El documento describe el desarrollo de un medidor de flujo ultrasónico para gas a quemador con una exactitud mejor al 3% hasta velocidades de 120 m/s. Se presentan metodologías como trayectorias más largas y múltiples trayectorias para mejorar la medición a bajos flujos afectados por convección. También se demuestra que la presencia de CO2 no afecta la exactitud de la medición volumétrica.

1. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
GE Energy
Measurement and Control
Solutions
Medición de Flujo
Gas a Quemador
Por
Ultrasonido

2. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Introducción a la medición de flujo por
ultrasonido
Flow
Direction
Acoustic
SignalsFlowcell
Flujo = Distancia / Tiempo
Distancia = Sección del carrete, Dimensiones
Tiempo = Tiempo de viaje de la señal ultrasónica

3. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Tecnología Tiempo en Transito
No intrusivos o Intrusivos
Electrónica fija y Portátil
Aplicaciones
Medición de flujo en cualquier gas o
líquido: agua, aguas tratadas,crudo,
hidrocarburos líquidos, químicos,
fluidos de alta puresa, LNG, aire, gas
natural, vapor, ozono, gases de
combustión, gas a quemador.
Beneficios
Pronta recuperación de la inversión
Amplio rango de presión y temperatura
Flujo bidireccional
Sin caida de presión
Poco mantenimiento
Medidores de Flujo Ultrasónicos

4. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Medidores de Flujo Gas
a Quemador

5. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
+ + + (adecuado)
+ + (limitado)
+ (no adecuado)
Tecnologías empleadas para medir flujo de Gas a
Quemador
Medidor ultrasónico
+++
Exactitud 1 to 3%
Rangueabilidad 4000:1
Sensibilidad al perfíl de flujo puede mejorarse con varias
trayectorias
Tipo de insersión– can be hot/cold tapped on site or supplied as
calibrated spool piece
Multifunction – Vol., mass flow, molecular weight
Medidor de dispersión
térmica
++
Exactitud del 2 al 5% (solo en composiciones constantes)
Rangeabilidad 1000:1
Muy sensible a los cambios de composición
Requiere de varias unidades para cubrir todo el perfíl de flujo
Placa de orificio
+
Exactitud 2 to 5%
Rangeabilidad 5:1
Presión del gas muy baja para obtener una medición confiable
Muy sensible a los cambios de composición del gas
Crea tapones y restricciones al flujo

6. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Flujos variables
Bajo flujo= estado normal
Flujo moderado= ocasionalmente
Alto flujo= estado de emergencia
Composición variable
Diferentes hidrocarburos
H2 a C6 + (típico)
Ambiente corrosivo
H2S
Condensados
Baja presión
Presión atmosférica
Amplio rango de temperatura
Desde –150°C a 280°C
Las tecnologías convencionales
tienen problemas con cada una de
estas características de operación,
resultando en baja exactitud y alto
costo de mantenimiento.
La rangueabilidad (4000:1) y la alta
sensibilidad excede a las tecnologías
convencionales.
Gas a Quemador: ¿Por qué medirlo con Ultrasonido?

7. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Gas Quemador : Estructura del Equipo

8. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Transductores para Gas a Quemador
Configuraciones de Intalación

9. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Diagonal 45° para tubos
≤14‐inch/350 mm
Instalación en Tubería

10. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Bias 90 Mid‐radius para tubos
≥16‐inch/400 mm
Instalación en tubería

11. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Gas a Quemador “Celda de Medición”
Carrete
Cuando los transductores se colocan en un arreglo en partícular
se requiere una celda de flujo. Hay dos tipos:
Tapinado
Hole-saw
Pilot-drill

12. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Gas a Quemador: Requisitos de Instalación
• Se supone un perfíl de flujo completamente desarrollado. Esta instalación puede
llegar a requerir 20 veces el diámetro aguas arriba y 10 veces el diámetro aguas abajo
de tubería recta.
• Se recomienda una evaluación del sitio de la instalación.
• Para instalaciones por tapinado se recomienda un levantemiento dimensional
especialmente para materiales exóticos de pared delgada. Ej. cédula 10S
Si la fuente de perturbación genera vortices, el tramo
de tubería recta requerido puede ser mucho mayor.
“Generador de
Vortices”

13. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Los avances en esta medición se
enfocan en tres áreas:
1. Rango de velocidad extendido
2. Metodología para bajo flujo
3. Gases efecto invernadero:
tratando con el CO2
Medición de Flujo Gas a Quemador Avanzada

14. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
•Rango de velocidad anterior
•328 f/s (100 m/s) máxima velocidad
•Siguiente rango
• 394 f/s (120 m/s ) máxima
velocidad
•Trayectoria más corta
•Angulo de recuperación
Un medidor de flujo US fue desarrollado y
probado para medir hasta 123.7 m/s en aire. La
exactitud del nuevo medidor se demostró ser
mejor que el 3-4% incluyendo la incertidumbre
del medidor de referencia, y la desviación relativa
estándar del nuevo medidor está dentro del 1.2%.
1) Rango de velocidad extendido

15. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Metodología:
Diseño de los transductores: Dimensiones, Separación y Frecuencia
Hemos diseñado los transductores con una
frecuencia de 100 kHz y se han instalado con una
separación de aprox 7 pulgadas
LR
a
ultrasound propagation in a medium across both near field
and far field, nominally separated by Rayleigh Distance,
LR.
z
λ
Rango de velocidad extendida
Angulo de Recuperación
El ángulo de recuperación se da en el
transductor aguas abajo rotándolo 6 grados
con respecto al flujo
45º
Flujo Transductor
P~6.5 to
7.8” Transductor
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
γ
M = 0.1
M = 0.2
M = 0.3
M = 0.4
M = 0.5
Downstream Beam Drift
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
γ
M = 0.1
M = 0.2
M = 0.3
M = 0.4
M = 0.5
Upstream Beam Drift
El ángulo de deriva del haz ultrasónico es una
función del ángulo de la trayectorí ultrasónica
a diferentes números de Mach.

16. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
El desempeño es verificado mediante calibración en una
instalación con documentos con trazabilidad NIST

17. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
2) Metodología de bajo flujo
Regulaciones y usuarios continuamente agregan nuevos requisitos:
Norteamérica, Europa y Asia demandan exactitud en la medición de flujo
para velocidades de 0.1 a 1 ft/s
Exactitud típica de 0.1 a 1 ft/s se encuentra entre +/‐ 20%
Tendencia en la industria para solicitar 5% en la exactitud
Problemas
•Mejor exactitud y resolución a bajo flujo
•Promediar mejor el flujo asimétrico
•Flujos de convección : pueden dominar a valores de flujo muy bajos

18. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Flujo a baja velocidad
T at top = 68 °C
T at bottom = 48 °C
Para un modelo de corrientes de
convección en la línea de gas hemos
aplicado CFD (Computerized Fluid
Dynamics). La convección natural
debida al gradiente de temperatura
por radiación solar es significante.
El flujo inducido puede ser del 8 al
15% o 0.3 m/s (1 f/s) en velocidad a
estos rangos tan bajos. Un sólo par de
transductores pueder ser insuficiente
para una medición precisa.
Corriente de convección de gas en un tubo de 24”
con diferencia de temperatura de 20 C. entre el
punto alto y el bajo.
Modelo de convección en CFD

19. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
•Soluciones :
• Aplicar una o más trayectorias
• Una trayectoria para alto
• Una trayectoría, más larga,
para bajo
• Buscar el área más grande
donde haya flujo
• Trayectorías cruzadas
• Minimizan el flujo por
convección
Bias 90 en lo alto y mid‐radius diagonal 45 abajo
Sistema con dos trayectorias bias 90
(flujo alto ) y una trayectoria diagonal 45
(flujo bajo).
Note separation of the two‐path systems
to avoid potential acoustic crosstalk
Metodología para bajo flujo
Una combinación de los dos sistemas de en
un medidor con dos trayectorias permite
medir los rangos bajos con el arreglo de
diagonal 45 y los rangos altos con Bias 90.
Trayectorias múltiples , trayectorias con
trayectorias más largas , arreglos poco
convencionales todos son utilizados.

20. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Medición de flujo con alto contenido de CO2
El flujo de gas a quemador con altas concentraciones de CO2 se está covirtiendo en una medición
importante para la industria petroquímica. Hay nuevas legislaciones internacionañes que regulan la
medición de flujo de los gases de efecto invernadero

21. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Datos recabados por Exxon/Panametrics
Conocido por ser altamente atenuante en
ultrasonido.
Atenuación clásica :
Debida a la muy baja viscocidad, etc.
Efecto de Relajación:
Absorción de energía por las moléculas de CO2
Atenuación del CO2
Medición de flujo con altos niveles de CO2

22. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Estudio de la atenuación del CO2 modela los efectos en
ultrasonido.
La relación de la potencia de la señal con
la proporción de CO2 en N2.
Transducer Offerings
Medición de flujo con altos niveles de CO2

23. Foro de Lineamientos de Medición
México 2012
Medidor de flujo Gas a Quemador GE Panametrics
Resumen
El medidor de flujo para gas a quemador ha sido desarrollado para demostrar la
exactitud de esta tecnología a velocidades de hasta 120 m/s. La exactitud total del
medidor se muestra para ser mejor al 3% incluyendo la incertidumbre del
medidor de referencia.
Las tecnicas que emplean trayectorias más largas y múltiples trayectorias han
sido utilizadas para corregir los errores vistos a bajos flujos inducidos por las
corrientes inductivas, flujo asimétrico o flujo estratificado.
La cantidad de CO2 mezclado con otros gases no afecta la exactitud de la
medición volumétrica.