Compreendendo a sobretensão em compressores
Definição: O que é Surging?
Surgindo (também chamado de surto do compressor) é uma instabilidade aerodinâmica violenta em compressores centrífugos e axiais, onde todo o fluxo através do compressor inverte periodicamente a direção, criando pressão e fluxo oscilantes com frequências tipicamente na faixa de 0,5 a 10 Hz. Durante um ciclo de surto, o fluxo para ou reverte momentaneamente, a pressão cai e, em seguida, o fluxo retorna para frente, a pressão aumenta e o ciclo se repete. Isso cria enormes forças flutuantes no rotor, produzindo graves vibração, ruído alto e estrondoso, e pode destruir um compressor em minutos se não for interrompido imediatamente.
A sobretensão é fundamentalmente uma instabilidade do sistema que envolve o compressor e sua tubulação/volume, não apenas o compressor. Ela ocorre quando se tenta operar além da capacidade de aumento de pressão do compressor em baixas vazões, e a prevenção requer sistemas de controle anti-sobretensão que mantenham o fluxo acima da linha de sobretensão.
O Mecanismo de Surto
Descrição do ciclo de pico
Um ciclo típico de pico progride da seguinte forma:
- Redução de fluxo: A demanda do sistema diminui, o fluxo através do compressor é reduzido
- Início da paralisação: Em fluxo muito baixo, as lâminas do compressor param (o fluxo se separa)
- Colapso de pressão: Compressor parado não consegue manter a pressão de descarga
- Reversão de fluxo: O gás de alta pressão na tubulação de descarga/pleno flui para trás através do compressor
- Equalização de pressão: A pressão de descarga cai à medida que o gás flui para trás
- O fluxo de avanço é retomado: Uma vez que a pressão cai, o compressor pode fluir novamente para a frente
- A pressão aumenta: O fluxo direto aumenta a pressão de descarga
- Repetições do ciclo: Alta pressão causa novamente parada, repetindo o ciclo
Frequência de pico
- Determinado pelo volume do sistema (tubulações, câmaras, vasos) e características do compressor
- Volumes maiores → menor frequência de pico
- Faixa típica: 0,5-10 Hz
- Sistemas pequenos: 5-10 Hz
- Sistemas grandes: 0,5-2 Hz
- Frequência relativamente constante para um determinado sistema
Condições que levam ao aumento repentino
Operando além da linha de pico
A linha de pico no mapa de desempenho do compressor:
- Linha de Sobretensão: Limite operacional estável mais à esquerda no mapa do compressor
- Operação segura: À direita da linha de pico (fluxos mais altos)
- Zona de pico: À esquerda da linha de pico (instável, proibido)
- Margem: Normalmente opera margem de fluxo 10-20% à direita da linha de surto
Eventos desencadeadores
- Redução da demanda: A demanda do processo cai, o fluxo diminui
- Restrição de alta: Fechamento ou bloqueio da válvula
- Redução de velocidade: Compressor desacelerando sem redução proporcional do fluxo
- Mudanças de densidade: Alterações no peso molecular ou na temperatura que afetam as características do compressor
- Sujeira: Depósitos nas lâminas reduzindo a capacidade do compressor
Efeitos e Consequências
Vibração
- Amplitude: Pode atingir 25-50 mm/s (1-2 pol/s) ou mais
- Componente axial: Particularmente grave na direção axial
- Baixa frequência: Pulsações de 0,5-10 Hz
- Máquina inteira: Todo o conjunto do compressor balança e treme
Danos mecânicos
- Falha de rolamento: Cargas de choque destroem rolamentos em horas
- Danos no selo: O movimento axial e as reversões de pressão destroem as vedações
- Danos no eixo: Tensão de flexão e torção devido à reversão do fluxo
- Dano da lâmina: Cargas aerodinâmicas alternadas causando fadiga, possível liberação da lâmina
- Danos no acoplamento: Acoplamentos que danificam o choque torcional
- Rolamento de encosto: O empuxo alternado rapidamente pode destruir o mancal de impulso
Consequências do Processo
- Oscilações de pressão e fluxo que afetam o processo a jusante
- Excursões de temperatura a partir de ciclos de compressão/expansão
- Possíveis perturbações do processo ou disparos do sistema de segurança
- Problemas de qualidade do produto devido a condições instáveis
Detecção
Assinatura de vibração
- Início súbito de pulsação de baixa frequência e grande amplitude
- Frequência na faixa de 0,5-10 Hz
- Forte vibração axial
- Amplitude instável e variável
Assinatura Acústica
- Som alto de estrondo ou chiado
- Pulsação rítmica audível na frequência de pico
- Distinto e inconfundível
Indicadores de Processo
- Pressão de descarga oscilante
- Fluxo oscilante (pode reverter)
- Flutuações de temperatura
- Flutuações de corrente do motor
Prevenção: Controle Anti-Surge
Componentes do sistema anti-surto
Válvula de reciclagem
- Válvula de ação rápida que desvia a descarga do compressor para a sucção
- Abre para aumentar o fluxo ao se aproximar da linha de surto
- Dimensionado para fluxo total do compressor, se necessário
Medição de vazão e pressão
- Monitoramento contínuo da vazão e aumento de pressão
- Ponto de operação do gráfico no mapa do compressor
- Detectar aproximação à linha de surto
Controlador
- Calcula a distância até a linha de surto
- Abre a válvula de reciclagem ao se aproximar do pico (com margem de segurança)
- Os sistemas modernos usam algoritmos adaptativos
- Tempo de resposta crítico (< 1 segundo requisito típico)
Procedimentos Operacionais
- Nunca opere à esquerda da linha de surto
- Manter margem de fluxo 10-20% contra surtos
- Mudanças graduais de carga (evite quedas rápidas de demanda)
- Verifique o funcionamento do sistema anti-surto antes da inicialização
- Teste o anti-surto periodicamente
Resposta de emergência
Se ocorrer um surto
- Ação imediata: Abra a válvula de reciclagem manualmente se o sistema automático falhar
- Aumentar o fluxo: Descarga aberta, redução da resistência, partida de unidades paralelas
- Reduzir o aumento de pressão: Compressor lento se velocidade variável
- Desligamento de emergência: Se o aumento não puder ser interrompido em 10 a 30 segundos
- Não reinicie: Até que a causa seja identificada e corrigida
Inspeção pós-surto
- Inspecione se há danos na lâmina
- Verifique a condição do rolamento
- Verifique a integridade do selo
- Examine o mancal de encosto
- Realizar análise de vibração antes de retornar ao serviço
Surto vs. Outras instabilidades
Surto vs. Estol Rotativo
- Surto: Oscilação de fluxo em todo o sistema, frequência muito baixa (0,5-10 Hz)
- Barraca Rotativa: Células de parada localizadas girando em torno do anel, frequência mais alta (velocidade do rotor de 0,2-0,8×)
- Gravidade: Aumento é mais destrutivo, parada pode ser precursora de aumento
Surto vs. Recirculação
- Surto: Específico do compressor, reversão de fluxo, instabilidade do sistema
- Recirculação: Pode ocorrer em bombas ou compressores, reversão de fluxo localizada, menos grave
- Relação: A recirculação pode causar picos nos compressores
A sobretensão é a condição operacional mais perigosa para compressores centrífugos e axiais, capaz de destruir equipamentos em minutos. Compreender o mecanismo de sobretensão, reconhecer os limites das linhas de sobretensão, implementar um controle anti-sobretensão eficaz e manter margens operacionais adequadas são absolutamente essenciais para a operação segura do compressor em aplicações industriais de compressão de gás.
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