Juan José Mercado Pérez Centro Nacional de Metrología

Presentación del tema: "Juan José Mercado Pérez Centro Nacional de Metrología"— Transcripción de la presentación:

1 Medición de gas húmedo con sistemas de medición de caudal tipo presión diferencial
Juan José Mercado Pérez Centro Nacional de Metrología Lo que no se mide no se puede controlar, lo que no se controla no se puede mejorar

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3 Medición de gas húmedo Conceptos básicos
Tecnologías para medición de gasto de gas húmedo Medidor tipo presión diferencial Conclusiones Bibliografía

4 FLUJO.- Acción y efecto de fluir. CAUDAL.- Cantidad de un fluido que discurre en un determinado lugar por unidad de tiempo. GASTO.- Cantidad de fluido que, en determinadas circunstancias, pasa por un orificio o por una tubería cada unidad de tiempo.

5 1980 Multiphase Flow Meters (MPFM) Wet Gas Flow Meters (WGFM)
Fue diseñado para la medición continua de líquidos Fue diseñado para la medición continua de gas En años recientes el alcance de medición de estas dos tecnologías se han traslapado, eliminando las distinciones entre WGFMs y MPFMs. La norma ISO/TR 12748:20145 refiere a ambas tecnologías como WGFMs.

6 Hay cuatro métodos generales en la medición de gas húmedo (ISO/TR 12748:2015)
Una fase medición de gasto de gas con factor de corrección: usa un medidor de gasto de gas en una sola fase con un factor de corrección para el efecto del flujo del líquido en el sistema de medición. En estos casos, el caudal de líquido se requiere para la determinación del factor de corrección, deberá ser estimado desde fuentes externas. Dos fases WGFM: el gasto de gas y líquido son estimados sin información externa del caudal de líquido. Son generalmente conocidos como dos fases WGFM. WGFM: Instrumento que mide gasto de gas y la relación de agua e hidrocarburos en estado líquido sin información externa requerida. Separación de fase/ medición después de la separación de fase: método tradicional y convencional de medición de gas húmedo usado un separador para dos o tres fases, utilizando medidores de una sola fase que se utilizarán para la medición de cada fluido.

7 Gas húmedo.- en términos simples, puede ser descrito como un gas con una pequeña cantidad de líquido presente. En la mayoría de los casos el interés está en el conocimiento de la cantidad de gas mas que el líquido. Esto dependerá del valor monetario que represente el líquido presente. No existe una definición acordada, pero a menudo cuando se tiene un valor de GVF (fracción de volumen de gas) > 90 %, es considerado como gas húmedo.

8 Parámetro Lockhart-Martinelli.-
es común en la práctica definir la cantidad de húmedad en un fluido usando el parámetro Lockhart-Martinelli, referido como X. También es utilizado para definir un gas húmedo, cuando su valor está entre 0 y 0.3, por encima de este ultimo valor se considera como flujo multifásico. Nota: este término también se puede encontrar en función de el número de Froude.

9 Patrones de flujo

10 Conocimiento de la necesidad de medición Queremos solo
Medir la cantidad de gas Medir la cantidad de líquido Medir la cantidad de gas mas líquido Medir la cantidad de gas, hidrocarburo líquido y agua Tipo de medidor Una fase Medidor tipo presión diferencial Medidores con técnicas diferentes a la presión diferencial Dos fases Tres fases Importancia en la medición de la cantidad de gas Factor de corrección por el líquido Medición de una sola fase

11 Medidores de gasto para medición de gas húmedo
Presión diferencial Tipo cono Placa de orificio Placa de orificio excéntrica, medio orificio, etc. Tubo venturi Tobera Wedge Ultrasónicos Coriolis Tubo Pitot multi-puertos Medidor de Área Variable con resorte precargado Área variable de flotador Vortex

12 Medición de caudal para gas húmedo usando medidores tipo coriolis (CMF)
Estudios elaborados en China muestran las ventajas del uso de un medidor másico tipo coriolis para la medición de gas húmedo: La relación entre la lectura de gasto másico y la lectura del instrumento es casi lineal, el CMF puede seguir las variación del gasto del líquido linealmente cuando el gasto del gas permanece constante. Utilizar el CMF como medidor de gas húmedo (WGM), para un amplio rango de mediciones la instalación del instrumento en horizontal es mas conveniente; cuando el gasto del gas es lo suficientemente grande y el gasto del líquido es bajo, las diferencias entre una instalación vertical y una horizontal tienden a desaparecer. Derivado del desempeño del medidor es viable utilizar el CMF como WGM. Utilizar un modelo basado en control y procesamiento de señal puede ser una solución a obtener un CMF con desempeño adecuado para la medición del gas húmedo.

13 Medición de caudal para gas húmedo usando medidores tipo coriolis (CMF)
Presentan un comportamiento impredecible con condiciones de un gas húmedo, se realizan investigación de aplicación para este uso, es posible que pueda ser utilizado con estas condiciones de operación. Estudios en el Nel muestran que el medidor tipo coriolis muestra una clara dependencia de la presión en el gas seco, incrementando el error negativamente con el incremento de la presión. Los errores promedios fueron aproximadamente 0.2 % a 15 barg, -0.5 % a 30 barg, -0.7 % a 45 barg y -0.9 % a 60 barg. El medidor exhibe errores significantes con gas húmedo comparado con los resultados del gas seco, y un comportamiento no predecible.

14 Pruebas con gas húmedo a 30 barg

15 Medición de caudal para gas húmedo usando medidores tipo turbina
Dispositivo de medición volumétrica, operando bajo el principio que el momento generado por el fluido sobre el rotor de la turbina genera un movimiento rotacional. Su aplicación en medición de gas húmedo se encuentra restringida debido a que las partes móviles (alabes de las turbinas) son relativamente frágiles y delgadas. En especial si se considera la posibilidad de que se presenten flujos tipo “slug”, dado que incluso con cantidades de líquido muy pequeñas, puede generarse un daño en la turbina, la respuesta del instrumento bajo estas condiciones de medición es impredecible.

16 La operación a largo plazo con flujo de gas húmedo degrada más rápido las partes del rotor que cuando el medidor opera con gas seco. Con respecto a la exactitud de las mediciones, los resultados de algunas investigaciones muestran que para muy pequeñas cantidades de líquido estos medidores pueden continuar operando con un pequeño incremento en la incertidumbre del caudal de gas.

17 Medición de caudal para gas húmedo usando medidores tipo vortex
Estos instrumentos siempre emitirán una sobre lectura para la medición del hidrocarburo en estado gaseoso cuando exista presencia de un fluido en estado líquido, y este puede afectar el funcionamiento del medidor (dependiendo del diseño). Los medidores tipo Vortex cuentan con una cantidad limitada de datos de investigación en flujo de gas húmedo. A partir de los datos de prueba disponibles se puede apreciar que, a diferencia de otras tecnologías de medición, los medidores Vortex tienen un error de medición menor con bajas cantidades de líquido, lo cual ha facilitado su uso en la medición de caudal de gas húmedo en aplicaciones donde el incremento en la incertidumbre del caudal de gas es aceptable.

18 Con cantidades bajas de líquido el medidor Vortex presenta un error positivo, razonablemente repetible y directamente relacionado con la cantidad de líquido (asociado al parámetro Lockhart-Martinelli) y la presión (relación de densidad gas-líquido). Con cantidades más altas de líquido, en el rango de flujo de gas húmedo, el error inducido por el líquido puede ser considerable y la respuesta del medidor Vortex para estas cantidades de líquido es difícil de predecir. Error como una función de la velocidad del gas y fracción de volumen líquido a 15 barg

19 Pruebas de desempeño realizadas en el NEL con orientación horizontal a 15, 30 y 60 barg con una velocidad del gas superficial desde 3 m/s a 30 m/s y fracción volumétrica del líquido de 0.1 % a 5 %, confirman que la presencia de líquido tiene un efecto significante en el desempeño del instrumento. Los errores relativos oscilan desde 0% a 30 %.

20 Medidor de gasto tipo presión diferencial
Placa de orificio Tubo Vénturi Tobera subsónica Tobera sónica V-Cone Pitot Tubo Dall Rotámetro Target Codo Annubar ………….

21 Medidores de gasto tipo presión diferencial (DP)
Es el medidor mas común utilizado para la medición de una sola fase Cuando el medidor DP es utilizado en la cuantificación de gas húmedo la tendencia es una sobre-lectura de cantidad de gas. Normatividad Gas monofásico, homogéneo, ….. ISO 5167 Placa de orificio Tobera subsónica Tubo Vénturi 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒~𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎= 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜 Gas húmedo ISO/TR 11583 ISO/TR 12748 Placa de orificio Tubo Vénturi PD ISO/TR 12748:2015 ASME MFC-19G-2008

22 Factores de influencia en la medición de gas utilizando un medidor de gasto tipo presión diferencial
Medición usando un DP Geometría Velocidad del gas Perfil de velocidades Presión Temperatura Viscosidad Presión superficial Medición de gas húmedo Velocidad del gas Relación de diámetros Densidad del gas Relación de densidades de gas-líquido Propiedades de fase del líquido Tubo Vénturi β = 0.4 Presión del gas 15 barg 30 barg 60 barg

23 Tubo Vénturi β = 0.4 Presión del gas 60 barg 30 barg 15 barg La incertidumbre asociada a la relación del coeficiente de descarga y el parámetro de sobre lectura es de 4 % o 6 %.

24 Pruebas en el NEL’sHigh Pressure Wet Gas Test Facility, confirman que:
La sobre lectura decrementa con el incremento de la presión, La sobre lectura incrementa con el incremento de la velocidad del gas o Frg, La sobre lectura decrementa con el incremento de la β.

25 Método de solución iterativo
Modelo matemático Método de solución iterativo En donde:

26 Placa de orificio La incertidumbre asociada a la relación del coeficiente de descarga y el parámetro de sobre lectura es de 6 % cuando el líquido es un hidrocarburo ligero o agua en vapor húmedo y 7 % cuando el líquido es agua y está a temperatura ambiente. Placa de orificio con orificio para dren (ISO/TR 15377) Un orificio para el drenado por la placa de orificio es apropiado en donde algunos líquidos son arrastrados por la línea, esta instalación puede ser equivalente a incrementar el área de el orificio, una ecuación propuesta para esta suposición es dada en ISO/TR 15377:2007, datos recientes evidencia una fuerte dependencia de la ubicación circunferencial de las tomas de presión y poca dependencia con respecto al número de Reynolds, mostrando que la ecuación de la normatividad puede conducir a errores por encima y cercas del 2 % en magnitud, sin embargo, existen modelos matemáticos propuestos con errores menores que el 0.25 % de la magnitud

27 Usando agua en una tubería de 4”, β=0
Usando agua en una tubería de 4”, β=0.4 y las tomas de presión ubicadas a 115° con respecto al orificio del dren, Drain hole 1: dh/d = 0.07; drain hole 2: dh/d = 0.1

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29 Conclusiones De los resultados de diversos estudios del desempeño de los medidores de caudal utilizados para la medición de gas húmedo, los medidores tipo presión diferencial (placa de orificio y tubo Venturi) proporcionan confianza en los resultados de medición, aunque existen tecnologías que probablemente puedan ofrecer mejores resultados pero tienen menos historia, es decir, menos pruebas realizadas. Se vuelve imprescindible que la persona responsable de la medición tenga la certeza de las características del fluido que desea medir, para poder seleccionar el medidor adecuado y conocer la incertidumbre asociada a la medición. Si por condiciones de operación eventualmente pudiese haber presencia de un líquido en la medición de gas seco, el responsable de la medición tomará una acción acertada con los resultados emitidos por el sistema de medición o definitivamente aislarlo para evitar daños.

30 Preguntas