Detecção de vazamentos em tubulações de gás pelo método de transitório de pressão utilizando CLP e sensores

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1 Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências Curso de Especialização em Engenharia de Instrumentação Detecção de vazamentos em tubulações de gás pelo método de transitório de pressão utilizando CLP e sensores Bruno Alexander Felix Bezerra Orientador: Prof. Maurício Marques da Trindade, MSc Monografia apresentada a Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do Certificado de Especialista em Engenharia de Instrumentação Recife,

2 Resumo Detecção de vazamentos em tubulações de gás pelo método de transitório de pressão utilizando CLP e sensores Bruno Alexander Felix Bezerra Março/2008 Orientador: Prof. Maurício Marques da Trindade, MSc Área de concentração: Eletrônica Palavras-chaves: CLP, transitório de pressão, detecção de vazamento. O sistema de detecção de vazamentos integra uma das funcionalidades da automação de tubulações. Esta automação vem sendo feita através de sistemas supervisórios, que monitoram e realizam o controle em tempo real com controladores lógicos programáveis, sensores e atuadores distribuídos ao longo da tubulação. Dados de pressão, vazão ou emissões acústicas são enviados por estes sensores e de acordo com uma determinada técnica o vazamento é determinado. Entre as técnicas existentes de detecção temos a inspeção, a determinação direta de vazamento de acordo com os dados fornecidos pelos sensores e a determinação indireta do vazamento através do processamento dos dados através de algoritmos que utilizam técnicas estatísticas, reconhecimento de padrões e modelos de dinâmica dos fluídos. Este trabalho descreve um estudo da técnica de detecção de vazamentos por transitório de pressão em uma tubulação de gás. Com esta finalidade foi construído um protótipo de tubulação de PVC de 1 de diâmetro com 5,56 metros de comprimento. Foram instalados dois transdutores de pressão nas extremidades da tubulação e estes enviam seus sinais para um CLP (controlador lógico programável). Os vazamentos foram provocados em orifícios localizados em conexões tipo T na tubulação. O CLP detecta o vazamento quando a pressão medida nos transdutores cai um certo valor e a localização é calculada através das diferenças de tempo de inicio dos transitórios em cada transdutor. Os resultados experimentais mostraram que é possível a detecção do vazamento, porém sua localização não foi obtida devido à pequena diferença de tempo entre os transitórios medidos nesta tubulação. 2

3 Índice de figuras Fig. 1 Gasodutos brasileiros e conexões com países sul-americanos...9 Fig. 2 Métodos de detecção de vazamentos...17 Fig. 3 transitórios obtidos por BUIATTI...19 Fig. 4 Arranjo experimental de BUIATTI...19 Fig. 5 Localização do vazamento...20 Fig. 6 transitório obtido por BRAGA...20 Fig. 7 Arranjo experimental de MACIAS...21 Fig. 8 transitório obtido por MACIAS para um escoamento contínuo...22 Fig. 9 Estrutura do CLP...28 Fig. 10 Interface de ajuste de entrada...30 Fig. 11 Current sinking e current sourcing...31 Fig. 12 Interface de ajuste de saída...32 Fig. 13 Ciclo de execução do CLP...34 Fig. 14 CLP SIMATEC S Fig. 15 Ambiente de programação do STEP7-MicroWin...37 Fig. 16 Módulo de expansão analógico EM Fig. 17 Diagrama de blocos do circuito de entrada do EM Fig. 18 Formato da palavra de dados da entrada do EM Fig. 19 Diagrama de blocos da saída do EM Fig. 20 Formato da palavra de dados da saída do EM Fig. 21 IHM TD Fig. 22 Conexão entre o TD200 e o CLP...44 Fig. 23 Transdutor de pressão do modelo 1503A02EZ60BARG...46 Fig. 24 Piezoresistor em substrato de silício...48 Fig. 26 Piezoresistores difundidos em diafragma de silício...49 Fig. 27 Loop de corrente de 4 a 20 ma...50 Fig. 28 Diagrama de blocos do ensaio de detecção de vazamentos...51 Fig. 29. Fotos do arranjo experimental...52 Fig. 30 Fluxograma da detecção e localização de vazamento...54 Fig. 31 Fluxograma da cálculo da velocidade...55 Fig. 32 Arranjo experimental para cálculo da velocidade...57 Fig. 33 Gráfico pressão x tempo sem presença de vazamento...58 Fig. 34 Gráfico pressão x distância do ponto de medição para o compressor...59 Fig. 35 Gráfico pressão x tempo mostrando o transitório para diâmetros de furos diferentes...60 Fig. 36 Transitório de pressão medido simultaneamente...61 Fig. 37 Transitório de pressão medido simultaneamente com taxa de 100 amostras/segundo...62 Fig. 38 Estimativa do comprimento da tubulação

4 Índice de tabelas Tabela 1. Características dos gasodutos brasileiros em operação...10 Tabela. 2 Expressões aplicáveis ao cálculo do coeficiente de perda de carga...13 Tabela. 3 Valores típicos do coeficiente de perda de carga e da rugosidade...14 Tabela. 4 Comprimentos equivalentes, em metros, para conexões ou peças especiais de PVC...15 Tabela. 5 Comparativo entre os métodos detecção de vazamentos...25 Tabela. 6 Linguagens de programação de CLP...35 Tabela. 7 Características da CPU Tabela. 8 Módulos de expansão do S Tabela. 9 Características do módulo analógico EM Tabela. 10 Configurações das entradas analógicas...40 Tabela. 11 Características das entradas do módulo EM Tabela. 12 Características da saída do módulo EM Tabela. 13 Características técnicas do transdutor utilizado...46 Tabela. 14 Duração do transitório para cada furo...60 Tabela. 15 Duração dos tempos envolvidos no processo...62 Tabela. 16 Estimativa das diferenças de tempo entre os transitórios

5 Conteúdo 1. Introdução Objetivos Motivação Gasodutos Gasodutos no Brasil Escoamento em condutos forçados Perda de carga Principais métodos de detecção de vazamentos Métodos diretos Métodos indiretos Comparação entre os métodos de detecção de vazamentos...24 Considerações Finais Tecnologias disponíveis Controlador lógico programável Estrutura do CLP Funcionamento do CLP CLP utilizado: SIEMENS S Transdutor de pressão Transdutor de pressão utilizado: PCB série Funcionamento do transdutor Ligação em loop de corrente...49 Considerações finais Realização de ensaio e resultados obtidos Montagem do protótipo Objetivo do ensaio Programação do CLP Procedimento experimental Análise dos resultados obtidos Caracterização da linha Transitório de pressão Localização do vazamento...61 Considerações finais Conclusões, melhorias possíveis, trabalhos futuros Conclusões Melhorias possíveis e trabalhos futuros Apêndice A Projeto de tubulação de gás...68 Apêndice B Gráficos obtidos no ensaio...69 Apêndice C Programas desenvolvidos Apêndice D Esquema elétrico para ligação dos transdutores...74 Apêndice E Telas do TD Referências

6 1. Introdução Nesta monografia é proposto um estudo que tem como objetivo a aplicação do controlador lógico programável em sistemas de detecção e localização de vazamentos em tubulações de gás. Para isto foi realizado um ensaio em um protótipo de tubulação de PVC, onde o fluído de trabalho é o ar comprimido fornecido por um compressor. Para realização do ensaio, o método de detecção de vazamentos utilizado será o de análise do transitório de pressão. Para utilizar este método é necessário que a pressão na tubulação seja medida por transdutores de pressão e monitorada para que o transitório possa ser percebido. Cabe ao CLP receber e monitorar os dados da medição de pressão e decidir se ocorreu ou não o vazamento. Neste capitulo inicial alguns aspectos teóricos serão abordados, como as características dos gasodutos, como se comporta o escoamento de um fluído neste tipo conduto fechado e os principais métodos de detecção de vazamentos. 1.1 Objetivos O objetivo desta monografia é avaliar a técnica de transitório de pressão na detecção e localização de vazamentos. Para implementá-la serão utilizados o CLP (controlador lógico programável) e transdutores de pressão. Portanto, deve ser realizado um estudo sobre o método de detecção escolhido e de como o CLP deve realizar o controle do sistema de acordo com os dados de pressão fornecidos pelos transdutores. Objetivos específicos: Projeto de um protótipo de tubulação de gás. Construção do protótipo para realização de um ensaio. Implantação de um sistema de detecção de vazamentos. Estudar o comportamento de gases em tubulações em operação normal e na presença de vazamentos através da observação desses fenômenos. 6

7 Estimar as constantes de tempo associadas ao processo. Através da utilização de transdutores de pressão aplicar o método de detecção por transitório de pressão e obter a detecção e localização do vazamento na tubulação. Realizar a automação do sistema utilizando um CLP (controlador lógico programável). Os sinais recebidos dos sensores serão monitorados e o controle do processo de detecção de vazamentos será realizado. 1.2 Motivação Uma maior aposta em transportes de produtos da indústria petrolífera em tubulações se torna cada vez mais necessária devido a fatores como: elevados custos dos transportes convencionais, preocupações ambientais que se encontram mais evidentes nas sociedades modernas e a crescente necessidade energética. As tubulações são consideradas os melhores meios de transporte de fluídos a longa distância, pois apresentam menores custos, maior segurança, menor taxas de acidentes e danos ao meio ambiente quando comparados ao transporte rodoviário, ferroviário e marítimo. O desenvolvimento de sistemas de detecção de vazamentos em tubulações é de fundamental importância à indústria de petróleo e gás. Isso porque as tubulações podem ser enterradas e atravessarem regiões densamente povoadas e reservas naturais, transportando produtos químicos por muitos quilômetros, podendo cruzar estados e até países. Além disso, esses produtos possuem valores estimados em milhões de dólares. No caso particular do gás natural, a expansão de seu mercado causará uma crescente demanda para construção de novos gasodutos. Faz-se necessário que as tubulações de gás possuam garantias de elevados níveis de segurança, evitando que ocorram vazamentos e que estes gerem danos ao meio ambiente, prejuízos econômicos e perigo à vida. No entanto, possíveis vazamentos em tubulações podem ocorrer devido a alguns fatores de difícil controle, como por exemplo: variações bruscas de pressão, deterioração do material por corrosão ou fadiga mecânica, manutenção inadequada, falha humana e etc. O tamanho mínimo de vazamento que pode ser detectado em gasodutos pressurizados depende de um número de fatores como: tipo do fluído na tubulação, precisão do sistema de medição e dos transmissores, tamanho e espessura da tubulação, condições de estado estacionário ou transitório da tubulação, equipamentos usados, 7

8 experiência do pessoal envolvido. KENNEDY (1993) Em redes de tubulações ocorrem dois tipos de vazamentos. O vazamento por ruptura é o que menos ocorre, porém é muito perigoso devido a grande quantidade de produto derramado, geralmente causando grandes prejuízos ao ambiente. Contudo é mais fácil de ser detectado por causar grandes quedas de pressão e de perda de volume. Outro tipo de vazamento é o de pequenas proporções, estes são causados por erosão, corrosão, fadiga, defeitos na solda e etc. Por serem mais difíceis de serem detectados tornam-se mais perigosos, podendo provocar grandes perdas de produto até serem detectados. Diante desta situação, é fundamental a existência de um sistema de detecção de vazamentos, que através de monitoramento, ajustes operacionais e acionamento de alarmes, determine quando os limites de operação forem ultrapassados. Portanto, existe a necessidade de automação destes sistemas para dotá-los de alguma autonomia de forma a reduzir a presença humana, e torna-los capazes de fornecer respostas em tempo real. 1.3 Gasodutos Os gasodutos são tubulações integrantes de um sistema de transmissão de gás que podem cobrir grandes áreas geográficas com centenas e até milhares de quilômetros de extensão. Dentre os gases transportados por tubulações podemos citar o gás natural, GLP, gás de rua, gás de refinaria e amônia. O gás natural possui a maior malha de tubulações. Os gasodutos podem ser classificados em três grupos: transferência, transporte e distribuição. As tubulações de transferência levam o gás das áreas de produção até as plantas de processamento. Normalmente o gás sai da fonte com pressão suficiente para ser transportado. O gás é tratado e adequado às condições de consumo; hidrocarbonetos líquidos são separados para venda. Nesta etapa do processo também são removidos gases ácidos, sulfeto de hidrogênio ou dióxido de carbono. Os gasodutos de transporte são destinados à movimentação de gás da estação de tratamento até as redes de distribuição. Compressores no começo da linha proporcionam energia para movimentar o gás pela tubulação. Estações compressoras ao longo do trajeto são necessárias para manter a alta pressão requerida. Também existem estações de medição, de armazenagem e de redução de pressão para entrega. As tubulações de 8

9 transporte são feitas de tubos de aço e são enterradas abaixo da superfície. As seções individuais são unidas por solda, e o tubo é revestido externamente para proteger contra corrosão. As tubulações normalmente possuem o diâmetro da ordem de dezenas de polegadas. A etapa final do sistema de fornecimento cabe aos gasodutos de distribuição. Nesta etapa ocorre a entrega através da concessionária distribuidora de gás canalizado para consumo industrial, automotivo, comercial ou residencial. O gás deve atender a padrões rígidos de especificação, e estar isento de contaminantes. Quando necessário, deverá também estar odorizado, para ser detectado facilmente em caso de vazamentos Gasodutos no Brasil A figura a seguir indica as principais conexões de gás entre os países da América do sul e os gasodutos em operação, em construção, em estudo e reservas de gás do Brasil. Fig. 1 Gasodutos brasileiros e conexões com países sul-americanos. Algumas características e informações sobre a extensão e o diâmetro dos gasodutos em operação no Brasil estão reunidas na tabela 1. 9

10 Tabela 1. Características dos gasodutos brasileiros em operação. 10

11 1.4 Escoamento em condutos forçados Entende-se por conduto forçado aquele no qual o fluido escoa à plena seção e sob pressão interna diferente da atmosférica. Nesta categoria de condutos, as seções transversais são sempre fechadas, o fluído as enche completamente e o movimento pode efetuar-se em um ou outro sentido do conduto. Os condutos de seção circular são chamados de tubos ou tubulações. Um conduto é dito uniforme quando a sua seção transversal não varia com o seu comprimento. Se a vazão do fluido em qualquer seção do conduto não variar com o tempo, o regime de escoamento é dito permanente. É conveniente ressaltar que um escoamento se classifica também como turbulento ou laminar. No escoamento laminar as partículas fluidas caminham de maneira disciplinada, seguindo trajetórias regulares, sendo que as trajetórias de duas partículas vizinhas não se cruzam. Já no escoamento turbulento a velocidade num dado ponto varia constantemente em grandeza e direção, com trajetórias irregulares, e podendo uma mesma partícula estar próxima do eixo do tubo, e em outro instante de tempo estar próxima da parede do tubo. O critério para determinar se o escoamento é turbulento ou laminar, é a utilização do número de Reynolds: VD R e = υ (1) Onde: R e = número de Reynolds (adimensional) V = velocidade do líquido no interior do tubo (m/s) D =diâmetro do tubo (m) ν = viscosidade cinemática do líquido (m 2 /s) A vazão de um tubo é dada por Q = AV (2), onde: 11

12 Q = vazão no tubo (m 3 /s) A =π.d 2 /4 = área da seção transversal do tubo (m 2 ) D = diâmetro interno do tubo (m) V = velocidade do líquido no interior do tubo (m/s) Substituindo (2) em (1) o número de Reynolds assume a seguinte forma: 4Q R e = πdυ (3) Nas condições normais de escoamento o número de Reynolds interpretado da seguinte maneira: R e > 4000, o escoamento é turbulento. R e < 2000, o escoamento é laminar. Entre estes dois valores há a zona de transição, onde não se pode determinar com precisão os elementos do dimensionamento Perda de carga Quando um fluido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, haverá sempre uma perda de energia provocando a redução da pressão total do fluido ao longo do escoamento, este fenômeno é denominado de perda de carga. Esta perda de energia ocorre devido ao atrito do fluido com a superfície interna da parede do tubo. Portanto quanto maior for a rugosidade da parede da tubulação ou mais viscoso for o fluido maior será a perda de energia. A perda de carga pode ser distribuída ou localizada. Perda de carga distribuida: a parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao longo do comprimento do tubo, fazendo com que a pressão total vá diminuindo gradativamente ao longo do comprimento. A perda de carga pode ser modelada pela equação de Darcy-Weisbach, que devido a sua precisão é universalmente utilizada para análise de escoamento em tubos. Esta fórmula é obtida a partir da análise dimensional e relaciona a perda de carga com parâmetros geométricos do escoamento e propriedades do fluido. Para gases a perda de carga é observada a partir da queda de pressão como indicado abaixo: 12

13 (4) onde: P = queda de pressão ao longo do comprimento do tubo (Pa) f = fator de atrito de Darcy-Weisbach (adimensional) ρ = Densidade volumétrica do fluído L = comprimento do tubo (m) V = velocidade do líquido no interior do tubo (m / s) D = diâmetro interno do tubo (m) O coeficiente de perda de carga depende do regime de escoamento. Para o regime laminar em condutos forçados, o coeficiente f pode ser obtido a partir da seguinte expressão: f 64 = R e (5) No escoamento turbulento, o coeficiente f tem-se demonstrado dependente do Número de Reynolds, do diâmetro do conduto e da rugosidade interna das paredes do conduto. Algumas das expressões disponíveis para a apropriação do coeficiente f estão reunidas na tabela 2. Tabela. 2 Expressões aplicáveis ao cálculo do coeficiente de perda de carga 13

14 Valores típicos de rugosidade das paredes dos condutos e do coeficiente de perda de carga estão reunidos na tabela 3. Tabela. 3 Valores típicos do coeficiente de perda de carga e da rugosidade. Perda de Carga Localizada: Além da dissipação contínua da energia que se verifica no movimento de um fluído em qualquer conduto, existem as perdas locais (localizadas, acidentais ou singulares). Estas perdas ocorrem em função do aumento da turbulência do fluido em escoamento ocasionada principalmente pela variação da forma, da direção ou da seção do conduto. Na prática, além de não serem retilíneos, os condutos são usualmente constituídos de peças especiais e conexões (registros, válvulas, medidores, curvas, etc.) que, em virtude de sua forma e disposição, provocam perdas locais. Para que as perdas localizadas sejam consideradas no cálculo da perda de carga utiliza-se o método dos comprimentos equivalentes. Este método consiste na adição ao comprimento real da tubulação, somente para efeito de cálculo, de comprimentos de tubos capazes de provocar as mesmas perdas de carga produzidas pelas peças que substituem. A tubulação adquire, portanto, certo comprimento virtual. Deste modo, qualquer peça pode ser substituída por um comprimento equivalente que, a partir da aplicação da fórmula universal, produz a seguinte perda de carga localizada: P = f D V ρ 2 2 L EQUI (6) KD L EQUI = f Onde (7) Onde K é um coeficiente obtido experimentalmente para cada peça especial ou conexão. 14

15 Essa expressão permite organizar tabelas nas quais são registrados os comprimentos fictícios a serem adicionados à tubulação e que provocam a mesma perda de carga ocasionada pelas peças de igual diâmetro. A Tabela 4 permite a obtenção de comprimentos equivalentes para diferentes peças especiais e conexões. Tabela. 4 Comprimentos equivalentes, em metros, para conexões ou peças especiais de PVC. 15

16 1.5 Principais métodos de detecção de vazamentos Nos últimos anos, sistemas de detecção de vazamentos foram implementados em várias tubulações. Porém os resultados de desempenho obtidos não foram satisfatórios, pois geram freqüentes alarmes falsos, a manutenção é muito cara e o sistema é de difícil entendimento ao operador. O ideal seria que esses sistemas possuíssem a capacidade de detecção e de reação no menor tempo possível e simultaneamente terem baixa freqüência de alarmes falsos. Diferentes métodos de detecção de vazamentos são aplicados para monitorar a integridade de tubulações. Baseado em ZHANG (1996) estes métodos foram classificados em três categorias: observação, métodos de detecção diretos, métodos de detecção indiretos. 1. Observação: é a forma mais simples de detectar vazamentos, uma patrulha realiza uma inspeção visual ao longo da tubulação procurando por condições anormais de operação, odores e sons que podem ocorrer devido a vazamentos. Estas inspeções devem ser regulares, já que este método não é tão eficaz e depende muito da experiência das pessoas envolvidas. 2. Métodos de detecção diretos: Diferentes dispositivos são utilizados para detecção e localização de vazamentos. Alguns dispositivos típicos são os sensores acústicos, detectores de gás, detectores de pressão negativa e sensores térmicos de infravermelho. 3. Métodos de detecção indiretos: Utilizam softwares de computadores em auxílio à detecção de vazamentos. Atualmente os sistemas supervisórios SCADA estão sendo utilizados para realizar a detecção através de dados de fluxo, pressão, temperatura e etc. Exemplo deste método é a detecção por mudança de fluxo/pressão, balanço de massa/volume, modelagem dinâmica e análise estatística. 16

17 Fig. 2 Métodos de detecção de vazamentos Métodos diretos Sensores acústicos: Detectam vazamentos através da energia acústica gerada pelo escape do fluído, pequenos vazamentos são detectados, mas tem seu funcionamento afetado pela interferência do ruído de válvulas e compressores. Devido à limitação da escala de detecção, geralmente os sensores acústicos (microfones) são instalados ao longo da tubulação. Sensores ultra-sônicos: Detecta o ruído criado pelo vazamento produzido na faixa de freqüências ultra-sônicas. É desejável que exista o cuidado de filtrar os ruídos interferentes. Sensores de infravermelho: Alguns vazamentos podem ser detectados através da identificação de mudanças de temperatura nas redondezas da tubulação. São utilizados sensores remotos que monitoram metano e etano na atmosfera através de seu espectro infravermelho. Este método pode ser usado com patrulha em veículos, helicópteros ou sistemas portáteis, podendo cobrir vários quilômetros da tubulação em um dia. Sensores de ação seletiva: São sensores seletivos para uma substância específica. SANDBERG (1989) desenvolveu um sistema de sensor de hidrocarboneto que consiste em um módulo de alarme e um cabo sensor instalado ao longo da tubulação. O cabo é revestido de um polímero condutivo que incha ao entrar em contato com o hidrocarboneto que está vazando da tubulação. Ao inchar, o circuito existente dentro do cabo é fechado, acionando o alarme para avisar a presença de vazamento. 17

18 Sensor de pressão: Transformam as medidas de pressão em tensão elétrica. Geralmente são usados transdutores piezoelétricos, que formam dipolo elétrico proporcional a deformação sofrida em seu material sólido, produzindo uma diferença de potencial entre seus eletrodos. Os sensores de pressão são usados para detectar vazamentos usando os métodos de ondas de pressão negativa e de gradiente de pressão. Quando ocorre um vazamento uma queda de pressão no local gera uma onda de pressão negativa que se propaga a montante e a jusante do local do vazamento. Teoricamente, esta onda viaja com a velocidade do som, apresentando apenas uma diminuição gradual ao se propagar, devido ao atrito. Usualmente são utilizados dois transdutores de pressão instalados nas extremidades das seções para calcular a posição do vazamento com razoável precisão. Em cada seção, observa-se uma queda da pressão, que é o reflexo da passagem da onda, que pode ser seguida de uma recuperação parcial, ou seja, um transitório. Neste tipo de detecção deve-se ter o cuidado de filtrar os dados porque alguns procedimentos normais da operação da tubulação, bombas e fechamento de válvulas podem gerar uma onda de pressão negativa. O método de ondas de pressão negativa também é conhecido como método de transitório de pressão. Vários trabalhos de detecção de vazamentos utilizaram este método, no Brasil o departamento de Engenharia de Sistemas Químicos da UNICAMP desenvolve desde 1989 estudos sobre técnicas de detecção e localização de vazamentos em tubulações por métodos computacionais. BUIATTI (1995) com objetivo de detectar e localizar vazamentos utilizou o método de análise de transitório de pressão em uma tubulação de PVC de 427 m de comprimento e ¾ de diâmetro. Foram fixados na tubulação quatro transdutores de pressão (do tipo piezoelétrico) a 6,5 m, 165,1 m, 262,3 m e 420,9 m da entrada da tubulação e válvulas solenóide-gaveta, responsáveis por gerar e controlar a magnitude do vazamento, a 85,7 m, 170,9 m e 256,2 m. Os transdutores e as válvulas foram conectados a um computador equipado com placa de aquisição de dados. Experimentos foram feitos para o regime turbulento, com o número de Reynolds variando de 5000 a Abaixo temos um dos gráficos que mostra o transitório obtido para um vazamento entre dois transdutores. 18

19 Fig. 3 transitórios obtidos por BUIATTI. Foi determinado o valor experimental da velocidade de propagação da onda e a localização através do seguinte arranjo experimental: Fig. 4 Arranjo experimental de BUIATTI. A localização do vazamento é expressa em termos da distância Y entre o vazamento e o transdutor mais próximo, para o caso da figura 3 o cálculo de Y pode é obtido através de: Y = L 2 + v( t 2 t 3 2 ) (8) v = L1 t t ) ( ou v = (9) t L t ( 4 3 ) Onde L2 é a distância entre os transdutores 2 e 3 ; t2 e t3 os tempos de detecção dos transdutores T2 e T3 e v a velocidade de propagação da onda de pressão. 19

20 A fórmula (8) pode ser provada supondo um trecho de tubulação de tamanho L 2 entre dois transdutores de pressão de acordo com a figura 4. Fig. 5 Localização do vazamento. Temos que: y = vt 1 e x = vt2. (10) Como o interesse é na diferença dos tempos então: y x = v( t ) 1 t2 (11) Sabendo que: L = x + y (12) 2 Substituindo (12) em (11) temos: ( ) L2 + v( t1 t y = L2 y + v t1 t 2) 2 y = (13) 2 BRAGA (2001) realizou um estudo para detecção de transitórios de pressão causados por vazamentos em uma tubulação de 1248 m transportando ar-água. O estudo foi realizado para diferentes condições de operação da tubulação: número de Reynolds do líquido entre 4000 e 10000; porcentagem de vazamento de 10 a 50%; vazão de ar de 1,6 a 61,4 l/min; posição de vazamento a 250 m e 750 m da entrada da tubulação. No gráfico abaixo estão os perfis de transitório de pressão obtidos por BRAGA. Fig. 6 transitório obtido por BRAGA. 20

21 MACIAS (2004) desenvolveu uma técnica de detecção de vazamentos em tubulações transportando gás, baseada na análise em tempo real de transitórios de pressão, para os casos em que a tubulação operava com e sem alimentação contínua de gás (ar comprimido). O trabalho experimental foi realizado em uma tubulação de ferro galvanizado de ½ de diâmetro, com 6 m de comprimento para os experimentos sem alimentação contínua de ar, e 60 m de comprimento para os experimentos com alimentação contínua de ar. Foram instalados na tubulação dois transdutores de pressão (na entrada e na saída) acoplados a um computador PC através de uma placa de aquisição de dados. Vazamentos foram simulados a partir de uma saída lateral onde foi posicionado um orifício, com diâmetro variando de 0,7 a 5 mm. A pressão de operação da tubulação variou numa faixa de 1 a 6 Kgf/cm 2. Os resultados experimentais mostraram que foi possível detectar vazamentos maiores do que 10% do fluxo nominal na tubulação com escoamento. A figura 5 mostra o arranjo experimental de MACIAS para o experimento com alimentação contínua de ar. Fig. 7 Arranjo experimental de MACIAS. A ocorrência de vazamento provocou uma queda, seguida de estabilização no valor da pressão como pode ser observado no gráficos abaixo. Este comportamento é diferente daquele observado na tubulação transportando mistura ar-líquido, onde a ocorrência de vazamento gera um pulso de pressão, isto é uma queda seguida de uma recuperação parcial da pressão. 21

22 Fig. 8 transitório obtido por MACIAS para um escoamento contínuo de ar. A técnica de análise espectral a transitório de pressão foi aplicada por JÖNSSON e LARSON (1992), e baseia-se que quando uma série de medidas de pressões no tempo é representada por sinais periódicos com variações de amplitude, freqüência e fase, é possível verificar a diferença entre ondas de freqüências dominantes e as ondas refletidas. Um vazamento origina ondas refletidas que dependem do fluxo de vazamento e da razão entre a pressão incidente e a pressão local do vazamento, desta maneira torna-se possível detectar e localizar o vazamento. A técnica de gradiente de pressão baseia-se no princípio de que um vazamento deve distorcer o perfil de pressão ao longo de uma seção de tubulação. O gradiente médio de pressão ao longo da linha pode ser calculado por meio de medidores de pressão nas extremidades das seções. Um vazamento causa uma diminuição no gradiente médio, e através de técnicas de ajustes de curvas de interpolação entre medidas de pressão, o vazamento é localizado com razoável precisão. WIKE (1986) Quanto ao posicionamento dos sensores no sistema de detecção, estes podem estar localizados espalhados ao longo da tubulação ou presentes em um PIG (Pipeline Inspection Gauge) instrumentado dentro das tubulações sendo movimentado pelo fluxo do fluído destas. 22

23 1.5.2 Métodos indiretos Mudanças de pressão ou fluxo: nesta técnica assume-se que a ocorrência do vazamento está ligada a uma alta taxa de mudança da pressão e do fluxo a montante e a jusante. Se em determinado período a taxa de mudança for maior que um padrão definido, o alarme de vazamento será acionado. Este método pode ser aplicado apenas ao escoamento de fluídos incompressíveis em estado estacionário, caso contrário pode levar a alarmes falsos. Somente vazamentos maiores são detectados. WIKE (1986) Balanço de volume ou massa: Realiza-se a medição do volume/massa que entra e subtrai-se o volume/massa que sai, se esta diferença atingir um valor maior que uma determinada tolerância estabelecida (2% para líquidos e 10% para gases), será gerado um alarme de vazamento. Os alarmes falsos podem ocorrer devido à dependência da taxa de fluxo com os parâmetros do fluído (temperatura, pressão, densidade e viscosidade), para aumentar a eficiência do sistema são realizadas medições regulares das variáveis ao longo da tubulação ou podem ser preditas por um modelo de cálculo. Este método não fornece a localização do vazamento. Sistemas baseados em modelagem matemática: Esta técnica modela matematicamente o fluxo do fluído na tubulação. Para realizar a modelagem são utilizadas as equações de conservação de massa, conservação de momento, conservação de energia e as equações de estado do fluído. Este grupo de equações diferenciais não lineares é resolvido através de técnicas computacionais, entre essas técnicas temos diferenças finitas, elemento finito, método das características e reposta em freqüência / discretização espacial. O método requer que fluxo, pressão e temperaturas sejam medidos a montante e a jusante da tubulação e usa estes valores como condição de contorno para estimar valores dessas variáveis ao longo da tubulação. Os vazamentos são detectados pelas discrepâncias entre as variáveis calculadas e as medições reais. 23

24 Métodos estatísticos: O vazamento é detectado através de análise estatística de medidas de pressão e fluxo, se a queda no valor médio de uma medida for maior que um nível definido o alarme é ativado. O ATMOS PIPE é um sistema estatístico de detecção de vazamentos desenvolvido pela Shell, ZHANG (1996) faz uma análise deste sistema. O sistema detecta mudanças no fluxo e na pressão da tubulação através de medidas disponíveis e calcula a probabilidade de vazamento, seu tamanho e localização aproximada. É realizado um registro das variações causadas por mudanças operacionais e com isto a taxa de alarmes falsos é baixa, pois o mesmo será gerado apenas quando um determinado padrão de mudanças de fluxo e pressão ocorrer. O sistema monitora constantemente a tubulação e adapta-se as mudanças nesta e nos instrumentos de medida através de sua capacidade de aprendizado. Testes com o ATMOS PIPE foram realizados em duas tubulações de propileno liquefeito, o sistema de detecção de vazamento possuía flexibilidade de monitorar ambas as tubulações ou comutar entre um e outra, mostrando-se vantajoso em relação aos sistemas baseados em modelagem. Durante os cinco anos de operação o sistema funcionou satisfatoriamente e não apresentou alarmes falsos devido às mudanças operacionais da tubulação e discrepância entre os instrumentos. Vazamentos com tamanhos de 0,5 % a 9,3 % foram gerados durante os testes de campo. Outros testes com este sistema foram realizados em tubulações de etileno e de gás natural líquido, todos apresentando resultados satisfatórios Comparação entre os métodos de detecção de vazamentos Cada um dos métodos expostos possui vantagens e desvantagens. A tabela abaixo compara algumas características destes métodos. 24

25 Tabela. 5 Comparativo entre os métodos detecção de vazamentos. Método Sensibilidade a Estima localização Funciona sob mudanças operacionais Disponibilidade (24 horas) Taxa alarmes falsos Especialização da manutenção Custos (Implantação e operação) vazamen -to Observação Boa sim sim não baixa média alto Sensor Boa sim sim não média média alto infravermelho Acústico Boa sim não sim alta média médio Pressão Boa sim não sim alta média média negativa Mudança de pequena não não sim alta baixa baixa pressão ou fluxo Balanço de pequena não não sim alta baixa baixa massa/volume Modelagem Boa sim sim sim alta alta alta Estatístico Boa sim sim sim baixa média médio Na prática o desempenho de cada método varia dependendo das condições de operação, projeto da tubulação e da qualidade disponível da instrumentação do sistema. Em tubulações importantes mais de um método de detecção é utilizado. Observando a tabela 5 vemos que a taxa de alarmes falsos é um problema comum para maioria dos métodos. Uma das exceções é o método de observação que possui uma taxa baixa, porém não está disponível 24 horas. Realizando uma comparação entre os métodos indiretos de detecção observa-se que os métodos de mudança de fluxo ou pressão e balanço de massa/volume não exigem muita especialização para manutenção e os custos são relativamente baixos, mas estes métodos não são capazes de localizar a posição do vazamento e não trabalham sob mudanças operacionais na tubulação. O método baseado na modelagem possui a capacidade de localização e trabalha sob mudanças operacionais, porém é necessário uma manutenção muito especializada e seu custo é alto. Observa-se que o modelo estatístico tem um melhor desempenho geral, possuindo uma baixa taxa de alarmes falsos e exige uma manutenção menos especializada que o método da modelagem e um custo também menor para implantação e operação. 25

26 Considerações finais Neste capitulo introdutório foram determinados os objetivos deste trabalho, em que aspectos importantes foram abordados, para o entendimento de um sistema de detecção de vazamentos. Primeiramente é necessário que o gasoduto seja bem descrito quanto a sua classificação e escoamento do fluído. Além disto, foi realizado um detalhamento das técnicas de detecção de vazamentos. Uma maior ênfase foi dada a técnica de transitório de pressão, exibindo resultados obtidos em outros trabalhos que utilizaram a mesma. Por fim, foi verificado através da comparação das técnicas que o grande problema é a alta taxa de alarmes falsos e que a maioria delas não atende bem a todos os fatores de desempenho. 26

27 2. Tecnologias disponíveis Independente do método de detecção de vazamento utilizado verifica-se a necessidade de um processamento de dados objetivando a detecção e ou localização dos vazamentos. Portanto um sistema micro processado tem a tarefa de receber os dados dos sensores e tomar decisões. Atualmente para a automação de tubulações o CLP (controlador lógico programável) vem ganhando espaço devido aos seguintes fatores: Elevada confiabilidade, robustez e eficiência. Baixos custos de instalação e operacionalidade. Menor espaço e menor consumo de energia elétrica. Maior rapidez na elaboração dos projetos. Capacidade expansão futura. Fácil integração em sistemas existentes. Tempo de vida elevado. Associado á cada método de detecção existe um conjunto de sensores que são utilizados. Particularmente nos sistemas de detecção por transitório de pressão espera-se obter informações sobre o comportamento da pressão ao longo da tubulação e para isso se faz uso de transdutores de pressão. Este tipo de transdutor irá converter variações de pressão em variação de uma grandeza elétrica (tensão ou corrente) de forma que esta informação fique acessível ao CLP. Estes transdutores podem funcionar de acordo com alguns princípios físicos: capacitivo, piezoelétrico, piezoresistivo e etc. Para um sistema de detecção e localização de vazamentos cujo princípio seja o de transitório de pressão, as tecnologias disponíveis são o CLP e o transdutor de pressão. 27

28 2.1 Controlador lógico programável O CLP (controlador lógico programável) é um sistema baseado em microprocessador voltado para ambientes industriais que desempenha funções de controle de diversos tipos e níveis de complexidade. Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, a definição de CLP é a seguinte: é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. No CLP, a informação vinda dos sensores é recebida por módulos de entrada e repassada a CPU que de acordo com um programa em memória define o estado das saídas. É necessária uma proteção especial para os módulos de entrada e saída isolando-os da CPU, para que esta fique protegida de danos que o ambiente industrial pode trazer através das linhas de entrada Estrutura do CLP A estrutura da maioria dos CLP s existentes seguem as especificações descrita nesta seção, abaixo temos uma figura com os componentes típicos desta estrutura: Fig. 9 Estrutura do CLP. 28

29 CPU (Central Processing Unit - Unidade central de processamento): Este bloco é constituído pelo microprocessador que tem como função realizar o gerenciamento do CLP e executar as instruções definidas pelo programador. O microprocessador também realiza o controle da comunicação com dispositivos externos e indica diagnósticos de funcionamento incorreto do CLP. A CPU do CLP, por motivos de segurança, realiza rotinas complexas para verificação de memória para garantir que este não fique danificada. Um grande número de verificações do funcionamento do CLP é realizado, desta maneira erros podem ser descobertos o mais rápido possível e indicados através de LED s. Sistema de memória: O sistema memória auxilia a CPU na execução dos programas e pode ser divido em: memória de sistema, memória de aplicação, memória de dados e tabela imagem. Memória do sistema: É uma memória não volátil, geralmente do tipo EPROM. Determina a operação do sistema e vem gravada de fabrica. Memória de aplicação: Utilizada para o armazenamento do programa desenvolvido pelo usuário. No passado utilizavam-se memórias do tipo EPROM e atualmente são utilizadas memórias do tipo RAM dinâmica ou memória FLASH. Memória de dados: Normalmente é uma parte da memória RAM do CLP e tem como função a armazenagem temporária de dados do programa do usuário. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa, por exemplo: valores de contadores, temporizadores, códigos de erro e etc. Tabela Imagem: Esta memória armazena e atualiza os estados das entradas e das saídas a cada ciclo de execução do CLP. Esta memória irá fornecer a CPU informações das entradas e saídas para tomadas de decisões durante a execução do programa. Linhas e módulos de E/S (entrada e saída) Os circuitos de E/S tem a finalidade de adequar eletricamente os sinais de entrada provenientes de uma ambiente industrial para que possam ser processados pela CPU e 29

30 também garantir a isolação e proteção do CLP. Alguns CLP s possuem uma determinada quantidade de entradas e saídas em seu próprio encapsulamento, podendo o número de entradas e saídas serem expandidos através de módulos. As entradas e saídas podem ser dos tipos digital ou analógico. Interface de ajuste de entrada: Consiste de uma interface entre as linhas de entrada e a CPU com o propósito de proteger a mesma de sinais externos inadequados. Esta interface ajusta o nível de um sinal externo para um nível utilizado pela CPU. Por exemplo: O sinal de saída DC de 24 V de um determinado sensor necessita ser convertido para um sinal DC de 5 V para que a CPU possa processá-lo. Isto é feito através de isolação óptica, como pode ser visto na figura abaixo. Fig. 10 Interface de ajuste de entrada. A isolação óptica garante a não existência de uma conexão elétrica entre a unidade de CPU e os sinais externos. O sinal do dispositivo externo acende o LED, cuja luz excita um foto-transistor que começa a conduzir, e isto é visto pela CPU como um zero lógico. Quando o sinal de entrada apagar o LED, o foto-transistor para de conduzir a CPU interpreta como um 1 lógico. Modulo de entrada digital: Recebem sinais do tipo ligado ou desligado que podem ser originados de: botoeiras, chaves, sensores de proximidade, chaves comutadoras, termostatos, pressostatos, controle de nível e etc. Estes sinais podem ser DC, geralmente tensões de 5 V, 10 V, 24 V ou AC de 110 V e 220 V. As entradas e saídas DC podem ser do tipo current sinking ou current soursing. No tipo current sinking a ligação comum entre 30

31 os sensores é o terra (-), já no tipo current sourcing a ligação comum é o VCC (+) da linha como podemos ver na figura abaixo. Fig. 11 Current sinking e current sourcing. A escolha do tipo de configuração a ser feita depende do dispositivo de entrada utilizado que pode ser PNP ou NPN. Por exemplo, para que um dispositivo NPN seja ativado é necessário fornecer o potencial negativo da fonte de alimentação ao borne de entrada do mesmo. Módulo de entrada analógico: Permitem a leitura de grandezas analógicas enviadas por transdutores ao CLP. As grandezas analógicas são convertidas proporcionalmente em tensão ou corrente pelos transdutores e através de um conversor A/D, o CLP pode manipular esses dados e tomar as decisões de acordo com sua programação. As faixas de tensão geralmente usadas são: 0 a 10 VCC, 0 a 5 VCC, -5 a 5 VCC, -10 a 10 VCC e etc. No caso da corrente faixas bastante utilizadas são as de 0 a 20 ma e 4 a 20 ma. Interface de ajuste de saída: Realiza uma interface entre a CPU e a linha de saída e funciona de maneira similar a interface de entrada. Inicialmente a CPU manda o sinal para o LED e este acende emitindo luz para o foto-transistor. Este então começa a conduzir, logo a tensão entre o coletor e o emissor cai para 0.7 V e o dispositivo ligado à saída interpreta como um zero lógico. No caso inverso o sinal na saída será interpretado como um 1 lógico. 31

32 Fig. 12 Interface de ajuste de saída. Módulo de saída digital: Permitem apenas os estados ligado ou desligado na saída. É utilizado para realizar o controle dos seguintes dispositivos: relés, contatores, solenóides, válvulas e etc. Estes atuadores podem ser ligados na saída do CLP como current sinking ou current sourcing de forma similar a entrada digital. Módulo de saída analógico: Realiza a conversão D/A de valores numéricos em sinais de saída em tensão ou corrente. A faixa de tensão utilizada geralmente é de 0 a 10 VCC ou 0 a 5 VCC, para corrente as faixas são de 0 a 20 ma ou 4 a 20 ma. A saída analógica pode ser usada em válvulas proporcionais, motores, servo-motores e etc. Fonte de alimentação A fonte de alimentação fornece a tensão necessária para o funcionamento da CPU e dos circuitos e módulos de E/S. A maioria dos CLP s trabalha com fonte DC de 24 V ou fonte AC de 220 V. Geralmente a fonte de alimentação está em um módulo separado nos CLP s de grande porte, enquanto os de médio e pequeno porte já contêm a fonte. Deve ser garantida uma fonte dedicada apenas ao CLP, deste modo fontes separadas são utilizadas para alimentar os dispositivos externos ligados às entradas ou saídas do CLP. Desta maneira haverá uma maior proteção contra danos ocasionados pelo ambiente industrial. Linha de extensão Cada CLP possui uma quantidade limitada de linhas de entrada e saída. Caso seja necessário, este número pode ser aumentado através de módulos adicionais através das 32

33 linhas de extensão. Cada módulo pode possuir extensão tanto para entrada como para saída. Além disso, esses módulos podem conter entradas e saídas de diferentes tipos das existentes no CLP. Por exemplo, um CLP com apenas entradas e saídas digitais pode ser ligado a um módulo de entradas e saídas analógicas. Comunicações Uma das funcionalidades da porta de comunicação do CLP é conectar o mesmo a um terminal de programação. Normalmente o terminal é um computador PC, e neste o usuário desenvolve o programa aplicativo e pode enviá-lo ao CLP ou ler o programa existente no CLP. Além disso, é possível realizar um monitoramento das variáveis do programa aplicativo enquanto este está em execução. O sistema de comunicação também pode se comunicar com outros CLP s interligados em rede através de um CLP mestre ou com um modem via internet. Esses CLP s em rede em conjunto com outros dispositivos podem fazer parte de uma rede industrial. Algumas redes industriais usadas são a ethernet industrial, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus e etc Funcionamento do CLP Para utilizar o CLP é necessário o conhecimento de seus modos de operação, geralmente existem dois modos principais: programação e execução. Modo de programação: Neste modo através de um terminal conectado ao CLP, o usuário tem acesso a um software de desenvolvimento de programas. Além disto, existem funções de transferência, alteração, depuração dos programas desenvolvidos e configuração dos parâmetros de operação. Modo e execução ou operação: O CLP entra em um ciclo de execução de acordo com sua programação. Enquanto o CLP estiver neste modo o ciclo continuará se repetindo ininterruptamente e só irá parar quando o modo for trocado. No S7-200 a troca entre os modos RUN ou STOP pode ser realizada através de uma chave seletora ou ainda através do terminal. 33

34 Este ciclo de trabalho é chamado de ciclo de scan e dependendo do tamanho do programa e dos recursos utilizados pode ter duração de alguns milisegundos. O funcionamento é da seguinte maneira: os sinais dos sensores são aplicados na entrada do CLP e a cada ciclo esses sinais são lidos e transferidos para a memória imagem de entrada. O programa aplicativo processa os dados armazenados e ao termino de cada ciclo os resultados são atualizados na memória imagem e então aplicados à saída. A figura abaixo mostra o processo: Fig. 13 Ciclo de execução do CLP. Abaixo temos uma breve explicação de cada etapa: Inicialização: É o conjunto de tarefas realizadas quando o CLP é ligado. Estas tarefas consistem de rotinas para: energização da fonte, diagnóstico de hardware, verificação dos parâmetros de funcionamento, verificação da configuração de E/S. Os procedimentos citados são realizados apenas ao se ligar o CLP não sendo repetidos posteriormente. 34

35 Leitura das entradas e atualização da tabela imagem: A CPU realiza a leitura de todos os pontos de entrada e os armazena na tabela imagem das entradas. Os dados da tabela são utilizados pela CPU durante a execução do programa aplicação. Após a realização da leitura em um ciclo, a atualização será realizada apenas no ciclo seguinte. Com isto, a condição de uma determinada entrada permanece constante para o programa mesmo que a entrada mude de estado durante o ciclo. Execução do programa aplicação: Nesta etapa a CPU executa as instruções do programa aplicação e os dados para processamento são buscados na tabela imagem. A cada fim de execução do programa os dados processados são enviados a tabela imagem para atualização das saídas. Escritas das saídas: O conteúdo da tabela imagem das saídas é enviado aos correspondentes pontos de saída. Programação do CLP ( Norma IEC ) A programação dos CLP s foi padronizada e segue a norma IEC que foi elaborada pela International Electrotechnical Commission IEC. A norma foi elaborada com o objetivo de padronizar diversos aspectos relacionados aos CLP s e também aplicar modernas técnicas e linguagens de programação para o desenvolvimento de softwares para estes sistemas. A norma é composta por oito partes, sendo a parte três ( ) destinada ao modelo de software e às linguagens de programação. São definidas as cinco linguagens de programação abaixo: Tabela. 6 Linguagens de programação de CLP. Texto Estruturado (ST) Lista de Instrução (IL) Diagrama de Blocos Funcionais (FBD) Diagrama Ladder (LD) Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC) Textuais Gráficas 35

36 As linguagens Texto Estruturado (ST), Lista de Instruções (IL), Diagrama de Bloco de Funções (FBD) e Diagrama de Contatos (LD) podem ser utilizadas dentro dos blocos de ações e transições para construir o Diagrama Seqüencial de Funções (SFC). A linguagem de Texto Estruturado (ST) é uma linguagem de programação tipo pascal, C, Basic. O Diagrama Seqüencial de Funções (SFC) descreve o comportamento seqüencial de um processo particionando o problema através de um modelo top-down. Um exemplo dessa linguagem é o Grafcet. Dentre as três linguagens restantes a mais importante é o Diagrama Ladder, esta linguagem é a substituta direta dos antigos painéis controlados por relés CLP utilizado: SIEMENS S7-200 No mercado atual existem diversos fabricantes de CLP e cada um deles desenvolve famílias de controladores de acordo com a capacidade de processamento e o número determinado de entradas e saídas. Neste trabalho será o utilizado o CLP SIMATEC S7-200 de fabricação da SIEMENS, que possui em um único encapsulamento compacto: microprocessador, fonte de alimentação integrada e circuitos de entrada e saída. Na figura abaixo encontra-se os detalhes externos deste CLP: Fig. 14 CLP SIMATEC S As CPU s existentes da família S7-200 são: 221, 222, 224, 224XP e 226. Na realização deste trabalho foi disponibilizado a CPU 222, abaixo temos algumas características da mesma. 36