Novas tecnologias de equipamentos de monitoramento e controle de redes de abastecimento

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1 Novas tecnologias de equipamentos de monitoramento e controle de redes de abastecimento Nilson Massami Taira nmtaira@ipt.br IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas Centro de Metrologia de Fluidos Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária São Paulo SP

2 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA ESTUDO DE CASO Reservatório de água Registrador com totalizador CONCESSIONÁRIA Medidor de vazão INDÚSTRIA CARACTERÍSTICAS: Instalação da década de 60 Diâmetro da tubulação: 600 mm (24 pol) Medidor de vazão do tipo Dall curto Vazão nominal de projeto: 2160 m³/h (600 L/s) Vazão normal de operação: 360 a 540 m³/h (100 a 150 L/s) Diferenças de medição:?????

3 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA ESTUDO DE CASO Reservatório de água Registrador com totalizador Sistema de medição computadorizado CONCESSIONÁRIA Medidor de vazão Medidor de vazão INDÚSTRIA CARACTERÍSTICAS: Instalação da década de 60 Diâmetro da tubulação: 600 mm (24 pol) Medidor de vazão do tipo Dall curto Vazão nominal de projeto: 2160 m³/h (600 L/s) Vazão normal de operação: 360 a 540 m³/h (100 a 150 L/s) Diferenças de medição: 15 a 20% a favor da Concessionária

4 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA ESTUDO DE CASO SITUAÇÃO ENCONTRADA

5 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA ESTUDO DE CASO SITUAÇÃO APÓS LIMPEZA DO MEDIDOR

6 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA ESTUDO DE CASO Reservatório de água Registrador com totalizador Sistema de medição computadorizado CONCESSIONÁRIA Medidor de vazão INDÚSTRIA Medidor de vazão menor (10 ) em paralelo SOLUÇÃO: INSTALAÇÃO DE UM MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO MENOR EM PARALELO AO MEDIDOR ATUAL VANTAGENS: Medidor de tecnologia mais moderna (menor incerteza, maior rangeabilidade, etc) Possibilidade de calibração do medidor (rastreabilidade, confiabilidade) Possibilidade de execução de manutenção em ambos os sistemas de medição Possibilidade de determinação do coeficiente de descarga do medidor Dall

7 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA PROJETO E OPERAÇÃO ACEITAÇÃO DE SISTEMA DE MEDIÇÃO DE VAZÃO Análise do projeto Inspeção de fornecimento Inspeção de operação Aceitação do sistema de medição Especificação Verificação Instalação Documentação Dimensionamento Normas Configuração conceito antigo

8 SISTEMA DE MEDIÇÃO DE ÁGUA PROJETO, OPERAÇÃO E CERTIFICAÇÃO Análise do projeto Inspeção de fornecimento Inspeção de operação Estimativa da incerteza de medição Certificação do sistema de medição Especificação Verificação Instalação Modelo matemático Documentação Dimensionamento Medição Calibração Fontes de incerteza Normas Avaliação preliminar da incerteza Certificação de conformidade Configuração conceito atual Estimativa Calibração periódica

9 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR QUÊ MEDIR? Medir a vazão de um fluido significa medir o fluxo de $$$! Comércio de gás natural no Brasil: 40 milhões de std m 3 /dia. Incerteza acumulada de 1% na medição: std m 3 /dia Preço: R$ 1,00/m 3 R$400 mil/dia ou R$146 milhões/ano Produção de água tratada na RMSP: 63 m 3 /s Incerteza acumulada de 3% na medição: 163mil m 3 /dia Preço: R$ 0,50/m 3 R$82 mil/dia ou R$ 30 milhões/ano

10 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR QUÊ MEDIR? Água tornou-se fluido caro Falta de confiabilidade na medição e controle Perdas nos sistemas urbanos (30 a 40%) Shoppings gastam mais $ com água que eletricidade Esgoto é grande problema $, tanto para indústria quanto p/ empresas de saneamento Cobrança pelo uso água: captação e lançamentos

11 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR QUÊ MEDIR? O setor de água ainda não se apropriou do conceito de transferência de custódia, que é velho conhecido do setor de petróleo. Nos próximos anos vamos assistir a uma corrida meio ansiosa na busca de soluções de medição e de rastreabilidade para a medição de vazão de água. INMETRO? ANA?

12 MEDIÇÃO DE VAZÃO O QUE É? INSTRUMENTAÇÃO MEDIDOR FLUIDO INSTALAÇÃO SOFTWARE PROCEDIMENTOS OUTROS FATORES AMBIENTAIS RECURSOS HUMANOS

13 MEDIÇÃO DE VAZÃO DE LÍQUIDOS

14 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO DE MEDIDORES MEDIDOR VOLUMÉTRICO VAZÃO INSTANTÂNEA força vórtice térmico área variável Coriollis diferencial de pressão velocidade turbina eletromagnético ultra-sônico pistão recíproco pistão rotativo diafragma disco nutante palhetas multirotor resistência linear tubo de Pitot placa de orifício tubo de Venturi bocal tubo multifuros lóbulos engrenagens

15 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO DE MEDIDORES VOLUMÉTRICO MEDIDOR VAZÃO INSTANTÂNEA Indústria alimentos, química e petroquímica e processos em geral Indústria do petróleo e derivados força vórtice térmico diferencial de pressão área variável velocidade Coriollis turbina eletromagnético ultra-sônico resistência linear tubo de Pitot placa de orifício tubo de Venturi bocal tubo multifuros Indústria da água e saneamento básico

16 MEDIÇÃO DE VAZÃO TIPO DE MEDIDORES Outros 16% Ultra-sônico 2% Vórtice 2% Placa de orifício 48% Deslocamento positivo 14% Turbina 6% Eletromagnético 12% Europa, 1980

17 FATORES RELEVANTES PARA A SELEÇÃO DE UM MEDIDOR DE VAZÃO I.Exigências e necessidades da medição II.Condições externas ao conduto III.Condições internas ao conduto IV.Local de calibração V.Acessórios e instalação VI.Fatores econômicos MEDIÇÃO DE VAZÃO REQUISITOS

18 MEDIDOR DE VAZÃO TUBO DE VENTURI p p T v D d modelo matemático tico ISO 5167 Q = C d π d p 1 β 4 ρ

19 MEDIDOR DE VAZÃO PLACA DE ORIFÍCIO p p T v D d modelo matemático tico ISO 5167 Q = C d π d p 1 β 4 ρ

20 MEDIDOR DE VAZÃO VENTURI - PLACA DE ORIFÍCIO Vantagens Relativamente baratos Conhecidos a mais de século Resistentes (não tem peças móveis) Não requerem calibração freqüente Tem resposta rápida em escoamentos pulsantes ou intermitente Leitura direta de vazão (controle) Desvantagens Exatidão pobre (da ordem de 2%) Provocam perda de carga Sensíveis ao perfil do escoamento Range limitado Depende da qualidade da medida de pressão Perda de exatidão com o tempo (incrustações)

21 MEDIDOR DE VAZÃO ELETROMAGNÉTICO E=(4 x B)/(p x D) x Q Onde: E é a força eletromotriz B é o módulo do campo magnético D é o diâmetro do tubo Q é a vazão Princípio de funcionamento baseado na lei de Faraday Medição de fluidos condutores Primeirosmedidores apareceram no início dos anos 60

22 MEDIDOR DE VAZÃO ELETROMAGNÉTICO Vantagens Medidor de tecnologia bem desenvolvida e confiável Sem partes móveis Boa rangeabilidade (10 até 100:1) Diâmetros entre 1/10 até 80 Repetitividade ±0,1% da leitura até ±2,0% do FS Bom tempo de resposta > 0,2 segundos perda de carga desprezível bidirecional Desvantagens Interferência de ruídos de fontes eletromagnéticas e da rede elétrica (necessita aterramento) Medidor altamente suscetível ao perfil de velocidades Exige trechos retos: >10D a montante e > 5D a jusante Exige calibrações sistemáticas Fluidos condutibilidade elétrica entre 0,05 até 20 ms/cm problemas com eletrodos

23 MEDIDOR DE VAZÃO ELETROMAGNÉTICO - APLICAÇÃO Medição de água bruta, tub. 2,5m de diâmetro, vazão 18 m³/s. Entrada de reservatório, tub. 1,5m de diâmetro, vazão 4 m³/s

24 MEDIDOR DE VAZÃO TURBINA Rotor Pick up Defletor de jusante Pick up Corpo do medidor Mancais do rotor Defletor de montante Espaçador de jusante Pás do rotor Suportes dos mancais e aletas guia Medidor desenvolvido durante a 2 a Guerra Mundial Normalmente utilizado em medições de grandes vazões

25 MEDIDOR DE VAZÃO TURBINA DE INSERÇÃO

26 MEDIDOR DE VAZÃO ELETROMAGNÉTICO PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO O escoamento do fluido provoca a rotação do rotor da turbina A velocidade angular da pá é proporcional à velocidade do fluido V = 2 π r n cotα onde: V = velocidade do fluido r = raio médio do rotor da turbina a = ângulo entre o eixo do rotor e a roda do parafuso em r n = número de revoluções por unidade de tempo A rotação da turbina é medida e convertida em velocidade

27 MEDIDOR DE VAZÃO TURBINA DE INSERÇÃO Vantagens Um dos medidores mais versáteis e de larga faixa de operação disponíveis atualmente Normalmente utilizado em medições de grandes vazões Diâmetros: 1 a 50 custo baixo Desvantagens Fluido limpo Medidor que incorpora partes móveis (desgaste) Sofre influência da temperatura devido à variação da viscosidade Exige calibrações sistemáticas Medidor altamente suscetível ao perfil de velocidades Exige trechos retos: >20D a montante e > 5D a jusante Não é padronizado (inserção)

28 MEDIDOR DE VAZÃO HIDRÔMETRO São medidores utilizados na medição doméstica, comercial e industrial de água TIPOS Taquimétricos (vazões até 30 m³/h) Woltmann (vazões acima até 1500 m³/h) Deslocamento positivo * Existe classificação por classe metrológica * não existe portaria do INMETRO para este tipo de hidrômetro

29 MEDIDOR DE VAZÃO HIDRÔMETRO II. Curva característica ERRO zona inferior de erros zona superior de erros +5% +2% erros positivos 0 sobre medição erros negativos -2% sub medição Q min 30 L/h (Classe B ) Q transição 120 L/h (Classe B ) Vazão Q nominal 1500 L/h Q max 3000 L/h -100 % zona de sobre medição sem indicação zona de submedição

30 MEDIDOR DE VAZÃO HIDRÔMETRO baixo custo Vantagens fácil manutenção rangeabilidade de até 280:1 tecnologia reconhecida e certificada pelo INMETRO Desvantagens deve trabalhar com água limpa Medidor que incorpora partes móveis (desgaste) exatidão inferior com relação a outros medidores de vazão perda de carga pode chegar a 10 mca na vazão máxima

31 MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO - EFEITO DOPLLER Efeito Doppler θ V f 1 f 2 f 1 - f 2 = 1/t 1-1/t 2 = 2 V f 1 cosq/a a = γrt a = velocidade do som no meio V = velocidade do fluido f 1 = frequência de transmissão f 2 = frequência de recepção θ = ângulo de incidência

32 MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO Tempo de Trânsito B a 2 L V θ V a 1 V A a 1, t 1 = veloc. e tempo de propagação do som de A para B a 1 = a + V cosq = L/Dt 1 a 2, t 2 = veloc. e tempo de propagação do som de B para A a = velocidade do som no fluido estacionário V = velocidade do fluido (V << a) θ = ângulo de incidência a 2 = a - V cosq = L/ Dt 2 V = L /(2 cosq) (1/t 1-1/t 2 )

33 MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO Tipo Tempo de Trânsito entre flanges

34 MEDIDOR ULTRA-SÔNICO MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO Montagem de medidor tipo tempo de trânsito Clamp-on Tipo Tempo de Trânsito sensor molhado

35 MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO - TEMPO DE TRÂNSITO Vantagens Similar aos medidores eletromagnéticos, com exceção do tipo por efeito Doppler que possui problemas de repetitividade e reprodutilidade Fácil montagem (tipo Clamp On) Custo praticamente independe do diâmetro da tubulação Não necessita parar o escoamento na montagem Desvantagens Custo elevado Ruídos da válvula reguladora podem afetar a operação Medidor altamente suscetível ao perfil de velocidades Exige trechos retos: >20D a montante e > 5D a jusante Exige calibrações sistemáticas custo elevado Tecnologia relativamente recente que exige treinamento e conhecimento profundo

36 MEDIDOR DE VAZÃO VÓRTICE

37 MEDIDOR DE VAZÃO VÓRTICE Vantagens baixo custo de instalação; boa exatidão; boa repetitividade a longo tempo; ampla faixa de vazão em geral; manutenção mínima, pelo fato de não possuir partes móveis; curva de resposta e temperatura dentro das faixas de trabalho; instalação relativamente simples. Desvantagens não adequado para fluidos com sujeira ou abrasivos; não adequado para líquidos viscosos; faixa de tamanho limitada (50 a 150 mm de diâmetro); máxima pressão e temperatura; perda de carga relativamente alta (comparável à de um tubo Venturi); resolução limitada.

38 MEDIDOR DE VAZÃO MULTIFUROS P H L + - Nomes comerciais: Annubar, Sonda 4, Pitot proporcional... fluxo m& = Km p Q = K p

39 MEDIDOR DE VAZÃO MULTIFUROS Vantagens Baixo custo de instalação; Baixa perda de carga; Disponível para diâmetros de 1 até 80 ; Pode operar com líquidos, gás ou vapor d água. Desvantagens Medidor altamente suscetível ao perfil de velocidades; Exige trechos retos: >10D a montante e > 5D a jusante; Exatidão pobre (da ordem de 2%) Range limitado; Depende da qualidade da medida de pressão; Perda de exatidão com o tempo (incrustações e risco de entupimento).

40 MEDIDOR DE VAZÃO MULTIFUROS Medição industrial, tubulação de 200 mm de diâmetro Medição de água bruta, tubulação de 2 m de diâmetro, vazão de 7,5 m³/s

41 MEDIDOR DE VAZÃO CANAL ABERTO Medição de nível ultra-sônica Calha Parshall e Vertedouros

42 CONFIABILIDADE DA MEDIÇÃO DE VAZÃO

43 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) conceito atual de calibração Medidor a ser calibrado PONTO DE MEDIÇÃO Medidor calibrado e certificado LABORAT ÓRIO DE CALIBRAÇÃO Condição necessária. Porém, não suficiente!

44 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) Indústria do petróleo e gás natural Conceito moderno Medidor a ser calibrado PONTO DE MEDIÇÃO Medidor calibrado e certificado LABORAT ÓRIO DE CALIBRAÇÃO Garantia da qualidade metrológica do sistema de medição.

45 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) Indústria da água (Saneamento) SISTEMA DE PITOMETRIA PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO DE ÁGUA

46 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) Indústria da água (Saneamento) SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA Secundário do medidor em teste "shunt" de telemetria - + Q P 25 Ω O N + - S Notebook Convesor Analógico/ Digital A/D L + - I Hart modem Transdutor de pressão D2 - H L D Bateria Ω H M + G E F J B Transdutor de pressão D1 - H L + A C R P max = 500 mmh 2O V max =1,9 m/s P max = 5000 mmh 2O V max =8,6 m/s Tubo de Pitot Cole y

47 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)

48 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) SISTEMA DIGITAL DE CALIBRAÇÃO EM CAMPO DE GRANDES MEDIDORES DE VAZÃO DE ÁGUA EP Consolação DN 2100mm Q = 9 m³/s

49 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?)

50 Interpretação dos resultados MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) Mapeamento com tubo de Pitot Cole Indicação do secundário do medidor Vazão incerteza Vazão desvio de indicação (m³/s) (m³/s) (%) (m³/s) (m³/s) (%) 0,253 0,006 2,2 0,258 0,005 1,9 0,398 0,009 2,3 0,399 0,001 0,3 0,517 0,012 2,2 0,512-0,006-1,1 - A variação máxima no desvio de indicação, observada nas vazões ensaiadas, é de 3%, valor próximo das incertezas de medição calculadas; Valor verdadeiro e o médio Medição

51 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO (AFERIÇÃO?) 1.1 u/v c ,22 m³/s 0,31 m³/s 0,37 m³/s 0,43 m³/s y/d u/v c Perfis de velocidade simétricos e assimétricos 0.45 m³/s 0.63 m³/s 0.84 m³/s 1.07 m³/s y/d

52 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO - DESVIOS desvio 54% 24% 10,7% 10,8% Parshall Eletromagnético Turbina de inserção Eletromagnético de inserção referência +3% (High) -3% (Low) +4% (HiHi) -4% (LoLo) 10% -10% 12,9% 5% 3% 0% 7,2% 7,0% -3% -5% -7,5% -9,6% -13,6% -22,6% diâmetro da tubulação da EP (mm)

53 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO / INCERTEZA incerteza 16,3% Parshall Eletromagnético Turbina de inserção Eletromagnético de inserção +3% (High) +5% (HiHi) 2% melhor medição 7,4% 6,0% 5% 3% 2% diâmetro da tubulação da EP (mm)

54 MEDIÇÃO DE VAZÃO CALIBRAÇÃO / RESULTADO aplicação desvio admissível (*) incerteza expandida da medição com tubo de Pitot Cole transferência de custódia ± 2% ±3% transferência interna ± 3% ±4% controle operacional ± 5% ±5% REAVALIAÇÃO periodicidade (6 meses, 1 ano, 2 anos, etc)? carta de controle metrológico (história) para cada estação de medição Ações corretivas

55 MEDIÇÃO DE VAZÃO CENÁRIO ATUAL - BRASIL Crescente importância da medição de vazão Agências reguladoras Indústria do petróleo e gás natural - ANP Recursos hídricos e saneamento - ANA e Comitê de Bacias Indústria - CQ, certificação, competividade, eficiência, redução de custos, etc..

56 MEDIÇÃO DE VAZÃO CENÁRIO ATUAL - BRASIL Ampliação do mercado de medidores de vazão Novos fabricantes, fornecedores e usuários Inserção de novas tecnologias de medição e conceitos Novos medidores (ultra-sônicos, V-cone, térmicos, incorporação de microprocessadores, com modelos simplificados de CFD, etc) Automação, padronização de protocolos de comunicação, sistema de supervisão remota e telemetria Eficiência energética, cálculo de perdas físicas e não físicas (não somente estimativas), medição de energia total Capacitação da comunidade metrológica Congressos, cursos, eventos técnicos, atividades de normalização

57 FIM OBRIGADO Nilson Massami Taira IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas Centro de Metrologia de Fluidos Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária São Paulo SP