BRPI0603403B1 - Sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle - Google Patents
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Abstract
sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrifuga associada ao posicionamento de válvula de controle a presente invenção refere-se a um sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle, aplicado a sistemas de bombeio que se utilizam de bombas centrífugas. o controle de rotação é utilizado, em conjunto com uma válvula controle, para corrigir as variações do ponto de operação da bomba para que esta opere na região do melhor rendimento possível. o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle pode ser aplicado a instalações industriais novas (projetos) ou em instalações industriais já em operação, que utilizem válvulas de controle com a implementação de pequenas modificações. entre algumas vantagens da utilização do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle podem ser citadas: o aumento de confiabilidade do sistema de bombeio como um todo, em especial da bomba centrífuga, o aumento do tempo entre paradas para reparo das bombas centrífugas, com conseqüente redução do gasto de mão-de-obra e de estoques de sobressalentes; a redução do consumo de energia e a redução da emissão de ruído.
Description
(54) Título: SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE (51) Int.CI.: F04D 15/00 (73) Titular(es): PETROLEO BRASILEIRO S.A. - PETROBRAS (72) Inventor(es): ENIO VON HAEHLING LIMA; GUILHERME VASCONCELLOS MARTINS; JOSÉ LUIZ DE SENA PAZ; EUDIFRAN COELHO CAETANO; MURILLO TERROSO ROMEIRO *
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SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA
AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE Campo da invenção
A presente invenção refere-se a um sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle, o qual tem por objetivo ajustar automaticamente uma bomba centrífuga ao seu ponto ótimo de operação, com conseqüente redução da potência requerida pela bomba e dos esforços mecânicos exercidos sobre ela.
O sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle pode ser adaptado, a custos competitivos, à maioria dos sistemas de bombeio de instalações industriais, em especial aqueles regulados por válvula de controle a qual restringe o fluxo na descarga da bomba. Apresenta especial aplicação nos processos nos quais o controle da vazão, unicamente pela variação de rotação, torna-se inviável ou pouco preciso.
Fundamentos da invenção
Existem inúmeras bombas centrífugas em sistemas industriais que, por força de projeto, trabalham numa faixa de operação muito abaixo do ponto de melhor eficiência, conhecido pelos especialistas pela sua sigla na língua inglesa BEP - Best Eficiency Point, quer seja durante as partidas das unidades, quer seja ao longo do seu funcionamento. A conseqüência desse regime inadequado de operação é um aumento excessivo de vibração com conseqüente desgaste prematuro das bombas.
A vazão de uma bomba centrífuga, instalada em uma planta de processo industrial, é usualmente controlada pela abertura ou fechamento de uma válvula de controle, situada à jusante da bomba. Assim, se a vazão diminui, um sensor de vazão detecta essa variação e envia um sinal
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2/9 a um controlador, o qual envia um outro sinal para que a válvula de controle seja aberta. No caso inverso, quando a vazão aumenta, a válvula de controle recebe um sinal para fechar.
Na maioria das situações de operação, a válvula de controle trabalha restringindo o fluxo na descarga da bomba. Ao receber toda a energia gerada pelo impelidor da bomba, em rotação nominal, mas sem conseguir escoar, em função do fechamento da válvula de controle a jusante da bomba, o fluido toma direções aleatórias dentro da voluta da bomba e até mesmo muda de estado. Este fenômeno, também conhecido como recirculação interna, provoca grandes esforços, choques de pressão e desgaste nos componentes da bomba, em especial nos selos mecânicos e rolamentos.
Com o objetivo de reduzir o desgaste excessivo causado por um regime inadequado de operação, as normas 610 e 682 do Americam Petroleum Institute preconizam o reforço no projeto das bombas habilitando-as a resistir melhor à sobrecarga. Algumas indústrias tentam limitar as variáveis de processo visando a reduzir a grande defasagem entre as condições de operação e aquelas ideais para o funcionamento das bombas.
O desafio, portanto, é idealizar um novo sistema de controle capaz de fazer uma bomba centrífuga operar, de forma automática, sempre nas regiões de melhor eficiência, com consequente redução do consumo de energia e, principalmente, dos esforços mecânicos nos seus componentes.
Esta invenção fundamenta-se, portanto, na aplicação de um tipo de controle capaz de atuar, de forma automática, na rotação de uma bomba, simultaneamente com uma válvula de controle, de modo a manter a bomba funcionando sempre próxima à região da melhor eficiência.
Técnica relacionada
Já existem no mercado, há alguns anos, bombas centrífugas acionadas por motores elétricos com rotação variável. A variação de • · ·· ♦· · • · ·
3/9 • · · • ··* • · • · rotação destas bombas implica a variação da vazão e da pressão, o que permite o controle de parâmetros em um processo industrial.
O documento de patente US 6.464.464B2 apresenta um sistema de controle de bomba centrifuga, por variação de rotação, em função de um conjunto de sensores, sistema esse o qual permite controlar a pressão ou vazão de descarga da bomba. Entretanto, esta aplicação está restrita a sistemas que utilizam bombas centrífugas cujas curvas características pressão (altura manométrica) versus vazão, possuem inclinação suficiente ao longo de toda a faixa de operação do processo. Esta condição se faz necessária para permitir o controle preciso da vazão por intermédio da variação de rotação.
Nos casos nos quais as curvas do sistema são muito planas, ou seja, de inclinação insuficiente, e as curvas das bombas também são curvas muito planas, o controle do processo através da variação de rotação é impreciso e inseguro para as bombas. Impreciso porque pequenas variações de rotação corresponderão a grandes variações de vazão e inseguro porque uma pequena redução de rotação pode levar uma bomba a operar com vazão nula, em função da carga estática do sistema, condição esta extremamente prejudicial para a bomba.
A outra situação na qual é inviável o controle do processo unicamente pela variação da rotação é em sistemas com carga estática negativa, ou seja, a coluna estática, por si só, é capaz de manter um fluxo mínimo, que independe da rotação da bomba, o que inviabiliza o controle exclusivamente pela variação de rotação. Nestes casos, de carga estática negativa, a bomba é utilizada apenas para complementar a vazão requerida pelo processo.
Não se conhecem, no estado da técnica, sistemas de controle que utilizam a variação de rotação, associada a válvulas de controle a jusante de bombas centrifugas, com o objetivo da obtenção de um efeito novo e altamente desejável que é o funcionamento da bomba, de forma ·♦ · ··· • · · · • · · · · • · · ♦ · ······ • · · * · · · · • · · · • · · · « ··· · · · • · · · · • · ·
4/9 • · · · · · • · · · · • · · · « ·· · · · • · · · • * · · · automática, na região de melhor eficiência.
O sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle, objeto da presente invenção, tem como objetivo criar um novo conceito de controle automático, preciso e confiável, com aplicação em processos envolvendo bombas centrífugas em geral, e em especial, para aqueles com as características anteriormente citadas, quais sejam:
- processos com curvas dos sistemas de bombeio acentuadamente planas nas regiões de trabalho, com ou sem carga estática elevada; simultaneamente com bombas com curvas características acentuadamente planas nas regiões de trabalho; ou
- sistemas de bombeio com cargas estáticas negativas.
Sumário da invenção
A presente invenção refere-se a um sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle, aplicado aos sistemas de bombeio os quais se utilizam desse tipo de bomba. O controle de rotação é utilizado em conjunto com o controle por válvula de controle, para corrigir as variações do ponto de operação da bomba, para que esta opere na região de melhor rendimento. O sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle pode ser aplicado a instalações industriais novas (projetos) ou em instalações industriais já em operação, que utilizem sistemas de controle unicamente por válvula de controle, com a implementação de algumas pequenas modificações.
Breve descrição dos desenhos
A invenção será agora apresentada mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de exemplo, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais:
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A Figura 1 apresenta o esquema da concretização preferida para o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle, objeto da presente invenção.
A Figura 2 apresenta um gráfico de pressão (altura manométrica) versus vazão, para um sistema de bombeio típico, para melhor compreensão da atuação do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle.
Descrição detalhada da concretização preferida da invenção
A Figura 1 apresenta a concretização preferida para o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bombas centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1). Nesta concretização o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) compreende um transmissor de vazão (2), uma válvula de controle (3), um controlador de vazão (4), um transmissor de temperatura (5), um controlador de posição (6), um regulador de rotação (7) e uma pluralidade de cabos de instrumentação (8). Na Figura 1 também estão representados: uma bomba centrífuga (9), acionada por um motor elétrico (10), e uma pluralidade de tubos (11), componentes de um sistema de bombeio típico de uma instalação industrial, os quais são parte do sistema controlado e não fazem parte da presente invenção. O transmissor de vazão (2) tem por finalidade transmitir um sinal, representativo da vazão do sistema, a um controlador de vazão (4) e o transmissor de temperatura (5) tem por função transmitir um sinal representativo da temperatura do fluido bombeado, ao controlador de vazão (4). O controlador de vazão (4) recebe o sinal do transmissor de vazão (2), compara-o com um ponto de ajuste, previamente estabelecido, e produz um sinal para ajuste da abertura de uma válvula de
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6/9 ·· · • ♦ · · • ·· · · * · · · · » * · ♦ · • · controle (3), o que permite o controle da vazão do sistema. O sinal do transmissor de temperatura (5) é utilizado para compensar o sinal de vazão em função da temperatura do fluido. O controlador de posição (6) recebe o sinal de posição de abertura da válvula de controle (3), enviado pelo controlador de vazão (4) e, em função desse sinal, envia um sinal de controle de rotação para o regulador de rotação (7). O regulador de rotação (7) atua no motor elétrico (10) de modo a manter a rotação da bomba centrífuga (9) num valor tal que mantenha a abertura da válvula de controle (3) numa faixa pré-determinada, de acordo com as características da bomba (9) e da válvula de controle (3). Os cabos de instrumentação (8) têm por função a transmissão dos sinais de controle e monitoração entre os diversos componentes do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bombas centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1).
O gráfico da Figura 2 permite visualizar o efeito da atuação do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1). Supõe-se que a bomba esteja operando na rotação (n1) e a abertura da válvula de controle (3) posicione a curva do sistema em (a3). Dessa forma, o ponto de operação é (p1) o qual corresponde à vazão (q1). Se a variação das condições do processo faz a vazão diminuir e o sistema passa a operar no ponto (p2), o controlador de vazão (4) envia um sinal para abrir a válvula de controle (3) o que provoca o restabelecimento da vazão desejada. De modo inverso, se a variação das condições do processo faz a vazão aumentar e o sistema passa a operar no ponto (p3), o controlador de vazão (4) envia um sinal para fechar a válvula de controle (3) . No modo mais usual para o controle da bomba, o controlador de vazão (4) , abre e fecha a válvula de controle, o que faz com que a curva do sistema varie e assuma diversos padrões que variam, por exemplo, de (a1) a (a4). O sistema de controle de processo por meio da variação
7/9 • · · automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1), objeto da presente invenção, atua também na rotação do motor elétrico (10) da bomba centrífuga (9), o que faz com que a curva da bomba varie, por exemplo, entre as curvas (n1) e (n4). Isso permite restringir a faixa de abertura e fechamento da válvula de controle (3), para controlar o sistema, o que permite a operação da bomba em regiões mais adequadas, que causem menos esforços em seus componentes. Em função das características de cada sistema controlado e dos equipamentos utilizados, pode ser estabelecida uma região de melhor eficiência para operação da bomba centrífuga (9), delimitada entre uma faixa de abertura da válvula de controle (3) e uma faixa de variação de rotação da bomba centrífuga (9). Na Figura 2 essa faixa está delimitada entre as curvas (a2) e (a3) e as curva (n1) e (n4). O sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) é ajustado para atuar da seguinte forma: enquanto a válvula de controle estiver posicionada numa faixa pré-estabelecida, a bomba centrífuga (9) permanece em operação, em rotação constante, e a vazão é regulada pela variação de posição da válvula de controle (3). A partir do momento que a válvula de controle (3) recebe um sinal de posição para operar fora da faixa pré-estabelecida, o controle de rotação atua do seguinte modo: se a válvula de controle (3) fecha aquém da faixa, o controlador de posição (6) envia um sinal para o regulador de rotação (7) diminuir a rotação do motor elétrico (10) da bomba centrífuga (9), até que o posicionamento da válvula de controle (3) retorne para a faixa pré-estabelecida. Se a válvula de controle (3) abre além da faixa pré-estabelecida, o controlador de posição (6) envia um sinal para aumentar a rotação do motor elétrico (10) da bomba centrífuga (9), até que a válvula de controle (3) retorne para a faixa pré-estabelecida.
Convém mencionar que o transmissor de vazão (2), a válvula de • * • · · «· ·
8/9 • · · • · · • · · • · ·· • · · · • « · · • · • · ··· • · controle (3), o controlador de vazão (4) e o transmissor de temperatura (5) são componentes típicos de um sistema de controle de vazão convencional, em sistemas de bombeio de instalações industriais. O caráter inovador do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) é associar um sistema convencional de controle £ Q de vazão por válvula de controle (3) com o controle da rotação do motor elétrico (10) da bomba centrífuga (9), por intermédio de um controlador de posição (6) e um regulador de rotação (7). Isso permite que o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) seja utilizado em sistemas de bombeio de instalações industriais já em operação, bastando que sejam instalados mais dois componentes, quais sejam, um controlador de posição (6) e um regulador de rotação (7). É evidente que o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) pode ser empregado também em projetos de novas instalações industriais.
Entre algumas vantagens da utilização do sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) podem ser citadas: o aumento da confiabilidade do sistema de bombeio como um todo, em especial da bomba centrífuga (9), o aumento do tempo entre paradas para reparo da bomba centrífuga (9), com conseqüente redução do gasto de mão-de-obra e de estoques de sobressalentes, a redução do consumo de energia e a redução da emissão de ruído.
Os elementos que integram o sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1), objeto da presente invenção, empregam materiais, componentes, instrumentos e equipamentos ··· · • « · • · · · • ··· ·
9/9 conhecidos no estado da técnica. Por conseqüência, os equipamentos podem utilizar tecnologia analógica ou digital e empregar componentes conhecidos no estado da técnica, tais como placas de circuito impresso, microprocessadores, placas conversoras e placas de memória. Os controladores podem ser implementados por componentes discretos ou por intermédio de software, por exemplo, em um sistema digital de controle distribuído. Todavia, o arranjo agora proposto constitui um conjunto novo e inovador.
Cabe ressaltar que o número de componentes e seu posicionamento relativo no sistema de controle de processo por meio da variação automática de rotação de bomba centrífuga associada ao posicionamento de válvula de controle (1) não podem ser considerados como limitantes da presente invenção, e são apresentados com o intuito de mostrar a viabilidade de sua concretização.
A invenção foi aqui descrita em relação a sua concretização preferida, não estando, porém, a ela limitada. Assim, a presente invenção está apenas limitada ao conteúdo das reivindicações que seguem, as quais a definem em todo seu conteúdo.
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Claims (5)
- REIVINDICAÇÕES1. SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE, caracterizado por compreender os seguintes componentes:- um transmissor de vazão (2) o qual tem por função transmitir um sinal, representativo da vazão do fluido bombeado, a um controlador de vazão (4);- um transmissor de temperatura (5) o qual tem por função transmitir um sinal representativo da temperatura do fluido bombeado, a um controlador de vazão (4), para compensar o sinal de vazão em função da temperatura do fluido;- um controlador de vazão (4) o qual tem por função receber o sinal do transmissor de vazão (2), compará-lo a um ponto de ajuste, previamente estabelecido, e produzir um sinal para ajuste da abertura de uma válvula de controle (3), o que permite o controle da vazão do sistema;- um controlador de posição (6) o qual tem por função receber o sinal de posição, enviado pelo controlador de vazão (4) para a válvula de controle (3), e enviar um sinal de controle de rotação para um regulador de rotação (7);- um regulador de rotação (7), o qual tem a função de manter a rotação de uma bomba no valor pré-estabelecido pelo controlador de posição;- uma pluralidade de cabos de instrumentação (8) os quais têm por função a transmissão dos sinais de controle e monitoração.
- 2. SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar um único controlador programável, para realizar as funções do controlador de vazão (4) e do212 controlador de posição (6).
- 3. SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a5 reivindicação 1, caracterizado por utilizar um único transmissor para realizar as funções do transmissor de vazão (2) e do transmissor de temperatura (5). j Ά
- 4. SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADA10 AO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar um único controlador programável, pra realizar as funções do controlador de posição (6) e do regulador de rotação (7).
- 5. SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSO POR MEIO DA VARIAÇÃO15 AUTOMÁTICA DE ROTAÇÃO DE BOMBA CENTRÍFUGA ASSOCIADAAO POSICIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar um sistema digital de controle distribuído para realizar as funções do controlador de vazão (4), do controlador de posição (6) e do regulador de rotação (7).
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Free format text: CONDICOES CONTRATUAIS: 1) ROYALTIES: 12% SOBRE O PRECO DE VENDA, EXCLUINDO OS IMPOSTOS INCIDENTES NA EMISSAO DA NOTA FISCAL (IPI, ISS E ICMS), TAXA DE ACESSO E TAXA MINIMA ANUAL; 2) PRAZO: 5 ANOS, PODENDO SER PRORROGAVEL POR IGUAL PERIODO, ATE O FIM DA VIGENCIA DO ATIVO INTELECTUAL; 3) CONDICOES DE PAGAMENTO: TRIMESTRAL, A PARTIR DOS DADOS OBTIDOS NAS NOTAS FISCAIS SOLICITADAS; 4) DISPONIBILIDADE DE KNOW-HOW: NAO; 5) ASSISTENCIA TECNICA: NAO. - OBS: CONSULTA A CARTA PATENTE PODERA SER FEITA ATRAVES DO ENDERECO ELETRONICO WWW.INPI.GOV.BR - NO ACESSO RAPIDO = BUSCA DE PROCESSOS = FACA LOGIN COM SENHA OU TECLE CONTINUAR = PATENTE = DIGITE O NUMERO DO PROCESSO = PESQUISAR. PARA ACESSAR, CADASTRE-SE NO PORTAL DO INPI. Free format text: CONDICOES CONTRATUAIS: 1) ROYALTIES: 12% SOBRE O PRECO DE VENDA, EXCLUINDO OS IMPOSTOS INCIDENTES NA EMISSAO DA NOTA FISCAL (IPI, ISS E ICMS), TAXA DE ACESSO E TAXA MINIMA ANUAL; 2) PRAZO: 5 ANOS, PODENDO SER PRORROGAVEL POR IGUAL PERIODO, ATE O FIM DA VIGENCIA DO ATIVO INTELECTUAL; 3) CONDICOES DE PAGAMENTO: TRIMESTRAL, A PARTIR DOS DADOS OBTIDOS NAS NOTAS FISCAIS SOLICITADAS; 4) DISPONIBILIDADE DE KNOW-HOW: NAO; 5) ASSISTENCIA TECNICA: NAO. - OBS: CONSULTA A CARTA PATENTE PODERA SER FEITA ATRAVES DO ENDERECO ELETRONICO WWW.INPI.GOV.BR - NO ACESSO RAPIDO = BUSCA DE PROCESSOS = FACA LOGIN COM SENHA OU TECLE CONTINUAR = PATENTE = DIGITE O NUMERO DO PROCESSO = PESQUISAR. PARA ACESSAR, CAD |
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