14 medición de flujo gas a quemador por ultrasonido (ge)

Foro de Lineamientos de MediciónMéxico 2012

GE EnergyMeasurement and Control

SolutionsMedición de FlujoGas a Quemador

PorUltrasonido


Introducción a la medición de flujo porultrasonido

FlowDirection

AcousticSignalsFlowcell

Flujo = Distancia / TiempoDistancia = Sección del carrete, DimensionesTiempo = Tiempo de viaje de la señal ultrasónica


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


Medidores de Flujo Gas a Quemador


+ + + (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


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?


Gas Quemador : Estructura del Equipo


Transductores para Gas a Quemador

Configuraciones de Intalación


Diagonal 45° para tubos

≤14‐inch/350 mm

Instalación en Tubería


Bias 90 Mid‐radius para tubos ≥16‐inch/400 mm

Instalación en tubería


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


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”


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


•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


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.


El desempeño es verificado mediante calibración en unainstalación con documentos con trazabilidad NIST


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


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


•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.


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


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


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


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.

14 medición de flujo gas a quemador por ultrasonido (ge)

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