8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ESTUDO E DETERMINAÇÃO DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE MISTURA ÁGUA/ÓLEO PARA AVALIAÇÃO AUTOMÁTICA DE MEDIDORES DE VAZÃO E BSW José A. D. Amado*, Andrés O. Salazar*, Fábio M. U. de Araújo*, Filipe de O. Quintaes*, Francisco de A. O. Fontes*, Iuri A. C. Dantas*, Rodrigo F. de Andrade*, Luis A. A. Assis. * Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Campus Universitário, CEP: , Brasil, Natal-RN * sportingjada1@hotmail.com, andres@dca.ufrn.br, meneghet@dca.ufrn.br, filipe@dca.ufrn.br, franciscofontes@uol.com.br, iuriaugusto@yahoo.com.br, rodrigo@eq.ufrn.br, arthur_almeida_18@hotmail.com RESUMO O Laboratório de Avaliação de Medição em Petróleo (LAMP) tem por objetivo avaliar de forma automática medidores de vazão e BSW. Para realizar esta avaliação o laboratório possui uma planta de processo em escala, tendo tanques, bombas, válvulas e uma rede de instrumentação industrial. Permitindo assim, a implementação do processo em tempo real, de diferentes condições de operação dos medidores em campo, como exemplo, a mistura de água e óleo em proporções e vazões variadas. Atualmente, os testes são realizados com o fluido à temperatura ambiente. Entretanto, as condições reais de operação são da ordem de 60ºC, sendo assim, temos a necessidade de projetar um sistema de aquecimento. O objetivo do presente artigo é avaliar o melhor sistema de aquecimento que se adapte ao laboratório, submetido aos diferentes aspectos a serem analisados, onde tivemos como resultado a utilização de resistências elétricas de imersão. PALAVRAS CHAVE: sistemas de aquecimento, petróleo, resistências, trocador de calor, LAMP 1356

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3 INTRODUÇÃO: O LAMP, localizado na Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN dispõe de uma planta estruturada com a finalidade de executar calibrações em medidores de vazão de petróleo e BSW (Basic Sediments and Water) de forma automatizada [1]. Atualmente os testes no laboratório estão sendo realizados com fluidos à temperatura ambiente, diferentemente do que ocorre em campo, onde os instrumentos trabalham com fluxos que se operam a temperaturas próximas de 60ºC. Diante do exposto, surgiu a necessidade de estudar a implantação de um sistema de aquecimento para o fluido de teste, simulando as condições de produção em campo. O presente artigo apresenta uma análise do cenário com três alternativas propostas como solução para atender aos requisitos da planta de medição do LAMP. A análise crítica leva em consideração os aspectos: técnicos, segurança, operacionais e econômicos para tomada de decisão da alternativa a ser projetada. A primeira alternativa é a implantação de um trocador de calor, que é um sistema de aquecimento largamente utilizado na indústria. Entretanto, é necessário um boiler externo para geração de calor e aquecimento indireto do fluido de teste através do trocador de calor. A segunda alternativa é desenvolver um aquecedor tubular compacto, utilizando resistências elétricas de imersão adaptado numa linha de desvio auxiliar e localizada fora da área classificada. A terceira alternativa é a instalação de resistências elétricas do tipo coleira nas linhas de recirculação e de testes, a qual possui a menor influência na configuração da planta. REQUISITOS DO PROJETO seguir. As condições analisadas para a avaliação das três alternativas de sistema de aquecimento são descritas a Instalações elétricas em áreas potencialmente explosivas As áreas onde existe o risco de explosões são classificadas em zonas com base na probabilidade da ocorrência da mistura de um combustível em forma de gás, vapor ou poeira, com oxigênio. Esta classificação define que tipo de proteção o equipamento elétrico deve possuir para ser instalado na área, pois uma fonte de ignição neste caso poderia dar início a uma catástrofe. A chamada Zona 0 é a área onde existe uma mistura explosiva que é encontrada permanentemente ou por tempo prolongado. Na Zona 1 é onde a presença da mistura explosiva é provável durante a operação normal - mas quando ocorre, o tempo de permanência é limitado. Na Zona 2 a presença da mistura explosiva somente é encontrada em caso de falhas do equipamento de processo, nesse caso, o tempo de permanência da mistura é curto [2]. As instalações dos circuitos de segurança intrínseca devem atender a norma NBR 5410 [3], observando ainda que os equipamentos empregados nos circuitos devam ser aprovados para o uso na zona classificada e para o grupo de gases presentes nestas áreas. Além disso, é exigido o aterramento e o isolamento dos fios e cabos. Área para a instalação física Este item avalia o espaço físico necessário para a instalação dos sistemas de aquecimento, levando em consideração a estrutura atual do laboratório, as futuras construções, além de prédios vizinhos. Dentro da estrutura atual, já contamos com um parque de tanques, que estão dispostos dentro de um dique de contenção com área de 382,31m², um abrigo para compressor, e futuramente a construção de um galpão e um sistema de movimentação de cargas. Potência Elétrica Disponibilidade de potência elétrica para alimentação do sistema de aquecimento, tendo como potência máxima 100kw. Área de troca térmica Este requisito foi avaliado para verificar a área de transferência térmica disponível para instalação dos sistemas de aquecimento até o ponto de medição. A estrutura possui um trecho de 22m na linha de teste com mais 8m na linha de recirculação. Entretanto considerando os instrumentos e obstáculos instalados na linha de testes e de recirculação, o comprimento útil se reduz a apenas 12m o que corresponde a uma área de 3,35 m². A Figura 1 mostra o esquema de interligação dos tanques, indicando as linhas de recirculação e de testes.

4 Simulações dos sistemas de aquecimento Com ajuda de diferentes ferramentas computacionais como Ansys CFX Computational Fluid Dynamics (CFD) e Aspen Hysys, foram avaliados os três sistemas de aquecimento. Custo para implantação do sistema Foi feita uma avaliação de custos, solicitando orçamentos de acordo a os requisitos do laboratório. ALTERNATIVAS A SEREM AVALIADAS O objetivo do artigo é fazer uma avaliação das três possíveis alternativas que poderiam ser adaptadas no laboratório, sendo: trocador de calor industrial, resistências elétricas internas, resistências elétrica externas. Trocador de Calor Industrial. Um dos sistemas de aquecimento mais utilizado na indústria e nas aplicações de engenharia térmica é o trocador de calor, que é um dispositivo que realiza o processo de transferência de calor entre fluidos. Para a avaliação do trocador de calor a ser especificado, primeiramente foram definidas duas considerações, uma delas foi que o líquido que fará a troca térmica no processo de aquecimento do fluido de teste seria o óleo virgem, uma vez que é um óleo que pode ser facilmente fornecido ao laboratório. A outra consideração é a determinação do fluido a ser aquecido, que foi considerado o pior caso, ou seja, um fluido com BSW de 100%, isto é, apenas água. Esta consideração é fundamentada no fato de que os poços de produção da região possuem elevados percentuais de BSW [4]. Em relação às instalações elétricas em áreas potencialmente explosivas, será inserido um sistema de tubulação para a alimentação do fluido quente do trocador de calor proveniente de um boiler elétrico que se localiza fora da área classificada, sendo assim o sistema atende este requisito, já que o trocador de calor é um dispositivo que certificação para trabalhar em áreas classificadas. A área necessária para fazer a troca térmica está situada na recirculação do tanque misturador, onde seria instalado o trocador de calor. A Figura 1 mostra a possível instalação do trocador de calor e do boiler. Figura 1. Instalações do trocador de calor e boiler, tendo uma linha inserida entre elas.

5 Em relação à potência necessária, foi feito um estudo de consumo de energia onde apresentaremos uma avaliação comparativa de três tipos de trocadores. Para esta avaliação foi considerada a mesma área de troca térmica para cada trocador e parâmetros reais do laboratório. Tabela 1: Comparação de energia fornecida pelos trocadores de calor. T (º C ) Trocadores h, i T h, o (º C) T (ºC) _ Kg KJ Δ T (º C) ρ ( ) c ( ) 3 p m Kg K q = (kw ) Tubo duplo Escoamento Paralelo 239, ,64 149,8 818,9 2, ,22 Tubo duplo Escoamento em 234, ,45 147,22 822,0 2, ,62 contra corrente Casco e tubo, Um passe no casco e 8 passes nos tubos 167, ,45 113,72 841,8 2,21 850,82 Como apresentado na Tabela 1, observamos que o trocador de casco e tubo tem um menor consumo de energia em relação aos outros dois trocadores de calor, dessa forma seria o mais adequado para o laboratório. Na simulação feita no programa HYSYS foi utilizado um trocador de calor de casco e tubos, onde indica em qual das três relações de proporção de fluxo de água e óleo (variando entre 60%, 70% e 80%) teremos a menor quantidade de calor fornecida ao óleo de aquecimento. Ou seja, quanto menor a variação na temperatura do óleo, menor é o consumo de energia do trocador de calor. Foi verificado que quanto maior a porcentagem de água em óleo, menor seria essa variação de temperatura, e conseqüentemente menor o gasto de energia. Em relação aos custos, foi feita uma avaliação de mercado onde foi constatado que os valores superam o orçamento definido para este projeto, sendo um inconveniente importante para não ser implementado. Resistências Internas Esta alternativa de sistema de aquecimento pretende utilizar resistências elétricas as quais seriam instaladas na parede externa das tubulações. Essas resistências são de tipo tubular rosqueada e podem ser inseridas dentro da tubulação. Assim, o aquecimento seria por imersão, tendo doze resistências distribuídas de forma eqüidistantes (ver Figura 2). Figura 2: Tubulação (cinza) com doze resistências inseridas nela Esse tipo de resistência é largamente utilizado na indústria petroquímica para soluções de sistemas de aquecimento, tanto para gases como para líquidos. Elas normalmente são projetadas para serem utilizadas em tanques e tubos pressurizados, e a sua instalação é feita por parafusamento do conjunto aquecedor sobre um flange liso que está soldado na tubulação, mas para a aplicação do LAMP foram escolhidas resistências com instalação rosqueada.

6 A estrutura atual do laboratório não permite implementar este tipo de sistema de aquecimento, por motivo que as tubulações tem um diâmetro de 3". Dessa forma, o projeto inclui uma adaptação da linha de recirculação, que ficaria fora da área classificada, assim, as resistências que ficaram nesta nova linha não precisaram ter certificação de operação para trabalhar neste tipo de áreas. Na adaptação será inserida uma linha com 12" com um comprimento de 4 metros, garantindo assim, um espaço interno na tubulação suficiente para a instalação das resistências. Na Figura 3, é mostrado o projeto de alteração da linha de recirculação, onde o trecho em amarelo corresponde ao já existente, e o preto ao trecho que deve ser adicionado. Figura 3: Modificação da linha de recirculação. Nesta alternativa se criou uma nova área de troca térmica, que será a linha inserida na planta, onde cada resistência fornecerá uma potencia de 9kW para fazer a troca de calor no fluido, também é importante definir que esta nova linha ficará fora da área estabelecida. Agora faremos a modelagem matemática para determinar a quantidade de tempo que precisaremos para aquecer o fluido, em função da potência máxima possível obtida para este projeto que é 100kW, onde foi considerado o volume médio utilizado nos testes, que corresponde à 4m 3. Sabendo a quantidade de potência que poderá ser fornecida para este sistema (q), a variação de temperatura desejada ( Δ T c ), o calor específico do fluido ( p ) e a massa específica do fluido ( ρ ) é possível, combinando a Eq. (1) [5] com a Eq. (2) [5], determinar o tempo necessário para aquecer o volume desejado (4m 3 ).. m = ρ Q (1) q = mc. Δ p T (2) Onde:. m : vazão mássica do fluido; c p : calor específico do fluido no interior da tubulação, igual 4,18 kj/kg.k [5]; Δ T : elevação de temperatura do fluido no interior da tubulação, igual 30 K; ρ : massa específica do fluido no interior da tubulação, igual 1000kg/m 3 [5]; Q : vazão volumétrica do fluido no interior da tubulação;

7 Dessa forma temos:. 3 3 o o 1000kg / m * 4m * 4,18kJ / Kg K *30 K t = 100kW (3) Assim, o tempo necessário para o aquecimento do fluido é de t = 5016 s = 83,6 min. Conforme Eq. (3), o tempo necessário utilizando uma potência de 100kW para uma variação de temperatura de 30 K é de 83,6 minutos. Na simulação feita utilizando o software CFX, temos como resultado o aquecimento de forma progressiva de duas resistências no fluido de entrada à 30 ºC, até chegar a 60 C, como mostra a figura 4. Figura 4: Simulação no CFX, resistências (vermelho) na tubulação Em relação a custos, foi uma alternativa viável, já que tanto as resistências como a montagem, estariam dentro do pressuposto do projeto. Resistências Elétricas Externas Esta alternativa propõe um sistema de aquecimento utilizando resistências elétricas do tipo coleira que seria instalada na superfície externa da tubulação, como mostra o desenho na Figura 5. Figura 5: Resistências elétricas externas (laranja), na tubulação (cinza). Os cálculos do balanço de energia indicaram que a área para aquecimento utilizando o sistema de resistências elétricas proposto, só seria possível a partir de uma combinação de aquecimento através do trecho de recirculação do tanque de mistura combinado com o aquecimento de ajuste e estabilização da linha de testes. Dessa forma, isto garante que o fluido atinja a temperatura desejada de 60ºC até chegar ao ponto de teste, além de reduzir a potência instalada do sistema. Como forma de minimizar as perdas torna-se necessário o isolamento térmico adequado das tubulações e do tanque de mistura.

8 Uma vantagem desta alternativa seria o espaço físico, onde as modificações em função do projeto arquitetônico e do projeto de tubulação seriam mínimas. O cálculo de potência necessária para instalação do sistema de aquecimento foi baseado em alguns requisitos de projeto para verificação de viabilidade técnica de instalação, em virtude da potência disponível do laboratório para esta aplicação que é de 100kW. O tempo necessário de aquecimento do fluido seria o mesmo que o do sistema de aquecimento com resistências internas, considerando que o isolamento térmico é perfeito, e a transferência de calor da resistência para a tubulação é ótimo. De acordo com os resultados obtidos com cálculos analíticos, foram feitas simulações utilizando o software CFX, para as mesmas condições formuladas no desenvolvimento analítico como: tipo do fluido, temperaturas, vazão e pressão de trabalho, fluxo de calor fornecido pelas resistências elétricas e a especificação do material da tubulação. Os resultados mostraram que a variação de temperatura desejada pode ser atingida no ponto de teste e medição. A Figura 6 apresenta uma imagem da simulação feita utilizando o software CFX, onde as setas indicam o sentido do fluxo do fluido que passa na tubulação, e a região vermelha indica o local onde está havendo o aquecimento através das resistências. Figura 6. Simulação do aquecimento no CFX, tubulação (cinza) e resistência (vermelho). Em relação aos custos, esta foi a alternativa mais econômica entre as três analisadas, uma vez que não seria necessário qualquer modificação na estrutura já existente. Em contrapartida, uma desvantagem considerável, e que foi a principal causa por a qual não foi implementada esta alternativa, está relacionada às instalações elétricas em áreas potencialmente explosivas, já que não existe no mercado o equipamento certificado para operação em áreas classificadas. 4. CONCLUSÕES: Para a implantação de qualquer projeto de engenharia é necessário um estudo minucioso do problema a ser resolvido, e uma correta análise de todas as possíveis soluções para o problema. No caso do sistema de aquecimento do LAMP, inicialmente foram cogitadas algumas alternativas, mas que no final se resumiram em três prováveis: utilizando um trocador de calor, resistências elétricas do tipo coleira em linha ou resistências elétricas de imersão. Apesar do trocador de calor ser um dos sistemas de aquecimento de fluido mais utilizado na indústria, e ser um sistema com eficiência comprovada, a sua utilização no LAMP mostra-se desfavorável quando são analisados os aspectos físicos e os financeiros do laboratório, uma vez que além de demandar uma considerável alteração na planta, é um sistema com custos elevados, tanto para aquisição de equipamentos, como para manutenção e operação do sistema. Já as resistências elétricas do tipo coleira é uma alternativa que apresenta uma série de vantagens, como a facilidade de instalação, controle, manutenção, economia de espaço físico, além de ser uma alternativa com custo reduzido. Entretanto, esta solução possui um ponto negativo determinante, que é o fato de não existir no mercado o equipamento certificado para operação em áreas classificadas.

9 O uso de resistências elétricas de imersão para desenvolver um aquecedor tubular compacto, foi a que mostrou o melhor custo benefício. Apesar de ser necessária uma considerável modificação na estrutura da planta com o desvio feito na linha de recirculação, os gastos com equipamentos não são tão elevados quanto utilizar um trocador de calor. E como a instalação será feita fora da área classificada, não é exigida a certificação do equipamento. Assim, por combinar alguns fatores positivos das outras alternativas analisadas, e por ser uma solução eficiente, a utilização dessa tecnologia foi a escolhida para a implementação do sistema de aquecimento do LAMP, em detrimento das outras analisadas. REFERÊNCIAS 1. Lima, C. E. G., Automação de testes de produção e determinação do BS&W de poços produtores de petróleo, Dissertação, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Jordão, D. de M., Manual de Instalações Elétricas na Indústria do Petróleo, Ed. Qualitymark, Rio de Janeiro, Brazil, NBR 5410, Instalações Elétricas de Baixa Tensão, Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, Costa, R.O., Curso de Bombeio Mecânico, Petrobras UN-RNCE/ST/ELV, Incropera, F.P. and Witt, D. P. de, Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, Ed. LTC, Rio de Janeiro, Brazil, 1992.