Medição de Petróleo e Gás Natural 2ª. Edição

Medição de Petróleo e Gás Natural 2ª. Edição

(Parte 1 de 9)

Medição de Petróleo e Gás Natural

Marco Antonio Ribeiro

Medição de Petróleo e Gás Natural

2a edição

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a todos que foram meus alunos, de quem muito aprendi e para quem pouco ensinei

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg)

Autor

Marco Antônio Ribeiro nasceu em Araxá, MG, no dia 27 de maio de 1943.

Formou-se pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em Engenharia Eletrônica, em 1969.

Entre 1973 e 1986, trabalhou na Foxboro, onde fez vários cursos nos Estados Unidos (Foxboro, MA e Houston, TX) e em Buenos Aires, Argentina.

Desde 1987, dirige a Tek (*)Treinamento e Consultoria Ltda., firma pequeníssima voltada para treinamento na área de Instrumentação, Controle de Processo, Medição de Vazão, Cálculo de Incerteza na Medição, Metrologia Industrial, Instalações Elétricas em Áreas Classificadas. É certamente difícil ser um especialista competente em numerosos assuntos tão ecléticos, porém ele se esforça continuamente em sê-lo.

Gosta de xadrez, corrida, fotografia, música de Beethoven, leitura, trabalho, curtir os filhos e a vida.

Já correu três maratonas, a melhor em 3 h 13 m 1 s e a pior em 3 h, 28 m 30 s.

Diariamente corre entre 8 e 12 km, às margens do oceano Atlântico. Semanalmente participa de torneios de xadrez relâmpago e nas horas de taxa telefônica reduzida, joga xadrez através da Internet. Possivelmente, é o melhor jogador de xadrez entre os corredores e o melhor corredor entre os jogadores de xadrez, o que realmente não é grande coisa e também não contribui nada para a Medição de Petróleo e Gás

(*) Tekinfim (Tek) foi seu apelido no ITA, pois só conseguiu entrar lá na terceira tentativa. Mas o que conta é que entrou e saiu engenheiro. O que foi um grande feito para um bóia fria do interior de Minas Gerais.

Introdução

Atualmente, no Brasil, toda movimentação e transporte de óleo e gás natural devem atender as exigências da Agencia Nacional de Petróleo. Assim, todo o pessoal técnico envolvido devem ser familiarizado com os equipamentos de produção típicos e instrumentos de medição associados, localizados nas áreas de produção, e com as finalidades e a interação desses equipamentos.

Este trabalho serve como material didático de um curso a ser ministrado para a Petrobras, em varias cidades do Brasil, e ele tem o seguinte roteiro:

Petróleo e gás natural, onde são mostrados rapidamente os equipamentos e processos de tratamento de produtos.

Conceitos de Medição, onde são vistos os principais instrumentos para medir as principais variáveis do processo, como pressão, temperatura, densidade, análise. As variáveis vazão e nível são tão importantes, por causa da transferência de custódia, que serão vistas à parte, em outros capítulos.

Conceitos de Automação, que trata dos componentes do sistema supervisório e aquisição de dados, usado para monitorar toda a movimentação de produtos, de modo automático e remoto.

Conceitos de Metrologia, que trata das unidades do SI, algarismos significativos, estatística da medição e da confirmação metrológica dos instrumentos. Neste capítulo também são vistas as incertezas sistemáticas e aleatórias da medição.

Medição de Vazão, onde são vistos os principais medidores de vazão dos produtos em linha.

Medição de Nível, que mostra os principais métodos manuais e automáticos para medir corretamente o nível de líquidos contidos em tanques.

Regulamento Técnico da ANP, com terminologia, definições e exigências. São listadas as principais normas brasileiras, internacionais e americanas contidas.

Medição de Petróleo e Gás Natural

Conteúdo

MEDIÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO 1

1. Petróleo e gás natural 2

1. Produção de Petróleo 2

1.1. Introdução 2 1.2. Características do petróleo 2 1.3. Separadores 3 1.4. Processo de separação 4 1.5. Tratamento da emulsão oleosa 4 1.6. Vasos para tratamento 5

1.7. Tratamento do gás úmido e rico 6 1.8. Desidratação do gás úmido 7

2. Armazenamento, Medição e Analise de

Petróleo 7 2.1. Introdução 7 2.2. Teste de poço 7

2.3. Tanques de armazenamento de produção 8 2.4. Arqueamento de tanques 9 2.5. Medição manual da quantidade e qualidade de petróleo 9 2.6. Questões de segurança 9

2.6. Medição e análises 9 2.6. Transferência de custódia automática 1 2.7. Do tanque para o medidor 12 2.8. Do medidor em diante 13 2.9. Calibração do medidor 13

1. Instrumentação 15 1.1. Conceito e aplicações 15 1.2. Disciplinas relacionadas 15

2. Vantagens e Aplicações 16 2.1. Qualidade do Produto 16 2.2. Quantidade do Produto 16 2.3. Economia do Processo 17 2.4. Ecologia 17 2.5. Segurança da Planta 17

2.6. Proteção do Processo 17

6. Medição das variáveis 18 6.1. Introdução 18

7.3. Regras de pressão 18 7.4. Tipos de pressão 18 7.5. Medição de pressão 20 7.6. Instrumentos de pressão 21 7.6. Pressão e a Vazão 2

8. Temperatura 23

8.1. O que é temperatura 23 8.2. O que temperatura não é 23 8.3. Unidades de temperatura 23 8.4. Medição da temperatura 23 8.5. Instrumentos de temperatura 25 8.6. Temperatura e Vazão 26

9. Densidade 27 9.1. Conceitos e Unidades 27 3.3. Métodos de Medição 28

10. Viscosidade 28 10.1. Conceito 28 10.2. Tipos 29

10.3. Termos e definições 29 10.4. Unidades 29 10.5. Relações e Equações 29 10.6. Medidores de Viscosidade 30 10.7. Dependência da Temperatura e Pressão 31

10.8. Viscosidade dos líquidos 31 10.9. Viscosidade dos gases 32

Medição de Petróleo e Gás Natural

4. Detecção de incêndio e gás 3 4.1. Introdução 3 4.2. Detecção de incêndios 3 4.3. Controle de incêndio 34 4.4. Detecção de gás 34

4.5. Monitoração de gás 35

5. Monitoração de bombas 35 5.1. Introdução 35 5.2. Monitoração de vibrações 35 5.3. Relés de proteção de motores 36

3. Controle supervisório e aquisição de dados (SCADA) 37

3. Controle do processo 37 3.1. Conceito de controle 37 3.2. Sistema de controle 38 3.3. Operação da malha de controle 38 3.4. Problemas dos sistemas de controle 38

3. Controle Supervisório e Aquisição de

Dados 43 3.1. Introdução 43 3.2. Equipamento (Hardware) 43

3.3. Programa Aplicativo (Software) 4

2. SCADA de um oleoduto 45 2.1. Operador do centro de controle 46 2.2. Nível do centro de controle (HOST) 46 2.3. Comunicações 46 2.4. Estação de operação 47

2.5. Instrumentação e equipamentos 47

4. Alarmes 47 4.1. Alarmes da estação e de campo 47 4.2. Alarmes e desarmes 48 4.3. Seqüências de alarme 48

METROLOGIA 49

1. Sistema Internacional 50

1. Sistema Internacional de Unidades (SI) 50 1.1. Histórico 50 1.2. Características 50 1.3. Conclusão 50

1.4. Política IEEE e SI 51

2. Múltiplos e Submúltiplos 51

Prefixo 51 Símbolo 51 Fator de 10 51

3. Estilo e Escrita do SI 53 3.1. Introdução 53

3.2. Maiúsculas ou Minúsculas 53 3.3. Pontuação 54 3.4. Plural 5 3.5. Agrupamento dos Dígitos 5 3.6. Espaçamentos 56 3.7. Índices 57

3.8. Unidades Compostas 57 3.9. Uso de Prefixo 58 3.10. Ângulo e Temperatura 58 3.1. Modificadores de Símbolos 59

2. Algarismos significativos 60 1. Introdução 60

2. Conceito 60 3. Algarismo Significativo e o Zero 61 4. Notação científica 61 5. Algarismo Significativo e a Medição 62 6. Algarismo Significativo e o Display 64 7. Algarismo Significativo e Calibração 65

8. Algarismo Significativo e a Tolerância 65 9. Algarismo Significativo e Conversão 6

10. Computação matemática 67 10.1. Soma e Subtração 67 10.2. Multiplicação e Divisão 69

1. Algarismos e resultados 70

3. Estatística da medição 72

1. Estatística Inferencial 72 1.1. Introdução 72 1.2. Conceito 72 1.3. Variabilidade da Quantidade 73

2. População e Amostra 74

Medição de Petróleo e Gás Natural

3. Tratamento Gráfico 75 3.1. Distribuição de Freqüência 75 3.2. Histograma 7 3.3. Significado metrológico 7

4. Médias 78

4.1. Média Aritmética 79 4.2. Média da Raiz da Soma dos Quadrados80

5. Desvios 80 5.1. Dispersão ou Variabilidade 80 5.2. Faixa (Range) 80 5.3. Desvio do Valor Médio 81

5.4. Desvio Médio Absoluto 81 5.5. Desvio Padrão da População 81 5.6. Desvio Padrão da Amostra 82 5.7. Fórmulas Simplificadas 82 5.8. Desvios da população e da amostra 82 5.9. Desvio padrão de operações matemáticas

83 5.10.Coeficiente de variação 83 5.1. Desvio Padrão Das Médias 83 5.12. Variância 84

6. Distribuições dos dados 85 6.1. Introdução 85

6.2. Parâmetros da Distribuição 85 6.3. Tipos de distribuições 86 6.4. Distribuição normal ou de Gauss 86

7. Intervalos Estatísticos 90 7.1. Intervalo com n grande (n > 20) 90 7.2. Intervalo com n pequeno (n < 20) 90

7.3. Intervalo com n muito pequeno (n < 10) 91 7.4. Intervalo para várias amostras 91

8. Conformidade das Medições 92 8.1. Introdução 92 8.2. Teste Q 93

8.3. Teste do c2 (qui quadrado) 93 8.4. Teste de Chauvenet 95 8.5. Outros Testes 95 8.6. Conformidade 95

4. Erros da medição 96 1. Introdução 96

2. Tipos de Erros 96 2.1. Erro Absoluto e Relativo 97 2.2. Erro Dinâmico e Estático 97 2.3. Erro Grosseiro 98 2.4. Erro Sistemático 9 2.5. Erro Aleatório 104

2.6. Erro Resultante Final 105

3. Incerteza na Medição 107 3.1. Conceito 107 3.2. Princípios Gerais 107 3.3. Fontes de Incerteza 108

3.4. Estimativa das Incertezas 109 3.5. Incerteza Padrão 109 3.6. Incerteza Padrão Combinada 109 3.7. Incerteza Expandida 110

4. Confirmação metrológica 1

1. Confirmação Metrológica 1

1.1. Conceito 1 1.2. Necessidade da confirmação 1 1.3. Terminologia 1 1.4. Calibração e Ajuste 112 1.5. Tipos de calibração 113 1.6. Erros de calibração 116

1.7. Calibração da Malha 116 1.8. Parâmetros da Calibração 117

2. Padrões 123 2.1. Padrões físicos e de receita 124 2.2. Rastreabilidade 124

3. Normas e Especificações 128

3.1. Norma 128 3.2. Especificações 128 3.3. Hierarquia 128 3.4. Tipos de Normas 128 3.5. Abrangência das Normas 129 3.6. Relação Comprador-Vendedor 129

3.7. Organizações de Normas 129 3.8. INMETRO 130

MEDIÇÃO DE NÍVEL 131

1. Introdução 132 1. Conceito de Nível 132

2. Unidades de Nível 132

3. Medição de Nível 132 3.1. Inventário 132 3.2. Transferência de custódia 133 3.3. Segurança 133 3.4. Fornecimento consistente 133

3.5. Economia 133

Medição de Petróleo e Gás Natural

iv

2. Medição manual 134

1. Introdução 134 2. Geral 134

3. Fita de imersão 134 3.1. Geral 134

3.2. Construção 134 3.3. Materiais 135 3.4. Revestimento 135 3.5. Fixação 135 3.6. Dimensões 135 3.7. Graduação 135

3.8. Referência zero 136 3.9. Precisão (erro máximo permissível) 136 3.10. Marcação 136

4. Sistema de enrolamento 137

5. Peso de imersão 137 5.1. Geral 137

5.2. Material 137 5.3. Construção 137 5.4. Massa 137 5.5. Precisão da graduação 138 5.6. Marcação de zero 138 5.7. Marcação da escala 138

5.8. Marcação 138

6. Régua Ullage 138 6.1. Geral 138 6.2. Material 138 6.3. Construção 138 6.4. Massa 138

6.5. Precisão da graduação 138 6.6. Marca de zero 138 6.7. Marcação da escala 140 6.8. Numeração 140 6.9. Marcação 140

7. Régua detectora de água 140

8. Pasta detectora de interface 141 8.1. Geral 141 8.2. Pasta ullage 141 8.3. Pasta detectora de água 141

9. Medidor eletrônico portátil 141 9.1. Geral 141 9.2. Segurança 141 9.3. Construção, graduação e marcação 141 9.4. Invólucro e sensor 141

9.5. Referência zero 142 9.6. Precisão da medição 142 9.7. Escala de leitura do medidor eletrônico portátil 143 9.8. Continuidade elétrica 143 9.9. Marcação 143

10. Válvula de bloqueio de vapor 143

1. Barra (ou vareta) de imersão e barra (vareta) ullage 144 1.1. Geral 144

3. Medição automática 145 1. Introdução 145

2. Exigências metrológicas 145 2.1. Componentes do medidor 145 2.2. Materiais 145 2.3. Instrumento de indicação 145 2.4. Erros máximos permissíveis 146 2.5. Campo de operação 146

2.6. Condições especiais 146 2.7. Equipamentos auxiliares 146 2.8. Marcações 147 2.9. Marcas de verificação 147 2.10. Selagem 147

3. Exigências técnicas 147

3.1. Mecanismo de suspensão 147 3.2. Posição estática 147

4. Exigências da instalação 147 5. Exigências para medidor eletrônico 148

6. Controle metrológico 148 6.1. Aprovação de padrão 148

6.2. Verificação inicial 149 6.3. Verificações subseqüentes 149

7. Procedimentos de teste 149 7.1. Testes de desempenho 149 7.2. Testes do fator de influência 150

8. Testes adicionais para instrumentos eletrônicos 151 8.1. Geral 151 8.2. Testes de distúrbio 151

Medição de Petróleo e Gás Natural

9. Deformação de tanques 153

9.1. Tanque cilíndrico vertical 153 9.2. Tanque cilíndrico horizontal 153 9.3. Tanque esférico ou em forma de prisma 153

10. Instalação e operação 154

10.1. Precauções gerais 154 10.2. Precauções de segurança 154

1. Seleção do medidor 155 1.1. Geral 155 1.2. Mecânico ou elétrico 155 1.3. Parâmetros de seleção 155

1.4. Localização do medidor 156

4. Medidores da ANP 160

1. Mecanismos de medição 160 1. Medidor com Bóia 160

2. Medição com Deslocador 161 6.1. Deslocador fixo 161

6.2. Deslocador móvel 162

5. Medição com radar 163

1. Introdução 163 2. Vantagens e desvantagens 163 3. Influencia do vapor no radar 164

4. Medidor de Tanque a Radar (RTG) da

Saab 165 4.1. Descrição 165 4.2. Sistema TankRadar L/2 165 4.3. Distâncias do Tanque 169 4.4. Calibração do Radar 170

4.5. Precisão do Radar 174

6. Arqueação de tanques 177

1. Tanques de armazenagem 177 1.1. Geral 177 1.2. Classificação e descrição 177 1.3. Unidades de medição 177

1.4. Características técnicas e metrológicas dos tanques 178 1.5. Qualificação legal dos tanques 179 1.6. Calibração de tanques 180 1.7. Determinação de volumes do tanque 181 1.8. Volume mínimo mensurável 182

2. Arqueação do Tanque 183 2.1. Conceito de arqueação 183 2.2. Tipos de tanques 183 2.3. Estudo de Caso 190

1. Conceitos básicos 204

1. Introdução 204 2. Conceito de Vazão 204 3. Vazão em Tubulação 204

4. Tipos de Vazão 205 4.1. Vazão Ideal ou Real 206 4.2. Vazão Laminar ou Turbulenta 206

4.3. Vazão Estável ou Instável 207 4.4. Vazão Uniforme e Não Uniforme 208 4.5. Vazão Volumétrica ou Mássica 208 4.6. Vazão Incompressível e Compressível 209 4.7. Vazão Rotacional e Irrotacional 209

4.8. Vazão monofásica e bifásica 210 4.9. Vazão Crítica 211

5. Perfil da Velocidade 212

6. Seleção do Medidor 213 6.1. Sistema de Medição 213 6.2. Tipos de Medidores 213

6.3. Parâmetros da Seleção 215

7. Medidores aprovados pela ANP 218

2. Placa de orifício 219

1. Introdução histórica 219 2. Princípio de Operação e Equações 220

3. Elementos dos Sistema 221 3.1. Elemento Primário 2 3.2. Elemento Secundário 2

4. Placa de Orifício 2 4.1. Materiais da Placa 223 4.2. Geometria da Placa 223

4.3. Montagem da Placa 225 4.4. Tomadas da Pressão Diferencial 225 4.5. Perda de Carga e Custo da Energia 226 4.6. Protusões e Cavidades 227 4.7. Relações Matemáticas 227 4.8. Fatores de Correção 229

4.9. Dimensionamento do b da Placa 230 4.10. Sensores da Pressão Diferencial 233

Medição de Petróleo e Gás Natural vi

3. Turbina de vazão 235

1. Introdução 235

2. Tipos de Turbinas 235 2.1. Turbinas mecânicas 235

3. Turbina Convencional 236

3.1. Princípio de Funcionamento 236 3.2. Partes Constituintes 236 3.3. Detectores da Velocidade Angular 238 3.4. Classificação Elétrica 239 3.5. Fluido Medido 239 3.6. Características 240

3.7. Condicionamento do Sinal 240 3.8. Desempenho 241 3.9. Fatores de Influência 242 3.1. Seleção da turbina 243 3.12. Dimensionamento 244 3.13. Considerações Ambientais 245

(Parte 1 de 9)

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