5º congresso brasileiro de pesquisa e desenvolvimento em

5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E
DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
TÍTULO DO TRABALHO:
COMPUTADOR DE VAZÃO DE GÁS NATURAL BASEADO EM CLP
AUTORES:
Davi Nunes Oliveira
David Silveira Erel
Francisco Wagner Sombra Basílio de Oliveira
INSTITUIÇÃO:
TS Tecnologia e Soluções em Automação Industrial
Este Trabalho foi preparado para apresentação no 5° Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás- 5°
PDPETRO, realizado pela a Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás-ABPG, no período de 15 a 22 de outubro de 2009, em
Fortaleza-CE. Esse Trabalho foi selecionado pelo Comitê Científico do evento para apresentação, seguindo as informações contidas
no documento submetido pelo(s) autor(es). O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pela ABPG. Os
organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as
opiniões da Associação Brasileira de P&D em Petróleo e Gás. O(s) autor(es) tem conhecimento e aprovação de que este Trabalho
seja publicado nos Anais do 5°PDPETRO.
5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS
COMPUTADOR DE VAZÃO DE GÁS NATURAL BASEADO EM CLP
Abstract
The present work proposes a PLC based natural gas flow computer. Due to the fact that flow
measurement with orifice plates are widely spread in industries, an algorithm based in the A.G.A
reports numbers 3 and 8 is designed for PLC’s to be according to IEC 61131-1, giving modularity to
this solution and allowing flow correction calculations to be performed on site.
Introdução
Cerca de 80% de toda a medição de vazão realizada em escala mundial hodiernamente são feitas por
dispositivos de pressão diferencial, mais particularmente por placas de orifício. A medida de vazão de
gás natural por esse método é disseminada uma vez que apresenta baixo custo na instalação e
manutenção, simplicidade, valores baixos de incerteza e principalmente por diversos trabalhos
científicos já existirem discorrendo acerca deste método de medição de vazão, sendo assim bem
documentado e normatizado.
Muito embora vários estudos existam acerca deste assunto, o presente trabalho propõe uma solução
aonde os cálculos da vazão são realizados em campo por um controlador lógico programável (CLP)
com arquitetura aberta, fazendo com que exista modularidade em sua estrutura, podendo receber
diferentes tipos de comunicação (Ethernet, Modbus, Devicenet, etc.), de acordo com a necessidade da
planta de automação a ser instalado.
O software desenvolvido de cálculo de vazão baseia-se nas normas AGA, API e NBR pertinentes a
medição eletrônica de gás natural e podendo ser utilizado em diversos hardwares de diferentes
fabricantes.
Metodologia
Em sua grande maioria a principal fonte de consulta para a execução deste trabalho foram as normas
publicadas pela American Gas Association (A.G.A.), em suas publicações Report Nº. 8 e Report Nº 3,
os quais discorrem, respectivamente, acerca do cálculo do fator de compressibilidade para gases e
sobre o cálculo da vazão compensada utilizando placa de orifício.
Estas normas descrevem o procedimento que deve ser implementado para se ter um cálculo confiável
das quantidades desejadas, sendo, portanto de fundamental importância para a verificação e validação
dos resultados obtidos com computadores de vazão.
Segundo a norma A.G.A. 3, a vazão volumétrica nas condições base de temperatura e pressão pode ser
calculada por:
π
N c Ev d 2 )Cd ( FT )Y 2 ρt , p ∆P
4
Qb =
ρb
(
Sendo:
N c = Fator de conversão de unidades
Ev = Fator de velocidade de aproximação
d = Diâmetro da placa de orifício nas condições de escoamento
Cd ( FT )
= Coeficiente de descarga convergido da placa de orifício
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Y = Fator de expansão
ρt , p
= Densidade do fluido nas condições de escoamento
ρb = Densidade do fluido nas condições base de pressão e temperatura
∆P = Pressão Diferencial de orifício
O fator de velocidade de aproximação pode ser calculado por:
Ev =
1
1− β 4
Sendo:
β = Relação entre o diâmetro da placa com o diâmetro do tubo calculado nas condições de
escoamento.
No entanto o fator de expansão Y pode ser calculado da seguinte forma:
Y = 1−
0, 41 + 0,35β 4 ∆P
k
N3 Pf
Sendo:
k = Expoente isentrópico.
N3 = Fator de conversão de unidades.
Pf
= Pressão de escoamento.
Para calcular a densidade do fluido nas condições de escoamento utiliza-se a equação a seguir.
ρt , p =
Pf Mrar Gi
Z f R(T f + N5 )
Sendo:
Mrar = Peso molecular do ar
Gi = Densidade relativa do gás ideal
Zf
= Fator de compressibilidade nas condições de escoamento
R = Constante Universal dos Gases
Tf
= Temperatura de escoamento
N5 = Fator de conversão de unidades
Pode-se aferir pela equação apresentada que para o cálculo da densidade nas condições base a nas
condições de escoamento, existe a necessidade do fator de compressibilidade Z. Para este cálculo a
norma A.G.A. 8 descreve dois procedimentos, um chamado método GROSS, de mais fácil
implementação, no entanto não considera os componentes do gás em sua totalidade, e o método
chamado DETAIL, que considera todos os componentes do gás analisado.
No cálculo do fator de compressibilidade foi utilizado o procedimento descrito na norma A.G.A. 8
utilizando o Detail Characterization Method. Para tal a seguinte formula é utilizada.
Z = 1+
18
DB
−
D
Cn*T −Un (bn − cn kn D kn ) D bn exp(−cn Dr kn )
∑
3
K
n =13
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A equação de estado do gás real pode ser descrita por:
18
56
n =13
n =13
P = dRT [1 + Bd − D ∑ Cn*T −U n + ∑ Cn*T −U n (bn − cn kn D kn ) Dbn exp(−cn Dr kn )]
A massa específica do fluido rho é calculada por:
ρ = M mdm
Onde Mm é a massa molar da mistura gasosa e a densidade molar dm é calculada por sua relação com
o parâmetro K por:
Dr = K 3 d m
Nesta mesma norma, existe um fluxograma que indica o procedimento computacional de cálculo
visando economia de tempo de processamento, este fluxograma é apresentado a seguir:
Figura 1. Fluxograma de execução
Tendo posse destes dados e procedimentos de cálculos, pode-se calcular a vazão corrigida de
acordo com as etapas mostradas na figura 2:
Figura 2. Procedimento de cálculo da vazão corrigida
A fim de apresentar uma solução para cálculo de vazão que possa ser instalado em campo, sem a
necessidade de um computador pessoal para execução de cálculos ou supervisão, foi utilizado um CLP
(Controlador Lógico Programável), ligado a uma IHM (Interface Homem-Máquina).
Uma das características interessantes para escolha do CLP para a aplicação é a sua modularidade, ou
seja, diferentes tipos de instrumentação de campo podem ser ligados a ele, adicionando-se apenas mais
cartões específicos.
O CLP utilizado pertence à família CompactLogix do fabricante Rockwell Automation, uma vez que
dispõe de capacidade de cálculo suficiente e memória de armazenamento necessária para a
implementação do software. Suas dimensões se adéquam a aplicação, possibilitando a montagem em
painel individual de pequeno porte.
A IHM foi implementada em um dispositivo com tela sensível ao toque modelo PanelView 700,
fabricado pela Rockwell Automation.
No projeto também foi inserido um roteador wireless para fazer a conexão de rede entre o CLP e a
IHM, além de permitir ao programador realizar alterações no software, monitoramento e análise da
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execução, sem a necessidade de nenhuma conexão física adicional com os dispositivos. A figura 3 a
seguir mostra o diagrama de blocos das conexões dos instrumentos.
Figura 3. Diagrama de blocos do painel
Para se implementar o algoritmo e realizar os testes, o código foi totalmente desenvolvido em
linguagem C padrão ANSI, uma vez que esta linguagem é bastante difundida permitindo assim um
maior domínio sobre o código de programação, além de existirem diversos compiladores C para
diferentes tipos de hardware. Após terem sido efetuados diversos testes com o algoritmo em
linguagem C, e os resultados terem sido validados, iniciou-se o procedimento de transcrição do código
fonte para as linguagens de programação passiveis de uso em CLP’s.
No ambiente de programação do CLP, as rotinas principais e que demandavam cálculos mais
complexos foram programadas em linguagem de texto estruturado uma vez que essa apresenta maior
facilidade em manipulação de cálculos e laços, e também apresenta certa semelhança com a linguagem
de programação C. Outras rotinas, como as de armazenamento de dados e chamadas de sub-rotinas,
foram implementadas em linguagem ladder por ser mais adequada e eficiente nessa função.
A norma A.G.A. 8 disponibiliza dois métodos de cálculo do fator de compressibilidade do gás natural,
foi utilizado o método detalhado (Detail Caracterization Method) que este utiliza todos os
componentes do gás no cálculo do fator de compressibilidade, acarretando assim em um resultado
mais preciso.
Para simular os valores de entrada de pressão, temperatura e pressão diferencial, foi injetado sinais nas
entradas analógicas do CLP, visando maior proximidade com a entrada estabelecida pela norma.
No entanto, o computador de vazão necessita da inserção de outros dados para seu devido
funcionamento, tais como cromatografia do gás, diâmetro da tubulação e da placa de orifício, dentre
outros. Para tal foram elaboradas telas de supervisão na IHM para que o operador possa inserir esses
dados. Esta tela de configuração é mostrada na figura 4.
Figura 4. Tela de configuração do computador de vazão.
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Após a inserção destes dados, o computador de vazão opera normalmente, efetuando os cálculos
necessários à correção da vazão. Outra tela da IHM foi desenvolvida para que fosse possível a rápida
visualização em tela dos resultados principais. Esta tela é mostrada na figura 5.
Figura 5. Visualização dos resultados de cálculo
Com o intuito de validar o algoritmo de cálculo, injetaram-se sinais nas entradas analógicas visando
validar-se o algoritmo, sinais foram injetados nas entradas analógicas do CLP, para simular valores de
temperatura, pressão e pressão diferencial sugeridos nas normas para efeito de testes.
Resultados e Discussão
Na norma A.G.A. 8, como já mencionado estão descritos os passos para o cálculo do fator de
compressibilidade do gás natural. Esta norma disponibiliza algumas tabelas de valores do fator de
compressibilidade para efeito de validação do algoritmo de cálculo. Alguns desses resultados são
mostrados na tabela 1 a seguir, juntamente com um comparativo entre os resultados esperados e
obtidos.
Pode-se observar pela tabela citada que o maior erro obtido no cálculo do fator de compressibilidade
foi de 0,135%, e somente quando o fator de compressibilidade baixa significantemente, para cerca de
0,73. Ou seja, os resultados foram condizentes com esperado.
GAS GULF COAST
TEMP (°C)
0
0
0
10
10
10
37,77777778
37,77777778
37,77777778
54,44444444
54,44444444
54,44444444
PRESSÃO (PSIA) PRESSÃO (bar) Z ESPERADO Z OBTIDO
14,73
400
1200
14,73
400
1200
14,73
400
1200
14,73
400
1200
1,015597706
27,579028
82,737084
1,015597706
27,579028
82,737084
1,015597706
27,579028
82,737084
1,015597706
27,579028
82,737084
0,997406
0,929176
0,79568
0,997707
0,937934
0,824023
0,998363
0,956545
0,88141
0,99866
0,964796
0,905826
0,9971039
0,9288781
0,796284
0,9974403
0,937675
0,8244748
0,9981723
0,9563681
0,8816563
0,9985039
0,9646542
0,9060143
Erro (%)
0,030289
0,032061
0,07591
0,026731
0,027614
0,054829
0,019101
0,018494
0,027944
0,015631
0,014697
0,020788
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GAS AMARILLO
TEMP (°C)
0
0
0
10
10
10
37,77777778
37,77777778
37,77777778
54,44444444
54,44444444
54,44444444
PRESSÃO (PSIA) PRESSÃO (bar) Z ESPERADO Z OBTIDO Erro (%)
14,73
1,015597706
0,997302 0,9969879 0,031495
400
27,579028
0,926209 0,9258976 0,033621
1200
82,737084
0,786763 0,7874283 0,084562
14,73
1,015597706
0,997615 0,9973371 0,027856
400
27,579028
0,935332 0,9350615 0,02892
1200
82,737084
0,816427 0,8169199 0,060373
14,73
1,015597706
0,998294 0,9980962 0,019814
400
27,579028
0,954687 0,9545025 0,019326
1200
82,737084
0,876265 0,876529 0,030128
14,73
1,015597706
0,998602
0,99844 0,016223
400
27,579028
0,963255 0,9631072 0,015344
1200
82,737084
0,901645 0,9018457 0,022259
GAS EKOFISK
TEMP (°C)
0
0
0
10
10
10
37,77777778
37,77777778
37,77777778
54,44444444
54,44444444
54,44444444
PRESSÃO (PSIA) PRESSÃO (bar) Z ESPERADO Z OBTIDO Erro (%)
14,73
1,015597706
0,99678 0,9964051 0,037611
400
27,579028
0,91065 0,910266 0,042168
1200
82,737084
0,733467 0,7344614 0,135575
14,73
1,015597706
0,997145 0,9968125 0,033345
400
27,579028
0,92158 0,9212465 0,036188
1200
82,737084
0,771264 0,7719461 0,088439
14,73
1,015597706
0,997938 0,9976978 0,02407
400
27,579028
0,944605 0,9443752 0,024328
1200
82,737084
0,845491 0,8458102 0,037753
14,73
1,015597706
0,998296 0,9980983 0,019804
400
27,579028
0,954735 0,9545503 0,019346
1200
82,737084
0,876312 0,8765426 0,026315
ERRO MAX: 0,135575
Também foram realizados testes para validar o algoritmo do calculo de vazão, descrito na norma AGA
3, esta norma mostra alguns exemplos de cálculo, e dois deles, juntamente com o comparativo de erro,
são mostrados nas tabelas abaixo.
EXEMPLO 1 (PAG 41)
INPUTS
PRESSÃO* (bar)
13,74
PRESSÃO DIF.* (mbar) 49,8
TEMPERATURA* (ºC)
30
TUBO* (mm)
102,24
ORIFICIO* (mm)
50,8
Densidade Relativa
0,65
RESULTADOS
rho t,p (condições de escoamento)(kg/m3)
rho b (base)(kg/m3)
Y (Fator de Expansão)
Cd (Coeficiente de Descarga)
Fmass (Fator de vazão mássica)
qm (vazão mássica)(kg/h)
Qb (vazão volumétrica corrigida)(m3/h)
EXEMPLO 3 (PAG 55)
INPUTS
PRESSÃO (bar)
13,7895
PRESSÃO DIF. (mbar)
139,877
TEMPERATURA (ºC)
-17,78
TUBO (mm)
102,27
ORIFICIO (mm)
67,667
rho t,p (escoamento) (kg/m3) 32,783
rho b (base)(kg/m3)
1,86131
RESULTADOS
Y (Fator de Expansão)
Cd (Coeficiente de Descarga)
Fmass (Fator de vazão mássica)
Y (Fator de Expansão)
ESPERADO OBTIDO
ERRRO (%)
10,5834 10,583361 0,000368502
0,798078 0,7980769 0,000137831
0,998802 0,99880177 0,000023027
0,603733 0,6037332 0,000033127
75,3223
75,32217 0,000172592
1474,66 1474,6487 0,000766278
1847,76 1847,7526 0,000400485
ESPERADO OBTIDO
ERRRO (%)
0,9963337
0,996334 0,000030110
0,6054364 0,6054363 0,000016517
143,7996 143,79958 0,000013908
4462,978
4462,978
0
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Pode-se observar que o erro no exemplo apresentado é muito baixo se aproximando de 0% no calculo
da vazão, demonstrando assim a aplicabilidade do algoritmo de correção da vazão em CLP’s.
Conclusões
Face ao exposto, verificou-se que o cálculo do fator de compressibilidade seguindo o procedimento
sugerido pela norma A.G.A. 8 foi satisfatório, apresentando erros bastante pequenos, no máximo
0,14%.
No cálculo da correção da vazão, baseado na norma AGA 3, o algoritmo implementado não
apresentou erros consideráveis.
Isto demonstra a aplicabilidade de CLP’s como processador de cálculos de correção de vazão
viabilizando a utilização deste tipo de aplicação em campo. Ademais, uma grande vantagem do
calculo de vazão ser executado por CLP’s atendentes a norma IEC 61131-1 reside no fato do cálculo
de vazão poder ser inserido em controladores de quadros de automação já existentes.
Como projeto futuro existe a intenção de desenvolver algoritmos para a aplicação na computação de
vazão de óleo e incorporá-lo ao projeto atual como opção em um único equipamento.
Agradecimentos
Gostaria de agradecer a toda a equipe da TS Soluções que contribuiu direta ou indiretamente para a
realização desse projeto, em especial ao Sr. Hilton Marinho.
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Chapter 21 - Flow Measurement Using Electronic Metering Systems Section 1 – Electronic Gas
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GARCIA, C., VAILLANT, O. R. Desenvolvimento de computador de vazão compensada de gás
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norma IEC 61131-1. 2009