UNICAMP
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICAÁrea de Concentração: SISTEMAS DE PROCESSOS
QUÍMICOS E
INFORMÁTI~lCA~JlP
L-~-:.
DETECÇÃO DE VAZAMENTOS POR COMPUTADOR "ON-LINE"
EM TUBULAÇÕES TRANSPORTANDO LÍQUIDO
E MISTURAS GÁS-LÍQUIDO
Autor: Sergio Amor Cariati
Orientador: Profa. Dra. Sandra Lúcia da Cruz
Co-orientador: Prof. Dr. João Alexandre Ferreira
da
Rocha Pereira
Dissertação de Mestrado apresentada à
Faculdade de Engenharia Química, como
parte dos requisitos exigidos para a
obtenção
do
Título
de
Mestre
em
Engenharia Quimica.
Campinas, SP, Brasil
Julho, 1999
CM-00154307-3
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BffiLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
Cl9ld
Cariati, Sérgio Amor
Detecção de vazamento por computador "on-line" em tubulações transportando líquido e misturas gás-líquido.
I Sérgio Amor Cariati.--Campinas, SP: [s.n.], 1999. Orientador: Sandra Lúcia da Cruz
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
!.Detectores de vazamento. 2. Tubulação -Dinâmica dos fluídos. 3. Controle automático. 4. Golpe de ariete. I. Cruz, Sandra Lúcia da. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título.
Dissertação de Mestrado defendida e aprovada em 16 de Julho de 1999 pela banca examinadora constituída pelos professores doutores
Profa. Dra. Sandra Lúcia da Cruz Orientadora
Prof. Dr. Reinaldo Giudici
Pro f. Dr. Roger Josef Zemp
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Esta versão corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado em Engenharia Química defendida por Sergio Amor Cariati e aprovada pela Comissão Julgadora em
16/07/99.
Profa. Orientadora
Lista de Figuras Lista de Tabelas Nomenclatura Resumo Abstract 1 -INTRODUÇÃO 1.1- Objetivos do Trabalho 2- ANÁLISE DA LITERATURA ÍNDICE
2.1- Detecção e localização de vazamentos por computador "on-line" 2.2- Conclusões
3-MONTAGEM EXPERIMENTAL E SISTEMA DE AQUISIÇÃO DEDADOS
3.1- Montagem Experimental
3.2- Especificação dos Equipamentos 3 .2.1- Transdutores de pressão
3.2.2- Placa conversora Analógica- Digital- Analógica (ADA) 3.2.3- Microcomputador
3.3- Sistema de Aquisição de Dados
3 .3 .1- Descrição do sistema de aquisição de dados 3.3.2- Conversão do sinal analógico em digital
3.3.3- Temporização dos programas de aquisição de dados 3 .4- Filtragem de dados
3 .4 .1- Média aritmética 3.4.2- Filtros analógicos 3.4 .3- Filtros digitais
3.5- Programas de Aquisição de Dados
vii vili ix X xi 1 4 5 15 20 22 22 25 25 26 28 28 28 29 30 32 33 33 34 36
4- RESULTADOS E ANÁLISE
4.1- Transientes de pressão em tubulações transportando líquido 4.1.1- Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) 4.1.2- Velocidade de propagação da onda de pressão 4.2- Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento
4.3- Injeção de múltiplas bolhas de ar, sem vazamento
4.4- Injeção de bolhas isoladas, com ocorrência de vazamento 4.5- Injeção contínua de ar, com vazamento
5- CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
5.1- Conclusões
5.2- Sugestões para Trabalhos Futuros
38 38 41 44 46 50 52 55 59 59 65
APÊNDICE 1 - Curvas de calíbração: medidor de orificio e rotâmetro 66
APÊNDICE 2 - Transientes de pressão em tubulações transportando líquido 67
APÊNDICE 3 - Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento 79
APÊNDICE 4 - Injeção de múltiplas bolhas, sem vazamento 86
APÊNDICE 5-Programas de aquisição de dados 91
APÊNDICE 6 - Regimes de escoamento gás-líquido 105
LISTA DE FIGURAS
1.1 Sistema de exploração e transporte da Bacia de Santos (Folha de São
Paulo, 13/01/93) 2
1.2 Gasoduto Brasil- Bolívia (Folha de São Paulo, 15/04/96) 3
2.1 Princípio da localização de vazamentos (Gally e Rieutord, 1986) 10
2.2 Índice de desempenho (Wang, Dong e Fang, 1993) 15
2.3 Perfis de transientes de pressão (Naves, 1991) 17
2.4 Perfis de transientes de pressão (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996) 18
2.5 Velocidade de propagação da onda de pressão 19
3.1 Esquema da montagem experimental 22
3.2 Esquema simplificado do sistema de funcionamento dos transdutores 25
3.3 Esquema de funcionamento de um multiplexador 27
4.1 Transientes de pressão (Re
=
2000 a 6000) 394.2 Transientes de pressão (Re
=
8000 a 12000) 404.3 Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) 41
4.4 Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 250m) 42
4.5 Valor de dPmax ao longo da tubulação (vazamento a 750 m) 43
4.6 Velocidade de propagação da onda de pressão 45
4.7 Injeção de bolhas isoladas de ar (t; = 2,5 s) 47
4.8 Injeção de bolhas isoladas de ar (t; = 10 s) 48
4.9 Valor máximo do pulso de pressão (Pmax) 49
4.10 Injeção de múltiplas bolhas 51
4.11 Injeção de bolha isolada, com vazamento 53
4.12 Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido 56 4.13 Transientes de pressão no transporte de misturas gás-líquido 57
5.1 Mínimo vazamento detectado 60
5.2 Máxima queda de pressão na tubulação (dPmax) (Re=12000) 60
5.3 Injeção de bolhas isoladas de ar (Re=8000) 61
5.4 Injeção de múltiplas bolhas (Re=8000) 62
5.6 5.7 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4
LISTA DE FIGURAS (Continuação)
Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando líquido
Transiente de pressão causado por vazamento, em tubulação transportando mistura ar-água
LISTA DE TABELAS
Precisão na localização do vazamento (tubulação: 4 3 3 m) (Buiatti, 1995)
Precisão na localização do vazamento (tubulação: 1.248 m) (Silva, Buiatti, Cruz e Pereira, 1996).
Posição dos transdutores na tubulação Condições de operação da tubulação
Pressão máxima especificada para cada transdutor
Intervalo de tempo gasto entre duas leituras de pressão de um dado transdutor
4.1. Injeção de bolhas isoladas de ar, sem vazamento. Condições de operação
4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5.1
Injeção de múltiplas bolhas, sem vazamento. Condições de operação Injeção de bolhas isoladas, com vazamento. Condições de operação Pressão medida para um tempo igual a 30 s
Velocidade de propagação da onda de pressão
Injeção continua de ar, com vazamento. Condições de operação Velocidade de propagação da onda de pressão
Velocidade de propagação da onda de pressão em misturas ar-água
63 64 20 20 23 24 26 32 46 50 53 54 54 55 58 64
NOMENCLATURA
a= velocidade de propagação da perturbação (equação (2.1 ))
dPmax =máxima variação pressão, quando da ocorrência de vazamento(%) L = comprimento da tubulação (equação (2.1))
L2 = distância entre transdutores (equação (2.3))
n1 = número de leituras no programa de aquisição de dados po = pressão antes do vazamento (psig)
P1 = valor do pulso de pressão (psig) P = pressão na tubulação (psig)
P.,. = pressão na linha de alimentação de ar (kgf/cm2)
Pf= indice de desempenho
Pmax = valor máximo do pulso de pressão (psig) Q., =vazão volumétrica de ar (I I min)
Re = número de Reynolds baseado na fase líquida t; = tempo de injeção de ar na tubulação ( s)
tE, ts = tempo de chegada da perturbação nas extremidades da tubulação (equação (2.1)) t2 , ts =tempo de detecção nos transdutores 2 e 3 (equação (2.3))
v= velocidade de propagação da onda de pressão (m/s) vaz = porcentagem de vazamento
X = valor de pressão medido pelo transdutor xr = posição do vazamento (equação (2.1)) Xk = sequência de tempo (equação (2.2)) xiL = razão de vazamento
Y = valor de pressão filtrado
y =distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo (m)
letras gregas
a.= parâmetro na filtragem dos dados= 0,5
õt =intervalo de tempo consumido pelo micro entre duas leituras sucessivas (s) 'tr =constante de tempo (equação (3.6))
RESUMO
Redes de tubulações são equipamentos de grande importância para as Indústrias Química e Petroquímica, sendo frequentemente utilizadas para transportar petróleo, gás natural e outros produtos, por extensões de até milbares de quilômetros. Um dos aspectos fundamentais da operação e controle destas tubulações é o sistema de detecção de vazamentos. Rupturas podem ocorrer devido a variações bruscas de pressão, ação corrosiva ou manutenção inadequada, causando sérios prejuízos econômicos e ecológicos, principalmente se o vazamento não for rapidamente detectado e reparado.
No presente trabalho transientes de pressão foram detectados e analisados por computador "on-line" quando da ocorrência de vazamento em uma tubulação de PVC de 1250 m de comprimento. O equipamento de detecção se constituiu de 04 transdutores de pressão acoplados a um microcomputador PC contendo uma placa ADA e de um programa de aquisição de dados, desenvolvido no laboratório, que permite analisar em detalhe o comportamento transiente da tubulação. Perfis de transientes de pressão foram analisados para várias condições de operação da tubulação (vazão de líquido, vazão e posição do vazamento) para os casos em que o fluido transportado era: (1) líquido (água); (2) misturas ar-água, com várias condições de injeção do ar na tubulação.
Os resultados obtidos mostram que para tubulações transportando líquidos, a técnica desenvolvida detecta prontamente vazamentos da ordem de 1 O %, para Re na faixa de escoamento laminar, e vazamentos de até 2 % paraRe na faixa de escoamento turbulento.
A sensibilidade do sistema de detecção de vazamentos foi testada na presença de ar escoando na tubulação. Os resultados obtidos mostram que o gás escoando na tubulação absorve grande parte do impacto causado pela onda de pressão, quando da ocorrência de vazamento, e também que existe maior dificuldade de propagação da onda de pressão no sentido contrário ao fluxo na tubulação. A velocidade de propagação da onda de pressão, quando da ocorrência de vazamento, foi medida para diversas condições de fluxo. Para o escoamento de misturas ar-água, a velocidade da onda variou entre 43 e 76 rnls, sendo que estes valores são cerca de 9 vezes menor do que aqueles medidos em urna tubulação transportando líquidos.
ABSTRACT
Pipeline networks are very important to Chemical and Petrochemical Industries as they are used to transport oil, solvents, natural gas and other dangerous chemicals products from producing fields or plants to consumers through distances of thousands of kilometres, even in highly populated regions. Pipeline supervision and control are then one of the most important aspects of pipeline operation. Leaks must be readily detected and flow stopped.
In the present work pressure transients were detected and analysed through on-line computer techniques, when a leak occurs in a 1250 m long PVC pipeline. The detection equipment consisted of 04 pressure transducers connected to a PC microcomputer through an ADA converter and of a data acquisition software which permits to analyse in detail the transient behaviour of the pipeline.
Pressure transient profiles were analysed for various operation conditions of the pipeline (liquid flow rate, leak flow rate and leak position) when the fluid which was transported was: (1) liquid (water); (2) air-water mixture, with various conditions of air injection in the pipeline.
The results shows that when the pipeline in transporting liquids leaks as small as 2 % of the nominal flow can be detected when the flow in the pipeline is turbulent, and leaks as small as 1 O % when the flow is the laminar one.
The leak detection methodology was tested in the presence of air flowing in the pipeline. The results show that the gas attenuates the impact caused by the pressure wave, when a leak occurs, and also that the pressure wave finds more difficulty to propagates against the flow in the pipeline. For the air-water mixtures , the pressure wave velocity varied between 43 and 76 m/s, these values being about 9 times lower that those obtained when the pipeline was transporting liquids.
1 - INTRODUÇÃO
Redes de tubulações são equipamentos de grande importância para as Indústrias Química e Petroquímica. Frequentemente, são utilizadas para transportar petróleo, solventes, gás natural, gasolina e outros produtos, desde as áreas de produção até os consumidores, por extensões de até milhares de quilômetros.
Dentre as vantagens de se transportar gases e líquidos por meio de tubulações estão: 1) a flexibilidade em termos de capacidade e de produtos que podem ser transportados; 2) o baixo custo, quando comparado com o custo do transporte rodoviário, ferroviário e maritimo; 3) a eficiência em termos de energia das tubulações.
Tubulações que transportam gases e/ou líquidos por longas distâncias, frequentemente transportam diferentes produtos no mesmo tubo. A quantidade de energia utilizada no transporte depende do diâmetro da tubulação e da taxa de fluxo. Aumentando-se o diâmetro do tubo de 0,15 m para 1m pode-se reduzir o consumo de energia em até 67%.
Em termos da relação entre tamanho e capacidade, uma tubulação de 0,90 m de diâmetro pode transportar até 17 vezes mais petróleo ou gás natural do que uma tubulação de 0,30 m de diâmetro, embora os custos de construção e operação não aumentem na mesma razão (Kennedy, 1984).
Anualmente, milhares de quilômetros de tubulação são construídos em todo mundo, para transportar produtos químicos. Estima-se que somente em 1983 foram construídos mais de 40.000 km de tubulação para transportar petróleo, gás natural e outros produtos químicos. Esta estimativa não inclui a construção de linhas de distribuição de gás natural para residências e indústrias (Kennedy, 1984).
No Brasil são alguns milhares de quilômetros de tubulação em atividade. Em 1993, a COMGÁS iniciou o fornecimento de gás natural para os municípios de Cubatão e do
ABCDM através de um gasoduto com 200 km de extensão, desde a plataforma Merluza na Bacia de Santos até Cubatão, onde está interligado com o Reservatório Tubular de Alta Pressão (RETAP), que fornece gás natural para Indústrias e 90.000 residências nos municípios da Grande São Paulo (Figura 1.1 ).
SÃO PAULO
Figura 1.1. Sistema de exploração e transporte da Bacia de Santos (Folha de São Paulo, 13/01193)
Operando desde meados de 1998, o gasoduto Brasil - Bolívia veJO facilitar o transporte de fluidos entre os dois palses através de 2.300 km quilômetros de tubulação desde Santa Cruz de La Sierra até a cidade de Campinas, São Paulo. O projeto do gasoduto prevê-se ainda uma ramificação de 1.100 km até o Rio Grande do Sul (Figura 1.2).
Tão grande quanto o desenvolvimento tecnológico que permite transportar produtos químicos em tubulações, é o desafio de realizar esta tarefa com alto grau de segurança, e sem prejuízo para o meio ambiente. Por estas razões, um dos aspectos mais importantes da operação de tubulações que transportam produtos químicos é o projeto do sistema de controle da tubulação.
(a) proteção da tubulação e dos equipamentos a ela associados através do morútoramento e ajuste da pressão e de outras variáveis de operação;
(b) acionar alarmes quando os limites das condições de operação são excedidos; (c) permitir a detecção de vazamentos.
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I
o.. , _ _ -bohlllMs90 ... -..
~têm ~tuinpow«<a,._..
...
93,4=:~ !111028-.-.... técnlcocUPetir..._ Oceano AdimicoFigura 1.2. Gasoduto Brasil- Bolívia (Folha de São Paulo, 15/04/96)
Detectar vazamentos é um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações. Vazamentos podem ocorrer devido a variações bruscas na pressão, ação corrosiva ou manutenção inadequada, o que coloca em perigo o meio ambiente se este não for rapidamente detectado e reparado.
Apesar do alto nível de atividade de construção de tubulações em todo o mundo, uma análise da literatura mostra que são recentes as pesquisas no campo da supervisão de tubulações, assim como as pesquisas de sistemas de detecção de vazamentos. Por outro lado, verifica-se que o advento de sistemas de aquisição de dados e de técnícas de computação em tempo real, baseadas em computadores de grande porte, proporcionou as condições necessárias para o desenvolvimento de técnicas de detecção de vazamentos.
1.1 - Objetivos do Trabalho
O presente trabalho faz parte de um projeto de desenvolvimento de técnícas de detecção e localização de vazamentos em tubulações. A técnica estudada baseia-se na detecção e análise "on-line" de transientes de pressão.
O objetivo deste trabalho foi o de aplicar a técnica de detecção e localização de vazamentos a uma tubulação transportando misturas gás -líquido. No trabalho experimental utilizou-se uma tubulação de PVC de 19 mm de diâmetro e 1250 m de comprimento, contendo quatro transdutores de pressão conectados a um microcomputador.
Perfis de transientes de pressão foram analisados para várias condições de operação da tubulação (vazão de liquido, vazão e posição do vazamento) para os casos em que o fluido transportado era: (1) um liquido (água); (2) uma mistura ar-água, com várias condições de injeção da fase gasosa na tubulação: (a) injeção de bolhas isoladas, e (b) injeção de múltiplas bolhas, sem ocorrência de vazamento na tubulação; (c) ~eção de bolhas isoladas, com vazamento; (d) fluxo contínuo da mistura ar-água, com ocorrência de vazamento.
O sistema de aquisição de dados envolve um microcomputador PC, uma placa de conversão ADA de 12 bits, e sistema de medida e transmissão de sinal de pressão. Todo o sistema de aquisição e análise de dados "on-line" foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Sistemas Químicos I DESQ! FEQI UNICAMP.
2- ANÁLISE DA LITERATURA
Detecção de vazamentos, é um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações transportando produtos químicos.
São vários os tipos de vazamentos que podem ocorrer em sistemas de tubulações, assim como são vários os tipos de detetores para analisar cada tipo.
O vazamento devido a ruptura é o menos comum mas muito pengoso. Falhas catastróficas podem causar danos significativos ao meio ambiente, especialmente em tubulações localizadas no fimdo do mar e em regiões remotas. Esses vazamentos são, todavia, os mais fáceis de se detectar desde que são acompanhados por variações na perda de carga ou volume, facilmente mensuráveis.
Vazamentos igualmente pengosos, porém mrus dificeis de serem detectados, são aqueles provocados por corrosão, erosão, fatiga, falhas nas soldas ou junções. Estes vazamentos são da ordem de 5 litros por hora, no entanto uma grande quantidade de produto pode ser perdida antes que o vazamento seja notado. Até o momento esse tipo de vazamento tem sido quase impossível de ser detectado por métodos convencionais.
Sistemas de detecção de vazamentos são classificados em duas categorias principais: estática e dinâmica. Sistemas dinâmicos são preferidos desde que podem ser utilizados enquanto a tubulação está operando. Métodos estáticos de detecção são úteis depois que o vazamento tenha sido detectado, de modo a encontrar sua localização.
Motútoramentos contínuos de tubulações permitiram o desenvolvimento de um grande número de téctúcas de detecção de vazamentos. O balanço de volume é o método predominante. Este método é limitado pela precisão da medida do volume e por variações associadas a esta medida. Motútoramentos de pressão e de taxa de vazão podem detectar grandes vazamentos. Transmissores de pressão diferencial através de válvulas
seccionalizantes podem monitorar continuamente em busca de pressões negativas, as quais indicam a ocorrência de um grande vazamento.
Wike (1986) enumera várias técnicas de detecção e localização de vazamentos baseadas no sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Existe uma variedade considerável de técnicas de detecção baseadas no sistema SCADA.
Teste Estático
Este método é capaz de detectar pequenos vazamentos, os chamados vazamentos "ocultos", e difere de outras técnicas pelo fato de que pode ser aplicado somente quando o escoamento na tubulação for interrompido. Baseia-se no fato de que numa linha sem fluxo uma queda de pressão é indicativa de vazamento. Transdutores diferenciais são instalados em subseções. Estando o fluxo na linha parado, o gradiente de pressão é virtualmente nulo. Se existe um vazamento, então a pressão em uma subseção começará a cair, causando uma pressão diferencial diferente de zero.
Variações inesperadas
Um dos métodos mais diretos de detecção de vazamento em uma operação de tubulação é o método de variação de pressão e fluxo. Um vazamento numa tubulação pode causar um aumento de fluxo a montante, simultaneamente com uma diminuição de pressão também a montante. Combinando tais eventos, vazamentos podem ser detectados. Este método aplica-se somente ao transporte, em estado estacionário, de fluidos incompressíveis, pois do contrário pode levar a falsos alarmes. Somente rupturas são detectáveis e o vazamento não pode ser localizado por este método.
Gradientes de pressão
Provavelmente a mais comum de todas as técnicas de detecção de vazamento baseadas no sistema SCADA. Opera segundo o princípio de que um vazamento deve distorcer o perfil de pressão ao longo de uma seção da tubulação. Instalando-se medidores de pressão nas extremidades das seções, o gradiente médio de pressão ao longo da linha pode ser calculado.
Um vazamento na vizinhança da seção deve causar uma rápida variação desse gradiente médio. Sistemas de gradientes de pressão também podem ser usados para localizar vazamentos com razoável precisão, utilizando técnicas de ajuste de curvas com interpolação entre medidas de pressão.
Balanço de massa
Basicamente, cada seção da tubulação é equipada com medidores de fluxo na entrada e na saída, e taxas de fluxo são comparadas continuamente em tempo real. Qualquer diferença entre a taxa de fluxo nas duas extremidades significa um vazamento.
Na prática, esta comparação é complicada pelo fato de que a taxa de fluxo medida, depende de vários parâmetros do fluido (temperatura, pressão, densidade e viscosidade). Esses parâmetros podem sofrer variações, ocasionando falsas deduções sobre as diferenças na taxa de fluxo do produto, de modo que em intervalos regulares a correção desses parâmetros se torna necessária, através de medições ao longo da tubulação ou de predições através de um modelo de cálculo. A diferença entre as taxas de fluxo entrando a saindo na tubulação é corrigida para avaliar as variações dentro da linha. Se esta diferença excede um valor limite um alarme automático é soado. Esse método é geralmente utilizado para detectar vazamentos de médios a grandes e não localiza o vazamento.
Ondas de pressão negativas
Quando ocorre um vazamento numa linha, uma rápida queda de pressão ocorre na posição do mesmo, originando uma onda de pressão negativa que se propaga à velocidade do som tanto no sentido a jusante como a montante do local do vazamento. É possível determinar a existência e aproximar a localização do vazamento através do monitoramento do progresso da onda em ambos os lados do vazamento, registrando-se o tempo no qual a onda avança vários pontos ao longo da linha.
Para implementar esta técnica, transdutores de pressão diferencial são instalados nas extremidades das seções da tubulação. O conhecimento da velocidade da onda e das
posições dos transdutores juntamente com a distribuição do tempo de reconhecimento da onda toma possível calcular a posição do vazamento com razoável precisão. Deve-se considerar também, que ondas de pressão negativas podem ser causadas por operações normais na tubulação, como partida e parada de bombas, fechamento de válvulas, e outros procedimentos normais. A filtragem cuidadosa de dados, bem como a correlação de possíveis ondas de pressão induzidas por vazamento são necessárias para minimizar falsos alarmes.
Simulação paralela
O modelo de simulação paralela é conduzido por um conjunto limitado de medições reais da tubulação, tipicamente pressões a montante e fluxos a jusante. A partir dai, o modelo estima pressões e fluxos a jusante, e posteriormente estima pressões, fluxos e outras variáveis em posições intermediárias ao longo da tubulação.
Estas medições estimadas podem então ser comparadas com as medições reais nos pontos intermediários, e suas discrepâncias utilizadas para detectar vazamentos. Os modelos utilizados para tais sistemas variam de muito simples, como aproximações de estado estacionário, a modelos de escoamento transiente de considerável complexidade. Tais esquemas têm fornecido um relativo sucesso em sistemas de tubulações não complicados (tipicamente linhas de transmissão com algumas ramificações) transportando fluidos incompressíveis.
Recentemente, Dempsey e Al-Habib (1996) apresentaram o novo sistema SCADA de monitoramento e controle de duas tubulações de petróleo de 1100 quilômetros e de 11 estações de bombeamento associadas, localizadas na Arábia Saudita.
O objetivo da implementação do novo sistema foi, primeiro, o de descentralizar o sistema global de controle e proporcionar um sistema de controle distribuído capaz de exercer um controle regulatório em cada estação de bombeamento e em cada estação de redução de pressão. Esta descentralização permitiu aos operadores das estações de
bombeamento controlar cada estação em caso de perda de comunicação ou no caso de falhas no sistema SCADA. O segundo objetivo, foi o de proporcionar um sistema com ampla função de monitoramento e controle supervisório, de modo que o a partir do terminal despachante do petróleo seja possível monitorar e controlar a operação da tubulação no terminal de recepção.
Gally e Rieutord (1986) propuseram um método para detecção e localização de vazamentos, baseado na comparação, em tempo real, dos valores de pressão (ou vazão) medidos nas extremidades de uma seção da tubulação, com aqueles calculados através da modelagem do escoamento transiente de uma tubulação suposta sem vazamento. O método se aplica a urna tubulação transportando líquido ou gás.
A simulação numérica do escoamento é conduzida, estabelecendo-se como condições de contorno, valores medidos de pressão e vazão nas extremidades. Assim, se ocorrer um desvio significativo entre os valores medidos e calculados de um dos parâmetros não introduzido nos cálculos, deduz-se a presença de um vazamento ao longo da seção considerada. De mais, as perturbações produzidas pelo vazamento se propagam à velocidade do som a partir da posição de ocorrência do vazamento (xF) (Figura 2.1 ), nos sentidos a jusante e a montante.
Conhecendo-se os instantes, ts e ts, correspondentes à chegada das perturbações nas extremidades E e S, é possível obter sua posição. A velocidade do fluido é muito inferior à velocidade de propagação das perturbações, de modo que a posição do vazamento é deduzida através da equação:
(2.1)
tempos
o L
Figura 2.1.Princípio da localização de vazamentos (Gally e Rieutord, 1986)
Os resultados obtidos por Gally e Rieutord (1986) demonstraram que é possível detectar vazamentos correspondentes a 5 % da vazão nominal, como também determinar sua localização dentro de um domínio igual a duas vezes o passo de comprimento utilizado no algoritmo de cálculo.
Baghdadi e Mansy (1988) elaboraram um modelo matemático para localização de vazamentos em tubulações baseado na análise de fluxo unidimensional. O modelo desenvolvido é válido para regimes de escoamento laminar e turbulento e para fluidos incompressíveis. Através da análise da equação da continuidade, da perda de carga devido ao atrito ao longo da tubulação, da vazão do fluido através do vazamento (obtida através da equação que descreve o fluxo através de um orifício), e do balanço de energia global do sistema, formulou-se uma expressão capaz de predizer a posição do vazamento em termos das quantidades medidas das taxas de fluxo e das pressões, nas extremidades da tubulação operando em regime estacionário.
Sandberg, Holmes, McCoy e Koppitsch (1989) analisam diferentes métodos de detecção como balanço de volume e métodos acústico, térmico e eletroóptico. Os autores também propuseram um detetor de vazamentos de solventes hidrocarbonetos, para ser utilizado em lagoas e em tubulações de compartimento duplo, consistindo de um módulo de alarme e de um cabo sensor. O cabo sensor consiste basicamente de um fio para envio do sinal de alarme e de dois fios sensores, recobertos por uma camada de polimero condutor que tem a propriedade de inchar quando exposto a solventes e combustíveis a base de hidrocarbonetos, provocando o contato elétrico com os dois fios sensores.
Testes foram realizados com um cabo sensor de 8 mm de diâmetro. Medidas da variação da resistência do cabo com o tempo permitiu obter o "tempo de resposta" do sensor quando exposto a diferentes hidrocarbonetos. O "tempo de resposta" se mostrou dependente do peso molecular do hidrocarboneto e da temperatura. A 20
•c,
o "tempo de resposta" para a gasolina foi de 15 min, enquanto que para o tolueno e óleo diesel foi de 60 min. Desde que a faixa efetiva do sensor é de cerca de 2 km, o monitoramento continuo de uma tubulação longa, requer um sistema de telemetria para envio da informação sobre o vazamento para a estação central de supervisão.Mears (1988) relata testes de detecção e localização de vazamentos realizados em duas tubulações da Williams Pipe Line Company (WPL), Tulsa, E.U.A.. As tubulações utilizadas têm: 534 km de comprimento, 40 em de diâmetro, e 306 km de comprimento, 30 em de diâmetro, respectivamente.
O software do sistema de detecção de vazamentos de WPL tem como base um modelo em tempo real capaz de simular as condições de fluxo em uma rede de tubulações complexa. A detecção de vazamentos é feita por dois métodos distintos: balanço volumétrico e desvio pressão - vazão. Dados requeridos pelo modelo em tempo real, como propriedades fisicas do fluido, temperatura, pressão e vazão, são fornecidos pelo sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Relatos da dimensão e da localização do vazamento, feitos
pelo sistema de detecção, são dinâmicos. Novos valores são relatados, cada vez que novos dados do SCADA são recebidos.
De modo a testar o tempo de resposta e a precisão do sistema de detecção, a WPL realizou diversos testes de vazamentos. Vazamentos foram provocados nos lados de sucção e de descarga das bombas instaladas ao longo da tubulação e nos pontos intermediários entre as unidades de bombeamento.
O tempo de resposta do sistema, predito ser de 5 minutos, foi altamente preciso para vazamentos relativamente pequenos. Em geral, o sistema gerou os primeiros sinais de alarme 5 minutos depois de iniciado o vazamento, para os casos em que a vazão de vazamento era maior ou igual a 5 % da vazão total de líquido na tubulação. O tempo de resposta foi mais lento quando havia significativos transientes na línha, mas não pareceu depender da posição do vazamento. Testes foram conduzidos para vazamentos de até 20 % do fluxo total e nenhuma melhora no tempo de resposta foi observada.
Testes realizados na faixa inferior de vazões de vazamento, entre 5 % e 2 % do fluxo total, demonstraram tempos de resposta erráticos. Nesta faixa, 50 % dos vazamentos não foram detectados, enquanto que o tempo de resposta para a outra metade dos testes variou entre 5 e 16 minutos.
A precisão da dimensão do vazamento relatada pelo sistema de detecção também foi investigada. Em geral, os dados obtidos nos testes da WPL não mostraram nenhuma correlação de repetitibilidade em relação à precisão da dimensão de vazamento relatada. Todavia, em quase todos os testes as dimensões de vazamentos relatadas nos primeiros alarmes (2 a 3 minutos) foram menores do que os vazamentos reais.
De um modo geral, os valores relatados para a dimensão do vazamento não diferiram da valor real em mais do que 16m3/h, resultado considerado muito bom quando comparado com a vazão total na linha, cerca de 430 m3/h. A precisão no dimensionamento do
vazamento melhorou com o tempo, de modo que a maioria dos testes apresentou um erro menor ou igual a 8m3/h, após 15 minutos do início do vazamento.
Em geral, as localizações dos vazamentos foram relatadas pelo sistema de detecção com erros menores ou iguais a 40 km. Observou-se que a precisão da localização do vazamento nos primeiros alarmes depende do tamanho do vazamento. Para vazamentos de 10% as posições relatadas nos primeiros alarmes foram localizadas com um erro de cerca de 24 km, com alguns casos realmente identificando a localização exata. Para vazões de 5%, posições de vazamentos relatados inícialmente diferiram de 16 km a 160 km da verdadeira posição.
Para testar como o sistema de detecção reagiria durante a sequência de eventos de uma situação real de vazamento, o seguinte teste foi realizado: primeiro, provocou-se um vazamento de cerca de 8 % da vazão total. Esperou-se pela chegada do primeiro alarme. Os primeiros relatos indicaram um vazamento de cerca de 8 m3/h abaixo do valor real, enquanto que a localização do vazamento estava correta. Depois de 4 alarmes (2 minutos), todas as unidades de bombeamento na linha foram desligadas. Imediatamente, o alarme de vazamento cessou devido aos transientes de grande magnitude que foram criados. O alarme esteve inativo por 3 minutos e quando retornou com informações sobre o dimensionamento e localização do vazamento, estas estavam incorretas. Imediatamente após o desligamento das bombas, a dimensão real do vazamento dissipou-se lentamente enquanto que a dimensão relatada aumentou de 56m3/h para 120m3/h, ambos valores acima do valor real. Também, a imprecisão da localização do vazamento aumentou de 96 km para 144 km em 5 minutos.
Estes resultados demonstraram que uma vez que o vazamento tenha sido confirmado e qualquer ação tenha sido tomada, as perturbações resultantes na linha, geram alarmes virtualmente inúteis. Falsos alarmes não foram totalmente eliminados, sendo que a maioria deles podem estar associados a rotinas operacionais na tubulação, tais como partidas ou paradas das unidades de bombeamento.
Numa das mais recentes revisões sobre técnicas para detecção de vazamentos em tubulações, Black (1992) classifica os métodos existentes sob os seguintes grupos: (a) observação; (b) métodos baseados em sensores; (c) "pigs" inteligentes; ( d) análise a partir de medidas pressão; (e) balanço de volume; (f) detecção baseada na modelagem matemática da tubulação. Para cada método, é apresentada uma apreciação sobre suas vantagens e desvantagens.
Em 1993, Wang, Dong e Fang propuseram um método para detecção e localização de vazamentos em tubulações baseado em modelos auto-regressivos. No esquema proposto, quatro medidas de pressão p(O), p(&), p(L- &), p(L), são feitas nas posições O,&, (L
-&), e L, respectivamente. Uma sequência de tempo Xk é definida como:
p,(o)- p,(AZ)
x, =
P.
(AZ)-
P.(L)
p,(L-
AZ)-
p.(L)
P.(o)-
P.(L-AZ)
onde o subscrito k indica o k-ésimo instante de tempo.(2.2)
O valor de xk independe da vazão do fluido na tubulação, e será igual a zero no caso em que a vazão é constante e nenhum vazamento ocorre na tubulação. Se existir uma perturbação no fluxo do processo, Xk será uma sequência aleatória de tempo. Sequências de
tempo obtidas num dado instante k sob condições de fluxo normal e sob vazamento, são então inseridas nos modelos auto-regressivos cujos parâmetros e variâncias residuais são dependentes das condições da tubulação. Vazamentos são então detectados a partir da análise dos parâmetros e das variâncias residuais.
A detecção de vazamentos é feita com base no valor do índice de desempenho (PJ),
gerado pelo modelo, de modo que a ocorrência de um vazamento resulta em valores de P1> O, enquanto que se não existe vazamento P1= O.
O método proposto foi testado em uma tubulação de 10 mm de diâmetro e 120m de comprimento. Quatro sensores de pressão foram instalados a O, 20, 100, e 120m da entrada do duto. Para aquisição de dados utilizou-se um microcomputador PCIXT contendo uma placa conversora AID de 12 Bits. Valores do índice Pr em função do tempo, são mostrados na Figura 2.2, para vazamentos de 0,5 % e 1 % da vazão de líquido na tubulação.
alanne 0.50 p 0.10 f O.OS fr---'ao.-:Y.:::ÍS:;::0:...___~'---0.01
o
4 ' vazamento 8 12 tempo (s) (a) vazamentos de 0,5 % 16 20 0.50 p 0.10 ~-===--+--~~-f 0.05!----"'='---...,.c;_ _ _ _ 0.01 4 8 12 tempo (s) (b) vazamentos de I % 16 20Figura 2.2. Índice de desempenho (Wang, Dong e Fang, 1993).
Recentemente, Belsito e Baneljee (I 997) propuseram uma abordagem baseada em redes neurais artificiais onde cerca de 900 diferentes configurações de vazamentos (ou seja, diferentes localizações e dimensões de vazamentos) foram utilizadas no treinamento das redes. Os autores obtiveram resultados satisfatórios na detecção e previsão da dimensão de vazamentos mesmo com ruídos no sinal amostrado. Menos sucesso porém, foi obtido para localização de vazamentos, principalmente quando inferiores a 5% da vazão nominal.
2.1 - Detecção e localização de vazamentos por computador "on-Iine"
Desde 1989 desenvolve-se no Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos (DESQ) I FEQ IUNICAMP estudos sobre técnicas de detecção e localização de vazamentos em tubulações, utilizando métodos computacionais "on-líne".
Quando ocorre um vazamento, urna onda de pressão se propaga ao longo da tubulação, a montante e a jusante da posição do vazamento (transiente hidráulico). A pressão ao longo da tubulação passa por uma brusca redução, seguida de uma recuperação
parcial, cuja intensidade (da redução e da recuperação) depende da magnitude do vazamento.
A técnica desenvolvida no DESQ está baseada na detecção e análise de transientes hidráulicos causados por vazamentos. Perfis de transientes de pressão são detectados e analisados através de técnicas computacionais "on-line", para diferentes condições de operação da tubulação.
Naves (1991) desenvolveu uma técnica para a detecção de vazamentos baseada na análise de transientes de perda de carga numa tubulação de PVC, de 3/4" de diâmetro e 20 m de comprimento.
O estudo da técnica foi feito teoricamente, através da simulação de vazamentos na tubulação, e experimentalmente, utilizando-se um sistema de aquisição de dados em tempo real. Para detecção de transientes utilizou-se um transdutor de pressão diferencial (do tipo célula capacitiva ), que mediu a variação de pressão entre a entrada e a saída da tubulação. Vazamentos foram provocados através da abertura de uma válvula solenóide. Tanto o transdutor quanto a válvula solenóide foram conectados a um microcomputador PC equipado com uma placa conversora ADA (A= analógico; D = digital).
Perfis da variação da perda de carga com o tempo, foram obtidos para diferentes condições de: (a) vazão de liquido (água) na tubulação (6000 < Re < 12000); (b) vazão de vazamento (10 a 50 % da vazão nominal de escoamento); (c) posição do vazamento na tubulação (à entrada e a 5 m, 10m e 15m da entrada da tubulação).
Observou-se que a variação da perda de carga aumenta com o aumento da vazão de liquido e com a quantidade de vazamento, sendo que esta variação depende da posição do vazamento na tubulação. Os vazamentos mínimos detectados foram da ordem de 0,5% da vazão nominal de escoamento. Os perfis da perda de carga na tubulação obtidos por simulação e através da aquisição de dados são mostrados na Figura 2.3.
...
..
-188 10 -158 var-111%-
l 211%....
.380 311%-
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-
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Xll=o.5 o -!i! ..5 ..
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-~ -1:30 ~ 'E 21 xA.•o.5 = ... 11 Re• 10000 Re= 10000 vaz=50%....
8 8 8.05 8.11 0.15 8.28 11.25 8.30 8 1.8 2.8 3J)... ...
0.8 tempo(s) tempo(s)...
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...
...
tempo(s) tempo(s)(a) simulação teórica b) aquisição de dados Figura 2.3. Perfis de transientes de pressão (Naves, 1991)
Em trabalho subsequente (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996), estudou-se a possibilidade da utilização de medidas de transiente de perda de carga em um medidor de orifício para a detecção e localização de vazamentos.
Um exemplo dos resultados obtidos é mostrado na Figura 2.4.(a). Do mesmo modo que o observado por Naves (1991), a variação da perda de carga permite detectar vazamentos de diferentes magnitude, no entanto não permite a localização da posição do vazamento. Os tempos de detecção observados durante os experimentos se mostraram praticamente independentes da vazão de líquido na tubulação, e também da vazão e posição do vazamento. Os tempos de detecção representaram basicamente o tempo de resposta do transdutor, muito maior do que o tempo real de detecção dos vazamentos (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996).
Não se restringindo somente à detecção, Buiatti (1995) detectou e localizou vazamentos numa tubulação de PVC, de 3/4" de diâmetro e 433 m de comprimento. Para aquisição de dados foram utilizados 4 transdutores (piezoelétricos) de pressão, instalados a 7m, 167 m, 266 m e 427 m da entrada da tubulação. Os vazamentos foram provocados através da abertura de válvulas solenóide, localizadas a 84 m, 173 m e 260 m da entrada da tubulação.
Os transdutores bem como as válvulas solenóide foram conectados a um microcomputador PC equipado com uma placa conversora ADA. Medidas de transiente de pressão foram realizadas para o escoamento de líquido em regime turbulento (5000 ~ Re ~
13000) e várias porcentagens de vazamento (5% a 80% da vazão nominal de líquido). Um exemplo dos perfis de transiente de pressão é mostrado na Figura 2.4.(b ).
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140~---. i! 60· ' • -250 ,~,
...
-
-; i V posição do transdutor '.; (relativa ao vazamento) {+)jusante (-)montante 40+---.-~----~----.-~ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 tempo (s) (b) tubulação I: 433 m Figura 2.4. Perfis de transientes de pressão (Cruz, Buiatti e Pereira, 1996).A partir dos tempos de detecção em cada transdutor e de medidas da velocidade de propagação da onda de pressão, Buiatti (1995) desenvolveu um programa para a localização da posição do vazamento com base na equação (3). Para o caso de uma tubulação contendo pelo menos 3 transdutores, a localização do vazamento pode ser expressa em termos da
distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo (y):
(2.3)
onde L2 é a distância entre os transdutores 2 e 3; t2 e t3 são os tempos de detecção nos
transdutores 2 e 3, respectivamente e v é a velocidade de propagação da onda de pressão.
Valores medidos da velocidade da onda de pressão estiveram entre 490 e 530 rn/s (Figura 2.5.(a)). A precisão obtida na localização da posição do vazamento é mostrada na Tabela I, para diferentes condições de vazão de líquido (Re).
550 . 540-<
...
530E
520"'
..,
510 <:: o"'
500..,
Q)..,
490c"'
..,
:B
480 Q) > 470 480 450 o tubulação 1: 433m y (m) v +91 6. ·177 o ~91 o -6 o +6 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 número de Reynolds (a)~
"'
..,
<:: o"'
..,
Q)..,
"'
..,
:B
Q) > 550 540-j530J
'520~
510 ~ I ' 500-! 4904 I 480~ I 470~ I-~
I 450 o tubulação 11: 1248 m Y (m) a +244m <> +244m O +144m • ·256m t:. +244m 2000 4000 6000 8000 1 0000 12000 14000 número de Reynolds (b)Figura 2.5. Velocidade de propagação da onda de pressão
Silva, Buiatti, Cruz e Pereira ( 1996) estenderam o estudo de Buiatti ( 1995) para escoamento em regime laminar (Re < 3000) numa tubulação de PVC, de 3/4" de diãmetro e 1.248 m de comprimento. Nesta tubulação, 4 transdutores de pressão foram instalados a 494
m, 744 m, 994 me 1244 m da entrada da tubulação. Vazamentos foram provocados através da abertura de válvulas solenóide, localizadas a 250 me 750 m da entrada da tubulação.
Valores medidos da velocidade da onda de pressão estiveram na faixa de 470 a 485 rn!s. (Figura 2.5.(b)). As Tabelas 2.1 e 2.2 mostram que os erros na localização dos vazamentos foram em média inferiores a 5 m, independentemente da tubulação.
Tabela 2.1 - Precisão na localização do vazamento (tubulação: 433 m) (Buiatti,
1995). R e y +erro (m) 5000 176 ± 8.57 7000 176 ± 8.36 8000 176 ± 7.74 9000 176 ± 6.38 11000 176±9.08 5000 5±2.13 7000 5 ±2.11 8000 5 ±2.96 9000 5 ±2.80 11000 5 + 3.03 5000 91 ± 8.74 7000 91 ± 8.98 8000 91 ± 5.91 9000 91±7.51 llOOO 91 ± 9.96
Tabela 2.2 - Precisão na localização do vazamento (tubulação: 1.248 m) (Silva, Buiatti, Cruz e Pereira, 1996).
R e y+ erro (ml_ 1000 243 ± 2.21 2000 243 ±4.75 5000 243 ± 7.97 7000 243 ±2.63 8000 243 ±5.50 12000 243 ± 4.80 1000 243 ±4.46 2000 243 ±4.97 5000 243 ± 7.94 7000 243 ± 3.79 8000 243 ± 3.01 12000 243 ±0.92
*
(y=
distância entre o vazamento e o transdutor mais próximo)2.2 - Conclusões
No presente capítulo foram apresentados alguns dos métodos mais utilizados para a detecção e localização de vazamentos em tubulações, bem como algumas das principais dificuldades na sua implementação. Como foi díto inicialmente, a detecção de vazamentos, é um dos aspectos fundamentais da operação de tubulações transportando produtos químicos.
A pesquisa nessa área deve ser incentivada, já que a tendência é a de que esse tipo de transporte seja ainda mais utilizado, o que segundo Black (1992) "aumenta ainda mais a pressão para o desenvolvimento e implementação de sistemas efetivos de detecção de vazamentos".
Ainda segundo Black (1992), um dos pontos pouco abordados nesta área é aquele que trata da detecção de vazamentos em tubulações onde o escoamento é multifásico. É nesse sentido que o presente trabalho pretende contribuir, estudando a detecção de vazamentos em tubulações transportando misturas gás-líquido.
3- MONTAGEM EXPERIMENTAL E SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
O objetivo deste capitulo é descrever detalhadamente os equipamentos que compõem a montagem experimental utilizada no desenvolvimento da técnica de detecção e localização de vazamentos, baseada na análise de transientes de pressão por computador "on-line". A montagem experimental constitui-se basicamente de uma tubulação de PVC de 19 mm de diâmetro e 1248 m de comprimento.
3.1 - Montagem Experimental
O objetivo da montagem desenvolvida no laboratório é simular e detectar experimentalmente a ocorrência de vazamentos em tubulações. Um esquema representativo da montagem é mostrado na Figura 3 .1.
Rotimetro
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~:::: ~ Micro computadorFigura 3 .1. Esquema da montagem experimental.
A montagem experimental é constituída de uma tubulação de 1248 m de comprimento total, construída a partir de tubos de PVC de 19 mm de diãmetro (2,5 mm de espessura) e
18m de comprimento, conectados por cotovelos de 90°, tendo no total 70 cotovelos.
Ao longo da tubulação estão instalados quatro transdutores de pressão: a 494 m, 744
m, 994 m e 1244 m da entrada da tubulação. Os transdutores estão acoplados a um microcomputador PC através de uma placa conversora ADA (Analógico/ Digital/ Analógico).
Para simular o vazamento estão instalados dois conjuntos de válvulas solenóide I
gaveta: a 250 m e 750 m da entrada da tubulação. A abertura e fechamento da válvula solenóide é realizada através da placa ADA, enquanto que a abertura da válvula gaveta controla a magnitude do vazamento. A Tabela 3.1 mostra a posição de cada transdutor, relativa a posição do vazamento.
Tabela 3.1. Posição dos transdutores na tubulação.
Transdutor (posição relativa a Posição do transdutor relativa ao vazamento* entrada da tubulação) vazamento a 250 m vazamento a 750 m T1 (494 m) (+)244m (-)256m T2 (744m) (+) 494 m (-) 6m
I
T3 (994m) (+) 744 m (+)244m T4 (1244 m) (+) 994 m (+) 494 m* ( +) a iusante; (-) a montante, do vazamento
O trabalho experimental se constituiu da detecção de vazamentos, sob várias condições de operação da tubulação, para os casos em que o fluido escoante era um liquido (água) ou uma mistura gás - liquido (ar - água). Neste último caso, diferentes tipos de experimentos foram realizados, a saber: 1. Injeção de uma bolha de ar, sem ocorrência de vazamento; 2. Injeção de múltiplas bolhas, sem ocorrência de vazamento; 3. Injeção de uma
bolha de ar, com ocorrência vazamento; 4. Escoamento continuo de uma mistura ar-água, , com ocorrência vazamento.
Na montagem experimental água circula em circuito fechado a partir de um reservatório de 75 litros, sendo alimentada à tubulação através de uma bomba centrifuga de 3 Cv, marca WEG. Na saída da bomba estão instaladas duas válvulas gaveta, a primeira por questão de segurança regula a vazão máxima de liquido na tubulação, enquanto que a segunda regula a vazão de líquido alimentado à tubulação. A vazão de água é medída através de uma placa de orifício instalada na entrada da tubulação. A curva de calibração da placa de orifício encontra-se no Apêndice I.
A vazão de vazamento de água, cuja magnitude é controlada pela abertura da válvula gaveta, é determinada no início de cada experimento, utilizado-se um cronômetro e uma proveta. A magnítude do vazamento é expressa em termos de porcentagem da vazão nominal de líquido na tubulação (vazão de liquido antes da ocorrência de vazamento).
O ar injetado na tubulação provem de uma linha de ar comprimido, sendo que sua vazão e pressão são controladas por um rotâmetro e um manômetro de mercúrio. A vazões de ar são corrigidas em relação a pressão e temperatura de operação, de acordo com recomendação do fabricante do rotâmetro. A curva de calibração, bem como a metodologia utilizada para correção da vazão, são dadas no Apêndíce 1. A alimentação de ar para a tubulação é controlada pela abertura I fechamento de uma válvula solenóide, também conectada ao microcomputador através da placa ADA A Tabela 3.2 mostra as faixas de operação nas quais os experimentos foram realizados.
Tabela 3.2. Condíções de operação da tubulação
Número de Reynolds do líquido (Re) 2000 a 12000
Porcentagem de vazamento 2%a50%
Vazão de ar 1,7 a 9,6lítros I min
I
Posições do vazamento, em relação a entrada daI
250me750m3.2 - Especificação dos Equipamentos
3.2.1 - Transdutores de pressão
Os transdutores de pressão utilizados no sistema de aquisição de dados são do tipo piezoelétrico. Estes transdutores, são constituídos de um material sólido acoplado a eletrodos metálicos (Figura 3.2). Quando o material piezoelétrico se deforma, quer por compressão, expansão ou torção, uma carga elétrica é gerada, produzindo uma diferença de potencial entre os eletrodos, sendo esta carga proporcional a deformação do material. A diferença de potencial gerada é amplificada, gerando o sinal de saída do transdutor.
Eletrodo
Eletrodo
Amplificador
Sinal !--___,;Amplificado
Figura 3.2. Esquema simplificado do sistema de funcionamento dos transdutores.
Os transdutores utilizados são da marca Cole-Parmer. A Tabela 3.3 mostra a pressão máxima para a qual cada transdutor foi projetado. O sinal elétrico emitido pelos transdutores é um sinal de tensão, na faixa de 1 a 5 V.
Na montagem experimental, os quatro transdutores estão acoplados a um microcomputador PC que recebe e arquiva continuamente suas leituras de pressão. Todos os transdutores enviam simultaneamente as leituras de pressão na forma analógica. Antes que os sinais cheguem ao computador estes passam por um multiplexador e um conversor analógico - digital. O multiplexador possibilita ao computador receber os sma1s
alternadamente, enquanto o conversor discretiza os smats e os converte em números binários.
Tabela 3.3. Pressão máxima especificada para cada transdutor.
Transdutor (posição em relação a entrada Pressão máxima da tubulação) especificada (psig)
Tl (494m) 60
T2 (744m) 30
T3 (994m) 30
T4 (1244 m) 15
3.2.2 - Placa conversora Analógica- Digital - Analógica (ADA)
A placa ADA utilizada é da marca TAURUS, versão 2.2, sendo composta por: • multiplexador;
• conversor analógico - digital ( AID) de 12 bits e 8 canais; • conversor digital- analógico (D/ A) de I O bits e 8 canais;
• placa digital - digital (D/D) de 8 bits, com 8 canais de entrada e 8 de saída;
Multiplexador
O multiplexador permite que um único conversor analógico/digital (CAD) tenha acesso a várias linhas de sinais analógicos. Caso o multiplexador não fosse utilizado seriam necessários quatro CAD's para receber os sinais emitidos pelos transdutores. A Figura 3.3 mostra o esquema de funcionamento de um multiplexador com quatro portas para receber sinais. O multiplexador utilizado é provido de 8 portas para receber os sinais, e é parte integrante da placa ADA, onde é encaixado o CAD.
Conversor analógico I digital (CAD)
Um conversor analógico - digital é composto por um sampler e por uma placa que converte sinais analógicos em digitais.
Sinais enviados
pelos transdutores
~-
'..---, CAO---.\. Passagem alternada
dos sinais
Figura 3.3. Esquema de funcionamento de um multiplexador.
O sampler discretiza os sinais enviados continuamente pelos transdutores, funcionando como uma espécie de interruptor, que em intervalos de tempo regulares permite a passagem da corrente elétrica. O microcomputador gasta um intervalo de tempo finito para ler os sinais enviados pelos transdutores, por este motivo é necessário discretizar o sinal. Caso haja alguma variação na variável monitorada durante os intervalos que o micro não recebe os sinais, esta variação não é percebida.
O sinal discretizado não pode ser utilizado diretamente pelo computador, pois é um sinal elétrico de natureza analógica, enquanto que o computador trabalha somente com sinais de natureza digital. O conversor analógico - digital (CAD) converte o sinal analógico em palavras de 12 bits, ou seja números inteiros na forma binária que podem ser utilizados pelo computador.
Placa digital/ digital (D/D)
A placa digital é utilizada para atuar sobre as válvulas solenóide, de modo a provocar um vazamento, bem como para injetar ar na tubulação. Isto é feito através do programa de aquisição de dados que atua sobre um relé, permitindo a abertura I fechamento da válvula solenóide. No programa de aquisição de dados o envio dos sinais digitais é feito através da subrotina write _digO.
3.2.3 - Microcomputador
O microcomputador utilizado na aquisição de dados em tempo real é um micro 486 DX, 50MHz, Winchester 250 MB, 8MB RAM. No sistema de aquisição de dados o micro computador tem:- 1) a função de receber os sinais transmitidos pelos transdutores e arquivá-los em tempo real; 2) abrir e fechar as válvulas solenóide; 3) mostrar os dados experimentais ao usuário, na forma gráfica.
O micro computador gasta um certo tempo para receber os sinais enviados pelos transdutores, processá-los e mostrá-los ao usuário. Como o micro possui relógio interno é possível determinar o intervalo de tempo entre duas aquisições, o que garante interação entre o processo e o sistema de aquisição de dados.
3.3 - Sistema de Aquisição de Dados
Um sistema de aquisição de dados pode ser definido como uma unidade de instrumentos eletrônicos que reúne dados de várias fontes, mede, processa e grava os dados adquiridos. Além disso, fornece instruções de controle do processo monitorado, com base nas informações medidas. Através de um sistema de aquisição de dados, é possível realizar tais tarefas com maior rapidez e precisão do que utilizando-se operadores para monitoramento do processo.
3.3.1 - Descrição do sistema de aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados utilizado no presente trabalho se constitui dos seguintes instrumentos:
1. Transdutores de pressão. Neste trabalho, foram utilizados quatro transdutores para medir a pressão ao longo da tubulação. Os valores medidos são transmitidos para um microcomputador PC na forma de um sinal analógico na faixa de 1 a 5 V.
2. Multiplexador, que é o responsável pela escolha dos transdutores que terão seus sinais transmitidos ao microcomputador.
3. Conversor analógico - digital, que realiza a tarefa de converter os sinais analógicos gerados pelos transdutores, em sinais digitais que serão reconhecidos pelo microcomputador.
4. Microcomputador, que é o responsável pelo processamento e arquivo dos dados do processo.
5. Programas de aquisição de dados. Estes programas enviam instruções aos instrumentos componentes do sistema de aquisição de dados.
3.3.2 - Conversão do sinal analógico em digital
Os transdutores de pressão utilizados neste trabalho transmitem os valores de pressão na forma de um sinal analógico na faixa de 1 a 5 V. Este sinal é recebido pela placa ADA e convertido em sinal digital, ou seja, em número decimal equivalente na faixa de 1012 a 4095. Esta conversão é feita de acordo com a seguinte relação:
(SD-1012) _(SA-l) (4095-1012)- (5-l)
onde SA é o sinal analógico e SD o sinal digital (número decimal equivalente).
(3.1)
Após a conversão do sinal, este será convertido em unidades de pressão, em subrotinas leitura dos programas de aquisição de dados. Por exemplo, para os transdutores de pressão que realizam medidas de até 15 psig a conversão em unidades de pressão é feita da seguinte forma:
- para uma pressão de O psig, o transdutor gera um sinal de 1 V que corresponde a um sinal digital (número decimal equivalente) de 1 O 12;
- para uma pressão de 15 psig, o transdutor gera um sinal de 5 V que corresponde a um sinal digital de 4095.
Deste modo, para uma dada leitura de tensão (Volts), tem-se:
p =
15 (SD-1012)
(4095 -1012) (3.2)
De maneira semelhante, obtém-se a relação que representa a conversão do sinal digital em unidades de pressão para transdutores que efetuam medidas de até 30 psig ou 60 psig:
p =
30 (SD-1012) (4095-1012)
P= 60 (SD-1012) (4095 -1012)
3.3.3 - Temporização dos programas de aquisição de dados
(3.3)
(3.4)
Utilizando-se o relógio interno do microcomputador, é possível determinar o intervalo de tempo gasto pelo micro para efetuar a execução do laço de leitura nos programas de aquisição de dados. Esta temporização é necessária para que se possa garantir a correta correspondência entre o tempo e as leituras de pressão.
Dentro do laço de leitura, além da aquisição de dados em si, são feitas a conversão dos sinais, a transformação dos sinais digitais em unidades de pressão, e filtragem dos dados.
Outra tarefa realizada na subrotina de leitura de dados (subrotina leitura), é o cálculo da média de um determinado número de amostras. O valor médio obtido é considerado como sendo o sinal transmitido pelo transdutor piezoelétrico. Este cálculo é feito visando
diminuir o efeito de oscilações, devido ao processo de bombeamento, sobre os valores de pressão lidos, funcionando assim como um pré-filtro.
O tempo gasto na realização das tarefas descritas acima deve ser incorporado ao tempo gasto pelo transdutor ao realizar uma leitura, pois geram um atraso na aquisição de dados por ocorrerem entre duas leituras sucessivas. Desta forma, é possível garantir a exata correspondência entre as variáveis de processo.
De modo a realizar a temporização dos programas de aquisição de dados, fazem parte do programa principal a biblioteca time.h e a subrotina clock( ). Esta subrotina nada mais é do que um relógio que mede o tempo consumido na realização do programa de aquisição de dados, isto é, mede o tempo gasto pelos programas para executar o laço de leitura Assim, ao inicializar-se o programa, a subrotina clock( ) liga o relógio interno do micro, e desliga-o ao final do programa.
Com a utilização da subrotina clock( ), é possível saber o exato instante em que a subrotina leitura é inicializada e o instante em que é finalizada. Ao se chamar a subrotina
leitura, o valor atual de clock( ) é arquivado em uma variável denominada tempo!. No instante em que se finaliza a subrotina, o valor atual de clock( ) é arquivado em uma variável tempo2. A diferença entre tempo2 e tempo! corresponde ao tempo gasto na execução da subrotina leitura. Dividindo-se este valor pelo número de vezes que se realiza o laço de leitura, tem-se o intervalo de tempo consumido entre duas leituras seguidas para um dado transdutor. Dentro da subrotina, são feitas 250 leituras para cada transdutor quando se utiliza o programa SC4.C.
Durante os experimentos realizados para temporização dos programas de aquisição de dados, a subrotina leitura foi executada por 100 vezes com o intuito de obter um valor
médio representativo do tempo gasto para executar a subrotina leitura. Deste modo, o intervalo de tempo consumido pelo micro entre duas leituras sucessivas de um dado transdutor pode ser calculado da seguinte maneira:
llt = (tempo2- tempo!)
JOOxnl
onde nl é o número de leituras executadas.
(3.5)
A Tabela 3.4 traz o tempo gasto entre duas leituras para os programas de aquisição de dados desenvolvidos.
Tabela 3.4. Intervalo de tempo gasto entre duas leituras de pressão de um dado transdutor Programa Intervalo de tempo (s)
SC4.C 0.010456
SCON.C 0.01683564
3.4 - Filtragem de Dados
Durante a aquisição de dados de um processo qualquer, ruídos podem ser gerados por várias fontes tais como um instrumento de medição, equipamentos elétricos, ou por uma variável do processo (Ex.: variações na vazão de escoamento). A presença de vazamento em na tubulação gera um transiente hidráulico, que pode ser confundido com estes ruidos, dependendo da magnitude do vazamento. De modo a se identificar corretamente um vazamento, torna-se necessário reduzir ao máximo estes ruidos.
A redução de ruídos em um processo qualquer é possível através da filtragem dos dados. No presente trabalho utilizou-se um filtro média aritmética e um filtro exponencial duplo.
