Foro de Lineamientos de MediciónMéxico 2012
GE EnergyMeasurement and Control
SolutionsMedición de FlujoGas a Quemador
PorUltrasonido
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Introducción a la medición de flujo porultrasonido
FlowDirection
AcousticSignalsFlowcell
Flujo = Distancia / TiempoDistancia = Sección del carrete, DimensionesTiempo = Tiempo de viaje de la señal ultrasónica
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Tecnología Tiempo en TransitoNo intrusivos o IntrusivosElectrónica fija y Portátil
AplicacionesMedición de flujo en cualquier gas o líquido: agua, aguas tratadas,crudo, hidrocarburos líquidos, químicos,
fluidos de alta puresa, LNG, aire, gas natural, vapor, ozono, gases de combustión, gas a quemador.
BeneficiosPronta recuperación de la inversión
Amplio rango de presión y temperaturaFlujo bidireccionalSin caida de presiónPoco mantenimiento
Medidores de Flujo Ultrasónicos
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Medidores de Flujo Gas a Quemador
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+ + + (adecuado)+ + (limitado) + (no adecuado)
Tecnologías empleadas para medir flujo de Gas a Quemador
Medidor ultrasónico
+++
Exactitud 1 to 3%Rangueabilidad 4000:1Sensibilidad al perfíl de flujo puede mejorarse con variastrayectoriasTipo de insersión– can be hot/cold tapped on site or supplied as calibrated spool pieceMultifunction – Vol., mass flow, molecular weight
Medidor de dispersióntérmica ++
Exactitud del 2 al 5% (solo en composiciones constantes)Rangeabilidad 1000:1Muy sensible a los cambios de composiciónRequiere de varias unidades para cubrir todo el perfíl de flujo
Placa de orificio
+
Exactitud 2 to 5%Rangeabilidad 5:1Presión del gas muy baja para obtener una medición confiableMuy sensible a los cambios de composición del gas Crea tapones y restricciones al flujo
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Flujos variablesBajo flujo= estado normal
Flujo moderado= ocasionalmenteAlto flujo= estado de emergencia
Composición variableDiferentes hidrocarburos
H2 a C6 + (típico)Ambiente corrosivo
H2SCondensados
Baja presiónPresión atmosférica
Amplio rango de temperaturaDesde –150°C a 280°C
Las tecnologías convencionalestienen problemas con cada una de estas características de operación, resultando en baja exactitud y alto costo de mantenimiento.
La rangueabilidad (4000:1) y la altasensibilidad excede a las tecnologíasconvencionales.
Gas a Quemador: ¿Por qué medirlo con Ultrasonido?
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Gas Quemador : Estructura del Equipo
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Transductores para Gas a Quemador
Configuraciones de Intalación
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Diagonal 45° para tubos
≤14‐inch/350 mm
Instalación en Tubería
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Bias 90 Mid‐radius para tubos ≥16‐inch/400 mm
Instalación en tubería
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Gas a Quemador “Celda de Medición”
Carrete
Cuando los transductores se colocan en un arreglo en partícularse requiere una celda de flujo. Hay dos tipos:
Tapinado
Hole-saw
Pilot-drill
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Gas a Quemador: Requisitos de Instalación• Se supone un perfíl de flujo completamente desarrollado. Esta instalación puedellegar a requerir 20 veces el diámetro aguas arriba y 10 veces el diámetro aguas abajode tubería recta.
• Se recomienda una evaluación del sitio de la instalación.• Para instalaciones por tapinado se recomienda un levantemiento dimensional especialmente para materiales exóticos de pared delgada. Ej. cédula 10S
Si la fuente de perturbación genera vortices, el tramode tubería recta requerido puede ser mucho mayor.
“Generador de Vortices”
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Los avances en esta medición se enfocan en tres áreas:
1. Rango de velocidad extendido
2. Metodología para bajo flujo
3. Gases efecto invernadero: tratando con el CO2
Medición de Flujo Gas a Quemador Avanzada
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•Rango de velocidad anterior •328 f/s (100 m/s) máxima velocidad
•Siguiente rango• 394 f/s (120 m/s ) máximavelocidad
•Trayectoria más corta•Angulo de recuperación
Un medidor de flujo US fue desarrollado yprobado para medir hasta 123.7 m/s en aire. Laexactitud del nuevo medidor se demostró sermejor que el 3-4% incluyendo la incertidumbredel medidor de referencia, y la desviación relativaestándar del nuevo medidor está dentro del 1.2%.
1) Rango de velocidad extendido
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Metodología:Diseño de los transductores: Dimensiones, Separación y FrecuenciaHemos diseñado los transductores con unafrecuencia de 100 kHz y se han instalado con unaseparación de aprox 7 pulgadas
LR
a
ultrasound propagation in a medium across both near field and far field, nominally separated by Rayleigh Distance, LR.
z
λ
Rango de velocidad extendida
Angulo de RecuperaciónEl ángulo de recuperación se da en eltransductor aguas abajo rotándolo 6 gradoscon respecto al flujo
45ºFlujo Transductor
P~6.5 to 7.8” Transductor
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
γ
M = 0.1M = 0.2M = 0.3M = 0.4M = 0.5
Downstream Beam Drift
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
γ
M = 0.1M = 0.2M = 0.3M = 0.4M = 0.5
Upstream Beam Drift
El ángulo de deriva del haz ultrasónico es unafunción del ángulo de la trayectorí ultrasónica
a diferentes números de Mach.
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El desempeño es verificado mediante calibración en unainstalación con documentos con trazabilidad NIST
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2) Metodología de bajo flujoRegulaciones y usuarios continuamente agregan nuevos requisitos:
Norteamérica, Europa y Asia demandan exactitud en la medición de flujo para velocidades de 0.1 a 1 ft/s
Exactitud típica de 0.1 a 1 ft/s se encuentra entre +/‐ 20%Tendencia en la industria para solicitar 5% en la exactitud
Problemas
•Mejor exactitud y resolución a bajo flujo
•Promediar mejor el flujo asimétrico
•Flujos de convección : pueden dominar a valores de flujo muy bajos
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Flujo a baja velocidadT at top = 68 °C
T at bottom = 48 °C
Para un modelo de corrientes de convección en la línea de gas hemosaplicado CFD (Computerized Fluid Dynamics). La convección natural debida al gradiente de temperaturapor radiación solar es significante. El flujo inducido puede ser del 8 al 15% o 0.3 m/s (1 f/s) en velocidad a estos rangos tan bajos. Un sólo par de transductores pueder ser insuficientepara una medición precisa.
Corriente de convección de gas en un tubo de 24” con diferencia de temperatura de 20 C. entre el punto alto y el bajo.
Modelo de convección en CFD
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•Soluciones :• Aplicar una o más trayectorias
• Una trayectoria para alto
• Una trayectoría, más larga, para bajo
• Buscar el área más grandedonde haya flujo
• Trayectorías cruzadas
• Minimizan el flujo porconvección
Bias 90 en lo alto y mid‐radius diagonal 45 abajo
Sistema con dos trayectorias bias 90 (flujo alto ) y una trayectoria diagonal 45 (flujo bajo). Note separation of the two‐path systems to avoid potential acoustic crosstalk
Metodología para bajo flujo
Una combinación de los dos sistemas de en un medidor con dos trayectorias permitemedir los rangos bajos con el arreglo de diagonal 45 y los rangos altos con Bias 90. Trayectorias múltiples , trayectorias con trayectorias más largas , arreglos pococonvencionales todos son utilizados.
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Medición de flujo con alto contenido de CO2
El flujo de gas a quemador con altas concentraciones de CO2 se está covirtiendo en una mediciónimportante para la industria petroquímica. Hay nuevas legislaciones internacionañes que regulan la medición de flujo de los gases de efecto invernadero
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Datos recabados por Exxon/Panametrics
Conocido por ser altamente atenuante en ultrasonido.Atenuación clásica :
Debida a la muy baja viscocidad, etc.Efecto de Relajación:
Absorción de energía por las moléculas de CO2
Atenuación del CO2
Medición de flujo con altos niveles de CO2
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Estudio de la atenuación del CO2 modela los efectos en ultrasonido.
La relación de la potencia de la señal con la proporción de CO2 en N2.
Transducer Offerings
Medición de flujo con altos niveles de CO2
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Medidor de flujo Gas a Quemador GE PanametricsResumen
El medidor de flujo para gas a quemador ha sido desarrollado para demostrar la exactitud de esta tecnología a velocidades de hasta 120 m/s. La exactitud total del medidor se muestra para ser mejor al 3% incluyendo la incertidumbre del medidor de referencia.
Las tecnicas que emplean trayectorias más largas y múltiples trayectorias hansido utilizadas para corregir los errores vistos a bajos flujos inducidos por lascorrientes inductivas, flujo asimétrico o flujo estratificado.
La cantidad de CO2 mezclado con otros gases no afecta la exactitud de la medición volumétrica.