BR112016029430B1

BR112016029430B1 - Método para desligamento de uma bomba e disposição de estação de bombeamento

Info

Publication number: BR112016029430B1
Application number: BR112016029430-0A
Authority: BR
Inventors: Martin Larsson; Jürgen Mökander; Martin Zetterquist
Original assignee: Xylem Ip Management S.À R.L.
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2022-08-23
Also published as: MY189513A; PL3158201T3; IL249543B; HUE044380T2; CL2016003226A1; WO2015193784A1; JP6389532B2; CN106460854A; JP2017518462A; MA39567B1; PH12016502425B1; MX367019B; MA39567A1; PT3158201T; BR112016029430A2; SE540018C2; KR102330150B1; KR20170019434A; US10393122B2; DK3158201T3

Abstract

MÉTODO PARA DESLIGAMENTO DE UMA BOMBA E DISPOSIÇÃO DE ESTAÇÃO DE BOMBEAMENTO. De acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção refere-se a um método para desligamento de uma bomba (2), configurada para bombear líquido através de uma tubulação (4), em que a bomba (2) antes de ser desligada é acionada em uma frequência operacional (FN) por meio de uma unidade de controle (6). O método é caracterizado pelas etapas de diminuir a frequência da bomba (2) devido a uma instrução de desligamento, a frequência final da redução sendo igual à frequência operacional (FN) da bomba (2) diminuída de pelo menos 10 Hz e o tempo de redução sendo pelo menos um tempo de decurso (TR) na tubulação em questão, com a frequência final da redução não sendo inferior a 10 Hz, e numa etapa seguinte interromper o funcionamento da bomba (2) após a dita redução de frequência. De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção está correlacionada a uma disposição de estação de bombeamento, configurada para executar o método de desligamento acima mencionado.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção, de um modo geral, está correlacionada a um método para desligamento de uma bomba, a qual é configurada para bombear líquido através de um conduto, a bomba antes de ser desligada sendo acionada a uma frequência de operação por meio de uma unidade de controle.

[0002] Especificamente, a presente invenção refere-se a um método para desligamento de uma bomba, configurada para bombear águas residuais. De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção refere-se a uma disposição de estação de bombeamento, a qual compreende uma bomba, uma unidade de controle e um conduto conectado à saída da bomba, cuja disposição de estação de bombeamento é configurada para executar o método de desligamento acima mencionado.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA

[0003] Normalmente, nas disposições de estação de bombeamento a vazão do líquido, em geral, se dispõe na faixa de 0,7-1,0 m/s, o que indica a presença de um grande fluxo de líquido, proporcionando um grande impulso na tubulação que se estende a partir da bomba. A vazão do líquido, normalmente, é superior a 0,7 m/s, a fim de evitar sedimentação na tubulação e, usualmente, não excede a 1 m/s, a fim de que não ocorram altas perdas por atrito. A tubulação pode ter milhares de metros de comprimento. Se o fornecimento de líquido da bomba para a conduto for abruptamente interrompido, uma onda de pressão no líquido será gerada e transportada através do sistema de tubos e, assim, diferentes partes do líquido terão diferentes velocidades. Essa situação complicada pode implicar na geração de bolhas de vácuo na tubulação, e quando essas bolhas implodem, por exemplo, em diferentes partes do líquido que está se movendo em diferentes direções na tubulação, o chamado golpe de aríete irá ocorrer, com o risco de danificar a tubulação e suas unidades. Nesse caso, quando a coluna de líquido voltar para a bomba, a convencional válvula de retenção que está localizada a jusante da bomba fechará, correndo o risco de ser danificada.

[0004] A fim de reduzir os efeitos do golpe de aríete, é tradicionalmente conhecido reduzir a frequência da bomba, a partir da frequência de operação para zero, devido a uma instrução de desligamento gerada automática ou manualmente. A finalidade dessa redução é ter a bomba para geração de pressão positiva durante todo o tempo, desse modo, mantendo a válvula de retenção aberta, de modo a que a vazão de líquido seja lentamente diminuída, para que nenhuma bolha de vácuo seja gerada na tubulação. A fim de inteiramente eliminar as bolhas de vácuo, a redução da frequência da bomba deve ser bastante longa, o que consome grandes e desnecessárias quantidades de energia.

[0005] O fato da redução da frequência para zero, a partir da frequência de operação, implica, na realidade, que a válvula de retenção ficará fechada, apesar de o rotor ainda ser acionado para gerar um fluxo de líquido, mas a pressão de bombeamento e/ou o fluxo de líquido é demasiadamente pequeno para conseguir bombear o líquido dentro da tubulação. Assim, a bomba consome energia sem apresentar nenhum rendimento útil.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0006] A presente invenção tem por objetivo minimizar as desvantagens acima mencionadas e a carência de métodos de desligamento anteriormente conhecidos, proporcionando um aperfeiçoado método de desligamento para uma bomba. Um objetivo básico da invenção é proporcionar um aperfeiçoado método de desligamento, do tipo inicialmente definido, o qual, em um período de tempo tão curto quanto possível proporcione o desligamento da bomba, ao mesmo tempo em que os efeitos de golpes de aríete na tubulação são substancialmente reduzidos.

[0007] Além disso, outro objetivo da presente invenção é proporcionar um método de desligamento, no qual as dimensões das bolhas de vácuo são diminuídas.

[0008] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um método de desligamento que não danifica a tubulação e as válvulas de retenção.

[0009] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um método de desligamento, que implica em uma diminuição do consumo de energia durante o procedimento de desligamento.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0010] De acordo com a invenção, pelo menos o objetivo básico é alcançado por meio do método inicialmente definido e da disposição da estação de bombeamento, que apresentam as características definidas nas reivindicações independentes. As modalidades preferidas da presente invenção são ainda definidas nas reivindicações dependentes.

[0011] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de desligamento do tipo inicialmente definido, o qual é caracterizado pelas etapas em que por meio de uma unidade de controle se diminui a frequência da bomba devido a uma instrução de desligamento, onde a redução de frequência final é igual à frequência de operação da bomba diminuída de pelo menos 10 Hz, e o tempo de redução da frequência é pelo menos um tempo de decurso na tubulação em questão, com a redução da frequência final não sendo inferior a 10 Hz, e em que, por meio da unidade de controle, se interrompe o funcionamento da bomba, após a dita redução de frequência.

[0012] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionada uma disposição de estação de bombeamento, a qual compreende uma bomba, uma unidade de controle e uma tubulação conectada à saída da bomba.

[0013] A disposição de estação de bombeamento é caracterizada em que a unidade de controle, devido a uma instrução de desligamento, é configurada para reduzir a frequência da bomba, a partir de uma frequência de operação, onde a frequência final da redução é igual à frequência de operação FN da bomba, diminuída de pelo menos 10 Hz, o tempo de redução é pelo menos um tempo de decurso TR na tubulação em questão, onde a frequência final da redução não é inferior a 10 Hz, e onde a unidade de controle é configurada para interromper a operação da bomba, após ocorrer a redução de frequência.

[0014] Portanto, a presente invenção é fundamentada no entendimento da utilização dos efeitos positivos que ocorrem no início da redução da frequência, evitando os efeitos negativos que ocorrem ao final da redução da frequência.

[0015] De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, a etapa de interromper o funcionamento da bomba após ocorrer a redução da frequência inclui a desativação da bomba por meio da unidade de controle, de modo a permitir ao rotor da bomba girar livremente até parar. Desse modo, é assegurado que a bomba não executa nenhum trabalho que não seja de rendimento útil.

[0016] De acordo com uma modalidade alternativa da presente invenção, a etapa de interromper a operação da bomba após a redução da frequência, inclui a realização de uma segunda redução da frequência da bomba por meio da unidade de controle, de tal modo que o torque do motor da bomba que é submetido ao líquido bombeado, é controlado para ser igual a zero. Dessa forma, é proporcionado que o rotor da bomba gire livremente até parar, pelo que é assegurado que a bomba não executa nenhum trabalho que não seja de rendimento útil.

[0017] De acordo com uma modalidade preferida, a frequência final da redução é inferior ou igual a 35 Hz, desse modo, superior ou igual a 25 Hz. Assim, uma suficiente redução de frequência é executada, a fim de substancialmente reduzir os efeitos de golpe de aríete, sem ter que a bomba execute um trabalho que não seja de rendimento útil.

[0018] Outras vantagens e características da invenção serão evidentes a partir da descrição de outras reivindicações dependentes, como, também, a partir da seguinte descrição detalhada de modalidades preferidas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Um mais completo entendimento das acima mencionadas e de outras características e vantagens da presente invenção se tornará evidente a partir da seguinte descrição detalhada, fazendo-se referência aos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 é uma ilustração esquemática de uma estação de bombeamento compreendendo a disposição de estação de bombeamento; - a figura 2 representa um diagrama que esquematicamente mostra como a frequência, o fluxo de líquido e a pressão da bomba são modificados durante o procedimento de desligamento, de acordo com a presente invenção; e - a figura 3 representa um diagrama que esquematicamente mostra como a frequência, o fluxo de líquido e a pressão da bomba são modificados durante o procedimento de desligamento, de acordo com o estado da técnica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERIDAS

[0020] Na figura 1 é apresentada uma disposição de estação de bombeamento, compreendendo uma estação de bombeamento, geralmente designada por 1, que compreende pelo menos uma bomba de velocidade controlada 2, normalmente duas bombas submersíveis, configuradas em um estado ativo, para bombear líquido a partir de um poço coletor 3 da estação de bombeamento 1 para uma tubulação 4, a qual se prolonga para fora da estação de bombeamento 1. A tubulação 4 compreende uma válvula de retenção (não mostrado) disposta em estreita conexão com a bomba 2. A estação de bombeamento 1, de uma maneira convencional, compreende pelo menos um sensor de nível 5, disposto para determinar o nível de líquido na estação de bombeamento 1, em que o sensor de nível 5, por exemplo, pode ser constituído por um sensor de nível flutuante, que é configurado para determinar um predeterminado nível de líquido, ou um sensor de nível contínuo, que é configurado para determinar diferentes níveis de líquido. Deve ser mencionado que o sensor de nível 5 pode ser um dispositivo separado, que é operacionalmente conectado a uma unidade de externa de controle 6, sendo operacionalmente conectado à referida pelo menos uma bomba de velocidade controlada 2, ou sendo incorporado na referida pelo menos uma bomba de velocidade controlada 2, etc. A dita pelo menos uma bomba de velocidade controlada 2,preferivelmente, é conectada operacionalmente à unidade externa de controle 6, a fim de admitir o ajuste da velocidade de rotação da bomba, alternativamente, a dita pelo menos uma bomba de velocidade controlada 2 pode compreender uma unidade de controle embutida (não mostrado). Na presente descrição, o termo unidade de controle será usado independentemente de sua localização física.

[0021] A bomba 2 e a unidade de controle 6 constituem, em conjunto, pelo menos uma parte de uma disposição de bomba, em que a bomba 2 compreende um motor elétrico 7, disposto para ser acionado pela dita unidade de controle 6, e um rotor 8, conectado ao motor 7 através de um eixo de acionamento 9 em um modo convencional. De preferência, o rotor 8 é um rotor aberto e, mais preferivelmente, o rotor é deslocável axialmente na bomba 2, em relação a um anel de cobertura do tipo sucção/inserção, na entrada da bomba durante o funcionamento.

[0022] O termo “velocidade controlada” engloba todas as formas concebíveis para alterar a velocidade de rotação da bomba, ou, mais precisamente, a velocidade de rotação/velocidade operacional do motor 7, especialmente, é pretendido o ajuste da frequência de alimentação de corrente por meio de um conversor de frequência (Transmissão Variável de Frequência) que é incorporado na bomba ou que é disposto externamente, e que constitui um exemplo da dita unidade de controle 6, sendo a velocidade de rotação proporcional à frequência de alimentação de corrente durante o funcionamento normal. No entanto, é ainda pretendido o ajuste controlado interna ou externamente da fonte de alimentação, etc. Assim, em um nível global da presente invenção, não é essencial saber como a velocidade de operação da bomba é controlada, pelo que, somente a velocidade de rotação da bomba 2 pode ser ajustada/controlada.

[0023] A bomba 2 está configurada para ser operacionalmente conectada à rede elétrica de alimentação, que em diferentes partes do mundo têm frequência de energia diferente, geralmente, de 50 Hz ou 60 Hz. De acordo com uma modalidade alternativa, a bomba 2 está operacionalmente ligada a uma unidade geradora de energia que faz uso de um motor diesel, ou semelhante. A frequência de saída da unidade de geração de energia pode ser constante ou variável, sendo, geralmente, de 50 Hz ou 60 Hz.

[0024] Durante um procedimento de funcionamento normal, a bomba 2 é acionada por meio da unidade de controle 6, a uma frequência operacional FN, também conhecida como velocidade de operação. A frequência operacional FN pode ser variada de ser constante ao longo do tempo e pode ser, por exemplo, igual a uma frequência máxima, isto é, a frequência de energia da rede de alimentação, ou estar na faixa de 90-95% da frequência de energia da rede elétrica de alimentação.

[0025] Quando a bomba 2, ou a disposição da estação de bombeamento, devido a certas circunstâncias, recebe uma instrução de desligamento gerada automática ou manualmente, por exemplo, a partir do sensor de nível 5, a unidade de controle 6 inicia uma redução controlada da frequência F da bomba 2, a partir da frequência operacional FN, para baixo. Essa redução da frequência pode ser linear (taxa decrescente constante) ou não linear (taxa de diminuição variável), a partir da frequência operacional FN para uma frequência final de redução.

[0026] Agora, é feita referência à figura 2, que mostra esquematicamente um diagrama tendo o tempo medido em segundos no eixo X e a frequência F da bomba 2 no eixo Y. Deve ser mencionado que o eixo Y apresenta uma escala comparativa, onde a frequência operacional FN da bomba 2 é fixada em 1 (correspondente a 100%, que, na realidade, é por exemplo, 50 Hz). A frequência F da bomba 2 é mostrada por meio da curva intermediária. O eixo Y compreende também o fluxo de líquido na tubulação 4, onde a curva superior mostra como o fluxo de líquido é modificado ao longo do tempo, e a pressão na tubulação 4, na área a jusante da bomba 2, e a curva inferior mostra como a pressão é modificada ao longo do tempo. O fluxo de líquido e a pressão estão de acordo com a frequência F da bomba 2, fornecida por meio de escalas comparativas.

[0027] A frequência final de redução deve ser igual à frequência operacional FN da bomba 2, diminuída de pelo menos 10 Hz, não devendo ser abaixo de 10 Hz. Na modalidade revelada mostrada na figura 2, a frequência final de redução é igual a 60% da frequência operacional FN, isto é, 30 Hz, se a frequência operacional FN for igual a 50 Hz. De preferência, a frequência final de redução deve ser inferior ou igual a 40 Hz, ou, mais preferivelmente, inferior ou igual a 35 Hz. É preferível que a frequência final de redução seja superior ou igual a 20 Hz, mais preferivelmente, superior ou igual a 25 Hz.

[0028] O tempo de redução da frequência deve ser pelo menos um tempo TR, decorrido na tubulação 4 em questão. No exemplo mostrado na figura 2, o tempo de redução da frequência é de aproximadamente 15 segundos.

[0029] O tempo de decurso TR na tubulação 4 em questão é conhecido nas ditas disposições de estação de bombeamento, e refere-se ao tempo que decorre para que uma onda de pressão na tubulação 4 se movimente para a frente e para trás, na dita tubulação 4. O tempo de decurso TR é igual a 2*L/C, onde L é o comprimento da tubulação e C é uma constante específica do material. A constante C se dispõe na faixa de 300-400 se a tubulação 4 for feita de plástico, e na faixa de 1000-1200 se a tubulação 4 for feita de aço. Assim, para uma tubulação 4 feita de plástico e tendo comprimento de 2000 metros, o tempo de decurso TR se dispõe na faixa de 10-13 segundos e o valor correspondente para uma tubulação 4 feita de aço está na faixa de 3,5-4 segundos.

[0030] De acordo com uma modalidade preferida, o tempo de redução de frequência deve ser de pelo menos 10 segundos, mais preferivelmente, de pelo menos 15 segundos. Isso é aplicável quando o tempo de decurso da tubulação 4 for conhecido, por alguma razão.

[0031] Após a redução de frequência, o método de desligamento da invenção compreende a etapa de mediante uso da unidade de controle 6 interromper o funcionamento da bomba.

[0032] De acordo com uma modalidade mais preferida, conforme divulgada na figura 2, a etapa de interromper o funcionamento da bomba 2 após a redução de frequência, inclui o desligamento da bomba 2 por meio da unidade de controle 6, de modo a deixar o rotor 8 da bomba 2 girar livremente até parar. De acordo com uma segunda modalidade (não mostrado), a etapa de parar a bomba 2 após a redução de frequência, inclui a realização de uma segunda redução da frequência F da bomba 2 por meio da unidade de controle 6, de tal modo que o torque do motor da bomba 2, submetido a partir do líquido bombeado, seja controlado para ser igual a zero. A segunda redução de frequência é terminada quando a frequência F da bomba 2 for igual a zero. Em outras palavras, a segunda modalidade implica em que é imitada uma rotação livre do rotor 8. De acordo com uma terceira modalidade (não mostrado), uma segunda redução de frequência pode ser executada, a qual é mais gradual do que a primeira redução.

[0033] Na figura 3 é apresentado um diagrama de um procedimento de desligamento de acordo com o estado da técnica, que corresponde à figura 2, em que o desligamento da bomba 2 é realizado desengatando o rotor 8 da bomba 2 na frequência operacional, e permitindo que o rotor 8 gire livremente até parar. A curva inferior mostra que uma subpressão surge na tubulação 4, provocando um intenso golpe de aríete. A curva superior mostra uma pulsação intensa do fluxo de líquido na tubulação 4.

POSSÍVEIS MODIFICAÇÕES DA INVENÇÃO

[0034] A invenção não se limita apenas às modalidades acima descritas e mostradas nos desenhos, que têm, principalmente, um objetivo ilustrativo e exemplificativo. O presente pedido de patente é idealizado de abranger todos os ajustes e variantes das modalidades preferidas aqui descritas, em que a presente invenção é definida pelo texto das reivindicações anexas e, assim, o equipamento pode ser modificado em todos os tipos de formas, desde que entro do escopo das reivindicações anexas.

[0035] Deve ser também observado que todas as informações relativas a termos como acima, abaixo, superior, inferior, etc., devem ser interpretadas/lidas tendo o equipamento orientado de acordo com as figuras, tendo os desenhos orientados para que as referências possam ser devidamente lidas. Desse modo, esses termos apenas indicam relações mútuas nas modalidades ilustradas, cujas relações podem ser alteradas se o equipamento da invenção for fornecido com outra estrutura/concepção.

[0036] Deve ser também mencionado que mesmo que não seja explicitamente indicado, características de uma modalidade específica podem ser combinadas com características de outra modalidade, tal combinação devendo ser considerada óbvia se a referida combinação for possível.

Claims

1. Método para desligamento de uma bomba (2), configurada para bombear líquido através de uma tubulação (4), a bomba (2) antes de ser desligada sendo acionada em uma frequência operacional (FN) por meio de uma unidade de controle (6), o método é caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: - diminuir por meio da unidade de controle (6) a frequência da bomba (2) devido a uma instrução de desligamento, onde a frequência final da redução é igual à frequência operacional (FN) da bomba (2) diminuída de pelo menos 10 Hz, e o tempo de redução da frequência sendo pelo menos um tempo de decurso (TR) na tubulação em questão, e em que a frequência final da redução não é inferior a 10 Hz; e - interromper por meio da unidade de controle (6) o funcionamento da bomba (2) após a dita redução de frequência, o que inclui desconectar a bomba (2) por meio da unidade de controle (6), a fim de permitir ao rotor (8) da bomba (2) girar livremente até parar.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de interromper o funcionamento da bomba (2) após a redução de frequência inclui executar uma segunda redução da frequência da bomba (2) por meio da unidade de controle (6), de modo a que o torque do motor (7) da bomba (2), que é submetido ao líquido bombeado, seja controlado para ser igual a zero.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1ou 2, caracterizado pelo fato de que a frequência final da redução é inferior ou igual a 40 Hz.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a frequência final da redução é inferior ou igual a 35 Hz.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a frequência final da redução é superior ou igual a 20 Hz.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a frequência final da redução é superior ou igual a 25 Hz.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o tempo de redução é de pelo menos 10 segundos.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o tempo de redução é de pelo menos 15 segundos.

9. Disposição de estação de bombeamento, compreendendo uma bomba (2), uma unidade de controle (6) e uma tubulação (4) conectada à saída da bomba (2), em que a disposição de estação de bombeamento é caracterizada pelo fato de que a unidade de controle (6), devido a uma instrução de desligamento, é configurada para diminuir a frequência da bomba (2) a partir de uma frequência operacional (FN), em que a frequência final da redução é igual à frequência operacional (FN) da bomba (2) diminuída de pelo menos 10 Hz, e em que o tempo de redução é, pelo menos, um tempo de decurso (TR) para a tubulação em questão, onde a frequência final da redução não é inferior a 10 Hz, e ainda em que a unidade de controle (6) é configurada para interromper o funcionamento da bomba (2) após a redução da frequência, mediante desconexão da bomba (2), a fim de permitir ao rotor (8) da bomba (2) girar livremente até parar.