Medir o consumo de gás natural: alternativa térmica aos contadores de roda de turbina e aos quantómetros

Em resumo: Os medidores térmicos de caudal mássico da CS INSTRUMENTS medem o consumo de gás natural sem peças móveis e apresentam diretamente o fluxo volumétrico padronizado – para monitorização do consumo, centros de custos e gestão energética. Os modelos VA 550 e VA 570 estão disponíveis, consoante a versão, com certificação ATEX/IECEx ou com aprovação DVGW para gás natural (até 16 bar).

Quando se justifica a utilização de um medidor de fluxo de massa?

Nas redes industriais de gás natural, utilizam-se geralmente contadores de turbina, contadores de gás de pistão e quantómetros; os utilizadores referem-se, por vezes, de forma genérica a contadores de roda de pás. Quando os caudais baixos não são medidos de forma adequada, as 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.

Eis como funcionam os contadores de gás de roda de turbina e de pistão rotativo – e quais são os seus limites. No contador de gás de roda de turbina, o fluxo de gás incide sobre uma roda de turbina suportada mecanicamente e aciona-a; a velocidade de rotação é proporcional à velocidade do fluxo e, através da secção transversal conhecida do tubo, ao caudal volumétrico. No contador de gás de pistão rotativo, a diferença de pressão aciona rotores numa câmara de medição, os quais retêm, cada um, uma quantidade de gás exatamente definida e a transportam para o consumidor. A gama de medição útil dos medidores de gás mecânicos depende fortemente do tipo de construção, do tamanho, da pressão de funcionamento e da versão: os medidores simples funcionam frequentemente com uma dinâmica significativamente menor do que um sensor térmico.

Os limites inerentes a ambos os tipos de construção residem nas peças móveis: os rolamentos envelhecem devido à sujidade ou ao desgaste e geram desvios de medição; ultrapassar a faixa de medição pode causar danos nos rolamentos; alguns rolamentos têm de ser lubrificados regularmente — o que, na prática, é facilmente negligenciado; no caso de gás contaminado, surgem desvios maiores e a limpeza é praticamente impossível; no caso do contador de gás de pistão rotativo, acrescenta-se ainda 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 até 1:1000. O que continua a ser determinante são os caudais mínimo e máximo 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 consumos mais reduzidos: com grande frequência, os modelos VA 550 e VA 570 são utilizados em tubagens de grande secção transversal com baixos consumos de gás, onde os medidores de gás mecânicos atingem os seus limites.

Evitar o desgaste do rotor: o princípio térmico mede através da emissão de calor de um sensor aquecido – sem rolamentos no rotor e com uma perda de pressão adicional mínima. Os sensores (aquecedor e sensor de temperatura) foram desenvolvidos para utilização industrial em condições adversas e estão integrados num tubo fino e robusto de aço inoxidável: sem rolamentos, sem desgaste, de fácil acesso e fáceis de limpar em caso de sujidade. Os aparelhos são muito robustos e praticamente isentos de manutenção.

Indicação direta do volume normalizado: os medidores de gás mecânicos são, regra geral, medidores de volume de funcionamento; a conversão para volume normalizado é efetuada através de conversores de volume externos com sensores adicionais de pressão e temperatura. Para que a precisão exigida seja alcançada, estes sensores têm de ser de elevada precisão e estar localizados no contador ou próximo deste – os seus erros de medição somam-se à precisão do contador, que é normalmente indicada em volume de funcionamento. Os modelos VA 550 e VA 570 medem o caudal mássico térmico e, com a parametrização adequada do gás e condições de referência definidas, indicam diretamente o fluxo volumétrico padronizado; para tal, não é necessário um conversor de volume separado com medição adicional de pressão e temperatura. Para efeitos de comparação, as condições de referência têm de coincidir (por exemplo, 0 °C; 1 013,25 mbar (a) segundo a norma DIN 1343 – também designado por m³/Nm³ normalizado); para os balanços de kWh, acrescenta-se o poder calorífico.

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

Quando a pressão de serviço é elevada, o volume normalizado é maior do que o volume de serviço – na proporção das pressões absolutas, com uma correção adicional em função da temperatura. Se um volume de funcionamento for erroneamente apresentado como volume normalizado ou utilizado posteriormente, o consumo real de gás é sistematicamente subestimado e o balanço de kWh reflete esse erro na íntegra, uma vez que depende linearmente do volume:

A isto acresce a referência à temperatura: entre 20 °C de temperatura do gás e 0 °C de referência padrão, existe uma diferença de cerca de 7 %. Os valores servem para ilustração com gás ideal; para efeitos de faturação ou conversão de estado de alta precisão, devem ser tidos em conta, entre outros fatores, a temperatura, as características do gás e a compressibilidade (normativa DVGW G 685). A fonte de erro mais frequente nos balanços energéticos não é a precisão da medição, mas sim uma referência de volume incorreta que passa despercebida.

Em que situações se justifica particularmente a medição térmica do gás natural?

Nas condutas principais e de distribuição, um ponto de medição monitoriza continuamente o consumo total de um edifício, área ou sala de caldeiras – no caso de condutas existentes de maiores dimensões, o VA 550 é uma opção interessante como sensor de tipo de inserção, uma vez que não é necessário instalar uma seção de medição em linha completa com o diâmetro nominal. Imediatamente a jusante de cada consumidor (caldeira, queimador, instalações de produção), torna-se visível qual o consumidor que necessita de gás natural, em que momento e em que quantidade — a base para os perfis de carga e os centros de custo. A combinação mais reveladora é a seguinte: a medição principal, juntamente com os subcontadores, indica o consumo total e a sua distribuição.

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

Em muitos contadores mecânicos já instalados, a transmissão do valor de consumo é efetuada apenas através de uma saída de pulso; os contadores eletrónicos modernos também podem dispor de interfaces digitais. Os modelos VA 550 e VA 570 podem ser integrados — dependendo da versão encomendada — diretamente na tecnologia de controlo central ou num software de monitorização de energia através de Modbus TCP por Ethernet (caudal, consumo total, temperatura do gás); não é necessário um gateway RTU/TCP. O PoE opcional combina a transmissão de dados e a alimentação num único cabo de rede – o que reduz o esforço de instalação, especialmente quando existem vários pontos de medição. Em 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 através 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 está concebido para pressões de serviço até 50 bar (versão DVGW até 16 bar); a montagem e desmontagem sob pressão são efetuadas através 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 conduta – apenas a unidade do sensor é removida. Para a recalibração, o sensor é enviado para reparação; podem ser instalados sensores de substituição durante o período de calibração, de modo a não ocorrer qualquer interrupção do funcionamento.

Operação: Nos modelos VA 550 e VA 570, os botões óticos permitem efetuar ajustes sem abrir a caixa – o funcionamento de ambos os dispositivos é idêntico. As informações digitais sobre o dispositivo e o estado (registos Modbus) facilitam a deteção de avarias e a documentação de transferência.

Exemplo prático: do valor de consumo ao indicador de processo

Numa aplicação com caldeira, são registados 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 do vapor, calcula-se a eficiência da caldeira – no exemplo documentado, 84 %. Assim, a simples medição de consumo transforma-se num indicador fiável de eficiência e manutenção. (→ Relatório de aplicação: caldeiras a vapor)

Qual é o medidor de fluxo de gás natural adequado para a aplicação?

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

Os modelosVA 550 e VA 570 estão disponíveis, consoante a variante, com homologação ATEX/IECEx; a marcação Ex destas variantes, de acordo com a ficha técnica, é: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (gás) e II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (pó); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. Na versão Ex, aplica-se uma temperatura do fluido até 120 °C e um grau de proteção IP 65. O certificado de exame de tipo da UE encontra-se na área de downloads. A verificação da adequação para a zona específica de proteção contra explosões é da responsabilidade do operador. A CS INSTRUMENTS disponibiliza fichas técnicas e certificados Ex para esse efeito, mas não assume qualquer função de aconselhamento no que diz respeito à classificação de zonas ou à adequação para uma instalação específica.