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ESTUDO DA VIABILIDADE DA AUTOMAÇÃO DE GASODUTOS EM PEQUENAS USINAS DE BIOGAS, A PARTIR DO CONTROLE DA VAZÃO E DA PRESSÃO
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ESTUDO DA VIABILIDADE DA AUTOMAÇÃO DE GASODUTOS EM PEQUENAS USINAS DE BIOGAS, A PARTIR DO CONTROLE DA
VAZÃO E DA PRESSÃO.
Matheus Dias de Almeida ¹, Rafael Nossi da Silva ¹, Pedro Luiz Aranha ¹, Cesar da Costa¹.
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo- IFSP¹.
Abstract
The resulting biogas is the controlled decomposition of household rubbish, made in landfills, or the decomposition of cattle dung in special containers known as digesters. The sewage of our cities, collected at treatment plants, is also a source of biogas, which can be used to move buses and trucks, or to produce electricity and heat co-generation. Biogas is a gas lighter and sparsely. Lighter than air, unlike propane and butane, it poses less risk of explosion in that its accumulation becomes more difficult. Its low density implies, however, that it occupies a significant volume and its liquefaction is more difficult, which gives some disadvantages in terms of transport and use. This paper presents a proposal for the implementation of an automation system pipelines in biogas plants, from the control of its flow and its pressure. To validate the proposal presented in this paper, we implemented a prototype control system based on Programmable Logic Controller - PLC, flow meters and pressure connected Modbus communication network, connected to a system of supervision and control, installed on a PC microcomputer. The satisfactory results obtained in field trials conducted with this system , associated with the methodologies employed in the development of communication network data , showed that this proposal automation is feasible and consistent , especially regarding the implementation of a system that aims to control flow and pressure digesters. Keywords: Biodigesters, Programmable Logic Controller, System supervision and
control.
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Resumo
O biogás é resultante da decomposição controlada do lixo doméstico, feita em aterros sanitários, ou da decomposição do esterco de gado em recipientes especiais conhecidos como biodigestores. O esgoto das nossas cidades, recolhido às estações de tratamento, também é uma fonte de biogás, que pode ser utilizado para movimentar ônibus e caminhões, ou para produzir eletricidade e calor em co-geradores. O biogás é um gás leve e de fraca densidade. Mais leve do que o ar, contrariamente ao butano e ao propano, ele suscita menores riscos de explosão na medida em que a sua acumulação se torna mais difícil. A sua fraca densidade implica, em contrapartida, que ele ocupe um volume significativo e que a sua liquefação seja mais difícil, o que lhe confere algumas desvantagens em termos de transporte e utilização. Este trabalho apresenta uma proposta para a implementação de um sistema de automação de gasodutos em pequenas usinas de biogás, a partir do controle da sua vazão e da sua pressão. Para validar a proposta apresentada neste trabalho, foi implementado um protótipo de sistema de controle, baseado em Controlador Lógico Programável – CLP, medidores de vazão e pressão, ligados em rede de comunicação Modbus, conectado a um sistema de supervisão e controle, instalado em um microcomputador PC. Os resultados satisfatórios obtidos nos ensaios práticos realizados com esse sistema, associados com as metodologias empregadas no desenvolvimento da rede de comunicação de dados, mostraram que essa proposta de automação é viável e consistente, principalmente no que concerne a implementação de um sistema que visa controlar a vazão e a pressão de biodigestores.
Palavras Chaves: Biodigestores, Controlador lógico programável, Sistema de
supervisão e controle.
1. INTRODUÇÃO
Toda matéria orgânica, como restos agrícolas, esterco ou lixo, sofre decomposição
por bactérias microscópicas. Durante o processo, as bactérias retiram dessa biomassa aquilo que necessitam para sua sobrevivência, lançando gases e calor na atmosfera.
O biogás é resultante da decomposição controlada do lixo doméstico, feita em aterros sanitários, ou da decomposição do esterco de gado em recipientes especiais conhecidos como biodigestores. O esgoto das nossas cidades, recolhido às
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estações de tratamento, também é uma fonte de biogás, que pode ser utilizado para movimentar ônibus e caminhões, ou para produzir eletricidade e calor em co-geradores.
Uma política de geração e aproveitamento do biogás possibilitará a regularização de milhares de lixões que existem no País. Isso porque, para operá-los de maneira controlada, seria necessário investir em infraestrutura, drenagem, segurança e mão-de-obra especializada. Do mesmo modo, o esgoto, que atualmente é jogado em córregos e valas, teria de ser canalizado para estações de tratamento, resultando em ganhos ambientais, sociais e de saúde pública. A boa notícia é que já contamos com aterros sanitários funcionando regularmente e gerando biogás de lixo em cidades como Salvador, São Paulo, Rio de Janeiro e Goiânia. Outra iniciativa muito importante seria estimular a adoção de biodigestores em áreas rurais, gerando gás de cozinha a partir do estrume bovino ou suíno, como já acontece em milhões de residências na China e Índia.
O Biodigestor realiza um processo conhecido há muito tempo, a biodigestão anaeróbia. A produção de biogás para a conversão em energia de cozimento, iluminação e como biofertilizante é muito popular nos países asiáticos, a exemplo da China e Índia. Mas também, já é considerável o interesse pelo biogás em todo o mundo, pois o processo é de grande valor, especialmente para os países do Terceiro Mundo.
Os biodigestores, após longos anos passados, ressurgem como alternativa ao produtor, graças à disponibilidade de novos materiais para a construção dos biodigestores e, é claro, da maior dependência de energia das propriedades em função do aumento da escala de produção, da matriz energética (demanda da automação) e do aumento dos custos da energia tradicional (elétrica lenha e petróleo). O emprego de mantas plásticas na construção de biodigestores, com certeza, é um material de alta versatilidade e de baixo custo, e por isso, é o fator responsável pelo barateamento dos investimentos de implantação e da sua evolução no país. Porém, embora se conheçam os avanços obtidos no conhecimento do processo de digestão anaeróbia, na tecnologia de construção e de operação de biodigestores, da redução dos custos de investimentos e de manutenção, continua-se a praticar os mesmos erros do passado, o que poderão inviabilizar novamente o uso da tecnologia. Se o interesse dos suinocultores é de aumentar a rentabilidade econômica da atividade e adequação à legislação ambiental num país que dispõem de condições climáticas favoráveis (temperaturas agradáveis e boa distribuição de chuvas) para produzir energia e biofertilizante, derivados dos dejetos.
A tecnologia atual disponível oferece suporte para o desenvolvimento de sistemas de automação de gasodutos de pequeno porte (biodigestores), controlando principalmente a vazão e a pressão do gás produzido. Os sistemas baseados em controladores lógicos programáveis – CLP’s, softwares de supervisão e controle,
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instrumentação microprocessada e outras tecnologias de comunicação em redes, permitem que a medição possa ser realizada remotamente, dispensando não só a intervenção humana nas medições, como também possibilitando, uma gestão energética otimizada.
1.2. Motivação
Atualmente vem ocorrendo diversos problemas em relação à implantação de
biodigestores no Brasil, a começar pelos princípios básicos da digestão anaeróbia, que não estão sendo devidamente considerados, e ainda, não existem planejamentos adequados para a produção, uso e disposição dos subprodutos derivados.
Os produtores não dispõem de assistência técnica treinada e com conhecimento nos processos produtivos do biogás, sendo muitas vezes, levados pela pressão a ajustar a atividade à legislação ambiental e pela oferta dos fornecedores de materiais e equipamentos, acabam por implantar processos mal dimensionados, com problemas operacionais e baixa eficiência de produção e uso do biogás, bem como a utilização do biofertilizante, inviabilizando o sistema do ponto de vista técnico e econômico.
Grande parte dos biodigestores existentes não é automatizada, visto que a automação tende a garantir o menor contato físico do homem com os processos pertinentes ao chão de fábrica, evitando assim maiores riscos de acidente de trabalho e também garantindo uma padronização quando necessário em ações a serem tomadas por um operador, diminuindo assim a chance de erros no processo, evitando prejuízos para o produtor.
2. BIODIGESTOR
O biodigestor realiza um processo conhecido há muito tempo, a biodigestão
anaeróbia. A produção de biogás para a conversão em energia de cozimento, iluminação e como biofertilizante é muito popular nos países asiáticos, a exemplo da China e Índia. Mas também, já é considerável o interesse pelo biogás em todo o mundo, pois o processo é de grande valor, especialmente para os países do Terceiro Mundo.
O biodigestor anaeróbico é um sistema destinado à produção de biogás, principalmente o metano, através do tratamento de esgoto sem a utilização de produtos químicos. Durante o processo, a matéria orgânica contida no esgoto é digerida pelas bactérias, que atuam na falta de oxigênio (por isso é chamado de
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anaeróbico). Esta digestão realizada pelas bactérias produz o biogás que pode ser transformado em energia.
Nas décadas de 70 e 80, aumentou-se muito o interesse pelo biogás no Brasil, em especial pelos suinocultores. Alguns programas do governo estimularam a implantação de muitos biodigestores focados principalmente, na geração de energia e na produção biofertilizante e diminuição do impacto ambiental. A finalidade dos programas governamentais era de reduzir a dependência das pequenas propriedades rurais na aquisição de adubos químicos e de energia térmica para os diversos usos (cozimento, aquecimento, iluminação e refrigeração), bem como, reduzir a poluição causada pelos dejetos animais e aumentar a renda dos criadores. A Figura 1 ilustra um biodigestor rural.
Segundo Lucas Junior; Souza (2009), os principais componentes de um biodigestor modelo indiano são:
• Caixa de carga (local de diluição dos dejetos); • Tubo de carga (condutor dos dejetos diluídos da caixa de carga para o interior
do biodigestor); • Câmara de biodigestão cilíndrica (local onde ocorre a fermentação anaeróbia
com produção de biogás); • Gasômetro (local para armazenar o biogás produzido formado por campânula
que se movimenta para cima e para baixo); • Tubo-guia (guia o gasômetro quando este se movimenta para cima e para
baixo); • Tubo de descarga (condutor para saída do material fermentado sólido e
líquido) caixa ou canaleta de descarga (local de recebimento do material fermentado sólido e líquido);
• Caixa ou canaleta de descarga (local de recebimento do material fermentado sólido e líquido);
• Saída de biogás (dispositivo que permite a saída do biogás produzido para ser encaminhado para os pontos de consumo).
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Figura 1- Esquema de um Biodigestor rural anaeróbico (fonte: pt. wikipedia.org).
3. MATERIAIS E PROCESSOS
Para fins de estudo, o exemplo tratado neste trabalho, caracteriza-se por ser um simples segmento de uma rede de distribuição de biogás, independente do tipo de biodigestor utilizado. A Figura 2 ilustra a representação esquemática do segmento de estudo, que é composta basicamente por cinco componentes:
• Um sistema de compressão (compressor); • Uma válvula de alívio (VAZ); • Segmentos de dutos; • Estação de Medição (vazão e pressão); • Um conjunto de consumidores (estação de entrega);
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Figura 2 – Representação esquemática do sistema proposto
3.1 Estação de Compressão
São estruturas mecânicas industriais de pequeno porte distribuídas pela linha de dutos com a finalidade de elevar a energia do gás natural pelo aumento da pressão, para que esta se encontre em certo nível necessário para a sua transmissão compensando assim perdas provenientes do próprio consumo e pelo atrito com a parede interna do duto. O tipo de compressor que pode ser utilizado em gasodutos de biodigestor é o compressor centrífugo. Neste tipo de compressor, o aumento de pressão se dá pela ação de um rotor provido de pás, que faz com que o gás seja impulsionado, através de um impelidor, atingindo velocidade elevada e sendo posteriormente descarregado em um difusor formado por um caixa em forma de voluta ou por canais difusores. Ambos têm como objetivo fazer com que o gás perca velocidade. Desta forma, a energia cinética oferecida ao gás pelo rotor é praticamente toda revertida em pressão para o fluído.
3.2 Estação de Medição
A rede de dutos faz parte da estação de medição, sendo composta por peças de seção circulares cilíndricas geralmente compostas por aço, sendo interconectadas entre si de modo a se obter uma linha contínua pela qual o fluído irá escoar. A espessura do duto é calculada a fim de suportar a pressão existente e a seção é obtida de modo a atender a vazão de projeto da linha. Toda a tubulação deve ser preservada por um sistema de proteção catódica para evitar a corrosão, além de um revestimento anticorrosivo externo [4]. Na estação de medição encontram-se também os medidores de pressão e vazão.
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A medição confiável das variáveis pressão e vazão é imprescindível para garantir o bom funcionamento do duto, manter a segurança e garantir a distribuição segura do gás. Para realizá-la existe uma enorme quantidade de equipamentos. De maneira geral os instrumentos funcionam como transdutores convertendo o valor de grandeza física em um sinal elétrico de corrente analógico, padrão de 4 a 20 mA. Ou outro qualquer, que permita a comunicação com os controladores programáveis.
3.3 Estações de Entrega
A estação de entrega compreende a distribuição de gás aos consumidores, basicamente é constituída por válvulas. Em toda a totalidade da linha de dutos será encontrada uma vasta gama de válvulas realizando os mais diversos tipos de funções, mas todas elas têm em comum a intervenção junto ao fluxo de gás. São acopladas junto aos atuadores, que podem ser acionados eletricamente, pneumaticamente ou hidraulicamente, por meio de um sistema de controle a distancia ou próximo ao próprio processo. As válvulas utilizadas em um gasoduto são robustas e feitas de materiais que apresentam resistência mecânica elevada (normalmente aço carbono, ferro fundido ou bronze) de modo a permitir sua aplicação em altas pressões, necessitando também uma resistência à corrosão e temperatura [5].
3.4 Controle de Vazão e Pressão de Gasodutos
O controle das características de pressão e vazão de uma linha de gasoduto é uma tarefa que exige um complexo sistema de aquisição e monitoramento dos dados, efetuando medições de uma gama de variáveis, analises e atuações automáticas nos atuadores e máquinas primárias da rede (compressores).
O bom funcionamento de uma malha de dutos de transporte de gás exige o conhecimento detalhado dos seus componentes. São necessárias estratégias de operação e controle que permitem que o sistema não entre em situação de insegurança que possa vir a causar um colapso na rede.
Desta maneira, os estudos das características do sistema e dos seus fenômenos correlacionados, são de fundamental importância, tanto para definição de uma estratégia de controle que possibilite um bom desempenho, quanto para a construção de modelos matemáticos que permitam representá-lo adequadamente em análises diversas.
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4. METODOLOGIA
A proposta desse trabalho é uma unidade demonstrativa de um biodigestor e de sua automação, a partir do controle da sua vazão e pressão, para obtenção de biogás seguro e controlado, a partir de esterco animal. O projeto de automação foi concebido a partir da modelagem funcional do compressor, válvulas atuadoras e o controlador, uma vez que tais componentes não puderam ser adquiridos, em virtude do seu alto custo. Os dados (parâmetros funcionais) utilizados na modelagem funcional como: pressão de entrada, curva do compressor, vazão volumétrica de sucção, características do gás, temperatura de entrada etc. Foi obtido por meio de reuniões técnicas, em visitas a usinas de biogás, localizadas na cidade de São Paulo, como SABESP e Usina São João Energia Ambiental – Biogás, em Sapopemba, que permitiram que a simulação fosse o mais próximo da realidade de um biodigestor industrial.
A simulação computacional tem se constituído numa ferramenta poderosa para a compreensão dos fenômenos físicos, químicos e energéticos em sistemas reais. A utilização da modelagem dentro da área de engenharia de controle já tem sua imporância consolidada em virtude da sua extrema praticidade. A abstração do sistema é realizada modelando-se cada componente existente no sistema proposto, sendo que o comportamento global do sistema é obtido, por meio do produto destes componentes, ou do compartilhamento de suas variáveis. Tal metodologia possibilita a análise e formalização de diferentes sistemas de controle de transferência e distribuição de gás em biodigestores.
Por meio do programa MATLAB/SIMULINK foi possível à construção de um modelo, que desempenhasse a dinâmica de um sistema de controle proporcional e integral, aplicada por um controlador de forma discreta, ao sistema do compressor e da turbina. Neste caso, a metodologia usada para a simulação foi à aplicação da Equação do “Head termodinâmico”, que simula o comportamento do compressor centrífugo [6], tomando-se como parâmetros funcionais, aqueles obtidos através de um programa desenvolvido em MATLAB, que permitiu o cálculo do “Head politrópico” do compressor.
Portando, assumiu-se um processo de compressão ideal politrópico, o valor do Head de um compressor centrífugo é dado pela equação 1, a seguir.
1
2
1
. . . . 11
n
n
p e
PnH Z R T
n P
−
= − −
(1)
Onde:
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pH = Head politrópico;
n = Expoente politrópico da compressão; Z = Fator de compressibilidade;
eR = Número de Reynolds; T = Temperatura média do gás;
1P = Pressão na entrada;
2P = Pressão na saída.
O diagrama de blocos do software SIMULINK, representativo do sistema proposto de controle é apresentado na Figura 3.
Figura 3 - Diagrama de bloco utilizado para simulação do sistema de controle proposto por variação da
rotação do compressor.
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4. RESULTADOS
Na simulação realizada, a partir da equação 1, considerou-se que a variável a ser controlada seria a pressão de descarga do compressor 2P . As condições de vazão volumétrica de sucção, pressão de entrada, características do gás e temperatura de entrada foram fixadas utilizando valores típicos para uma estação de compressão, que puderam ser variadas no modelo da figura 3. As variáveis estudadas foram à rotação do compressor, o erro obtido e a saída de pressão de descarga. O resultado da pressão de saída está ilustrado na Figura 4.
Na Figura 4 A pode-se verificar, que o sistema se estabiliza rapidamente quando a pressão de descarga atinge o set-point desejado (95 bar). No tempo igual a 3segundos, foi simulada uma variação da pressão de descarga em forma de degrau, ocorrido devido algum distúrbio no sistema. Percebe-se que o controlador assim que percebe a variação de pressão atua no sentido de compensa-la. Da mesma forma, pode se verificar que a rotação da turbina é incrementada pelo controlador, de modo a possibilitar o fornecimento da pressão de descarga necessária.
Na Figura 4 B foi considerado como distúrbio um sinal de variação de pressão repetitivo, de forma a verificar a ação do controlador nessa situação. As variações foram do tipo rampa linear de 0 a 15 bar em 500 ms e caindo abruptamente para zero neste tempo. Verifica-se que o controle, mesmo em uma condição extrema de variação, tende a manter a pressão próxima de um limite pré-estabelecido.
Figura 4 – (A) Pressão de descarga do compressor. (B) Pressão de descarga com distúrbio
sequencial.
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5. CONCLUSÃO
O biogás apresenta-se como uma fonte economicamente viável e ecologicamente correta, além de provir de uma fonte inesgotável, é uma alternativa de substituição da queima da madeira, que comparado a outros combustíveis, apresenta uma qualidade superior; sem contar com o seu baixo custo de produção, já que a matéria prima é encontrada em qualquer lugar do planeta. Os resultados obtidos na simulação funcional mostram a viabilidade da automação de gasodutos em pequenas usinas de Biogás, onde o controle proporcional e integral (PI) da vazão e da pressão no sistema pode ser obtido pela variação da velocidade (RPM) do compressor centrífugo, cuja saída permite variar a energia cinética do biogás obtido.
A partir dos resultados da simulação foi possível especificar-se os equipamentos a serem utilizados na automação de um biodigestor de pequeno porte, como: (i) CLP- controlador lógico programável; (ii) medidor de pressão; (iii) medidor de vazão; (iii) Software supervisório SCADA para monitoração remota do sistema proposto.
Referências Bibliográficas
[1] DEUBLEIN, D.; STEINHAUSER, A. A biogas from waste and renewable resources – An introduction.
Segunda edição, Wiley-VCH, 2011.
[2] GASPAR, R. M. A. L. Utilização de biodigestores em pequenas e médias propriedades rurais com
ênfase na agregação de valor: um estudo de casona região de Toledo – Paraná. Dissertação de
mestrado, Engenharia de Produção, UFSC, 119p, 2003.
[3] SARAVANAN, V., SREEKRISHNAN, T. R. Modelling anaerobic biofilm reactors – A review. Journal of
Environmental Management, V.8, pp 1-18, 2006.
[4] MACIAS, I. B. Detecção de vazamentos em tubulações transportando gás. Dissertação de Mestrado,
Universidade de Campinas, 2004.
[5] LUCAS JUNIOR, J. Estudo comparativo de biodigestores modelos indianos e chineses. Tese de
Doutorado, Universidade Estadual Paulista, 1987.
[6] FALETO, F. P. Controle e supervisão de pressão e vazão em gasodutos. Monografia, relatório final,
Programa de Recursos Humanos da ANP para o setor de Petróleo e Gás – PRH – ANP/MME/MCT,
Universidade Federal de Itajubá, 2003.
Dados dos Autores
1.Matheus Dias de Almeida, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo- IFSP, Rua Pedro Vicente, 625, Canindé, CEP 01109-010, São Paulo, SP, Tel. (11) 2763-7500, E-mail: [email protected]
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2. Rafael Nossi da Silva, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo- IFSP, Rua Pedro Vicente, 625, Canindé, CEP 01109-010, São Paulo, SP, Tel. (11) 2763-7500, E-mail: [email protected]
3. Pedro Luiz Aranha, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo- IFSP, Rua Pedro Vicente, 625, Canindé, CEP 01109-010, São Paulo, SP, Tel. (11) 2763-7500, E-mail: [email protected] 4. Cesar da Costa, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo- IFSP, Alameda Jau, 88/21, Canindé, CEP 01420-000, São Paulo, SP, Tel. (11) 3253-5693, E-mail: [email protected]
