Cálculo hidráulico do gasoduto: métodos e formas de cálculo + exemplo de cálculo

Para um funcionamento seguro e confiável do fornecimento de gás, é necessário projetá-lo e calculá-lo. É importante selecionar perfeitamente os tubos para as redes de todos os tipos de pressão, que garantam o fornecimento estável de gás aos aparelhos.

Para que a seleção de tubos, válvulas e equipamentos seja o mais precisa possível, realiza-se o cálculo hidráulico da tubulação. Como fazer? Admita, você não é muito versado nesse assunto, vamos entender juntos.

Oferecemos a você conhecer informações meticulosamente selecionadas e minuciosamente processadas sobre as opções de realização do cálculo hidráulico para sistemas de gasodutos. O uso dos dados que apresentamos garantirá o fornecimento de gás natural aos aparelhos com os parâmetros de pressão necessários. Os dados cuidadosamente verificados baseiam-se nos regulamentos da documentação normativa.

No artigo, são explicados de forma extremamente detalhada os princípios e esquemas de realização dos cálculos. É apresentado um exemplo de execução dos cálculos. Como complemento informativo útil, foram utilizados aplicativos gráficos e instruções em vídeo.

Especificidades do cálculo hidráulico

Qualquer cálculo hidráulico realizado consiste na determinação dos parâmetros do futuro gasoduto. Este procedimento é obrigatório e também uma das etapas mais importantes da preparação para a construção. A correção do cálculo determinará se o gasoduto funcionará em modo ideal.

Ao realizar cada cálculo hidráulico, são determinados:

• do diâmetro dos tubos necessário, que garantirá o transporte eficiente e estável da quantidade necessária de gás;
• se as perdas de pressão serão aceitáveis ao transportar o volume necessário de gás natural em tubos de diâmetro especificado.

As perdas de pressão ocorrem porque em qualquer gasoduto existe resistência hidráulica. Com um cálculo incorreto, isso pode levar a que os consumidores não tenham gás suficiente para o funcionamento normal em todos os modos ou nos momentos de consumo máximo.

Esta tabela é o resultado do cálculo hidráulico realizado com base nos valores fornecidos. Para realizar os cálculos, será necessário inserir indicadores específicos nas colunas.

Essa operação é um procedimento padronizado pelo estado, realizado conforme as fórmulas e requisitos estabelecidos na SP 42-101–2003.

O cálculo deve ser realizado pelo incorporador. Como base, são utilizados os dados das condições técnicas do gasoduto, que podem ser obtidos no seu gorgaz.

Gasodutos que exigem a realização de cálculos

O estado exige que os cálculos hidráulicos sejam realizados para todos os tipos de gasodutos pertencentes ao sistema de abastecimento de gás. Já que os processos que ocorrem durante o deslocamento do gás são sempre os mesmos.

Os referidos gasodutos incluem os seguintes tipos:

• baixa pressão;
• média, alta pressão.

Os primeiros são destinados ao transporte de combustível para residências, edifícios públicos de todos os tipos, empresas domésticas. Além disso, em casas particulares, edifícios de apartamentos, chalés, a pressão do gás não deve exceder 3 kPa, em empresas domésticas (não produtivas) esse indicador é maior e atinge 5 kPa.

O segundo tipo de gasodutos é destinado a alimentar redes, de todos os tipos, de baixa e média pressão através de postos de regulação de gás, bem como para realizar a condução de gás a consumidores individuais.

Estes podem ser empresas industriais, agrícolas, várias empresas municipais e até mesmo edifícios isolados ou anexados a edifícios industriais. Mas nos dois últimos casos haverá limitações significativas de pressão.

Os tipos de gasodutos listados acima são condicionalmente divididos por especialistas nas seguintes categorias:

• intradomiciliares, intraoficinas, ou seja, que transportam o combustível azul dentro de um edifício e o entregam a unidades e aparelhos individuais;
• ramais de assinantes, usados para fornecimento de gás de uma rede de distribuição para todos os consumidores existentes;
• de distribuição, usados para abastecer gás a determinadas áreas, por exemplo, cidades, seus bairros individuais, empresas industriais. Sua configuração pode variar e depende das características do planejamento urbano. A pressão dentro da rede pode ser qualquer uma prevista — baixa, média, alta.

Além disso, o cálculo hidráulico é realizado para redes de gás com diferentes números de estágios de pressão, das quais existem muitas variedades.

Assim, para atender às necessidades, podem ser usadas redes de dois estágios, operando com gás transportado em baixa e alta pressão ou em baixa e média. Além disso, redes de três estágios e várias redes multiestágios também são utilizadas. Ou seja, tudo depende apenas da presença de consumidores.

A resistência hidráulica é a principal razão pela qual é necessário realizar este tipo de cálculo. Além disso, depende também do material do tubo.

Apesar da grande variedade de opções de gasodutos, o cálculo hidráulico é semelhante em qualquer caso, pois os elementos estruturais são feitos de materiais semelhantes e os mesmos processos ocorrem dentro dos tubos.

Resistência hidráulica e seu papel

Como mencionado acima, a base para realizar o cálculo é a presença de resistência hidráulica em cada gasoduto.

Ela atua em toda a estrutura do gasoduto, bem como em partes individuais, nós — tês, locais de redução significativa do diâmetro dos tubos, válvulas de bloqueio, várias válvulas. Isso leva à perda de pressão do gás transportado.

A resistência hidráulica é sempre a soma de:

• resistência linear, ou seja, que atua ao longo de todo o comprimento da estrutura;
• resistências locais, que atuam em cada parte componente da estrutura onde ocorre uma mudança na velocidade de transporte do gás.

Os parâmetros listados afetam constante e significativamente as características operacionais de cada gasoduto. Portanto, como resultado de um cálculo incorreto, haverá perdas financeiras adicionais e consideráveis, pois o projeto terá que ser refeito.

Regras para realização do cálculo

Foi indicado acima que o procedimento para qualquer cálculo hidráulico é regulamentado pelo Código de Regras específico de número 42-101–2003.

O documento afirma que o principal método para realizar o cálculo é o uso de um computador com programas especiais que permitem calcular a perda de pressão planejada entre as seções do futuro gasoduto ou o diâmetro necessário dos tubos.

Qualquer cálculo hidráulico é realizado após a criação de um esquema de cálculo que inclui os principais indicadores. Além disso, o usuário insere dados conhecidos nas colunas correspondentes

Se não houver tais programas ou se a pessoa considerar que seu uso não é apropriado, outros métodos permitidos pelo Código de Regras podem ser aplicados.

As quais incluem:

• cálculo pelas fórmulas fornecidas no CR — este é o método de cálculo mais complexo;
• cálculo por meio das chamadas nomogramas — esta é uma opção mais simples do que usar fórmulas, pois não será necessário realizar nenhum cálculo, uma vez que os dados necessários são fornecidos em uma tabela especial e estão no Código de Regras, e basta selecioná-los.

Qualquer um dos métodos de cálculo leva aos mesmos resultados. E, portanto, um gasoduto recém-construído será capaz de garantir o fornecimento oportuno e ininterrupto da quantidade planejada de combustível, mesmo nos horários de uso máximo.

Opção de cálculos usando computador

Realizar o cálculo usando um computador é o menos trabalhoso — tudo o que se exige da pessoa é inserir os dados necessários nas colunas apropriadas.

Portanto, o cálculo hidráulico é feito em alguns minutos, e para essa operação não será necessário um grande conhecimento, que é necessário ao usar fórmulas.

Para sua execução correta, você precisa obter os seguintes dados das especificações técnicas:

• densidade do gás;
• coeficiente de viscosidade cinemática;
• temperatura do gás em sua região.

Você obtém as especificações técnicas necessárias no órgão de gás da localidade onde o gasoduto será construído. Na verdade, é com a obtenção desse documento que se inicia o projeto de qualquer duto, pois ele contém todos os requisitos básicos para sua construção.

O uso de programas especiais é a maneira mais simples de realizar cálculos hidráulicos, eliminando a necessidade de buscar e estudar fórmulas para realizar os cálculos.

Em seguida, o construtor precisa saber o consumo de gás para cada aparelho que será conectado ao gasoduto. Por exemplo, se o combustível for transportado para uma casa particular, geralmente são usados fogões para cozinhar, várias caldeiras de aquecimento, e em seus manuais sempre constam os números necessários.

Além disso, você precisará saber o número de vocas de cada fogão que será conectado ao tubo.

Na próxima etapa da coleção de dados necessários, você obém informações sobre a queda de pressão nos locais de instalação de algum equipamente — pode ser um medidor, uma válvula de corte, uma válvula termostática de bloqueio, um filtro, entre outros elementos.

Nesse caso, os números necessários são fáceis de encontrar — eles estão contidos em uma tabela especial anexada ao manual de cada produto. O projetista deve observar que deve ser indicada a queda de pressão no consumo máximo de gás.

A partir da tabela especial anexada ao manual dos produtos, você pode obter informções sobre a perda de pressão ao coneitar os aparelhos à rede.

Na próxima etapa, recomenda-se saber qual será a pressão do gás no ponto de coneão. Essas informções podem constar nas especificações técnicas do órgão de gás local ou no esquema previamente elaborado do futuro gasoduto.

Se a rede consistir em váriais seções, elas devem ser numeradas e ter seu comprimento real indicado. Além disso, para cada uma você deve especificar separadamente todos os parâmetros variáveis — isto é, o consumo total de qualquer aparelho que será utilizado, a queda de pressão e outros valoes.

Obrigatoriamente será necessário o coefeiente de simultaneidade. Ele leva em conta a possibilidade de operção conjunta de todos os consumidores de gás conectados à rede. Por exemplo, todos os equipamentos de aquecimento localizados em um edifício de apartamentos ou em uma casa particular.

Esses dados são usados pelo programa que realia o cálculo hidráulico para determinar a carga máxma em qualquer seção ou em todo o gasoduto.

Para cada apartamento ou casa individual, não é necessário calcular o coeciente mencionado, pois seus valores são conhecidos e estão indicados na tabela abaixo:

Tabela com coeficientes de simultaneidade, cujos dados são usados em qualquer tipo de cálculo. Basta selecionar a coluna correspondente a um eletrodoméstico específico e pegar o número necessário.

Se em um determinado local for planejado usar mais de duas caldeiras de aquecimento, fornos, aquecedores de água de acumulação, o índice de simultaneidade será sempre igual a 0,85. Isso deve ser indicado na coluna correspondente usada para o cálculo do programa.

Em seguida, deve-se indicar o diâmetro dos tubos, e também serão necessários os coeficientes de rugosidade, que serão usados na construção da tubulação. Esses valores são padrão e podem ser facilmente encontrados no Código de Práticas.

Influência do material dos tubos no cálculo

Para a construção de gasodutos, podem ser usados tubos fabricados apenas com determinados materiais: aço, polietileno. Em alguns casos, são usados produtos de cobre. Em breve, serão amplamente utilizadas estruturas metaloplásticas.

Cada tubo possui rugosidade, o que leva a uma resistência linear que afeta o processo de deslocamento do gás. Além disso, esse índice é significativamente maior em produtos de aço do que em plásticos.

Atualmente, as informações necessárias só podem ser obtidas para tubos de aço e polietileno. Como resultado, o projeto e o cálculo hidráulico só podem ser realizados considerando suas características, conforme exige o Código de Práticas específico. Além disso, o documento fornece os dados necessários para o cálculo.

O coeficiente de rugosidade é sempre igual aos seguintes valores:

• para todos os tubos de polietileno, independentemente de serem novos ou usados — 0,007 cm;
• para produtos de aço já usados — 0,1 cm;
• para novas estruturas de aço — 0,01 cm.

Para qualquer outro tipo de tubo, esse índice não é indicado no Código de Práticas. Portanto, não é recomendado usá-los para a construção de um novo gasoduto, pois os especialistas do gás podem exigir correções. E isso, novamente, gera custos adicionais.

Cálculo da vazão em um trecho limitado

Se o gasoduto consiste em trechos separados, o cálculo da vazão total em cada um deles terá que ser feito separadamente. Mas isso não é difícil, pois os números já conhecidos serão necessários para os cálculos.

Determinação de dados com o auxílio de um programa

Conhecendo os indicadores iniciais, tendo acesso à tabela de simultaneidade e aos manuais técnicos dos fogões e caldeiras, pode-se iniciar o cálculo.

Para isso, são executadas as seguintes ações (o exemplo é dado para um gasoduto interno de baixa pressão):

1. O número de caldeiras é multiplicado pela capacidade de cada uma.
2. O valor obtido é multiplicado pelo coeficiente de simultaneidade, refinado com o auxílio de uma tabela especial, para esse tipo de consumidor.
3. O número de placas destinadas ao preparo de alimentos é multiplicado pela capacidade de cada uma delas.
4. O valor obtido após a operação anterior é multiplicado pelo coeficiente de simultaneidade, extraído de uma tabela especial.
5. Os valores obtidos para caldeiras e placas são somados.

Manipulações semelhantes são realizadas para todos os trechos do gasoduto. Os dados obtidos são inseridos nas colunas correspondentes do programa, por meio do qual os cálculos são executados. Todo o resto a eletrônica faz por si só.

Cálculo usando fórmulas

Este tipo de cálculo hidráulico é semelhante ao descrito acima, ou seja, serão necessários os mesmos dados, mas o procedimento será demorado. Pois tudo terá que ser feito manualmente, além disso, o projetista precisará realizar uma série de operações intermediárias para usar os valores obtidos no cálculo final.

E também será necessário dedicar bastante tempo para compreender muitos conceitos e questões que uma pessoa não encontra ao utilizar um programa especial. A veracidade do exposto pode ser confirmada ao conhecer as fórmulas que serão utilizadas.

O cálculo com fórmulas é complexo, portanto não acessível a todos. Na imagem estão representadas as fórmulas para calcular a queda de pressão em redes de alta, média e baixa pressão e o coeficiente de atrito hidráulico

Na aplicação das fórmulas, assim como no caso do cálculo hidráulico com uso de programa especial, existem particularidades para gasodutos de baixa, média e, claro, alta pressão. E é preciso lembrar disso, pois o erro sempre acarreta custos financeiros consideráveis.

Cálculos usando nomogramas

Um nomograma especial é uma tabela onde estão indicados uma série de valores, que, ao serem estudados, permitem obter os indicadores necessários sem realizar cálculos. No caso do cálculo hidráulico — o diâmetro do tubo e a espessura de suas paredes.

Os nomogramas para cálculo são uma forma simples de obter as informações necessárias. Basta consultar as linhas que correspondem às características definidas da rede

Existem nomogramas separados para tubos de polietileno e aço. No cálculo deles, foram utilizados dados padrão, como a rugosidade das paredes internas. Portanto, não é necessário se preocupar com a correção das informações.

Exemplo de execução do cálculo

É apresentado um exemplo de execução de cálculo hidráulico utilizando um programa para gasodutos de baixa pressão. Na tabela proposta, os dados que o projetista deve inserir por conta própria estão destacados em amarelo.

Eles estão listados no item sobre cálculo hidráulico computacional, apresentado acima. São eles: temperatura do gás, coeficiente de viscosidade cinemática, densidade.

Neste caso, o cálculo é realizado para caldeiras e fogões, portanto, é necessário especificar o número exato de queimadores, que pode ser 2 ou 4. A precisão é importante, pois o programa selecionará automaticamente o coeficiente de simultaneidade.

Na imagem, as colunas onde o próprio projetista deve inserir os indicadores estão destacadas em amarelo. Abaixo, é apresentada a fórmula para calcular a vazão no trecho.

Vale a pena prestar atenção à numeração dos trechos — ela não é inventada por conta própria, mas retirada do esquema previamente elaborado, onde são indicados números semelhantes.

Em seguida, são registrados o comprimento real do gasoduto e o chamado comprimento de cálculo, que é maior. Isso ocorre porque em todos os trechos onde há resistência local, é necessário aumentar o comprimento em 5-10%. Isso é feito para evitar pressão insuficiente de gás nos consumidores. O programa realiza o cálculo automaticamente.

O consumo total em metros cúbicos, para o qual há uma coluna separada, é calculado antecipadamente para cada trecho. Se o edifício for de apartamentos múltiplos, é necessário indicar o número de unidades habitacionais, começando pelo valor máximo, como visto na coluna correspondente.

Obrigatoriamente, todos os elementos do gasoduto pelos quais há perda de pressão são inseridos na tabela. No exemplo, são indicados a válvula termo-bloqueio, a válvula de corte e o medidor. O valor da perda em cada caso foi retirado do passaporte do produto.

Com um único programa, é possível fazer cálculos para todos os tipos de gasodutos. Na imagem, os cálculos para a rede de média pressão.

O diâmetro interno do tubo é indicado de acordo com as especificações técnicas, se a empresa de gás local tiver algum requisito, ou a partir do esquema previamente elaborado. Neste caso, na maioria dos trechos ele é especificado como 5 cm, já que a maior parte do gasoduto segue ao longo da fachada, e a empresa de gás local exige que o diâmetro não seja menor.

Se mesmo superficialmente nos familiarizarmos com o exemplo dado de realização do cálculo hidráulico, é fácil notar que, além dos valores inseridos manualmente, há uma grande quantidade de outros. Isso tudo é resultado do trabalho do programa, pois após inserir os números nas colunas específicas destacadas em amarelo, o trabalho de cálculo para o ser humano está concluído.

Ou seja, o próprio cálculo ocorre de forma bastante rápida, após o qual, com os dados obtidos, pode-se ir para a aprovação na empresa de gás da sua cidade.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Este vídeo permite entender por onde começa o cálculo hidráulico, de onde os projetistas obtêm os dados necessários:

No vídeo a seguir, é apresentado um exemplo de um dos tipos de cálculo computacional:

A seguir, pode-se conhecer um exemplo de cálculo utilizando um programa de computador:

Para realizar o cálculo hidráulico com computador, conforme permite o conjunto de regras específico, basta dedicar um pouco de tempo para se familiarizar com o programa e coletar os dados necessários.

Mas tudo isso não tem valor prático, pois a elaboração de um projeto é um procedimento muito mais amplo e envolve muitas outras questões. Por isso, a maioria dos cidadãos terá que recorrer a especialistas.

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