O que você precisa saber sobre a operação da bomba paralela

Muitas vezes me pedem para visitar locais de plantas onde ocorrem problemas relativos a taxas de vazão inadequadas em sistemas de duas bombas. Essas instalações geralmente têm mais de 10 anos, e os operadores e engenheiros que participaram dos comissionamentos não estão mais presentes. Os requisitos de produção da planta aumentaram e/ou o equipamento é simplesmente velho e menos eficiente. De qualquer forma, o resultado desejado é obter mais fluxo através do sistema.

Em um cenário típico, alguém observa que há uma bomba instalada adicional e decide que a solução é simplesmente iniciar e operar a segunda bomba. Para uma pessoa destreinada que vê duas bombas instaladas no mesmo sistema, parece lógico que operar a segunda bomba em paralelo aumentará a vazão. Isso pode funcionar em alguns casos, mas muitas vezes não funciona. Quando o sistema não for projetado para duas (ou mais) bombas funcionarem ao mesmo tempo (em paralelo), não levará muito tempo para ambas as bombas experimentarem problemas.

Se você tem um sistema de duas bombas, o primeiro passo é determinar como o sistema foi projetado:

1. Duas bombas, configuradas para funcionar individualmente e/ou em paralelo. Em outras palavras, as bombas podem funcionar em paralelo ou separadamente, cobrindo uma ampla gama de fluxos esperados.

2. Duas bombas, configuradas para que uma bomba funcione e a outra fique instalada como sobressalente.

Para encontrar a solução para o problema, a primeira coisa que peço é a curva do sistema. A curva muitas vezes não está disponível, então eu trabalho com o pessoal da fábrica para calcular e desenvolver a curva do sistema. Uma vez que sobrepomos a curva do sistema nas curvas da bomba, o problema e as possíveis soluções tornam-se prontamente aparentes.

Em muitos casos, o projetista pode ter projetado o sistema para que uma bomba faça todo o trabalho necessário (bomba de 100 por cento) com uma segunda bomba (também conhecida como reserva, sobressalente instalada, 100% sobressalente ou bomba de backup) pronta para operação para que a primeira bomba possa ser removida do serviço sem perturbar o processo de produção. As bombas e seus motores e controladores associados são projetados para um serviço 100%.

A intersecção da curva única da bomba e da curva do sistema deve estar perto do melhor ponto de eficiência (BEP) para a bomba. Nestes tipos de casos, o sistema de tubulação não foi projetado para ambas as bombas funcionarem ao mesmo tempo. O diâmetro do tubo é tipicamente muito pequeno para lidar eficientemente com as vazões mais altas e apresenta uma enorme perda de carga se ambas as bombas forem operadas. Outra maneira de pensar nessa situação é que a curva do sistema é íngreme — não plana — para a operação de duas bombas.

Se o sistema for projetado para ambas as bombas funcionarem ao mesmo tempo, então a curva do sistema será, por design, mais plana de uma maneira geral e apresentará menos perdas por atrito. Você também pode pensar nesse atrito indesejado como potência desperdiçada, o que se traduz em custos elétricos mais altos. 

Este artigo não foi feito para explicar em detalhes por que uma curva é íngreme e a outra é plana. O ponto importante a notar é que as curvas mais íngremes representam mais perda de atrito à medida que você tenta bombear mais fluxo através do tubo. Para este artigo, basta dizer que se o sistema for projetado para bombeamento paralelo, a curva do sistema tenderá a ser mais plana. 

Figura 1. Sistema típico projetado para duas bombas para operar em paralelo

(Gráficos cortesia do autor)

A Figura 1 retrata um sistema devidamente projetado para operações paralelas de bombas. Com uma bomba operando (Ponto de Interseção 1), a curva do sistema permanece relativamente plana, e o fluxo é X com carga correspondente Y.

Quando a segunda bomba é iniciada (Ponto de Intersecção 2), o atrito apresentado pelos fluxos mais altos produz uma curva de sistema ligeiramente mais íngreme. Embora o fluxo seja mais do que X, por favor note que ele não atingirá magnitude 2X.

A Figura 2 mostra que se uma das bombas é uma sobressalente instalada e ambas as bombas são operadas ao mesmo tempo, então o fluxo adicional é demais para o diâmetro do tubo, e o resultado é uma alta perda de atrito. 

Figura 2. Sistema não projetado para duas bombas para operar em paralelo. A segunda bomba é destinada apenas como um sobressalente.

Olhando para o Ponto de Operação 2, você pode ver que a partida da segunda bomba rendeu pouco fluxo adicional. Pode ser na faixa de fluxo X mais 10%, mas em muitos casos é ainda pior. É por isso que ligar a segunda bomba pode realmente matar ambas as bombas.

Nessas situações, sempre haverá uma bomba forte e uma bomba fraca. Mesmo que as bombas tenham sido projetadas e fabricadas para serem idênticas, há sempre alguma nuance em uma das bombas e no sistema que evitará que as bombas sejam idênticas.

A bomba mais forte tentará levar a carga completa (como apresentado pelo sistema). A bomba mais forte funcionará muito à direita em sua curva (uma condição chamada run out) e terá problemas com vibração e cavitação (carga de sucção positiva líquida [NPSH] e recirculação de incidência de ângulo de fluxo) que se manifestarão com rotores danificados, bem como rolamentos e selos mecânicos com curta duração. Ao mesmo tempo, a bomba fraca funcionará com baixo ou nenhum fluxo e terá problemas semelhantes porque operará no extremo esquerdo da curva. Não é incomum que a bomba mais forte desenvolva pressão suficiente para fechar a válvula de retenção na descarga da bomba mais fraca, forçando-a a operar em uma carga de desligamento (taxa de fluxo zero – shutt off).

A Figura 3 mostra o funcionamento da Bomba 1 (Ponto de Intersecção 1) e a subsequente operação em paralelo da Bomba 2. Um equívoco comum é pensar que se você iniciar a segunda bomba, a vazão dobrará para o Ponto de intercessão 2. Na realidade, o ponto de operação será no Ponto de Intersecção 3. Em um sistema de bomba centrífuga, a bomba sempre funcionará onde a curva do sistema mandar. 

Figura 3. Equívoco comum sobre bombas em paralelo: O usuário espera fluxo no Ponto 2 ao iniciar a segunda bomba, mas na verdade será o Ponto 3.

10 dicas para lembrar

1. Este artigo discute sobre duas bombas em paralelo, mas por favor note que você pode ter qualquer número de bombas operando em paralelo;

2. As bombas de um sistema que não foi projetado para operação em paralelo não devem ser operadas ao mesmo tempo, exceto por intervalos breves durante as operações de comutação. Fazer o contrário é provável que danifique prematuramente ambas as bombas;

3. Muitas vezes, um bom design do sistema é ter bombas em paralelo, pois elas podem fornecer flexibilidade para corresponder o fluxo à carga. Esta configuração também é mais confiável porque fornece proteção de espera para uma porcentagem relativamente alta da carga total no caso de perda de uma bomba;

4. Projetos de sistemas com bombas em paralelo promovem eficiência, pois podem lidar melhor com uma gama de vazões quando comparados com o uso de uma bomba grande;

5. Diferentes modelos de bomba podem operar juntos em paralelo, mas é importante que eles tenham uma carga de desligamento idêntica e velocidades específicas semelhantes;

6. Se o sistema for projetado para bombas paralelas, determine qual bomba é a mais forte, executando uma de cada vez e medindo a carga em vários fluxos. Como regra geral, inicie sempre a bomba mais fraca primeiro;

7. Você pode superar alguns dos desencontros nos projetos da bomba e do sistema usando drives de velocidade variáveis e monitorando cuidadosamente onde cada bomba está na curva, mudando de velocidade conforme necessário para manter a carga equilibrada;

8. Ao executar uma bomba para pequenas cargas e, em seguida, iniciar a segunda bomba para pegar cargas maiores, não deixe a primeira bomba correr para fora em sua curva muito longe antes que a segunda bomba seja iniciada. A primeira bomba pode estar cavitando por algum tempo antes que a segunda bomba pegue. Vejo isso acontecer muitas vezes em sistemas projetados para operar automaticamente. O designer muitas vezes ignora as margens de NPSH no lado direito da curva;

9. Se as bombas estão em paralelo ou são apenas duas bombas em um sistema de uma bomba, eu sempre recomendo instalar horímetros para acompanhar o tempo de funcionamento de cada uma. Testemunhei muitos erros resultantes de decisões baseadas na memória de alguém ou hábitos de registro. Medidores de hora são seguros e baratos. (Você sabe quando deve trocar o óleo da bomba?);

10. Em um sistema com bombas em paralelo, qualquer bomba iniciada primeiro deve ser capaz de cobrir toda a carga apresentada pela curva do sistema sem sobrecarregar o acionador ou correr para fora em sua própria curva.