aumento de eficiÊncia e disponibilidade com a aplicaÇÃo de...

AUMENTO DE EFICIÊNCIA E DISPONIBILIDADE COM A APLICAÇÃO DE CONTROLE ANTI-SURGE E

CAPACIDADE: CARACTERÍSTICAS, PROBLEMAS E FUNCIONALIDADES DO SISTEMA

MARCELO M. MOLLICONE

Diretor Operacional, Sym Consultoria, Sym Participações

Av. ACM, 2487, SL 1001, Cidadela, Salvador-BA CEP: 40.280-000

E-mails: [email protected]

Abstract The reality of the industries and the quest for responsible footprint demand increasing energy efficiency, while re-

ducing costs and emissions, avoiding loss of quality. Availability, security and efficiency of medium and large compressors ap-

pears to be fundamental in such a scenario. To meet these requirements it is important to design and implement an accurate

compressor control and security system. However, there are problems and attention points relating to this type of system. In this

article, we present some experiences and solutions in the operation and application of petrochemical process industry.

Keywords Efficiency, Critical Controls, Compressors, Large Machines, Petrochemical

Resumo A realidade das indústrias e a busca pela atuação responsável demanda elevar a eficiência energética, reduzir custos

e emissões, sem perdas de qualidade. A disponibilidade, a segurança e a eficiência de compressores de médio e grande portes se

mostram fundamentais no cenário descrito. Um sistema adequado de controle e segurança de compressores é projetado e aplica-

do para atender essas difíceis demandas, no entanto existem problemas e cuidados relacionados a este tipo de sistema. Neste tra-

balho apresentamos algumas experiências e soluções no processo de aplicação e operação na indústria petroquímica.

Palavras-chave Eficiência, Controles Críticos, Compressores, Grandes Máquinas, Petroquímica

1 Introdução

A realidade enfrentada pelas indústrias aponta

para a crescente necessidade de reduzir custos man-

tendo a qualidade. Ainda mais para produtoras de

commodities. Aliado a isto, a busca pela atuação res-

ponsável leva à necessidade de aumentar a eficiência

energética e racionalizar o uso da água. Solucionar

estas equações não é simples e passa pelo aumento da

eficiência e disponibilidade do processo de produção.

Os compressores de médio e grande porte apresentam

potencial de melhoria destes aspectos cruciais.

Relacionado à eficiência, bem como à segurança

e economia, todo compressor centrífugo dispõe de

pelo menos dois controles associados: o de anti-surge

e o de capacidade1. O primeiro visa garantir a inte-

gridade da máquina sem comprometer economica-

mente a operação, recirculando o mínimo necessário

para proteger o compressor, evitando eventos de sur-

ge, e quando bem implementado permite trabalhar

com margens estreitas melhorando a eficiência. Se

mal ajustado, as máquinas trabalham com um grande

volume de recirculação ao longo da operação, con-

sumindo energia sem realizar trabalho, portanto re-

duzindo a eficiência. O controle de capacidade visa

responder às demandas do processo, atuando na rota-

ção da máquina.2 Este controle possibilita estabilizar

a variável controlada, estabilizando e atendendo o

processo a montante ou a jusante. Além destes dois

principais controles, outros controles periféricos, mas

1 Campos e Teixeira, 2006 (Página 286/396) 2 Em Turbinados. Em Motorizados a vazão é manipulada.

importantes podem ser encontrados, como o controle

de pressão diferencial de selagem.

Com relação à disponibilidade dos compresso-

res, quando possível deve-se trabalhar o sistema de

intertravamento e adequá-lo ao nível desejado de

disponibilidade e segurança, reduzindo drasticamente

trips espúrios. Porém com um controle anti-surge

ineficiente, os ciclos de surge que ocorram, em de-

corrência da deficiência do controle, também podem

ocasionar Trips por vibração ou deslocamento axial,

ou até mesmo danificar severamente o equipamento,

com perdas materiais e paralisação da produção. O

controle anti-surge adequado dispõe de grande velo-

cidade de atuação, respostas antecipatórias e adapta-

tivas, com grande eficiência na tarefa de evitar ciclos

de surge, melhorando portanto a disponibilidade

Observa-se então que existem diversos proble-

mas e cuidados envolvendo a aplicação de tal sistema

de controle e segurança. Este trabalho resulta da ex-

periência de sistemas implantados em compressores

de petroquímicas, indicando alguns dos problemas e

cuidados envolvidos na sua aplicação.

Dentre os problemas destacam-se o ajuste da

curva de surge e a resistência operacional para efetu-

ar o teste do sistema de sobrevelocidade. O objetivo

deste trabalho é apresentar um caso de ajuste da cur-

va de surge. Não é objetivo apresentar as equações

do sistema de controle, visto que o mesmo é proprie-

dade intelectual protegida por segredo industrial. O

sistema de sobrevelocidade será abordado, mesmo

fora de contexto, pela importância do assunto e relato

conclusões adquiridas pelas experiências práticas.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

3389

2 Conceitos e curvas

2.1 O surge e seu ciclo

O surge é um fenômeno relacionado a fluxos

mássicos baixos e pode ser definido como “uma osci-

lação assimétrica da vazão interna da compressor, e é

caracterizado por um ciclo limite na característica do

compressor” (Gravdahl, 1998). Podendo ocorrer em

compressores axiais e centrífugos, esta instabilidade

indesejada pode causar severos danos no compressor

e é associada ao aumento de vibração e podendo le-

var ao deslocamento axial.

A seguir é mostrado o ciclo de surge na caracte-

rística de um compressor.3 Na Figura 1, em (1) o

fluxo se torna instável, saltando a negativo (2) e se-

gue este ramo da característica até aproximadamente

zero (3), e salta então a (4) onde segue a característi-

ca a (1), repetindo o ciclo.4 Este ciclo se repete tipi-

camente com período inferior a 200ms.

Figura 1- Característica do compressor com Surge profundo5

A região no entorno do ponto 1 pode ser chama-

da de limiar de surge, o limite entre as zonas de esta-

bilidade e instabilidade. Geralmente nos testes para

identificação do ponto de surge o compressor é leva-

do a esta região para não sofrer os danos relaciona-

dos ao Surge profundo.

As demais variáveis do sistema também variam

rapidamente, podemos citar a rotação e pressões de

sucção e descarga, sendo que a rotação e a pressão de

sucção em fase oposta com a vazão. As figuras a se-

guir mostram o comportamento da vazão (Figura 2),

da pressão (Figura 3) e da velocidade da máquina

(Figura 4). A linha pontilhada mostra o comporta-

mento das variáveis na mesma região com um contro-

le anti-surge implantado.

Deste modo podemos utilizar estas variáveis pa-

ra confirmar o limiar de surge, mais uma vez com o

intuito de preservar o equipamento.

3 A parte pontilhada é uma aproximação do fenômeno físico, dada

a dificuldade de medição nesta faixa. 4 Nesta representação a velocidade está constante para efeitos de

simplificação. 5 Jager apud Gravdahl, 1998 (página 3/141)

Figura 2 – Vazão no surge profundo6

Figura 3 - Pressão no surge profundo7

Figura 4 - Velocidade no surge profundo8

2.2 As curvas de surge e controle

A faixa de operação dos compressores é limitada

a direita pela linha de choke e a esquerda pela curva

de surge, sendo o funcionamento estável na região

entre as linhas. O choke é um fenômeno que ocorre

quando a velocidade sônica é alcançada em algum

componente e as máquinas acabam bloqueando flu-

6 Gravdahl, 1998 (página 107/141) 7 Ibid 8 Ibid


3390

xos mássicos elevados.9 O choke não é objeto do

presente trabalho e não será representado. A linha de

choque é também conhecida como stone walls. Deste

modo a linha de surge é conceituada como a linha

que separa a área de instabilidade (à esquerda da

linha) da área de estabilidade (à direita da linha).

Antes de levantar a linha de surge é preciso en-

tender que a escolha do eixo de coordenadas é crucial

para o sucesso do sistema de controle. Isto porque a

composição e a compressibilidade do gás (dentre

outros fatores) afeta fortemente a curva nos eixos

Head Politrópico x Vazão volumétrica. Em teoria,

este efeito pode ser resolvido através de uma mudan-

ça de eixos, sendo que cada fornecedor de tecnologia

adota um par de variáveis e os mantém em segredo

industrial, por essa razão não será discutido aqui.

Na prática, o fabricante do compressor geral-

mente fornece diversas curvas de performance, uma

para cada velocidade dentro da faixa operacional,

sendo a curva de surge composta pelos pontos mais à

esquerda das curvas (Figura 5). Estas curvas são en-

viadas também para diversos cenários de produção,

ou seja, para as diversas condições de composição do

gás que será comprimido. De posse de todas as cur-

vas de surge, tende-se a ser ainda mais conservador e

adotar uma curva de um cenário com a curva mais à

direita, sendo que o fabricante ainda pode ter incluí-

do uma folga nas curvas fornecidas. Aqui podem

começar os exageros e os problemas.

Para efeitos deste artigo será adotado o sistema

de eixos simplificado de relação de compressão (Rc)

e vazão volumétrica convertida a vazão mássica.10

Figura 5 – Exemplo de curva de surge fornecida (1 cenário)

O ponto marcado na Figura 5 é um ponto de ope-

ração. É chamado de margem a distância de um pon-

to à linha de surge. Este valor é positivo para pontos

à direita da linha e negativo para pontos à esquerda.

9 Gravdahl, 1998 (página 96/141) 10 Campos e Teixeira, 2006 (Página 288/396)

2.3 A linha de controle

Escolhida a linha de surge, a linha de controle é

definida por um afastamento paralelo (margem cons-

tante), ou proporcional (margem proporcional) ou

uma composição de paralelo e proporcional. Este

afastamento e a linha de controle não é propriamente

o set-point, pois diversas ações de controle são defi-

nidas que podem alterar o set-point. Mas é sim uma

linha de base de controle.

Figura 6 – Três possíveis linhas de controle

A margem11 é um parâmetro de engenharia ex-

tremamente importante, pois é definido dependendo

da efetividade do sistema de controle e também acaba

por definir uma área de atuação estável entre a linha

de controle e a linha de surge. Nesta área é usual ha-

ver recirculação por ação de controle e esta precisa

ser suave o suficiente para não perturbar o processo e

firme o suficiente para evitar o surge. Para atender a

estes requisitos, na maioria dos sistemas, esta área

entre as linhas de surge e controle possui uma ação

não linear, bem como ações de controle por evento.

Deste modo, a redução excessiva ou eliminação

desta margem não só reduz o espaço de atuação do

sistema de controle, como também desabilita diversas

das suas ações. Ou seja, quando o sistema atuar pode-

rá derrubar o processo por uma atuação excessiva-

mente violenta, ou poderá levar o compressor ao sur-

ge por falta de uma atuação efetiva. Nos dois casos, o

risco é alto em máquinas de grande porte e em fun-

ções críticas de refino ou plantas de etileno.

2.4 O teste de sobrevelocidade

O sistema de controle de velocidade da máquina

é bem efetivo e com o scan tipicamente abaixo dos

50ms, mas não é capaz de manter a máquina sob con-

trole, por exemplo, no cenário de rompimento de

acoplamento do conjunto compressor-turbina. Neste

caso a velocidade ultrapassa o ponto de “decolagem e

voo” da turbina (valor de projeto), podendo ocasio-

nar um evento acidental com severidade catastrófica.

11 Somente para esclarecimento, margem proporcional = folga

multiplicativa; margem constante = folga proporcional; Campos e

Teixeira, 2006 (289/396)


3391

Para mitigar este risco, existe o sistema de trip

por sobrevelocidade, que no passado era mecânico e

hoje vem sendo substituído por sistema digital com

corte de energia do acionador (ex: vazão de vapor

para a turbina). O set é ajustado abaixo da velocidade

de “vôo”, com um gap suficiente para o efetivo trip

da máquina, ou seja, o tempo para trip é muito impor-

tante e correlacionado. Isto porque, até o efetivo cor-

te do vapor e o vencimento da inércia da máquina, a

velocidade da máquina continua subindo (Figura 7).

Figura 7 – Sobrevelocidade e set de trip

O projeto deste sistema de Trip deve respeitar a

API-612 e API-670, tendo especial cuidado com sua

total independência dos demais sistemas de intertra-

vamento, mesmo quando realizado em PLC de segu-

rança.

Para garantir o perfeito funcionamento, deve ser

realizado um teste completo do sistema de sobrevelo-

cidade com a turbina a vapor desacoplada, até o set

de trip, um requisito que muitas vezes é negligencia-

do, em função dos riscos envolvidos.

É totalmente compreensível a preocupação de

uma “decolagem” durante o teste, no entanto:

Se a máquina pode “decolar” na rotação

ajustada para set de trip, então ela já não es-

tá integra para rodar na máxima projetada e

ajustada no controle de velocidade;

Se a máquina não está integra, então ela po-

de “decolar” durante a operação da planta;

Se a máquina pode “decolar” com a planta

operando e inventariada, então é melhor que

“decole” durante os testes com a planta pa-

rada, logo após sua manutenção e com todos

os riscos analisados e minimizados.

Outra razão: o teste é realizado em condições

controladas, com a turbina já desacoplada e em uma

rampa de aceleração controlada, ou seja:

Se a máquina pode “decolar” num teste efe-

tuado com critério e gestão de risco, então o

trip não será efetivo num cenário de rompi-

mento de acoplamento.

Nos testes realizados, sem nenhuma máquina

“voar” e com todos os cuidados envolvidos, foram

encontrados diversos problemas como:

Solenoide travada;

Falhas de pick-ups de velocidade;

Falha de circuito do sobrevelocidade;

Erro de projeto no sistema de atuação de

trip. O tempo requerido de atuação era me-

nor que 1s e a drenagem do óleo levou 10s.

No mínimum minimorum o teste deve ser reali-

zado com o set de trip ajustado levemente acima da

máxima do governador e a turbina acoplada ao com-

pressor. Apesar de não ser um teste completo, pelo

menos avalia boa parte dos componentes.

3 O ajuste da curva de surge12

3.1 A hipótese

Como apresentado no item 2.2, a escolha da li-

nha de surge a ser inserida no sistema de controle é

muito delicada, envolvendo uma avaliação dos cená-

rios de produção, escolha dos eixos e uma tremenda

dose de cuidado com a grande máquina que além do

seu custo, envolve uma soma elevada de lucro ces-

sante enquanto é reparada ou substituída em caso de

dano por surge.

Tendo isso em consideração, a hipótese que a li-

nha escolhida possui folga excessiva não deve ser

levantada a menos que haja evidências neste sentido,

por exemplo que haja excessiva recirculação em ope-

ração para a qual a máquina foi projetada, ou seja,

recirculação com a máquina em “operação normal”.

No caso apresentado a seguir, que foi implemen-

tado em diversos compressores de grande porte, a

manutenção da planta já havia alterado o valor da

margem de controle para 1%, o que ocasiona os ris-

cos descritos no item 2.3.

As razões para levantar esta hipótese:

Recirculação em operação normal de 16%

no primeiro estágio e 0% nos demais está-

gios;

Abertura da válvula de vapor (parcializado-

ra) próxima a 100%;

Relatos dos operadores no livro de operação

de diversos momentos com o compressor à

esquerda da linha de surge e sem nenhum

indicativo de vibração, ou deslocamento, ou

oscilações na vazão;

A margem estava ajustada a 1% o que colo-

cava em risco o processo e a máquina.

3.2 Confirmações da Hipótese

Sendo a hipótese que a linha de surge estava com

folga excessiva, identificamos três possíveis cenários

da origem da folga (se existente):

1) Ser devido à escolha de curva de surge de

forma excessivamente conservadora. Este

cenário foi descartado ao analisar na docu-

mentação as curvas fornecidas pelo fabri-

12 Todas as curvas apresentadas estão normalizadas.


3392

cante e a curva escolhida. Eram compatíveis

com os cenários operacionais;

2) Ser devido à implementação de uma curva

com uma folga em relação à curva do fabri-

cante, ou seja, o fornecedor do sistema ou

quem implementou ter adicionado uma folga

adicional. Isto também foi eliminado ao

comparar ponto a ponto as curvas;

3) Ser devido a uma folga deliberada pelo fa-

bricante da máquina. Esta origem se mos-

trou a única possível.

Para confirmar tal origem seria necessário en-

contrar uma quantidade significativa de pontos à es-

querda da linha, mostrando operação normal do

compressor. Estes pontos não poderiam estar sim-

plesmente no entorno do limiar de surge, visto que as

variações relativas a composição e compressibilida-

de, embora compensadas pela escolha adequada do

eixo, ainda acarretam incertezas.

Boa parte dos bons sistemas de controle anti-

surge possuem uma opção de coletor e registro de

dados analógicos de alta velocidade (scan inferior a

100ms). Este sistema geralmente possui um gatilho

de salvamento, permitindo armazenar as informações

alguns segundos antes e depois do disparo.

Iniciando o levantamento e análise dos dados

operacionais históricos, percebeu-se um grande nú-

mero de arquivos disparados por “ponto à esquerda

da linha” ou margem negativa. Restava analisar que

os pontos ocorreram com operação normal e que ex-

cursionaram suficientemente à esquerda da linha.

Os arquivos foram analisados caso a caso, sem

encontrar evidência de surge em nenhum deles. A

vazão excursionou a distâncias de até 8% da vazão

máxima à esquerda da curva de surge, cerca de 13%

da vazão no local. A coleção dos pontos deste con-

junto de arquivos pode ser vista na Figura 8. A linha

azul é a linha de surge. A da direita, com apenas 1%

de distância, a linha de controle (magenta). O ponto

vermelho à direita é o ponto de operação quando o

processo está em situação normal e estável.

Neste momento tudo levava a crer que confir-

mou-se então a hipótese, ou seja a linha estava muito

conservativa, mais à direita da linha de surge real.

Figura 8 – Coleção dos pontos

Restava levantar onde a curva real se encontrava

e confirma-la com o fabricante da máquina.

Como a margem de controle estava a 1%, sem

área disponível para o sistema anti-surge atuar com

segurança e disponibilidade, propôs-se emergencial-

mente um deslocamento (linhas tracejadas) do ponto

da linha de surge na região dos pontos levantados,

possibilitando retornar a margem de controle para 8%

de margem constante.

Observar que na Figura 9 o ponto da linha de

controle nova é à direita do ponto equivalente à linha

de controle de 1% de margem da Figura 8. Observe

também que na região de operação ao redor do ponto

vermelho a linha de controle passou a proteger mais

(está mais à direita) do que antes. Ou seja, somente

um ponto da linha de surge (na região avaliada) foi

deslocado para a esquerda, enquanto toda a linha de

controle foi deslocada para a direita.

Figura 9 – Deslocamento emergencial

Esta alteração emergencial possibilitou uma atu-

ação menos agressiva e mais efetiva do sistema neste

estágio, permitindo tempo para uma análise mais

profunda e levantamento da curva real para determi-

nar um deslocamento definitivo e efetuar sua imple-

mentação no sistema.

3.3 O teste de campo para levantar a curva de surge

Como a máquina estava em operação normal e a

planta operando em plena carga, foi elaborado um

procedimento técnico-operacional específico para a

realização dos testes. Este procedimento escrito foi

comentado e consolidado por todo o time envolvido

no trabalho, incluindo pessoal de operação, engenha-

ria de processo. Engenharia de confiabilidade (mecâ-

nica e instrumentação), engenharia de manutenção

(mecânica e instrumentação) e engenharia de auto-

mação.

Este procedimento consistia em levar a máquina,

de forma lenta e controlada, para uma condição de

limiar de surge, monitorando em tempo real. O siste-

ma de controle anti-surge, confiável e de resposta

rápida, protegeria a máquina por uma função de over-

ride, evitando que esta se mantivesse em tal condição

por muito tempo. O time montado para os testes ten-

taria atuar de forma antecipada para evitar grandes

perturbações no processo.

Observando as variáveis buscou-se identificar o

limiar, monitorando pressões, vazões e rotação da


3393

máquina em um gráfico do mesmo sistema de coleta

e registro descrito no item 3.2, com scan de 100ms.

Ou seja, as variáveis estavam disponíveis mais rápido

do que o time poderia responder, portanto considera-

das como tempo real.

Foram coletados dois pontos de limiar de surge a

partir da redução da vazão no estágio, reduzindo-se

lentamente a saída da unidade anterior, carga deste

compressor. O controle de capacidade foi mantido

em automático, ou seja, a rotação estava modulando

de modo a manter a pressão de sucção constante.

Embora o ideal fosse coletar mais pontos e man-

ter a rotação constante, o teste foi realizado desta

forma por limitações operacionais. Considerou-se

que não houve prejuízo de precisão na região de ope-

ração, onde também a ocorrência do surge seria mais

severa. No entanto recomendou-se um recuo menor

na região onde ocorreu o teste, dado às incertezas

descritas.

O ponto 1 foi obtido da seguinte forma: A carga

para o compressor foi reduzida lenta e gradativamen-

te até a ocorrência de um surge leve às 15:22:43 do

dia 07/04/2005 (Figura 10). Note que a vazão cai

bruscamente (ciano), acompanhado pela pressão de

descarga (magenta), enquanto a pressão de sucção

(vermelho) e a rotação sobem (azul escuro). Note

também que a subida da rotação é função do surge e

não do comando do controlador de pressão de sucção

(verde) que também sobe o set de velocidade para

corrigir a elevação de pressão. Perceba que a PV do

controle de rotação (azul escuro) ultrapassa o SV

(verde) e então o controlador de velocidade atua fe-

chando a válvula de vapor para a turbina (roxo) para

evitar o disparo de rotação.

Os demais estágios não entraram em surge e seus

pontos de operação nem chegaram a cruzar suas li-

nhas de surge programadas, ou seja, durante todo o

evento as margens dos demais estágios se mantive-

ram positivas. O crescimento de vazão ocorre em

alguns estágios e se deve ao aumento de rotação e é

caracterizado também pela queda de pressão de suc-

ção e descarga do estágio, visto que a vazão de for-

necimento (1 estágio) foi momentaneamente cortada.

Figura 10 – Ponto 1 de limiar

O ponto 2 foi obtido da seguinte forma: A carga

para o compressor foi reduzida lenta e gradativamen-

te até a ocorrência do surge às 18:22:34 do dia

07/04/2005 (Figura 11). Note que a vazão cai brus-

camente (ciano), acompanhado pela pressão de des-

carga (magenta), enquanto a pressão de sucção (ver-

melho) e rotação sobem (azul escuro). Note também

que a subida da rotação é função do surge e não do

comando do controlador de pressão de sucção (ver-

de) que também sobe para corrigir a mesma. Perceba

que a PV do controle de rotação (azul escuro) ultra-

passa o SV (verde) e então o controlador atua fe-

chando a válvula de vapor para a turbina (roxo) para

evitar o disparo de rotação.

Os demais estágios não entraram em surge e seus

pontos de operação nem chegaram a cruzar suas li-

nhas de surge programadas, ou seja, durante todo o

evento as margens dos demais estágios se mantive-

ram positivas. O crescimento de vazão em alguns

estágios se deve ao aumento de rotação e é caracteri-

zado também pela queda de pressão de sucção e des-

carga do estágio, visto que a vazão de fornecimento

(1o estágio) foi momentaneamente cortada.

Figura 11 – Ponto 2 de limiar

Ambos os pontos coletados foram considerados

um sucesso pois não levarão o compressor ao surge e

sim a sua vizinhança (limiar). A queda de vazão do

primeiro estágio foi brusca mas os demais estágios

conseguiram manter a vazão por seus vasos de inter-

estágios o que significou não acarretar problemas de

produção. A vibração percebida no compressor foi

considerada pela manutenção uma vibração de leve

não ocasionando qualquer tipo de dano à máquina.

Deste modo, o método utilizado foi considerado

seguro e foi replicado em outras plantas de tecnolo-

gia semelhante.

Para identificar o ponto de limiar propriamente

dito, foi realizado um tratamento dos dados coletados

visando reduzir o impacto do sistema de medição nas

amostras, especialmente uma oscilação ruidosa no

sinal de vazão, originada da “sujeira” que os elemen-

tos do tipo anubar interpretavam como vazão.13 Só

será explanado o tratamento do ponto 1 para evitar

um excesso de repetição.

Inicialmente foram coletados os valores máxi-

mos e mínimos de vazão no entorno do ponto levan-

tado (Figura 12 e Figura 13). As duas primeiras li-

nhas verticais indicam a coleta do ponto máximo e

13 Em ação posterior os anubar foram substituídos por elementos

do tipo venturi.


3394

mínimo (1A/1B e 2A/2b). O gráfico a margem mos-

tra a distância do ponto de operação à linha de surge

e foi mantido para mostrar que estão coerentes apesar

da variação de velocidade pelo controle de capacida-

de, ou seja, a variação não foi significativa ao longo

do período amostrado (ver item 2.2 e 2.3).

Em seguida foram aplicados diversos filtros de

primeira ordem, observando como as variáveis se

comportavam. Para o ruído em questão consideramos

que o filtro próximo a Tau=9 se mostrou melhor que

próximo a Tau=1 pois filtrava melhor o sinal e não

adulterava o momento de surge detectado. No gráfico

ambos estão representados (Figura 12 e Figura 13).

Figura 12 – Ponto 1: Vazão e Margem com e sem filtro

Figura 13 - Ponto 2: Vazão e Margem com e sem filtros

Os pontos coletados e calculados foram então

plotados e traçada uma curva de surge. Na Figura 14

observa-se a curva levantada (verde) e a curva origi-

nal (azul). Percebe-se que o deslocamento foi consi-

derável e que com a nova curva o compressor terá

muito mais área de trabalho. Vemos no gráfico tam-

bém os pontos máximo, mínimo e filtrado dos levan-

tamentos realizados. Observar que não se encontram

na horizontal pois os locais coletados se movem pela

característica e pela alteração de velocidade. O erro

de medição em si era exclusivamente na horizontal.

Figura 14 – curva de surge final

Esta curva manteve características da curva ori-

ginal, com a seguinte lei de formação14:

Deslocamento absoluto igual ao desloca-

mento dos pontos coletados, na região onde

foram coletados os pontos e acima dela;

Deslocamento paralelo, isto é, deslocamento

relativo constante de percentual equivalente

ao deslocamento relativo do ponto 1 (inferi-

or), nas demais regiões.

Foi traçada uma curva de surge provisória, se-

guindo a mesma lei acima, utilizando os pontos mais

à direita15. Esta curva se localizou portanto entre a

curva final levantada e a curva original. Esta curva

provisória foi implantada enquanto se aguardava a

confirmação do fabricante.

A curva provisória já apresentou melhoras ope-

racionais e foi considerada adequada para um perío-

do relativamente longo, mais que o suficiente para

confirmar com o fabricante.

3.4 A confirmação com o fabricante

Foram gerados relatórios desde o levantamento

da hipótese até a curva escolhida com as devidas

considerações relativas à composição do gás obtidas

por análises nos períodos de teste, comparando com

as composições dos diversos cenários de produção e

ao cenário que havia sido escolhido.

No presente caso os relatórios foram entregues

em mãos ao fabricante que após análise e considera-

ção aprovou os relatórios e a curva escolhida e in-

formou que ainda possuía uma folga residual adequa-

da.

Por não haver necessidade de mover a curva

mais à esquerda, foi dado por encerrado o processo,

mantendo a curva escolhida e a folga residual.

A curva de surge final foi implantada e os parâ-

metros de sintonia reavaliados. Algumas proteções

foram retornadas e outras só foram reabilitadas com o

tempo e o gradativo aumento da confiança da opera-

ção e manutenção.

14 Na figura controle = surge+8% 15 Valores máximos de vazão coletados


3395

3.5 Resultados e “proven in use”

Este caso foi replicado em diversas unidades,

mas somente este foi calculado e tornado público. Os

demais só foram relatados informalmente.

Qualitativo

Deslocamento em 11,70% para a esquerda

da curva de surge do 1º estágio em relação à

curva de surge teórica calculada pelo fabri-

cante;

O compressor passou a operar, no primeiro

estágio, em uma região de maior estabilida-

de, o que evitará quedas indevidas;

Redução do gasto energético pelo compres-

sor, elevando a eficiência.

Quantitativo

Aumento de 12t/h na capacidade de proces-

samento de carga líquida, elevando a produ-

ção em 5,5%;

Ganho: R$ 15milhões/ano (base 2005).

As curvas implantadas e confirmadas estão em

uso há mais de 9 anos.16

Não houve nenhum relato de operação à esquer-

da das linhas, assim como não houveram relatos de

surge real à direita das linhas.

Eventualmente foram relatados eventos de recir-

culação moderada, sem ocasionar prejuízos ao pro-

cesso.

Raramente por necessidades de operação em ce-

nários não previstos, a manutenção e operação em

comum acordo e após consulta tem realizado redu-

ções leves na margem.

Não houve mais registro de margem de 1% nas

máquinas trabalhadas.

4 Conclusão

É típico que os engenheiros de turbomáquinas e

os fabricantes das mesmas incluam folgas à linha de

surge, buscando proteger a máquina contra surge

ocasionados por falha de controle e operações equi-

vocadas. Estas folgas, quando excessivas podem le-

var a grandes perdas por recirculação, levando à ope-

ração e manutenção a efetuar ajustes arriscados no

sistema de controle, especialmente a redução exces-

siva da margem de controle.

Conforme demonstram dos resultados apresenta-

dos, a identificação e redução destas folgas se apre-

senta como uma solução efetiva e segura para aumen-

tar a eficiência e até mesmo para eliminar uma restri-

ção de produção, desde que realizada com os méto-

dos adequados e sempre que possível, cobrar ao fa-

bricante o envio das curvas teóricas sem folgas e pos-

teriormente informá-los da curva final implantada,

para que o trabalho tenha o aval do licenciador.

Entretanto, é importante registrar que a partir da

programação de curva levantada com surge real não

16 Outras aplicações do método funcionam há pelo menos 5anos.

haverá mais folgas de proteção. Ou seja, o cruzamen-

to da curva de surge provavelmente levará a surge.

Como nota de relevância registra-se que a reali-

zação do teste de sobrevelocidade, apesar da resis-

tência operacional (por envolver risco), apresentou-se

uma etapa importante para a segurança, revelando

problemas ocultos que poderiam ser fatais.

Agradecimentos

Aos meus constantes revisores da Sym, revisan-

do desde documentos de engenharia, propostas e

também do presente artigo, especialmente Sylvio

Laurandi e Cristiano Carreira.

À Braskem que valorizando o investimento no

conhecimento e P&D das empresas parceiras, nos

convidou para realizar este trabalho, em especial a

Gilberto Rocha, César Augusto Souza e Ricardo Pai-

va do Nascimento. Sendo que o último não está como

coautor por agendas completamente descasadas, este

artigo também é seu.

A toda equipe envolvida no procedimento e tes-

tes de campo, que foram fundamentais para o sucesso

do experimento. Especialmente a Eraldo Nogueira,

João Batista Matos e Flávio Morales.

Ao CENPES, com quem temos celebrado há

quase 20 anos parcerias e discussões técnicas que

colaboraram para o nosso desenvolvimento e da in-

dústria de petróleo e petroquímica. Em especialmente

a Mário Campos.

Referências Bibliográficas

Gravdahl, J. T. (1998). “Modeling and Control of

Surge and Rotating Stall in Compressors.”

Norwegian University of Science and

Technology, Department of Engineering

Cybernetics, Report 98-6-W, Trondheim -

Norway.

Campos, M. C. M. and Teixeira, H. C. G. (2006),

“Controles típicos de equipamentos e processos

industriais.”, Editora Blucher, São Paulo - SP.


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aumento de eficiÊncia e disponibilidade com a aplicaÇÃo de...

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