Controle de Compressores

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1 Controle de Compressores Noções Básicas 1 Compressores Objetivo: fornecer energia ao gás g s para que o mesmo passe a um nível n de pressão o mais elevado. O processo deve exercer um controle sobre o compressor, dito de capacidade, para que o mesmo forneça a vazão o ou pressão o conveniente. 2

2 Compressores PRESSÃO Volume 3 Compressor Centrífugo Impelidor Força centrífuga Difusor Energia é convertida em pressão. 4

3 Controle de Compressores Dinâmicos - RESUMO O impelidor fornece a energia por unidade de massa: Head 2 c H = h + 2 No difusor a energia dinâmica é transformada em estática H S = h = u + (PV) 5 Compressor Centrífugo As irreversibilidades (atritos, vórtice [velocidades M>1], stall )) que ocorrem tanto nos impelidores quanto nos difusores, faz com que parte da energia potencial de fluxo seja convertida em energia interna. 6

4 Compressores Dinâmicos de múltiplos estágios 7 Configurações dos Estágios de Compressão 8

5 Controle de Compressores Curvas Características dos Compressores Dinâmicos 9 Compressores Dinâmicos Variáveis que governam a cada instante o funcionamento do compressor: A pressão o de sucçã ção o (Ps). A temperatura de sucçã ção o (Ts). A pressão o de descarga (Pd). A natureza do gás g s (peso molecular e o coeficiente adiabático). Como resultado do seu desempenho: A vazão o volumétrica aspirada na sucçã ção o (Vs). A potência necessária à compressão o (W). A temperatura de descarga (Td). 10

6 Curva Head x Vazão Com o objetivo de fornecer informaçõ ções acerca do comportamento e desempenho de suas máquinas, m os fabricantes dos compressores costumam utilizar as curvas características. 11 Qual a vazão pelo compressor? Ler as condições do processo, supor um rendimento, calcular o head, entrar nas curvas com a rotação e obter a vazão e o rendimento, repetir até convergir. k 1 k k RTS P H η η D = 1 k 1 MW P S Onde : k - expoente adiabático η rendim ento R - cons tan te dos gases T d = T S Pd P s K 1 Kη H V ρ Pot = S η 12

7 Controle de Compressores Limites operacionais dos compressores dinâmicos 13 Limite de surge do compressor dinâmico Quando a vazão o de um compressor dinâmico cai abaixo de um certo valor tem início um fenômeno conhecido como surge : Se caracteriza por oscilaçõ ções nas pressões e vazões, freqüentemente entemente incluindo uma vazão o reversa. Comportamento bastante instável, com a emissão o de um ruído audível e acompanhado em geral por fortes vibraçõ ções. 14

8 Limite de surge do compressor dinâmico Dependendo da intensidade do surge pode-se danificar seriamente os mancais, os selos, e o próprio prio rotor da máquina, diminuindo a disponibilidade da mesma e abaixando a confiabilidade da Unidade. 15 O fenômeno do surge 16

9 Surge - Instabilidade Operacional Vazão Surge Incipiente Surge Violento Tempo 17 Curva de surge da máquina A mudança a de rotaçã ção o provoca uma variaçã ção o na vazão o limite para o surge. Pode-se construir uma curva que tem normalmente o aspecto geral de uma parábola ligando todas estas vazões. 18

10 Linha de Surge Ponto de Surge muda com o peso molecular e temperatura de sucção 19 Variação da curva de surge (Menor o MW) 20

11 Limites de Operação do Compressores Dinâmicos Limite de stonewall Acima de certas vazões as velocidades podem atingir o regime supersônico Abrupta queda no rendimento Não ameaça a integridade da máquina Limite de stonewall 21 Controle de Compressores Principais controles dos Compressores Dinâmicos 22

12 Controles de Compressores Controle de Capacidade (Objetivo do processo) Vazão Pressão Controle Anti-surge (limites ou restrições de operação das máquinas) 23 Controle de Compressores Controle de Capacidade 24

13 Acionadores Os compressores dinâmicos industriais são o acionados normalmente por: Turbinas a vapor. Motores elétricos. Turbinas à gás. O controle de capacidade depende do tipo de acionador. 25 Controle de Capacidade dos Compressores Dinâmicos Controle da vazão Controle da pressão de sucção Controle da pressão de descarga Métodos: Variação da rotação Estrangulamento da sucção Mudança do ângulo das pás guias 26

14 Controle de Capacidade (Pressão de descarga constante) 27 Controle de Compressores Controle Anti-surge 28

15 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos Objetivo: Impedir que o compressor opere com vazões inferiores ao limite de surge. Método: Recircular ou aliviar para a atmosfera (no caso de sopradores de ar) a vazão excedente, o que pode representar um custo operacional. 29 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos 30

16 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos 31 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos O controle necessita de um TEMPO para atuar (válvulas, medidores, a resposta do processo, etc.) Também m existe uma incerteza estática tica a respeito da localizaçã ção o exata do limite de surge. Logo, deve-se ter uma folga suficiente. 32

17 Estratégia de controle anti anti-surge Não existe uma estratégia de controle anti-surge ótima para qualquer caso. 33 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos Economia operacional menor folga possível. Versatilidade Suportar variaçõ ções das condiçõ ções operacionais, ter modos degradados de operaçã ção o em caso de falhas dos sensores, etc. Simplicidade Maior confiabilidade. 34

18 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos 35 Estratégia de Controle Anti-surge Alfa ( R 1) z *848*( TS ( C) + 273) H P ( kgf. m / kg) = * C MW * Alfa 36

19 Estratégia de Controle Anti-surge ρ S ( kg / m M ( kg / h) = V SURGE 3 2 MW * PS ( kgf / cm abs.) ) = * z *( T ( C) + 273) SURGE ( m SP = Folga * M 3 S SURGE / h) * ρ ( kg / m S ( kg / h) 3 ) 37 Estratégia de Controle Anti-surge M MED A Variável controlada será: M 10 * P ( kgf / cm abs.) * 2 MAX S ou D = hw PPROJ (0 100%) 38

20 Controle Anti-surge de Compressores Dinâmicos Medição de vazão (compensação de P&T, trecho reto, tipo, rapidez do transmissor, etc.) Válvula de controle (rapidez, tipo, dimensionamento, etc.) Cálculo do set-point (compensação de P&T, influência do MW, etc.) SP PV = = fo lg a K h f W P S P D P D P S 39 Pontos Importantes da Instrumentação - Controle Anti-surge Controlador Evitar a saturação (anti-reset windup), e com scan scan de pelo menos 200 ms. Válvula de reciclo: Tempo de atuação da ordem de 1 seg. ( Booster Booster para d >4 ) Característica LINEAR (Globo) Dimensionada para a vazão de projeto com 70% da pressão da pressão de projeto. Medidor de vazão Rápido, respeitando trecho reto, baixo ruído. 40

21 Estratégia Dinâmica de Controle Anti-surge Abrir rápido e fechar lentamente: 41 Estratégia Dinâmica de Controle Anti-surge Antecipação em malha aberta: 42

22 Controle de Compressores Exemplo de Aplicação de Controle de anti-surge 43 Exemplo de um controle anti- surge O compressor de gás g úmido da RPBC tinha um histórico de surge muito grande antes de 1990, que provocavam a parada da máquina por vibraçã ção o alta. Baixa continuidade operacional da UFCC. Desafio: projetar um controle que absorvesse uma grande variaçã ção o no peso molecular do gás s (compressor recebe gás g s não n o apenas da UFCC, mas de diversas outras unidades). 44

23 Compressor de gás da UFCC- RPBC 45 Controle da máquina O controle anti-surge que existia na máquina era um PID simples, cuja variável vel controlada era o diferencial de pressão o no medidor de vazão o na descarga de cada estágio, e o set-point era constante e fixado pelo operador. Esta estratégia seria aceitável quando as condições de sucção são constantes, o que não é verdade para o segundo estágio. 46

24 Análise estática da estratégia de controle anti-surge W = fator V V SUCÇÃO SUCÇÃO fator = MW P ρ = R Z T ρ fator = DESCARGA ρ P DESCARGA ρ DESCARGA P SUCÇÃO SUCÇÃO P PLACA P P PLACA PLACA T SUCÇÃO MW 47 H P zrkη P k 1 Análise estática da estratégia de controle anti-surge Supondo a curva de surge como uma parábola: = α ( V SUCÇÃO ) T S PD MW P S zrkη T P S PD k 1 MW PS 2 φ 1 = α = α fator fator 2 2 P 2 P P 2 P D SUCÇÃO D SUCÇÃO P P PLACA PLACA 2 TS MW 2 TS MW 48

25 Análise do controle antigo no segundo estágio A estratégia produzia folgas exageradas em rotações baixas para ser efetiva. 49 Análise do controle antigo no segundo estágio Hipótese é que o operador alterava o SP em rotações baixas e ficava sem controle em rotações altas. 50

26 Curva de surge Outro problema do sistema da RPBC era a curva de surge,, que não n apresentava a forma clássica de uma parábola. 51 Curva de surge 52

27 Estratégia adotada Os fatores a e b são o obtidos da curva de surge da máquina, m dos dados do medidor de vazão, e das condiçõ ções esperadas de temperatura do compressor. P a P D S + b = P D P P SUCÇÃO PLACA 53 Nova Estratégia Folgas de 10% p/ MW=34.3 e MW=

28 Novo Controle Anti-surge do Compressor de gás da UFCC-RPBC A parte estática: determinação do SP está concluída, mas e a dinâmica? As válvulas v tiveram um tempo de resposta diminuído do com o uso de booster. Realizada um simulaçã ção o dinâmica do sistema para se ter um pré-sintonia do PID s s (capacidade e anti-surge ). 55 Controle de Compressores Controle Anti-surge Industrial 56

29 Interação entre o controle de capacidade e o anti-surge 57 Controlador anti-surge Industrial Minimizar a interação entre o controle de capacidade e o anti-surge : Controlador anti-surge pode abrir a válvula de reciclo com uma velocidade maior do que a que ele fecha a mesma. Ajustar a sintonia dos controladores. Utilizar um bloco de desacoplamento. 58

30 Controle de Compressores Desacoplamento entre Malhas 59 Desacoplamento entre Malhas Funções de transferência 60

31 Desacoplamento entre Malhas O objetivo do desacoplamento é projetar um sistema externo ao processo de maneira a cancelar os efeitos das interaçõ ções entre as malhas de controle. Com isto, pode-se sintonizar melhor os controladores PID e ter melhor desempenho. 61 Desacoplamento entre Malhas Para desacoplar um processo com uma matriz de funçõ ções de transferência ncia G, introduz-se uma matriz de desacoplamento D,, de tal forma que a resultante T seja diagonal. G G = G G G D D = D D21 D 22 T11 T = 0 0 T 22 62

32 Desacoplamento entre Malhas 63 Desacoplamento entre Malhas Mas como obter a matriz D? Isto pode ser feito invertendo-se a matriz do processo G: 1 G D = T D = G T 1 G22T11 G21T22 D = ( G ) 11G22 G12G21 G12T11 G11T22 Existem 2 graus de liberdade. T = G T = e 22 G22 1 D = G12 G 22 G21 G

33 Funções de transferência do sistema de compressão Modelo: Função Ganho (KP) Constante de Tempo (Tp) G G G G Desacoplamento entre Malhas O desacoplador pode ser calculado e implementado como um lead-lag : lag : D 12 G = G s + 1 = s + 1 A funçã ção o de transferência ncia em malha aberta entre a saída do controlador de capacidade (M 1 ) e a pressão (Y 1 ) é G11, mas com o desacoplador: Y 1 G21 G = G11 - M G

34 Desacoplamento entre Malhas Sintonia sem desacoplador: CONTROLADOR Ganho (Kc) Tempo Integral (Ti) Capacidade seg Anti-surge seg Sintonia com desacoplador: CONTROLADOR Ganho (Kc) Tempo Integral (Ti) Capacidade seg Anti-surge seg 67 Desempenho 68

35 Desacoplamento entre Malhas O controle de compressores dinâmicos apresenta uma particularidade especial. Ela decorre do fato de uma das suas malhas de controle, a de anti-surge, só necessitar atuar em algumas situaçõ ções. 1 D = 0 G 21 G Desacoplamento para controle de Compressores Dinâmicos 70

36 Desempenho 71 - Simulação Dinâmica Hipóteses A válvula e os medidores de vazão e pressão são instantâneos Volume de 1 m3 entre descarga e a válvula de retenção Sistema digital (PLC) tem ciclo de execução de 250 ms A estratégia de controle é simples, apenas um controlador PI 72

37 Simulação Dinâmica Perda instantânea da vazão de alimentação da máquina no tempo igual à 1000 segundos 73 Simulação Dinâmica Ciclos de 500 ms (depende da curva da máquina e dos volumes). 74

38 Simulação Dinâmica Uso da estratégia de dois Pis (lento p/ fechar e rápido p/ abrir). 75 Simulação Dinâmica Agora com válvula lenta (5 seg.). 76

39 Simulação Dinâmica 77 Simulação Dinâmica A estratégia de controle é o principal fator para o bom desempenho do controle das máquinas (estática cálculo do SP, como dinâmica). A dinâmica da válvula é muito mais crítica para retirar a máquina do surge em grandes perturbações. O ciclo de execução não é o mais crítico, valores da ordem de 100 ms são satisfatórios (considerando ciclos de surge de 200 ms). 78

40 Exemplos de Problemas Operacionais 79 Falha do soprador Falha de fabricação com fadiga e ruptura da palheta Agravado por eventos de surge (operação próxima do surge alta pressão de descarga e baixa vazão) 80

41 Perda de Eficiência do Compressor Redução da vazão pela máquina e diminuição da carga da Unidade. 81 Incrustrações no Compressor Mudança das características. 82

42 Controle de Compressores Referências: Campos, M. e Rodrigues P.S., Practical control strategy eliminates FCCU compressor surge problems, Oil&Gas Journal, Jan. 11, McMillan, G., Centrifugal and Axial Compressor Control, ISA, Nisenfeld, A., Centrifugal Compressor Principles of Operation and Control, ISA, Staroselsky, N. e Landin, L., Improved Surge Control for Centrifugal Compressor, Chemical Engineering, May, 21, , 184, Plano Introdução Projeto de Sistemas de Controle Tipos de Controladores PID Dinâmica dos Processos Estratégias de Controle Regulatório Avançado Sintonia de Controladores PID Exemplos e Trabalhos Práticos Controle de Turbinas Conclusões 84