Soluções inovadoras para aplicações em terminais de petróleo

Uso de bombas de deslocamento positivo

As bombas centrífugas têm sido há muito tempo o equipamento primário de escolha para movimentar fluidos para dentro e para fora do terminal de petróleo, complexos de tanques e instalações de armazenagem a granel. O uso de bombas centrífugas decorre principalmente de sua adequabilidade em geral, familiaridade e baixo custo. Mesmo assim, a adoção de bombas de deslocamento positivo continua aumentando nestas aplicações, porque a tendência do mercado requer que os operadores manipulem múltiplos tipos de fluidos, com uma necessidade cada vez maior de velocidade de transferência, melhor gestão de inventário e aumento da rentabilidade das plantas. É importante lembrar que a armazenagem não é o objetivo da administração do terminal nem do complexo de tanques; em vez disso, é a entrega tempestiva de um produto armazenado.


Operação básica de bombas centrífugas e de deslocamento positivo

Essencialmente, uma bomba centrífuga transmite velocidade a um fluido. Enquanto o fluido atravessa uma passagem de palhetas precisamente projetada, ela converte a velocidade em pressão (basicamente é uma máquina de energia cinética). A maioria das palhetas impulsionadoras de bombas centrífugas é projetada para desempenho com água como base; os fatores de correção padrão são aplicados para atender às viscosidades que variam. O formato familiar da curva de uma bomba centrífuga é aquilo que a maioria dos engenheiros de fluidos está habituado (ver ilustração 1). Quando um dado sistema tem sua curva superior aplicada, sua interseção com a curva da bomba dá o desempenho da bomba em um único ponto de design operacional. (ilustração 2).

Alternativamente, uma bomba de deslocamento positivo separa um fluido de sua passagem de sucção, armazena tal volume em uma câmara, e desloca o fluido para a descarga da bomba. O princípio operacional chave de uma bomba de deslocamento positivo é evitar o deslizamento interno do fluido, o que geralmente é alcançado projetando folgas configuradas entre o rotor e o estator. Isto resulta em uma curva operacional bem diferente daquela da bomba centrífuga (ilustração 3). Quando a curva superior de um sistema é produzida, o desempenho antecipado da bomba poderá ser determinado (ilustração 4).

Quando as duas curvas são sobrepostas (ilustração 5), a diferença drástica entre as duas tecnologias, e das suas respostas à curva superior de um dado sistema fica clara. O que é mais importante é aquilo que acontece quando qualquer variável de processo é introduzida, e sua influência na curva superior do sistema é observada. Isto é mais prevalente quando se trata de alguma forma de hidrocarboneto líquido no lugar da água, pois as características dos hidrocarbonetos líquidos (e os processos que os envolvem) são tipicamente mais sensíveis às variações de temperatura, que levam a maiores variações na pressão diferencial, pressão do vapor, viscosidade do produto e condições de sucção, quando introduzidas.

Poucas folhas de dados de produto (API 610 ou API 676, como exemplos) oferecem as condições reais de produto ou operacionais. O resultado é que a curva superior real do sistema se movimenta para baixo de sua condição aferida (ilustração 6). Isto pode resultar de autores conservadores das especificações, das alterações constantes nas condições do campo, ou em mudanças de objetivos operacionais.

Além disso, em muitas especificações de design, as características físicas reais especificadas para os líquidos do processo são estimativas baseadas apenas em especificações gerais dos produtos, e a composição química dos hidrocarbonetos pode variar imensamente, levando a alterações de processo não originalmente previstas.

Estes dois conceitos de tratamento de fluidos são radicalmente diferentes; suas respostas à curva superior de um sistema pode ser conceitualmente entendida antes de determinar-se qual é o design adequado para aplicações de armazenagem e do terminal.
Com isto em mente, será importante determinar (preferencialmente no estágio de design da planta) a variabilidade da operação sendo administrada, antes de realizar as funções e benefícios de um sistema que seja suficientemente flexível para lidar com tais variações.


Cinco aspectos de variações operacionais de tanques e do terminal a serem considerados

Com este entendimento básico das duas tecnologias, abaixo há várias preocupações que as administrações de tanques e terminais enfrentam atualmente:

1. Variação dos líquidos
2. Variação de temperaturas
3. Custos da energia
4. NPSH
5. Esvaziamento do tanque

1. VARIAÇÃO DE LÍQUIDOS

Dependendo da idade do sistema de armazenagem, o fluido hoje em dia ali armazenado pode não ser o fluido para o qual ele foi projetado originalmente. Muitas instalações foram projetadas para tratar de um certo tipo de fluido; as bombas e sistemas periféricos provavelmente foram projetados para acomodar apenas àquele fluido único. Se isto mudou, é provável que as características do fluido também tenham sido alteradas. Isto pode afetar a confiabilidade e o desempenho do equipamento, e em alguns casos também pode impactar as propriedades dos fluidos (especialmente em termos de viscosidade, sensibilidade de cisalhamento e variações resultantes na curva superior do sistema).

Isto também deve ser considerado quando novas instalações de armazenagem são projetadas, já que elas tipicamente são planejadas para décadas de operação. É do maior interesse tanto do designer do Sistema quanto do proprietário das instalações considerar mudanças de mercado que possam afetar a armazenagem futura. Por isso, a aplicação de bombas de deslocamento positivo oferece a flexibilidade de acomodar tais mudanças sem comprometer o requisito de tratamento do fluido inicial.

2. VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

O efeito deste fenômeno é, algumas vezes, vagaroso e sutil sobre instalações de armazenagem de um sistema de entrega de fluidos.

Como um exemplo, considere uma planta de armazenagem em Hong Kong, que foi projetada há 25 anos para entregar ISO VG 150 e 380 (óleos lubrificantes) para navios petroleiros. Ao longo da vida do sistema, o operador reconheceu uma substancial perda de fluxo e desempenho no sistema do ISO VG 380; isto, eventualmente, resultou numa falha no eixo da bomba. Reparos foram feitos, mas a situação se repetiu várias vezes. Após estudos, foi determinado que a falha geralmente ocorria em janeiro. Foi determinado que o óleo VG 380 excedia um limiar crítico quando a resposta do sistema criava demandas além do design e capacidade da bomba.

Os indícios foram dados pela frequência das falhas da bomba, que ocorriam em janeiro – supostamente resultantes da mudança no clima – já que as especificações originais previam temperaturas ambientes e as viscosidades resultantes em níveis bem diferentes do que hoje é visto.

Em ambientes onde as amplas variações de temperatura (e consequentemente de viscosidade) podem ser previstas, seria importante considerar a resposta resultante da curva superior do sistema, e os efeitos que ela terá sobre o equipamento de bombeamento. A solução: administrar a temperatura do produto (uma abordagem cara) ou selecionar uma bomba que ofereça maior tolerância para mudanças de temperatura e viscosidade, como as bombas de deslocamento positivo.

3. CUSTOS DE ENERGIA

Se os custos da operação – especialmente os de energia – forem uma preocupação, então a análise aprofundada do custo real de operar o sistema de entrega (bomba) deve ser considerado. Partindo do princípio de que o design do sistema de armazenagem é conservador em muitas das características do sistema (e dos líquidos), será essencial determinar ou prever o ponto real (não teórico) onde a curva do sistema cruzará a curva da bomba. Considere os seguintes três aspectos de design do sistema:

• Um certo hidrocarboneto é apontado como fluido alvo
• A viscosidade do fluido é estimada de modo conservador
• Uma temperatura operacional conservadora

Estes valores todos formam uma condição “aferida” de ponto único para o qual a bomba é dimensionada. Se a bomba selecionada for centrífuga, o engenheiro selecionou uma bomba com o Ponto de Melhor Eficiência (PME) que fica mais próximo da curva “aferida” (teórica) do sistema. Uma vez que o sistema seja instalado e opere, é quase certo que as condições reais do campo levarão a curva do sistema para cima ou para baixo, movendo a bomba centrífuga para longe (para a direita ou para a esquerda) do PME. O resultado: operação menos eficiente e custos de energia potencialmente mais elevados do que os calculados originalmente.

As bombas de deslocamento positivo não possuem uma curva similar. A aplicação de tal bomba na mesma situação resulta em uma “curva” mais vertical, que se move para cima ou para baixo em uma linha reta, e oferece apenas uma pequena variação no fluxo (devido ao deslizamento) mas com pequena penalização à energia necessária para operar. Esta opção deve ser considerada em qualquer situação onde ocorram mudanças de fluido, como alterações ambientais, alterações no fluido armazenado, ou mudanças na demanda do fluxo. Comparações resultantes de eficiência podem ser calculadas em economias de custo energético substanciais por um dado período de tempo. Os cálculos de energia têm alguns fabricantes de bombas para ajuda-los na determinação dos custos relacionados com a escolha de certa tecnologia de bombeamento.

Outras considerações sobre economia com energia também devem ser consideradas em aplicações que demandam que o processamento do fluido seja aquecido, para manter uma certa viscosidade, permitindo o uso de bombas centrífugas. A eliminação da necessidade de aquecimento, ou a redução da temperatura do fluido (mesmo poucos graus) pode resultar em economias energéticas substanciais, facilmente acomodadas por bombas de deslocamento positivo.

4. NPSH

Nenhum outro tópico tem uma gama de explicações tão ampla, nem é tão mal entendido quanto o NPSH. No contexto dos operadores de instalações de armazenagem, porém, a situação é simples: eles estão todos interessados na entrega confiável do produto, à taxa desejada. Isto pode ser um desafio quando o reservatório de armazenagem está num nível baixo. Quando os níveis do reservatório são baixos, a pressão de sucção resultante (em combinação com outros fatores como gravidade específica, elevação, pressão do vapor e perdas com fricção) afetarão tanto a capacidade de entrega quanto a confiabilidade da bomba, principalmente devido à cavitação. É interessante para o projetista das instalações olhar para o objetivo operacional, e dimensionar a bomba e o sistema para evitar os efeitos danosos da cavitação. (Ver Ilustração 7).

O uso de várias bombas operando em paralelo é uma alternativa desejável para um sistema de bomba única, em instalações maiores e mais modernas, já que fornece maior flexibilidade de processamento e redundância ao sistema. Se bombas de deslocamento positivo forem usadas, então uma bomba pode ser equipada com VFD, e as demais podem operar a velocidades fixas. Isto permite que o operador exerça maior faixa de fluxo e, quando necessário, opere uma combinação de bombas e velocidades para permitir que o reservatório de armazenagem passe pela limitação NPSH normalmente criada pelas bombas centrífugas mais limitadas. Como acima mencionado, isto é explicado pela diferença em princípios operacionais das duas tecnologias. A bomba centrífuga demanda velocidade para criar pressão, e a velocidade é um fator limitante nos cálculos de NPSH centrífugos. A bomba de deslocamento positivo só precisa separar o fluido da passagem de sucção e deslocá-lo; a velocidade não afeta sua habilidade de alcançar a pressão (no caso de bombas com dois parafusos giratórios temporizados) a combinação de fluxo quase puramente axial e velocidades internas mais baixas (pela passagem ampla e aberta de sucção) contribuindo para uma capacidade NPSH superior. Além do critério limitante de velocidade específica de sucção (Nss), como aplicado ao design da bomba centrífuga, não se aplica às bombas PD rotatórias Pressão Atmosférica

5. ESVAZIANDO UM TANQUE

Em algumas situações, os operadores de instalações de armazenagem podem desejar esvaziar um tanque. As duas razões para fazer isto são as seguintes:
1. Para preparar para a armazenagem de outro fluido
2. Para realizar manutenção de limpeza periódica e inspeção do reservatório

Caso o operador deseje realizar um dos dois, então as suas preocupações serão:

1. O tempo necessário para evacuar o tanque e prepará-lo para a limpeza
2. Custos de limpeza

Ter a capacidade de bombear um tanque até ficar seco é uma vantagem chave do processo. Se o sistema de bombeamento for flexível o suficiente para esvaziar o tanque, aceitar fluidos contaminantes (tipicamente encontrados no fundo do reservatório) e ser capaz de também bombear um agente de limpeza (como água, solvente ou destilado), que possa ser re- circulado durante o processo de limpeza, o tempo para realizar isto e os custos serão significativamente reduzidos. Pode-se, em alguns casos, eliminar-se a necessidade de intervenção humana dentro do tanque (o que também melhora a segurança das instalações).

Há algumas bombas de deslocamento positivo (especialmente as bombas PD temporizadas) que podem realizar estas tarefas confiavelmente. Elas podem rodar a baixas velocidades, permitindo ao operador passar pela faixa crítica de cavitação, tradicionalmente experimentada com bombas centrífugas, e eventualmente secar e separar uma boa porção do fluido residual nas linhas.

Os benefícios vêm de muitas direções – quando a sucção é perdida com uma bomba centrífuga (devido ao travamento de vapor ou perda de prime), pode ser necessário parar e aquecer o fluido, resultando em perdas de energia e tempo, além de mão-de-obra adicional. Em alguns casos, quando o esvaziamento e a limpeza do tanque tiver que ser realizada, o operador terá bombas portáteis e mangueiras, e isto o expõe a derramamentos potenciais. No caso de uma bomba centrífuga portátil, a bomba não pode separar suas próprias linhas. O operador deve reiniciar o processo (se não tiver acabado). As mangueiras, bombas e recipientes de gotejamento devem ser limpos quando a tarefa for concluída. Apesar do fato de a operação estar concluída, os custos continuam.


Um método para determinar quando uma bomba de deslocamento positivo deve ser considerada

Em alguns círculos de engenharia de fluidos, um método muito simples é utilizado para avaliar as duas tecnologias quanto à sua adequabilidade para dada aplicação. Ao avaliar o tipo de bomba, deve ser considerado o tratamento de fluido através da abordagem FDSO (Fluido/Descarga/Sucção/ objetivo Operacional). As diretrizes gerais abaixo indicam quando uma bomba de deslocamento positivo deve ser considerada, por conta de suas características de desempenho favoráveis. Porém, se as condições não são atendidas, um usuário poderá considerar ou bombas de deslocamento ou cinéticas.

• F – Do ponto de vista do fluido, a bomba encontrará uma gama de viscosidades ou gás entranhado, ou bombeará um líquido com sensibilidade ao cisalhamento? Se sim, considere uma bomba de deslocamento positivo por sua capacidade de tratar líquidos com viscosidade mais alta com maior eficiência.

• i.e., com custos de energia menores, comparativamente às bombas centrífugas.

• D – Do ponto de vista da descarga, o sistema terá requisitos variados de pressão? Se sim, considere uma bomba de deslocamento positivo, pela sua capacidade de entregar um volume quase constante de líquido ao longo de uma faixa mais ampla de pressão. É importante ressaltar que com a operação de várias bombas em paralelo, duas bombas centrífugas não entregarão 2 x o fluxo… já uma bomba de deslocamento positivo entregará 2x o fluxo (menos o deslizamento associado).

• S – Do ponto de vista da sucção, o sistema terá condições de fornecimento variáveis? Se sim, considere uma bomba de deslocamento positivo, por sua versatilidade no tratamento de amplo leque de cabeça de sucção positiva disponível (NPSHA), amplo leque de características de fluido (como sensibilidade ao cisalhamento e viscosidade) e sua capacidade de variar a velocidade eficientemente. Em especial, quando o nível dos fluidos for baixo e as pressões de vapor forem altas. Algumas bombas de deslocamento positivo podem até lidar com viscosidades ultra baixas de modo eficiente, ainda geralmente fornecendo um NPSHR mais baixo.

• O – Os objetivos operacionais demandarão necessidades alteradas ocasional ou frequentemente para fluxo ou pressão? Se sim, considere uma bomba de deslocamento positivo, por causa da sua capacidade de responder imediatamente e com eficiência às variações de pressão e velocidade.


As inovações mais recentes em bombeamento de complexos de tanques e terminais, usando bombas de parafuso duplo

O uso de bombas de deslocamento positivo – e, em especial, da tecnologia de deslocamento positivo por parafuso duplo – como tecnologia flexível e com bom custo benefício para aplicações em complexos de tanques e bombeamento em terminais se tornou significativamente mais atraente para os projetistas de instalações de armazenagem. Isto pode ser atribuído a várias razões:

1. A tecnologia de parafusos duplos avançou muito em tamanho, atendendo a uma faixa de 50m³/hr (220 gpm) a 5000 m³/hr (22.000 gpm) com pressões de descarga nominais para pressões típicas de descarga de tanques.
2. A tecnologia de parafusos duplos não depende de um filme de fluido para operar; parafusos sincronizados evitam contato entre os dois parafusos, e os rolamentos evitam contato entre parafuso e furação. Isto permite funções como rodar a seco, operação a baixas velocidades, habilidade para lidar com contaminantes, gás livre ou entranhado, e a capacidade de lidar com várias viscosidades, como condensados, naftas, metanol e combustível de aviação, até viscosidades muito elevadas. Esta tecnologia também pode operar com temperaturas de até 370° C (700° F)
3. Dependendo da viscosidade, a bomba de parafuso duplo pode operar com consumo de energia mais baixo do que muitas seleções de bombas centrífugas.
4. A bomba terminal de parafuso duplo é uma das tecnologias de bombeamento mais flexíveis da indústria. As funções incluem a capacidade de rodar a várias velocidades, lidar com muitos fluidos de diferente densidade e viscosidade, rodar a seco, operar a NPSH bem inferior do que a maioria das bombas, e está disponível em vários tipos de materiais e com potencial de acionamento por diversos tipos de mecanismos.


Conclusão

Continuam havendo muitos desafios na indústria para o engenheiro de fluidos. Para a maioria, o futuro reserva ainda maiores desafios não previstos. Os critérios de design não podem mais estar limitados apenas a aspectos técnicos. Há preocupações de negócio, ambientais, de flexibilidade e de custos que hoje pesam mais do que nunca. O pensamento aberto e inovador garantirá que os engenheiros de fluidos e designers de sistemas continuem a agregar valor às suas organizações. Movimentação de fluido de modo inovador é uma das maneiras de alcançar isto. Abaixo, alguns exemplos do uso de bombas de deslocamento positivo de parafuso duplo, para bombeamento de tanques e terminais, fazendo a diferença e provando seu sucesso e inovação.