Flow Meters
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER INGENIERA DE GAS
FLOW METERS AND CUSTODY TRANSFER
JAIME ENRIQUE LPEZ TOLEDO2093256JOHN JAIRO MAESTRE URIBE
2093261LUIS CARLOS VESGA LEN2093258
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA DE
PETRLEOSII SEMESTRE ACADMICO 2013BUCARAMANGAFLOW METERS AND CUSTODY
TRANSFER
JAIME ENRIQUE LPEZ TOLEDO2093256JOHN JAIRO MAESTRE URIBE
2093261LUIS CARLOS VESGA LEN2093258
GRUPO: H2
DOCENTE:
M.Sc. NICOLS SANTOS SANTOS
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA DE
PETRLEOSII SEMESTRE ACADMICO 2013
BUCARAMANGA
TABLA DE CONTENIDO
1.INTRODUCCIN42.TERMINOLOGA53.ESTNDARES PARA MEDICIN EN LA
INDUSTRIA83.1. AMERICAN GAS ASSOCIATION83.2. AMERICAN PETROLEUM
INSTITUTE83.3. ISO83.4. REGULACIONES LOCALES84.TIPOS Y SELECCIN DE
MEDIDORES94.1. TIPOS94.2. SELECCIN DE MEDIDORES95.MEDIDORES DE GAS
NATURAL115.1. MEDIDOR TIPO TURBINA (AGA Reporte N 7)115.1.1.
PRINCIPIO DE OPERACIN115.1.2. MECANISMOS DE MEDICIN125.1.3.
INSTALACIN DE LA TURBINA135.1.4. CONDICIONES
OPERACIONALES145.1.4.1. TEMPERARURA DEL GAS155.1.4.2. CALIDAD DEL
GAS155.1.5. CONSIDERACIONES DE DISEO155.1.6. CALIBRACIN165.1.7.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS165.1.8. CLCULOS VOLUMTRICOS165.2. MEDIDOR DE
GAS ULTRASONICO185.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO195.2.2. MEDICIN
DEL CAUDAL195.2.2.1. TIEMPO DE TRANSITO:205.2.3. MEDIDOR ULTRASNICO
TIPO DOPPLER.205.2.4. LIMITACIONES OPERACIONALES:215.2.5.
REQUISITOS GENERALES DE DESEMPEO215.2.6. CALIBRACIN215.2.7.
MANTENIMIENTO Y VERIFICACIN225.2.8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
MEDIDOR225.3. MEDIDOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO235.3.1. PRINCIPIO
DE MEDICIN235.3.2. DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES235.3.3. TIPOS DE
MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO235.3.4. MEDIDOR DE DISCO
OSCILANTE245.3.5. MEDIDOR DE PISTN OSCILANTE245.3.6. MEDIDOR
ROTATIVO255.3.7. MEDIDOR DE DIAFRAGMA265.3.8.
FUNCIONAMIENTO265.3.9. LIMITACIONES
OPERACIONALES266.BIBLIOGRAFA27
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Medidor tipo turbina.11Figura 2. Medidor tipo
turbina.12Figura 3. Configuracin de un medidor tipo turbina13Figura
4. Medidor ultrasnico.17Figura 5. Esquema representativo medidor
ultrasnico.19Figura 6. Configuracin interna del medidor
ultrasnico.20Figura 7. Medidor de disco oscilante24Figura 8.
Principio medidor tipo pistn24Figura 9. Medidor rotativo.25Figura
10. Medidor de diafragma26
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Captulo 14 Manual API8Tabla 2. Parmetros de seleccin
para diferentes medidores10
1. INTRODUCCIN
El flujo de fluidos es un fenmeno que se presenta tanto en la
produccin, como en el transporte y la distribucin del gas y su
correcta medicin es muy importante para la economa de las empresas.
Existen muchos mtodos confiables y precisos para medir flujo.
Algunos son aplicables solamente a lquidos, otros solamente a gases
y vapores; y otros a ambos. El fluido puede ser limpio o sucio seco
o hmedo, erosivo o corrosivo. Las condiciones de procesos tales
como presin, temperatura, viscosidad y densidad pueden variar.
Todos estos factores afectan la medicin y deben ser tomados en
cuenta al momento de seleccionar los medidores de flujo. Es
necesario por lo tanto, conocer el principio de operacin y
caractersticas de fundamentos de los diferentes medidores de flujo
disponibles. Sin tal conocimiento, es difcil seleccionar el medidor
ms apropiado para una determinada aplicacin.
Las ganancias, en la industria de gas, dependen fuertemente del
precio y los volmenes transferidos. Para una correcta determinacin
de los volmenes es necesario contar con sistemas de medicin que
brinden una mayor confiabilidad y exactitud. Ninguna medicin ser
confiable si el elemento que determina el valor de la variable a
medir no lo es. A razn de esto, surge la necesidad de utilizar un
sistema de medicin como el de transferencia de custodia. La
transferencia de custodia ocurre cuando el producto es entregado a
un tercero para su manejo y custodia, mantenindose la propiedad del
producto.
La custodia del producto pasa del productor al transportador,
luego al distribuidor y por ltimo al usuario final. Como mnimo,
existe una medicin fiscal por da entre cada uno de estos actores.
Por este motivo, se deben utilizar mtodos y normas para garantizar
la trazabilidad de los patrones de medicin internacionales.
Existen dos organizaciones que generan documentos de aplicacin
para llevar a cabo, en forma adecuada, estos sistemas de medicin.
Estos documentos proveen una gua y no fuerzan al usuario a utilizar
un medidor en particular.Las tecnologas de medicin que se utilizan
deben estar acorde con las caractersticas del proceso y deben
permitir los niveles de incertidumbre adecuados para la medicin
fiscal.
Un sistema de medicin fiscal deber contar por lo menos con los
siguientes elementos:
1. Un elemento primario2. Una parte instrumental (transmisores,
como por ejemplo multivariables, enderezadores de flujo, etc.)3. Un
sistema de clculo de volmenes netos confiable y con facilidades de
generar informes que puedan ser auditables por un ente
regulador.
2. TERMINOLOGA
Transferencia de Custodia: Es la transferencia de propiedad de
un producto basado en una medicin.
Rango: Conjunto de valores de la variable medida comprendidos
dentro de los lmites superior e inferior (valores mximo y mnimo) de
la capacidad medida o transmisin de un instrumento. Se expresa
indicando los 2 valores extremos.
Alcance: Es la diferencia aritmtica entre valores superior e
inferior de medida del instrumento.
Rangeabilidad: Es el cociente entre el valor mximo entre el
valor mnimo de un instrumento. Sirve para determinar si el
instrumento va a poder ser usado para amplias variaciones de la
variable medida.
Error: El error se define como la diferencia entre el valor
indicado y el verdadero, el cual est dado por un elemento o
patrn.
Repetibilidad: Especifica la habilidad del instrumento para
entregar la misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor
de la variable medida.
Exactitud: Es capacidad de un instrumento de acercarse al valor
de la magnitud real.
Precisin: Se refiere a la dispersin del conjunto de valores
obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es
la dispersin mayor la precisin.
Sensibilidad: Es el menor cambio en la variable medida para el
cual el instrumento comienza a responder. Mientras menor sea la
variacin, el instrumento es ms sensible.
Resolucin: Es el cambio ms pequeo de la variable que pueda
detectarse en una medicin, es decir el valor mnimo que el
instrumento puede discriminar entre valores equivalentes de una
cantidad. Incertidumbre: La incertidumbre de medida es una
estimacin del posible error en una medida. Asimismo, representa la
probabilidad de que el valor verdadero est dentro de un rango de
valores indicado.
Calibracin: Es el procedimiento de comparacin entre lo que
indica un instrumento y lo que "debiera indicar" de acuerdo a un
patrn de referencia con valor conocido.
Trazabilidad: Es la propiedad del resultado de una medicin o el
valor de un patrn que puede ser relacionado con los patrones de
referencia, usualmente nacionales o internacionales, a travs de una
cadena contina de comparaciones teniendo establecidas las
incertidumbres.
Meter-Factor: Factor de medicin, nmero por el cual se multiplica
el resultado de una medicin para compensar un error sistemtico. Es
un valor adimensional que se determina para cada caudal al cual se
calibra el medidor. El meter factor se determina dividiendo el
valor de referencia entre el valor indicado.
3. ESTNDARES PARA MEDICIN EN LA INDUSTRIA
Los principales estndares de la Industria del gas son:
3.1. AMERICAN GAS ASSOCIATION
AGA 3 - Placas Orificio AGA 5 - Clculos Energticos AGA 7 -
Turbina Axial AGA 8 - Clculos de Supercompresibilidad AGA 9 -
Ultrasnicos AGA 10 - VOS (Calculada vs Medida) AGA 11 - Medidores
Coriolis
3.2. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE
API 14: Natural Gas Fluid Measurement
Tabla 1. Captulo 14 Manual API
Fuente: GPSA Ed 13.
3.3. ISO
ISO 5167 - Placa Orificio
3.4. REGULACIONES LOCALES
4. TIPOS Y SELECCIN DE MEDIDORES
4.1. TIPOSDifferential PressurePositive DisplacementVariable
areaTurbineVortexUltrasonicElectromagneticOpen Channel
De acuerdo al tipo de medicin se clasifican:
Los medidores que dispone el mercado para servicio de
transferencia de custodia y que poseen normativa internacional son
los siguientes:
Medidor tipo diferencial: Platina de orificio concntrico.
Medidor tipo lineal: Turbina Medidor tipo lineal: Ultrasnico
Medidor tipo volumtrico: Diafragma Desplazamiento Positivo Medidor
tipo volumtrico: Rotatorio Desplazamiento Positivo Medidor msico:
Coriolis
4.2. SELECCIN DE MEDIDORES
Las caractersticas a ser evaluadas cuando se disponen de varias
alternativas tcnicas de sistemas de medicin de gas natural de
transferencia de custodia son: exactitud, costos comparativos,
repetibilidad, costos de mantenimiento, existencia de partes
mviles, vida de servicio, rango de operacin (rangeability),
conveniencia a un tipo de fluido determinado, disponibilidad a los
rangos de presin y temperatura, facilidad de instalacin, potencia
requerida y mtodos de calibracin requeridos. Ningn medidor cumplir
todas las caractersticas por lo que se necesita establecer una
metodologa que facilite la mejor seleccin, y para ello se debe
asignar a cada caracterstica una calificacin que determine su
importancia en el proceso de medicin y listar los diferentes
medidores disponibles en el mercado.La seleccin de un medidor de
flujo para una aplicacin dada depende de la importancia asociada
con el problema de medicin. Las condiciones bsicas a analizar en el
momento de entrar a seleccionar un medidor de gas natural de
transferencia de custodia son:
Calidad del gas natural a medir. Determinar las condiciones
operacionales: presin y temperatura, rango de flujo. Facilidades
locativas para su instalacin: rea disponible, equipos de proceso
cercanos, radiaciones calricas, seguridad, etc. Condiciones de
desempeo requeridas por contrato, por mnima incertidumbre, por
conveniencia tcnica. Consideraciones econmicas: precio del equipo,
costo de mantenimiento, costo de instalacin, vida til.
Tabla 2. Parmetros de seleccin para diferentes medidores
Differential PressureUltrasonicCoriolisDiaphragmTurbine
Measured VariableCaudalVolume and Sonic SpeedDensity, T and
CaudalVolumeflow velocity
AdvantageCostNo pressure drops and works with Saturated
gasPrecision, several readings at a pointThey are not affected by
and gasGood accuracy and operating range
Temp F-328 a18320 a 176-58 a 392-20 a 140-40 a176
Pressure Max (Psi)6300160580035ANSI 150
Flow(m3/h)-108000220034000
Diameter1"-157"2"-8"1/24" a 16"0,5" a 2"2"-8"
Fuente: Presentaciones Ingeniera de gas 2013.
En particular para la medicin de grandes caudales, la tendencia
en la actualidad es la utilizacin de Medidores del Tipo Ultrasnico
de multi-haz.
Si el objetivo es realizar la medicin de caudal msico, se
recomienda la utilizacin de medidores del Tipo Coriolis ya que no
depende de la presin y temperatura.
5. MEDIDORES DE GAS NATURAL
5.1. MEDIDOR TIPO TURBINA (AGA Reporte N 7)
Se destacan por su exactitud y repetibilidad. Por estas dos
cualidades son usadas como patrones para la calibracin de otros
medidores de gas. Son usados ampliamente en la medicin de gas desde
hace varias dcadas.
De acuerdo con los registros histricos, se considera que fue
Reinhard Woltman - un ingeniero alemn que investig las prdidas de
energa en flujos de canal abierto - el inventor del medidor tipo
turbina (1790). No obstante, su primera aplicacin fue para medir
agua.
El Reporte AGA 7 - 2006 establece las especificaciones y
requerimientos de instalacin para la medicin de gas natural usando
medidores tipo turbina.
5.1.1. PRINCIPIO DE OPERACIN
El gas que entra al medidor aumenta su velocidad al pasar a
travs del espacio anular formado por el cono de nariz y la pared
interior del cuerpo del medidor. El movimiento del gas sobre las
aspas del rotor, ubicadas angularmente, imparte una fuerza al
rotor, ocasionando que ste gire. La velocidad rotacional ideal es
directamente proporcional a la rata de flujo. La velocidad
rotacional real es funcin del tamao y forma del pasaje anular y del
diseo del rotor. Adems, depende de la carga a la cual se somete el
rotor, debido a la friccin mecnica interna, el arrastre de fluido y
la densidad del gas. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de
arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio
de rea que se produce entre el rotor y el cono posterior, ejerce
una fuerza igual y opuesta. De esta forma, el rotor est
equilibrado.
Figura 1. Medidor tipo turbina.
Fuente: Manual de medicin de hidrocarburos y biocombustibles.
Captulo 14. Medicin de gas natural. ECOPETROL S.A.
El volumen de gas se determina contando las revoluciones del
rotor. La turbina debe operar con perfil de velocidad uniforme para
lo cual se debe acondicionar el sistema para eliminar remolinos y
pulsaciones por presencia de filtros, codos, vlvulas y otros
accesorios.
Matemticamente la expresin del caudal de una turbina se puede
expresar:
Donde Q es el caudal,F es la frecuencia de giros de los alabes,K
es el coeficiente de la turbina (por ejemplo barriles por cada
pulso).
La velocidad de giro de los labes es una funcin del tamao y
forma del pasaje donde circula el fluido y de la forma del rotor.
Tambin depende de la carga que es impuesta debido a la friccin
mecnica interna, friccin del fluido, carga externa y la densidad
del gas.
El medidor de turbina consta de tres elementos bsicos tal como
se muestra en la figura.
El cuerpo El mecanismo de medicin El instrumento de lectura o
salida
Figura 2. Medidor tipo turbina.
Fuente: Manual de medicin de hidrocarburos y biocombustibles.
Captulo 14. Medicin de gas natural. ECOPETROL S.A.
5.1.2. MECANISMOS DE MEDICIN
Consta del rotor, ejes del rotor, cojinetes y estructura de
soporte necesaria. Existen dos configuraciones del mecanismo de
medicin que se distinguen por la manera en que ellas se instalan en
el cuerpo del medidor. Ellas son:
De acceso superior o lateral. El mecanismo de medicin es
removible como una unidad, a travs de una brida lateral o superior,
sin alterar las conexiones finales.
De acceso final. El mecanismo de medicin es removible, tambin
como una unidad o piezas separadas, a travs de los extremos finales
de la conexin.
El mecanismo de medicin debe estar identificado con el nmero de
serie y la direccin de flujo si el mdulo montado es reversible.
5.1.3. INSTALACIN DE LA TURBINA
El medidor de turbina es un equipo medidor de velocidad. La
configuracin de tubera inmediatamente aguas arriba del medidor debe
ser de tal manera que el perfil de flujo que entre al medidor tenga
una distribucin uniforme, sin chorros ni remolinos. Puesto que la
construccin del medidor de turbina se disea para dirigir el flujo
por el pasaje anular aguas arriba del rotor, este medidor tiende a
promediar el perfil de velocidad de la mayora de condiciones de
flujo normales, minimizando as la influencia de distorsiones de
flujo menores sobre el funcionamiento del medidor.
Las perturbaciones de flujo afectan el desempeo del medidor y
existen criterios de prueba para determinar los efectos de tales
perturbaciones.
Efecto remolino. Si el fluido a la entrada del medidor posee un
efecto remolino significante, la velocidad del rotor de la turbina
es afectado. Ello depende del sentido de afectacin del remolino (a
favor o en contra de la velocidad de rotacin del rotor). La forma
de eliminar el efecto remolino es modificando la instalacin de la
turbina (cumplir distancias mnimas aguas arriba y aguas abajo del
medidor).
Efecto perfil de velocidad. El medidor de turbina de gas est
diseado y calibrado bajo condiciones uniformes de perfil de
velocidad a la entrada del medidor. En el caso de presentarse
desviacin significante del perfil de velocidad la medicin del
volumen de gas es afectada. Para una rata de flujo promedio un
perfil no uniforme de velocidad ocasiona una mayor velocidad del
rotor lo cual se traduce en un mayor registro de volumen medido.
Para disminuir la inexactitud en la medicin por no uniformidad del
perfil de velocidad se recomienda una instalacin apropiada para el
medidor (cumplir distancias mnimas aguas arriba y aguas abajo del
medidor).
Las perturbaciones de flujo anteriormente descritas son debidas,
a reguladores de presin, accesorios de tubera, filtros, etc.
En la instalacin del medidor de turbina se recomiendan los
enderezadores de flujo. A pesar de su ubicacin en la tubera, ellos
no eliminan el efecto de los remolinos fuertes. Los enderezadores
de flujo localizados en la tubera aguas arriba del medidor eliminan
condiciones de flujo de remolino menores.
La instalacin recomendada requiere una longitud de tubera recta
de 10 dimetros nominales, aguas arriba, con la salida de los
enderezadores de flujo localizada a cinco dimetros nominales de la
entrada al medidor, como se observa en la figura aguas abajo del
medidor se recomienda una longitud de cinco dimetros nominales.
Tanto la tubera de entrada como la de salida deben tener el mismo
dimetro nominal del medidor.Figura 3. Configuracin de un medidor
tipo turbina
Fuente: Reporte N 7 AGA
Los siguientes requisitos adicionales deben tenerse en cuenta en
la instalacin del medidor tipo turbina:
El medidor y la tubera deben instalarse en una forma tal que se
reduzca la tensin que pueda ser ocasionada por la velocidad del
fluido, cambios trmicos en el material de la tubera, etc.
Debe haber una alineacin concntrica entre las bridas de la
tubera y las del medidor, tanto en la entrada como en la salida.
Esta alineacin concntrica eliminar cualquier efecto sobre la
exactitud del medidor.
No se debe permitir la entrada en la tubera de los empaques que
sirven para sellar las bridas del medidor.
El interior del tubo debe ser de rugosidad comercial y el
dimetro interno de la brida debe ser igual al de la tubera.
Las instalaciones donde se puede encontrar lquido deben disearse
para prevenir la acumulacin de ellos en el medidor.
No se deben realizar soldaduras en los puntos cercanos al
medidor, con el fin de evitar distorsin de flujo.
Los medidores de turbina no deben ser usados donde exista
fluctuacin en el flujo, interrupciones frecuentes o pulsaciones de
presin.
5.1.4. CONDICIONES OPERACIONALES
FactorMnimoMximo
Gravedad especifica del gas0,5540,87
Temperatura (F)- 450750
Presin (Psig)---2500
Dimetro tubera (in)1/412
Caudal (MMSCF)0,243,36
5.1.4.1. TEMPERARURA DEL GAS
Es importante que la temperatura del gas permanezca por encima
del punto de roco de hidrocarburos del gas, para evitar posibles
daos al medidor y errores de medicin.
Cuando la densidad se incrementa:
La rangeabilidad se incrementa. La prdida de presin se
incrementa.
5.1.4.2. CALIDAD DEL GAS
El medidor funcionar correctamente en cualquiera de los "lmites
normales" en AGA No. 8, esto incluye densidades relativas de gas
entre 0,554 (metano puro) y 0.87. Se deber examinar las condiciones
de medicin y consultar con el fabricante, para identificar
materiales apropiados.
5.1.5. CONSIDERACIONES DE DISEO
Las consideraciones de diseo que se aportan en este trabajo se
basaron en el reporte AGA N 7 del ao (ltima revisin de 2006),
teniendo en cuenta que esta aplica a medidores tipo turbina de
flujo axial, usadas para medir gas natural, con dimetros de 2. o
mayores, en las cuales el flujo de gas pasa completamente a travs
del rotor. El reporte no especifica las caractersticas de los
dispositivos electrnicos de salida de pulsos asociados a las
turbinas, a pesar de que el reporte los menciona. Tampoco
especifica las caractersticas de los dispositivos de salida mecnica
o electrnica que convierten las salidas del medidor de condiciones
de flujo a condiciones base.
El fabricante deber especificar los lmites de caudal para Qmin,
Qt y Qmax.
El desempeo del medidor a presin atmosfrica deber estar dentro
de las siguientes tolerancias:
Repetibilidad: 0,2% de Qmin a Qmax.
Mximo error pico a pico: 1,0% por encima de Qt
Mximo error: 1,0% de Qt a Qmax y 1,5% de Qmin a Qt
Caudal de transicin: Qt no mayor a 0,2 Qmax
5.1.6. CALIBRACIN
La mayora de los medidores de turbina realizan la calibracin
usando aire a presiones por debajo de 100 psi-g. Test de campo
pueden tambin ser hechos a presiones altas usando nozzles snicos o
medidores calibrados.
Los fabricantes predicen una precisin de 1 % sobre el rango
especificado para cualquier densidad de operacin. Se puede obtener
una precisin del 0.25% sobre un rango especificado si son
calibrados individualmente mediante un standard aceptable a la
densidad de operacin. Por lo tanto, la mxima precisin del medidor
de turbina se obtendr cuando cada medidor sea calibrado bajo
condiciones de densidad muy aproximadas al valor de densidad actual
de operacin.
5.1.7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
5.1.8. CLCULOS VOLUMTRICOS
El medidor de turbina es un equipo que mide la velocidad. Es
decir, dependiendo de la rata de flujo del gas, el rotor del
medidor se mueve a una velocidad proporcional a la velocidad de
flujo. Las revoluciones del rotor se cuentan mecnica o
electrnicamente y se convierten a un registro volumtrico
continuamente totalizado. Puesto que el volumen registrado est en
las condiciones de presin y temperatura de flujo (volumen real),
debe corregirse a las condiciones base para propsitos de venta.
Caudal (tasa de flujo) a condiciones de flujo.
La tasa de flujo (tasa volumtrica) a las condiciones de flujo se
determina por:
Where:Qf = Flow rate at flowing conditionsVf = Volume timed at
flowing conditionst = time
Tasa de flujo a condiciones base:
Factor de presin, FpmWhere: Pf = pf + paPf = Absolute pressure
of the process, in psiapf = Static gauge pressure, in psigPa =
Atmospheric pressure, in psiaPb = Base pressure (14,65 psia)
Factor de temperatura, FtmWhere: Tb = Base temperature ( 519,67
R)Tf = Flowing temperature, in R
Relacin de compresibilidad, SWhere: Zb = Compressibility at base
conditionsZf = Compressibility at flowing conditions
En resumen,
5.2. MEDIDOR DE GAS ULTRASONICO
Figura 4. Medidor ultrasnico.
Fuente:
http://www.flowcontrolnetwork.com/articles/91678-turnkey-natural-gas-measurement
Las ondas ultrasnicas pueden atravesar sin dificultad las
paredes metlicas de los tubos y recipientes. Esto quiere decir que
el sistema de medicin entero puede montarse por ejemplo en el
exterior de un fluido, es decir, es no invasor. Esto es muy
importante con fluidos hostiles, o sea, aquellos con propiedades
corrosivas, radioactivas, explosivas o inflamables. Tampoco existe
la posibilidad de que ocurra obstruccin con fluidos sucios o pastas
aguadas.
El trmino ultrasonido hace referencia a las ondas sonoras con
frecuencias ms altas que las del alcance del odo humano, es decir,
frecuencias superiores a los 18 Khz, aproximadamente. Las ondas
ultrasnicas obedecen las mismas leyes bsicas del movimiento
ondulatorio de las ondas sonoras de frecuencias ms bajas, sin
embargo, tienen las siguientes ventajas:
Las ondas de frecuencias ms altas tienen longitudes de onda ms
cortas, lo cual significa que la difraccin o reflexin en torno a un
obstculo de dimensiones determinadas se reduce en forma
correspondiente. Por lo tanto es ms fcil dirigir y enfocar un haz
de ultrasonido.
Las ondas ultrasnicas pueden atravesar sin dificultad las
paredes metlicas de tubos y recipientes. Esto quiere decir que el
sistema de medicin entero puede montarse externamente al fluido, es
decir, es no invasor. Esto es muy importante con fluidos
corrosivos, radioactivos, explosivos o inflamables.
No existe la posibilidad de que ocurra obstruccin de los
sensores con fluidos sucios como en el caso de medidores
ultrasnicos tipo grapa externa (Clamp-On).
5.2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Emplea el desplazamiento de frecuencia de una seal ultrasnica
cuando se refleja por las partculas o a partir de la diferencia del
tiempo de transito de las ondas ultrasnicas. Se realiza teniendo en
cuenta la diferencia del tiempo de transito que se obtiene cuando
las ondas van en contracorriente y en corriente al flujo del fluido
de inters en la tubera.
Es decir cuando no hay flujo esta diferencia es cero; cuando el
fluido tienen algn movimiento la velocidad de las ondas ultrasnicas
aguas abajo es considerablemente mayor a la velocidad de estas
aguas arriba. Si esta diferencia de tiempos de transito se tienen
en cuanta se logra obtener una relacin directa con la velocidad del
fluido dentro de la tubera, ahora bien, si es conocido el dimetro
de la tubera por el cual est fluyendo podremos calcular el caudal
del mismo.
Figura 5. Esquema representativo medidor ultrasnico.
Fuente: www. engineeringToolBox.com
5.2.2. MEDICIN DEL CAUDAL
Los medidores de flujo tipo ultrasnico utilizan ondas de sonido
para determinar el flujo de fluido. Un transductor piezoelctrico
genera pulsos de ondas, las cuales viajan a la velocidad del
sonido, a travs del fluido en movimiento, proporcionando una
indicacin de la velocidad del fluido. Este principio de utiliza en
dos mtodos diferentes; existiendo dos tipos de medidores de flujo
de tipo ultrasnico, estos son:
Tiempo de trnsito Doppler5.2.2.1. TIEMPO DE TRANSITO:
Este tipo de medidor ultrasnico utiliza el mtodo de medicin del
tiempo de viaje de la onda de sonido. El medidor opera de la
siguiente manera: se coloca dos transductores en posicin opuesta,
de modo que las ondas de sonido que viajan entre ellos forman un
ngulo de 45 grados con la direccin de flujo de la tubera. La
velocidad del sonido desde el transductor colocado aguas arriba (1)
hasta el transductor aguas abajo (2) representa la velocidad
inherente del sonido en el fluido, ms una contribucin debido a la
velocidad del fluido. De manera similar, la velocidad medida en la
direccin opuesta 2 a 1 representa la velocidad inherente del sonido
en el fluido, menos la contribucin debido a la velocidad del
fluido. La diferencia entre esos dos valores se determina
electrnicamente y representa la velocidad del fluido, la cual es
directamente proporcional al flujo del mismo fluido. Figura 6.
Configuracin interna del medidor ultrasnico.
Fuente: http://www.bkinstruments.com
Velocidad de flujo:
Caudal sin corregir:
Caudal corregido por presin y temperatura:
Qb = Qf (Pf / Pb) (Tb / Tf) (Zb / Zf)
Volumen acumulado en el tiempo:Vb =
Estos clculos generalmente son realizados por computadoras que
realizan iteraciones de manera rpida con el fin de ajustarse al rea
transversal en la cual fluye el fluido.
5.2.3. MEDIDOR ULTRASNICO TIPO DOPPLER.
Este tipo de medidor tambin utiliza dos transductores. En este
caso estn montados en un mismo compartimiento sobre un lado de la
tubera tal como se muestra en la figura de abajo. Una onda
ultrasnica de frecuencia constante se transmite al fluido por medio
de uno de los elementos. Partculas slidas o burbujas presentes en
el fluido reflectan la onda de sonido hacia el elemento
receptor.
El principio doppler establece que se produce un cambio en la
frecuencia o longitud de onda cuando existe un movimiento relativo
entre el transmisor y el receptor. En el medidor doppler el
movimiento relativo de las partculas en suspensin que posee el
fluido, tiende a comprimir el sonido en una longitud de onda ms
corta (mayor frecuencia). Esta nueva frecuencia se mide en el
elemento receptor y se comprara electrnicamente con la frecuencia
emitida.
El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la
velocidad del fluido en la tubera. Estos medidores normalmente no
se utilizan en fluidos limpios, ya que se requiere que una mnima
cantidad de partculas o burbujas de gas estn presentes en la
corriente del fluido. Debido a que las ondas pierden energa cuando
se transmiten a travs de la pared de la tubera, estos medidores no
deben ser utilizados con materiales tales como concretos que
impiden que la onda atraviese la pares de la tubera.
5.2.4. LIMITACIONES OPERACIONALES:
Temperatura del gas: -30C -> 80C Presin del gas: (15 a 10000
psi g) Contenido de CO2 inferior a 20% Temperatura ambiente: -40C
->60C Nivel de H2S depende del transductor Velocidades del gas
hasta 30 m/s
5.2.5. REQUISITOS GENERALES DE DESEMPEO
Repetibilidad: 0,2% entre qt y qmax, 0,4% qmin y qt Resolucin:
0,003 f t /s (0,001 m/s) Lectura de cero flujo: < 0,02 ft /s (6
mm/s) para cada trayectoria acstica. Desviacin de la velocidad del
sonido: 0,2%
En la GPSA se encuentran los lmites de errores permitidos, para
tenerlos en cuenta en el momento de disear el medidor.
5.2.6. CALIBRACIN
La calibracin inicial de un medidor ultrasnico es normalmente la
calibracin en seco, lo cual implica llenar el cuerpo del medidor
con un gas conocido (normalmente nitrgeno) para poder determinar si
hay o no desfas en las mediciones.
La velocidad del sonido se calcula y se compara con la velocidad
del sonido medido desde el medidor. Los tiempos de trnsito de los
transductores de aguas arriba y aguas abajo sern los mismos, ya que
el metro est en una condicin de no flujo. En caso de no ser as,
revisar los transductores o el electrnico del medidor, para
descartar posibles anomalas en dichos elementos. SI se requiere de
una mayor exactitud como lo es para el caso transferencia de
custodia ( la norma establece que es de carcter obligatorio) , el
medidor puede ser calibrado en flujo y en laboratorio teniendo en
cuenta los caudales mximos (0,025 0,05 0,10 0,25 0,50 0,75 y 1Qmax)
permisibles por la GPSA alrededor de seis a diez veces para tener
datos ms representativos .El promedio de estas mediciones se puede
utilizar para un factor de medicin, o un algoritmo puede ser
escrito para corregir el volumen medido que corresponden a los
ajustes requeridos sobre el margen de flujo calibrado.
5.2.7. MANTENIMIENTO Y VERIFICACIN
Si el medidor est calibrado por flujo, los archivos de registro
deben recogerse en diferentes velocidades de flujo durante la
calibracin de flujo. La fbrica debe suministrar un software que
puede ser utilizado para el almacenamiento de estos registros.
Adems de lo anterior, es recomendable programar inspecciones
peridicas en los transductores y la electrnica, as como pruebas de
flujo cero.
5.2.8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MEDIDOR
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Son fciles de transportar. Altos costos
Su instalacin es rpida y sencilla Su exactitud no es muy alta
comparada con el medidor coriolis.
Se instalan en cualquier tipo de tubera Disminuye su precisin en
presencia de un alto contenido de slidos en suspensin
Son no-intrusivos, por lo que los transductores no deben estar
en contacto con el flujo. Debe ser programado para cada material de
tubera, dimetro y espesor de la misma
El equipo no utiliza pares mviles y es muy fcil de utilizar
Requiere de tcnicos especializados para su servicio y
mantenimiento
5.3. MEDIDOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Un medidor de
desplazamiento positivo es medidor de flujo que requiere de fluido
para desplazar mecnicamente los componentes dentro del medidor a
fin de realizar la medicin. Los medidores de flujo de
desplazamiento positivo pueden medir la tasa de flujo volumtrico de
un fluido en movimiento o gas. Con la presin apropiada y
compensacin de la temperatura, el flujo msico se puede determinar
con precisin.
5.3.1. PRINCIPIO DE MEDICIN
Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en
volumen contando o integrando volmenes separados del lquido. Las
partes mecnicas del instrumento se mueven aprovechando la energa
del fluido y dan lugar a una prdida de carga. La precisin depende
de los huelgos entre las partes mviles y las fijas y aumenta con la
calidad de la mecanizacin y con el tamao del instrumento.
Se espera un mximo error de medicin del 0,25% siempre y cuando
el medidor est bien instalado y probado. La aplicacin se limita
normalmente a aquellos fluidos que exhiben algunas propiedades de
lubricacin debido a las mltiples piezas mviles que posee un medidor
de desplazamiento positivo.
Las aplicaciones tpicas son el butano y los productos ms pesados
desde que el etano y propano tengan propiedades mnimas
lubricantes.
5.3.2. DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES
En cada medidor se pueden destacar tres componentes:
Cmara, la cual se encuentra llena de fluido (Cam). Desplazador.
Mecanismo que cuenta en nmero de veces que el desplazador se mueve.
Un punto importante a tener en cuenta en este tipo de instrumentos,
es el conseguir una buena estanqueidad de las partes mviles,
evitando un par de rozamiento inaceptable y que la cantidad de
lquido de escape a travs del medidor sea moderada. Por esto es
necesario calibrar el medidor para varios caudales, dentro del
margen de utilizacin y con un fluido de viscosidad conocida.
5.3.3. TIPOS DE MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Con este tipo de instrumentos la medida es directa, sin tener
que recurrir a ningn tipo de clculo. Existen varios tipos de
medidores del tipo desplazamiento positivo, siendo los ms
utilizados los de ruedas ovales, helicoidales, tipo pistn, paletas
deslizantes y tipo turbina. Este ltimo es el sistema ms utilizado
en la industria, y consta de un carrete de tubera en el centro del
cual hay un rotor de paletas mltiples, montado sobre cojinetes para
que pueda girar con facilidad, y soportado aguas arriba y aguas
abajo por un dispositivo de centrado.Existen cinco tipos bsicos de
medidores:
Disco oscilante Pistn oscilante Pistn alternativo Rotativos
Diafragma
5.3.4. MEDIDOR DE DISCO OSCILANTE
El instrumento dispone de una cmara circular con un disco plano
mvil dotado de una ranura en la que est intercalada una placa fija.
Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del
disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco est
siempre en contacto con la parte inferior de la cmara en el lado
opuesto. De este modo la cmara est dividida en compartimientos
separados de volumen conocido. Cuando pasa el fluido, el disco toma
un movimiento parecido al de un trompo cado de modo que cada punto
de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente
estableciendo contacto con las paredes de la cmara desde su parte
inferior a la superior.
Figura 7. Medidor de disco oscilante
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Nutating_disc_engine
Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del
disco a un tren de engranajes (fig. arriba). El par disponible es
pequeo, lo que pone un lmite en la utilizacin de accesorios
mecnicos. Empleado originalmente en aplicaciones domsticas para
agua, se utiliza industrialmente en la medicin de caudales de agua
fra, agua caliente, aceite y lquidos alimenticios. La precisin es
de 1-2 %. El caudal mximo es de 600 l/min y se fabrica para pequeos
tamaos de tubera.
5.3.5. MEDIDOR DE PISTN OSCILANTE
El instrumento se compone de una cmara de medida cilndrica con
una placa divisora que separa los orificios de entrada y de salida.
La nica parte mvil es un pistn cilndrico que oscila suavemente en
un movimiento circular entre las dos caras planas de la cmara, y
que est provisto de una ranura que desliza en la placa divisora
fija que hace de gua del movimiento oscilante. El eje del pistn al
girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un
contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento
puede accionar los accesorios mecnicos que sean necesarios.
Figura 8. Principio medidor tipo pistn
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine
La precisin normal es de 1 % pudindose llegar a 0,2 % con pistn
metlico y 0,5 % con pistn sinttico, dentro de un margen de caudal
de 5: 1. Se fabrican para tamaos de tubera hasta 2" con caudales
mximos de 600 l/min. Se aplican en la medicin de caudales de agua y
de lquidos viscosos o corrosivos.
El medidor de pistn convencional es el ms antiguo de los
medidores de desplazamiento positivo. El instrumento se fabrica en
muchas formas: de varios pistones, pistones de doble accin, vlvulas
rotativas, vlvulas deslizantes horizontales. Estos instrumentos se
han empleado mucho en la industria petroqumica y pueden alcanzar
una precisin del orden de 0,2 %. Su capacidad es pequea comparada
con los tamaos de otros medidores. Su costo inicial es alto, dan
una prdida de carga alta y son difciles de reparar.
5.3.6. MEDIDOR ROTATIVO
Este tipo de instrumento tiene vlvulas rotativas que giran
excntricamente rozando con las paredes de una cmara circular y
transportan el lquido en forma incremental de la entrada a la
salida. Se emplean mucho en la industria petroqumica para la medida
de crudos y de gasolina con intervalos de medida que van de unos
pocos l/min de lquidos limpios de baja viscosidad hasta 64 000 l/mi
n de crudos viscosos.
Figura 9. Medidor rotativo.
Fuente: http://www.pumpfundamentals.com/pump_glossary.htmHay
varios tipos de medidores rotativos, siendo los ms empleados, los
cicloidales, los de dos rotores (birrotor) y los ovales. Los
cicloidales contienen dos lbulos engranados entre s que giran en
direcciones opuestas manteniendo una posicin relativa fija y
desplazando un volumen fijo de fluido lquido o gas en cada
revolucin.
5.3.7. MEDIDOR DE DIAFRAGMA
El contador de paredes deformables o de membrana o de fuelle,
est formado por una envoltura a presin con orificios de entrada y
salida que contiene el grupo medidor. Cuenta con cuatro cmaras de
medicin las cuales estn separadas por diafragmas, estas se llenan y
vacan peridicamente, el movimiento de los diafragmas se transmite
al cigeal mediante un engranaje que acciona el indicador.
Figura 10. Medidor de diafragma
Fuente: http://www.actechelp.com/gasfitterbasics/meters.htm
5.3.8. FUNCIONAMIENTO
En la figura anterior se puede evidenciar que para su
funcionamiento necesita de dos tiempos; el primero es el que se
muestra en la figura donde el volumen de la cmara 3 es retirado de
la cmara por medio del empuje realizado por la cmara 4 y sale para
ser dispuesto, al mismo tiempo que la cmara 3 se vaca la 2 es
llenada. Posteriormente a este ciclo se invierten las vlvulas y
pasa lo mismo con las cmaras 1-2 y lo contrario con las cmaras 3-4.
Su precisin es del orden del 0,3 %.
5.3.9. LIMITACIONES OPERACIONALES
FACTOR MN MX
Flujo ( m3/h) 0,016 3
Temp (F) -20 140
Presin (Psi) ---- 350
6. BIBLIOGRAFA
Oilfield Processing of Petroleum Volume One: Natural Gas.
Manning F, Thompson R.
M410 Orifice Plate Flowmeter and Carrier Assembly. Spirax
Sarco.
Equipo placa orificio con flotmetro en derivacin. Bruno
Schillig.
Caudalimetro de placa de orificio FON4. MECON flow Control
Systems.
Gas Processors suppliers association. 13th edition.
Tesis de grado Anlisis de factibilidad tcnico-econmica y diseo
de la red de gas domiciliario en el municipio de Chincota (N.S.).
Walter Benjumea. UIS 2007.
Manual de medicin de hidrocarburos y biocombustibles. Captulo
14. Medicin de gas natural. ECOPETROL S.A.
Tecnologas para la medicin en trasferencia de custodia. XVII
Convencin de gas. AVPG. Caracas, Venezuela. Mayo 2006.
5ESCUELA DE INGENIERIA DE PETROLEOS Grupo H2
