CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES DE VAZÃO DE BIOGÁS COM FINALIDADE À VENDA DE CRÉDITOS DE CARBONO

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1 I CIMMEC º CONGRESSO INTERNACIONAL DE METROLOGIA MECÂNICA DE 8 A 0 DE OUTUBRO DE 2008 Rio de jaeiro, Brasil CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES DE VAZÃO DE BIOGÁS COM FINALIDADE À VENDA DE CRÉDITOS DE CARBONO Gilder Nader, Paulo Thiago Fracasso, Elcimar da Silva Nóbrega, Rui Gomez, Marcio Nues, Atôio Luiz Pacífico e Nilso Massami Taira Cetro de Metrologia de Fluidos Istituto de Pesquisas Tecológicas do Estado de São Paulo, São Paulo, Brasil, gader@ipt.br / cmf@ipt.br Resumo: Este trabalho tem como fialidade descrever a metodologia empregada pelo Cetro de Metrologia de Fluidos (CMF) do IPT para calibração em laboratório e i situ de medidores de vazão de biogás utilizados, pricipalmete, em empresas que comercializam créditos de carboo; embora a metodologia possa ser empregada para qualquer tipo de medidor de vazão de gás. Palavras chave: vazão, biogás, pitometria, crédito de carboo.. INTRODUÇÃO Atividades atropogêicas produziram, a partir da metade do século XVIII, aumeto a cocetração atmosférica de dióxido de carboo (CO 2 ), metao (CH 4 ), Óxido Nitroso (N 2 O), etre outros. Este aumeto as cocetrações é proveiete, pricipalmete do uso de combustíveis fósseis e da agricultura. Atualmete, a cocetração atmosférica de CO 2 cotiua aumetado, equato as cocetrações de CH 4 e N 2 O vêm dimiuido a partir do fial do século XX []. Para um cotrole sobre as atividades atropogêicas, foi criado, em 997, o protocolo de Quioto [2] e a veda de créditos de carboo como um mecaismo destiado ao cotrole da emissão de gases do efeito estufa a atmosfera. Os créditos de carboo são estabelecidos a partir do potecial de aquecimeto global, e para cada toelada do gás, são atribuídos os seguites créditos: CO 2 = ; CH 4 = 2; N 2 O = 30, etre outros. Por esse motivo, empresas que comercializam créditos de carboo ecessitam de medição cofiável da vazão e composição do gás. Os medidores de vazão do biogás devem ser calibrados periodicamete, e possuir o meor erro possível, para que ão haja prejuízo para ehuma das partes evolvidas o processo de compra e veda dos créditos. No Brasil as empresas, aterros saitários etc., ormalmete utilizam medidores de vazão do tipo mássico-térmico, ou por diferecial de pressão em suas lihas. Em quaisquer dos casos os istrumetos são ormalizados [3-4]. Atualmete, o Brasil há duas possibilidades de calibração desses istrumetos, em laboratório acreditado a orgaismos iteracioais, ou calibrações i situ com padrões rastreáveis à cadeia metrológica, que é o caso do Cetro de Metrologia de Fluidos do IPT, que atua há mais de 20 aos a área de medição de vazão, desevolvedo metodologia e istrumetação para calibrações cofiáveis e com baixa icerteza. Na Seção 2 são descritas as técicas empregadas em laboratório e i situ, e a Seção 3 são apresetados os resultados de duas calibrações i situ. 2. TÉCNICAS DE CALIBRAÇÃO 2.. Calibrações o laboratório Laboratórios que realizam essas calibrações devem ser acreditados à Rede Brasileira de Calibrações (RBC), ou recohecidos segudo o Iteratioal Laboratory Accreditatio Cooperatio (ILAC), como é o caso do CMF/IPT, que possui istalação climatizada, utilizado como padrões medidores de vazão do tipo turbia, em lihas de até 2 pol e com vazão máxima de m 3 /h, e icerteza expadida da calibração que pode chegar a 0,7% da melhor capacidade. Toda a aquisição de dados é realizada por meio de sistema automatizado utilizado tecologia digital de comuicação fieldbus ISP. As desvatages a calibração em laboratório estão relacioadas à faixa de vazão de calibração e diâmetro máximo de tubulação que o laboratório pode operar, que em algus casos poderá estar muito abaixo das características de operação do sistema as suas istalações. Além desses dois fatores, há aida uma impossibilidade de reproduzir a composição média do biogás de cada istalação, e também o perfil de velocidade do escoameto, o que afeta o resultados da vazão idicada. Quado há algum problema que iviabilize a calibração em laboratório, etão esta deve ser realizada i situ, como descrito o próximo item Calibrações i situ utilizado a técica de pitometria As calibrações i situ possuem a vatagem de serem realizadas, exatamete, as codições de operação, que são:

2 temperatura, pressão maométrica e atmosférica, e massa específica do biogás. Além disso, muitas vezes o medidor de vazão é istalado a liha em trecho reto iferior aos solicitados pelas ormas. Dessa forma, uma calibração i situ permite que o medidor seja ajustado para as codições de operação, miimizado o erro da idicação do istrumeto. As desvatages das calibrações i situ estão relacioadas pricipalmete com a dificuldade de ecotrar a liha de biogás comprimetos de trechos a motate e a jusate, da istrumetação padrão de calibração, que atedam às recomedações da orma BSI 042 [3], e por isso a icerteza da calibração ormalmete estará etre % e 3 %. A técica de calibração i situ, empregada pelo CMF/IPT, é a de mapeameto de velocidade do escoameto, utilizado tubo de Pitot Cole (ver Fig. ) e o método logliear para o mapeameto pitométrico em 0 potos ao logo de cada diâmetro ortogoal, que são os traverses vertical e horizotal, seguido as istruções da orma BSI 042 [3]. Em cada traverse é realizado um mapeameto de velocidades a subida e um a descida. Na Fig. são apresetadas as posições das medições e do eixo de referêcia y que iicia o poto da tubulação diametralmete oposto ao tap. A partir do mapeameto de velocidades é obtida a vazão volumétrica (Q), calculada em fução da velocidade média do escoameto a seção de medição (), em m/s, e da área itera (S) da seção trasversal do local de medição, em m 2 : para: ode: Q = u S () 2 Pi i ρ u = C C: coeficiete de calibração do tubo de Pitot Cole, obtido por calibrações em laboratório; P i : raiz quadrada do diferecial de pressão medido em cada poto do mapeameto de velocidade; ρ: massa específica do gás em kg/m³ as codições de operação, determiada de acordo com a AGA8 [4]. No etato, de acordo com ormalização da ONU, a vazão de biogás para veda de crédito de carboo deve ser medida as codições de referêcia, 0 o C e 0,325 kpa. Dessa forma, a vazão volumétrica obtida com tubo de Pitot Cole pode ser trasformada em vazão mássica (kg/s) de acordo com: (2) Q m = Q ρ (3) e para as codições de referêcia (m 3 /s) por: Q Q m = (4) ρ ode: ρ : massa específica da composição do fluido em kg/m³ as codições de referêcia, especificada o maual do fabricate do medidor, ou calculada de acordo com recomedações da AGA-8 [4]. TRAVERSE VERTICAL TRAVERSE HORIZONTAL Fig.. (a) Mapeameto do perfil de velocidade com tubo de Pitot Cole os traverses vertical e horizotal; (b) Posições de medição do tubo de Pitot Cole Tubo de Pitot Cole Istrumetação para aquisição i situ Na Fig. 2 está represetado um fluxograma de istrumetação do sistema de calibração i situ de medidores de vazão de biogás, que é composto por dois elemetos de medição de vazão, o medidor padrão (FE0) e o medidor em teste (FE02), um trasdutor de pressão diferecial (FIT0) e um maométrico (PIT0), um trasdutor de pressão absoluta, ão iserido o fluxograma e um trasdutor de temperatura (TE0 + TIT0). Na calibração do medidor de vazão, seja um mássicotérmico, um tubo multifuros, uma placa de orifício ou outro tipo, esquematizado a Fig. 2 por (FE02) + (FIT02), são determiados os erros, desvios e icerteza da calibração. O padrão de calibração de vazão é o tubo de Pitot Cole (FE0), o qual pode estar a motate ou a jusate do medidor a ser calibrado, depededo de avaliação prévia da liha por y

3 equipe técica especializada em medição de vazão, e esta é baseada a orma BSI 042 [3]. Esta avaliação leva em cota os trechos retos dispoíveis e qualquer tipo de sigularidade, como por exemplo, amostradores de gás, medidores de vazão, sesores de temperatura, by-pass etc. determiação de sua massa específica as codições reais e as codições de referêcia, de acordo AGA8 [4]. Como complemeto à calibração, são moitorados valores idicados os equipametos da empresa, istalados a liha, como por exemplo, trasdutor de pressão maomética (PIT02) e temperatura (TE02 + TIT02). Essa moitoração tem o ituito de determiar se erros a idicação da vazão são ocasioados também por idicações icorretas desses outros parâmetros. Para garatir uma calibração em campo com icerteza abaixo de 3%, todo o processo de aquisição de dados é automatizado, utilizado o protocolo de comuicação Hart, iterligado a istrumetação de campo a um computador de armazeameto e processameto dos dados adquiridos dos trasdutores. Por meio da aquisição automatizada a calibração se tora mais cofiável, pois o sial é digitalizado diretamete dos trasdutores, obtedo-se dessa forma maior exatidão as medições, e também meor icerteza, porque podem ser alterados os tempos de aquisição para que haja um volume maior de amostras adquiridas. No esquema mostrado a Fig. 2 há também um compressor, uma válvula (PCV0), e o flare, que é uma das cofigurações típicas de lihas de biogás Procedimeto para Cálculo de Icerteza O cálculo da icerteza expadida [6] leva em cosideração as icertezas do tipo a e b [6], baseadas em: icerteza da calibração em laboratório dos trasdutores de pressão e temperatura, icerteza da calibração em laboratório do tubo de Pitot Cole, icerteza a determiação da massa específica do biogás. Além dessas icertezas também é cosiderado o cálculo fial da icerteza expadida de medição de vazão o perfil de velocidade obtido, e a repetitividade. Em cada traverse o mapeameto de velocidade é realizado sempre a subida e a descida, para que assim possa ser determiada a repetitividade. Caso ão haja repetitividade a subida e descida o mapeameto de velocidades, são realizadas ovas aquisições para comprovar o feômeo, ou verificar se houve algum erro em alguma das medições. Idealmete as calibrações em campo devem ser realizadas em pelo meos 3 vazões distitas, como por exemplo, 25%, 50% e 00% da capacidade máxima de operação. No etato, muitas vezes a empresa iteressada a calibração do medidor i situ ão possui a capacidade da variação da vazão. Ou, muitas vezes cosegue a variação a faixa de 70% até 00% da vazão máxima. Dessa forma, as calibrações são realizadas as codições ecotradas o local. Fig.2. Fluxograma de istrumetação As aquisições dos valores de pressão maométrica (PIT0), temperatura (TE0 + TIT0) e pressão atmosférica são utilizadas em cojuto com a composição do gás para 3. RESULTADOS Os resultados das calibrações, apresetados a seguir, refletem um desgaste atural dos medidores, devido ao tempo de operação a liha (medidor mássico-térmico por iserção), a ecessidade de recalibração periódica desses

4 dispositivos, para que possam ser realizados os devidos ajustes. E também a determiação do coeficiete de calibração de tubos multifuros ou dos parâmetros de programação da variável primária desses dispositivos, quado esta é a vazão. Nesse trabalho são apresetadas 3 calibrações realizadas i situ, que foram de um medidor de vazão mássico-térmico por iserção e de dois tubos multifuros. Todos os medidores de vazão idicavam o FIT02 a vazão as codições de referêcia, que de acordo com iformações cotidas os mauais dos fabricates eram: pressão atmosférica 0,325 kpa e temperatura 0 o C. As calibrações foram realizadas as codições reais (actual codictios) e as vazões foram corrigidas para a codição de referêcia de acordo com as Eq. (3) e (4). 3.. Calibração do medidor mássico-térmico por iserção O medidor de vazão mássico-térmico por iserção estava istalado em uma liha de 500 mm de diâmetro omial. Nesta calibração a estação pitométrica foi istalada a motate do medidor a ser calibrado. O trecho reto a motate da estação pitométrica era de 5 diâmetros, porém, de acordo com BSI 042 [3], o trecho reto míimo deve ser de 20 diâmetros, por esse motivo a icerteza expadida (U) da calibração foi de 2,5 %. Os resultados obtidos são apresetados a Tabela.. Neste caso, assim como as duas calibrações seguites, as lihas ão possuíam trechos retos adequados. Portato, as estações pitométricas ão foram istaladas as codições ideais, para as quais o escoameto estaria perfeitamete desevolvido. Mesmo assim, ota-se que uma icerteza expadida de 2,5 % é um valor bom e comum, cosiderado calibrações i situ [3]. Esta calibração foi realizada para uma úica vazão, pois a plata ão possuía iversor de freqüêcia ou outro sistema de cotrole de vazão. Pode ser otado pela Fig. 3 que a calibração foi realizada os traverses horizotal e vertical, com mapeameto de velocidade a subida e descida. Para um mesmo traverse o mapeameto se mostra repetitivo. As curvas de mapeameto são apresetados a forma adimesioal para as relações V/Vc, que é a razão da velocidade obtida em um poto (Vi) pela velocidade cetral (Vc). E a forma adimesioal para Y/Yc, que é a razão da posição do mapeameto (Yi) pela posição cetral (Yc). Todos os gráficos de mapeameto apresetados este trabalho estão a forma adimesioal. Q.v.c. Tabela. Resultados da calibração do medidor mássico-térmico U Q.v.c. ref Q s erro da idicação m³/mi m³/mi % m³/mi Nm³/mi Nm³/mi % , ode Q.v.c é a vazão verdadeira covecioal as codições reais; Q.v.c ref é a vazão verdadeira covecioal a codição de referêcia, Q é a vazão idicada as codições de referêcia, e s é o desvio padrão da vazão idicada. V/Vc,2 0,8 0,6 0,4 0, , 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Y/Yc descida horizotal subida horizotal descida vertical subida vertical Fig.3. Curvas do mapeameto de velocidades a estação pitométrica. São mostradas as curvas de subida e descida os traverses horizotal e vertical Por meio da Fig. 3 ota-se que o perfil de velocidades é assimétrico, e assim, ele é um dos resposáveis pela icerteza expadida de 2,5 % a calibração. Nota-se também, que o erro de idicação do medidor de vazão é 4 %, que é superior à icerteza da calibração. Esse erro ocorre por dois motivos básicos: o medidor está istalado 0 diâmetros a jusate de um cotovelo, quado a recomedação do fabricate é de pelo meos 5 diâmetros. Por esse motivo, o perfil ão estava simétrico, afetado o valor idicado pelo medidor, e o erro aumeta devido a um pequeo desvio o posicioameto do mássico-térmico por iserção Calibração dos medidores tubo multifuros Foram calibrados 2 medidores de vazão tipo tubo multifuros. Estes medidores devem ser istalados em lihas secas, portato, ão devem ser istalados em lihas de biogás de aterros saitários, pois ormalmete esse gás é muito úmido. Mas podem ser istalados em lihas secas de N 2 O. Estas calibrações foram realizadas com dois objetivos: verificar se a programação do primário estava correta e determiar o coeficiete de calibração do tubo multifuros. Os resultados apresetados a Tabela 2 e a Fig. 4 são da calibração do tubo multifuros cotra a idicação do TIF02 em vazão. Esta liha possui 750 mm de diâmetro omial. Nesta calibração a estação pitométrica foi motada a jusate tubo multifuros. A icerteza expadida este caso foi de,6 %. Tabela 2. Resultados da calibração do tubo multifuros Q.v.c. ref Q s erro da Q.v.c. U idicação m³/s m³/s % m³/s Nm³/s Nm³/s % 3,36 0,22,6 9,9 9,44 0,03-4,7 Esta calibração foi realizada para uma úica vazão, por ão haver sistema de cotrole da mesma. Nota-se pela Fig. 4 que foram realizados mapeametos de velocidade a subida

5 e descida os traverses horizotal e vertical. Os perfis de velocidade são repetitivos e assimétricos, devido ao fato da sigularidade a motate da estação pitométrica ser um tubo multifuros istalado 3 diâmetros, devido à dificuldade técica de se istalar a estação pitométrica em trecho reto maior. Apesar disso, a icerteza da calibração foi de,6 %. Porém, o erro da idicação foi de -4,7 %. Esse erro deve-se ao uso icorreto do coeficiete de calibração do tubo multifuros a programação do TIF02. O fabricate especificou que o tubo multifuros possui C = 0,69. Porém, tipicamete este tubo multifuros possui o coeficiete de calibração etre 0,72 e 0,75, coforme mostrado os resultados da próxima calibração.,2 ver Tabela 3. Na Fig.5 são mostradas as curvas de mapeameto de velocidade. Nota-se que este caso houve uma boa repetitividade em todas as subidas e descidas; o perfil de velocidades foi o mesmo para as duas vazões de calibração; e o perfil horizotal e vertical são muito similares. Tabela 3. Resultados da calibração do tubo multifuros 2 Vazão de operação Q.v.c. U P.v.c. P s Coeficiete de calibração C com icerteza expadida % m³/s m³/s % Pa Pa Pa ,20 0, 2, 439,89 604,55 3,0 0,74 ± 0, ,03 0,4 2,4 543,95 744,23 2,52 0,743 ± 0,00 0,8,4 V/Vc 0,6 0,4 0,2 0 descida vertical subida vertical descida horizotal subida horizotal 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Y/Yc Fig.4. Curvas do mapeameto de velocidades a estação pitométrica. São mostradas as curvas de subida e descida os traverses horizotal e vertical Na Tabela 3 são mostrados os resultados da calibração do tubo multifuros 2, em uma liha de diâmetro omial 500 mm. O objetivo foi determiar o coeficiete de calibração (C) do tubo multifuros. Dessa forma, foram adquiridos os dados de diferecial de pressão médio registrado a estação pitométrica ( Pv.c.) e também o tubo multifuros ( P). Como ambas as medições de diferecial de pressão foram realizadas o mesmo trecho de tubo, com o mesmo diâmetro, o coeficiete e calibração do tubo multifuros foi calculado de acordo com: C P cole = Ccole (5) Pa ode: C cole : é o coeficiete de calibração do tubo de Pitot Cole usado a calibração (C cole = 0,869), que é obtido em calibração em laboratório; P cole : é o diferecial de pressão médio registrado a estação pitométrica e P a é o diferecial de pressão médio registrado o tubo multifuros. O coeficiete de calibração médio do tubo multifuros foi 0,742 com icerteza expadida de 0,00. Para realização dessa calibração, a estação pitométrica foi motada a jusate do tubo multifuros. Por esse motivo, o perfil de velocidades é assimétrico, e a icerteza da medição de vazão foi de 2, % e 2,4 % para duas vazões de operação, V/Vc,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 descida V0 horizotal subida V0 horizotal descida V02 horizotal subida V02 horizotal descida V0 vertical subida V0 vertical descida V02 vertical subida V02 vertical 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Y/Yc Fig.5. Curvas do mapeameto de velocidades a estação pitométrica para duas vazões V0 e V02. São mostradas as curvas de subida e descida os traverses horizotal e vertical 4. CONCLUSÃO Neste trabalho foram descritos os métodos em laboratório e i situ de calibração de medidores de vazão de biogás. Quado for possível calibrações em laboratório, a icerteza expadida míima pode chegar a 0,7 %. Quado as calibrações ecessitam ser realizadas i situ, a icerteza expadida tipicamete fica etre % e 3 %. Foram mostrados 3 resultados de calibração em campo. A calibração do medidor de vazão mássico-térmico por iserção apresetou uma icerteza da calibração de 2,5 % devido ao comprimeto de trecho reto a motate da estação pitométrica (padrão da calibração) ser isuficiete. E, como resultado pricipal foi verificado que o medidor calibrado apresetava um erro de 4 % devido também a estar istalado em trecho reto iferior ao recomedado pelo fabricate, e a erro o posicioameto do medidor. A calibração dos dois tubos multifuros idicou erro a programação da variável primária (cálculo da vazão), devido ao uso do fator de calibração (C) forecido pelo fabricate. Tipicamete o fabricate forece um valor de C de 0,68 ou 0,69. No etato, quado calibrados os tubos multifuros

6 com comprimetos iferiores a 750 mm apresetam valores de C a faixa de 0,700 até 0,750. As icertezas expadidas das 3 calibrações ficaram etre,6 % e 2,5 % devido aos perfis obtidos serem assimétricos por ão haver trecho reto suficiete para o desevolvimeto do escoameto. Estes resultados mostram a ecessidade de calibração dos medidores de vazão, seja em laboratório ou i situ. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio técico de Mário Trevisa da Costa e Josiel de Adrade Alves. REFERÊNCIAS [] Climate Chage 2007: The Physical Sciece Basis Itergoverametal Pael o Climate Chage Sumary for Policymakers ( _Prit_SPM.pdf), acessado em 5/05/2008. [2] Protocolo de Quioto editado e traduzido pelo Miistério de Ciêcia e Tecologia ( documetos/protocolo.pdf) acessado em 5/05/2008. [3] BSI 042 Measuremet of fluid flow i closed coduits. [4] AMERICAN GAS ASSOCIATION Trasmissio Measuremet Committee Report No. 8 Compressibility Factors of Natural Gas ad other Related Hydrocarbo Gases. AGA Arligto, Virgiia. [5] ISO 45 Measuremet of fluid flow i closed coduits Thermal mass flowmeters. [6] Guia para a Expressão da Icerteza de Medição, 3ª Edição, ABNT e INMETRO, 2003.