14 medición de flujo gas a quemador por ultrasonido (ge)
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El documento describe el desarrollo de un medidor de flujo ultrasónico para gas a quemador con una exactitud mejor al 3% hasta velocidades de 120 m/s. Se presentan metodologías como trayectorias más largas y múltiples trayectorias para mejorar la medición a bajos flujos afectados por convección. También se demuestra que la presencia de CO2 no afecta la exactitud de la medición volumétrica.
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- 2. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Introducción a la medición de flujo por ultrasonido Flow Direction Acoustic SignalsFlowcell Flujo = Distancia / Tiempo Distancia = Sección del carrete, Dimensiones Tiempo = Tiempo de viaje de la señal ultrasónica
- 3. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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 Medidores de Flujo Ultrasónicos
- 5. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 + + + (adecuado) + + (limitado) + (no adecuado) Tecnologías empleadas para medir flujo de Gas a Quemador Medidor ultrasónico +++ 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 Medidor de dispersión térmica ++ 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 Placa de orificio + 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
- 6. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Flujos variables Bajo flujo= estado normal Flujo moderado= ocasionalmente Alto flujo= estado de emergencia Composición variable Diferentes hidrocarburos H2 a C6 + (típico) Ambiente corrosivo H2S 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. Gas a Quemador: ¿Por qué medirlo con Ultrasonido?
- 8. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Transductores para Gas a Quemador Configuraciones de Intalación
- 11. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Gas a Quemador “Celda de Medición” Carrete Cuando los transductores se colocan en un arreglo en partícular se requiere una celda de flujo. Hay dos tipos: Tapinado Hole-saw Pilot-drill
- 12. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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
- 14. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 •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 123.7 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%. 1) Rango de velocidad extendido
- 15. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Metodología: Diseño de los transductores: Dimensiones, Separación y Frecuencia Hemos diseñado los transductores con una frecuencia de 100 kHz y se han instalado con una separación 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 Recuperación El ángulo de recuperación se da en el transductor aguas abajo rotándolo 6 grados con respecto al flujo 45º Flujo 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 = 0.1 M = 0.2 M = 0.3 M = 0.4 M = 0.5 Downstream Beam Drift 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 γ M = 0.1 M = 0.2 M = 0.3 M = 0.4 M = 0.5 Upstream Beam Drift El ángulo de deriva del haz ultrasónico es una función del ángulo de la trayectorí ultrasónica a diferentes números de Mach.
- 16. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 El desempeño es verificado mediante calibración en una instalación con documentos con trazabilidad NIST
- 18. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 Flujo a baja velocidad T at top = 68 °C T at bottom = 48 °C 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 estos rangos tan bajos. Un sólo par de transductores pueder ser insuficiente para 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
- 19. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 •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 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 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.
- 20. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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
- 22. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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
- 23. Foro de Lineamientos de Medición México 2012 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.