GE Energy Measurement and Control Solutions. Medición de Flujo Gas a Quemador Por Ultrasonido

Transcripción

1 GE Energy Measurement and Control Solutions Medición de Flujo Gas a Quemador Por Ultrasonido

2 Introducción a la medición de flujo por ultrasonido Flujo = Distancia / Tiempo Distancia = Sección del carrete, Dimensiones Tiempo = Tiempo de viaje de la señal ultrasónica Flow Direction Flowcell Acoustic Signals

3 Medidores de Flujo Ultrasónicos Tecnología Tiempo en Transito No intrusivos o Intrusivos Electrónica fija y Portátil Aplicaciones Medición 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. Beneficios Pronta recuperación de la inversión Amplio rango de presión y temperatura Flujo bidireccional Sin caida de presión Poco mantenimiento

4 Medidores de Flujo Gas a Quemador

5 Tecnologías empleadas para medir flujo de Gas a Quemador Medidor ultrasónico Medidor de dispersión térmica Placa de orificio Exactitud 1 to 3% Rangueabilidad 4000:1 Sensibilidad al perfíl de flujo puede mejorarse con varias trayectorias Tipo de insersión can be hot/cold tapped on site or supplied as calibrated spool piece Multifunction Vol., mass flow, molecular weight Exactitud del 2 al 5% (solo en composiciones constantes) Rangeabilidad 1000:1 Muy sensible a los cambios de composición Requiere de varias unidades para cubrir todo el perfíl de flujo Exactitud 2 to 5% Rangeabilidad 5:1 Presión del gas muy baja para obtener una medición confiable Muy sensible a los cambios de composición del gas Crea tapones y restricciones al flujo (adecuado) + + (limitado) + (no adecuado)

6 Gas a Quemador: Por qué medirlo con Ultrasonido? Flujos variables Bajo flujo= estado normal Flujo moderado= ocasionalmente Alto flujo= estado de emergencia Composición variable Diferentes hidrocarburos H 2 a C6 + (típico) Ambiente corrosivo H 2 S Condensados Baja presión Presión atmosférica Amplio rango de temperatura Desde 150 C a 280 C Las tecnologías convencionales tienen problemas con cada una de estas características de operación, resultando en baja exactitud y alto costo de mantenimiento. La rangueabilidad (4000:1) y la alta sensibilidad excede a las tecnologías convencionales.

7 Gas Quemador : Estructura del Equipo

8 Transductores para Gas a Quemador Configuraciones de Intalación

9 Instalación en Tubería Diagonal 45 para tubos 14 inch/350 mm

10 Instalación en tubería Bias 90 Mid radius para tubos 16 inch/400 mm

11 Gas a Quemador Celda de Medición Cuando los transductores se colocan en un arreglo en partícular se requiere una celda de flujo. Hay dos tipos: Carrete Tapinado Hole-saw Pilot-drill

12 Gas a Quemador: Requisitos de Instalación Se supone un perfíl de flujo completamente desarrollado. Esta instalación puede llegar a requerir 20 veces el diámetro aguas arriba y 10 veces el diámetro aguas abajo de 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 tramo de tubería recta requerido puede ser mucho mayor. Generador de Vortices

13 Medición de Flujo Gas a Quemador Avanzada 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 CO 2

14 1) Rango de velocidad extendido Rango de velocidad anterior 328 f/s (100 m/s) máxima velocidad Siguiente rango 394 f/s (120 m/s ) máxima velocidad Trayectoria más corta Angulo de recuperación Un medidor de flujo US fue desarrollado y probado para medir hasta m/s en aire. La exactitud del nuevo medidor se demostró ser mejor que el 3-4% incluyendo la incertidumbre del medidor de referencia, y la desviación relativa estándar del nuevo medidor está dentro del 1.2%.

15 Rango de velocidad extendida Metodología: Diseño de los transductores: Dimensiones, Separación y Frecuencia Hemos diseñado los transductores con una λ frecuencia de 100 khz y se han instalado con una a separación de aprox 7 pulgadas z γ M = 0.1 M = 0.2 M = 0.3 M = 0.4 M = 0.5 Downstream Beam Drift L R ultrasound propagation in a medium across both near field and far field, nominally separated by Rayleigh Distance, L R Upstream Beam Drift Angulo de Recuperación El ángulo de recuperación se da en el transductor aguas abajo rotándolo 6 grados con respecto al flujo γ M = 0.1 M = 0.2 M = 0.3 M = 0.4 M = El ángulo de deriva del haz ultrasónico es una función del ángulo de la trayectorí ultrasónica a diferentes números de Mach. 45º Flujo Transductor P~6.5 to 7.8 Transductor

16 El desempeño es verificado mediante calibración en una instalación con documentos con trazabilidad NIST

17 2) Metodología de bajo flujo Regulaciones 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

18 Flujo a baja velocidad Modelo de convección en CFD Para un modelo de corrientes de convección en la línea de gas hemos aplicado CFD (Computerized Fluid Dynamics). La convección natural debida al gradiente de temperatura por radiación solar es significante. El flujo inducido puede ser del 8 al 15% o 0.3 m/s (1 f/s) en velocidad a estosrangostan bajos. Un sólo par de transductores pueder ser insuficiente para una medición precisa. T at top = 68 C T at bottom = 48 C Corriente de convección de gas en un tubo de 24 con diferencia de temperatura de 20 C. entre el punto alto y el bajo.

19 Metodología para bajo flujo Soluciones : Aplicar una o más trayectorias Una trayectoria para alto Una trayectoría, más larga, para bajo Buscar el área más grande donde haya flujo Trayectorías cruzadas Minimizan el flujo por convección Una combinación de los dos sistemas de en un medidor con dos trayectorias permite medir los rangos bajos con el arreglo de diagonal 45 y los rangos altos con Bias 90. Trayectorias múltiples, trayectorias con trayectorias más largas, arreglos poco convencionales todos son utilizados. 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 Bias 90 en lo alto y mid radius diagonal 45 abajo

20 Medición de flujo con alto contenido de CO2 El flujo de gas a quemador con altas concentraciones de CO2 se está covirtiendo en una medición importante para la industria petroquímica. Hay nuevas legislaciones internacionañes que regulan la medición de flujo de los gases de efecto invernadero

21 Medición de flujo con altos niveles de CO2 Atenuación del CO2 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 Datos recabados por Exxon/Panametrics

22 Medición de flujo con altos niveles de CO2 Estudio de la atenuación del CO2 modela los efectos en ultrasonido. Transducer Offerings La relación de la potencia de la señal con la proporción de CO 2 en N 2.

23 Medidor de flujo Gas a Quemador GE Panametrics Resumen 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 han sido utilizadas para corregir los errores vistos a bajos flujos inducidos por las corrientes inductivas, flujo asimétrico o flujo estratificado. La cantidad de CO2 mezclado con otros gases no afecta la exactitud de la medición volumétrica.