A NAL ANA L ISIS Y UTILIZA UTIL IZACIÓN CIÓN DE REPORTES AGA A GA A PL PLICA ICAB B L ES A L A MEDICIÓN DE GAS NATU NA TURAL RAL KA ZUTO KAZU TO KA KAWAKIT WAKITA A IIPT PT IInstitu nstititu ns tuto to de d e Pesqui esquisas sas Te Tecn cnol ológ ógic ica as IP Insti esqui sq uisas Laboratório d e Vazão
[email protected] 1ª JORNADA TÉCNICA INTERNACIONAL EN MEDICION MEDI CION FLUJ UJO O DE GAS MEDIC ION DE FL FLUJO 4, 5 y 6 de Sept Septiem iembr bre, e, 200 2002 2 Bucaramanga Colombia
AGA GA A
Repo Rep ort nº 3
AGA GA A
Repo Rep ort nº 7
Orifi ce Mete Orifice Meteri ring ng of Na Natu tural ral Gas Gas and Other Related Related Hydroc ydroca arbon Fluids
Measure sureme ment nt of Ga Gas by Turbine Mete ters rs
AGA GA A
Repo Rep ort nº 8
Compressibility Factors of Natural Natural Ga Gas and Other Other Related Re lated Hydrocarbo Hydro carbon n Gases Gases
AGA GA A
Repo Rep ort nº 9
Measur sure ement of Ga Gas by Mult Multipath ipath Ultr ltra asoni sonicc meter meter
AGA GA A
Repo Rep ort nº 3
AGA GA A
Repo Rep ort nº 7
Orifi ce Mete Orifice Meteri ring ng of Na Natu tural ral Gas Gas and Other Related Related Hydroc ydroca arbon Fluids
Measure sureme ment nt of Ga Gas by Turbine Mete ters rs
AGA GA A
Repo Rep ort nº 8
Compressibility Factors of Natural Natural Ga Gas and Other Other Related Re lated Hydrocarbo Hydro carbon n Gases Gases
AGA GA A
Repo Rep ort nº 9
Measur sure ement of Ga Gas by Mult Multipath ipath Ultr ltra asoni sonicc meter meter
CAMPO DE APLICACION
Medidores tipo turbina axiales
Regula la medición de gas en los siguientes aspectos:
Construcción
Instalación
Operación
Prácticas de calibración
Métodos de cálculo para determinación de flujo volumétrico y másico de gas
CONSTRUÇÃO COMPONENTES DEL MEDIDOR TIPO TURBINA Cuerpo
Rotor da turbina
Indicador mecánico o electrónico Conexión
Pasaje anular
Entrada
Estator de salida
Estator de entrada
Invólucro do mecanismo
FIGURA 1
Salida
CONSTRUÇÃO MEDIDORES TIPO TURBINA
Termómetro de control
Toma de presión Pt100
VARIACION DE PARAMETROS DENTRO DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA
Diagrama equivalente de fluido de un medidor tipo turbina
Presión p
Conversión de energia presión energia rotacional
Curva de presión a través de un medidor turbina
Diferença de temperatura 1oC Variaçión de la temperatura del gas a través de una turbina a una velocidad de 18 m/s.
Comprimento
CONFIGURACION RECOMENDADA PARA INSTALACION DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA
CONFIGURACION OPCIONAL PARA INSTALACION DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA (Short coupled)
CONFIGURACION OPCIONAL PARA INSTALACION DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA (Closed coupled)
CONFIGURACION RECOMENDADA PARA INSTALACION DE MEDIDOR TIPO TURBINA ANGULAR
RECTIFICADOR DE FLUJO
CURVA DE EXACTITUD DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA A PRESION ATMOSFÉRICA
EFECTO DE FLUJO HELICOIDAL EN UN MEDIDOR TIPO TURBINA
LIMITACION DE APLICACION DEL MEDIDOR TIPO TURBINA
PRUEBAS DE UN MEDIDOR TIPO TURBINA EN DIFERENTES PRESIONES Y DESPUES DE 5 AÑOS
COMPRESIBILIDAD
Defini Def inició ción n del Dicci Dicciona onario rio de la Industr Industria ia del Petró Petróleo leo::
“Relac “Rel ació ión n de dell vo volu lume men n re real al de dell ga gas s a un una a te temp mper erat atur ura a y pr pres esió ión n da dada das s por el volumen del ga gas cu cuando es calculado por la Le Ley de lo los Gases Ideales.”
Z = PV / n R T
O sea:
Desv De svio io de la Le Ley y de lo los s Ga Gase ses s Ide Ideal ales es o “no “no-i -ide deal alid idad ad de un ga gas. s.””
Z es af afectada po por la la:
- presión - temperatura compos posici ición ón de dell gas gas - com
COMPRESIBILIDAD
Impo Im port rtan ante te pa para ra un una a me med dic iciión ex exa act cta a de de fluj flujo o de ga gas
Per ero, o, es muc ucha has s ve vec ces equ quiv ivoc ocad ada a po porq rque ue::
• No es es fácil de en entender y ca calcular • Exi xige ge al algú gún n co cono noci cime ment nto o de qu quím ímiica • Des espr prec ecia iabl ble e en las co cond ndic iciion ones es ba base se • Pu Pued ede e re repr pres esen enta tarr 20 20% % de co corr rrec ecci ción ón de dell vo volu lume men n e al alta tas s pr pres esio ione nes s • Va Varí ría a mu much cho o en fu func nció ión n de la co comp mpos osic ició ión n • Lo Los s hidr hidro oca carb rbur uro os so son n más más co comp mpre resi sib ble les s qu que e los gas ases es ine inert rte es
Mod ode elo te teór óric ico o de un una a mo molé lécul cula a de Meta tano no (CH4)
H C H
H H
Gas Ga s id idea eall (H (He, e, Fr Freo eon) n):: co colilisi sión ón el elás ásti tica ca en entr tre e la las s mo molé lécu cula las s de ga gas s Gas re Gas real al:: col colis isió ión n no es pe perf rfec ecta tame ment nte e el elás ásti tica ca en entr tre e la las s molé mo lécu cula las s de ga gas s deb debiido a la las fue uerz rzas as de Van de derr Waa aalls (adherencia)
MÉTODOS DE CÁLCULO DEL FACTOR DE COMPRESIBILIDAD Z • Sumatoria de los segundos coeficientes viriales GPA 2172-86 y anteriores • Método alternativo de sumatoria de los términos b1/2 • NX-19 (Método AGA anterior a 1992) • AGA-8 Gross • AGA-8 Detail
MÉTODO DEL AGA REPORT No. 8 Publicado en 1992, con la intención de cubrir un rango mas amplio de condiciones, y de ser mas exacto.
Basado en ecuaciones iterativas de cálculo computacional
Las ecuaciones para cálculo de Fpv son ecuaciones de estado basadas en mezclas complejas y conjuntos de combinaciones binarias de moléculas puras.
El cálculo detallado y una combinación de la Segunda Ecuación Virial para aplicaciones de baja densidad, y funciones exponenciales para las aplicaciones de densidad mas elevada, como en las líneas de transporte de gas natural.
MATRIZ DE COBERTURA DEL AGA REPORT No. 8
AGA REPORT No. 8 Detail Method • Rango de aplicación mas amplio • Exige un análisis completo del gas
AGA REPORT No. 8 Gross Method • Rango de aplicación restringido • Permite el cálculo con datos incompletos de la calidad del gas • Permite el uso de la gravedad, calor específico o composición de metano, y concentraciones de CO2 y N2.
Incertidumbre del cálculo de la AGA Report No. 8 Detail Method
Error de Z o Fpv versus Presión 1.20 FPV Gás rico (1239 BTU)
1.15 1.10
b Z / 1 = 1.05 v p F
FPV Gás pobre (1034 BTU)
1.00 0.95 0.90 PSIA
146.4
409.8
Fpv: antiguo factor de supercompresibilidad
673.2
936.6
1200
PLACA DE ORIFICIO
ΔP
P
v
D
T
d
Normas: ISO 5167 e AGA Report #3
h
2 π d & = C⋅ ⋅ m 4
1 1− β
4
⋅
2
ΔP ρ
β =
d D
Tomadas de pressão do tipo D e D/2
Tomadas de pressão do tipo corner taps
TOMAS DE PRESIÓN
Escoamento
Pressão sobre a parede interna do tubo
Tomadas de pressão do tipo flange taps
Plano da "vena contracta"
Perda de carga efetiva
PREFACIO El AGA Report No. 3, Part 2 suministra las exigencias de la especificación y de la instalación para la medición de fluidos Newtonianos monofásicos y homogéneos utilizando sistemas de medición con placas de orificio concéntrico con tomas de presión de tipo flange taps.
El documento presenta las especificaciones para la construcción e instalación de placas de orificio, tubos de medición y conexiones asociadas.
La utilización de placas con tomas de presión del tipo pipe taps está detallada en el AGA Report No. 3, Part 3.
REQUISITOS DE ESPECIFICACION E INSTALACION El AGA Report No. 3, Part 2, 4th edition, 2000 trae alteraciones en las tolerancias de especificaciones mecánicas en relación a las ediciones anteriores.
En particular, las exigencias en cuanto a los tramos rectos de tubería fueron ampliadas.
Este cambio reduce la incertidumbre atribuible a los efectos de la instalación a una magnitud menor que la de la incertidumbre del banco de datos en el cual se basa la ecuación de ReaderHarris/Gallagher (RG), por lo tanto, no deberia afectar la incertidumbre previamente definida para esta ecuación.
ACTUALIZACION DE INSTALACIONES YA EXISTENTES
El documento no exige la actualización de instalaciones ya existentes. Entretanto, si las instalaciones de medición no fueran actualizadas, pueden ocurrir errores de medición debido al acondicionamiento inadecuado del flujo en los tramos rectos de tubería aguas arriba.
La decisión sobre la actualización de las instalaciones existentes es una decisión que corresponde a las partes involucradas .
RELACION DE DIAMETROS r La norma se basa en relaciones de diámetros (βr) en el rango entre 0.10 y 0.75
El uso de medidores en los extremos del rango de βr debe evitarse siempre que sea posible
La incertidumbre mínima para el coeficiente de descarga Cd es conseguida con βr entre 0.2 y 0.6 y diámetros de orificios iguales o mayores que 0,45 pulgadas
ELEMENTO PRIMARIO El elemento primario se define como el “conjunto constituído por la placa de orifício , la porta-placa con sus tomas de presión diferencial asociadas, el tubo de medición , y el acondicionador de flujo , si es utilizado.”
Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters Transmission Measurement Committee Report No. 9
Copyright 1998 American Gas As sociation Al l Rights Reserved Operating Section Ameri can Gas Association 1515 Wilson Boulevard Ar lington, Vi rginia 22209 Catalog No. XQ9801 June 1998
Principio de Operación
Uno o mas pares de transductores
Tránsito alternado de señal de 100 (& 200) kHz
Medición de la diferencia en el tiempo de tránsito
Cada par de transductores muestra varias veces/seg
Determinación de la velocidad del gas
Calcula el volumen a partir de la velocidad media
Transdutores
v
D L/2
L/2
Transmisión de Señal Ultra-sónica
Ecuaciones Básicas Importantes
L tm = c − v ⋅ cos
ϕ
L vˆ = 2 ⋅ cos
t j =
L c + v ⋅ cos ϕ
⎛ 1 1 ⎞ ⎜ - ⎟ ϕ ⎜⎝ t j t m ⎠⎟
Ecuaciones Básicas Importantes r ⎞ ⎛ v(r) = vmax ⎜1 - ⎟ ⎝ R ⎠
1 n
1 ∫ ∫S v(r) dS S = kc 1 ∫L v(r) dL L
v=
1 L
1 V= S
∫L v(r) dr ∫ ∫ S v(r)dS
vm = f adjust ⋅ k c ⋅ v L
La expresión mas importante !!! Q = vm ⋅
π ⋅ d2 4
Requisitos de un Medidor Ultra-sónico
Cuerpo del medidor de alta calidad
Reloj de alta resolución
Electrónica estable
Sistema de procesamiento de señales inteligente
Resultados de pruebas y calibraciones extensivas
Ejemplo de Tiempo de Tránsito Diámetro nominal del medidor= 12” Longitud típica del rayo = 0,70 m Velocidad del sonido en GN = 387 m/s
Tiempo de tránsito para velocidad cero del gas = Longitud / Velocidad del sonido = 0,70 / 387 = 0,0018 segundos
Ejemplo de Tiempo de Tránsito Tiempo de tránsito aguas arriba : T j
=
c
+
L v ⋅ cos
ϕ
(Velocidad del gas a 0,61 m/s ) T j = ( 0,700 ) / (387 + 2
.
Cos 60 ) = 1.8065 . 10 -3 Sec.
Tempo de trânsito a montante:
Tm =
c
−
L v ⋅ cos ϕ -3
Tm = (0,700) / (387 – 2 · Cos 60 ) = 1,8093 · 10 Sec. -3
-3
-6
Diferença = 1,8065 · 10 – 1,8093*10 = 2,753 · 10 s !
Rayo Reflectivo Único (Medición para control)
Dos Rayos Reflectivos (Transferencia de custodia)
Tres Rayos Reflectivos (Transferencia de custodia)
Combinación Matricial de Cinco Rayos (Transferencia de custodia)
Aplicaciones de Medidores Ultra-sónicos
Mediciones de transferencia de custodia
Plantas termoeléctricas
Balance de gasoductos
Almacenamiento subterraneo
Control de compresores
Medición offshore para pago de impuestos
Ventajas del Medidor Ultra-sónico
Amplio rango de operación (> 50:1)
No causa pérdida de carga
Medición de flujo bi-direccional
Exactitud elevada
Linealidad
Exento de partes móviles, bajo mantenimiento
Aplicable a gases sucjos y con algunos líquidos
Limitaciones Operacionales Típicas
Temperatura del gas: -30°C
+80°C
Presión del gas: 1 a 690 bar g (15 a 10000 psi g)
Contenido de CO2 inferior a 20%
Temperatura ambiente: -40°C
Nivel de H2S depende del transductor
Velocidades del gas hasta 30 m/s
+60°C
Requisitos Generales de Instalación
10D aguas arriba recomendado
5D aguas abajo recomendado
Acondicionador de flujo opcional
Evitar válvulas de control con dif >14 bar.
Calibración contra medidor patrón opcional
Requisitos de Desempeño de AGA #9 Leitura de zero < 12 mm/s (para cada feixe acústico) 1,6 1,4
Repetitividade±0,4% (q i < q t )
1,2 1,0
Limite de erro para medidores pequenos (<12”): +1,0%
0,8
Limite de erro para medidores grandes (>12”): +0,7%
0,6
] % [ o r r E
Limite expandido do erro: +1,4% (q i < q t)
0,4 0,2 0,0 -0,2
Erro max pico a pico: 0,7% (q i ≥ q t )
-0,4 -0,6
Limite de erro para medidores grandes (>12”): -0,7%
-0,8 -1,0 -1,2
Repetitividade: ± 0,2% (q i ≥ q t )
-1,4
Limite de erro para medidores pequenos (<12”): -1,0% Limite expandido do erro: -1,4% (q i < q t)
q t ≤ 0,1q max
-1,6
q mi n q t
q max
Requisitos de AGA 9 para medidores < 12” ± 1,0% ( q t ≤ q i ≤ q max ) ± 1,4% ( q min ≤ q i ≤ q t )
Error máximo:
Error máximo pico a pico: 0,7 % ( q t ≤ q i ≤ q max ) (Ver Fig. 1)
Repetibilidad:
Resolución:
Intervalo de muestreo:
Lectura de caudal nula: < 12 mm/s para cada rayo acústico
(Ver Fig. 1)
± 0,2% ( q t ≤ q i ≤ q max ) ± 0,4% ( q min ≤ q i ≤ q t )
± 0,001 m/s ≤ 1 segundo
Requisitos de AGA 9 para medidores 12” ± 0,7% ( q t ≤ q i ≤ q max ) ± 1,4% ( q min ≤ q i ≤ q t )
Error máximo:
Error máximo pico a pico: 0,7 % ( q t ≤ q i ≤ q max ) (Ver Fig. 1)
Repetibilidad:
Resolución:
Intervalo de muestreo:
Lectura de caudal nula: < 12 mm/s para cada rayo acústico
(Ver Fig. 1)
± 0,2% ( q t ≤ q i ≤ q max ) ± 0,4% ( q min ≤ q i ≤ q t )
± 0,001 m/s ≤ 1 segundo
Capacidad de los Medidores Según AGA #9 Dimensão Nominal
QMin [ACFH]
Qt [ACFH]
QMax [ACFH]
3 4 6 8 10 12* 12 16 20 24 30 36
800 900 1 000 1 200 2 000 2 500 3 000 5 000 7 000 10 000 15 000 20 000
1 500 2 000 3 000 3 500 4 000 5 000 5 500 8 000 12 000 17 000 25 000 35 000
18 500 32 000 72 000 125 000 200 000 250 000 280 000 450 000 700 000 1 000 000 1 600 000 2 300 000
Fundo de escala [ACFH] 24 000 40 000 90 000 150 000 240 000 360 000 360 000 562 500 900 000 1 200 000 2 000 000 2 812 500
Faixa de operação 12.3 / 23.2 16.0 / 35.6 24.0 / 72.0 35.7 / 104.2 50.0 / 100.0 50.0 / 100.0 50.9 / 93.3 56.3 / 90.0 58.3 / 100.0 58.9 / 100.0 64.0 / 106.7 67.7 / 115.0
Calibración de un medidor de 4” 4 Inc h REPETITIVIDADE Meter Repeatability 1.0 0.8
] % 0.6 [ ) t o 0.4 n ã e ç c 0.2 a r c i e d P 0.0 ( n i 0 r e o -0.2 d r r o -0.4 E r r E -0.6
10
20
30
40
50
60
-0.8 -1.0
Veloci ty (fps) Velocidade [ ft/s]
70
80
90
100
Calibración de un medidor de 4” DESEMPENHO 4 Inch Meter Performance 1,0 0,8
] % 0,6 [ ) t o 0,4 ã n ç e a c 0,2 r c i e d 0,0 P n ( i 0 r e -0,2 o d r r o -0,4 r E r E
10
20
30
40
50
60
-0,6 -0,8 -1,0
Veloci ty (fps) Velocidade [ ft/s]
70
80
90
100
Calibración de diversos medidores de 8” 0.7
0.5
] 0.3 % [ r o o r r 0.1 ã E ç t a n c i e c-0.1 0 d r n e i P e d -0.3 o r r E
10
20
30
40
50
60
70
-0.5
-0.7
Velo city (Feet p er[ Secon Velocidad ft/s] d)
80
90
100
