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PREFÁCIO
Esse curso tem caráter informativo objetivando fornecer aos participantes noções sobre os compressores centrífugos utilizados nas plataformas da Bacia de Campos. A partir desse trabalho os participantes poderão ter acesso aos treinamentos de familiarização específicos para cada tipo de compressor de maneira mais fácil, permitindo um melhor entendimento que possa conduzi-los no futuro à operação e manutenção desses equipamentos. Agradecemos a todos que direta ou indiretamente colaboraram para realização desse trabalho e estamos ao inteiro dispor para sugestões e esclarecimentos.
Macaé, 02 de abril de 2002.
Técnico de Operação Cleuber Pozes Valadão – 155349- UN-RIO/ATP-MLS/TBM – jm
"A PRODUTIVIDADE É ALCANÇADA COM A EQUIPE TREINADA, INTEGRADA E MOTIVADA”
TURBOCOMPRESSORES
INTRODUÇÃO
Os turbocompressores são equipamentos destinados a promover o aproveitamento do gás natural produzido nas plataformas, quer seja para a utilização do gás na elevação artificial (gas lift), gás combustível para o consumo na plataforma e exportação para distribuição no mercado consumidor (industrias e residências).
São constituídos por quatro partes básicas:
- Turbina a gás (máquina motriz)
- Compressor centrífugo (máquina operatriz)
- Cabine de controle
- Sistemas auxiliares
De acordo com a capacidade volumétrica, pressão de sucção, pressão de descarga e das propriedades do gás é definido a potência nominal necessária para a compressão e sobre estes parâmetros é efetuado um estudo técnico econômico sobre o modelo e fabricante tanto da turbina como do compressor, onde podemos destacar alguns instalados na Bacia de Campos:
- HISPANO / DEMAG
- NUOVO PIGNONE
- DRESSER / CLARCK
- COOPER- ROLLS / DEMAG
- SOLAR CENTAUR
- SOLAR MARS / ELLIOT
- SOLAR TAURUS / DRESSER
- GE / NUOVO PIGNONE
TERMODINÂMICA BÁSICA
1.1 - Termodinâmica básica
É a capacidade de realizar trabalho. Divide-se em energia cinética e energia potencial.
ENERGIA CINÉTICA (Ev) - É a energia que um corpo possui quando em movimento.
ENERGIA POTENCIAL DE ALTURA (Eh) - É a energia que um corpo possui em função da altura em que ele se encontra.
ENERGIA POTENCIAL DE PRESSÃO (Ep) - É a energia que um fluido possui quando submetido a uma pressão.
ENERGIA INTERNA (u) - É a energia potencial do fluido associada a sua temperatura.
TRABALHO (W) - É a energia associada ao deslocamento de uma partícula. Todo deslocamento de um corpo necessita de trabalho para se realizar.
CALOR (Q) - Energia térmica em trânsito no sentido da maior para menor temperatura.
ENTALPIA (h) - É o nível energético em que um fluido se encontra. Podemos dizer que é a soma da energia de pressão com a energia interna.
ENTROPIA (S) - É uma variável matemática que expressa a energia relacionada ao grau de afastamento em que um processo se realiza em comparação a idealidade.
Propriedades do Fluído
MASSA ESPECÍFICA (r) - É a relação entre a massa e volume do fluido.
ρ =
m
v
VISCOSIDADE (μ) - É a propriedade que representa a maior ou menor facilidade do fluido em escoar.
PESO MOLECULAR (PM) - É a massa de um mol de uma substância (um mol equivale a 6,023 x 10^23 moléculas). Um mol de qualquer gás ocupa 22,4 litros nas Condições Normais de Temperatura e Pressão (C.N.T.P.) (0 oC e 1 atm).
FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (Z) - É o fator empregado para corrigir o volume do gás real com relação ao volume do gás ideal, nas mesmas condições de pressão e temperatura.
Z
V r
V i
CALOR ESPECÍFICO (c) - É o coeficiente que indica o grau de dificuldade de troca térmica. É o calor necessário para que um grama de um fluido varie de 14, oC para 15,5 oC. Para a água, o calor específico é 1 cal/g oC.
Para o gás, têm-se dois calores específicos:
- Calor específico a volume constante (cv) - É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1°C, mantendo seu volume constante.
- Calor específico à pressão constante (cp) - É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1°C, mantendo sua pressão constante.
Ao se aquecer um gás a volume constante a temperatura sobe mais rápido do que a pressão constante, pois neste caso, além da temperatura subir, uma parte do calor cedido é transformado em trabalho no deslocamento das moléculas para se manter a pressão. Com isso a variação de temperatura é menor. Sendo assim o calor necessário para aquecer um gás a pressão constante é maior do que a volume constante.
C (^) p > C v
COEFICIENTE ISOENTRÓPICO (K) - É a relação entre o cp e o cv. Expressa a maior ou menor facilidade que um gás tem em ser comprimido. Quanto maior o K mais trabalho é demandado para a compressão.
k
c
c
p
v
=
NOTA
As propriedades do fluido se alteram ao serem alteradas as condições de pressão e temperatura, sendo que o peso molecular é o único que não se altera.
Equação universal dos gases A pressão do gás em um recipiente é diretamente proporcional à temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura maior a pressão e vice-versa.
Ex: Ao se deixar um botijão de gás exposto ao sol, sua temperatura irá aumentar, proporcionando o aumento da pressão.
A pressão do gás é inversamente proporcional ao volume, ou seja, quanto maior o volume menor a pressão e vice-versa.
Ex: A bomba manual utilizada para encher pneu de bicicleta. Ao ser reduzido o volume para deslocar o ar, a pressão sobe.
A pressão do gás é diretamente proporcional ao número de moléculas (n) em um dado recipiente.
Analisando-se conjuntamente as três condições temos: Pressão (P) é diretamente proporcional ao produto de n e da temperatura (T) e inversamente proporcional ao volume específico (V).
o êmbolo. A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado pelo gás é a variação da energia total do gás.
2 ° LEI DA TERMODINÂMICA
Retrata a existência da máquina térmica, onde fica estabelecido que se pode extrair trabalho de uma máquina que possua uma fonte quente ( alta temperatura ) e uma fonte fria ( baixa temperatura ). Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas fontes, maior será o trabalho extraído.
Efeito difusor e efeito bocal Para fluxo subsônico, ao se analisar o escoamento de um fluido numa tubulação, verifica-se que onde a seção transversal é aumentada, a velocidade é reduzida e vice-versa. Nestas situações, ao se analisar as energias do fluido, verifica-se que, se a energia de velocidade é aumentada, outro tipo de energia tem que ser reduzida, pois a soma das parcelas de energia de velocidade, pressão, altura e temperatura não se alteram, com base na primeira lei da termodinâmica. Isso significa que o fato da redução ou ampliação da seção transversal da tubulação, na qual o fluido escoa, não provoca nenhuma de calor ou trabalho, mantendo-se constante a energia total. Como exemplo analisaremos o escoamento de um líquido numa tubulação num mesmo plano horizontal, onde se tem uma redução da seção transversal. Neste caso:
Q = ρ.. S v
Para líquidos ρ varia pouco e como S foi reduzida, a velocidade é aumentada, pois a vazão é constante.
Analisando a equação de conservação de energia:
Et = Ep + Ev + u + Eh
Onde Et permanece inalterada e considerando que:
- u é constante, pois não há alteração da temperatura,
- Eh é constante, pois não há alteração da altura,
- Ev aumenta, pois a velocidade aumentou,
- Concluímos que:
- Ep diminui, ou seja, a pressão cai.
Fig. 3 - Efeito do Escoamento
Processo de compressão Existem várias formas de se aumentar a pressão de um fluido através de uma compressão:
- Isotérmica.
- Com resfriamento.
- Adiabática.
- Politrópica. Analisaremos esses processos com auxílio dos gráficos P x V e T x S abaixo.
Fig. 4 - Gráficos P x V e T x S No gráfico P x V é verificado o aumento da pressão com a queda do volume específico, e no gráfico T x S é verificado a compressão com o aumento da temperatura.
O processo 1-2 representa a compressão isotérmica, onde no gráfico T x S verifica-se que a temperatura é constante. Este processo só é possível em laboratório, efetuando-se uma compressão lenta. É o processo que demanda de menor trabalho para ser realizado, pois somente a energia de pressão é aumentada.
- Eficiência
- Intensidade dos esforços Existem vários tipos de compressores, diferenciados para suas aplicações em função dos parâmetros envolvidos, que são:
- Vazão de operação (Qo)
- Razão de compressão (P2 / P1)
- Composição do gás
- Potência de compressão (N)
Os tipos mais comuns de compressores podem ser assim classificados:
COMPRESSORES
VOLUMÉTRICOS DINÂMICOS
ALTERNATIVOS ROTATIVOS CENTRÍFUGOS AXIAIS
PALHETAS/PARAFUSOS/LÓBULOS
COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás. Operam em um ciclo de funcionamento, onde se tem diversas fases para atingir a elevação de pressão e manter o escoamento. Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga.
COMPRESSORES DINÂMICOS
São também chamados de compressores cinéticos ou turbo compressores. Comprimem o gás pela ação dinâmica de palhetas ou impulsores rotativos (impelidores), que imprimem velocidade e pressão ao gás. Nesses compressores a elevação de pressão é obtida pela variação de
velocidade de um fluxo continuo de gás. São indicados para a movimentação de grandes volumes, a baixa ou média razão de compressão (relação entre a pressão de descarga e a pressão de sucção). Operam a alta rotação e são geralmente acionados por motores elétricos ou turbinas a gás. Existem somente dois tipos de compressores dinâmicos: os centrífugos e os axiais, ambos rotativos.
COMPRESSORES CENTRIFUGOS
São também chamados de radiais. Possuem um impelidor (ou uma série de impelidores - fig. 2.0) montado em um eixo e dotado de palhetas que se dispõem na direção do raio do impelidor, geralmente encurvadas no sentido inverso ao da rotação do eixo.
Sob o efeito da rotação, forma-se uma corrente de gás que é aspirado pela parte central do impelidor e projetado para a periferia, na direção do raio, pela ação da força centrífuga, alcançando os difusores.
Em função das diferenças entre seus princípios de funcionamentos, as características construtivas são bastante diferentes proporcionando umas diferenças para suas aplicação, quanto à faixa de vazão, pressão de sucção e pressão de descarga.
Conforme vimos anteriormente as faixas de aplicação entre os tipos de compressores são diferentes, sendo para este a faixa de utilização compreendida entre:
Pressão de descarga máxima - 100 a 700 bar
Razão de compressão por estágio - 3 a 4,
Vazão de sucção - 3,3 Mm^3 /h a 330 Mm^3 /h
1 - COMPONENTES
Os compressores centrífugos são constituídos por componentes estacionários e rotativos.
O grupo rotativo é constituído pelos impelidores, eixo, pistão de balanceamento e anel de escora. O grupo estacionário é constituído pela carcaça, bocais de sucção e descarga e diafragma, sendo neste composto de condutos como o difusor, curva de retorno e canal de retorno.
1 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
1.1 - Generalidades Compressores centrífugos, também chamados de radiais possuem um impelidor (ou uma série de impelidores) montado em um eixo e dotado de palhetas que se dispõem na direção do raio do impelidor, geralmente encurvadas no sentido inverso ao da rotação do eixo.
Sob o efeito da rotação, forma-se uma corrente de gás que é aspirado pela parte central do impelidor e projetado para a periferia, na direção do raio, pela ação da força centrífuga, alcançando os difusores.
maneira a área de passagem é aumentada gradativamente, pois o escoamento é de dentro para fora, fazendo com que o gás ao atravessá-lo sofra uma desaceleração, de que resulta um aumento de pressão (efeito difusor).
O efeito dos difusores é oposto ao dos bocais e orifícios como os dos medidores de fluxo, que provocam uma queda de pressão do gás ao passar pela restrição, em virtude do aumento da velocidade de fluxo.
Os difusores constam geralmente: do difusor principal, situado logo em seguida ao impelidor, dos diafragmas, que nos compressores de mais de um estágio dirigem o gás axialmente para o olhal da parte central do impelidor seguinte e da voluta, de forma espiral, que no último estágio orienta o gás para a tubulação de descarga.
Nos compressores centrífugos, portanto, o gás é acelerado no impelidor e sua velocidade é então transformada em pressão adicional por desaceleração gradual no difusor, ou seja, o impelidor transfere energia ao gás e o difusor converte a energia de velocidade em pressão.
Os compressores centrífugos são idênticos às bombas centrífugas, possuindo ambos as mesmas partes básicas. Contudo pode-se distinguir uma bomba de um compressor centrífugo de vários estágios pela variação da espessura dos impelidores dos compressores, ao passo que os impelidores das bombas tem a mesma espessura em todos os estágios. Isto porque os gases, contrariamente aos líquidos, são compressíveis, portanto sofrem uma redução de volume a cada pressurização.
Os compressores, a cada rotação corresponde um limite de redução da vazão, abaixo do qual a operação se torna instável, apresentando vibrações e ruído característico ("surging" ou "pumping").
Na figura abaixo temos um esquema que procura ilustrar a trajetória do gás no interior de um compressor centrífugo de múltiplos estágios.
Fig. 34 - Fluxo do Fluido no Compressor O gás aspirado através do bocal de sucção do compressor desloca-se radialmente até a entrada do primeiro impelidor. Nele o gás é acelerado e expelido radialmente de volta às partes estacionárias da máquina. Recebido numa peça anular de largura normalmente constante, denominada difusor, o escoamento continua a se processar, só que agora livremente e não mais impulsionado, numa trajetória espiralada que lhe propiciará uma certa desaceleração, com conseqüente ganho de pressão. Ao atingir as partes mais externas da máquina, o escoamento é captado pela curva de retorno, que o conduz ao canal de retorno e daí ao próximo estágio de compressão. Naturalmente, a curva e o canal de retorno nunca poderão apresentar seção transversal decrescente para não anular o processo de difusão.
Na figura abaixo, podem ser vistos, detalhadamente, os componentes internos do compressor centrífugo.
A carcaça nada mais é do que uma “casca” envoltória para o compressor, na qual são inseridas peças semicirculares denominadas diafragmas, os difusores são formados pelas superfícies laterais de cada par de diafragmas vizinhos. As curvas de retorno são efetuadas nos espaços existentes entre a borda dos diafragmas e a carcaça, enquanto os canais de retorno ocupam propriamente o interior dos diafragmas.
Na circunferência interna dos diafragmas são instalados anéis de pás guias. São conjuntos de pás fixas que captam, através de sua periferia, o escoamento proveniente dos canais de retorno, defletindo-o de maneira suave para a direção axial.
O eixo do compressor e os diversos impelidores que lhe são acoplados constituem a parte móvel da máquina, denominada conjunto rotativo e ilustrado abaixo.
1.2 - MANCAIS RADIAIS O conjunto rotativo é sustentado nas duas extremidades por mancais radiais do tipo de deslizamento. Há duas configurações usadas: tipo “limão” e “segmentado”. Devido aos problemas de dinâmica do rotor, a seleção adequada do mancal se torna de grande importância.
O tipo “limão” possui o corpo de aço de um revestimento interno (casquilho) de metal macio, chamado “metal patente” ou “babbit”. O conjunto é bipartido para facilitar a desmontagem.
Os mancais com pastilhas segmentadas, pivotadas assimetricamente, externamente, formando um apoio oscilante contra a caixa do mancal, permitem uma compensação para pequenos desvios angulares do rotor, além de prevenirem a circulação da cunha de óleo ao redor do eixo fenômeno conhecido como “instabilidade de óleo” que provoca falha dos mancais é vibração. É o tipo mais usado para compressores de alta rotação (mais de 8000 RPM) ou compressores onde a carga dos mancais é pequena ou quando comprimidos gases de alto peso molecular. Modernamente, nas máquinas de grande porte, os mancais com pastilhas segmentadas tem uso generalizado. As pastilhas são feitas em aço revestidas internamente de “metal patente”. O conjunto é formado por cinco pastilhas sendo arranjada tal que o eixo, quando estacionado, repousa sobre uma delas, isto é, há duas pastilhas na metade superior e três na metade inferior.
1- Corpo do mancal 2- Pastilha 3- Anel de retenção de óleo 4- Idem
AXIAIS
O posicionamento axial do conjunto é mantido pelo mancal de escora ou mancal axial. O mancal de escora é do tipo de deslizamento, sendo formado por um estojo de aço, bipartido para permitir a desmontagem, provido internamente de pastilhas pivotadas para tolerar pequenos desvios angulares. As pastilhas têm revestimento, em sua face, de “metal patente”, uma liga metálica macia e de baixo coeficiente de atrito.
Normalmente é usado mancal axial de dupla ação, ou seja, o colar axial, fixo ao eixo, trabalha entre duas superfícies de empuxo axial nas partidas / paradas ou quando o compressor, indevidamente, entre em surge. Na grande maioria dos casos o mancal de escora é combinado com o mancal radial.
1- Corpo do mancal 2- Anel de retenção 3- Pastilhas do mancal axial 4- Anéis de apoio 5- Parafuso regulador 6- Anel de retenção do óleo (anel radial)
7- Pastilhas do mancal radial
SISTEMA DE SELAGEM
Esse sistema tem a finalidade de minimizar as fugas de gás interna e externamente ao compressor, entre as partes rotativas e estacionárias do compressor. As fugas internas proporcionam a queda de eficiência de compressão devido à recirculação nos impelidores. As fugas externas podem acarretar desequilíbrio no pistão de balanceamento, acesso de gás nos mancais e fuga para a atmosfera local. Divide-se em selagem interna e selagem externa.
SELAGEM INTERNA A selagem interna de um compressor centrífugo é usada nos pontos onde o gás, procurando sempre as regiões de mais baixa pressão, tenta passar pelas pequenas folgas entre o conjunto rotativo e as partes estacionárias. Assim são montadas sobre o impelidor, na borda do olho (na sua face dianteira) e próximo ao eixo, sobre o cubo (na face traseira).
A selagem interna minimiza a recirculação interna do gás. Logo, está diretamente associada ao rendimento do compressor.
Os dispositivos utilizados na selagem interna são sempre os anéis de labirintos, fixados às partes estacionárias do compressor. Ë um selo sem contato, cujas “facas” tem folga mínima em relação ao rotor. O princípio de funcionamento dos labirintos consiste em submeter o escoamento de fuga a mudanças de direção sucessivas, criando uma grande perda de carga, minimizando, assim, a vazão. Para evitar um eventual dano ao rotor, no caso de contato físico com os labirintos, estes são fabricados em metal macio, geralmente ligas de alumínio.
Os anéis de labirintos são encaixados nas extremidades dos diafragmas e servem também para efetuar a vedação do pistão de balanceamento. São fabricados em metal macio, usualmente alumínios, que se deformam ao menor contato com o eixo, de modo a não introduzir carregamento transversal sobre o mesmo.
