Noções de Compressores

NOÇÕES DE COMPRESSORES

Autor: Cleuber Pozes Valadão

NOÇÕES DE COMPRESSORES

NOÇÕES DE COMPRESSORES Autor: Cleuber Pozes Valadão

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Reconhecer os principais tipos de compressores, citando ou identificando os seus principais componentes; • Diferenciar os princípios de funcionamento e as aplicações específicas dos compressores.

Programa Alta Competência

Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia. É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência

Agradecimentos

Agradeço a todos que direta ou indiretamente colaboraram para a realização deste trabalho, que servirá de instrumento para as aulas dos cursos de formação.

Como utilizar esta apostila

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Autor

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identificar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

Capítulo 1

48

Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

No final de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

a maior fonte sária, além das ole, a obediência nça.

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Alta Competência

mo está relacionada a

e do tipo de es durante toda na maioria das mantê-los sob is, materiais ou

Objetivo Específico

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;

1.6. Bibliografi a Exercícios 1.4.

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas 1) Que relação podemos estabelecer entre elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – aterramento de segurança? Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

riscos elétricos e

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

_______________________________________________________________ COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. _______________________________________________________________ Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Apresentamos, seguir, trechos de Normas Técnicas que Norma Petrobras N-2222. 2) Projeto de aterramentoa de segurança em unidades marítimas. Comissão de abordam Normas Técnicas - CONTEC, 2005. os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme,

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação o caso: Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

A) Risco Proteção de incêndio e explosão B) Risco Norma Brasileira ABNT NBR-5419. de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. ( )

24

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

de contato

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em projetadas e executadas de modo que seja possível eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008. elétrico e todos os outros tipos de acidentes.” NFPA 780. Standard for the Installation Protection Systems. National ( ) of Lightining “Nas instalações elétricas de Fire Protection Association, 2004.

áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção,

como alarme e seccionamento automático para Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai.sobretensões, 2008. prevenir sobrecorrentes, falhas de

B) Risco de contato

(B)

21

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

isolamento, aquecimentos ou Mundo Educação. Disponível em: - Acessoanormais em: 20 mai. 2008. de operação.”

outras condições

( ) “Nas partes das instalações elétricas Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

( )

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

25

3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

T

odas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).

A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção definos nições disponíveis glossário. sistemasestão de aterramento envolvidosno nestes equipamentos.Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o identifi cados, pois estão em destaque. seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.

Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

49

3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais verificados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 define o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

Alta Competência

Capítulo 3. Problemas operaciona

3.4. Glossário

3.5. Bibliografia

Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIAN elétricos - inspeção e medição da re Elétrica, 2007.

Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos – Curso técnico de segurança do trab

Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.

NFPA 780. Standard for the Installation Fire Protection Association, 2004.

Norma Petrobras N-2222. Projeto de marítimas. Comissão de Normas Técn

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instala Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

56

Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Pr atmosféricas. Associação Brasileira d

Norma Regulamentadora NR-10. Seg eletricidade. Ministério do Trabalho www.mte.gov.br/legislacao/normas_ em: 14 mar. 2008.

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao final de cada capítulo.

Alta Competência

NÍVEL DE RUÍDO DB (A)

1.6. Bibliografia

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

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Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008.

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

B) Risco de contato

(B)

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Educação. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir: (V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

(F)

A queimadura é o principal efeito fisiológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado Alta deCompetência um determinado item do capítulo.

É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

?

Os riscos VOCÊ elétricosSABIA? de uma instalação são divididos em dois grupos principais:

14

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

Uma das principais substâncias removidas em poços de

petróleo pelo pig de limpeza é adas parafina. questões Devido às “Importante” é um lembrete essenciais do baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode conteúdo tratadovirno capítulo. a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar

85 86 87 88 89 90 91 92 93 25 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Capítulo 1. Riscos elét

Trazendo este conhecimento para a realid observar alguns pontos que garantirão o incêndio e explosão nos níveis definidos pela durante o projeto da instalação, como por ex

• A escolha do tipo de aterramento fu ao ambiente;

• A seleção dos dispositivos de proteção

• A correta manutenção do sistema elét

O aterramento funcional do sist como função permitir o funcion e eficiente dos dispositivos de pro sensibilização dos relés de proteçã uma circulação de corrente para a por anormalidades no sistema elétr

ao da arteriosclerose.

Observe no diagrama a seguir os principais ris à ocorrência de incêndio e explosão:

1.1. Riscos de incêndio e explosão ImpOrTANTE! Podemos definir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma: É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, sua Unidade. Informe-se junto a ela! fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.

ATENÇÃO Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalaçãoÉ e muito seu descontrole se traduz em os danos importante que principalmente você conheça específicosoperacional. para passagem de pig pessoais, procedimentos materiais e de continuidade em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

rESUmINDO...

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas

7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

ao da arteriosclerose.

ImpOrTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

ATENÇÃO

Já a caixa de destaque é uma É muito “Resumindo” importante que você conheça os versão compacta procedimentos específicos para passagem de pig dos principais pontos no capítulo. em poços abordados na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

rESUmINDO...

?

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos tricos e o aterramento de segurança 8 minutos 7 minutos

de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

rESUmINDO...

Recomendações gerais

• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;

uncional mais adequado

• Lançadores e recebedores deverão ter suas

Aproveite este material para o seu desenvolvimento profissional!

o e controle;

trico.

scos elétricos associados

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não ImpOrTANTE! devem ser esquecidas. É muito importante que você conheça os tipos de pig

Todos os recursos• Antes didáticos presentes nesta apostila têm do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.

dade do E&P, podemos controle dos riscos de as normas de segurança xemplo:

tema elétrico tem namento confiável oteção, através da ão, quando existe a terra, provocada rico.

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o VOCÊ SABIA? interior do lançador; Uma das principais substâncias removidas em poços de • Apóspelo a retirada um pig, inspecione internamente petróleo pig dede limpeza é a parafina. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula o recebedor de pigs; nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode • Lançadores e recebedores deverão ter suas vir a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.

15

Sumário Introdução

17

Capítulo 1 - Compressores - definição, classificação e aplicação Objetivos 1. Compressores - definição, classificação e aplicação 1.1. Classificação dos compressores 1.2. Aplicação dos compressores 1.3. Exercícios 1.4. Glossário 1.5. Bibliografia 1.6. Gabarito

19 21 23 26 28 30 31 32

Capítulo 2 - Compressores centrífugos Objetivos 2. Compressores centrífugos 2.1. Princípios de funcionamento 2.2. Principais componentes 2.3. Sistemas auxiliares de um compressor centrífugo 2.3.1. Sistema de proteção 2.3.2. Sistema de selagem 2.3.3. Sistema de balanceamento axial

2.4. Circuitos auxiliares de um compressor centrífugo 2.4.1. Circuito de óleo de selagem 2.4.2. Circuito de gás de selagem 2.4.3. Circuito de óleo lubrificante 2.4.4. Circuito de processamento de gás 2.4.5. Circuito de controle anti-surge 2.4.6. Circuito de controle de capacidade

2.5. Operação 2.5.1. Preparação do circuito de gás de selagem 2.5.2. Preparação e partida do circuito de óleo lubrificante 2.5.3. Partida da unidade 2.5.4. Shutdown da unidade 2.5.5. Verificações rotineiras 2.5.6. Temperatura e pressão de operação de óleo – pressão de gás de selagem

33 35 35 38 42 42 43 45

47 47 49 53 54 55 63

66 67 68 69 70 70 72

2.6. Exercícios 2.7. Glossário 2.8. Bibliografia 2.9. Gabarito

73 76 79 80

Capítulo 3 - Compressores axiais Objetivos 3. Compressores axiais 3.1. Princípio de funcionamento 3.2. Principais componentes 3.3. Circuito de controle de capacidade 3.4. Limites operacionais 3.5. Exercícios 3.6. Glossário 3.7. Bibliografia 3.8. Gabarito

83 85 85 88 89 89 94 97 98 99

Capítulo 4 - Compressores de parafuso Objetivos 4. Compressores de parafuso 4.1. Princípio de funcionamento 4.2. Principais componentes 4.3. Circuito de controle de capacidade 4.4. Circuito de lubrificação 4.5. Exercícios 4.6. Glossário 4.7. Bibliografia 4.8. Gabarito

101 103 103 105 106 108 110 113 114 115

Capítulo 5 - Compressores alternativos Objetivos 5. Compressores alternativos 5.1. Princípio de funcionamento 5.2. Principais componentes 5.3. Circuito de controle de capacidade 5.3.1. Tipos de controle de capacidade 5.3.2. Problemas de partida

5.4. Circuito de lubrificação 5.5. Exercícios 5.6. Glossário 5.7. Bibliografia 5.8. Gabarito

117 119 120 121 124 125 131

132 134 137 138 139

Introdução

O

gás natural ganha cada vez mais destaque na matriz energética do nosso país por ser um combustível limpo e barato. As projeções demonstram a duplicação do suprimento de gás nos próximos cinco anos. Nesse contexto, em que é necessário permitir o escoamento do gás por todo o território nacional, seu transporte ganha notoriedade por ser uma fase fundamental para a logística de aproveitamento deste derivado de petróleo. Os gasodutos proporcionam o escoamento do gás entre a fonte (reservatório) e o usuário. Os dutos são os meios de transporte; entretanto, a condição necessária para o escoamento depende da contrapressão no duto, ou seja, da pressão mínima necessária para que o escoamento ocorra. Logo, a compressão é uma das fases do condicionamento do gás natural que antecede o transporte e a distribuição e que deve proporcionar a pressão necessária ao escoamento. Entre esses dois pontos de escoamento do gás (reservatório e usuário) pode haver uma ou mais estações de compressores. A compressão do gás é um processo físico no qual são utilizados compressores com o objetivo de proporcionar uma elevação de pressão do gás para o seu escoamento.

17

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Definir compressores; • Classificar os compressores de acordo com seus tipos e aplicações.

Capítulo 1

Compressores definição, classificação e aplicação

Alta Competência

20

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

1. Compressores - definição, classificação e aplicação

O

s compressores são máquinas que servem para comprimir um gás à pressão desejada. Podem ser requeridos para as mais variadas condições de operação, de modo que toda a sua sistemática de especificação, projeto, operação e manutenção dependem, fundamentalmente, da sua aplicação. Os compressores são máquinas operatrizes projetadas para proporcionar a elevação da pressão de um gás, transferindo para este energia em forma de trabalho, aplicando-se uma força. Um compressor, como qualquer equipamento de fluxo, tem o seu comportamento influenciado pelas características do processo no qual está inserido. No caso dos compressores, toda essa influência pode ser precisamente representada por quatro parâmetros denominados características do processo (ou sistema), que são: • Pressão de sucção (P1): pressão do gás na entrada do compressor; • Temperatura de sucção (T1): temperatura do gás na entrada do compressor; • Natureza molecular do gás (composição): composição do gás, massa molecular; • Pressão de descarga (P2): pressão do gás na saída do compressor.

sucção

descarga

Esquema simplificado de um compressor

21

Alta Competência

Assim, podemos considerar que os valores assumidos por esses parâmetros, instantaneamente, definem todas as demais grandezas associadas ao desempenho do compressor, dentre as quais podemos citar: • Vazão de operação (volumétrica ou mássica); • Potência de compressão (N); • Temperatura de descarga (T2); • Eficiência politrópica (eficiência da compressão); • Intensidade dos esforços.

22

A vazão de operação é o volume requerido para ser deslocado, entre a sucção e a descarga. A temperatura de descarga depende da temperatura de sucção, da relação entre as pressões de descarga e de sucção e do coeficiente politrópico. A potência depende da vazão mássica e do trabalho cedido ao gás durante a compressão. A eficiência politrópica é a relação entre a energia específica útil e a energia específica cedida pelo compressor ao gás. A energia específica é a relação entre a energia e a massa de gás para um volume de controle, sendo calculada por cálculos específicos de head politrópico. Por outro lado, calcula-se a energia específica cedida através da variação da entalpia. 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);

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

• Composição do gás; • Pressão de descarga.

1.1. Classificação dos compressores Os projetos de compressores estão fundamentados em dois sistemas conceptivos, no qual se baseiam todos os tipos de compressores de uso industrial, que são: a) Compressores volumétricos; b) Compressores dinâmicos. Observe, no diagrama a seguir, de que forma é organizada a classificação dos compressores: Compressores

Volumétricos

Alternativos

Rotativos

Dinâmicos

Centrífugos

Axiais

Palhetas / Parafusos / Lóbulos

A seguir, será abordado um pouco mais sobre as características de funcionamento e aplicações que diferenciam esses dois tipos de compressores.

23

Alta Competência

a) Compressores volumétricos ou de deslocamento positivo: Nos compressores volumétricos, também chamados de compressores de deslocamento positivo, em razão de possuírem apenas um sentido de escoamento para o fluido, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás e pode ser alcançada com a utilização de duas concepções diferentes de operação: em um ciclo de funcionamento ou por escoamento contínuo. Pela concepção de ciclo de funcionamento, há 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 um sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Nesse caso, destacam-se os compressores alternativos.

24

Na concepção de escoamento contínuo, os rotores empurram o gás, promovendo o seu deslocamento por dentro do compressor, onde é imposta a redução do seu volume, progressivamente, da sucção para a descarga. Em conseqüência, ocorre a elevação de pressão. Nesta categoria, destacam-se os compressores rotativos de palhetas, de parafusos e os de lóbulos. b) Compressores dinâmicos: Os compressores dinâmicos também são chamados de compressores cinéticos ou turbocompressores. Esse tipo de compressor comprime o gás pela ação dinâmica de palhetas ou de impulsores rotativos — os impelidores — que imprimem velocidade e pressão ao gás. Nesses compressores, a elevação de pressão é obtida pela variação de velocidade de um fluxo contínuo de gás. Os compressores dinâmicos são indicados para a movimentação de grandes volumes, à baixa ou média razão de compressão (relação entre a pressão de descarga e a pressão de sucção). Estes compressores operam em alta rotação e são, geralmente, acionados por motores elétricos ou turbinas a gás. O trabalho sobre o gás é efetuado por um rotor provido de palhetas ou impelidores.

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

A trajetória do fluxo em relação ao rotor da máquina estabelece, ainda, dois grupos desses compressores, com sensíveis diferenças de projeto e performance: Centrífugos Axiais

Trajetória radial, ou seja, perpendicular ao eixo. Trajetória axial, ou seja, paralela ao eixo.

ATENÇÃO Os ejetores são mecanismos que podem ser usados como compressores, podendo substituí-los em determinadas aplicações. Entretanto, não são classificados como compressores. Por não possuírem componentes rotativos, seriam considerados como compressores do tipo dinâmicos, mas em uma segunda categoria. Nos ejetores, uma fonte de gás é conectada à entrada de um difusor, por onde se consegue uma pressão bastante baixa através de um fluxo auxiliar, em alta velocidade. A diferença de pressões entre a fonte e esse ponto faz com que o gás se desloque, adquirindo velocidade e, portanto, energia cinética, que é posteriormente convertida em energia de pressão no difusor. Os ejetores são usados, em geral, como bombas de vácuo e são capazes de deslocar fluidos líquidos e/ ou gasosos.

25

Alta Competência

PO Fluxo Auxiliar (Vapor d´água) Ar

Fonte de gás

Difusor

Ejetor

1.2. Aplicação dos compressores 26

No E&P os compressores centrífugos são empregados para comprimir os volumes maiores de gás natural (acima de 500 mil m3/d por máquina), enquanto os compressores volumétricos (alternativos e rotativos) são empregados para compressão de baixos volumes de gás natural. Nas plataformas de produção, todo o gás natural oriundo do separador de produção primário — gás produzido + gás lift, que processa o petróleo produzido pelos poços — é encaminhado para um depurador de gás para reter e descartar condensado. A partir dessa separação, o gás natural é direcionado para o compressor centrífugo (turbocompressor). O gás natural oriundo do separador do segundo estágio (separador atmosférico) é comprimido pelo compressor volumétrico (alternativo ou rotativo) e, nessa aplicação, é designado de Unidade Recuperadora de Vapor (URV), por causa da baixa vazão de gás nessa fase do processamento de petróleo. O gás natural produzido no separador atmosférico é comprimido pela URV e direcionado para o depurador de gás, juntando-se ao gás natural produzido no separador primário, escoando juntos para serem comprimidos no compressor centrífugo.

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

Os compressores axiais não são empregados para a compressão de gás natural, mas equipam as turbinas a gás dos turbocompressores e turbogeradores, onde comprimem o ar com fluido motriz do ciclo termodinâmico. A faixa de aplicação de cada tipo de compressor pode ser verificada na tabela a seguir:

Tipos de compressores

Pd Grandeza (pressão de descarga) Unidade

Volumétrico

Alternativo Rotativo

Dinâmico

Centrífugo Axial

Rc / est. (razão de compressão por estágio)

Vazão

bar abs

--------

mil m3/h

3.500

10

até 8,4

17 700 20

10 5 20

0,12 a 42 3 a 300 90 a 2.000

27

Alta Competência

1.3. Exercícios 1) Defina compressores: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 2) Correlacione a classificação e as características das duas concepções de compressores a seguir: ( a ) Para compressores volumétricos ( b ) Para compressores dinâmicos (

) São chamados também de compressores cinéticos ou turbocompressores.

(

) Operam em alta rotação e são, geralmente, acionados por motores elétricos ou turbinas a gás.

(

) São divididos em dois grupos: alternativos ou rotativos.

(

) Comprimem o gás pela ação dinâmica de palhetas ou impelidores.

(

) São subdivididos em dois grupos - centrífugos e axiais - em função da trajetória do fluxo em relação ao rotor.

(

) Os rotores empurram o gás, promovendo seu deslocamento por dentro do compressor, onde é imposta a redução do seu volume progressivamente da sucção para descarga e, conseqüentemente, ocorre a elevação de pressão.

28

3) Preencha as lacunas a seguir com o tipo de compressor (axial, centrífugo ou de parafuso) de acordo com as suas aplicações: a) Os compressores _______________ comprimem gás do separador atmosférico e são designados de URV. b) Os compressores _______________ são equipados com impelidores e projetados para grandes volumes de gás. c) Os compressores _________________comprimem altos volumes de ar e equipam as turbinas a gás.

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

4) Nas plataformas, todo o gás oriundo dos poços é comprimido por um: ( ( (

) ) )

Compressor volumétrico. Compressor alternativo. Compressor rotativo.

( (

) )

Compressor centrífugo. Compressor axial.

29

Alta Competência

1.4. Glossário Ciclo termodinâmico - etapas consecutivas de processos físicos fechando um ciclo. Coeficiente politrópico - coeficiente do processo de compressão. Entalpia - estado energético do gás, basicamente é a soma da energia de pressão e energia de temperatura. Fluido motriz - fluido que faz mover, que imprime movimento motor. Gás lift - método de elevação artificial do petróleo, assim como os diversos tipos de bombeio. Consiste na injeção de gás sob pressão na coluna de produção por meio de válvulas situadas próximas ao intervalo produtor. O gás se mistura ao petróleo, diminuindo sua densidade média, fazendo com que a pressão do reservatório seja suficiente para elevar o petróleo até a superfície. Impelidor - componente do compressor que acelera o gás, mediante a atuação de uma força centrífuga.

30

Lóbulo - parte convexa do rotor macho. Máquina operatriz - máquina acionada por algum tipo de motor. Palheta - lâmina montada no eixo do compressor axial, sendo responsável pela aceleração do gás. Parâmetro - grandeza mensurável que permite apresentar de forma mais simples as características principais de um conjunto estatístico. Turbocompressor - compressor rotativo centrífugo de alta pressão, constituído por uma ou várias rodas com pás, montadas em série em um mesmo eixo e destinado à alimentação de uma rede ou de uma máquina. Turbogerador - gerador elétrico acionado por uma turbina hidráulica, a gás ou a vapor. URV - Unidade Recuperadora de Vapor. Vazão mássica - escoamento de massa por tempo.

Capítulo 1. Compressores - definição, classificação e aplicação

1.5. Bibliografia RODRIGUES, Paulo Sérgio B. Compressores Industriais. Rio de Janeiro: Editora Didática e Científica (EDC), 1991.

31

Alta Competência

1.6. Gabarito 1) Defina compressores: São máquinas que servem para comprimir um gás à pressão desejada, projetadas para proporcionar a elevação da pressão de um gás, através da transferência de energia ao gás em forma de trabalho. 2) Correlacione a classificação e as características das duas concepções de compressores a seguir: ( a ) Para compressores volumétricos ( b ) Para compressores dinâmicos

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(b)

São chamados também de compressores cinéticos ou turbocompressores.

(b)

Operam em alta rotação e são, geralmente, acionados por motores elétricos ou turbinas a gás.

(a)

São divididos em dois grupos: alternativos ou rotativos.

(b)

Comprimem o gás pela ação dinâmica de palhetas ou impelidores.

(b)

São subdivididos em dois grupos - centrífugos e axiais - em função da trajetória do fluxo em relação ao rotor. Os rotores empurram o gás, promovendo seu deslocamento por dentro do compressor, onde é imposta a redução do seu volume progressivamente da sucção para descarga e, conseqüentemente, ocorre a elevação de pressão.

(a)

3) Preencha as lacunas a seguir com o tipo de compressor (axial, centrífugo ou de parafuso) de acordo com as suas aplicações: a) Os compressores parafusos comprimem gás do separador atmosférico e são designados de URV. b) Os compressores centrífugos são equipados com impelidores e projetados para grandes volumes de gás. c) Os compressores axiais comprimem altos volumes de ar e equipam as turbinas a gás. 4) Nas plataformas, todo o gás oriundo dos poços é comprimido por um: (

)

Compressor volumétrico.

(

)

Compressor alternativo.

(

)

Compressor rotativo.

(X)

Compressor centrífugo.

(

Compressor axial.

)

Capítulo 2 Compressores centrífugos

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar os principais componentes dos compressores centrífugos e seus princípios de funcionamento; • Caracterizar os sistemas auxiliares dos compressores centrífugos.

Alta Competência

34

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2. Compressores centrífugos

O

s compressores centrífugos utilizam o princípio da aceleração centrífuga para aumentar a pressão do gás. São chamados também de compressores radiais, porque o fluxo do gás direciona-se radialmente em relação ao eixo, na saída de cada impelidor. Esses compressores, em geral, possuem um ou mais impelidores montados em um eixo e dotados de pás, normalmente encurvadas no sentido inverso ao da rotação do eixo, que se dispõem na direção do raio do impelidor. Para melhor compreensão, observe a ilustração a seguir:

Disco

35

Gás Cobertura

Olho do impelidor

Entrada de gás

Fluxo do fluido no rotor

Em função dos seus princípios de funcionamento, as características construtivas de um compressor são diferentes. Isso é o que proporciona diferentes aplicações em relação a características como: vazão, pressão de sucção e pressão de descarga.

2.1. Princípios de funcionamento Sob o efeito da rotação, forma-se uma corrente de gás, aspirado pela parte central do impelidor e projetado para a periferia, na direção do raio, pela ação da força centrífuga, alcançando os difusores.

Alta Competência

CONJUNTO ROTOR

Conjunto rotor

Os difusores são um conjunto de condutos estacionários que envolvem o rotor, conduzindo o gás em uma trajetória radial e espiral para a periferia. Dessa maneira, a área de passagem é aumentada gradativamente, pois o escoamento é de dentro para fora. Isso faz com que o gás, ao atravessá-lo, sofra uma desaceleração que resulta em um aumento de pressão, chamado efeito difusor.

36

Normalmente, os difusores são compostos por: Difusor principal

Situado logo em seguida ao impelidor.

Diafragmas

Componente estacionário do compressor centrífugo, onde se tem os condutos para o escoamento do gás.

Voluta de forma espiral

Espaço interno do compressor centrífugo que serve para orientar o gás do bocal de sucção para o olhal do primeiro impelidor e na descarga serve para orientar o gás da saída do último estágio de compressão para o bocal de descarga.

Nos compressores centrífugos, o gás é acelerado no impelidor e sua velocidade é, então, convertida 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 ambas as mesmas partes básicas. Contudo, pode-se distinguir uma bomba de um compressor centrífugo de vários estágios pela variação de espessura dos impelidores dos compressores, ao passo que os impelidores das bombas têm a mesma espessura em todos os estágios. Os gases, contrariamente aos líquidos, são compressíveis, portanto, sofrem uma redução de volume a cada pressurização.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

Na ilustração a seguir há um esquema que ilustra a trajetória do gás no interior de um compressor centrífugo de múltiplos estágios. Canal de retorno

Curva de retorno

Difusor Bocal de sucção

Bocal de descarga

Impelidor

Impelidores (Volutas de entrada e saída - bolsas laterais)

Fluxo do gás no compressor Flanges

37

Instrumentação Bocais Diafragma

Selos

Selos

Carcaça

Mancais

Mancais

Compressor centrífugo de múltiplos estágios

O gás aspirado através do bocal de sucção do compressor deslocase radialmente até a entrada do primeiro impelidor. Nele, o gás é acelerado e expelido, também radialmente, de volta ao difusor, que é uma passagem anular, de largura normalmente constante, na qual o escoamento continua a se processar - só que agora livremente e não mais impulsionado - em uma trajetória espiralada que lhe propiciará certa desaceleração, com conseqüente ganho de pressão.

Alta Competência

Ao atingir as partes mais externas da máquina, o escoamento é captado pela curva de retorno, que o conduz ao canal de retorno e, deste, ao próximo estágio de compressão. Naturalmente, a curva e o canal de retorno nunca poderão apresentar seção transversal (área) decrescente, para não anular o processo de difusão. O canal de retorno possui um aumento progressivo da seção transversal de passagem do gás para compensar o efeito bocal que ocorre durante o escoamento de fora para dentro e que, conseqüentemente, aumentaria a velocidade do gás, ou seja, pelo projeto compensa-se o efeito bocal do escoamento do gás, em razão da sua trajetória, por uma difusão por aumento da área de passagem do gás.

2.2. Principais componentes Os compressores centrífugos são constituídos por componentes estacionários e rotativos.

38 O grupo estacionário é constituído pela carcaça, bocais de sucção, descarga e diafragma, sendo este último composto de condutos como o difusor, curva de retorno e canal de retorno. O grupo rotativo é constituído pelos impelidores, eixo, pistão de balanceamento e anel de escora. Na ilustração a seguir é possível observar detalhes dos componentes internos de um compressor centrífugo:

Cobertura

Voluta interna

Paleta do impelidor

Chaveta Eixo

Selo de labirinto

Selo de labirinto Diafragma de sucção

Componentes internos de um compressor centrífugo Impelidor e zona de sucção Diafragma intermediário

Chaveta Eixo

Capítulo 2. Compressores centrífugos

Selo de labirinto

Selo de labirinto Diafragma de sucção

Na próxima ilustração, pode-se distinguir detalhes de um impelidor: Impelidor e zona de sucção

Diafragma intermediário Diafragma de entrada

Difusor Paleta do impelidor

Canal de retorno

Selo de labirinto

Luva

Impelidor e zona de sucção

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 ilustração a seguir tem-se uma visão geral dos componentes de um compressor centrífugo: Impelidor Bocal de descarga

Bocal de sucção Carcaça

Canal de retorno Diafragma Difusor Curva de retorno

Selagem externa

Componentes de um compressor centrífugo

Mancais

39

Alta Competência

Na circunferência interna dos diafragmas são instalados anéis de pás guias. Esses anéis 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 a ele montados constituem a parte móvel da máquina, denominada conjunto rotativo ou rotor. O rotor é apoiado radialmente nas suas extremidades por meio de mancais radiais e é apoiado axialmente no lado da sucção por um mancal axial ou de escora. • Mancais: Os mancais são estruturas que apóiam radialmente e axialmente o conjunto rotativo e suportam os respectivos esforços radiais e axiais.

40

• Mancais radiais: O conjunto rotativo é sustentado nas duas extremidades por mancais radiais do tipo de deslizamento. Há duas configurações usadas: 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 de metal patente ou babbit. O conjunto é bipartido para facilitar a desmontagem. Os mancais com pastilhas deslizantes, 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 e vibração. É o tipo mais usado para compressores de alta rotação (mais de 8.000 RPM) ou compressores em que a carga dos mancais é pequena, ou quando comprimidos gases de alto peso molecular. Modernamente, nas máquinas de grande porte, o mancal com pastilhas deslizantes tem uso generalizado. As pastilhas são feitas em aço, revestidas externamente de metal patente. O conjunto é formado por cinco pastilhas, sendo arranjada de tal maneira que o eixo, quando estacionado, repousa sobre uma delas, isto é, há duas pastilhas na metade superior e três na metade inferior.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

1 1 - Corpo do mancal

2

2 - Pastilha

3

3 e 4 - Anel de retenção de óleo

4

41

Mancal radial do tipo pastilhas deslizantes

• Mancais axiais: O posicionamento axial do rotor 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 e paradas ou quando o compressor, indevidamente, entra em surge. Na maioria dos casos o mancal de escora é combinado com o mancal radial.

Alta Competência

1. Corpo do mancal 2. Anel de retenção

1

3. Pastilhas do mancal axial 2 3

4. Anéis de apoio 5. Parafuso regulador 6. Anel de retenção do óleo (anel radial)

7

6

4 5

7. Pastilhas do mancal radial

42

Mancal combinado (radial e axial) tipo pastilhas deslizantes

2.3. Sistemas auxiliares de um compressor centrífugo Os sistemas auxiliares de um compressor centrífugo são constituídos de componentes acessórios do compressor, que proporcionam o seu monitoramento e segurança. Os seguintes sistemas auxiliam na operação de um compressor centrífugo: proteção, selagem e balanceamento axial. 2.3.1. Sistema de proteção O sistema de proteção tem a finalidade de monitorar e proteger o compressor quanto às vibrações e temperaturas altas nos mancais.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

O conjunto rotor é apoiado radialmente e axialmente por mancais do tipo pastilhas deslizantes. Nesses mancais são instalados sensores de temperatura tipo RTDs (TEs), vibração radial (VEs) e deslocamento axial (ZEs). 2.3.2. Sistema de selagem O sistema de selagem tem a finalidade de minimizar as fugas de gás interna e externamente ao compressor entre as partes móveis (rotor) e estáticas (diafragma e carcaça). Esse sistema se divide em: • Selagem interna; • Selagem externa. As fugas internas provocam a queda da eficiência de compressão devido à recirculação do gás nos impelidores, enquanto as fugas externas podem acarretar desequilíbrio no pistão de balanceamento, acesso de gás aos mancais e fuga para atmosfera local. A selagem interna de um compressor centrífugo compreende dois pontos por impelidor. As fugas ocorrem onde o gás, procurando sempre as regiões de menor pressão, tenta passar pelas pequenas folgas entre o conjunto rotativo e as partes estacionárias.

43

Alta Competência

Diagrama de sucção

Impelidor

Selo de labirinto

Selagem interna de um compressor centrífugo

44

Os dispositivos utilizados com essa finalidade são os anéis de labirintos, constituídos por uma superfície filetada que minimiza o vazamento do gás pela sucessão de mudanças de direção que lhe são impostas. 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 o alumínio, que se deforma ao menor contato com o eixo, de modo a não introduzir carregamento transversal sobre o mesmo. A selagem externa tem como finalidade impedir o vazamento do gás através da passagem entre a periferia do eixo e as partes estacionárias nas extremidades dos compressores, evitando, assim, a fuga do gás para o meio externo (atmosfera). O dispositivo de selagem do lado do bocal de sucção atua sujeito à pressão e à temperatura de sucção do sistema. Enquanto isso, do lado da descarga, verifica-se uma pressão ligeiramente superior à de sucção em razão da linha de balanceamento e uma temperatura próxima da temperatura de descarga do compressor. Esses parâmetros, além da natureza do gás comprimido, definem as características da selagem a ser utilizada. Há quatro tipos de selagem externa para compressores centrífugos. São elas: • Selo de labirintos; • Selo de anéis de carvão;

Capítulo 2. Compressores centrífugos

• Selo de anéis flutuantes ou de filme de óleo; • Selo seco. Atualmente, os compressores centrífugos do E&P utilizam selos externos do tipo seco. Nesses selos, é utilizado gás com a finalidade de promover o resfriamento das superfícies de contato do selo, portanto, é necessário que o gás seja condicionado, isto é, isento de impurezas e umidade. 2.3.3. Sistema de balanceamento axial Nos compressores centrífugos, o gás descarregado pelos impelidores ocupa o espaço existente entre os próprios impelidores e os diafragmas, gerando um campo de pressões. A distribuição das pressões resulta em uma força axial no sentido da descarga para a sucção do compressor. O somatório das forças atuantes sobre cada impelidor corresponde ao que é denominado empuxo axial. Observe a ilustração a seguir:

Empuxo axial Pressão de descarga

Pressão de sucção Olhal do impelidor

Eixo

Resultante das forças: empuxo axial

O posicionamento axial do conjunto rotativo é mantido pelo mancal de escora. O bom funcionamento desse dispositivo exige que o empuxo axial seja moderado, pois, caso contrário, teríamos um rápido desgaste das pastilhas e uma elevada dissipação de energia em perdas mecânicas. Para contornar isso, os projetistas dos compressores devem optar por um dos seguintes recursos:

45

Alta Competência

• Uso de pistão ou tambor de balanceamento e linha de balanceamento; • Uso de fluxo em duplo sentido. O pistão de balanceamento é uma peça cilíndrica, fixada ao conjunto rotativo logo após o último impelidor, com a finalidade de gerar uma força contrária ao empuxo axial. A face interna do pistão de balanceamento fica naturalmente exposta à pressão de descarga, enquanto a outra face fica submetida à pressão de sucção através de uma câmara ligada à sucção do compressor por uma tubulação externa denominada linha de balanceamento. Para descarga

Linha de balanceamento para sucção

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Pistão de balanceamento

Tendo uma das faces expostas à pressão de descarga e a outra à pressão de sucção, é gerada uma força contrária e de aproximadamente mesma intensidade ao empuxo axial, promovendo o deslocamento do eixo no sentido da sucção para a descarga, balanceando o conjunto rotor axialmente. Por meio da determinação da área transversal do pistão de balanceamento, o projetista pode compensar o empuxo axial na medida desejada. O outro recurso consiste em estabelecer dois conjuntos de impelidores no mesmo eixo, de modo que eles sejam percorridos em sentidos opostos pelo gás (back to back). Nesse caso, a anulação do empuxo axial não é absoluta, tornando-se necessária a instalação do pistão de balanceamento de menor porte, em relação ao emprego anteriormente citado.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2.4. Circuitos auxiliares de um compressor centrífugo Os circuitos auxiliares de um compressor centrífugo atuam com componentes externos ao compressor com a finalidade de proporcionar a partida, a operação e a parada do equipamento de forma segura. Os principais circuitos estão explicados a seguir. 2.4.1. Circuito de óleo de selagem O objetivo do circuito de óleo de selagem é efetuar a selagem das fugas de gás através dos selos de anéis flutuantes ou anéis de carvão (carbono sintético) localizados nas extremidades dos eixos dos compressores na parte externa, durante a seqüência de partida, operação normal e parada. Dessa maneira, evita-se o vazamento de gás dos selos externos para os mancais e para a atmosfera, o que acarretaria sérios riscos operacionais.

47 Observe, nas ilustrações a seguir, os dois tipos diferentes de selagem:

Ps

Injeção gás de selagem

Injeção óleo de selagem

Injeção óleo lubrificante

Selo de carvão

Gás

Eixo Gás

Óleo + Gás para tratamento Rotor

Selo de carvão

Óleo selagem + Óleo lubrificante para o Tg

Mancal radial

Alta Competência

P/ tanques elevados Alívio para atmosfera

leo de ó

to

imen

Supr

ão

araç

e sep

Ar d

m

lage

de se

em

lag a se ão d lizaç a u e q E ad o Linheament nc bala T

Alívio para atmosfera

Gás de referência

P/ tanques elevados

C A

N

E

B D

D C

B

E

48

Retorno de óleo contaminado para separador P/ reservatório

P/ reservatório

óleo o de in ado Retorn tam n o c o não de óle o ressão rn Reto trole de p n o c para

PDCV

Retorno de óleo contaminado para separador

Selo de anéis flutuantes

O circuito de óleo de selagem utiliza óleo mineral (normalmente o TR-32), e tem a finalidade de suprir óleo limpo e isento de gás a uma temperatura determinada e com pressão superior ao gás de referência. Esse circuito é equipado com: • Reservatório (armazenar o óleo); • Bombas CA (bombeamento do óleo); • Resfriadores dúplex (resfriam o óleo); • Filtros dúplex (filtram o óleo); • Válvulas controladoras de pressão diferencial (controlam a pressão do óleo); • Controladora de temperatura (controlam a temperatura do óleo);

Capítulo 2. Compressores centrífugos

• Válvulas de segurança (protegem os equipamentos quanto à sobrepressão); • Tanques elevados - overheads ou rundown (tanques que proporcionam o diferencial de pressão de óleo); • Tanque desgaseificador com resistência de aquecimento (proporcionam a liberação do gás); • Sensores de pressão diferencial, de temperatura e de nível (protegem o compressor). 2.4.2. Circuito de gás de selagem O circuito de gás de selagem tem a finalidade de suprir gás limpo e seco a uma pressão acima do gás de referência – ou seja, no ponto em que tem que ser selado – para a pressurização do selo. O consumo de gás é muito pequeno, pois passa entre os dois discos afastados 3 milionésimos de milímetro. Esse gás é encaminhado para o circuito de queima de gás da unidade passando pelo vent primário. O selo seco é composto por dois discos, um rotativo e outro estacionário. Para compressores de alta pressão são empregados selos secos duplos, que consistem de dois selos secos em série, conforme ilustrados a seguir: Suprimento de gás de selagem

Vent Primário

Suprimento Vent Secundário de gás de selagem

Lado do mancal

Lado do processo

Selo de labirinto interno

Selo de gás Disco Selo de gás secundário primário rotativo Disco estacionário

Selo seco tipo duplo em série

Selo Barreira

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Alta Competência

Os discos são os dois principais componentes do selo seco. O disco rotativo gira na mesma velocidade do eixo, faceando com o disco estacionário. Entre os dois, escoa o gás de selagem.

Disco rotativo Disco estacionário

50 Disco rotativo e estacionário: principais componentes do selo seco

As selagens de labirinto e as selagens de gás seco formam quatro compartimentos na extremidade de aspiração do rotor e cinco compartimentos na extremidade de descarga do rotor. Ambas as extremidades do rotor têm uma pressão similar a da sucção, que permite utilizar dois grupos semelhantes de anéis de vedação e a mesma pressão do gás de vedação (amortecedor) para ambas as extremidades do rotor. Na figura a seguir, você poderá observar os dois tipos distintos de discos do selo seco. Diagrama de selo seco de gás (tipo duplo em série) Suprimento de gás de processo

Carcaça do compressor

Vent primário p/ atmosfera

PDI

Filtro

Vent secundário p/ atmosfera

Ar de separação

W

Gás comprimido

W

Eixo Mancal

Selo de labirinto Selo primário

Selo seco

Selo barreira Selo secundário

Capítulo 2. Compressores centrífugos

a) Linha de alimentação de gás de selagem O gás de selagem é utilizado a uma pressão pouco superior à pressão de sucção do compressor (ou do gás de referência). Esse controle de pressão se realiza por intermédio de uma malha de controle, composta por um transmissor diferencial de pressão (PDT), instalado entre a linha do gás de selagem e a linha do gás de balanceamento, que envia um sinal para um controlador de pressão diferencial (PDIC), que controla a válvula reguladora de pressão diferencial (PDCV) instalada na linha de entrada do gás de selagem, através de um conversor diferencial de pressão (PDY). A válvula reguladora é equipada com válvulas de bloqueio e duas linhas de derivação, uma munida de uma válvula manual, outra munida de orifício calibrado: isso assegura a passagem do fluxo de gás de selagem, mesmo se a válvula estiver danificada.

51 b) Linha de saída de gás de selagem (vent primário): O gás de selagem que sai dos compartimentos dos anéis do lado interno do gás seco (um para cada vedação) chega aos compartimentos e é levado para o circuito de queima de gás através de uma tubulação chamada “vent primário” com indicadores de fluxo, válvulas de orifício de regulação do fluxo e discos de ruptura de segurança. Uma chave de pressão diferencial permite ter um sinal de alarme em caso de excessiva pressão diferencial entre a parte a montante e a parte a jusante da(s) válvula(s) do orifício de regulação do fluxo. Os discos de ruptura instalados em paralelo com a válvula do orifício do fluxo asseguram a ventilação em caso de emergência (alta pressão diferencial). c) Linha de saída de gás de selagem (vent secundário) O restante do gás de selagem sai dos anéis externos das vedações de gás seco (um por cada vedação), chega aos compartimentos e, de lá, junto com o gás de separação que escapa dos compartimentos adjacentes, é levado para um local seguro pelas linhas chamadas “linhas de vent secundário”.

Alta Competência

d) Gás de separação A finalidade do gás de separação é evitar a contaminação do selo com o óleo e vice-versa, através da injeção de nitrogênio no selo barreira, localizado entre os selos externos e os mancais. O gás de separação é oriundo de uma fonte de geração, que admite ar e promove a separação do oxigênio e do nitrogênio. A pressão do gás de separação é controlada pela válvula reguladora de pressão (PCV) que é munida de válvulas de bloqueio e de linha de derivação com válvula manual. Esse gás de separação é enviado para os selos barreira por intermédio das válvulas do orifício de regulação do fluxo.

52

O gás de separação, pressurizado dentro do seu próprio compartimento, previne eventuais escoamentos de gás para fora dos compartimentos de gás, através da vedação do labirinto e do rotor, evitando que o vapor do óleo retirado do mancal migre axialmente e entre em contato com as vedações do gás seco. O compartimento de gás de separação pode ser drenado, abrindo-se manualmente as válvulas apropriadas (LCV). Um indicador de pressão diferencial (PDI) instalado (em cada extremidade) entre o compartimento externo de vedação do gás seco e o compartimento de gás de separação envia um sinal a um transmissor que, de acordo com os valores de regulação, permite a partida na bomba do óleo lubrificante. A instrumentação instalada no circuito de gás de selagem (transmissores de pressão, reguladores etc.) tem alta confiabilidade para assegurar um funcionamento correto do circuito e para sinalizar eventuais maus funcionamentos, alarmes e a parada do equipamento em caso de avaria.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2.4.3. Circuito de óleo lubrificante O circuito de óleo lubrificante tem a finalidade de suprir óleo tipo mineral, limpo, a uma determinada temperatura, pressão e vazão, para resfriar e lubrificar os mancais dos compressores centrífugos de gás, durante partida (pré-lubrificação), operação e parada (póslubrificação). Esses circuitos são equipados com: • Reservatório: armazenam o óleo; • Bombas: principal mecânica, pré-lubrificação CA e póslubrificação CC; bombeamento do óleo; • Filtros dúplex: filtram o óleo; • Resfriadores dúplex: resfriam o óleo; • Válvulas controladoras de pressão e temperatura: controlam a pressão do óleo; • Válvulas de segurança: protegem os equipamentos quanto à sobrepressão; • Indicadores; • Sensores; • Transmissores de pressão, temperatura e nível.

?

VOCÊ SABIA? Na E&P-BC a maioria dos compressores centrífugos utiliza o sistema de óleo lubrificante dos seus respectivos acionadores, que são as turbinas a gás.

53

Alta Competência

2.4.4. Circuito de processamento de gás A finalidade do circuito de processamento de gás ou planta de processo é resfriar, reter e descartar condensado e permitir o alinhamento, o bloqueio e o alívio de gás de forma segura. O resfriamento é necessário para reduzir a potência requerida no estágio de compressão seguinte e evitar danos aos componentes mecânicos dos compressores (selos de labirintos). Para tanto, são instalados os seguintes equipamentos no circuito de processamento de gás: • Resfriadores (normalmente do tipo casco/tubo); • Depuradores de gás (scrubbers): vasos para separar o líquido contido no gás;

54

• Válvulas automáticas de fechamento (SDVs), alívio (BDVs) e controle (FVs, TVs e LVs.); • Válvulas de segurança (PSVs): garantem a segurança dos equipamentos; • Instrumentação de monitoração e proteção: indicadores, sensores, transmissores de pressão, temperatura e nível. A planta de processo tem seu circuito de segurança equipado com rede de dilúvio, rede de fusível plug e sensores de gás. O esquema a seguir representa uma planta de processo:

Capítulo 2. Compressores centrífugos

Queimador BDV SDV

SDV Gás produzido

P1

V1

SDV

Água Condensado

C1

P2

V2

SDV Condensado

Água

C2

FV Anti-surge

V3

FV Anti-surge

Planta de processo ou circuito de processamento de gás V 1 – V2 – V3 – Vasos Depuradores P1 e P2 – Resfriadores C1 e C2 – Compressores

2.4.5. Circuito de controle anti-surge Os compressores centrífugos apresentam restrições impostas aos seus funcionamentos quando submetidos a determinadas circunstâncias. Sendo assim, a área útil de operação (área tracejada na ilustração a seguir) sobre o conjunto de curvas características fica delimitada. A envoltória dessa área é formada pelo limite superior e inferior, respectivamente correspondentes à máxima e à mínima rotação permissível em operação contínua, e mais os limites à esquerda e à direita, definidos pela ocorrência de fenômenos aerodinâmicos, conhecidos respectivamente como surge e stonewall. H

Limite de surge

Limite de stonewall

N max

N mim

Q Limites operacionais compressor do compressor Limitesdo operacionais

A seguir, estão apresentados os significados de cada um desses limites operacionais:

55

Alta Competência

a) Limites de rotação: O limite de rotação máxima (N max) é a rotação em regime contínuo de operação, definida em função dos níveis de esforços a que é submetido o conjunto rotativo, enquanto a rotação mínima (N min) deve se situar acima da primeira velocidade crítica de vibração, ou seja, da primeira velocidade na qual passa pela velocidade de ressonância. A norma do American Petroleum Institute (API) nº 617 regulamenta a construção de compressores a 105% da maior rotação e 85% da menor rotação requeridas pelas condições específicas para a máquina. b) Limite de surge:

56

O surge é um fenômeno caracterizado pela instabilidade do ponto de operação. Ocorre quando a vazão que o circuito se mostra capaz de absorver é inferior a certo valor mínimo. O surge manifesta-se através de oscilações de vazão e pressões do circuito. Em geral, essas oscilações são acompanhadas de forte ruído e intensa vibração do compressor, podendo levar, rapidamente, a uma falha mecânica. Podemos explicar o surge de forma simplificada, associando-o ao ponto máximo da curva head x vazão, que teria um ramo virtual ascendente (representado pela linha tracejada no gráfico a seguir). Dizemos “virtual” porque esse trecho é constituído por condições instáveis de funcionamento (não existentes). O head (kJ/kg) é a energia por unidade de massa absorvida pelo gás no processo de compressão.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

H Hmax

Qmin

Q

Head x vazão

Podemos dizer que o surge é um fenômeno aerodinâmico (associado ao escoamento do gás) que ocorre nos compressores dinâmicos (centrífugos ou axiais) quando submetidos a operar com uma vazão mínima, que corresponde a um head máximo. Esse fenômeno se caracteriza pelas sucessivas inversões e reversões de fluxo. Em conseqüência, ocorrem os choques entre as massas de gás, promovendo vibrações, empeno do eixo, destruição dos circuitos de selagem e dos impelidores.

ATENÇÃO Deve ficar claro que, para cada rotação, existe uma vazão mínima, e que é tanto menor quanto menor for a rotação. c) Limite de stonewall Os compressores centrífugos industriais são projetados para funcionar com regime de escoamento subsônico. Se a vazão de operação é elevada, no entanto, é possível que a velocidade de escoamento do gás atinja o valor sônico em algum ponto no interior do compressor, usualmente na entrada das pás do impelidor, caracterizando o que se denomina limite de stonewall. O resultado prático desse fato é a impossibilidade de aumentar a vazão a partir deste ponto, além de uma acentuada queda na eficiência do processo de compressão.

57

Alta Competência

O limite de stonewall não representa nenhuma ameaça à integridade do compressor, mas pode se constituir em um grave inconveniente caso venha a ocorrer dentro do range de vazão necessária à operação do circuito. Perde-se capacidade de compressão, caso isso ocorra. Por exemplo, ao iniciarmos a abertura de uma torneira de água, a vazão de água começa a aumentar. Dando continuidade à abertura da torneira, a vazão de água vai aumentando proporcionalmente, até chegar a um ponto em que, abrindo-se mais a torneira, não ocorre um aumento da vazão. O método de controle anti-surge empregado é o da recirculação do gás da descarga para a sucção do compressor centrífugo através da instalação de uma de linha com válvula de controle automático. O controlador anti-surge deve ser programado para, ao se aproximar do ponto de surge, comandar a abertura da válvula de modo que a vazão no compressor fique acima da vazão mínima.

58

Veremos, a seguir, as malhas de controle anti-surge que podem ser empregadas de acordo com a instalação do compressor centrífugo. a) Compressor centrífugo acionado por motor elétrico, sem variação de velocidade: Nesse caso, o acionador (motor elétrico) opera com rotação constante e o compressor possui a seguinte curva:

H Hmax

ponto limite de surge

Qmin Head x vazão

Q

Capítulo 2. Compressores centrífugos

Sabendo-se que a vazão de operação deve ser maior do que a vazão mínima é estimado um desvio de aproximadamente 10% da vazão à direita desta para ser o ponto de ajuste no qual a válvula de recirculação (FV) deverá iniciar a abertura. Evita-se, assim, o surge. Na malha de controle, então, devem constar: • Um elemento primário de fluxo (placa de orifício) na sucção do compressor; • Um transmissor de fluxo (FT); • Um controlador indicador de fluxo (FIC); • Uma válvula de recirculação (FV), conforme o seguinte esquema:

59 FIC

FT

sucção

FE

FV

descarga

Esquema da malha de controle anti-surge de um compressor com rotação fixa

O elemento primário de fluxo (FE) envia o sinal de pressão diferencial para o transmissor de fluxo (FT). Este o converte para um sinal de saída elétrico (miliampère), que é enviado para o controlador indicador de fluxo (FIC). Esse controlador tem o ponto de ajuste correspondente a uma vazão 10% acima da vazão mínima de operação, que corresponde ao ponto de surge. Durante a operação, se em algum momento ocorrer uma queda da vazão e atingir a vazão de ajuste, o controlador comanda o início da abertura da FV, de modo que a vazão fique igual ao valor de ajuste.

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b) Compressor centrífugo acionado por turbina a gás ou motor elétrico com variação de velocidade: Nesse caso, o acionador permite a operação com uma gama de rotações e o compressor apresenta as seguintes curvas: Linha limite de surge H

N4 N3 N2

60

N1 Q Head x vazão

Para cada rotação existe um ponto limite de surge, então, um FIC não atende mais o controle, pois o ponto de ajuste não pode ser único. Como pode ser visto, com a interseção dos pontos limites de surge, obtém-se a linha limite de surge. O controle, agora, deve ser realizado através de uma linha paralela e à direita da linha limite de surge, denominada linha de controle de surge. Linha limite de surge H

Linha controle de surge

N4 N3 N2 N1 Q Head x vazão

Capítulo 2. Compressores centrífugos

É dessa linha de controle que deve ser determinado o ponto de ajuste da vazão de controle (Qa) que, para cada rotação, corresponde a uma vazão, ou seja, o ponto de ajuste deve ser determinado a cada condição operacional do compressor, equivalente ao head. Obtendo-se o head, é determinado o ponto de interseção com a linha de controle de surge. Traçando-se uma linha paralela ao eixo do head, passando pelo ponto de interseção, é obtida a vazão de ajuste (Qa) para aquela condição operacional, conforme pode ser visto no gráfico a seguir: Linha limite de surge Linha controle de surge

H

Ponto de operação N4

61 N3 N2 N1 Qa

Qo

Q

Head x vazão

A FV deverá abrir com essa vazão de ajuste quando a vazão de operação (Qo) assumir esse valor. A implementação de uma malha de controle que realize esta função deve determinar o head e processá-lo para obter a vazão de ajuste Qa. A vazão de operação Qo é comparada com a vazão de ajuste. Caso Qo seja maior que Qa, a FV deverá ficar fechada, ou seja, na condição normal de operação. Na condição de Qo ficar igual ou menor que Qa, a FV deverá abrir, mantendo-se a vazão na sucção do compressor igual à vazão de ajuste. Uma vez sabendo que o head é diretamente proporcional à razão de compressão (P2/P1) e os demais parâmetros praticamente são constantes (n, PM, R e T1) é instalado um transmissor de pressão na sucção e outro na descarga do compressor. Os sinais desses transmissores são enviados para um controlador anti-surge (CAS), que os processa para obter a vazão de ajuste. Atualmente, em alguns painéis de turbocompressores, os controladores (CAS) são implementados através de programas no Controlador Lógico Programável (PLC).

Alta Competência

No CAS é implementada a equação da linha de controle de surge. Para simplificá-la, podemos ilustrar como sendo uma reta, cuja equação é: Y = aX + b, Onde: Y = razão de compressão; X = vazão de ajuste; a = coeficiente angular; b = ponto de interseção da reta com o eixo Y.

62

O controlador, ao receber os sinais das pressões de sucção e descarga, efetua o cálculo da divisão entre P2 e P1 (Y), processa esse valor na equação e obtém a vazão de ajuste (X). O controlador também recebe o sinal da vazão na sucção do compressor (Qo), que é comparada com o ponto de ajuste (Qa). Em uma operação normal, Qo deve ser maior que Qa, pois em outra condição fica caracterizado que o ponto de operação está próximo ao surge. Nesse caso, a FV deve se encontrar aberta, de forma a manter a variável igual ao ponto de ajuste. Caso a variável se encontre igual ou menor que a vazão de ajuste, a FV deverá se encontrar aberta o suficiente para manter a vazão na sucção do compressor igual ao ponto de ajuste. Nesse caso, a malha de controle é representada conforme o esquema a seguir.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

CAS

PT

FT

sucção

PT

FV

descarga

FE

Esquema da malha de controle anti-surge com rotação variável

2.4.6. Circuito de controle de capacidade

63

O circuito de controle de capacidade tem a finalidade de efetuar o ajuste da vazão de gás do processo com a curva de desempenho do compressor, de modo que a vazão comprimida fique dentro das condições de oferta e demanda de gás do circuito. De acordo com a curva de H x Q, apresentada no gráfico a seguir, temos o ponto de interseção a entre a curva do sistema r com a curva de desempenho do compressor N1, que corresponde à vazão QA e Head HA. t H b

r

H a

a N1

C N2

QB Head x vazão

QA

Q

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No caso de uma nova vazão de gás Q b, como é possível efetuar a interseção da curva do circuito com a curva de desempenho do compressor? Existem dois métodos, a saber: 1º) Alteração da curva do sistema: a) Uma válvula na sucção, que nesse caso poderia ser parcialmente fechada de modo a alterar a curva do sistema de r para t, onde obteríamos o ponto de interseção com a curva de performance em B, demonstrando a queda de vazão de Qa para Qb. b) Uma válvula na descarga, que poderia ser parcialmente fechada, de modo a alterar a curva do sistema, conforme o item anterior.

64

2º) Alteração da curva do compressor: a) Reduzir a rotação do compressor de modo a se obter uma nova curva de desempenho N2, que promova a interseção com a curva do sistema r no ponto C. Do ponto de vista energético, o primeiro método promove uma perda de energia em função das quebras de pressão. O segundo método é melhor, pois permite um ajuste econômico da potência requerida com a necessária para o circuito, logo, fica sendo o empregado para o controle de capacidade dos compressores centrífugos. De acordo com o gráfico a seguir, temos várias curvas de desempenho, sendo uma para cada rotação: H curva do sistema

N1 N2 N3 N4

Q Head x vazão

Capítulo 2. Compressores centrífugos

Filosofia de controle: A filosofia de controle consta em implementar uma curva do sistema conveniente para o processo. Isso é proporcionado com: • A instalação de um PT (transmissor de pressão) e um PIC (controlador e indicador de pressão) com ação direta no coletor de sucção; • Um PT e um PIC com ação inversa no coletor de descarga. Os sinais de saída desses PICs passam por um seletor de menor sinal, que envia seu sinal de saída para o acionador (controlador de combustível) de modo a possibilitar os ajustes dos pontos de operação das pressões de sucção e descarga, que deverão ser mantidas pela variação da rotação do compressor, de tal maneira que o ponto de operação se desloque em cima da curva do sistema implementada, para cima ou para baixo, de acordo com a variação de rotação. A condição normal de operação fica estabelecida com: • Pressão do coletor de sucção igual ao ponto de ajuste (set point) do PIC da sucção; • Pressão do coletor de descarga igual ao ponto de ajuste (set point) do PIC da descarga; • O ponto de ajuste (set point) do PIC do coletor de descarga deve ficar acima da pressão de gás lift, ficando configurado como uma pressão limite. Caso ocorra uma queda na vazão de gás ofertada, a pressão de sucção irá cair, acarretando um erro no PIC da sucção, comandando a desaceleração do compressor. Caso contrário, irá acarretar a aceleração, desde que o erro considerado seja menor que o referente ao PIC da sucção.

65

Alta Competência

Caso ocorra uma queda na demanda de gás comprimido, a pressão de descarga irá aumentar, acarretando um erro no PIC da descarga, comandando a desaceleração do compressor. Caso contrário, irá acarretar a aceleração, desde que o erro considerado menor tenha sido referente ao PIC da descarga. Importante! O controlador anti-surge de cada compressor deve operar no modo automático durante todas as fases da operação (partida, operação e parada). Para operá-lo no modo manual é necessário experiência por parte do técnico de operação, e isto só deverá ocorrer em casos excepcionais. O controlador de capacidade pode operar ou não, de acordo com a manobra operacional.

66

Ao passar o controle de capacidade do modo manual para o automático, a variável deverá estar igual ao ponto de ajuste.

2.5. Operação Os compressores são equipamentos de grande porte, com alto movimento de massa e energia atingindo potências de até 50 MW, isto é, energia suficiente para atender a uma demanda de uma cidade de um milhão de pessoas. Por isso, a operação de um compressor precede de capacitação e habilitação na máquina específica da Unidade do técnico de operação e deverá ser realizada em conformidade com os seguintes procedimentos previstos no SINPEP (Sistema Integrado de Padronização Eletrônica da Petrobras), nas gerências de operação: “Preparação para partida do motocompressor” ou “Preparação para partida do turbocompressor” e “Partida e parada do motocompressor”, “Partida e parada do turbocompressor”.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2.5.1. Preparação do circuito de gás de selagem A preparação do circuito de gás de selagem e limpeza do circuito de partida deve obedecer ao seguinte procedimento básico: • Garantir que o suprimento de ar de separação para pressurização da câmara de selagem do labirinto externo esteja disponível; • Garantir que todas as válvulas de by-pass estejam fechadas e as válvulas de bloqueio das válvulas de controle estejam abertas; • Garantir que o filtro de gás de selagem principal tenha as válvulas de bloqueio abertas e a válvula de dreno fechada; • Garantir que o filtro de gás de selagem stand-by tenha as válvulas de bloqueio abertas e a válvula de dreno fechada; • Garantir que as válvulas de bloqueio na linha de ventilação do filtro de gás de selagem estejam fechadas; • Garantir que as válvulas de bloqueio nas linhas de vent primária estejam abertas (ambos os compressores); • Garantir que as válvulas de bloqueio dos pressostatos, indicadores de pressão, transmissores de pressão e indicadores diferenciais de pressão estejam abertos; • Garantir que a pressão diferencial entre as câmaras pressurizadas e a câmara de gás de separação e a câmara externa do selo seco (correspondendo às linhas de ventilação secundária), esteja de acordo com o valor setado de forma a se ter a permissão para a partida da bomba de óleo lubrificante (ambos os compressores); • Garantir que a pressão de nitrogênio no coletor de gás de separação dos mancais esteja maior que 0,5 bar; • Garantir que as válvulas de bloqueio dos drenos das câmaras de nitrogênio de separação estejam abertas (ambos compressores);

67

Alta Competência

• Garantir que as válvulas de bloqueio dos drenos diretos das câmaras de ar de limpeza estejam fechadas (ambos compressores); • Garantir que as válvulas de bloqueio da linha de vent primária para os compressores estejam abertas, para permitir o fluxo de gás para o flare de baixa (LP Flare); • Garantir que a válvula de orifício de ajuste de fluxo nas linhas de vent primária esteja completamente aberta. Essa válvula deverá ser ajustada depois da primeira partida para dar um baixo diferencial de pressão. Essa válvula deverá ser fixada nessa posição para os compressores. 2.5.2. Preparação e partida do circuito de óleo lubrificante

68

A preparação e partida do circuito de óleo lubrificante deve obedecer ao seguinte procedimento básico: • Garantir que as válvulas de bloqueio da linha de abastecimento do tanque de rundown estejam abertas; • Garantir que as válvulas de bloqueio dos pressostatos, indicadores de pressão, transmissores de pressão e indicadores de nível estejam abertas; • Verificar, no manual de instruções do acionador, os valores requeridos para o circuito de óleo lubrificante antes da partida; • Garantir o fluxo de óleo lubrificante na saída dos mancais axiais e radiais por meio dos visores de fluxo; • Encher completamente o tanque de rundown com óleo lubrificante; • Garantir a pressão de óleo lubrificante em vários pontos;

Capítulo 2. Compressores centrífugos

• Verificar no painel de interface homem-máquina (HMI) que as condições de alarme do circuito de lubrificação do compressor centrífugo e circuito de gás de selagem estejam de acordo com o status operacional, normalizando cada condição de alarme. 2.5.3. Partida da unidade A partida da unidade deve obedecer ao seguinte procedimento básico: • Abrir as válvulas de dreno dos compressores e tubulações de gás; • Garantir que as válvulas de bloqueio dos manômetros, pressostatos e outras estejam abertas; • Purgar a unidade compressora com gás inerte, caso o gás a ser processado faça com que isto seja necessário; • Fechar as válvulas de dreno a montante e a jusante da tubulação de gás e unidade compressora; • Garantir a pressão e o fluxo de ar de separação entre o selo seco e os mancais; • Abrir lentamente a válvula de carregamento da unidade compressora para prevenir perigosas variações de pressão; • Garantir a ausência de qualquer condição de alarme; • Abrir a válvula de sucção, fechar a válvula de carregamento, partir o acionador e abrir a válvula de descarga; • Ajustar o fluxo nas linhas de vent primária do compressor de acordo com os valores setados na lista de instrumentos do compressor (essas válvulas devem ser travadas); • Garantir a pressão diferencial entre a câmara de selagem e a linha de gás de balanceamento;

69

Alta Competência

• Cuidados devem ser tomados para evitar o surge no compressor (garantir que todos os instrumentos da malha de controle antisurge estejam calibrados, alinhados e condicionados).

ATENÇÃO Para as primeiras partidas do compressor, instale um filtro temporário na tubulação de sucção em seção próxima ao compressor. Esse filtro deverá ser removido somente depois que as tubulações estiverem perfeitamente limpas. 2.5.4. Shutdown da unidade

70

Após o shutdown da unidade, os seguintes pontos deverão ser verificados: • Certificar-se que a bomba de lubrificação auxiliar partirá quando a unidade diminuir sua velocidade, porque a bomba principal tornou-se inoperante; • Certificar-se que a bomba de óleo auxiliar deverá parar somente depois que a temperatura na saída de óleo dos mancais tenha se estabilizado em torno de 120 °F (50 °C) ou de acordo com o manual de instruções do acionador; • Certificar-se que a pressurização de gás de separação para as câmaras de selagem dos labirintos, situada entre o selo seco e os mancais, deve parar depois que a bomba de óleo parar. 2.5.5. Verificações rotineiras As seguintes verificações devem ser realizadas, de forma regular, durante a operação dos compressores, segundo os parâmetros referenciais: • Temperatura dos mancais; • Temperatura de óleo na descarga dos mancais;

Capítulo 2. Compressores centrífugos

• Temperatura de óleo na descarga da caixa multiplicadora; • Pressão de óleo no coletor de óleo lubrificante; • Queda de pressão de óleo através dos filtros (gás de selagem); • Pressão de óleo nos mancais axiais e radiais; • Fluxo de óleo em cada linha de descarga; • Pressão de óleo multiplicadora;

na

linha

de

alimentação

da

caixa

• Temperatura e pressão de gás na sucção e descarga dos compressores;

71 • Pressão diferencial entre gás de selagem e gás de balanceamento (ou sucção do compressor); • Pressão diferencial entre câmaras de ventilação secundária e câmaras de selo labirintos instaladas entre o selo seco e os mancais; • Pressão de ar de limpeza a montante da válvula de controle de pressão; • Pressão diferencial através das válvulas de orifício de ajuste de fluxo nas linhas de vent primária; • Pressão de gás na linha de gás de balanceamento; • Deslocamento axial do rotor (valores limite de acordo com o fabricante); • Vibrações radiais (valores limite de acordo com o fabricante); • Periodicamente operar as válvulas de transferência do filtro de selo seco.

Alta Competência

2.5.6. Temperatura e pressão de operação de óleo – pressão de gás de selagem As tabelas a seguir apresentam valores de referência de parâmetros operacionais.

Pressão de óleo

Header de óleo lubrificante Mancais radiais

Bar a 2,75 0,9 a 2,3

Kpa a 275 90 a 230

Mancais axiais

0,3 a 2,3

30 a 230

Temperatura de óleo (durante operação normal)

72

Unidades

°C

°F

Mínimo

Entrada óleo mancal

35

95

Normal

Entrada óleo mancal

50

120

Pressão de gás de selagem

Bar a

Kpa a

Pressão diferencial gás selagem / gás de balanceamento (sucção do compressor)

1,2

120

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2.6. Exercícios 1) Identifique na ilustração os principais componentes de um compressor centrífugo, a seguir descritos: ( A ) Bocal de sucção ( B ) Bocal de descarga ( C ) Impelidor ( D ) Carcaça ( E ) Diafragma ( F ) Difusor ( G ) Canal de retorno ( H ) Curva de retorno

73

( I ) Mancais ( J ) Selagem externa

(

(

)

(

(

)

) (

)

) (

)

(

) (

)

(

)

(

)

Alta Competência

2) Quanto à operação de um compressor, marque a resposta correta: (

) O técnico de operação deverá ser capacitado em compressores.

(

) O técnico de operação deverá ser capacitado e habilitado na operação do compressor específico da sua unidade e deve seguir os procedimentos para tal.

(

) O técnico de operação deverá seguir os procedimentos de partida do compressor.

(

) O técnico de operação deverá saber sobre a partida e parada dos compressores.

3) Correlacione os circuitos auxiliares e suas finalidades. ( 1 ) Circuito de proteção

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(

)

Minimizar o empuxo axial no rotor.

( 2 ) Circuito de balancea- ( mento axial

)

Proteger o compressor contra o fenômeno aerodinâmico de sucessivas inversões e reversões de fluxo.

( 3 ) Circuito de selagem

(

)

Efetuar a selagem do gás entre as partes rotativa e estacionária do compressor centrífugo.

( 4 ) Circuito de controle ( anti-surge

)

Proteger o compressor centrífugo contra vibração, deslocamento e temperatura alta nos mancais.

( 5 ) Circuito de controle ( de capacidade

)

Controlar a vazão comprimida pelo compressor centrífugo de modo a adequá-la à vazão ofertada ou demandada, conforme a necessidade operacional.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

4) Dentre as opções a seguir, marque a que melhor explica a função do circuito de óleo de selagem: (

)

Suprir óleo tipo mineral, limpo, a uma determinada temperatura, pressão e vazão, para resfriar e lubrificar os mancais dos compressores centrífugos, durante partida, operação e parada.

(

)

Promover o resfriamento e depuração do gás e descarte de condensado, efetuar o alinhamento, bloqueio e alívio automático do gás.

(

)

Suprir óleo limpo e isento de gás a uma determinada temperatura e com pressão superior ao gás de referência.

(

)

Suprir óleo limpo e isento de gás a uma temperatura específica e com pressão inferior ao gás de referência.

75

Alta Competência

2.7. Glossário Anel de labirinto - vedação não deslizante, inteiramente metálica. API - American Petroleum Institute. BDV - válvula automática de alívio. By-pass - desvio. Canal de retorno - canal do diafragma, responsável por conduzir o gás da curva de retorno ao impelidor seguinte, mantendo-se constante a pressão e velocidade do gás. CAS - Controlador Anti-Surge. Condutos - canais por onde escoa o gás.

76

Curva de retorno - canal no diafragma que proporciona a mudança de sentido ao escoamento do gás, de radial para fora, passando a radial para dentro. Diafragma - componente estacionário do compressor centrífugo, no qual se encontram os canais por onde o gás escoa de um impelidor para o próximo. Escoamento subsônico - escoamento que ocorre abaixo da velocidade do som. FE - Elemento Primário de Fluxo. FIC - Controlador Indicador de Fluxo Flare - queimador de gás, onde o gás é queimado de forma segura. FT - Transmissor de Fluxo. FV - Válvula de recirculação ou anti-surge. Gás lift - método de elevação artificial do petróleo, assim como os diversos tipos de bombeio. Consiste na injeção de gás sob pressão na coluna de produção por meio de válvulas situadas próximas ao intervalo produtor. O gás se mistura ao petróleo, diminuindo sua densidade média, fazendo com que a pressão do reservatório seja suficiente para elevar o petróleo até a superfície. Head - energia por unidade de massa absorvida pelo gás no processo de compressão. Impelidor - componente rotativo do compressor centrífugo responsável por transferir energia ao gás sob forma de velocidade. Jusante - posterior.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

LCV - válvula de controle de nível. LP Flare - queimador de gás de baixa pressão. LV - válvula automática de controle. Mancal - suporte de apoio de eixos. Montante - anterior. Olhal - ponto de entrada do gás no impelidor. Parâmetro - grandeza mensurável que permite apresentar de forma mais simples as características principais de um conjunto estatístico. PCV - válvula reguladora de pressão. PDCV - válvula reguladora de pressão diferencial. PDI - indicador de pressão diferencial. PDIC - controlador de pressão diferencial. PDT - transmissor diferencial de pressão. PDY - conversor diferencial de pressão. PIC - controlador e indicador de pressão. Planta de processo - circuito composto de resfriadores, depuradores, válvulas de controles, válvulas de bloqueio e outros instrumentos, com a finalidade de condicionar o gás. PLC - controlador lógico programável. Pós-lubrificação CC - tipo de bomba; bomba de emergência. Pré-lubrificação CA - tipo de bomba; bomba auxiliar. Pressostato - chave de pressão atuada ao ser atingida a pressão de ajuste. PSV - válvula de segurança. PT - transmissor de pressão. Radialmente - perpendicular à linha longitudinal. Range - faixa de vazão. RTD - sensor de temperatura.

77

Alta Competência

SDV - válvula automática de fechamento. Shutdown - parada do equipamento ou processo. SINPEP - Sistema Integrado de Padronização Eletrônica da Petrobras. Tanque de rundown - tanque de recebimento. TE - sensor de temperatura. TR-32 - tipo de óleo mineral. Turbocompressor - compressor rotativo centrífugo de alta pressão, constituído por uma ou várias rodas com pás, montadas em série em um mesmo eixo e destinado à alimentação de uma rede ou de uma máquina. TV - válvula automática de controle. Valor setado - valor configurado, determinado.

78

Valor sônico - valor na velocidade do som. VE - vibração radial. Vent - alívio. Voluta - tipo de funil encurvado que aumenta a área no ponto de descarga. ZE - deslocamento axial.

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2.8. Bibliografia RODRIGUES, Paulo Sérgio B. Compressores Industriais. Rio de Janeiro: Editora Didática e Científica (EDC), 1991. VALADÂO, Cleuber Pozes. Turbocompressores - TOP. Apostila. Petrobras. Macaé: 2007

79

Alta Competência

2.9. Gabarito 1) Identifique na ilustração os principais componentes de um compressor centrífugo, a seguir descritos: ( A ) Bocal de sucção ( B ) Bocal de descarga ( C ) Impelidor ( D ) Carcaça ( E ) Diafragma ( F ) Difusor ( G ) Canal de retorno ( H ) Curva de retorno ( I ) Mancais

80

( J ) Selagem externa (A)

(C) (B)

(D)

(G) (E) (F) (H)

(J)

(I)

Capítulo 2. Compressores centrífugos

2) Quanto à operação de um compressor, marque a resposta correta: (

)

O técnico de operação deverá ser capacitado em compressores.

(X)

O técnico de operação deverá ser capacitado e habilitado na operação do compressor específico da sua unidade e deve seguir os procedimentos para tal.

(

)

O técnico de operação deverá seguir os procedimentos de partida do compressor.

(

)

O técnico de operação deverá saber sobre a partida e parada dos compressores.

3) Correlacione os circuitos auxiliares e suas finalidades. (1)

Circuito de proteção

(2)

Minimizar o empuxo axial no rotor.

(2)

Circuito de balanceamento axial

(4)

Proteger o compressor contra o fenômeno aerodinâmico de sucessivas inversões e reversões de fluxo.

(3)

Circuito de selagem

(3)

Efetuar a selagem do gás entre as partes rotativa e estacionária do compressor centrífugo.

(4)

Circuito de controle anti-surge

(1)

Proteger o compressor centrífugo contra vibração, deslocamento e temperatura alta nos mancais.

(5)

Circuito de controle de capacidade

(5)

Controlar a vazão comprimida pelo compressor centrífugo de modo a adequá-la à vazão ofertada ou demandada, conforme a necessidade operacional.

4) Dentre as opções a seguir, marque a que melhor explica a função do circuito de óleo de selagem: (

)

Suprir óleo tipo mineral, limpo, a uma determinada temperatura, pressão e vazão, para resfriar e lubrificar os mancais dos compressores centrífugos, durante partida, operação e parada.

(

)

Promover o resfriamento e depuração do gás e descarte de condensado, efetuar o alinhamento, bloqueio e alívio automático do gás.

(X)

Suprir óleo limpo e isento de gás a uma determinada temperatura e com pressão superior ao gás de referência.

(

Suprir óleo limpo e isento de gás a uma temperatura específica e com pressão inferior ao gás de referência.

)

81

Capítulo 3 Compressores axiais

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Descrever o princípio de funcionamento dos compressores axiais; • Identificar os componentes dos compressores axiais; • Citar as funções do conjunto IGV e das bleed valves nos compressores axiais; • Listar os limites operacionais de um compressor axial.

Alta Competência

84

Capítulo 3. Compressores axiais

3. Compressores axiais

O

s compressores axiais pertencem ao grupo dos compressores dinâmicos e são empregados para comprimir grandes vazões de ar. Esses compressores são empregados nas plantas de craqueamento catalítico das refinarias e também são muito empregados nas turbinas a gás, com a finalidade de suprir ar como fluido motriz. Como são máquinas operatrizes, necessitam de alguma máquina motriz para acioná-las, ou seja, algum tipo de motor. Alguns desses compressores são acionados com motores elétricos, outros por turbinas a vapor e, no caso dos compressores axiais que equipam as turbinas a gás, são acionados pela roda da turbina. Participando do ciclo termodinâmico da turbina a gás como o componente responsável pelo aumento da pressão do ar, o compressor axial é acionado pela roda da turbina e é empregado, nestes casos, por ser especificado para maiores vazões do que os compressores centrífugos, com relação às suas dimensões.

3.1. Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento dos compressores axiais é o da aceleração do ar, com posterior conversão em pressão. Os compressores axiais são formados por componentes estacionários – anéis com aletas estatoras – e por componentes rotativos – anéis com palhetas rotoras. O ganho de pressão e as variações de velocidade a cada estágio podem ser vistas na ilustração a seguir:

85

Alta Competência

P V

= aumento de pressão

V

= redução de velocidade

= aumento de velocidade

V

Rotor

P

V V

Estator

Rotor

Aletas estatoras e palhetas rotoras

86

Cada estágio de compressão é formado por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. Nessa etapa, o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a conversão da energia de velocidade em pressão. Essas máquinas são projetadas para que a velocidade na entrada de cada rotor seja a mesma para a condição de máxima eficiência. Observe na ilustração a seguir a relação entre pressão e velocidade durante a compressão: Rotor

Estator

Rotor

Estator

Pressão Velocidade

Relação pressão x velocidade durante a compressão

Capítulo 3. Compressores axiais

Esse processo é repetido nos estágios subseqüentes do compressor, sendo que, em cada estágio, promove um pequeno aumento de pressão. O fluxo de ar no compressor se dá paralelo ao eixo (axial); as palhetas e aletas vão diminuindo de tamanho da admissão para a descarga com o propósito de manter a velocidade do ar constante, isto é, dentro da faixa de operação, pois a pressão aumenta a cada estágio e, respectivamente, a massa específica também, segundo a equação da continuidade (Q = v x s x ρ, onde Q é a vazão volumétrica, v é a velocidade, s é a área e ρ é a massa específica).

Trajetória do ar

87 Pressão

Admissão

Velocidade

Descarga

Diagrama pressão e velocidade

As aletas estatoras do último estágio agem como pás-guias de saída ou Outlet Guide Vanes (OGV), que direcionam o ar em um fluxo axial estabilizado para a carcaça traseira do compressor, e daí para o seu destino fim (tubulação de descarga, câmaras de combustão etc.).

Alta Competência

3.2. Principais componentes Os principais componentes de um compressor axial são os seguintes: • Conjunto de admissão de ar; • Palhetas-guias de entrada (VIGVs); • Conjunto rotor (eixo e palhetas rotoras); • Carcaça do compressor, com aletas estatoras.

Compressor rotor 88

Conjunto de admissão de ar

VIGVs

Carcaça do compressor

Componentes de um compressor axial

Os compressores axiais são projetados para operar com alta eficiência, em altas rotações. Para manter o fluxo de ar estabilizado à baixa rotação tem-se instalado, na entrada de ar, um conjunto de aletas-móveis-guias-de-entrada ou Inlet Guide Vanes (IGV) que altera automaticamente o ângulo de ataque das aletas estatoras dos primeiros estágios do compressor axial. A eficiência é gradualmente aumentada, de acordo com o aumento da rotação. As válvulas de sangria (bleed valve) são instaladas na descarga do compressor axial para prevenir o surge em baixas rotações.

Capítulo 3. Compressores axiais

3.3. Circuito de controle de capacidade O conjunto IGV e bleed valve faz parte do circuito de controle do fluxo de ar do compressor axial. A proteção quanto ao surge se dá por meio de válvulas de sangria, geralmente instaladas nos últimos estágios, que ficam abertas, aliviando para a atmosfera durante a fase de partida, aceleração e parada do compressor axial. Alguns compressores axiais só possuem as IGVs, que nessa configuração, desempenham tanto o papel de válvula anti-surge como o de controle de capacidade, alterando a curva de desempenho do compressor axial.

89

Rotor de um compressor axial

3.4. Limites operacionais O compressor axial é uma máquina dinâmica. Sua operação restringe-se a certos limites de vazão. Para condições de operação com vazões abaixo da vazão de projeto, por exemplo, gera distúrbios no processo de compressão, isto é, instabilidade ou surge. Já em operações com vazões acima da vazão de projeto tem-se o limite operacional chamado de stonewall, que está associado à baixa razão de compressão e à baixa eficiência no compressor.

Alta Competência

Considerando-se que o compressor esteja operando em uma determinada condição satisfatória de operação e a resistência do processo aumente gradualmente, passando do ponto 1 para o ponto 2 (observe no gráfico a seguir), inicialmente, o compressor manterá o fluxo, aumentando a pressão de descarga. Em conseqüência, a razão de compressão irá aumentar, causando redução da vazão com queda da velocidade interna do ar. Sabendo-se que a velocidade interna é essencial para o processo de difusão (difusor), certamente uma vazão mínima está diretamente relacionada a uma velocidade mínima e associada a uma determinada razão de compressão máxima (ponto 3 do gráfico a seguir). Isso proporcionará uma inversão de fluxo na aspiração, conhecida como bombeamento ou surge que, dependendo da severidade, pode causar sérios danos ao compressor. Esse fenômeno pode ser evitado por uma aplicação de circuito de controle anti-surge.

90

Em operação normal, ou seja, próxima da vazão nominal, não existe o risco de atingir a linha limite de surge. Durante a partida, o compressor axial estará sujeito ao fenômeno de surge na aspiração, e na descarga, ao fenômeno de alta vazão, também conhecido por stonewall ou parede de pedra.

Linha limite de surge Rptot Compressor

Área de surge

3

2 Range de Operação 1 Normal

Área de Stonewall 3

2

1

Fluxo de admissão

Gráfico de limites operacionais do compressor axial

Resistência do processo

Capítulo 3. Compressores axiais

Aparentemente, esse fenômeno contraditório pode ser explicado considerando as três Leis do Fan, que são as leis que norteiam o projeto e a operação dos compressores dinâmicos. São elas: • O volume aspirado pelo compressor é diretamente proporcional à rotação; • A razão de compressão é diretamente proporcional ao quadrado da rotação; • A potência de compressão é diretamente proporcional ao cubo da rotação. Por causa do volume excessivo nos últimos estágios, os compressores poderiam não escoar o fluxo e resultar em resistência do processo para os estágios de baixa pressão. A condição nominal de operação do compressor é para a rotação de 100%. Quando se opera abaixo dessa rotação, é preciso aplicar as Leis do Fan e a equação do processo de compressão para comparar as condições nas quais o compressor ficará submetido. Para entender melhor, como exemplo, cabe observar a seguinte situação e os cálculos apresentados, onde: P1 = pressão de admissão; P2 = pressão de descarga; V1 = volume de admissão; V2 = volume de descarga; T1 = temperatura de admissão; T2 = temperatura de descarga; k = coeficiente isoentrópico.

91

Alta Competência

Admissão

P1

P2

V1

V2 Descarga

T2

T1

2

1

Compressor

a) Para a condição de 100% de rotação, temos: V1 = 40 m3 / s;

92

P1 = 1 bar; K = 1,4; P2 = 22 bar; V2 = ? b) Pela lei dos gases perfeitos para compressão, podemos calcular: P1 . V1K = P2 . V2K 1 . 401,4 = 22 . V21,4 V2 = 4,4 m3 / s

Capítulo 3. Compressores axiais

c) Para a rotação de 50%, teremos: V1 = 20 m3 / s (1a Lei do Fan, 50% da rotação nominal corresponde a 50% da vazão nominal); P1 = 1 bar; P2 = 22/4 = 5,5 bar (2a Lei do Fan, metade da rotação nominal corresponde a um quarto da razão de compressão); V2 = ? P1 . V1K = P2 . V2K; 1 . 201,4 = 5,5 . V21,4; V2 = 5,9 m3 / s. Dessa forma, podemos concluir que, para a rotação de 50%, a vazão volumétrica na descarga é 30% maior do que para a rotação de 100% e a vazão da sucção é 50% da vazão da rotação de 100% .

93

Alta Competência

3.5. Exercícios 1) Marque a resposta correta que complemente as lacunas do texto: Cada estágio do compressor axial é composto por um anel com _____________________e um anel com _________________. O anel com _____________________é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nessa etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de __________________tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a conversão da energia de velocidade em energia de pressão. (

) palhetas rotoras, aletas estatoras, palhetas rotoras e aletas estatoras.

(

) aletas estatoras, palhetas rotoras, aletas estatoras palhetas rotoras.

(

) palhetas rotoras, palhetas rotoras, aletas estatoras e aletas estatoras.

(

) palhetas rotoras, aletas estatoras, aletas estatoras e palhetas rotoras.

94

e

Capítulo 3. Compressores axiais

2) Identifique os componentes do compressor axial na figura. ( 1 ) Palheta guia de entrada (VIGVs); ( 2 ) Compressor (conjunto rotor com eixo e palhetas rotoras); ( 3 ) Carcaça do compressor (com palhetas estatoras); ( 4 ) Conjunto de admissão de ar. ( (

)

(

)

)

95 (

)

3) Coloque V (verdadeiro) ou F (falso) para cada uma das afirmativas a seguir: (

) As bleed valves ficam fechadas durante a partida do compressor axial.

(

) As bleed valves operam abertas durante as partidas e aceleração do compressor axial.

(

) As VIGVs são responsáveis pelo controle de capacidade do compressor axial.

(

) Em alguns tipos de compressores axiais as VIGVs atuam como válvulas anti-surge e também como controle de capacidade.

Alta Competência

4) Identifique os limites operacionais do compressor axial no gráfico a seguir: 1. Ponto de operação normal; 2. Ponto de operação próximo ao limite de surge; 3. Ponto limite de surge.

Rptot

Área de surge

96 Área de stonewall 3

2

1

Fluxo de admissão

Capítulo 3. Compressores axiais

3.6. Glossário Aleta estatora - pequena aleta fixada à carcaça do compressor (parte do compressor axial que não gira durante o funcionamento). Bleed valve - válvula anti-surge dos compressores axiais e alivia o ar para a atmosfera. Ciclo termodinâmico - etapas consecutivas de processos físicos fechando um ciclo. Craqueamento catalítico - processo para o refino de hidrocarbonetos. Fluido motriz - fluido que faz mover, que imprime movimento motor. IGV - Inlet Guide Vanes - aletas guias de entrada. Máquina operatriz - máquina acionada por algum tipo de motor. Motriz - que ou aquela que faz mover, que imprime movimento motor: força motriz. OGV - Outlet Guide Vanes - Aleta Guias de Saída. Palheta - lâmina montada no eixo do compressor axial, sendo responsável pela aceleração do gás. VIGV - aleta guia variável de entrada, é fixa na carcaça do compressor axial e é basculante.

97

Alta Competência

3.7. Bibliografia RODRIGUES, Paulo Sérgio B. Compressores Industriais. Rio de Janeiro: Editora Didática e Científica (EDC), 1991. VALADÃO, Cleuber Pozes. Turbocompressores – TOP. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro. Macaé, 2007.

98

Capítulo 3. Compressores axiais

3.8. Gabarito 1) Marque a resposta correta que complemente as lacunas do texto: Cada estágio do compressor axial é composto por um anel com palhetas rotoras e um anel com aletas estatoras. O anel com palhetas rotoras é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. É nessa etapa que o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a conversão da energia de velocidade em energia de pressão. ( X ) palhetas rotoras, aletas estatoras, palhetas rotoras e aletas estatoras. (

)

aletas estatoras, palhetas rotoras, aletas estatoras e palhetas rotoras.

(

)

palhetas rotoras, palhetas rotoras, aletas estatoras e aletas estatoras.

(

)

palhetas rotoras, aletas estatoras, aletas estatoras e palhetas rotoras.

2) Identifique os componentes do compressor axial na figura.

99

( 1 ) Palheta guia de entrada (VIGVs); ( 2 ) Compressor (conjunto rotor com eixo e palhetas rotoras); ( 3 ) Carcaça do compressor (com palhetas estatoras); ( 4 ) Conjunto de admissão de ar. (2) (4)

(1)

(3)

Alta Competência

3) Coloque V (verdadeiro) ou F (falso) para cada uma das afirmativas a seguir: (F)

As bleed valves ficam fechadas durante a partida do compressor axial. Justificativa: falsa porque as bleed valves ficam abertas nas partidas e nas paradas.

(V)

As bleed valves operam abertas durante as partidas e aceleração do compressor axial.

(V)

As VIGVs são responsáveis pelo controle de capacidade do compressor axial.

(V)

Em alguns tipos de compressores axiais as VIGVs atuam como válvulas anti-surge e também como controle de capacidade.

4) Identifique os limites operacionais do compressor axial no gráfico a seguir: 1. Ponto de operação normal; 2. Ponto de operação próximo ao limite de surge; 3. Ponto limite de surge. Rptot

100

Área de surge

3 2 1

Área de Stonewall 3

2

1

Fluxo de admissão

Capítulo 4 Compressores de parafuso

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Descrever o princípio de funcionamento dos compressores de parafuso e identificar seus componentes; • Identificar as finalidades do circuito de lubrificação.

Alta Competência

102

Capítulo 4. Compressores de parafuso

4. Compressores de parafuso

O

s compressores de parafuso são do grupo dos compressores volumétricos rotativos e empregados para baixas vazões. Apresentam como vantagens o baixo custo de manutenção e operação em relação aos alternativos e possuem maior relação peso x potência. A capacidade desses compressores pode ser de até 42 mil m3/h (até maior, em alguns casos), com a pressão de descarga entre 1 a 10 bar para compressores em apenas um estágio. Unidades especiais podem atingir 17 bar e compressores em vários estágios ainda podem ir a maiores pressões.

4.1. Princípio de funcionamento 103 A compressão é obtida com o gás sendo admitido através da câmara de entrada para preencher o espaço entre os lóbulos adjacentes dos rotores. Quando os rotores estão em funcionamento, esse espaço se move para a frente da câmara, vedando o espaço proveniente da entrada. À medida que a rotação continua, o espaço ocupado pelo gás é reduzido, causando a compressão. O gás é descarregado quando exposto à câmara de saída. O ciclo de compressão pode ser visualizado na ilustração a seguir: Sucção

Compressão

Compressão completa

Descarga

Ciclo de compressão em um compressor de parafuso

Os rotores diferem na forma e são identificados pelos títulos de “macho” e “fêmea”. O rotor macho possui quatro lóbulos em forma de uma hélice ao longo do corpo do rotor. De modo parecido, o rotor fêmea possui seis sulcos formados no lado oposto da hélice em relação ao rotor macho (ver figura anterior).

Alta Competência

Nos compressores de parafusos, a compressão é realizada pela máquina, portanto, progressivamente, ou seja, é possível ter um fluxo inverso de gás no seu interior através do giro no sentido contrário dos fusos. Esses compressores podem ser dos tipos: seco ou molhado com óleo de lubrificação. No caso dos compressores de parafuso do tipo seco, os parafusos são acionados simultaneamente por um conjunto de engrenagens, em que o rotor macho é acionado pelo motor e este aciona o rotor fêmea através da engrenagem. Nessa configuração, os rotores não se tocam e, por isso, não é necessária a lubrificação entre os rotores.

104

Já nos compressores de parafuso molhado, o rotor macho é acionado pelo motor, que aciona o rotor fêmea através da interferência entre si, isto é, o rotor macho aciona diretamente o rotor fêmea. Por causa dessa interferência, é necessária a injeção de óleo de lubrificação para formar uma película entre os rotores. O gás de entrada é misturado ao óleo lubrificante no interior da carcaça do compressor. Esse óleo auxilia na lubrificação dos fusos e refrigera os componentes internos da máquina, contribuindo, também, para o controle de temperatura da descarga, o que torna possível alcançar a taxa de compressão requerida com apenas um estágio. Performance: A eficiência total, incluindo a de compressão (isoentrópica) e a mecânica, está entre 70 a 75%, em média, sendo tanto maior quanto: a) Maior for a rotação; b) Maior for o compressor. As rotações mais comuns são de 1.800 a 3.600 rpm, limitadas pelas engrenagens.

Capítulo 4. Compressores de parafuso

ATENÇÃO Modelos especiais podem atingir até 12.000 rpm.

4.2. Principais componentes Os compressores de parafuso são compostos, basicamente, por dois rotores embutidos em uma carcaça de ferro fundido, uma carcaça principal, uma carcaça de entrada e outra de saída. As dimensões dos rotores são tais que, quando posicionados na distância apropriada da linha de centro, irão se comportar de maneira semelhante a de um par de engrenagens helicoidais. Os rotores são equipados com mancais radiais, mancais axiais e pistão de balanceamento. O rotor macho é acionado pelo motor através de um acoplamento. A selagem do eixo na sua extremidade é feita com um selo mecânico para evitar vazamento de óleo e gás. O controle da capacidade é alcançado através de uma válvula de controle modular (slide-valve) que altera o ponto no comprimento do rotor no qual a compressão se inicia. O cilindro hidráulico aciona a slide-valve (válvula de controle modular) automaticamente, usando o óleo lubrificante do compressor, sob pressão, como fluido hidráulico. O perfil assimétrico dos rotores confere alta eficiência de compressão. O desgaste nos rotores é irrelevante, pois eles são lubrificados e as bordas de ataque não entram em contato com o alojamento interno do bloco compressor.

105

Alta Competência

Observe os componentes do compressor de parafuso na ilustração a seguir: Mancal de escora

Selo mecânico

Acoplamento

Mancal radial Rotor macho Mancal radial Pistão de balanceamento

Cilindro Hidráulico

Rotor fêmea

Carcaça

106

4.3. Circuito de controle de capacidade O controle de capacidade consiste em reciclo externo e reciclo interno. O reciclo externo é projetado para operar de 0 a 10% e é composto por uma linha equipada com uma válvula de controle, que interliga a descarga com a sucção. Já o reciclo interno é responsável pelo controle de capacidade de 10 a 100%, sendo composto pela slidevalve (dispositivo móvel no fundo da carcaça principal), construída de modo a proporcionar capacidade máxima ao compressor quando se move totalmente em direção à entrada. Quando a válvula é movida em direção à saída, o ponto na carcaça no qual a compressão se inicia é movido para a saída, reduzindo o volume efetivo a ser comprimido. Isso é análogo à redução do curso de um compressor alternativo. A slide-valve é conectada diretamente à haste do pistão, que desliza dentro do cilindro hidráulico fixado na carcaça de saída do compressor. O pistão é atuado através do óleo lubrificante alimentado pelo coletor do compressor, por um lado ou outro do pistão.

Capítulo 4. Compressores de parafuso

Sucção

Sucção

Rotor

Sucção

Rotor

Rotor

Descarga

Descarga

Descarga

Slide-valve Para o lado de entrada

Para o lado de entrada

Rotor Macho Rotor Fêmea Slide-valve Cilindro hidráulico

O circuito de controle de capacidade se dá através de um PIC, que monitora a pressão de sucção do compressor. O sinal de saída é splitrange (sinal dividido para dois elementos finais de controle), sendo o range de 0 a 12 mA para a válvula de controle do reciclo externo e de 12 a 24 mA para a slide-valve.

?

VOCÊ SABIA? O compressor de parafuso foi uma inovação importante, desenvolvida por Patrik Danielsson e Alf Lysholm, em 1955. Três anos depois, Iwan Åkerman desenvolveu o compressor de parafuso isento de óleo. Em 1967, Ivar Trulsson projetou o bem sucedido compressor estacionário do tipo ZR, também isento de óleo e com acionamento elétrico. No mesmo ano, a Atlas Copco apresentou um compressor de parafuso portátil, que produzia ar comprimido isento de óleo. Isso significa que não era injetado óleo na câmara de compressão, uma inovação que se tornou a base para o desenvolvimento de uma série de compressores estacionários com acionamento elétrico.

107

Alta Competência

4.4. Circuito de lubrificação O circuito de óleo de lubrificação do compressor de parafuso molhado tem as seguintes finalidades: • Lubrificar os rotores, os mancais e o selo mecânico; • Selagem entre o rotor e a carcaça; • Resfriamento do gás em compressão; • Acionamento hidráulico da slide-valve.

108

A longevidade da operação do compressor de parafuso depende da sua lubrificação. A temperatura, a viscosidade e a filtragem adequadas do óleo, segundo as especificações do projeto, são fatores preponderantes para a qualidade da lubrificação. Uma vez que o circuito de lubrificação a óleo não é completamente fechado, em razão da mistura do óleo com gás do processo, torna-se imperativo filtrar o óleo antes de retornar para o compressor. O óleo lubrificante é filtrado por um elemento filtrante, construído com fibras sintéticas capazes de reter partículas de até 10 microns. Cada circuito de lubrificação é composto por filtros de óleo duplos cilíndrico-verticais, com válvula de transferência de seis vias. A qualquer tempo em que a pressão diferencial no elemento atingir 100 Kpad, o(s) elemento(s) deve(m) ser substituído(s).

Capítulo 4. Compressores de parafuso

Separador e coalescedor secundário

Filtro de gás

Para o processo

Compressor Vaso depurador de sucçao

Do processo Separador gás/óleo e reservatório de óleo

Bomba de óleo

Filtro de óleo

Resfriador de óleo

Válvula controladora de pressão

Circuito de óleo de lubrificação

Este circuito é composto por: • Separador gás/óleo e Reservatório de óleo – Vaso na descarga do compressor que recebe o gás em mistura com o óleo e processa a separação dos dois, servindo como reservatório de óleo; • Bombas – Em geral são duas, do tipo deslocamento positivo, equipadas com PSV; • Resfriador de óleo – Função de adequar a temperatura do óleo para que fique 5 ºC acima da temperatura do gás na sucção do compressor; • Válvula de controle da pressão diferencial entre o gás e o óleo da descarga das bombas – Mantém a pressão do óleo acima da pressão do gás em 2 bar; • Filtro de óleo – Tem a função de reter partículas maiores que 10 micra para garantir óleo limpo para ser injetado no compressor.

109

Alta Competência

4.5. Exercícios 1) Marque a resposta correta que complete as lacunas do texto: O compressor de parafuso consiste basicamente de dois _______________ embutidos em uma carcaça de ferro fundido, uma carcaça principal, uma carcaça de entrada e outra de saída. Os rotores diferem na forma e são identificados como “macho” e “fêmea”. O _______________ possui quatro lóbulos em forma de uma hélice ao longo do corpo do rotor. Semelhantemente, o ______________ possui seis sulcos formados no lado oposto da hélice em relação ao outro. ( ( ( (

110

) impelidores, rotor macho e rotor fêmea ) rotores, rotor macho e rotor fêmea ) rotores macho, rotor fêmea e rotor macho ) diafragmas, rotor fêmea e rotor macho

Capítulo 4. Compressores de parafuso

2) Identifique na ilustração os seguintes componentes do compressor de parafuso: • Acoplamento • Carcaça • Rotor fêmea • Cilindro hidráulico • Pistão de balanceamento • Mancal radial • Rotor macho • Mancal de escora • Selo mecânico

111

Alta Competência

3) Com relação ao circuito de óleo de lubrificação, marque a resposta correta: (

)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de lubrificar o rotor, mancal e selo mecânico.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem finalidade de lubrificar o rotor, mancal e selo mecânico; selagem entre o rotor e a carcaça; resfriamento do gás em compressão e acionamento da slide-valve.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de lubrificar a slide-valve.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de comandar, hidraulicamente, a slide-valve.

4) Correlacione a primeira coluna de acordo com a segunda.

112

( a ) Vaso da descarga ( do compressor.

)

Componente do circuito de controle de capacidade que controla a capacidade de 0 a 10%.

( b ) Válvula controlado- ( ra da pressão diferencial entre o gás e o óleo (PDCV).

)

Componente do circuito de óleo de lubrificação, que promove o controle da pressão da descarga da bomba.

(c)

(

)

Componente do circuito de óleo de lubrificação, que serve de reservatório para o óleo.

( d ) Válvula de controle ( da pressão de sucção instalada na linha de reciclo externo.

)

Componente do controle de capacidade que controla a capacidade do compressor de 10 a 100%.

Slide-valve.

Capítulo 4. Compressores de parafuso

4.6. Glossário Câmara de compressão - parte interna do cilindro. Isoentrópica - processo de compressão adiabática, ou seja, compressão sem troca de calor. Lóbulo - parte convexa do rotor macho. PIC - controlador e indicador de pressão. PSV - válvula de segurança. Range - faixa. Slide-valve - válvula de controle de capacidade, que faz parte integrante do compressor de parafuso lubrificado e controla a capacidade do compressor de 10 a 100%. Split-range - estratégia de controle quando se tem mais de um elemento final de controle para um controlador e o range de atuação de cada elemento de controle é escalonado. Sulco - parte côncava do rotor fêmea.

113

Alta Competência

4.7. Bibliografia RODRIGUES, Paulo Sérgio B. Compressores Industriais. Rio de Janeiro: Editora Didática e Científica (EDC), 1991. VALADÃO, Cleuber Pozes. Turbocompressores – TOP. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2007.

114

Capítulo 4. Compressores de parafuso

4.8. Gabarito 1) Marque a resposta correta que complete as lacunas do texto: O compressor de parafuso consiste basicamente de dois rotores embutidos em uma carcaça de ferro fundido, uma carcaça principal, uma carcaça de entrada e outra de saída. Os rotores diferem na forma e são identificados como “macho” e “fêmea”. O rotor macho possui quatro lóbulos em forma de uma hélice ao longo do corpo do rotor. Semelhantemente, o rotor fêmea possui seis sulcos formados no lado oposto da hélice em relação ao outro. (

) impelidores, rotor macho e rotor fêmea

( X ) rotores, rotor macho e rotor fêmea (

) rotores macho, rotor fêmea e rotor macho

(

) diafragmas, rotor fêmea e rotor macho

2) Identifique na ilustração os seguintes componentes do compressor de parafuso: • Acoplamento • Carcaça

115

• Rotor fêmea • Cilindro hidráulico • Pistão de balanceamento • Mancal radial • Rotor macho • Mancal de escora • Selo mecânico Mancal de escora

Rotor macho

Selo mecânico

Acoplamento

Mancal radial

Mancal radial Pistão de balanceamento

Cilindro Hidráulico

Rotor fêmea

Carcaça

Alta Competência

3) Com relação ao circuito de óleo de lubrificação, marque a resposta correta: (X)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de lubrificar o rotor, mancal e selo mecânico.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem finalidade de lubrificar o rotor, mancal e selo mecânico; selagem entre o rotor e a carcaça; resfriamento do gás em compressão e acionamento da slide-valve.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de lubrificar a slide-valve.

(

)

O circuito de óleo de lubrificação tem a finalidade de comandar, hidraulicamente, a slide-valve.

4) Correlacione a primeira coluna de acordo com a segunda.

116

(a)

Vaso da descarga do compressor.

(d)

Componente do circuito de controle de capacidade que controla a capacidade de 0 a 10%.

(b)

Válvula controladora da pressão diferencial entre o gás e o óleo (PDCV).

(b)

Componente do circuito de óleo de lubrificação, que promove o controle da pressão da descarga da bomba.

(c)

Slide-valve.

(a)

Componente do circuito de óleo de lubrificação, que serve de reservatório para o óleo.

(d)

Válvula de controle da pressão de sucção instalada na linha de reciclo externo.

(c)

Componente do controle de capacidade que controla a capacidade do compressor de 10 a 100%.

Capítulo 5 Compressores alternativos

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Descrever o princípio de funcionamento dos compressores alternativos e identificar seus componentes; • Diferenciar os tipos de controle de capacidade dos compressores alternativos.

Alta Competência

118

Capítulo 5. Compressores alternativos

5. Compressores alternativos

O

s compressores alternativos operam em regime intermitente, através do movimento alternado do pistão dentro do cilindro. Em algumas aplicações, o resfriamento do gás é efetuado simultaneamente à compressão. Nesses casos, o resfriamento se dá pela água que escoa pela camisa que envolve o cilindro. Dessa forma, a temperatura de descarga é reduzida em relação à mesma razão de compressão sem o esfriamento. O ciclo do compressor alternativo está representado a seguir, no diagrama de pressão X volume do cilindro, pois, como será possível constatar, esse diagrama facilita bastante o cálculo do trabalho de compressão. Observe que a cada volume do gás (volume do cilindro) corresponde uma posição do pistão. A palavra “ciclo” refere-se ao fato de que, a cada rotação do girabrequim (360º), ocorre a mesma sucessão de etapas (sucção/ compressão/descarga/expansão) com o gás que preenche o cilindro, não significando, obviamente, que o gás complete um ciclo termodinâmico.

PD Sistema

PRESSÃO

PD Interna

Trabalho Perdido

Pd Sistema – pressão de descarga do sistema

vD VOLUME vS CR > P1

Diagrama de pressão x volume do cilindro

Pd Interna – pressão de descarga interna no cilindro Vs – volume na sucção Vd – volume na descarga

119

Alta Competência

P

3

2

Descarga

mp

Co nsã

ão ans

r ee

Exp

o Sucção

4

Vmin

1

Vmax

Ciclo termodinâmico

120

5.1. Princípio de funcionamento O princípio de funcionamento de um compressor alternativo se dá em um ciclo de quatro etapas, a saber: Sucção 4 ~ 1 - Quando o pistão se desloca, a válvula de sucção abre, permitindo a entrada do volume Vs de gás no cilindro, na pressão PI sucção, a mesma do reservatório de sucção. Compressão 1 ~ 2 - Com as válvulas de sucção e descarga fechadas, o pistão comprime o gás segundo uma transformação politrópica. Quando o gás atinge a pressão P2’, abre-se a válvula de descarga, permitindo a saída do gás para o reservatório de descarga. Descarga 2 ~ 3 - O pistão desloca todo o gás que estava contido no cilindro para o reservatório de descarga a uma pressão constante P2 igual à pressão do reservatório.

Capítulo 5. Compressores alternativos

Expansão 3 ~ 4 - Contendo o cilindro uma massa infinita de gás no ponto 3, ao se deslocar ligeiramente o pistão, haverá uma rápida expansão desse gás. Ao atingir o gás a pressão PI igual à pressão do reservatório de sucção, abre-se a válvula de sucção, o cilindro recebe nova massa de gás no curso 4 ~ 1 e os processos se repetem. • Volume aspirado (Vasp) - É o volume de gás nas condições de sucção que é retirado do reservatório de sucção pelo cilindro a cada rotação do girabrequim.

5.2. Principais componentes Os principais componentes dos compressores alternativos são: • Carter; • Girabrequim ou eixo de manivela; • Biela; • Cilindro; • Êmbolo ou pistão; • Válvula de admissão ou sucção; • Válvula de descarga. No compressor alternativo de duplo efeito existem duas câmaras de compressão trabalhando em paralelo, cada uma delas limitada por uma face do pistão. Observe, na ilustração a seguir, a disposição dos componentes em um compressor alternativo:

121

Alta Competência

Volante

Girabrequim ou eixo de manivela

Admissão

Biela

Peça de distanciamento

Coletor de sucção

Anel limpador Haste de óleo

Válvula de sucção

Pistão

Cruzeta

Selo de haste Fundação

Indicador de nível de óleo

Descarga

Válvula de descarga

Camisas de água de resfriamento

Componentes de um compressor alternativo

122

Vale acrescentar que existe o compressor alternativo de duplo efeito, que possui dois cilindros dispostos a 180º um do outro, em que as bielas são acionadas pelo mesmo girabrequim. Nesse compressor de duplo efeito, existem duas câmaras de compressão trabalhando em paralelo, cada uma delas limitada por uma face do pistão. Admissão Óleo do lubrificador

Válvula fechada

Engaxetamento da haste

Água de resfriamento

Haste do pistão

Válvula aberta Descarga

Esquema de câmara de compressão com duplo-efeito

Capítulo 5. Compressores alternativos

Para que possa haver a vedação da câmara do lado do girabrequim é necessário que o pistão seja movimentado pela haste guiada, articulada na biela. As características desta construção são: • Torque mais regular - a cada volta do girabrequim, são efetuados dois ciclos de compressão; • Grandes capacidades - observar apenas que um cilindro de duplo efeito não tem o dobro da capacidade de um de simples efeito de mesmo tamanho, em razão do volume ocupado pela haste (a diferença é sensível na maioria dos casos); • Esforços laterais do pistão (anéis) contra o cilindro são muito reduzidos; • Contato lubrificante-gás pode ser mais eficientemente evitado; • Construção mais complexa. Os compressores de duplo efeito são muito empregados para serviços de maior responsabilidade, como processos industriais e centrais de ar comprimido. Quanto à disposição dos cilindros, os compressores alternativos podem ser: a) Horizontais: • Facilidade de acesso, principalmente às válvulas; • Ocupam muito espaço e exigem maiores fundações; • Esforços laterais sobre os anéis do pistão.

123

Alta Competência

b ) Verticais: • Acesso mais difícil; • Menores fundações e espaço ocupado; • Lubrificação mais fácil. Em compressores muito grandes, o peso do pistão poderia causar cargas adicionais sensíveis nas peças acionadoras. Nesses casos, são usados os cilindros horizontais.

124

Compressores alternativos de duplo efeito com cilindros horizontais

5.3. Circuito de controle de capacidade A característica de performance de um compressor alternativo para uma determinada rotação é a vazão, que é praticamente constante para uma grande faixa de pressões. Quando um compressor alternativo atua em um circuito como, por exemplo, uma central de ar comprimido, que requer pressão de descarga constante para qualquer vazão de consumo, o compressor em si não conseguirá atender às necessidades características do circuito.

Capítulo 5. Compressores alternativos

Torna-se necessário dotar o compressor de um sistema de controle de capacidade que possibilite variar a vazão para que, a cada instante, se possa manter uma variável qualquer no valor desejado (pressão de descarga, vazão em massa fornecida ao circuito) ou, sendo mais realista, dentro da faixa desejada. 5.3.1. Tipos de controle de capacidade As características requeridas pelo circuito irão definir o tipo do circuito de controle. a) Variação de rotação do compressor A vazão em volume é proporcional à rotação do compressor. Para uma variação na rotação: • As eficiências de compressão e mecânica e o rendimento volumétrico permanecem praticamente os mesmos; • A potência necessária no eixo é proporcional à rotação; • A potência necessária no eixo por unidade de massa de gás permanece a mesma. Esse último item evidencia que a variação de rotação é um meio bastante eficiente de controle de capacidade do compressor, porque é fornecida ao gás a energia necessária para o seu deslocamento. Os acionadores mais comuns que permitem variação de rotação são: • Turbinas a vapor ou a gás – de 80 a 110% da rpm nominal, para um controle eficiente; • Motor de combustão interna – de 50 a 110% da rpm nominal; • Motor de indução de rotor bobinado – até 60% da rpm nominal;

125

Alta Competência

• Motor de indução com rotor em gaiola com acoplamento hidráulico – o acoplamento tem baixa eficiência para rpms diferentes da nominal. O uso de acionadores é limitado, porque a potência total entregue pelo motor é basicamente constante em todas as faixas de rotações. Quando a rotação é menor, parte da potência fornecida deixa de ser entregue pelo motor para ser consumida pelo reostato. b) Estrangulamento na sucção Nesse caso, o gás na sucção é estrangulado por uma válvula manual ou automática. A pressão na entrada do compressor varia com maior ou menor estrangulamento.

126

Embora o controle por estrangulamento da sucção possa ser feito até vazão nula, é bastante limitado - até 5% - pois causaria temperatura de descarga excessiva, além de aumento da potência necessária para razão de compressão menor do que 3. É fácil verificar que esse controle não é muito eficiente, pois existem perdas de energia disponível do fluido no estrangulamento, causando um aumento do trabalho necessário por unidade de massa do gás. Nesse tipo de controle de capacidade, a válvula de estrangulamento na sucção pode ser comandada para controlar a pressão de sucção ou de descarga. c) Recirculação ou descarga para atmosfera Quando é requerida uma vazão menor que a fornecida pelo compressor, uma parte desta pode ser recirculada da descarga para a sucção através de uma linha equipada com uma válvula de controle. Estando o gás na descarga em temperatura mais alta que na sucção, é necessário que haja um resfriamento do gás recirculante. Caso contrário, as temperaturas de sucção e descarga aumentariam progressivamente, até atingir a temperatura de parada do compressor.

Capítulo 5. Compressores alternativos

Se houver um resfriador na descarga, a tomada de gás deve ser feita após o permutador. Se houver um na sucção, a entrada do gás reciclado deverá ser feita antes do permutador. Se não existirem esses permutadores, pode ser usado ainda um resfriador na própria linha de reciclo. Para relações de compressão muito baixas, pequenas vazões de recirculação ou durante pequenos períodos, não é necessário o resfriamento. Quando a válvula de reciclo é operada por instrumentos, os cilindros do compressor deverão ser superdimensionados, porque mesmo com 100% de vazão sendo enviada para consumo, a válvula deverá estar levemente aberta para permitir o controle nessa vazão. A recirculação é um método de controle pouco econômico, pois a potência consumida é constante, independente do fato de a vazão realmente entregue para consumo ser menor. Em compressores de vários estágios, para evitar um consumo de potência mais alto, em geral faz-se recirculação no primeiro estágio. Para ar ou gases não perigosos e baratos a descarga é simplesmente feita para a atmosfera. d) Variação do espaço morto ou nocivo A folga existente entre o pistão e o cilindro quando o pistão está no final do curso é chamada de espaço morto ou nocivo. A variação do espaço morto de um cilindro pode ser conseguida de duas maneiras: • Variação contínua; • Variação descontínua.

127

Alta Competência

Existem um ou mais volumes em conexão com o cilindro, mas normalmente bloqueados por plugs. O levantamento de cada plug causa um novo valor para o espaço morto. A variação descontínua é facilmente adaptada para controle automático. Até agora, a variação contínua do espaço morto controlada automaticamente tem sido muito pouco explorada comercialmente. Em compressores de estágios, para evitar alterações nas pressões intermediárias, todos os estágios devem possuir volumes disponíveis para variação do espaço morto, de maneira que a mesma variação de vazão ocorra para todos os estágios, mantendo as relações de compressão previstas para os estágios.

128

O controle de capacidade pelo espaço nocivo é muito eficiente, pois mantém aproximadamente o mesmo trabalho consumido por unidade de massa do gás. Por outro lado, os compressores de processo, em geral, necessitam apenas de pequenas variações na vazão fornecida, portanto o número e o volume dos espaços mortos necessários em um cilindro são mínimos. O controle através da variação do espaço morto tende, contudo, a se tornar impraticável para razão de compressão menor que 1,8 porque, nesse caso, os espaços mortos deverão ser muito grandes para que reduções suficientes de vazão (baixos rendimentos volumétricos) sejam alcançadas. e) Alívio nas válvulas de sucção Um cilindro ou uma das câmaras de um cilindro de duplo efeito pode ter a vazão fornecida reduzida a zero, se forem mantidas abertas as válvulas de sucção. Isso permite ao gás no cilindro retornar à sucção durante o ciclo de compressão, com um mínimo consumo de potência por esse cilindro. Um cilindro de duplo efeito pode ter a vazão reduzida a 50% ou anulada, aliviando respectivamente as válvulas de sucção de uma câmara ou de ambas.

Capítulo 5. Compressores alternativos

O alívio é feito mecanicamente por um garfo comandado manual ou automaticamente. Esse tipo de controle é desvantajoso em dois pontos: • Não é gradual; • Desbalanceia o compressor, pois no cilindro no qual foram aliviadas as válvulas de sucção, a pressão do gás permanece em valores muito baixos, causando forças no girabrequim que desequilibram as dos outros cilindros. Todos os estágios - em compressores com vários estágios - deverão ter suas capacidades reduzidas proporcionalmente. Quanto ao tipo, as válvulas podem ser: • Automáticas: a sua abertura ou fechamento se faz pela diferença entre a pressão do reservatório de gás, com o qual ela comunica o cilindro, e a pressão interna do gás no cilindro. Esse tipo de válvula é o mais usado. Os tipos de válvulas automáticas mais comuns são de: • Lâminas elásticas planas; • Lâminas elásticas curvas.

Válvula (Calha) Assento da válvula

Batente

Lâminas elásticas planas

129

Alta Competência

Lâminas elásticas curvas

130

Lâminas elásticas curvas

POPPET

• Comandadas: abertura comandada por um eixo de cames engrenado ao girabrequim. A abertura e o fechamento dessas válvulas se fazem, portanto, sempre para uma mesma posição do pistão, independente de quais sejam as pressões no cilindro ou no reservatório. f) Sistemas combinados Um sistema de controle de vazão bastante empregado em cilindros de duplo efeito combina a variação do espaço morto com o alívio das válvulas de sucção. Esse controle é capaz de fornecer 0, 25, 50, 75 e 100% de vazão nominal.

Capítulo 5. Compressores alternativos

g) Parada e partida do acionador Usado para compressores de ar acionados por motor elétrico ou motor de combustão interna. Para motores elétricos, esse sistema é empregado para potências até 100 HP – principalmente até 10 HP – pois, para motores maiores, os cuidados na partida tornam-se cada vez mais problemáticos ou para sistemas que provoquem um pequeno número de paradas. Nesse tipo de controle, um sinal proveniente de um controlador da pressão do reservatório de descarga atua uma chave de contato que faz partir o compressor quando a pressão cai a um nível tal como 90 psig e desliga o acionador quando a pressão atinge 105 psig (para ar comprimido em pressão de 100 psig). 5.3.2. Problemas de partida O compressor alternativo exige alto torque de partida. O torque do motor deve ser suficiente para vencer o torque resistente por causa da compressão do gás e ainda possibilitar a aceleração do conjunto até a rotação nominal. Os motores elétricos apresentam alta corrente de partida (até nove vezes a corrente nominal), portanto, um tempo de partida muito longo pode causar danos ao motor. As seguintes medidas são tomadas para evitar prejuízos ao motor elétrico durante a partida do compressor: a) Diminuição da corrente de partida, através de: • Chave de redução de tensão: não se pode diminuir muito a tensão, pois o torque de partida é proporcional ao quadrado da tensão; • Motor especial com baixa corrente de partida; • Motor de maior tensão nominal.

131

Alta Competência

Exemplo: I nom.

I partida

HP

Tensão (V)

(A)

(A)

250

2300

68

350

125

440

160

915

b) Diminuição do torque resistente, possibilitando menor tempo de partida (até atingir a rotação de regime). Existem vários modos:

132

• Recirculação de gás da descarga para a sucção: nesse caso, a tubulação de reciclo deve ser bastante ampla, para uma velocidade de 100 ft/s; • Algumas vezes, o reciclo é construído no próprio cilindro; • Alívio das válvulas de sucção; • Abrir a descarga para a atmosfera, no caso de ar ou gases de pouco valor; • Fechamento da válvula de bloqueio da sucção. Em compressores portáteis, acionados por motor de combustão interna, uma embreagem é usada entre o motor e o compressor, para poupar a bateria.

5.4. Circuito de lubrificação O circuito de lubrificação de um compressor alternativo industrial é composto de um circuito fechado e um circuito aberto.

Capítulo 5. Compressores alternativos

O circuito de lubrificação fechado é um sistema a óleo sob pressão (lubrificação forçada) e tem a finalidade de suprir óleo para lubrificar os mancais e o girabrequim. O circuito de lubrificação aberto tem a finalidade de lubrificar a cruzeta e os anéis de selagem. A lubrificação é realizada por um sistema de salpicos, no qual o óleo injetado é descarregado junto com o gás. Os cilindros são normalmente lubrificados com um lubrificador mecânico, com uma ou mais injeções em cada cilindro. Esse lubrificador mecânico pode ser acionado por um pequeno motor elétrico ou pelo próprio girabrequim, através de um jogo de engrenagens. Neste último caso, é necessária uma bomba de pré-Iubrificação para a partida da unidade. O material normalmente utilizado é o bronze, havendo injeção de óleo lubrificante para dissipar o calor gerado e funcionar ainda como auxiliar de vedação, devido ao filme de óleo formado. Quando o compressor é do tipo não lubrificado utilizam-se anéis de vedação de teflon ou carvão. • Selagem da haste do pistão: a maioria dos modernos compressores utiliza anéis metálicos para vedação da haste do pistão. Os anéis são presos através de um parafuso passante, construídos em segmentos e apertados contra a haste do pistão por molas circulares.

133

Alta Competência

5.5. Exercícios 1) Com relação ao princípio de funcionamento dos compressores alternativos, marque a resposta correta que complemente as lacunas no texto: Sucção 4 ~ 1 - Quando o pistão se desloca, a ___________________ abre, permitindo a entrada do volume Vs de gás no cilindro, na pressão PI sucção, a mesma do reservatório de sucção. Compressão 1 ~ 2- Com as válvulas de sucção e descarga fechadas, o pistão comprime o gás segundo uma transformação politrópica. O gás, ao atingir a pressão P2’, abre-se a __________________, permitindo a saída do gás para o reservatório de descarga.

134

Descarga 2 ~ 3 - O pistão desloca todo o gás que estava contido no cilindro para o reservatório de descarga a uma pressão constante P2, igual à pressão do reservatório. Expansão 3 ~ 4 - Contendo o cilindro uma massa infinitésima de gás no ponto 3, ao se deslocar ligeiramente o pistão, haverá uma rápida expansão desse gás. Ao atingir o gás a pressão PI, igual à pressão do reservatório de sucção, abre-se a ______________, o cilindro recebe nova massa de gás no curso 4 ~ 1 e os processos se repetem. (a) (b)

Válvula de sucção, válvula de sucção e válvula de descarga. Válvula de descarga, válvula de sucção, válvula de sucção.

(c)

Válvula de sucção, válvula de descarga, válvula de sucção.

Capítulo 5. Compressores alternativos

2) Identifique os seguintes componentes do compressor alternativo na ilustração a seguir: • Girabrequim ou eixo manivela; • Êmbolo ou pistão; • Biela; • Válvula de admissão ou sucção; • Válvula de descarga.

135

Alta Competência

3) Coloque verdadeiro (V) ou falso (F) para cada uma das afirmativas a seguir sobre os tipos de controle de capacidade dos compressores alternativos:

136

(

)

Uma válvula de controle comandada automaticamente é usada com freqüência em compressores com acionadores de rotação constante para manter a pressão constante no vaso de descarga.

(

)

Para ar ou gases não perigosos e baratos é feita simplesmente a descarga para a atmosfera.

(

)

O controle de capacidade pelo espaço nocivo é pouco eficiente porque mantém aproximadamente o mesmo trabalho consumido por unidade de massa do gás.

(

)

(

)

Um circuito de controle de vazão bastante empregado em cilindros de duplo efeito combina a variação do espaço morto com o alívio das válvulas de sucção. O estrangulamento na sucção permite ao gás no cilindro retomar a sucção durante o ciclo de compressão, com um mínimo consumo de potência por esse cilindro.

4) Dentre as afirmativas a seguir, marque a que melhor define o circuito de lubrificação dos compressores alternativos industriais: (

)

O circuito de lubrificação aberto é um circuito a óleo sob pressão (lubrificação forçada).

(

)

O circuito de lubrificação fechado tem a finalidade de lubrificar a cruzeta e os anéis de selagem.

(

)

O circuito de lubrificação fechado tem a finalidade de suprir óleo para lubrificar os mancais e o girabrequim.

(

)

O circuito de lubrificação fechado pode ser feito por sistema de salpicos e o óleo injetado é descarregado junto com o gás.

Capítulo 5. Compressores alternativos

5.6. Glossário Biela - componente que transmite a potência do eixo (movimento rotativo) para o pistão (movimento alternativo). Câmara de compressão - parte interna do cilindro. Camisa - parte interna do cilindro. Carter - parte inferior do motor. Ciclo termodinâmico - etapas consecutivas de processos físicos fechando um ciclo. Corrente de partida - corrente elétrica demandada na partida de motor elétrico, que chega a atingir 9 vezes o valor da corrente nominal. Cruzeta - componente de ligação entre a biela e o pistão. Eixo de came - controla a abertura e fechamento das válvulas de admissão e descarga. Êmbolo - dispositivo que desliza em um e em outro sentido no interior de um cilindro. Girabrequim - eixo com curvas, onde são fixadas as bielas e dessa forma transforma o movimento rotativo em movimento retilíneo alternativo do conjunto pistão-biela de um motor de combustão ou de um compressor alternativo. Mancal - suporte de apoio de eixos. Permutador - trocador de calor, por exemplo, resfriador ou aquecedor. Reostato - resistência variável, que colocada em um circuito, permite modificar a intensidade da corrente elétrica. Torque - força que tende a rodar ou virar objetos.

137

Alta Competência

5.7. Bibliografia RODRIGUES, Paulo Sérgio B. Compressores Industriais. Rio de Janeiro: Editora Didática e Científica (EDC), 1991. VALADÃO, Cleuber Pozes. Turbocompressores - TOP. Apostila. Petrobras. Macaé: 2007

138

Capítulo 5. Compressores alternativos

5.8. Gabarito 1) Com relação ao princípio de funcionamento dos compressores alternativos, marque a resposta correta que complemente as lacunas no texto: Sucção 4 ~ 1 - Quando o pistão se desloca, a válvula de sucção abre, permitindo a entrada do volume Vs de gás no cilindro, na pressão PI sucção, a mesma do reservatório de sucção. Compressão 1 ~ 2 - Com as válvulas de sucção e descarga fechadas, o pistão comprime o gás segundo uma transformação politrópica. O gás, ao atingir a pressão P2’, abre-se a válvula de descarga, permitindo a saída do gás para o reservatório de descarga. Descarga 2 ~ 3 - O pistão desloca todo o gás que estava contido no cilindro para o reservatório de descarga a uma pressão constante P2, igual à pressão do reservatório. Expansão 3 ~ 4 - Contendo o cilindro uma massa infinitésima de gás no ponto 3, ao se deslocar ligeiramente o pistão haverá uma rápida expansão desse gás. Ao atingir o gás a pressão PI, igual à pressão do reservatório de sucção, abre-se a válvula de sucção, o cilindro recebe nova massa de gás no curso 4 ~ 1 e os processos se repetem. ( a ) Válvula de sucção, válvula de sucção e válvula de descarga. ( b ) Válvula de descarga, válvula de sucção, válvula de sucção. ( c ) Válvula de sucção, válvula de descarga, válvula de sucção. 2) Identifique os seguintes componentes do compressor alternativo na ilustração a seguir: • Girabrequim ou eixo manivela • Êmbolo ou pistão • Biela • Válvula de admissão ou sucção • Válvula de descarga Girabrequim ou eixo manivela Biela

Válvula de admissão ou sucção Êmbolo ou Pistão

Válvula de descarga

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Alta Competência

3) Coloque verdadeiro (V) ou falso (F) para cada uma das afirmativas a seguir sobre os tipos de controle de capacidade dos compressores alternativos: (V)

Uma válvula de controle comandada automaticamente é usada com freqüência em compressores com acionadores de rotação constante para manter a pressão constante no vaso de descarga.

(V)

Para ar ou gases não perigosos e baratos é feita simplesmente a descarga para a atmosfera.

(F)

O controle de capacidade pelo espaço nocivo é pouco eficiente, porque mantém aproximadamente o mesmo trabalho consumido por unidade de massa do gás. Justificativa: está errado, pois é bastante eficiente exatamente por manter o mesmo trabalho consumido por unidade de massa do gás.

(V)

Um circuito de controle de vazão bastante empregado em cilindros de duplo efeito combina a variação do espaço morto com o alívio das válvulas de sucção.

(F)

O estrangulamento na sucção permite ao gás no cilindro retomar a sucção durante o ciclo de compressão, com um mínimo consumo de potência por esse cilindro. Justificativa: está errado, pois o alívio nas válvulas de sucção é que permitem ao gás no cilindro este retorno à sucção.

140

4) Dentre as afirmativas a seguir, marque a que melhor define o circuito de lubrificação dos compressores alternativos industriais: (

)

O circuito de lubrificação aberto é um circuito a óleo sob pressão (lubrificação forçada).

(

)

O circuito de lubrificação fechado tem a finalidade de lubrificar a cruzeta e os anéis de selagem.

(X)

O circuito de lubrificação fechado tem a finalidade de suprir óleo para lubrificar os mancais e o girabrequim.

(

O circuito de lubrificação fechado pode ser feito por sistema de salpicos e o óleo injetado é descarregado junto com o gás.

)

Anotações

Anotações

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Anotações

142

Anotações

Anotações

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Anotações

144

Anotações

Anotações

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Anotações

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Anotações

Anotações

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Anotações

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Anotações

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Anotações

150