XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1. GGH 1 22 a 25 Novembro de 29 Recife - PE GRUPO I GRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRÁULICA - GGH DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE SUPERVISÃO DE VAZÃO EM SISTEMA DE RESFRIAMENTO A ÁGUA EM USINAS HIDRELÉTRICAS. Alcir de Faro Orlando (*) Evêmero Callegario Humberto Silvino A.Costa Carla Cito Accioly PUC-Rio PUC-Rio LIGHT LIGHT RESUMO O monitoramento da vazão de água de refrigeração de equipamentos de produção de energia elétrica em usinas hidrelétricas é importante para a manutenção da integridade dos mesmos. Quando a água do rio é suja, qualquer medidor intrusivo de vazão é impedido de funcionar em pouco tempo. Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo para medição não intrusiva da vazão, com mais baixo custo de construção e de instalação, porém com incerteza de medição maior do que a dos convencionais. O protótipo desenvolvido identifica a existência de escoamento de fluido na tubulação, podendo relacionar vibração com vazão, desde que calibrado no local. PALAVRAS-CHAVE Vazão, Água de Refrigeração, Medidor Não Intrusivo, Identificação de Escoamento em Tubulação INTRODUÇÃO O parque Gerador da LIGHT, é composto de cinco Usinas Hidrelétricas, duas Usinas Elevatórias e cinco reservatórios, e está instalado quase que em sua totalidade ao longo do rio Paraíba do Sul. Ao longo dos anos este rio vem sofrendo um processo de assoreamento acelerado devido à desproteção das áreas de entorno, com conseqüente redução do volume útil do reservatório. A grande concentração de indústrias e cidades ao longo do rio vem causando acúmulo de metais pesados, aumento da concentração de nutrientes (N e P) na água e, conseqüentemente, aumento das densidades de algas e microorganismos (fitoplâncton e zooplâncton). Esta água, utilizada nos circuitos de resfriamento das Usinas, mesmo após passagem por filtros autolimpantes, continua com grande concentração de impurezas. Os medidores de vazão são impedidos de funcionar devido à obstrução proporcionada por estes detritos, ou mesmo devido à variação da qualidade da água. Por estas razões, encontra-se grande dificuldade para se supervisionar adequadamente a vazão nos circuitos de refrigeração. Isto acarreta, além de freqüente impedimento de operações remotas destes circuitos, a necessidade de intervenções constantes, nos equipamentos, pelo pessoal da manutenção. Atualmente, para a supervisão, são utilizadas chaves fim de curso tipo palheta, turbina e ultra-som (1). No primeiro caso há uma grande necessidade de manutenção devido ao depósito de materiais nos componentes da instrumentação. No segundo e terceiro casos, os resultados não atendem adequadamente ao processo devido a incrustações e existência de sólidos em suspensão. A turbulência provocada pelos detritos também é uma das causas que dificultam a supervisão da vazão. Além disso, outros fatores de menor importância também contribuem, tais como vibrações e comprimentos de trechos retos insuficientes para a instalação de instrumentos de medição. (*) R. Marquês S. Vicente 225, Gávea, PUC-Rio Dep. de Engenharia Mecânica CEP RJ - Brasil Tel: (+55 21) Fax: (+55 21) afo@puc-rio.br

2 2 Nos medidores do tipo turbina, o volume total do líquido que passa através de uma turbina é proporcional à velocidade do fluido. Verificou-se, nas Usinas da LIGHT, que o acúmulo de material orgânico existente na água causa o mau funcionamento das turbinas, alterando a rotação das mesmas, afetando o resultado do medidor ou, até mesmo, travando-o. No medidor tipo palheta, o fluido atravessa um anteparo denominado palheta, o qual está ligado a uma mola que, por sua vez, aciona um contato seco. De forma semelhante ao medidor tipo turbina, verificou-se que o acúmulo de material orgânico existente na água causa o mau funcionamento deste equipamento, causando o travamento da palheta. Além disso, a palheta sofre um desgaste pelo contato com a grande quantidade de sólidos em suspensão existentes na água. O medidor tipo ultra-som, utiliza ondas de som que atravessam um trecho da região do escoamento, para determinar a vazão dos fluidos. A grande quantidade de sólidos em suspensão existentes na água dos circuitos de resfriamento afeta o tempo de propagação do sinal entre os sensores, causando erros de medição. Esta é a razão pela qual este equipamento não funciona adequadamente nas Usinas da LIGHT. A motivação para este projeto é desenvolver um medidor de vazão não intrusivo, de baixo custo de produção, instalação e manutenção, para operar em diferentes circuitos de água de refrigeração da usina, além de desligar os geradores de energia elétrica, se necessário, para manutenção de sua integridade. O nível de incerteza não é o objetivo principal deste estudo, embora tenha sido determinado. O medidor foi projetado para operar na faixa de vazão de,7 m³/h a 7 m³/h, e faixa de pressão de 4 a 7 bar (manométrico). Finalmente, sendo não intrusivo, pode ser instalado facilmente em qualquer ponto desejado de medição, sem abertura da tubulação, diferindo-o dos outros medidores existentes FUNDAMENTOS TEÓRICOS Em um escoamento turbulento completamente desenvolvido numa tubulação, sem descontinuidades ou conexões, a vibração da sua parede está associada à flutuação da pressão do fluido em sua vizinhança. Esta flutuação, inerente ao escoamento turbulento, é estatisticamente uniforme, tanto axialmente como circunferencialmente (2), está presente ao longo de todo o comprimento da tubulação, e não pode ser removida do escoamento, representando um nível mínimo de excitação sempre presente na tubulação. A situação é mais complexa quando existem perturbações do escoamento interno, associadas aos componentes do circuito hidráulico, como uma curva, uma válvula, uma conexão, uma placa de orifício, ou outra forma de bloqueio. Elas geram ondas sonoras intensas que se propagam praticamente sem atenuação ao longo da tubulação. A flutuação associada da pressão na sua parede interna, é bastante não uniforme na proximidade da perturbação do escoamento, contribui significativamente para a vibração da parede, voltando a ser estatisticamente uniforme em posições axiais bastante afastadas. Em princípio, o ruído do escoamento e a vibração da tubulação podem ser devidos a um ou mais dos seguintes mecanismos : Flutuação da pressão na parede associada ao escoamento turbulento. Flutuação da pressão na parede resultante da presença de perturbações locais do escoamento, como as produzidas por válvulas, curvas e conexões. Campo de pressão sonora gerado pelo escoamento turbulento. Campo de pressão sonora gerado pelas perturbações. Transmissão das vibrações mecânicas originadas pelos componentes da tubulação, que foram excitados previamente pela flutuação da pressão na parede. A seqüência de eventos que ocorrem pode ser ordenada da seguinte forma : Uma flutuação grande da pressão é gerada nas vizinhanças da perturbação do escoamento, com espectro de freqüência diferente do existente no escoamento não perturbado. A flutuação da pressão é atenuada exponencialmente, tendendo a um valor assintótico a uma distância de cerca de 1 (dez) diâmetros da perturbação, maior do que o do escoamento não perturbado, persistindo por grandes distâncias a jusante. Ao mesmo tempo que a flutuação de pressão é atenuada, a distribuição de velocidade média na seção transversal retorna gradativamente ao seu perfil original de escoamento não perturbado. A diferença entre os dois níveis de flutuação de pressão nos estados perturbado e não perturbado é devida à presença do campo sonoro superposto ao escoamento e propagado ao longo da tubulação. O campo sonoro superposto consiste de ondas planas e modos acústicos de ordem elevada. As ondas planas podem, em princípio, se propagar em todas as freqüências, ao passo que os modos acústicos podem se propagar apenas em freqüências superiores aos seus valores de corte (cut-off frequencies). As freqüências de corte são associada aos comprimentos de onda iguais ou menores do que o diâmetro da tubulação.

3 3 Uma estimativa da relação entre a freqüência e a vazão para escoamento de fluidos compressíveis, como ar, é apresentada por (2) e pela norma (3). Evans et Allii (4) analisaram o sinal de um acelerômetro colocado na superfície externa de uma tubulação, com escoamento interno bifásico de água líquida e de seu vapor, para determinar a vazão mássica em aplicações geotérmicas, que têm o potencial de depósitos excessivos e corrosão em superfícies expostas. Construíram uma instalação de teste com vazões de até 2,4 m³/h, e após várias medições concluiram que a variação da vazão mássica com o desvio padrão da flutuação do sinal do acelerômetro era muito mais acentuada do que com a média do sinal. O sinal do acelerômetro foi analisado transformando os dados para domínio da freqüência e realizando uma análise de densidade espectral de potência. As componentes com freqüência de 6 Hz e suas harmônicas foram filtradas e o sinal foi transformado de volta para o domínio do tempo. Usando o método dos mínimos quadrados, uma linha reta foi ajustada aos dados, produzindo um desvio médio quadrático de,18 m³/h ou seja, 7,5 % da faixa de medição (2,4 m³/h). Finalmente, concluíram que uma análise mais sofisticada ou uma calibração no local de utilização do medidor pode ser necessária para melhor filtrar os ruídos do sinal. Evans et Allii (5) mostraram teoricamente e experimentalmente que a variação da vazão mássica com o desvio médio quadrático do sinal do acelerômetro era muito mais acentuada do que com a média do sinal. Testes realizados com tubulações de diferentes diâmetros de aço inox, alumínio e PVC, mostraram diferentes correlações entre a vazão mássica e o desvio médio quadrático do sinal do acelerômetro. Cuidados foram tomados para minimização dos ruídos de origem mecânica do sinal (vibração induzida pela bomba e acoplamentos) e a técnica da FFT (Fast Fourier Transform) foi utilizada, como anteriormente. Pittard et Allii (6) resolveram numericamente a equação de Navier Stokes e compararam os resultados obtidos pelo método da sua média temporal (usual hipótese do escoamento turbulento) e pelo método da simulação de vórtices grandes, que computa valores instantâneos de velocidade e pressão do escoamento. Obtiveram uma relação aproximadamente quadrática entre a flutuação de pressão na parede e a vazão mássica do escoamento. Através de medições feitas, obtiveram uma curva universal entre o desvio médio quadrático adimensional do sinal do acelerômetro, o material e espessura da tubulação e o número de Reynolds do escoamento, calculado com a velocidade média do mesmo. Parece, portanto que um estudo melhor deste problema deve ser feito para filtrar os ruídos indesejáveis do sinal do acelerômetro, separando a contribuição da flutuação de pressão de outros fatores, como a vibração induzida mecanicamente, e relacionando a primeira com a vazão mássica. Preliminarmente, sugere-se que uma calibração do sensor no local de utilização seja feita, ou mesmo um processamento mais sofisticado do sinal seja realizado MÉTODOS EXPERIMENTAIS A Figura 1 apresenta o esquema da instalação experimental usada para testar o medidor de vazão. Um acerelômetro de dois eixos ANALOG DEVICES, modelo ADXL23, foi colocado na superfície externa de uma tubulação, com água escoando em seu interior. A vazão é variada injetando-se ar comprimido a diferentes pressões em um vaso de pressão cheio de água, colocado em cima de uma balança, e ajustando-se a válvula a jusante para seu controle. Medindo-se o tempo de escoamento da água para seu exterior e a variação de massa medida pela balança, pode-se calcular a vazão. Um multímetro/data Acquisition AGILENT 3947A foi usado para medição dos sinais de tensão e frequência. Um osciloscópio AGILENT, modelo DS614A, com frequência máxima de 1 GHz, foi usado para visualizar o sinal e processar a análise de frequência (Fast Fourier Transform). A Figura 2 mostra a frequência de cada harmônico do sinal do acelerômetro obtido pela Transformada de Fourier (FFT) como função da vazão. Pode-se observar que somente as frequências dos harmônicos 2 e 3 variam com a vazão. Os outros harmônicos muito possivelmente são devidos a ruidos do sistema, identificados preliminarmente como (a) vibração mecânica da tubulação induzida pela bomba, (b) vibração mecânica da tubulação provocada pela oscilação da balança de medição da vazão e (c) ruidos eletromagnéticos. O harmônico de mais baixa frequência foi identificado como o da balança, que potencialmente pode ser eliminado. Para melhor entender a contribuição de cada parâmetro sobre a resposta do acelerômetro, contruiu-se um gráfico apresentado na Figura 3, da frequência de cada harmônico como função de sua amplitude, para cada valor de vazão medida. Nitidamente observa-se que a amplitude do harmônico atinge um valor extremo na faixa de 15 Hz a 25 Hz., e que varia com a vazão, qualificando o principio de operação e a faixa de maior sensibilidade do medidor de vazão a partir da medição da vibração da tubulação com um acelerômetro. Entretanto, para que a dispersão da medição da vazão seja menor, é preciso que o sinal do acelerômetro seja filtrado e portanto menos dependente de outros efeitos.

4 4 DIAGRAMA / BANCADA DE TESTES Entrada de Ar Comprimido Transdutor 1 WIKA 6 BAR 4 2 ma S/N P/N Reg. De Pressão Manômetro PT -1 / No 3 Calibrado no LPT Transdutor 3 WIKA 25 BAR 4 2 ma S/N P/N Alívio de Pressão Esgoto de Bloqueio Curva 1 ½ Trechos retos Montante e jusante > 1D Ajuste De Vazão Reservatório De Água Referência: VOLUME x MASSA Entrada De Água Strain gage ou acelerômetro Balança ALFA De Abasteciment o Data Aquisition / Switch Unit AGILENT 3947A Incerteza = +/- (% range + % leitura) - Resistence 4W Range 1, Ω +/- (,1% +,4%) - Resistence 4W Range 1, kω +/- (,1% +,1%) - Frequência Range 1 Hz 4 Hz +/-,3% da leitura - Frequência Range 4 Hz 3 khz +/-,1% da leitura Computador Pentium III 8 Ar comprimido Água Sinal analógico Sinal digital FIGURA 1 Sistema de Medição de Vazão e Instrumentação. Freqüência (Hz) Vazão (m³/h) HARMÔNICO 1 HARMÔNICO 2 HARMÔNICO 3 HARMÔNICO 4 HARMÔNICO 5 HARMÔNICO 6 FIGURA 2 Frequência de cada harmônico do sinal do acelerômetro (FFT) como função da vazão

5 5 Frequencia (Hz) Amplitude (db) 1,1 m³/h 9,5 m³/h 8,6 m³/h 8,1 m³/h 7,9 m³/h 7,3 m³/h 6,7 m³/h 6, m³/h 5,4 m³/h 4,3 m³/h 3,8 m³/h FIGURA 3 Frequência de cada harmônico do sinal do acelerômetro (FFT) como função da amplitude e vazão. Evans et Allii (5), após a filtragem do sinal, relacionaram o valor médio do sinal do acelerômetro e o seu desvio médio quadrático com a vazão mássica. Como a medição de frequência tem incerteza menor do que a de tensão do sinal de saida do acelerômetro, e tendo em vista uma maior praticidade de operação do medidor, resolveu-se neste trabalho construir um circuito eletrônico que basicamente gera um sinal com frequência medida por um multimetro, a partir do percentual de tempo medido em que a amplitude do sinal do acelerômetro é maior do que um nível mínimo, determinado durante a calibração do medidor, para melhor compensar os ruidos. Para confiabilidade estatística, a média e o desvio padrão desta frequência equivalente são calculados e relacionados com a vazão mássica de água escoando na tubulação RESULTADOS Um acelerômetro foi colocado na superfície externa de uma tubulação do sistema de medição montado na PUC- Rio. O sistema foi inicialmente testado para identificar a existência de escoamento, ligando e desligando a bomba de circulação de água. Neste modo de operação, o medidor funcionou como chave de fluxo. Depois, foi testada a influência do acoplamento entre a tubulação de teste e a bomba (acoplamento rígido e acoplamento flexivel) sobre a atenuação do sinal do acelerômetro, simulando diferentes instalações. 4.1 Verificação de existência de escoamento (chave de fluxo) Com a bomba de circulação desligada, sem vibração mecânica da tubulação e sem a vibração provocada pela flutuação da pressão do fluido em escoamento, o sinal do acelerômetro indicou uma frequência zero. Então, a bomba foi ligada, e o acelerômetro indicou uma frequência, que voltou a zero depois que a bomba foi desligada. Esta sequência é mostrada na Figura 4. Quando não existe escoamento e a bomba está ligada (obstrução do escoamento), concluiu-se que o medidor deve ser ajustado para compensar a vibração mecânica da tubulação Frequência (Hz) Tempo(s) FIGURA 4 Operação do medidor como chave de fluxo (verificação da existência de escoamento)

6 6 4.2 Operação da bomba com acoplamento rígido 12 1 Vazão (m³/h) Frequência (Hz) 4.3 Operação da bomba com acoplamento flexível FIGURA 5 - Operação da bomba com acoplamento rígido. Vazão (m³/h) Frequência(Hz) FIGURA 6 Operação da bomba com acoplamento flexível. As Figuras 5 e 6 mostram a grande influência da vibração induzida pela bomba sobre Para minimizá-la, ou calibra-se o medidor no local de utilização, o que é mais dificil pela não existência de padrões de vazão, preferencialmente medidores ultrassônicos do tipo clamp-on. Ou compensa-se a vibração de origem mecânica. 4.4 Instalação do medidor numa usina hidrelétrica FIGURA 11 Instalação do medidor de vazão na tubulação (operação como chave de fluxo)

7 7 A Figura 7 mostra a simplicidade como foi instalado o medidor numa tubulação existente após a bomba na Usina Hidrelétrica Nilo Peçanha da LIGHT. Testes estão sendo conduzidos presentemente para utilização do medidor como chave de fluxo e comparação dos resultados com os registrados no sistema supervisório da Usina CONCLUSÕES Um medidor não intrusivo, com baixo custo de produção, instalação e manutenção, está sendo desenvolvido para medir a vazão de água no interior de uma tubulação, através da medição, com um acelerômetro, da flutuação de sua parede exposta internamente à ação de um campo de pressão dependente do tempo, em escoamentos turbulentos. Para a redução da incerteza de medição de vazão, deve-se ser capaz de separar o efeito do campo de pressão do escoamento, da vibração induzida mecanicamente por uma bomba acoplada de circulação, ou compensá-lo, o que está sendo mais estudado em outro projeto. Mesmo com maior incerteza, o medidor pode ser presentemente usado para identificar a existência de escoamento, ou como medidor de vazão com calibração no local de instalação, nem sempre possível pelas dificuldades existentes para variação da vazão e uso de padrões REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Accioly, C.C. Confiabilidade metrológica da supervisão de vazão em sistemas de resfriamento à água em usinas hidrelétricas - Dissertação de Mestrado, PUC-Rio, 27. (2) Norton, M.P. Fundamentals of noise and vibration analysis for engineers Cambridge University Press, (3) ANSI-ISA Control Valve Aerodynamic Noise Prediction Instrument Society of América (ISA) (4) Evans, R.P.,Keller, J.G,Stephens, A.G. & Blotter,J. Two phase mass flow measurement using noise analysis INEEL/CON Report Idaho National Engineering & Environment Laboratory, (5) Evans, R.P., Blotter, J,D. & Stephens A.G. Flow rate measurements using flow-induced pipe vibration Journal of Fluids Engineering, ASME, Vol. 126, pp , 24. (6) Pittard, M.T., Evans, R.P, Maynes, R.D. & Blotter, J.D. Experimental and numerical investigation of turbulent flow induced pipe vibration in fully developed flow Review of Scientific Instruments, Vol. 75, No. 7, pp DADOS BIOGRÁFICOS Prof. Associado Alcir de Faro Orlando, Departamento de Engenharia Mecânica, PUC-Rio Engenheiro Mecânico, ITA 1967; MSc, COPPE/UFRJ 1969; PhD, Stanford University (USA), 1974 Desde 1979 na PUC-Rio, desenvolvendo projetos e pesquisas nas áreas de Energia e Metrologia