Medición Ultrasónica de Flujo de Gas a Quemador

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Introducción

La medición a quemadores es una importante pieza para el balance másico, la conservación de energía, la reducción de emisiones al ambiente y el cumplimiento con la ley ambiental. Los quemadores son sistemas de  descarga de seguridad los cuales típicamente manejan una gran diversidad de  rangos de  flujos, pueden contener una alta composición de ácidos, una humedad alta, una presión baja casi atmosférica con súbitos y críticos incrementos, la composición del gas tiene una variación importante de venteo a venteo, por estas razones los paradigmas tradicionales aplicables a los sistemas de medición no son en su mayoría exitosos, se ha intentado implementar másicos térmicos, annubares y algunas otras tecnologías solo con éxito parcial, en este artículo trataremos de evaluar la opción que representa la tecnología ultrasónica para solucionar este reto de medición.

Normatividad

A nivel nacional y aun cuando las NRF´s de Pemex están derogadas aún se siguen tomando como base para la selección de equipos por ejemplo la NRF 081 de transferencia de custodia así como la 035 referente a quemadores, aun cuando no están hechas para una aplicación como la de medición de flujo a quemadores.

Lo cierto es hay un requerimiento o guía técnica nacional específica para este tipo de aplicaciones, sin embargo, la CNH en su plan rector de medición en el Articulo 49 pide que estos sistemas de venteo tengan una incertidumbre de medición abajo del 2%.

En algunos países como en los Estados Unidos de América, el requerimiento para estos sistemas de medición es que su incertidumbre total este alrededor del 5% de acuerdo a EPA, que sería el homónimo a la secretaria del medio ambiente.

Internacionalmente únicamente API (American Petroleum Institute) en su Capítulo 14.10 especifica las características de estos sistemas de medición y la tecnología ultrasónica para solventar la aplicación, así como sus características.

Retos de la Medición y Consideraciones Técnicas

La medición de flujo de gas en Quemadores, siempre se ha caracterizado por ser un reto para cualquier tecnología, como características generales en estos sistemas se encuentran las siguientes condiciones de proceso:

Las presiones que manejan las líneas de venteo tradicionalmente son bajas la mayor parte del tiempo muy cerca de la atmosférica, pero con disparos de hasta 20 bar.

Rango de flujos poco definidos, esto es básicamente que el flujo puede estar fluctuando desde un valor cercano a la inexistencia e incrementarse de manera súbita a velocidades arriba de los 300 ft/s.

La composición del gas de desfogue es completamente impredecible, esta cambia de venteo a venteo haciendo imposible el predecir la capacidad calorífica y pesos moleculares del gas.

Las tecnologías tradicionales dadas las características operativas antes mencionadas hacen inviable la utilización de muchas de ellas de manera consistente, a continuación, listaremos algunas de ellas.

Tecnologías dependientes de presión diferencial, entre ellas Annubares, Vortex, es imposible la utilización de estos equipos en todo el rango de operación, considerando que para que estos equipos operen se requiere de una diferencial de presión mínima que al trabajar a presión atmosférica nunca se alcanza, sobre todo en el rango bajo.

Acerca de las tecnologías térmicas, hablando específicamente de los másicos térmicos, estos sistemas trabajan muy bien en corrientes donde la composición es estable o bien las capacidades caloríficas del gas son bajas, gases puros etc. Sin embargo, al variar la composición y las características térmicas del gas también sufren y se vuelven poco confiables, esto sin contar que las probetas son comúnmente propensas a retener sólidos en la resistencia.

Tanto las tecnologías dependientes de presión, como las térmicas no consideran los efectos de condensados en la línea.

Dadas estas condiciones se concluye, se requiere un sistema de medición el cual no sea dependiente la presión, la composición, tenga una gran rangeabilidad para manejar el flujo casi nulo hasta un flujo alto y que considere los efectos de condensados en la línea.

La Medición Ultrasónica para Quemadores

En el Mercado se pueden encontrar medidores Ultrasonicos que han sido específicamente diseñados para esta aplicación, es el caso del Flowsic100 de SICK de tipo intrusivo, estos equipos trabajan bajo el principio de tiempo de tránsito, se deben instalar probetas a ambos lados de la tubería, con arreglos de 1 o 2 trayectorias dependiendo la incertidumbre que se desee, para la mayoría de los tubos por debajo de 8 in el arreglo de 1 trayectoria es suficiente, para diámetros mayores 2 trayectorias es lo recomendado en la mayoría de los casos sin embargo siempre se tendrá que hacer el cálculo de incertidumbre de acuerdo a API 14.10 para garantizar la aplicación y su incertidumbre por debajo del 2%, y en todos los casos la aplicación requiere la compensación por presión y temperatura, en este sentido la utilización de transmisores de alta exactitud es de mucha ayuda una vez que se calcula la incertidumbre, por lo que se recomienda transmisores de presión con exactitud de al menos 0.04% en presión y 0.01% en temperatura.

Figura 1. Arreglo de instalación de Flowsic100 de SICK.

Ventajas de estos sistemas ultrasónicos:

  • No tienen dependencia de la presión de hecho pueden comenzar a medir a partir de presiones de vacío -0.5barg y en modelos estándar hasta 20 barg.
  • No tienen dependencia con la composición, los sistemas son en realidad medidores másicos en los cuales están midiendo el peso molecular del gas y haciendo la compensación de su volumen (la aplicación requiere compensación de presión y temperatura).
  • Los equipos están diseñados para manejo de gas acido ya que su construcción estándar es titanio
  • Los equipos tienen una rangeabilidad de 4000:1 lo cual los hace óptimos para reaccionar al cambio de régimen de flujo y mantener su exactitud
  • Los equipos son capaces de medir flujos con velocidades altas hasta 120m/s sin perder su exactitud.
  • Los equipos tienen compensación por presión y temperatura.
  • Se puede complementar con computadores de flujo ejecutando cálculos de flujo de acuerdo a AGA
  • Se tiene la medición másica del gas al quemador
  • Se tienen los pesos moleculares y su variación, así que se puede inferir la colaboración de las diferentes corrientes al quemador y en base a eso se puede hacer un cálculo para el % de condensados en la línea.

Los sistemas cumplen con lo solicitado por la CNH, y se diseñan para trabajar abajo del 2% de incertidumbre.

Figura 2. Conexión en Zonas Explosivas

Instalación de Sistemas Ultrasónicos de gas a Quemador

Los Medidor de Flujo de Gas Ultrasónico de descarga a Quemador modelos Flowsic100 de SICK, se manejan retractiles para la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, en algunos casos por cuestiones de seguridad se instalan fijos.

Los transductores son montados sobre boquillas de 2” Clase 150 ANSI, estas boquillas se soldán a la tubería existente para permitir la instalación de las probetas.

Las probetas cuentan con mecanismo Retráctil para permitir la inserción/extracción de los transductores sin detener el proceso, con válvulas de aislamiento tipo esférica de paso completo de 2” Clase 150 ANSI R.F. para servicio de gas amargo.

Los transductores se conectan directamente a la unidad de control, sin necesidad de utilizar preamplificadores y se pueden conectar a la unidad electrónica hasta una distancia de 1000mts.

El medidor de flujo cuenta con una unidad electrónica para el cálculo de flujo de gas a quemador por el método de tiempo de tránsito, determinar la velocidad de flujo, flujos volumétricos a condiciones actuales y estándar, flujo totalizado, peso molecular promedio y flujo másico, utiliza pantalla gráfica tipo cristal líquido con dos líneas independientes con teclado externo sellado de teclas de membrana retroalimentadas al tacto.

La electrónica es tropicalizada garantiza su durabilidad en ambientes tropicales y marinos. Debe poder manejar como mínimo conexión para 3 pares de transductores, 1 puerto de comunicación RS485, 2 entradas de 4-20mA para transmisores de Presión y Temperatura. Y debe poder ser expandible en entradas analógicas, puertos de comunicación en Ethernet y Señales Discretas, lo cual lo hace ideal para comunicarse con cualquier tipo de PLC o SCD.

La unidad electrónica puede solicitarse para alimentación ya sea en 24VDC o 100 a 120 VCA incluir acometidas suficientes para cableado de control y comunicación, así como accesorios de montaje. El software del Sistema relacionado debe suministrarse sin limitación de usuarios. Se suministran certificados de materiales, calibración del medidor de acuerdo a AGA 10 a Cero flujos.

Foto Terminal Marítima Dos Bocas

Conclusiones

La medición ultrasónica en medición de flujo de gas a quemadores es lo más recomendable en este tipo de aplicaciones, el no depender de la presión y de la composición del gas permite tener una medición confiable, continua y con una alta repetibilidad, haciendo posible la creación de protocolos de cálculo de balance de materia de las plantas.

Referencias

NRF 081, NRF 035, API 14.10, plan rector de medición CNH.

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