virabrequim. Uma hipotese segura para garantir lubrificacao adequada

ao pino e manter a reversao da haste acima de 70 graus. Isso significa que tanto

a carga trativa quanto a compressiva devem ter duracao superior a essa medida

angular. Pode-se perceber que para o caso aqui analisado, essa condicao e satisfeita.

A figura 4.13 auxilia na compreensao da importancia desse parametro para garantir

a integridade do pino.

58

Figura 4.13: Importancia da reversao da haste do pistao para integridade do pinoda cruzeta. (Fonte: MINO (2013))

Bem como a vazao volumetrica do equipamento e a potencia requerida para

compressao, as cargas nos pistoes dos cilindros do primeiro estagio tambem sao

impactadas por variacoes no espaco morto dos mesmos. E possıvel perceber que pelo

incremento no volume morto ocorrer no efeito principal, havera variacoes somente

na carga no pistao oriunda deste efeito. Dessa forma, mediante a tal alteracao na

configuracao do compressor, tanto a carga inercial quanto a do efeito secundario nao

sofrem variacoes.

Figura 4.14: Impacto da utilizacao do VVCP do primeiro estagio na carga devidoa compressao do gas no efeito principal.

Analisando o grafico acima, pode-se perceber que, quanto menor e a utilizacao

do VVCP, maior e o intervalo angular em que a carga trativa no pistao e maxima.

59

Por outro lado, como as pressoes nas extremidades foram mantidas constantes e,

portanto, sao independentes da eficiencia volumetrica nos cilindros, nao ha diferenca

na magnitude maxima em relacao aos diversos casos retratados.

Finalmente, e possıvel observar na figura 4.15 o impacto das alteracoes nas

eficiencias volumetricas no comportamento da carga total sobre o pistao. As li-

nhas pontilhadas no grafico representam os limites de carregamento definidos pelo

fabricante nas especificacoes do compressor.

Figura 4.15: Impacto da utilizacao do VVCP do primeiro estagio na carga totalsobre os pistoes do primeiro estagio.

Embora seja perceptıvel o impacto das variacoes no espaco morto na figura 4.15,

pode-se notar tambem que, no cenario estudado, a magnitude das cargas de natureza

inercial tem maior influencia no comportamento final da curva. Essa influencia pode

ser justificada, dentre outros fatores, pelo fato de o cilindro ser do tipo duplo-efeito

e, dessa forma, parte das cargas trativas e compressivas se anularem.

60

Capıtulo 5

Conclusoes e Recomendacoes

5.1 Conclusoes sobre o Estudo de Caso

Como pode ser observado no capıtulo anterior, foram analisados tres parametros

operacionais para o compressor alternativo estudado: vazao volumetrica, potencia

requerida para compressao e carga exercida nas hastes dos pistoes.

Tanto a capacidade quanto a potencia requerida para compressao, como ja foi

demonstrado no capıtulo anterior, decrescem linearmente com o aumento do volume

no espaco morto. Os calculos realizados ainda demonstram que a utilizacao dos

VVCPs se mostra uma opcao efetiva no que diz respeito ao controle de capacidade

de compressores alternativos. No caso estudado, por exemplo, a total utilizacao

desse dispositivo pode oferecer uma reducao de aproximadamente 30% na vazao

volumetrica original.

Vale ressaltar que o declınio da capacidade do compressor acompanha uma

reducao na potencia requerida para compressao do gas. Dessa forma, pode-se dizer

que a variacao do espaco morto tambem implica em alteracoes no consumo energetico

do equipamento.

Para as cargas nos pistoes, todavia, esse comportamento linear nao e observado

a partir de variacoes no espaco morto dos cilindros. Assim, faz-se necessario realizar

observacoes mais profundas acerca deste topico.

Um ponto que merece destaque e o fato das cargas inerciais terem maior re-

levancia na curva final de carregamento durante uma rotacao do virabrequim exposta

no grafico 4.15. Esse fato, como ja mencionado anteriormente, pode ser justificado

pelos cilindros analisados serem do tipo duplo-efeito. Nessa configuracao, como ha

compressao em ambas as camaras do cilindro, o pistao fica sujeito a cargas de tracao

e compressao que, ao observar a resultante, se reduzem.

Ainda no que diz respeito a configuracao de duplo-efeito, pode-se notar que

o compressor analisado nao apresentou problemas referentes a reversao da carga.

61

Conforme ja discutido no capıtulo anterior, caso nao haja essa reversao durante um

espaco angular suficiente, pode haver falhas no pino da cruzeta por pouca lubri-

ficacao do mesmo.

Ao analisar o grafico 4.15, e possıvel notar que o impacto da variacao do espaco

morto no efeito principal do primeiro estagio e percebido, principalmente no mo-

mento em que ha a compressao na camara principal. A abordagem utilizada sugere

que a pressao maxima e mantida durante um maior intervalo angular conforme

menor o uso do VVCP. Tal fato e detalhado atraves do grafico 4.4.

Ainda observando o grafico 4.4, e possıvel verificar que o compressor alternativo

analisado esta apto a operar em toda a faixa de espaco morto adicional provida

pela abertura dos VVCPs nos cilindros do primeiros estagios de compressao. Dessa

forma, confirma-se o bom dimensionamento dos pistoes e dos proprios VVCPs para

as condicoes operacionais em questao.

Como ja discutido neste trabalho, pode-se perceber a importancia de compres-

sores na industria de processos, em especial na industria de exploracao e producao

de petroleo. O inıcio do desenvolvimento dos campos do pre-sal da Bacia de Santos

ja demonstrou que a razao gas-oleo (RGO) desses reservatorios e elevadıssima e,

portanto, faz-se necessaria toda uma estrutura para comprimir, condicionar e dar

um destino ao gas associado produzido.

Seguindo esta logica, aumentar o nıvel de compreensao e, por consequencia, da

confiabilidade destes e outros equipamentos fundamentais para o processamento de

gases e fundamental para garantir operacoes otimas e seguras.

5.2 Futuros Trabalhos

Compressores alternativos representam um tema que, embora haja excelentes

referencias acerca do assunto, ainda podem ser mais detalhados para um maior

entendimento desse tipo de equipamento.

Com base na figura 3.18, pode-se perceber que valvulas representam o principal

motivo de falhas em compressores alternativos. Estudos mais detalhados acerca do

tema que visem aumentar a confiablidade desses componentes podem ser o foco de

um proximo trabalho.

Outro trabalho que pode ser desenvolvido e uma analise estatıstica dos dados

relativos a manutencao corretiva de um compressor alternativo. Atraves de uma

analise utilizando esses dados e a distribuicao de Weibull, e possıvel inferir a con-

fiabilidade de um determinado componente ou do conjunto como um todo. Dessa

forma, seria possıvel estimar a frequencia e ocorrencia de falhas, o que auxiliaria

engenheiros de manutencao e confiabilidade a identificar equipamentos ou partes

mais crıticas a operacao.

62

Todavia, ambas as propostas citadas acima necessitam de uma robusta base de

dados para que se possam realizar hipoteses consistentes.

63

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http://camposmarginais.blogspot.com/search/label/Eleva%C3%A7%C3%A3o%20Artificial

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SPE, 2015. “Reciprocating Compressor”. https://petrowiki.org/

Reciprocating_compressor. Acessado pela ultima vez em Agosto

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VAN WYLEN, G. J., SONNTAG, R. E., BORGNAKKE, C., 2003, Fundamentals

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https://petrowiki.org/Reciprocating_compressor

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análise da performance de um compressor alternativo em...

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