Análises de escoamentos

A Figener possui vasta experiência em análises dos mais diversos tipos de escoamentos (mecânica dos fluidos). Já realizou inúmeros estudos em grandes complexos industriais como Braskem e Alunorte, participando de vários estudos/análises de novos projetos Green Field e de Ampliação.

Tem como diferencial uma equipe técnica altamente qualificada capaz de realizar desde medições em linhas à realização de cálculos complexos auxiliados por ferramenta de cálculos de desenvolvimento próprio (FNESS, software já reconhecido entre as Engenharias). Assim, associado à experiencia dos diversos estudos já realizados, a FIGENER consegue realizar um diagnóstico muito mais preciso dos problemas levantados.

A FIGENER pode realizar as seguintes atividades:

  • Medições em linhas (vazão / fluxo, pressão e temperatura);
  • Estudos de Distribuição em Redes Complexas (Circuitos de Resfriamento de elevadas vazões);
  • Simulações de Operação;
  • Cálculo de Perdas de Carga em Linhas (incluindo escoamentos bifásicos e gasosos);
  • Avaliação de FAC (Flow-accelerated Corrosion) em linhas de Água de Alimentação de Caldeiras;
  • Estudos de Transientes Hidráulicos;
  • Estudos de Transitórios de Vapor, realizados para estudos termelétricos;
  • Estudos de Escoamentos  (internos / externos) com auxílio de método CFD (Computational Fluid Dynamics).

Estes Estudos normalmente são necessários quando há indícios de estrangulamento ou deficiência de processos devido a um dimensionamento errado da linha. Outro exemplo de aplicação dos estudos surge em ampliações de fábricas, que normalmente possuem centrais de utilidades como Sistemas de Resfriamento e de Geração de Água Gelada, onde se pretende aproveitar os equipamentos e linhas existentes. Uma vez modelado o sistema adequadamente, é possível realizar a análise do escoamento para diversos modos de operação (carga parcial, total), obtendo-se assim um diagnóstico mais adequado.

Ademais, por diversas vezes, a FIGENER realizou estudos de Eficiência Energética para Projetos, otimizando o dimensionamento das linhas. Alguns dos benefícios de um dimensionamento adequado são: 

  • Eficiência Energética;
  • Redução nos investimentos;
  • Melhor Distribuição do Fluido nos Circuitos, eliminando possíveis gargalos;
  • Redução de acidentes devido a rompimento de Linhas., causados por transientes ou FAC.

 

Principais referências:

  • Circuitos de Resfriamento de diversas unidades da Braskem
  • Circuitos de Água de Alimentação de Caldeiras
  • Sistema de Vapor das unidades da Braskem e da Alunorte
  • Redes de retorno de Condensado de Vapor para as unidades da Braskem
  • Sistema de Captação da ENEVA Termoparaíba
  • Centrais de Água Gelada da Mondelez e Projetos da Light
  • Redes de Incêndio de unidades da Braskem

A seguir, são detalhados alguns dos estudos.

 

ANÁLISE DE REDES COMPLEXAS

Desde os anos 90, a FIGENER contribui à industria brasileira com avaliações de distribuições em redes complexas, no início para redes de Água de Resfriamento. Foi então que se iniciou o desenvolvimento do software FNESS capaz de realizar simulações destes circuitos de fluidos incompressíveis. Com o passar dos anos, as análises foram se aprimorando, passando a realizar cálculos para redes de vapor e de fluidos compressíveis. As análises englobam:

  • Conferir o dimensionamento de bombas e Ventiladores
  • Cálculo de Torres de Resfriamento
  • Dimensionamento de Válvulas de Bloqueio e de Controle
  • Balanços Térmicos (Ciclos Térmicos, Trocadores de Calor)

 

TRANSIENTES HIDRÁULICOS

A FIGENER também possui ferramenta para análises de transientes hidráulicos em redes. São avaliados desde cenários gerados de forma controlada, pelo operador do sistema, ou de forma indesejada, resultado de um evento externo como:

  • trip de bombas devido à falhas de energia e fechamento emergencial de válvulas,
  • seleção inadequada de componentes do sistema de bombeamento (ex.: fechamento inadequado de válvulas de retenção), ou
  • manutenções realizadas de forma descuidada.

Este tipo de avaliação tem o objetivo de mitigar elevadas variações de pressão  que possam trazes avarias às instalações, normalmente resultando em ruptura/rompimento de tubulações e equipamentos.

 

Quando ocorrem de forma não controlada, os transientes hidráulicos podem configurar condições de escoamento não aceitáveis e causar danos ao sistema hidráulicos. Entre os principais problemas, pode-se destacar:

  • Sobrepressão no sistema podendo causar deformações permanentes ou ruptura de linhas e componentes;
  • Subpressão no sistema podendo causar colapso de linhas ou vazamento de fluidos estranhos ao sistema para o interior da tubulação por meio de juntas ou conexões;
  • Fluxo reverso causando danos a bombas, válvulas de retenção e/ou esvaziamento de tanque e reservatórios;
  • Vibração excessiva de tubulações podendo causar falhas mecânicas às linhas sujeitas à vibração excessiva ou até mesmo a linhas adjacentes;
  • Baixa velocidade de escoamento em linhas de descarte de efluentes podendo causar seu entupimento;

 

A análise da variação dessas grandezas, por sua vez, permite identificar os possíveis problemas gerados a partir dos eventos simulados como:

  • a separação de coluna de líquido e consequente formação de bolsões de vapor (cavitação),
  • variações bruscas na velocidade de escoamento,
  • colapso de bolsões de vapor e martelos hidráulico (golpe de Ariete).

A simulação pode ser realizada para uma série de equipamentos (acumuladores de líquido, acumuladores de gás, chaminés hidráulicas, válvulas controladoras de pressão, válvulas controladoras de fluxo, válvulas de retenção, válvulas de segurança, válvulas ventosas, bombas, além de outros equipamentos) o que permite a modelagem de sistemas complexos.

Após o diagnóstico dos problemas, são propostas alternativas para atenuar ou até mesmo eliminar os efeitos danosos resultantes de transientes hidráulicos indesejados. Algumas das alternativas são: a inclusão de válvulas de fechamento rápido, instalação de volantes de inércia, instalação de chaminés de equilíbrio, garrafas de amortecimento, partida controlada (soft start), instalação de válvulas ventosas e demais alternativas aplicáveis, sempre avaliando a melhor opção para cada sistema hidráulico. 

Alguns clientes que já realizaram estudos de transiente hidráulico com a FIGENER são: BRASKEM, SABESP, ENEVA, THYSSENKRUPP, GALVANI, PROMON.

 

ESCOAMENTO BIFÁSICO

Muitas industrias possuem problemas em seus sistemas de condensados, geralmente devido ao mal dimensionamento de suas linhas, podendo ocasionar sérios acidentes com rompimentos inesperados de linhas. Normalmente, os acidentes são rompimentos na tubulação resultados do desgaste por erosão ou mesmo FAC, associado a excesso de velocidade do escoamento bifásico que ocorre nestas linhas.

O cálculo hidráulico efetuado pelo FNESS baseia-se na aplicação da equação de Bernoulli nos nós do sistema, os pontos de junção/entrocamento, bem como os pontos que caracterizam mudanças de elevação das linhas. Os resultados do cálculo podem ser mostrados diretamente no diagrama de representação do problema, indicando as pressões e temperaturas dos nós, as vazões nos elementos de interligação e o sentido do escoamento.

Em 2011, o FNESS começou a ser modificado para permitir que variações de densidade e a mistura de fluxos com diferentes densidades fossem incluídas no princípio de conservação de energia, condição imprescindível para tratar o escoamento bifásico. Além desta adaptação, foram incluídos os modelos de perda de carga específicos a cada regime de escoamento bifásico, sendo adotados os modelos apresentados por Nicholas Petalas e Khalid Aziz em A Mechanistic Model for Stabilized Multiphase Flow in Pipes.

Como resultados, os seguintes regimes podem ser identificados:

  • Estratificado Liso
  • Estratificado Ondulado
  • Bolha Alongada
  • Golfadas (Slugs)
  • Espuma (Froth / Chum)
  • Anular / Névoa
  • Bolha Dispersa

Além das modificações de cálculo, no FNESS foram incluídos novos recursos gráficos para avaliação dos sistemas de condensado, como:

  • Escala de cores aplicada ao diagrama da rede, permitindo visualizar:
    • o regime de escoamento
    • intervalos de velocidade média do escoamento e da velocidade erosional (API)
    • intervalos de pressão, temperatura e fração de vapor.
  • Construção do Mapa do Escoamento Bifásico

As figuras abaixo mostram alguns resultados das modificações.

RedeBifasica

 

A partir da simulação, é possível buscar alternativas de maneira a minimizar os problemas diagnosticados.

  

TRANSITÓRIO DE VAPOR

A operação de sistemas complexos de vapor, onde estão presentes geradores e consumidores de vapor em vários níveis de pressão e também turbogeradores para geração de energia elétrica, sujeita-se a várias perturbações e/ou acidentes. Estas perturbações podem se propagar de forma danosa, originando acidentes mais graves do que o original, chegando mesmo a causar a completa paralização da planta.

Dentre os acidentes mais característicos destacam-se:

  • trip de turbogerador
  • trip de caldeira
  • queda de paralelismo com a rede pública
  • blecaute elétrico
  • desarme total das utilidades

Para a análise destes sistemas, a FIGENER desenvolveu o TRANSVAP, software bastante poderoso que analisa a evolução de pressões, temperaturas, fluxos e qualquer grandeza termodinâmica, ao longo dos segundos que sucedem um acidente. Com o auxílio do software, é possível investigar várias ocorrências, além de simular diversas possibilidades de correção dos sistemas de vapor, apresentando as recomendações para sanar os problemas decorrentes das variações bruscas de consumo.

Como exemplo, pode-se verificar se a instalação de válvulas redutoras em paralelo com uma turbina de contrapressão é suficiente para manter o valor mínimo de pressão no coletor da linha de baixa pressão, e ao mesmo tempo evitar a abertura da válvula de segurança dos tubulões das caldeiras.

 A modelagem permite avaliar a variação da geração elétrica em turbogeradores, com atuação das funções de controle associadas à velocidade de máquina e pressão de coletores de descarga. Para tal, são incluídos no modelo todas as redutoras, válvulas de segurança, dessuperaquecedores, etc. O software permite ainda obter a evolução de temperatura de metal dos tubos de uma caldeira.

O modelo implementado  tem sido aplicado pela FIGENER em diversos trabalhos desde 1991. Alguns clientes que já realizaram estudos de transitórios de vapor são: COPENE (Braskem), COPESUL (Braskem), CSN, Klabin, Níquel Tocantins, Alunorte, UTE Cubatão.

A simulação de ocorrências como trip de caldeira, de turbina, ou mesmo grandes variações de consumos (caso de partida de um grande consumidor), fornece ao analista condições para avaliar se a perturbação decorrente é grave e se a mesma pode ou não ser absorvida pelo sistema sem desencadear desligamentos ou colapso geral. 

Deste modo, uma das aplicações vislumbradas é a transformação do TRANSVAP em um instrumento de treinamento de operação de usinas termoelétricas e de unidades petroquímicas, devido à alta flexibilidade de programação que os seus núcleos de cálculo permitem.

Um sistema petroquímico, formado por fornos de pirólise, compressores e tubulações, por exemplo, pode ser modelado e integrado ao sistema de vapor, dando condições ao projetista e aos operadores de prever o comportamento do sistema diante de trip de uma turbina, de perda de forno, ou de qualquer outra ocorrência.

 

ANÁLISES EM CFD

Seja escoamento interno ou externo, a Figener é capaz de realizar análises utilizando ferramenta CFD.

Saiba mais: https://www.figener.com.br/pt/solucoes/atividades/servicosespeciais/estudos-cfd 

 

 

Para maiores informações, fale com:

  • José Helio (Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo.)
  • Fábio Vincent (Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo.)