Modelagem matemática do transporte de óleo mineral isolante na zona não saturada: estudo de caso em subestações de energia elétrica

Abstract

Acidentes ou falhas em equipamentos elétricos em subestações de ener-gia podem resultar em vazamentos de óleo mineral isolante (OMI), ocasionando contaminação do solo e da água subterrânea. A modelagem matemática, entre outras funções, é uma importante ferramenta para a previsão dos impactos destes vazamentos e para a determinação do tem-po de resposta das ações emergenciais. Um dos softwares mais utiliza-dos na simulação de fluidos apolares, imiscíveis em água (petróleo e derivados) é o Hydrocarbon Spill Screening Model (HSSM), distribuído pela U.S. EPA. Esse e outros softwares, baseados nas formulações ma-temáticas de Green-Ampt e de Nutting, consideram que a mobilidade dos fluidos líquidos é função da densidade, viscosidade e da permeabili-dade intrínseca dos meios porosos. Contudo, trabalhos empíricos apre-sentados na literatura demonstram que, no caso da infiltração de diesel e gasolina em colunas preenchidas com argila expansiva, a constante di-elétrica dos fluidos apolares pode influenciar o transporte na zona não saturada, incrementando a condutividade hidráulica em até três ordens de grandeza. Desta forma, os softwares disponíveis no mercado não quantificam adequadamente a condutividade hidráulica de OMI na pre-sença de argilominerais expansivos. O objetivo desse estudo contemplou o desenvolvimento de um novo algoritmo para determinação da condu-tividade hidráulica do OMI na zona não saturada de solos argilosos expansivos, considerando a influência da constante dielétrica do fluido. Como estudo de caso, foram realizadas simulações matemáticas em dezessete subestações de energia elétrica empregando o software HSSM e o novo algoritmo. Os resultados demonstraram que a condutividade hidráulica ao OMI, simulada com o novo algoritmo, foi até 1.000 vezes superior aos resultados obtidos com o software HSSM, corroborando com os resultados experimentais da literatura. A discrepância entre as condutividades hidráulicas ao OMI possui implicações práticas na ela-boração de planos de ações emergenciais, visto que as baixas condutivi-dades hidráulicas ao óleo, implicam na redução do fluxo do fluido na zona não saturada, e consequentemente, acabam por subestimar a taxa de infiltração.

Abstract : Accidents or failures in electrical equipment in energy substations canresult in leakage of insulating mineral oil (OMI), causing contaminationof soil and groundwater. Mathematical modeling, among other functions,is an important tool to predict the impacts of these leaks and todetermine the response time of emergency actions. One of the mostwidely used software for the simulation of water-immiscible apolarfluids (petroleum, and derivatives) is the Hydrocarbon Spill ScreeningModel (HSSM), distributed by U.S. EPA. This and other software,based on the ma- tematic formulations of Green-Ampt and Nutting,consider that the mobility of liquid fluids is a function of the density,viscosity and intrinsic permeability of porous media. However, impersonalstudies presented in the literature show that, in the case of infiltrationof diesel and gasoline in columns filled with expansive clay, the dielectricconstant of the apolar fluids can influence transport in the unsaturatedzone, increasing the hydraulic conductivity up to three ordersof magnitude. Therefore, the software available on the market does notadequately quantify the hydraulic conductivity of OMI in the presenceof expansive clay minerals. The objective of this study was the developmentof a new algorithm for determination of the hydraulic conductivityof the OMI in the unsaturated zone of expansive clayey soils,considering the influence of the dielectric constant of the fluid. As acase study, mathematical simulations were performed at seventeen electricpower substations using the HSSM software and the new algorithm.The results showed that the hydraulic conductivity to the OMI, simulatedwith the new algorithm, was up to 1,000 times higher than the resultsobtained with the HSSM software, corroborating with the experimentalresults of the literature. The discrepancy between the hydraulic conductivitiesof the OMI has practical implications in the development ofemergency action plans, since the low hydraulic conductivities to the oilimply in the reduction of the fluid flow in the unsaturated zone and,consequently, they end up underestimating the infiltration rate.