MEDICIÓN DE HIDROCARBUROS
Ing. Edgar Vargas Philips
Contenido Metrología Calidad y Contaminantes Mecánica de los Fluidos Cromatografía Medición de Flujo con Medidores Ultrasónicos Computadores de Flujo Medición de Flujo Medición de Flujo con Placa de Orificio
Sistemas Sistemas de de Medición
Sistemas de Medición de Gas Natural 1. Elementos Primarios, Sensor de Temperatura (TE), Medidor(FE), Transmisor de Flujo (FT) 2. Elementos Secundarios, Transmisor de Presión(PT), Transmisor de Temperatura (TT), Cromatografo(AT) 3. Elementos Terciarios, Computadores de Flujo (FQI)
Sistemas de Medición de Gas Natural 1. Elementos Primarios, Sensor de Temperatura (TE), Medidor, Transmisor de Flujo (FT) 2. Elementos Secundarios, Transmisor de Presión(PT), Transmisor de Temperatura (TT), Cromatografo(AT) 3. Elementos Terciarios, Computadores de Flujo (FQI)
Sistema de Medición con Placa de Orifico
Normas y Buenas Practica Aplicables MEASUREMENT OF FLUID FLOW BY MEANS OF PRESSURE DIFFERENTIAL DEVICES INSERTED IN CIRCULAR CROS-SECTION CONDUITS RUNNING FULL PART 1: GENERAL PRINCIPLES AND REQUERIMENTS.
1. ISO 5167-1
MEASUREMENT OF FLUID FLOW BY MEANS OF PRESSURE DIFFERENTIAL DEVICES INSERTED IN CIRCULAR CROS-SECTION CONDUITS RUNNING FULL PART 2: ORIFICE PLATES.
2. ISO 5167-2
ORIFICE METERIG OF NATURAL GAS AND OTHER RELATED HYDROCARBON FLUIDS PART 1: GENERAL EQUATIONS AND UNCERTAINTY GUIDELINES.
3. AGA 3
SPECIFICARTION AND INSTALLATION REQUIREMENTS.
4. AGA 3 PART 2:
5. AGA 3 PART 3:
NATURAL GAS APPLICATIONS.
BACKGROUND, DEVELOPMENT, IMPLEMENTATION PROCEDURE, AND SUBROUTINE DOCUMENTATION FOR EMPIRICAL FLANGE-TAPPED DISCHARGE COEFFICIENT EQUATION
6. AGA 3 PART 4:
CONTENIDO • • • • •
PRINCIPIO DE OPERACIÓN. MEDIDORES DIFERENCIALES. DISEÑO Y SELECCIÓN. ECUACIONES DE FLUJO. INSPECCIÓN
PRINCIPIO DE OPERACIÓN API MPMS 14.3 AGA Report N°3
Este estándar aplica con las siguientes consideraciones: Limpios Monofásicos. Homogéneos Newtonianos Placas de orificio concéntricas Borde recto Tomas de presión en el cuerpo del portaplaca
PRINCIPIO DE OPERACIÓN API MPMS 14.3 AGA Report N°3 Parte 1: General Equation and Uncertainty Guidelines
Esta parte provee las ecuaciones básicas y el planteamiento de las estimaciones de calculo de a incertidumbre para el cálculo del caudal a través de medidores tipo placa de orificio. Aunque cada parte del documento puede ser usada independientemente. En muchos casos y aplicaciones, los usuarios l requieren previamente un conocimiento de las Parte 3 y la Parte 4 antes de implementar la Parte 1.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN API MPMS 14.3 AGA Report N°3 Parte 2: Specification and Installation Requeriments
Este capítulo describe las especificaciones y requisitos de instalación para la medición de fluidos Newtonianos monofásicos y homogéneos, utilizando placas de orificio concéntricas, de borde recto y con tomas de presión en las bridas.
Además, provee las especificaciones para la construcción e instalación de placas de orificio, tubos de medición y accesorios adicionales al diseñar sistemas de medición por placa de orificio .
PRINCIPIO DE OPERACIÓN API MPMS 14.3 AGA Report N°3 Parte 3: Natural Gas Specification
La tercera parte de esta norma es una guía de aplicación para el cálculo de caudal de gas natural, empleando placas de orifício concéntricas, de borde recto y con tomas de presión sobre las bridas, usando el sistema de unidades basado en pulgadas y libras.
También provee una guía práctica para la aplicación del Capítulo 14.3, Partes 1 y 2 del API, enfocada a la medición de gas.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN API MPMS 14.3 AGA Report N°3 Parte 4: Background, Development, Implementation Procedures and Subroutine Documentation
Esta sección describe los fundamentos y el desarrollo de la ecuación para el cálculo del coeficiente de descarga de medidores tipo placa de orificio concéntrico, de borde recto y con tomas de presión en las bridas. Adicionalmente recomienda un procedimiento para el cálculo del caudal. Los procedimientos recomendados aseguran la obtención de resultados computacionales consistentes, para la cuantificación del caudal bajo condiciones definidas, independientemente de la aplicación, o de las unidades de medición exigidas a nivel gubernamental, aduanero o estatal. Los procedimientos permiten a los usuarios de diferentes lenguajes de programación y de diferentes equipos de cómputo, alcanzar resultados casi idénticos, utilizando los mismos datos de entrada estandarizados.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Fluidos Cubierto por la Norma
La norma aplica al flujo de fluidos en estado estacionario, que para todos los propósitos prácticos se consideren: limpios, monofásicos, homogéneos y Newtonianos, con números de Reynolds de tubería mayores o iguales a 4000. Todos los gases, la mayoría de los líquidos y la mayoría de los fluidos en fase densa, asociados con las industrias del petróleo, de la petroquímica y del gas natural, usualmente pueden considerarse fluidos
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Medición por Placa de orificio
La placa de orificio es el medidor de flujo más ampliamente utilizado. Extensa cantidad de datos experimentales.
Placa de Orificio Porta Placas Tubo de Medición Rectificador y Acondicionador de Flujo Tomas de Presión Estática y Diferencial. Termopozo
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Medición por Placa de orificio
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Caída de la presión estática PLACA DE ORIFICIO
IMPACTO IMPACTO DEL FLUIDO CONTRA LA PLACA DE ORIFICIO N Ó I S E R P
Q
P
ΔP=P1-P2
P3
PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN LA TUBERÍA
P1
PÉRDIDAS DE PRESIÓN = P1-P3
P2 D
D
POSICIÓN
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Caída de Presión, Fluido en Reposo
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Caída de Presión, Fluido en Movimiento
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Caída de Presión
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Placa de orificio D
Dos formas básicas: Con Asa: usada en tuberías con bridas RF
d
Universal para bridas RTJ y cajas porta placas. Porta Placa ASA TOMA AGUAS ABAJO TOMA AGUAS ARRIBA
EMPACADURA
ORIFICIO DE DRENAJE
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Placa de orificio Lamina delgada con un orificio circular concéntrica
Espesor pequeño Bordes rectos
D
Borde aguas arriba es recto Dos formas básicas:
Con Asa: usada en tuberías con bridas RF Universal para bridas RTJ y cajas porta placas.
d
DISEÑO Y SELECCION Placa de orificio d: (diámetro del orificio calculado) diámetro interno del orificio , calculado a temperatura de flujo Tf (usado para el calculo). dm: (diámetro del orificio medido) diámetro interno del orificio , medido a temperatura Tm correspondiente al instante de la medición dimensional.
dr: (diámetro de referencia del orificio) diámetro interno del orifico calculado a la temperatura de referencia Tr..
DISEÑO Y SELECCION Tubo de medición D: (diámetro de la tubería calculado) diámetro interno de las sección aguas arriba calculado a la temperatura de flujo Tf. Dm: (diámetro del tubería medido) diámetro interno de la sección de la sección aguas arriba. Medido a la Tm correspondiente al instante en que se llevó a cado la medición dimensional. Dr: (diámetro de referencia de la tubería) diámetro interno de la sección de la tubería aguas arriba, calculado a la temperatura de referencia Tr
DISEÑO Y SELECCION Calculo de los diámetros = 1 + α ∗ ( − )
D= 1+∝ ∗ ( − )
= 1 + α ∗ ( − ) = 1 + α ∗ ( − )
α : ó ( ) α : ó ( ) :
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Diámetro del Orificio y Circularidad
dm promedio de 4 o mas mediciones Registrar la Tm Temperatura ambiente controlado ± 1°F (1±0.5°C).
DISEÑO Y SELECCION Relación de diámetros - Calculo del β
β=
D
ᵝ: relación de diámetros
d
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Placa de Orificio - Planicitud
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio - Rugosidad
Rugosímetro
Recto Afilado libres de acumulación, libre de polvos, grasas, aceites Rasguños Abolladuras Raspaduras
Recomendaciones: Implementar procedimientos
Rugosidad < 50µ (1.27µ)
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio - Limpieza
Las caras de la placa de orificio deben mantenerse siempre limpias y libres de acumulaciones de suciedad, hielo, polvo, grasa, aceite, líquidos y otros materiales extraños.
Para asegurar lo mencionado r se implementa un programa de inspección (diario, semanal, mensual, etc., dependiendo de las condiciones del servicio).
Daño y/o acumulación de materiales extraños en la placa producen un incremento en la incertidumbre de medición (Cd[FT]).
Después de cualquier inspección, la placa debe quedar completamente limpia, antes de volver a entrar en servicio .
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio - Limpieza
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Borde de la Placa
Para el borde aguas arriba y aguas abajo Recto Afilado Libre de defectos visibles Libre de asperezas
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Placa de Orificio – Borde de la Placa
Se recomienda operar entre un 10% y el 90% del rango calibrado de las mediciones de presión diferencial
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Espesores 0.005 D
e
0.02 D
La diferencia entre cualquier valor medido de e en cualquier punto del orificio no debe ser mayor que 0.001 D e
E
E Aguas abajo
Aguas arriba
0.05 D, sin embargo
si 50 mm D 64 mm, E debe ser 3,2
e
mm Si D 200 mm la diferencia entre los valores medidos de E en cualquier punto de la placa no debe ser mayor que 0.001 D Si D < 200 mm la diferencia entre los valores medidos de E en cualquier punto de la placa no debe ser mayor que 0.2 mm Si E
e la placa debe ser biselada en el
lado aguas abajo. La superficie biselada debe estar bien acabada El ángulo del bisel debe ser 45°± 15°
D d
Flujo
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Espesor E
E Aguas abajo
Aguas arriba
Los valores mínimo, máximo y recomendados
para el espesor de las placas (E) de acero inoxidable 304 y 316 están dados en la Tabla 2-3. La máxima presión diferencial permisible recomendada según el espesor, está en la Tabla 23 para temperaturas de operación menores a 150 ºF. Casos particulares que no cubra la Tabla 2-3 deben consultarse en el Apéndice 2-E (Máxima presión diferencial permisible), en caso de que este sea insuficiente debe consultarse el Apéndice 2-F (Guía para el uso de presiones diferenciales altas para medición de gas natural por placa de orificio).
e D d
Flujo
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Espesor E
El uso de presiones diferenciales altas origina un aumento en la incertidumbre del
factor de expansión de aproximadamente 0.1%. Debe tenerse en cuenta que en los sistemas que operan en un rango de caudales amplio, al trabajar en bajo flujo pueden generarse errores significativos de no remplazar la placa. Generalmente se considera una buena práctica operar entre el 10 y el 90% del rango calibrado del medidor de presión diferencial
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Excentricidad
∈ ≤
0.0025 ∗ 0 . 1 + 2 . 3 ∗ 4
∈ =
− ´ 2
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Tubo de Medición
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Tubo de Medición
PRINCIPIO DE OPERACIÓN Placa de Orificio – Tubo de Medición
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Tubo de Medición
Cualquier conexión bridada o soldada aguas abajo deber de estar a por lo menos 2” de la cara aguas debajo de la placa o en su caso debe estar bien pulida de tal manera de garantizar su circularidad y rugosidad estipulada. Los empaques dentro de la región hasta 0.5*D aguas abajo no debe invadir el área de flujo. El acondicionar de flujo debe de encontrarse aguas arriba de la placa de orificio. Todas las secciones del tubo deben cumplir los requisitos de calidad superficial. La rugosidad de la superficie interna del tubo se determina en misma localización axial donde se determino el diámetro. (realizar mínimo 4 mediciones)
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Tubo de Medición
Para medidores D nominal <12” • Si βr<=0.6 rugosidad máxima 300µPlg y > 34µPlg • Si βr >=0.6 rugosidad máxima 250µPlg y > 34µPlg Para medidores D nominal >12” • •
Si βr<=0.6 rugosidad máxima 600µPlg y > 34µPlg Si βr<=0.6 rugosidad máxima 500µPlg y > 34µPlg
DISEÑO Y SELECCION Placa de Orificio – Tubo de Medición – Diámetro del tubo
El Dm se determina con el promedio de por lo menos 4 mediones uniformes espaciadas sobre el plano a 1” de caras aguas arriba de la placa de orificio. Para determina UL debe de verificarse por lo menos en dos secciones trasnversales. El diámetro del tubo debe realizarse mediciones a 1” aguas abajo de la placa. Sobre las secciones aguas abajo DL debe hacerse 2 mediciones de verificación del diametro. Realizar las mediciones ambiente controlados estables maximo con variaciones de 5°F
DISEÑO Y SELECCION Tubo de Medición – Diámetro del tubo - Tolerancia
En la región 1D aguas arriba de la placa: −
En cualquier otra región aguas arriba de la placa: −
∗ 100 ≤ 0.25%
∗ 100 ≤ 0.5%
En cualquier otra región aguas abajo de la placa: −
∗ 100 ≤ 0.5%
DISEÑO Y SELECCION Rectificadores y Acondicionadores de Flujo
Rectificadores de 19 tubos: • Concéntricos • Paredes de los tubos en contacto. • No pueden estar espaciados
DISEÑO Y SELECCION Rectificadores y Acondicionadores de Flujo
Rectificadores de 19 tubos: • El montaje de los rectificadores debe se axial en el tubo
OD: diámetro del rectificador LTB: distancia del rectificador NPS: Diámetro nominal
DISEÑO Y SELECCION Rectificadores y Acondicionadores de Flujo
Rectificadores de 19 tubos:
DISEÑO Y SELECCION Tomas de Presión Son un par de agujeros taladrados radialmente en la pared del tubo de medición o del porta placa. El borde interno deber ser al ras. En el caso de placas con tomas en las bridas o en la cámara anular, las tomas deben estar en ángulo recto para facilitar la manipulación de las válvulas de conexión. Posicionados longitudinalmente a 1” de la placa de orificio aguas arriba y aguas abajo. Ambas tomas deben estar a la misma posición No se debe utilizar la línea de presión para la toma de medición de otros instrumentos
DISEÑO Y SELECCION Tomas de Presión
El taladrado de los agujeros para las tomas de presión debe realizarse radialmente al tubo de medición Tolerancia:
DISEÑO Y SELECCION Tomas de Presión
El diámetro de las tomas no debe reducirse dentro del recorrido de una longitud igual a 2.5 veces del diámetro de la toma. Todas las tomas de presión deben conservar la circularidad. El diámetro interno de la línea manométrica debe permanecer constante hasta el sensor de presión y/o manifold Para evitar perdidas o caídas de presión en la línea de gas entre la tomada y en sensor de presión esta debe diseñarse con la menor longitud posible.
DISEÑO Y SELECCION Tomas de Presión – Estática - diferencial Pr es ión es táti c a , se puede medir directamente o obtenerse agregando la presión atmosférica a la presión manométrica. Presión Diferenc ial, medida entre las tomas en las brida aguas arriba y abajo.
DISEÑO Y SELECCION Tomas de Temperatura Los termopozos se localizan aguas abajo pueden estar a una distancia entre DL y 4DL con acondicionador y a una distancia no inferior de 36 plg
ECUACIONES DE FLUJO Leyes
La ecuaciones de flujo se basa en las siguientes leyes: Conservación de la masa. Conservación de la energía. Ecuaciones de estado Ecuaciones empíricas. Postulados termodinámicos.
ECUACIONES DE FLUJO Ecuación de Bernoulli
ECUACIONES DE FLUJO Ecuación de Continuidad
ECUACIONES DE FLUJO Ecuación para Caudal de Masa
∈: ó
C: coeficiente de descarga
Fh: Factor de corrección ℎ = 1 + 1 − 4 ( )
ECUACIONES DE FLUJO Calculo del coeficiente de descarga (C)
ECUACIONES DE FLUJO Calculo del factor de expansión isentropica ( Є)
Calculo del Caudal
=
,
=
qv : flujo volumétrico en condiciones de operación Qv : Flujo volumétrico en condiciones estándares
¿PREGUNTAS?
