Apresentação1 (1) Controle de compressores

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE TUCURUÍ
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
PROF: RAPHAEL TEXEIRA
 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ- UFPA
CONTROLADORES DE COMPRESSOR
JUCIENE IONARIA 09133002218 
MARCIA SUELLEM 09133001818 
WELLEN BASTOS 09133001718
 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ- UFPA
Compressores
	São máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido.
1. Introdução
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Energia Mecânica
Energia Potencial (Pressão)
Inputs
Vazão desejada
Pressão desejada
Características do fluido compressível
Detalhes da instalação (tubulação, válvulas, etc)
Outputs
Vazão e pressão desejada do fluido
Fluido Compressível
A elevação de pressão
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Compressores Volumétricos:
Alternativos
Rotativos
Palhetas
Lóbulos
Parafusos
Compressores Dinâmicos ou Turbo Compressores:
Centrífugos
Axiais
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Classificação dos compressores
Princípios de funcionamento dos compressores volumétricos e suas formas construtivas
 Compressores alternativos (a pistão)
Compressores Rotativos de Palhetas
 
Possui um tambor central que gira em uma posição excêntrica a uma carcaça externa. Nesse tambor central estão dispostas palhetas inseridas.
 
 
7
Compressores Rotativos de Parafusos
(a) –Sucção do ar atmosférico;
 
(b) –Início da compressão do ar com a rotação do rotor, pois há uma diminuição do seu volume;
 
(c) –Compressão completa ar comprimido;
(d) -Descarga do ar comprimido para utilização
Compressores Rotativos de Lóbulos
Compressores Dinâmicos ou Turbo-compressores
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Princípios de funcionamento dos compressores dinâmicos e suas formas construtivas
Centrífugos de Múltiplos Estágios
 . Impelidores - Nos impelidores o gás recebe inicialmente um trabalho mecânico adquirindo Energia Cinética, sendo esta energia, através da passagem do gás, em canais cuja área transversal aumenta progressivamente no sentido do fluxo, é transformada em Energia de Pressão (Entalpia).
 Tipos de Impelidores :
 
			 Abertos (Altas Vazões);
 
IMPELIDORES Semi Abertos 
 (1º Impelidor de máquina de múltiplos estágios);
 
			 Fechados (Maior relação de compressão).
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Seleção de um Compressor
 
 Altas pressões 	Alternativos
 Altas vazões		Centrífugos e axiais
 Uso geral		 Parafuso
 
10.2 Curvas Características
Variáveis que governam o funcionamento do compressor:
O compressor fornece:
Ps, Ts, PD
A natureza do gás
Vs, Pot, TD
10.3 Limite “Surge” dos compressores dinâmicos
 Ciclo surge em uma curva característica do compressor
Variação na PRESSÃO e na VAZÃO devido ao “surge”.
Variação do PONTO DE SURGE com rotação e a natureza do gás.
10.4 Controle de capacidade dos compressores 
Esse controle atua nas condições operacionais do compressor de forma a manter as seguintes variáveis constantes:
As principais formas de se atuar no compressor para mudar seu ponto de operação são as seguintes no caso das máquinas dinâmicas:
Ação do controle de capacidade
Arquitetura do sistema de controle da máquina e da planta.
No caso de compressores alternativos, o controle de capacidade pode ser implementado das seguintes maneiras:
Parada e partida do acionador;
Variação de rotação;
Estrangulamento da sucção;
Variação do volume morto;
Recirculação;
Controle da posição das válvulas 
de admissão;
10.5 Controle “ANTI-SURGE” dos compressores dinâmicos
Objetivo: impedir que o compressor opere com vazão inferior a um certo valor mínimo escolhido ligeiramente acima daquele onde ocorre o “surge”. 
Linha de controle e região de recirculação do compressor
Implementação do controle “anti-surge”
Forma de atuação: recircular ou aliviar para a atmosfera a vazão excedente quando a demanda do sistema for menor que o do “set-point” do controle “surge” valor
Uma boa estratégia de controle “anti-surge” deve:
Considerar todas as variáveis importantes (N, P e T na sucção e descarga da máquina, peso molecular...);
Evitar erro na inferência do ponto “surge”;
Permitir trabalhar com segurança com uma folga mínima entre a linha de “surge” e a de controle.
Não existe uma estratégia de controle ótima para qualquer caso. Cada sistema de compressão possui características particulares que levam à escolha de uma estratégia, considerando os seguintes pontos:
10.6 Detalhamento de uma estratégia anti-surge
Para cada estágio de compressão serão necessário as medições de pressão na sucção e descarga e medição de vazão.
O controle anti-surge deveria ser para cada bocal de entrada e saída do gás do compressor poderia existir um controlador.
Controle de Anti-surge
Estática : Controle de cálculo “set point” e variável do projeto (VP).
Dinâmica: Constituída pela parte do algoritmo PID (FIC) ou abrir a válvula de reciclo com uma velocidade maior que a de fechamento. 
Detalhamento de uma estratégia anti-surge
Medidor de pressão
Exemplo de uma boa estratégia de controle anti-surge 
Detalhes do controle estática
1 Calcular a relação de compressão.
2 Calcular o Head politrópico.
3 calcular a vazão de surge.
4 Estimar a massa especifica
5 Converte a vazão de surge em vazão mássica
do ponto de surge.
6 Adicionar uma folga a vazão mássica.
7 Compensar a medição de vazão mássica.
Detalhes do controle estática
Se a pressão normal de operação na sucção da máquina é baixa, então se deseja minimizar as perdas de cargas e optar-se por instalar o medidor na descarga.
Variação do peso molecular do gás.
A temperatura de sucção varia 1%
Validação da estratégia de controle
Estratégia Dinâmica
Configurar dois controladores PID em paralelo (algoritmo de velocidade).
Ajustado de forma lenta e outra rápida.
O ciclo de controle deve ser duas vez mais rápido que o ciclo de surge.
Estratégia Dinâmica
Controle antecipatório em malha aberta.
O sistema incrementa automaticamente a abertura da válvula de reciclo de um valor predefinido.
O objetivo é abrir instantaneamente a válvula já que o PID não está tão rápido.
Outra estratégia definir um incremento menor e compatível com o ciclo do PLC os SDCD utilizando um algoritmo de velocidade.
Curva de controle de antecipatório
Ajusta com uma pequena folga do ponto de surge(2 a 5%).
A vazão atinge a linha o sistema de controle adiciona esta variação predefina na posição atual da válvula.
Ajuste automaticamente a folga do controle.
Aumenta a folga.
O objetivo é detectar o surge com as medições de vazão com estimativa do ponto de surge através da curva.
A taxa de variação de vazão no tempo. 
O ganho variável do controlador PID.
Se controlador operar longe do Surge o controlador terá um ganho pequeno.
Inclusão de uma curva de linearização na saída da válvula de reciclo.
10.7 Exemplo de elaboração do controle “ANTI-SURGE”
Compressor de gás úmido da Unidade de Craqueamento (UFCC) da refinaria “RPBC”, em Cubatão São Paulo, com histórico de “surge”.
Estratégia utilizada pela “RPBC”: 
Controle “anti-surge”: PID simples;
Variável controlada: diferencial de pressão no medidor de vazão na descarga e de cada estágio;
“setpoint”: constante e definido pelo operador;
Aproximado pela relação de compressão
Curva de “surge”
Estratégia antiga de controle “anti-surge” com novo “setpoint”
Curvas de “surge” do compressor da RPBC para diferentes pesos moleculares (MW)
O “setpoint” deve ser proporcional ao quadrado da (Ps) para proteger a máquina. Como essa Ps do segundo estágio varia bastante , é difícil fazera proteção com um “setpoint” constante.
Problema na curva de “surge” que não apresentava a forma clássica de uma parábola
Nova estratégia adotada
Desempenho para a estratégia proposta, curva “surge” e “setpoint” para os dois (MW):
10.8 O sistema de compressão
Causas de mau funcionamento de um sistema de compressão:
Compressor Inadequado;
Configuração do sistema inadequada;
Estratégia de controle anti-surge inadequada;
Dinâmica inadequada do controle.
Comportamento dinâmico do sistema de compressão
As analises são feitas afim de construir um simulador dinâmico, onde se pode estudar a influencia dos parâmetros.
Principais variáveis do processo:
Temperatura, Pressão e Peso molecular;
Simplificação a partir da analise apenas dos controles de capacidade e anti-surge.
10.9 Simulação dinâmica do sistema de compressão.
 A simulação consisti em um circuito destacado do processo e envolvendo apenas o compressor e um certo numero de equipamentos.
Representação de casos práticos :
Compressor Centrifugo;
Turbina a vapor;
Vaso ou Capacitância;
Válvula de controle;
Controlador PID.
Exemplo de controlador PID para uma válvula.
Sendo a dinâmica da válvula importante para o controle ,que é representada por uma equação de transferência de 1º ou 2º ordem em função dos parâmetros práticos.
Este controlador, a funcionar, originaria uma resposta muito rápida do sistema e sem erro Estacionário. Ao diminuir o ganho Kp, apareceria na resposta um sobreimpulso indesejável.
10.10 Outros detalhes do controlador “ANTI-SURGE” industrial
Existem particularidades nesse controlador, devido as características de compressão.
Como o compressor opera normalmente com uma vazão maior que o “setpoint” deste controlador, a válvula de reciclo está fechada, e o termo integral (I) do controlador PID estaria diminuindo continuamente seu valor na tentativa de eliminar o erro, até saturar sua saída. 
O problema desta saturação é que quando a planta sofre perturbações e a vazão cai e cruza o “setpoint” o termo integral continua saturado e a válvula só abre quando ele voltar a sua faixa, o que leva um tempo então a máquina já pode ter entrado em “surge”..
Nos controladores digitais atuais, o mecanismo “anti-reset wind-up” já costuma estar implementado no algoritmo;
Nos pneumáticos e eletrônicos era necessário um dispositivo físico para executar esta função de evitar a saturação do termo integral.
	No controle de compressores dinâmicos, existe outro problema que é a interação entre os controladores de capacidade e “anti-surge”.
Interação entre os controladores de capacidade e “anti-surge”, Exemplo:
Possíveis soluções para minimizar a briga entre os controladores:
Objetivo do desacoplamento:
	é projetar um sistema externo ao processo de maneira a cancelar os efeitos das interações entre as malhas de controle. Com isto, pode-se ajustar melhor os controladores PID a ter um desempenho melhor.
G= funções de transferência do processo
D= funções de transferência do desacoplador.
Sinal de entrada
Controlador
Sinal de controle
Sinal de saída
Função de transferência
10.11 Desacoplamento de malhas
Controlador multivariável com desacoplamento total.
Mas como obter a matriz “D”?
Os controladores de capacidade e “anti-surge” continuam sendo algoritmos PID, só que agora as suas saídas não atuam diretamente no processo, mas são antes manipuladas no desacoplador “D”.
Uma forma de resolver este problema é escolher de forma inteligente e implementável a matriz “D”, e depois ajustar os controladores PID em cima da matriz resultante “T”.
Pode-se escolher livremente dois componentes dela e a parti destes obter os outros dois. Uma escolha interessante é fazer os outros dois componentes da diagonal principal da matriz “D” igual a 1.
Esta escolha é chamada por Luyben (1970) de desacoplamento simplificado.
Função de transferência de um sistema de compressão
A equação do desacoplador será:
Função
Ganho (K)
Constante de Tempo()
G11
-1,87
18,50
G21
1,59
6,82
G12
0,21
6,95
G23
0,66
5,92
Portanto com a dinâmica vista pelo controlador PID de capacidade muda com a introdução de “D”, espera-se melhorar a sintonia dos controladores do sistema.
 
Sintonia sem o desacoplamento
Sintonia comodesacoplamento
Controlador
Ganho (Kp)
Tempo integral(Ti)
Ganho (Kp)
Tempo integral(Ti)
Capacidade
-0,6
20 s
-1,0
5 s
“Anti-surge”
4,0
120 s
4,5
28 s
Sem a matriz de desacoplamento “D”
Controlador multivariável com desacoplador parcial.
Desempenho sem desacoplador e com desacoplador parcial e total
10.12 Importância da Instrumentação para o controle “anti-surge”
 A grande importância do controle de surge está quando se pode evitar danos como vazão total do gás de alimentação da máquina, ao se corrigir uma folga no sistema, válvula de reciclo, a velocidade do equipamento.
Válvula de controle anti-surge
Devem ser lineares, rápidas.
Dimensionada para a vazão do projeto
Folga durante a partida, pois em baixa rotação o diferencial de pressão é mais baixo.
Evitar formação de condensado podendo selar o sistema.
Transmissores de vazão
Devem ser rápidos para permitir;
As tomadas da placa devem ser curta, eliminado a formação de condensado, e erros de leitura.
Utilizar placas ou venturis.
Bibliografia
Livro: Controle típicos de equipamentos e processos industriais