Navios de petróleo e gás, instalações offshore e operações marítimas de energia frequentemente exigem ambientes controlados com baixo teor de oxigênio para inertização de tanques, purga de tubulações, criação de atmosferas protetoras, manutenção e determinadas operações de transferência.
Para embarcações com demanda regular de nitrogênio, um gerador de nitrogênio para navios de petróleo e gás pode produzir nitrogênio a bordo a partir de ar comprimido, reduzindo a dependência de cilindros armazenados ou do fornecimento de gás em terra.
No entanto, um sistema marítimo de nitrogênio não deve ser selecionado apenas com base na pureza. Vazão de nitrogênio, oxigênio residual, pressão no ponto de uso, qualidade do ar comprimido, armazenamento intermediário, redundância, ambiente de instalação e requisitos específicos da embarcação devem ser considerados em conjunto.
Para uma visão mais ampla desse setor, consulte as aplicações marítimas de geradores de nitrogênio.
Por que o nitrogênio é utilizado em navios de petróleo e gás
O nitrogênio não sustenta a combustão e é relativamente pouco reativo em muitas condições operacionais normais.
Em operações marítimas de petróleo e gás, ele pode ser utilizado para reduzir a concentração de oxigênio dentro de tanques, tubulações, recipientes e determinados equipamentos de processo. Isso pode ajudar a estabelecer a atmosfera controlada exigida por uma carga ou procedimento operacional específico.
O nitrogênio, por si só, não torna automaticamente todas as operações seguras. Uma inertização eficaz depende de fatores como a concentração inicial de oxigênio, o nível de oxigênio desejado, o volume do recipiente ou tanque, a distribuição do gás, o método de purga, a vazão de nitrogênio, o monitoramento e as propriedades do material manipulado.
Por esse motivo, o sistema de geração de nitrogênio deve ser integrado aos procedimentos gerais de segurança de processo e de operação da embarcação.
Aplicações marítimas comuns de nitrogênio em operações de petróleo e gás
O nitrogênio pode dar suporte a diversas operações a bordo.
A inertização de tanques de carga ou armazenamento utiliza nitrogênio para reduzir a concentração de oxigênio dentro de um tanque antes ou durante determinadas operações.
A criação de uma atmosfera protetora no tanque mantém um espaço gasoso controlado acima dos líquidos armazenados quando é necessário limitar a exposição ao oxigênio atmosférico.
A purga de tubulações e equipamentos pode deslocar o ar ou gases de processo antes da partida, parada, manutenção ou troca de produto.
Determinados procedimentos de teste de pressão e de vazamento também podem utilizar nitrogênio quando o procedimento de engenharia aplicável especificar um meio de teste inerte.
Em sistemas de produção offshore e operações do tipo FPSO, o nitrogênio também pode ser distribuído para equipamentos de processo que exigem uma atmosfera controlada com baixo teor de oxigênio.
Cada aplicação deve ser projetada de acordo com a embarcação, a carga, o processo e o procedimento operacional reais, em vez de se presumir que uma única especificação de nitrogênio seja adequada para todas as instalações marítimas.
O que é um gerador de nitrogênio a bordo?
Um gerador de nitrogênio a bordo utiliza ar comprimido como fonte de alimentação e separa o nitrogênio para distribuição aos pontos consumidores da embarcação.
O catálogo de produtos fornecido pela Lingyu apresenta a geração de nitrogênio por Adsorção por Variação de Pressão (Pressure Swing Adsorption — PSA).
O sistema utiliza duas torres de adsorção preenchidas com peneira molecular de carbono (Carbon Molecular Sieve — CMS). O oxigênio é adsorvido preferencialmente da corrente de ar comprimido, enquanto o nitrogênio passa pelo sistema como gás produzido. Enquanto uma torre produz nitrogênio, a outra é regenerada. As torres alternam automaticamente sob controle por PLC para manter a produção contínua.
As configurações disponíveis podem ser consultadas na linha de geradores de nitrogênio da Lingyu.
Para quem precisa de uma explicação técnica mais detalhada, consulte como funciona a geração de nitrogênio por PSA.
O sistema completo de nitrogênio a bordo
O gerador PSA é apenas uma parte do sistema completo de fornecimento de nitrogênio.
O diagrama padrão do sistema da Lingyu inclui compressor de ar, reservatório de ar, secador de ar por refrigeração, tanque pulmão, tanque pulmão de nitrogênio, equipamento de redução de pressão, analisador de nitrogênio/oxigênio, saída de nitrogênio fora da especificação e controle final do fornecimento de nitrogênio.
Para uma instalação marítima, pode ser necessária engenharia adicional relacionada a tubulações, armazenamento, controle de pressão, ventilação, instalação elétrica, drenagem, acesso aos equipamentos, vibração, exposição ambiental e redundância.
A configuração final deve, portanto, ser desenvolvida em função da embarcação, e não tratando o gerador de nitrogênio como uma máquina isolada.
Qual deve ser a pureza do nitrogênio para operações marítimas de petróleo e gás?
Não existe um único nível correto de pureza de nitrogênio para todos os navios de petróleo e gás.
O catálogo PSA da Lingyu especifica pureza de nitrogênio de aproximadamente 95% a 99,999%, enquanto as configurações de produto incluem valores como 99%, 99,5%, 99,9% e 99,99%.
A pureza necessária deve ser determinada com base na concentração máxima de oxigênio permitida para a operação específica.
Por exemplo, os requisitos para a manutenção contínua de uma atmosfera protetora em um tanque podem ser diferentes daqueles para a inertização inicial do tanque, a purga de tubulações ou um processo envolvendo material sensível ao oxigênio.
Um gerador de nitrogênio com pureza de 99,5% é, portanto, uma configuração que pode ser avaliada, mas não deve ser descrito como o requisito padrão para aplicações marítimas.
Selecionar uma pureza desnecessariamente elevada pode afetar a recuperação de nitrogênio, a demanda de ar comprimido, a vazão disponível e o custo operacional.
Vazão e tempo de inertização
Para aplicações marítimas, a capacidade de vazão pode ser tão importante quanto a pureza.
Um gerador destinado principalmente à manutenção contínua de uma atmosfera protetora pode apresentar um perfil de demanda relativamente estável. A inertização de tanques ou a purga de tubulações, por outro lado, pode gerar necessidades de nitrogênio de curto prazo muito maiores.
O dimensionamento do sistema deve, portanto, considerar os volumes dos tanques e recipientes, a concentração inicial e desejada de oxigênio, o tempo necessário de inertização ou purga, os consumidores simultâneos de nitrogênio, as operações de carga ou descarga, a demanda contínua para atmosfera protetora e a capacidade de reserva necessária.
Um tanque pulmão de nitrogênio pode ajudar a gerenciar variações de curta duração entre a produção do gerador e a demanda do processo.
Para operações de inertização maiores ou sensíveis ao tempo, dimensionar o sistema apenas com base no consumo médio diário de nitrogênio pode resultar em um sistema subdimensionado.
A pressão no ponto de uso deve ser definida separadamente
A pressão necessária de nitrogênio em um tanque, tubulação ou conexão de processo deve ser definida independentemente da pressão do ar de alimentação do gerador PSA.
O catálogo da Lingyu especifica uma pressão padrão de entrada de ar comprimido de 0,5–0,8 MPa para o sistema PSA.
Esse valor representa uma condição operacional do ar comprimido que entra no gerador. Ele não determina a pressão de nitrogênio disponível em todas as aplicações marítimas a jusante.
Se a embarcação exigir uma pressão de nitrogênio mais elevada a jusante, podem ser necessários equipamentos adequados de armazenamento, controle de pressão ou aumento de pressão.
Os leitores que avaliam esse tipo de configuração podem consultar o guia sobre geradores de nitrogênio de alta pressão.
A qualidade do ar comprimido é importante a bordo
O desempenho do sistema PSA também depende da qualidade do ar comprimido fornecido ao gerador.
Umidade, óleo e contaminação por partículas podem afetar filtros, válvulas pneumáticas, analisadores e a peneira molecular de carbono durante a operação de longo prazo.
Os dados operacionais padrão do sistema PSA da Lingyu incluem temperatura do ar de entrada ≤40 °C e ponto de orvalho do nitrogênio ≤−40 °C nas condições especificadas no catálogo.
A secagem e a filtragem adequadas devem, portanto, fazer parte do sistema completo. Dependendo da configuração do tratamento de ar, um filtro de precisão para ar comprimido pode fazer parte do sistema de pré-tratamento.
Monitoramento do nitrogênio e proteção contra gás fora da especificação
O monitoramento da qualidade do gás é especialmente importante quando a operação a jusante depende da manutenção de uma concentração específica de oxigênio.
O projeto PSA da Lingyu oferece monitoramento em tempo real da pureza e da vazão do nitrogênio. A tela sensível ao toque pode exibir pressão, pureza do nitrogênio, vazão e status operacional.
Se a pureza do nitrogênio cair abaixo do valor especificado, um alarme é ativado. Se a condição fora da especificação persistir durante o período predefinido, o sistema pode desligar automaticamente como medida de proteção.
O diagrama do sistema também inclui um analisador de nitrogênio/oxigênio e uma saída para nitrogênio fora da especificação.
Para aplicações marítimas, essas funções do gerador devem ser adequadamente integradas à estratégia geral de operação e controle de segurança da embarcação.
Confiabilidade, armazenamento e redundância
Alguns consumidores de nitrogênio a bordo podem ser suficientemente importantes para a operação a ponto de a perda do fornecimento de nitrogênio não poder ser tratada como uma interrupção rotineira.
Nesses casos, o projeto do sistema deve avaliar a capacidade de armazenamento intermediário, o fornecimento de gás de reserva, a capacidade de geração de reserva, o acesso para manutenção, as peças sobressalentes, a estratégia de alarmes e as consequências da perda de ar comprimido ou energia elétrica.
A estratégia correta de redundância depende da embarcação e da criticidade dos consumidores de nitrogênio.
Ela deve, portanto, ser estabelecida durante a engenharia do sistema, em vez de se presumir que todas as embarcações exigem ou não exigem um gerador redundante.
Condições de instalação marítima
Um projeto marítimo deve avaliar:
- Espaço disponível na casa de máquinas e acesso para manutenção
- Temperatura ambiente e ventilação
- Umidade e exposição à corrosão
- Movimento e vibração da embarcação
- Requisitos elétricos
- Tubulações e drenagem
- Integração com o sistema de controle
- Requisitos de ruído
- Redundância e fornecimento de backup
- Requisitos técnicos específicos da embarcação, da sociedade classificadora, da bandeira e do projeto
O catálogo PSA padrão da Lingyu estabelece um limite de temperatura ambiente de ≤40 °C, portanto, as condições reais da embarcação devem ser verificadas em relação à configuração selecionada.
Certificação marítima e requisitos regulatórios
Para instalações marítimas, os requisitos aplicáveis à embarcação, ao Estado de bandeira, à sociedade classificadora, à carga, às áreas classificadas e ao projeto específico devem ser confirmados durante o projeto do sistema e a seleção dos equipamentos.
Se o sistema de nitrogênio for instalado em uma área classificada como perigosa, o conceito de proteção exigido e a certificação dos equipamentos efetivamente fornecidos também devem ser confirmados para esse projeto.
Segurança do nitrogênio a bordo
Embora o nitrogênio não sustente a combustão, ele pode criar risco de asfixia ao deslocar o oxigênio respirável em espaços fechados.
Isso é especialmente importante a bordo de embarcações, onde casas de máquinas, compartimentos fechados, tanques e outras áreas confinadas podem apresentar ventilação limitada.
A engenharia do sistema pode, portanto, precisar considerar ventilação, monitoramento de oxigênio, descarga controlada, alarmes, procedimentos de acesso e requisitos de segurança específicos da embarcação.
Para informações adicionais, consulte o guia sobre inflamabilidade do nitrogênio e segurança industrial.
Geração a bordo em comparação com nitrogênio armazenado ou fornecido externamente
Produzir nitrogênio a bordo pode reduzir a dependência da logística de cilindros ou do fornecimento externo de gás, especialmente quando a demanda de nitrogênio é regular.
No entanto, isso não deve ser automaticamente descrito como a opção de menor custo.
Uma comparação realista deve incluir consumo de nitrogênio, pureza necessária, demanda de ar comprimido, impacto da energia ou combustível do compressor, horas de operação, requisitos de tratamento de ar, manutenção, armazenamento, fornecimento de backup, requisitos de espaço na casa de máquinas e disponibilidade de nitrogênio nos portos de operação.
A melhor solução depende do perfil operacional da embarcação.
O que definir antes de selecionar um sistema marítimo de nitrogênio
Antes da seleção dos equipamentos, o projeto deve definir a pureza necessária do nitrogênio ou a concentração máxima de oxigênio, a vazão média e de pico, os volumes dos tanques ou tubulações, o tempo permitido de inertização ou purga, a pressão necessária no ponto de uso, o requisito de ponto de orvalho, a capacidade disponível de ar comprimido, as condições da casa de máquinas, os requisitos de armazenamento de nitrogênio, a estratégia de redundância, as condições elétricas, a classificação de áreas perigosas quando aplicável e os requisitos relevantes da embarcação ou do projeto.
Esses parâmetros permitem que o tratamento do ar comprimido, o gerador PSA, o tanque pulmão de nitrogênio, o analisador, os equipamentos de controle de pressão e o sistema de distribuição a jusante sejam projetados como uma solução completa.
Uma referência geral útil é o guia de especificações de geradores de nitrogênio.
Conclusão
Um gerador de nitrogênio para navios de petróleo e gás pode fornecer uma fonte de nitrogênio a bordo para inertização de tanques, criação de atmosferas protetoras, purga de tubulações e outras operações que exigem condições controladas de oxigênio.
O sistema correto não é definido apenas pela pureza do nitrogênio.
Vazão, oxigênio residual, pressão no ponto de uso, qualidade do ar comprimido, armazenamento intermediário, monitoramento do gás, redundância, condições de instalação marítima e requisitos aplicáveis à embarcação ou ao projeto devem ser avaliados em conjunto.
Quando corretamente projetado de acordo com a embarcação real e suas condições de operação, um sistema PSA de nitrogênio a bordo pode fornecer um suprimento de nitrogênio estável e controlável sem depender exclusivamente de gás armazenado ou fornecido externamente.
