El Probador Bidireccional de Esfera, Concepto y Principio de Funcionamiento

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El Probador Bidireccional de Esfera, Concepto y Principio de Funcionamiento Jonhatan H. Bernal Salinas [email protected] Jhon Fredy Ramirez Bejarano [email protected]

Resumen—Existen muchos tipos de probadores para medidores de flujo como lo son por ejemplo los probadores unidireccionales de pistón o esfera, los probadores para volúmenes pequeños “small prover” y los probadores bidireccionales de esfera. Sobre este ultimo enfocaremos el documento, explicando cual es su concepto y su principio de funcionamiento, el por qué del diseño y configuración de tubos y válvulas en la construcción de un probador de este tipo y la manera en que se utilizan para la verificación de caudalímetros o medidores de flujo. Index Terms—Caudalimetros, Principio de Desplazamiento, Valvulas, Flujo

I.

INTRODUCCIÓN

El hecho de que un probador sea de desplazamiento bidireccional, supone una gran ventaja sobre los Unidireccionales y más si su operación es automática, debido a que al ser bidireccional permite un gran número de carreras de pruebas constantes una tras de otra y por largos tiempos sin necesidad de esperar a que el desplazador se devuelva a su posición inicial para iniciar un nuevo conteo. No importa la dirección del desplazamiento pues ya sea en un sentido o en otro, al pasar la esfera por los detectores se inicia una corrida de prueba y el conteo dentro del volumen calibrado. Lo anterior es una de las razones del porque la forma del diseño de este tipo de probadores como lo veremos posteriormente. II.

Figura 1. Probador Bidireccional de Esfera (Calibración de un probador bidireccional. CENAM. p 2)

P RINCIPIO DE O PERACIÓN O F UNCIONAMIENTO DE UN P ROBADOR B IDIRECCIONAL

Su operación se basa en el principio de desplazamiento. En la página de internet http://www.ltssales.com/Prover.aspx se puede ver una animación que ayuda a entender el funcionamiento del probador. Así que de acuerdo al principio de desplazamiento, su funcionamiento es el siguiente[4] Inicia el flujo en la línea principal y el fluido pasa por el medidor (Figura2). Se abren las válvulas de entrada y de salida del probador y se activa el bloqueo de flujo cerrando la válvula en la línea principal (Figuras 3, 4, 5). Lo anterior se realiza para permitir el flujo a través del probador sin interrmpir el curso normal de este. De esta manera entra en funcionamiento el probador para la verificación del medidor. El fluido que acaba de pasar por el medidor (o lo que es menos común, el fluido que va en camino al medidor) empuja a la esfera, en un probador compacto, a lo largo

Figura 2.

Flujo en la línea principal a través del medidor

del probador. La esfera realiza un sello hermético contra la pared del probador. Al entrar la esfera a la sección de volumen conocido un sensor detecta su proximidad y envía una señal eléctrica que abre una compuerta electrónica para admitir y contar los pulsos que son emitidos por el medidor bajo calibración. Cuando la esfera abandona la sección de volumen conocido entonces un segundo sensor de proximidad envía

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Figura 3.

Apertura válvula de entrada del probador

Figura 6.

Apertura de la válvula de cuatro vías

Figura 4.

Apertura válvula de salida del probador

Figura 7.

La esfera recorre la sección de volumen conocido

la señal eléctrica para cerrar la compuerta electrónica y finalizar el conteo de pulsos. Después de realizar las correcciones pertinentes se compara el total de pulsos acumulados durante el viaje de ida y vuelta de la esfera contra el volumen base del probador (round trip volume). En los probadores bidireccionales el problema de retornar a la esfera al punto de partida se resuelve por medio de una válvula de 4 vías, con la cual se puede invertir el flujo que pasa por el probador sin interferir con el flujo

Figura 5.

Bloqueo de flujo en la línea principal

uniforme que pasa a través del medidor bajo calibración. Para evitar golpes hidráulicos, la válvula de 4 vías se diseña de tal forma que el paso de fluido no se vea interrumpido en ningún momento durante la operación de la válvula (ver figura 10). En estas condiciones, la esfera empieza a moverse hacia la zona de volumen conocido mientras la válvula de 4 vías continua girando; bajo estas circunstancias es necesario estar seguros que la válvula de 4 vías haya

Figura 8. La esfera apenas activa el segundo sensor de proximidad indica que ha salido de la sección de volumen conocido

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Figura 9.

Se comparan los pulsos contados de ida y vuelta

Figura 10. Funcionamiento de la válvula de cuatro vías (Calibración de un probador bidireccional. CENAM. p 3)

finalizado su movimiento antes de que la esfera alcance el primer sensor. Para asegurar que suceda esto, se deja una porción de tubo sin calibrar entre la posición de reposo de la esfera y el detector, a esta porción del probador se le conoce como sección de pre-corrida o tramo de llegada.1 Para no invalidar la comparación entre el probador y el medidor bajo calibración, es imprescindible garantizar que todas las válvulas instaladas entre el medidor de volumen y el probador tengan un cierre hermético. En el MPMS de API se recomienda que todas las válvulas tengan un mecanismo de verificación de hermeticidad, y que las válvulas de bloqueo, incluida la válvula de 4 vías, posean doble sello. III.

ACCESORIOS Y CARACTERISTICAS DE UN P ROBADOR B IDIRECCIONAL DE E SFERA

Refiriendonos directamente al Manual de Medición de Hidrocarburos capitulo 4, Sistemas Probadores, los probadores bidireccionales tienen los siguientes accesorios y caracterisiticas (ver figura 6): Al menos una tapa de apertura rápida (instalada en la cámara de lanzamiento de la esfera), con dispositivo indicador de presión, con capacidad que cubra la máxima presión del sistema. Válvulas de venteo en los puntos más altos de las cámaras de lanzamiento. 1 En el Manual de Medición de Hidrocarburos a esta parte también se le llama “Tubería de carrera previa del probador”.

Figura 11. Accesorios Probador Bidireccional de Esfera (Manual de Medición de Hidrocarburos, capitulo 4, Sistemas Probadores)

Válvulas de alivio térmico en la salida del probador. Válvulas de drenaje en los puntos más bajos fuera de la sección calibrada y en las cámaras de lanzamiento. Transmisores de presión y temperatura, manómetros (opcional) y conexión para termómetro certificados en la entrada y salida del probador. En el caso especifico de núestro probador bidireccional se podria prescindir inicialmente de estos elementos, asi como los sensores de temperatura, debido a que inicialmente el probador se utilizará para verificar los caudalímetros por ultrasónido y como vimos antes: el método de medir el caudal o la velocidad del fluido en el tubo por el tiempo de transito de la señal ultrasónica es independiente de factores como la temperatura, la presión y la composición del fluido. Sin embargo tal vez si se instalen sensores y transmisores de presión para controlar esta variable dentro del probador. Conexiones permanentes para re-calibración en campo. Esfera elastómera2 , los materiales empleados en la construcción de esferas elastómeras varían de acuerdo a las aplicaciones para las cuales son usadas, las de uso común tienen tres materiales básicos, neopreno, nitrilo y uretano, como ya se dijo, estas son las encargadas de activar los switches del detector y transportar el volumen de líquido calibrador. Detectores de esfera (2 ó 4). Se deber proteger el probador internamente con material que proporcione un acabado sólido, suave y durable, reduzca la corrosión y prolongue la vida útil tanto del desplazador como del probador. Cámaras de lanzamiento que envían la esfera en la corrida de prueba, como también desaceleran la misma al llegar a ellas. Tuberia de carrera previa del probador (o sección de prerecorrida o tramo de llegada): El volumen interno de la tubería de carrera previa del probador debe permitir a la máxima rata de operación el suficiente tiempo a la válvula de cuatro vías para hacer sello completo antes 2 Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico. El término, que proviene de polímero elástico, es a veces intercambiable con el término goma, que es más adecuado para referirse a vulcanizados. (http://es.wikipedia.org/wiki/Elast %C3 %B3mero)

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que la esfera actúe los switches, asegurando que el fluído registrado por el medidor este pasando completamente a través de la sección calibrada del probador. La longitud de la carrera previa se calcula de la siguiente forma:   CicloV al + 0, 5seg Vesf era (1) LongCP = 2 Donde: LongCP : Longitud carrera previa, CicloV al: Ciclo de la válvula de 4 vias en segundos, Vesf era : Velocidad de la esfera o desplazador. La carrera previa se mide desde el punto donde se reduce la tubería y el sitio donde esta instalado el detector. La sección de volumen calibrado en el probador es la comprendida entre los switches detectores y se compara con el volumen registrado en el Medidor bajo prueba; de ésta relación resulta el factor de corrección llamado “FACTOR DEL MEDIDOR. El volumen base calibrado es la suma de los volúmenes en ambas direcciones entre detectores (Ver Figura 4 y 6). Aunque el rango de flujo de los probadores bidireccionales es función del espesor de tubería, de la velocidad de la válvula de 4-vías y, especialmente desde el punto de vista práctico, de la velocidad mínima (0.5 pies/seg.) y máxima (5 pies/seg.) de la esfera, el tamaño de probador se puede estimar a partir de la siguiente tabla [1]: Probador Bidireccional Tamaño Tubo Probador [Pulgadas] 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 30

Tamaño Cámara de Lanzamiento [Pulgadas] 8 10 12 14 16 18 20 24 24 30 36

Rango de Flujo BPH 30-300 65-650 110-1100 180-1800 250-2500 300-3000 410-4100 500-5000 650-6500 930-9300 1100-11000

Cuadro I P ROBADOR B IDIRECCIONAL (M ANUAL DE M EDICIÓN DE H IDROCARBUROS , CAPITULO 4. P 17)

IV.

C ITERIOS PARA LA C ONSTRUCCIÓN

En el documento API MPMS capitulo 4 sección 2 “Proving Systems - Displacement Provers” se habla específicamente de este tipo de probadores y debe ser construido de acuerdo con esa norma teniendo como base los siguientes criterios [1] 1. El número de pulsos generados para el volumen completo no será inferior a 20,000 pulsos (equivalente a 10,000 pulsos entre detectores de esfera). 2. Para medidores de flujo con baja resolución de pulsos se puede utilizar el método de interpolación de pulsos descrito en el API MPMS 4.6 “Proving Systems – Pulse Interpolation” para obtener el valor de 0.01 % pulsos de resolución.

3. La resolución del conjunto detector/esfera en la calibración del probador, deberá ser tal que el conjunto asegure una repetibilidad que no exceda el 0.02 % entre el volumen mayor y menor obtenido en 5 corridas consecutivas de calibración del probador. 4. Para probadores de pequeño volumen o aquellos que usen métodos de interpolación se puede usar métodos estadísticos. 5. Los probadores existentes poseen dos (2) detectores de esfera (uno en cada extremo de la sección calibrada) y un volumen de calibración certificado. 6. Todos los probadores nuevos deben tener instalados cuatro (4) detectores de esfera (dos en cada extremo) y dos (2) volúmenes calibrados certificados. El volumen calibrado entre los dos pares de detectores debe ser suficiente para permitir la identificación del par de detectores que están siendo utilizados (la diferencia de volúmenes calibrados no deberá ser mayor a 0.05 %). 7. La mínima velocidad de la esfera será de 0.5 pies/seg. y la máxima será de 5 pies/seg. 8. El margen de incertidumbre serán de ± 0.04 % del volumen calibrado (incertidumbre expandida con un factor de cobertura k=2). 9. El cambio de alguno de los dos “optical switch” (correspondientes a la cámara de medición), obliga a calibrar el probador. En este punto se tiene la misma consideración de los probadores bidireccionales en el sentido de cambiar los “switches”, para este caso los del tipo óptico, siempre en parejas, o cada vez que se haga calibración del probador. V.

D IAGRAMA DE F LUJO

De acuerdo a la descripción del principio de funcionamiento del probador bidireccional, básicamente el diagrama de flujo del funcionamiento del probador sería como el mostrado en la Figura12. R EFERENCIAS [1] Ecopetrol. Manual de Medición de Hidrocarburos, Capitulo 4 - Sistemas Probadores. Colombia. 2008 [2] Peter Syrnyk & Dave Seiler. Use liquid ultrasonic meters for custody transfer. Estados Unidos. 2007 [3] Antonio Creus Solé. Instrumentación Industrial. Ed. AlfaomegaMarcombo. 1999 [4] CENAM, División Flujo y Volumen. Calibración de un probador bidireccional. México [5] Endress+Hausser. Medición de Caudal, Guía Practica: Tecnologías de Medición-Aplicación-Soluciones. Estados Unidos. 2005 [6] American Petroleum Institute. Manual of Petroleum Measurement, Cap 4. API. Estados Unidos. 2003

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Figura 12.

Diagrama de Flujo Probador Bidireccional