Válvula de descarga de vapor (hojoben): função e diferenças

Você está revisando o P&ID ou a descrição de controle de um pacote de caldeira ou turbina a vapor de um fornecedor japonês, e uma válvula em uma derivação da linha de vapor principal está identificada como 放蒸弁 (hojoben). Na planta, os operadores percebem que ela abre toda vez que uma unidade de processo para, e alguém pergunta se ela é uma válvula de segurança, se pode ser fechada para economizar vapor ou se o ajuste dela pode simplesmente ser aumentado.

Resposta curta: a hojoben é uma válvula de descarga de vapor para a atmosfera. É uma válvula de controle que libera o vapor excedente para segurar a subida da pressão a montante, normalmente quando um grande consumidor de vapor para de repente. A caldeira não consegue parar de gerar vapor no instante em que o combustível é reduzido, e a válvula de descarga cobre essa defasagem, o que diminui a frequência com que as válvulas de segurança abrem nas oscilações normais de operação. Ela não substitui as válvulas de segurança, que continuam sendo a proteção final contra sobrepressão.

Este guia usa uma linha de vapor principal como exemplo. Ele explica como a válvula funciona, em que ela difere das válvulas de segurança, das válvulas redutoras de pressão e das válvulas de by-pass da turbina, quando ela abre e quanto custa descarregar vapor. No fim, há um checklist e uma lista de perguntas para enviar ao fornecedor japonês.

Sumário

1. O que é a hojoben (válvula de descarga de vapor)?
2. Válvula de descarga x válvula de segurança, redutora e de by-pass da turbina
3. Quando a válvula de descarga de vapor abre?
4. Exemplo de cálculo: quanto custa descarregar vapor?
5. Checklist: quando a válvula de descarga abre com frequência demais
6. Limites deste guia
7. Perguntas frequentes
8. Fontes

O que é a hojoben (válvula de descarga de vapor)?

A válvula de descarga de vapor fica em uma linha de descarga derivada da tubulação de vapor e muda a abertura conforme a pressão a montante. Em japonês, hojoben (放蒸弁) significa literalmente "válvula de liberação de vapor". Na literatura em inglês, a mesma função aparece como steam vent valve, steam dump valve ou, em usinas, sky vent valve. O nome nos desenhos depende do fornecedor; por isso, confirme a função pelo P&ID e pela descrição de controle, e não só pelo nome.

Essas válvulas aparecem em linhas de vapor principal que descarregam o excedente para a atmosfera e também em sistemas de vapor de processo de fábricas. Vapor principal é o vapor que a caldeira produz e envia à turbina ou a outros consumidores. Como a linha de descarga é uma derivação separada do coletor que alimenta os consumidores, o sistema tem para onde mandar vapor quando a demanda cai de repente.

Figura 1: coletor de vapor principal, linha de descarga e caminho do sinal de pressão

As linhas contínuas são vapor; as tracejadas são sinais de medição e controle. A válvula de descarga e a válvula de segurança ficam em derivações separadas.

Diagrama conceitual. A quantidade e a posição das válvulas de segurança, os pontos de descarga e os eventuais sinais de trip dependem do projeto da planta. PT = transmissor de pressão.

Como ela controla a pressão

Um transmissor de pressão mede a pressão a montante, e um controlador de pressão compara o valor com o ponto de ajuste (setpoint) para calcular a abertura necessária. Quando a pressão sobe, o controlador abre mais a válvula, mais vapor sai pela linha de descarga e a subida a montante desacelera.

Quando a demanda volta ou a geração da caldeira cai, o excedente diminui e a válvula volta a fechar. Ao contrário de uma válvula liga-desliga, a válvula de descarga normalmente modula: ela trabalha em aberturas intermediárias para ajustar a quantidade de vapor liberada.

Em uma válvula pneumática, o atuador recebe o sinal de controle e move a haste para mudar o caminho do fluxo. O posicionador mantém a posição real da haste alinhada com a abertura comandada, de modo que há uma pequena malha de posição dentro da malha maior de pressão.

Se a pressão não cai, comece olhando separadamente o comando e a posição real da válvula. Os dois casos pedem verificações diferentes: se o comando não aumenta, a investigação em geral volta para a medição e o controlador; se o comando aumenta e a válvula não se move, ela costuma ir para o atuador, o posicionador ou a própria válvula.

Ruído da descarga e o silenciador

Quando vapor de alta pressão é liberado para a atmosfera, ele se expande com violência no caminho estreito dentro da válvula e perto da saída, e esse escoamento é muito barulhento. Por isso, as linhas de descarga costumam ter um silenciador.

O silenciador reduz o ruído dividindo o vapor em muitos jatos pequenos e dando espaço para ele se expandir. Ele é selecionado para uma vazão e uma condição de entrada específicas; apenas acrescentar um tubo grande no fim da linha de descarga não cumpre a mesma função.

Figura 2: corte conceitual da sede da válvula de descarga e do silenciador

A folga na sede define a vazão; a parte perfurada do silenciador quebra o jato.

As setas laranja mostram o fluxo. O vapor passa pela abertura da sede, não escapa pela extremidade superior fechada do tubo perfurado e sai pelos furos laterais para a atmosfera. O corte mostra apenas a função; a forma real, o número de estágios e o uso de material absorvente variam conforme o modelo.

No dimensionamento, trate a válvula de descarga, a tubulação até o silenciador e o silenciador como um único sistema de descarga. Qualquer contrapressão na saída da válvula reduz a queda de pressão através dela; assim, a capacidade da válvula isolada não diz quanto o sistema consegue liberar.

O coeficiente de vazão da válvula (Cv) é o ponto de partida para verificar a vazão necessária. No caso do vapor, também são necessárias a pressão e a temperatura de entrada e a pressão de saída, porque o cálculo de capacidade deve tratar o vapor como fluido compressível.

O ponto de descarga traz vapor quente e ruído, e a tubulação ainda recebe uma força de reação do jato. Para posicionar a saída longe de passagens, suportar a tubulação e drenar os pontos baixos, siga os desenhos de projeto e o manual de instruções do fabricante.

Válvula de descarga x válvula de segurança, redutora e de by-pass da turbina

A função da válvula de descarga é absorver as oscilações de pressão durante a operação e manter o sistema de vapor estável. Ela libera o vapor excedente que o controle normal de combustão não consegue absorver com a rapidez necessária, o que reduz aberturas desnecessárias das válvulas de segurança.

A válvula de descarga controla a pressão; a válvula de segurança protege o equipamento contra sobrepressão. Ter uma válvula de descarga na linha não substitui a função de proteção exigida das válvulas de segurança.

A válvula de segurança é o dispositivo de proteção final: ela libera o fluido automaticamente quando a pressão atinge o valor ajustado. Nada feito por conveniência operacional deve impedi-la de abrir e, depois que ela abre, é preciso investigar a causa da subida de pressão e a condição da válvula. A válvula de descarga, ao contrário, depende de sensor, controlador e atuador trabalhando juntos, e uma falha em qualquer um deles afeta o comportamento dela.

Válvula	O que controla ou protege	Para onde vai o vapor
Válvula de descarga de vapor (hojoben)	Segura a pressão a montante liberando o vapor excedente durante a operação	Para a atmosfera, em geral por um silenciador
Válvula de segurança	Proteção final contra sobrepressão; abre automaticamente na pressão de ajuste	Para o ponto de descarga próprio dela
Válvula redutora de pressão	Controla a pressão a jusante enquanto fornece vapor aos consumidores	Para os consumidores de vapor
Válvula de by-pass da turbina	Abre um caminho que contorna a turbina	Para um condensador (quando o projeto prevê), e o vapor é recuperado como água

Coordenação dos ajustes entre a operação normal e a proteção contra sobrepressão

O princípio básico: a descarga começa acima da pressão normal de operação da caldeira e controla a pressão antes que ela chegue ao ajuste da válvula de segurança. A coordenação não é só colocar as pressões na ordem certa. A amplitude das oscilações normais e a velocidade de resposta de cada válvula também precisam ser compatíveis.

Figura 3: faixas de pressão e a função que cobre cada uma

Pressão mais alta no topo. Não é uma escala de ajustes ou margens reais.

Mais alta: pressão de ajuste da válvula de segurançaA região que exige proteção contra sobrepressão. Não desative uma válvula de segurança supondo que a válvula de descarga vai atuar.

Abaixo dela: faixa de controle da descargaO vapor excedente é liberado para frear a subida da pressão. A faixa de controle e a resposta da válvula precisam de margem.

Mais baixa: faixa normal de operação da caldeiraA taxa de queima acompanha a demanda de vapor. Como regra, as oscilações normais sozinhas não devem causar descarga.

A pressão de reassentamento da válvula de segurança também precisa ser considerada. Os ajustes reais são definidos pela legislação aplicável, pela pressão admissível do equipamento protegido e pelas especificações aprovadas de equipamentos e controle.

Se o ajuste da descarga fica muito perto da pressão normal de operação, a planta passa a jogar vapor fora em pequenas flutuações. Se fica muito perto do ajuste da válvula de segurança, a pressão pode chegar à faixa de atuação dela enquanto a válvula de descarga ainda está abrindo.

Uma válvula de segurança também não necessariamente reassenta na mesma pressão em que começou a abrir; essa diferença é chamada de blowdown. A orientação de seleção de válvulas de segurança da Spirax Sarco, por exemplo, recomenda ajustar a válvula de segurança acima da pressão normal de operação com folga suficiente para que ela reassente acima dessa pressão depois de descarregar.

Quando os operadores veem descargas frequentes, evite simplesmente aumentar o ajuste. Primeiro compare as flutuações normais de pressão, as mudanças na demanda de vapor, a leitura do transmissor e o movimento real da válvula, e só então escolha a correção que combina com a causa.

O que muda no Brasil: NR-13

No Brasil, caldeiras são regidas pela NR-13 (Caldeiras, Vasos de Pressão, Tubulações e Tanques Metálicos de Armazenamento). Entre os itens exigidos para a caldeira está a válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA (Pressão Máxima de Trabalho Admissível). Uma válvula de descarga de vapor não substitui esse item e não é justificativa para mexer no ajuste da válvula de segurança.

Alterações em ajustes, dispositivos de segurança e documentação da caldeira cabem ao profissional legalmente habilitado e ao responsável pelo estabelecimento, nos termos da norma. Ao receber um pacote japonês, peça ao fornecedor o código de projeto aplicado e confirme com o SESMT ou com a engenharia responsável como a válvula de descarga e as válvulas de segurança entram na documentação da caldeira. Não encontrei uma norma ABNT NBR que trate especificamente da válvula de descarga de vapor; por isso, não presuma equivalência de normas sem confirmar com o fornecedor.

Válvulas redutoras de pressão e válvulas de by-pass da turbina

A válvula redutora de pressão controla a pressão a jusante (secundária) enquanto entrega vapor aos consumidores. A válvula de descarga controla a pressão a montante (primária) eliminando o vapor excedente. As duas observam pressões diferentes e mandam o vapor para lugares diferentes.

A válvula de by-pass da turbina abre um caminho para o vapor contornar a turbina. Quando o by-pass vai para um condensador, o vapor é recuperado como água em vez de se perder para a atmosfera, e essa é a diferença principal em relação à linha de descarga. O condensador, porém, só aceita uma vazão, uma pressão e uma temperatura de vapor limitadas; por isso, a divisão de carga entre o by-pass e a válvula de descarga é definida no projeto do sistema inteiro, condensador incluído.

Quando a válvula de descarga de vapor abre?

Em uma linha de vapor principal, a descarga é necessária quando o consumo de vapor cai de repente abaixo da produção. Os casos típicos são uma queda de carga grande e súbita, o desarme (trip) da turbina e a operação abaixo da carga mínima estável da caldeira.

Quedas bruscas de carga

Quando o consumo de vapor cai, por exemplo no fim de uma etapa de aquecimento, o vapor que ia para os consumidores sobra na tubulação. O controle de combustão reduz a queima, mas, até a geração acompanhar, ainda há uma diferença, e a pressão sobe.

A válvula de descarga libera esse excedente e suaviza a subida. Entre as variações de carga, são principalmente as quedas bruscas de demanda que empurram a pressão para cima; um aumento brusco de demanda causa o problema oposto, falta de vapor e queda de pressão.

Ao analisar os registros de operação, não olhe só a pressão. Coloque a vazão de vapor e o comando da taxa de queima no mesmo eixo de tempo. Se a descarga coincide com o horário de troca de um processo, dá para rastrear como a parada dos consumidores e a resposta da caldeira interagem.

Ao verificar o sinal do transmissor de pressão, confirme também como o sinal de 4–20 mA corresponde à faixa de medição. Não confie apenas no número da tela de controle; verifique se a faixa de entrada coincide com a pressão real.

Desarme (trip) da turbina

O trip é uma parada de emergência que protege o equipamento quando algo dá errado. Quando as válvulas de admissão da turbina fecham rapidamente, um grande consumidor de vapor desaparece de uma vez, e a pressão do vapor principal tende a subir.

Mesmo quando a parada começa por algo como uma falha na rede elétrica, o que afeta diretamente a pressão é a interrupção do fluxo de vapor. Não deduza o comportamento da válvula de descarga só pelo sinal de trip do gerador; leia esse sinal junto com o movimento das válvulas da turbina.

Figura 4: diferença entre demanda e geração de vapor logo após o trip da turbina

As válvulas de admissão fecham no instante 0. Até a geração da caldeira acompanhar, o excedente precisa de um caminho de saída.

Esquema em que a demanda cai a zero quando as válvulas fecham. Além do instante 0, não há escala de tempo nem de vazão; a queda da geração de vapor, a vazão de descarga e o tempo de resposta da válvula não representam valores de uma planta real.

Algumas plantas não esperam a pressão subir. Elas também usam o sinal de trip para abrir a válvula antecipadamente. A velocidade de abertura necessária tem de ser obtida pela cadeia inteira, incluindo o atuador e o processamento de sinais, e não só pelo corpo da válvula.

Esses comandos costumam ser tratados no sistema digital de controle distribuído (SDCD, ou DCS) ou equivalente. O controle de pressão e o comando antecipado de emergência têm finalidades diferentes; por isso, a especificação de controle também deve dizer qual dos dois tem prioridade.

Na recuperação, não suponha que a válvula de descarga volte ao normal assim que o trip é rearmado. Siga as condições reais de religamento da planta, incluindo a relação delas com a rotação da turbina e o movimento das válvulas de admissão.

Demanda abaixo da carga mínima estável da caldeira

Toda caldeira tem uma carga mínima na qual consegue manter a queima estável, e esse limite depende do combustível e do método de queima. Se a demanda fica abaixo dele enquanto a caldeira continua em operação, não há consumo suficiente para absorver todo o vapor produzido.

Nessa situação, a planta pode precisar descarregar o excedente temporário para manter a pressão. Isso não é problema só de caldeiras a combustível sólido; também nas queimando óleo ou gás, verifique a carga mínima e a faixa de controle do modelo específico.

Se a baixa demanda dura muito, reduza a descarga revendo quantas caldeiras estão em operação e como a carga é dividida entre elas. Onde os picos e vales de demanda seguem um ciclo regular, um acumulador de vapor, que armazena o excesso de energia em água quente, é outra opção. Ele se aplica quando o tempo de carga, a faixa de pressão utilizável e a capacidade necessária são compatíveis.

Exemplo de cálculo: quanto custa descarregar vapor?

Suponha que a geração mínima estável de vapor de uma caldeira seja de 2,0 t/h e que a demanda tenha caído para 1,5 t/h. Sem armazenamento de calor, sem outro sistema para consumir vapor e com a pressão constante em regime permanente, a diferença de 0,5 t/h é excedente. Todos os valores deste exemplo são hipóteses para ilustração.

Se essa descarga continua por 10 minutos, cerca de 83,3 kg de vapor são perdidos. Como a vazão é por hora, converta a duração de minutos para horas antes de multiplicar.

Agora suponha uma entalpia específica de 2.800 kJ/kg para o vapor e de 400 kJ/kg para a água de reposição. Tomando como base o calor necessário para transformar a água de reposição de volta em vapor, o calor perdido é a diferença entre os dois valores multiplicada pela massa descarregada.

Figura 5: balanço de vapor para os 10 minutos supostos

A válvula de descarga mantém a pressão, mas o calor e a água do vapor descarregado nunca chegam aos consumidores.

Destino	Vazão	Massa em 10 min	Parcela do vapor fornecido
Fornecido pela caldeira	2,0 t/h	cerca de 333,3 kg	100%
Usado pelos consumidores	1,5 t/h	250 kg	75%
Descarregado para a atmosfera	0,5 t/h	cerca de 83,3 kg	25%

Com a diferença de entalpia de 2.400 kJ/kg do exemplo, o vapor descarregado carrega 200 MJ. As porcentagens não são a perda em custo de combustível nem uma perda de rendimento da caldeira.

Os 200 MJ em 10 minutos equivalem a jogar fora, em média, cerca de 333 kW de calor. Para converter isso em combustível, também são necessários o rendimento da caldeira e o poder calorífico do combustível.

Em um cálculo real, tire a entalpia específica da pressão e da temperatura do vapor. Este balanço mostra apenas a ordem de grandeza da perda; ele é um cálculo à parte da subida de pressão logo após um trip ou da capacidade de válvula necessária.

Checklist: quando a válvula de descarga abre com frequência demais

Antes de mudar qualquer coisa, sobreponha o horário de início e a duração de cada evento de descarga ao registro de operação do processo. Saber se a válvula está tratando mudanças curtas e bruscas ou ficando aberta durante todo o período de baixa demanda muda qual correção vem primeiro.

• Pressão do vapor principal, demanda de vapor e geração de vapor da caldeira ao longo do tempo
• Comando de abertura e posição real da válvula de descarga, e o horário de qualquer sinal de trip
• O horário em que a taxa de queima começa a cair e se a caldeira chega à carga mínima
• Sinais de vazamento depois que a válvula fecha e mudanças de ruído ou vibração
• Faixa do transmissor e escala do 4–20 mA em comparação com a pressão mostrada na tela

Não procure vazamentos aproximando-se de partes quentes nem mova à mão a haste de uma válvula em operação. Colete primeiro os dados dos instrumentos instalados e inspecione a própria válvula apenas segundo os procedimentos de parada e bloqueio da planta.

Perguntas para o fornecedor japonês

Se o pacote de caldeira ou turbina veio do Japão, estas perguntas ajudam a obter informações que normalmente estão espalhadas entre o P&ID, a descrição de controle e a folha de dados da válvula.

• Qual é a função da válvula identificada como 放蒸弁 (hojoben): só controle de pressão ou também abertura por sinal de trip?
• Qual é o ajuste de pressão e a faixa de controle dela, e como eles se coordenam com a pressão de ajuste e o blowdown da válvula de segurança?
• Quais sinais a abrem (pressão, trip da turbina, outros intertravamentos) e qual tem prioridade na lógica de controle?
• Qual é a posição de falha em caso de perda de ar ou de energia, incluindo os circuitos auxiliares?
• Que vazão de descarga, condições de entrada e contrapressão foram usadas para dimensionar a válvula, a tubulação de saída e o silenciador?
• Como a válvula de descarga e a válvula de by-pass da turbina dividem a carga, e quais são os limites do condensador?
• Que condições precisam ser atendidas para a válvula voltar ao controle normal depois que o trip é rearmado?
• Qual classe de vazamento pela sede está especificada e como o vazamento deve ser verificado?
• Qual código de projeto foi aplicado à caldeira e às válvulas de segurança, e que documentos o fornecedor entrega para apoiar a documentação exigida pela NR-13?

Limites deste guia

Este artigo explica a função em termos gerais. Nomes de válvulas, ajustes, intertravamentos e posições de falha variam conforme a planta, o fornecedor e o projeto; por isso, os desenhos, as especificações de controle e os manuais do seu equipamento prevalecem. Ajustes de válvulas de segurança e dispositivos de proteção devem seguir a legislação e as normas aplicáveis no local de instalação, e as decisões sobre eles cabem ao engenheiro responsável e ao proprietário do equipamento. Os números do exemplo de cálculo são apenas ilustrativos.

Perguntas frequentes

É anormal a válvula de descarga de vapor abrir?

Não, se ela abre como projetado, por exemplo em uma queda brusca de carga ou na partida e na parada. Se ela fica aberta por longos períodos em condições nas quais normalmente fica fechada, investigue a diferença entre a demanda e a geração de vapor e o estado do controle.

Uma válvula de descarga pode substituir a válvula de segurança?

Não. Instalar uma válvula de descarga não é motivo para omitir a proteção que a válvula de segurança oferece. Controle de pressão e proteção contra sobrepressão são funções separadas, e os dispositivos de proteção devem ser instalados conforme a legislação e as especificações aplicáveis ao equipamento, como a NR-13 no caso de caldeiras no Brasil.

A válvula de descarga de vapor sempre abre na falta de ar ou de energia?

Não necessariamente. A posição de falha é definida pelo projeto da planta, incluindo o atuador e os circuitos auxiliares. Não presuma que ela abre só pelo nome; confira a ação de falha na folha de dados da válvula com as condições de controle para perda de ar e de energia.

Se eu não vejo vapor branco na saída, a válvula não está vazando?

Não dá para concluir isso. Olhando só o ponto de descarga, você não consegue saber se a válvula está totalmente fechada. As verificações de vazamento usam vazão, temperatura e outros dados, além da indicação de posição, seguindo o método que a planta definiu.

Podemos parar a descarga para economizar energia?

Não. Bloquear uma descarga necessária para controlar a pressão durante a operação é perigoso. Para economizar energia, reduza o excedente na origem, ajustando a oferta à demanda ou armazenando calor, em vez de fechar o caminho de descarga.

Para entender o comportamento de uma válvula de descarga, olhe tanto quem produz vapor quanto quem o consome, e não apenas a válvula. Estimar as perdas a partir do tempo e da vazão de descarga também é um primeiro passo prático na gestão de energia da planta.

Fontes

• Aplicação da válvula de descarga, alta temperatura, vibração e vazamento pela sede: Emerson, "Sky Vent Control Valve Solutions"
• By-pass da turbina no trip: Emerson, "Sempell Model 115 Turbine Bypass Valve"
• Função das válvulas de segurança: Sankyo Seisakusho, informações técnicas sobre válvulas de segurança e de alívio (em japonês)
• Pressão de operação e margem de blowdown das válvulas de segurança: Spirax Sarco, "Safety Valve Selection" (apenas princípios gerais de ajuste; nenhum valor de normas estrangeiras é aplicado a instalações japonesas ou brasileiras)
• Princípio e construção do silenciador: Miura Environmental Science Laboratory, folheto de silenciadores (em japonês)
• Silenciadores para descarga de vapor à atmosfera: SK Tech, silenciadores de descarga atmosférica (em japonês)
• Flutuação da demanda de vapor e armazenamento de calor: Spirax Sarco, "Steam Accumulators"
• Válvula de segurança com pressão de abertura igual ou inferior à PMTA: texto da NR-13 (Ministério do Trabalho e Emprego), em versões publicadas, por exemplo NR-13 no Guia Trabalhista. Confira sempre a redação vigente no site oficial do Ministério.