Medição do consumo de gás natural: alternativa térmica aos medidores de roda de turbina e aos quantômetros

Em resumo: Os medidores térmicos de vazão mássica da CS INSTRUMENTS medem o consumo de gás natural sem peças móveis e fornecem diretamente o fluxo volumétrico padronizado – para monitoramento do consumo, controle de centros de custo e gestão de energia. Os modelos VA 550 e VA 570 estão disponíveis, dependendo da versão, com certificação ATEX/IECEx ou com aprovação DVGW para gás natural (até 16 bar).

Quando vale a pena utilizar um medidor de fluxo de massa?

Em redes industriais de gás natural, geralmente são utilizados medidores de turbina, medidores de gás de pistão e quantômetros; os usuários costumam se referir a eles, de maneira geral, como medidores de roda de pás. Quando baixos caudais não são medidos adequadamente, peças móveis de medição exigem manutenção ou faltam dados digitais de consumo, um medidor de fluxo de massa para gás natural é uma alternativa que vale a pena considerar.

Veja como funcionam os medidores de gás de turbina e de pistão rotativo – e quais são seus limites. No medidor de gás de turbina, o fluxo de gás atinge uma turbina montada mecanicamente e a aciona; a velocidade de rotação é proporcional à velocidade do fluxo e, por meio da seção transversal conhecida da tubulação, ao fluxo volumétrico. No medidor de gás de pistão rotativo, a diferença de pressão aciona rotores em uma câmara de medição, cada um dos quais retém uma quantidade exatamente definida de gás e a transporta até o consumidor. A gama de medição útil dos medidores de gás mecânicos depende fortemente do tipo de construção, tamanho, pressão de operação e modelo: medidores simples costumam operar com dinâmica significativamente menor do que um sensor térmico.

Os limites inerentes a ambos os tipos de construção são as peças móveis: os rolamentos se desgastam devido à sujeira ou ao atrito e geram desvios de medição; ultrapassagens da faixa de medição podem causar danos aos rolamentos; alguns rolamentos precisam ser lubrificados regularmente — o que, na prática, é facilmente negligenciado; em caso de gás contaminado, ocorrem desvios maiores, e a limpeza é praticamente impossível; no caso do medidor de gás de pistão rotativo, soma-se a perda de pressão inerente ao seu design.

Medição de carga parcial e picos: os modelos VA 550 e VA 570 oferecem uma faixa de medição de até 1:1000. O que continua sendo decisivo são as vazões mínima e máxima reais (Qmin/Qmax). Nos modelos VA 550 e VA 570, a gama de medição pode ser selecionada de acordo com a aplicação (Low Speed, Standard, Max e High Speed). Outras vantagens do princípio térmico são a perda de pressão insignificante e a medição dos menores consumos: com frequência, os modelos VA 550 e VA 570 são utilizados em tubulações de grande diâmetro com baixo consumo de gás, onde os medidores de gás atingem seus limites.

Evite o desgaste do rotor: o princípio térmico mede por meio da emissão de calor de um sensor aquecido – sem rolamentos no rotor e com baixa perda de pressão adicional. Os sensores (aquecedor e sensor de temperatura) foram desenvolvidos para uso industrial em condições adversas e estão instalados em um tubo fino e robusto de aço inoxidável: sem rolamentos, sem desgaste, de fácil acesso e simples de limpar em caso de contaminação. Os aparelhos são muito robustos e praticamente não requerem manutenção.

Emissão direta do volume normalizado: os medidores mecânicos de gás são, via de regra, medidores de volume operacional; a conversão para o volume normalizado é feita por meio de conversores de volume externos com sensores adicionais de pressão e temperatura. Para que a precisão exigida seja alcançada, esses sensores devem ser altamente precisos e estar localizados dentro ou próximo ao medidor – seus erros de medição são somados à precisão do medidor, que geralmente é especificada em volume operacional. Os modelos VA 550 e VA 570 medem o fluxo mássico térmico e, com a configuração adequada dos parâmetros do gás e condições de referência definidas, fornecem diretamente o fluxo volumétrico padronizado; para isso, não é necessário um conversor de volume separado com medição adicional de pressão e temperatura. Para comparações, as condições de referência devem coincidir (por exemplo, 0 °C; 1.013,25 mbar (a) conforme a norma DIN 1343 – também denominado m³/Nm³ padrão); para balanços de kWh, soma-se o poder calorífico.

Volume operacional ou volume normalizado: por que a diferença é decisiva no caso do gás natural

Quando a pressão operacional é elevada, o volume normalizado é maior do que o volume operacional – na proporção das pressões absolutas, com correção adicional em função da temperatura. Se um volume operacional for erroneamente declarado como volume padrão ou utilizado em cálculos, o consumo real de gás será sistematicamente subestimado, e o balanço de kWh refletirá esse erro integralmente, pois depende linearmente do volume:

Além disso, há a referência à temperatura: entre 20 °C de temperatura do gás e 0 °C de referência padrão, há uma diferença de cerca de 7%. Os valores servem para ilustração com gás ideal; para fins de faturamento ou conversão de estado de alta precisão, devem ser levados em consideração, entre outros fatores, a temperatura, as características do gás e a compressibilidade (normativa DVGW G 685). A fonte de erro mais comum nos balanços energéticos não é a precisão da medição, mas uma referência de volume incorreta que passa despercebida.

Onde a medição térmica de gás natural é particularmente vantajosa?

Em tubulações principais e de distribuição, um ponto de medição monitora continuamente o consumo total de um edifício, área ou sala de caldeiras — em tubulações existentes de maior porte, o VA 550 é interessante como sensor de tipo de inserção, pois não é necessário instalar uma seção de medição em linha completa no diâmetro nominal. Imediatamente antes de consumidores individuais (caldeiras, queimadores, instalações de produção), fica visível qual consumidor precisa de quanto gás natural e quando – a base para perfis de carga e centros de custo. O mais significativo é a combinação: a medição principal, somada aos submedidores, mostra o consumo total e sua distribuição.

Como os valores medidos chegam ao sistema de gestão de energia?

Em muitos medidores mecânicos já instalados, a transmissão do valor de consumo ocorre apenas por meio de uma saída de pulso; medidores eletrônicos modernos também podem oferecer interfaces digitais. Os modelos VA 550 e VA 570 podem ser integrados — dependendo da versão solicitada — diretamente ao sistema central de controle ou a um software de monitoramento de energia via Modbus TCP por Ethernet (vazão, consumo total, temperatura do gás); não é necessário um gateway RTU/TCP. O PoE opcional combina transmissão de dados e alimentação em um único cabo de rede – o que reduz o trabalho de instalação, especialmente quando há vários pontos de medição. Como alternativa, estão disponíveis Modbus RTU, 4–20 mA, impulsos, M-Bus, IO-Link ou HART.

Vantagens na montagem, manutenção e recalibração

Adaptação do VA 550 como sensor de tipo de inserção: o sensor é instalado por meio de um acesso adequado ao processo ou de uma válvula esférica. A escala de profundidade e o alinhamento definido garantem a posição reproduzível do sensor. O VA 550 foi projetado para pressões de operação de até 50 bar (versão DVGW até 16 bar); a instalação e a remoção sob pressão são realizadas por meio de uma válvula esférica de ½" com anel de retenção.

VA 570 como solução em linha: durante a limpeza ou recalibração, a seção de medição permanece na tubulação – apenas a unidade do sensor é removida. Para a recalibração, o sensor é enviado para a fábrica; sensores de substituição podem ser instalados durante o período da calibração, de modo que não haja interrupção na operação.

Operação: Nos modelos VA 550 e VA 570, botões ópticos permitem ajustes sem a necessidade de abrir a caixa – a operação de ambos os aparelhos é idêntica. Informações digitais sobre o aparelho e o status (registros Modbus) auxiliam na identificação de falhas e na documentação de transferência.

Exemplo prático: do valor de consumo ao indicador de processo

Em uma aplicação com caldeira, são registrados 330 Nm³/h de gás natural e 5.000 kg/h de vapor. A partir do consumo de gás, do poder calorífico e dos dados de vapor, calcula-se a eficiência da caldeira – no exemplo documentado, 84%. Assim, a simples medição de consumo se transforma em um indicador confiável de eficiência e manutenção. (→ Relatório de aplicação: caldeira a vapor)

Qual medidor de vazão de gás natural é adequado para a aplicação?

O que se aplica à ATEX e à instalação de gás?

Os modelosVA 550 e VA 570 estão disponíveis, dependendo da variante, com certificação ATEX/IECEx; a classificação Ex dessas variantes, conforme a ficha técnica, é: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (gás) e II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (poeira); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. Na versão Ex, a temperatura do meio pode chegar a 120 °C e o grau de proteção é IP 65. O certificado de aprovação de tipo da UE está disponível na seção de downloads. A verificação da adequação para a área específica de proteção contra explosões é de responsabilidade do operador. A CS INSTRUMENTS disponibiliza fichas técnicas e certificados Ex para esse fim, mas não assume qualquer função de consultoria no que diz respeito à classificação de zonas ou à adequação para uma instalação específica.