Discussão sobre o projeto, seleção e controle do medidor de nível por válvulas magnéticas no vaso de pressão da caldeira

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Este tópico foi editado pela última vez por kareale88 em 2019-7-2 às 23:02. Resumo: A medição precisa do nível do líquido no vaso de pressão da caldeira, o controle estável e seu funcionamento confiável são elementos importantes para garantir a segurança operacional da caldeira. Através da comparação das vantagens e desvantagens de vários tipos de medidores de nível para vasos de pressão, conclui-se que os medidores de nível com placa magnética, os medidores de nível por diferença de pressão e os medidores de nível com contatos elétricos devem ser preferidos. Em seguida, deve-se determinar, com base nas condições reais, se é necessário compensar o nível do líquido no vaso de pressão, e se é preciso utilizar métodos complexos como o controle por três impulsos. A medição precisa do nível do líquido no vaso de pressão da caldeira, o controle estável e seu funcionamento confiável são garantias importantes para o funcionamento seguro da caldeira. A escolha e instalação inadequadas do medidor de nível podem causar sua ruptura, vazamento de vapor quente, medições imprecisas do nível ou até mesmo seu funcionamento inadequado. Um nível de líquido no vaso de pressão excessivo ou flutuações bruscas podem causar uma piora na qualidade do vapor e a presença de água nele, o que leva à formação de sal nas superfícies aquecidas. Em casos graves, isso pode causar vibrações devido ao impacto da água no turbina e danos às suas pás. Um nível de líquido insuficiente, por sua vez, pode fazer com que o sistema de descarte de resíduos não funcione corretamente, fazendo com que os produtos químicos utilizados no forno entrem no vapor. Isso pode ainda causar a presença de vapor nos tubos de descida, afetando assim o ciclo de circulação da água no forno e levando à ruptura de grandes áreas dos tubos do forno. Acidentes graves causados pelo nível do líquido no vaso de pressão ainda ocorrem com frequência, ou situações perigosas continuam a surgir. 1 Medição do nível de líquido no vaso de pressão da caldeira 1.1 Medidores de nível no vaso de pressão Para o projeto dos medidores de nível no vaso de pressão, geralmente são utilizados medidores de nível com placas magnéticas e medidores de nível por diferença de pressão. Mas há quem pense que: ① O medidor de nível por colunas magnéticas, embora observe o nível de maneira indireta, é resistente a altas temperaturas e pressões. Sua estrutura é totalmente metálica, o que lhe confere longa vida útil, boa vedação e baixo risco de vazamentos; ② O medidor de nível com placa de vidro de alta pressão deve ser gradualmente substituído nos caldeiros de pressão média, devido ao seu alto custo, aos muitos pontos de vazamento e às dificuldades de manutenção; ③ O medidor de nível com contatos elétricos tende a sofrer corrosão e acúmulo de incrustações com o tempo, tornando-se assim pouco confiável; ④ O transmissor de diferença de pressão é muito sensível às mudanças na pressão e na quantidade de vapor dentro do caldeiro. É necessário ajustar constantemente o ponto zero e a escala de medição, o que exige bastante manutenção. Além disso, acredita-se que esses métodos de medição não atendem às necessidades de produção e segurança devido às suas incertezas e ao volume de trabalho necessário para sua operação; ⑤ No caso dos medidores de nível capacitivos, as placas de medição são facilmente afetadas pelo acúmulo de incrustações na água. Além disso, durante a operação do caldeiro, a quantidade de vapor, a temperatura e a pressão mudam rapidamente, e a constante dielétrica da mistura de água e vapor também varia constantemente. A compensação manual não consegue resolver esse problema de forma eficaz, o que pode causar leituras errôneas do nível [1]. Foi sugerido que, como referência, se utilize o medidor de nível com flutuador magnético no local, acrescentando funções de monitoramento por vídeo e exibição remota, a fim de permitir o acompanhamento preciso do nível da água no tanque de pressão da caldeira na sala de controle. Além disso, sugere-se que os medidores de nível com contatos elétricos sejam substituídos por medidores de nível magnéticos. Os medidores de nível baseados em diferença de pressão também devem ser substituídos por medidores de nível inteligentes de ondas de rádio. Devem ser utilizados medidores de nível capacitivos inteligentes, capazes de compensar com precisão as mudanças na constante dielétrica do meio líquido, nas mudanças na constante dielétrica do meio gasoso e nas variações de temperatura. Esses medidores permitem a medição precisa e contínua do nível em todas as condições operacionais (ligação/desligamento da caldeira, descarga de resíduos, situações de emergência, etc.). Eles são resistentes a altas temperaturas e pressões, têm longa vida útil e não apresentam medições “falsas” do nível. Até hoje, continuam a ser publicados artigos sobre a medição e controle do nível de líquido no vaso de pressão. Por exemplo, o artigo “Análise da aplicação do controle fuzzy PID no nível de líquido no tanque de pressão das caldeiras” aponta que o controle fuzzy PID oferece velocidade de resposta rápida, menor valor de sobreajuste e maior precisão no acompanhamento do nível [2]. Já o artigo “Escolha e cálculo de instrumentos para medir o nível de líquido no tanque de pressão de instalações químicas” apresenta duas formas de compensação do nível: compensação estrutural e compensação por software [3]. Por fim, o artigo “Controle do nível de líquido no tanque de pressão com base em PSD adaptativo de um único neurônio” permite ajustar dinamicamente os parâmetros de controle de acordo com as condições operacionais do tanque, melhorando assim as características dinâmicas e estáticas do nível de líquido [4]. Para o controle do nível do líquido no vaso de pressão, a abordagem mais comum é o uso de controle de três impulsos; também existem sistemas de controle avançado que podem ser utilizados. 1.3 As normas relevantes estipulam que, de acordo com as “Normas Técnicas de Segurança para Caldeiras a Vapor”, cada caldeira deve ter pelo menos 2 medidores de nível de água, que devem ser independentes um do outro. O regulamento não estipula quais tipos de medidores de nível de líquido devem ser utilizados no tanque de vapor da caldeira, nem oferece diretrizes específicas para as estratégias de controle. Mas cada caldeira a vapor deve ser equipada com pelo menos dois medidores de nível de água de leitura direta, independentes um do outro. Em determinadas condições, a caldeira pode ser equipada com apenas um medidor de nível de água de leitura direta. As normas estabelecem requisitos específicos para o diâmetro interno, o comprimento e a inclinação dos tubos de conexão do gás, além de exigir que os medidores de nível das caldeiras subcríticas corrijam os erros de medição causados pela diferença de densidade do líquido. As “Regras Técnicas para o Sistema de Medição do Nível de Líquido no Vaso de Pressão das Usinas Termelétricas” são normas específicas para os medidores de nível do vaso de pressão. Embora sejam voltadas para caldeiras de alta pressão, seu conteúdo é detalhado e prático, com ênfase na segurança. Portanto, podem ser utilizadas como referência para caldeiras de pressão média e inferior. As normas estipulam claramente que o vaso de pressão deve estar equipado com um medidor de nível local, um dispositivo de medição de nível por diferença de pressão e um dispositivo de medição de nível por eletrodos; além disso, há preferência pelo uso do medidor de nível por diferença de pressão. A seção de explicações relativas à elaboração do documento indica ainda que houve grandes avanços na tecnologia dos dispositivos de medição de nível por eletrodos. Muitas aplicações a longo prazo comprovaram sua segurança e confiabilidade, além de sua capacidade de eliminar a influência da pressão no tanque de vapor, permitindo uma medição de alta precisão do nível em todo o período. Os avanços na tecnologia dos recipientes de equilíbrio garantem que os medidores de nível por diferença de pressão funcionem de maneira precisa e estável, além de assegurar a proteção do nível durante o processo de inicialização. Foram estabelecidas disposições que dão devida atenção à segurança, com explicações detalhadas, como a separação das funções de proteção e controle do nível da água no vaso de pressão, canais independentes e fontes de energia independentes. Não há descrição sobre as estratégias de controle. 2 Aplicações práticas dos medidores de nível de líquido em vasos de pressão: A empresa Meiant possui 2 unidades de produção de ácido sulfúrico, com capacidade de 400 kt/a cada. Dentre eles, há 2 vasos de pressão HRS de 1,0 MPa; cada um está equipado com 1 medidor de nível de tipo flutuante magnético, 1 alarme para nível elevado e 1 medidor de nível por diferença de pressão. Caldeira de resfriamento residual: 4,0 MPa. Existem 2 vasos de pressão; cada um está equipado com 2 medidores de nível de tipo tubo de quartzo e 2 medidores de nível por diferença de pressão em recipientes de equilíbrio de dois compartimentos. A situação de funcionamento e reforma do medidor de nível do vaso de pressão está mostrada na Tabela 1. http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/9b2f8f3ec5f505ca975200e0d3f97bea.jpg
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A Figura 1 mostra uma comparação entre dois medidores de nível a pressão diferencial, ambos utilizados em um tanque com pressão de 4,0 MPa: um deles foi modificado, enquanto o outro não foi modificado. A análise da tendência dos dados mostra que o método tradicional de medição do nível por diferença de pressão pode apresentar falhas na medição do nível durante a partida da caldeira, devido a deficiências no projeto ou na instalação (no Gráfico 1, o nível de 100% representa, na verdade, um nível falso). Esse problema geralmente desaparece automaticamente à medida que a pressão no vaso de vapor aumenta. No exemplo, o ponto de sobreposição das duas medições de nível de líquido começa no “Ponto A”, e o valor de pressão correspondente é de aproximadamente 0,135 MPa. Devido à natureza enganosa desse fenômeno, os problemas relacionados à medição do nível do líquido durante o processo de aumento da pressão no vaso de pressão não receberam a devida atenção e solução por um longo tempo, especialmente no que diz respeito às ajustes necessários nas normas de projeto aplicáveis. http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/7d4b304884ab9ab7db8913336a34e9b6.jpg A influência das flutuações na pressão de vapor no nível do líquido no tanque de vapor é mostrada na Tabela 1 e na Figura 2. Método de teste: Primeiro, aumenta-se a pressão do vaso de pressão. Em seguida, abre-se abruptamente a válvula de regulação do tubo de vapor principal (sendo que o próprio tubo de distribuição de vapor ainda está sob pressão). O controle do nível líquido é alterado de automático para manual, e então observam-se as mudanças nos parâmetros relacionados. Os resultados dos testes mostraram que a vazão de vapor varia dentro de certos limites, o que não causa impacto significativo imediato na medição do nível do líquido. Nos exemplos analisados, as variações no nível do líquido ficaram dentro de 38 mm. Também não houve atraso significativo na medição do nível do líquido, o que talvez se deva às melhorias realizadas no medidor de nível. http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/b656d41b5c52b37698ae97d35f8f1c59.jpg
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3 Discussão de problemas
1) Os medidores de nível com placa magnética têm vida útil longa e não precisam de manutenção; são muito mais seguros e confiáveis do que os medidores de nível com tubo de quartzo. Embora seja caro, do ponto de vista da segurança, é melhor optar por ele. 2) O medidor de nível por diferença de pressão também é um instrumento de medição de nível de caldeira com longa vida útil, que não requer manutenção e é seguro e confiável. Devido à sua ampla abrangência, é fácil que seja mal compreendido devido a fatores como o design e a instalação. Recomenda-se que o tubo de medição de pressão seja projetado de modo a não precisar de aquecimento. Se for utilizada aquecimento por vapor ou elétrico, é recomendável que, entre o tubo de aquecimento e o tubo de medição de pressão, seja colocado primeiro um material isolante, como corda de amianto. Se for utilizada aquecimento por vapor, é melhor instalar também um sistema de aquecimento elétrico a base de tetraflúoro, para uso em casos de emergência. Como a válvula de descarga pode parar de fechar corretamente após alguns usos, recomenda-se que o terminal seja equipado com um tampão fácil de remover e instalar. 3) Para os medidores de nível do vaso de pressão, recomenda-se priorizar o uso de medidores de nível com placas magnéticas, medidores de nível por diferença de pressão e medidores de nível com contatos elétricos. Estas são todas formas de medição de nível com boa relação custo-benefício, que foram testadas por um grande número de usuários e através de uso contínuo ao longo do tempo. Do ponto de vista dos princípios de medição, os medidores de nível com placa magnética, os medidores de nível capacitivos, os medidores de nível com boia e os medidores de nível por radar são menos propensos a operar de forma estável, confiável e sem necessidade de manutenção por um longo período. Se já estiverem instalados, recomenda-se que sejam utilizados apenas como reserva. As “Regras Técnicas para o Sistema de Medição do Nível de Água no Vaso de Pressão das Usinas Termelétricas” estipulam que o medidor de nível escolhido “deve ter uma capacidade avançada de adaptação aos materiais utilizados”. Desde que este processo foi colocado em operação, os equipamentos utilizados funcionam bem, e todos os indicadores relacionados às águas residuais excedentes atendem aos **padrões de emissão estabelecidos**. A situação do monitoramento do valor de pH no processo de neutralização dos rejeitos está apresentada na Tabela 4. Já o monitoramento dos metais pesados presentes nos produtos gerados nesse processo está indicado na Tabela 5. Conforme pode ser visto na Tabela 4, ao coletar amostras pelo orifício de amostragem localizado no topo do tanque de reação, verificou-se que o valor de pH dos materiais dentro do tanque aumentou significativamente. Esse valor está em conformidade com os valores medidos pelo pH meter instalado no tubo de conexão. Conforme pode ser visto na Tabela 5, após a análise dos materiais resultantes da reação pelo centro de teste, verificou-se que os íons de metais pesados estavam todos abaixo dos padrões permitidos, satisfazendo assim as normas para emissão de efluentes industriais. http://www.517mat.com/d/file/gsnews/2019-02-19/f5685828e471e33541e3d60f5eb0b4c2.jpg
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3. Conclusão
Em comparação com os métodos tradicionais que utilizam calcário ou soluções alcalinas para tratar águas residuais ácidas, a tecnologia de neutralização de resíduos ácidos com polpas alcalinas oferece vantagens em termos de investimento em equipamentos e custos operacionais. Além disso, não causa poluição secundária ao meio ambiente. A aplicação prática comprovou que essa solução técnica é confiável, apresenta resultados satisfatórios na gestão e tem valor para ser difundida.