Caudalímetro ultrasónico para hidrocarburos

Transductores de medición que permiten medir caudales de líquidos y de gases sin interrumpir el proceso y carecen de contacto con el fluido.
Por: Ing. Pablo A. Batch *

Fluxus HPI Flexim

FLEXIM ha desarrollado caudalímetros ultrasónicos con transductores externos tipo “clamp-on”. Con esta tecnología es posible medir caudales de líquidos y de gases sin interrumpir el proceso, ya que los transductores utilizados para realizar la medición se instalan sobre la pared externa de la cañería, sin contacto con el fluido y sin necesidad de detener el proceso.

Principio de funcionamiento

Los caudalímetros ultrasónicos desarrollados por FLEXIM son capaces de medir caudales de líquidos utilizando el principio de medición por tiempo de tránsito. Para esto usan una tecnología de doble procesamiento en paralelo, con un procesador DSP dedicado exclusivamente al análisis de la señal ultrasónica, lo que asegura mediciones confiables aun en condiciones extremas.

Medición por tiempo de tránsito

Para utilizar este principio de medición, el caudalímetro ultrasónico mide el tiempo que tarda una señal ultrasónica inyectada en el fluido, viajando a favor (aguas abajo) y en contra del caudal (aguas arriba). Sirve como analogía pensar en un nadador, el cual cruza un río más rápidamente cuando nada a favor de la corriente que cuando lo hace en contra; luego extrapolando ese ejemplo se podría deducir que el tiempo de tránsito de la señal viajando aguas abajo será menor que el tiempo de la señal yendo aguas arriba. (Figura 1.).

Con estos dos tiempos de tránsito, el caudalímetro calcula dos valores:

[v]: Velocidad de circulación del fluido (caudal volumétrico), a partir de la diferencia entre los tiempos de tránsito.
[c]: Velocidad de propagación del sonido en el líquido, tomando el promedio de los tiempos de tránsito.

Aplicaciones en el transporte de hidrocarburos

La solución HPI (Hydrocarbon Process Industry) desarrollada por FLEXIM para aplicaciones en midstream (transporte) se basa en la determinación de la densidad o el grado API del fluido, teniendo en cuenta la velocidad del sonido y la temperatura.
De acuerdo a lo detallado anteriormente, el primer valor lo calcula permanentemente a partir del promedio de los tiempos de tránsito de la señal, mientras que el valor de temperatura del fluido ingresa a la unidad electrónica del caudalímetro mediante una entrada para un sensor RTD (Pt100), una entrada analógica de 4-20mA o un protocolo de comunicación.

Tal como puede verse en la imagen más abajo, los hidrocarburos pueden distinguirse fácilmente midiendo la velocidad de propagación del sonido, y eso es justamente lo que aprovecha el sistema. De esta manera, un caudalímetro FLEXIM con la tecnología HPI puede utilizarse, por ejemplo, para la detección de cambio de productos en un poliducto o para el cálculo del volumen corregido por presión y temperatura.

Para la corrección de volumen el caudalímetro utiliza estándares como el ASTM D1250, ASTM D4311 o GPA TP25.
(Gráfico 1.).

Gráfico 1 : Para la corrección de volumen el caudalímetro utiliza estándares como el ASTM D1250, ASTM D3411 o GPA TP25

Versiones disponibles

Dentro de esta familia de caudalímetros se encuentran disponibles tres variantes:

• Detección de interfase: utilizado habitualmente en poliductos, para detectar el cambio de producto bombeado.
• Mono-Producto: con capacidad para calcular el caudal volumétrico corregido y la densidad o grado API de un solo fluido. Puede utilizarse por ejemplo como respaldo de un medidor custody-transfer, para mediciones de transferencias internas, sistemas de detección de pérdidas en oleoductos, etc.
• Multi-Producto: con capacidad para calcular el caudal volumétrico corregido y la densidad o grado API de varios fluidos diferentes. Se utiliza en poliductos, donde por el mismo punto de medición pueden pasar diferentes hicrocarburos y es necesario tener una medición de volumen corregida para cada uno de ellos. (Figura 2.).

Unidad electrónica

El caudalímetro FLUXUS® F721 HPI utiliza una electrónica con doble procesador: un avanzado procesador principal de 32 bits para las funciones generales, y un procesador DSP de alta velocidad dedicado para el análisis de la señal de los transductores ultrasónicos.

Para poder realizar correctamente la compensación de volumen y el cálculo de la densidad o grado API a partir de la velocidad del sonido, la electrónica tiene disponibles entradas para la medición de temperatura (obligatoria) y presión (opcional). El valor de temperatura puede provenir directamente de la señal de un sensor RTD (que puede ser tanto externo como intrusivo), de la salida de 4-20mA de un transmisor de temperatura, o de la comunicación. (Figura 3.).

Flexim Fluxus
Figura 2
Flexim Fluxus
Figura 3

Programación

La puesta en marcha puede llevarse a cabo a través del teclado y el display gráfico, con menús disponibles en varios idiomas, o en forma remota a través del puerto Ethernet incorporado como estándar. Un puerto USB permite la conexión de la electrónica a una computadora desde la cual también se puede configurar el equipo, incluso sin estar conectado a la alimentación principal, dado que tomará la energía del mismo puerto. De esta manera, en caso de que el usuario deba poner en marcha varios equipos similares, es muy simple crear una configuración “off-line” y luego descargarla en segundos en cada equipo antes de instalarlos definitivamente en la planta.

Almacenamiento de datos

La electrónica tiene una capacidad de almacenamiento interno de hasta 800.000 valores, e incluye funciones especiales con definición de “escenarios” o condiciones que pueden ser utilizadas para modificar la frecuencia de almacenamiento. Por ejemplo, se puede programar el caudalímetro para que guarde valores cada 5 minutos, pero en caso de que se cumpla alguna condición particular configurable (alto o bajo caudal, alta temperatura, baja calidad de señal, etc.), modifique la frecuencia de almacenamiento para tener más valores registrados durante esa situación.

Diagnóstico y mantenimiento

La electrónica ofrece permanentemente variada información de diagnóstico sobre el funcionamiento del caudalímetro y las condiciones del proceso. Al conectarse con una computadora es posible generar reportes de mantenimiento en forma automática (exportables a Excel), e incluso ver la forma de onda de la señal ultrasónica en tiempo real, para tener un diagnóstico mucho más detallado en aplicaciones de alta complejidad.

Flexim FLUXUS HPI
Figura 4 : Cerramiento de aluminio

Comunicación e integración con sistemas de control

Las mediciones pueden llevarse a un sistema de control mediante salidas de 4-20mA o pulsos, o utilizando alguno de los protocolos de comunicación más difundidos en la industria de petróleo y gas: HART, Modbus (RTU y TCP) y Foundation Fieldbus. Esta característica única facilita su integración en los más diversos sistemas de control y plataformas de comunicación disponibles en el mercado.

El FLUXUS también es muy avanzado en términos de facilidad de uso y diagnóstico, dado que puede programarse por USB, mientras que su conectividad Ethernet garantiza su acceso desde cualquier punto de la red de la planta. De esta manera, el personal de Mantenimiento puede fácilmente conectarse en forma remota con el caudalímetro para configurarlo, descargar la información almacenada en el data-logger, diagnosticar la medición o realizar un reporte de mantenimiento utilizando el software FluxDiag.

Flexim FLUXUS HPI
Figura 5 : Cerramiento acero inoxidable ss 316

Apta para los ambientes más exigentes

La unidad electrónica puede instalarse tanto en áreas seguras como en áreas clasificadas (con certificación ATEX Zona 2 o FM Clase I División 2). Incluso hay cerramientos disponibles en acero inoxidable que pueden instalarse en áreas con atmósfera corrosiva, como muelles o plataformas off-shore (Figura 4 y 5.).

Aplicación en sistema Leak Detection

Uno de los usos más habituales de estos modelos de caudalímetros es en la implementación de sistemas de detección de pérdidas en ductos.

Esta tecnología ofrece importantes ventajas en esta aplicación, ya que ofrece la posibilidad de instalación sobre el ducto existente, mide en forma no intrusiva, y garantiza un grado muy alto de repetibilidad y sensibilidad.

De acuerdo a la arquitectura definida, el caudalímetro FLEXIM puede comunicarse directamente con el sistema de telesupervisión, o bien (como muestra el siguiente ejemplo) ser interrogado por una RTU , la cual agrega algunas funcionalidades adicionales, como la actuación sobre las válvulas de bloqueo del ducto (line-break), detección de intrusos, monitoreo de la tensión del sistema de alimentación, etc (Figura 6.).

FLEXIM es el único fabricante de caudalímetros ultrasónicos externos en el mundo que calibra en fábrica todas sus unidades electrónicas y sus transductores en forma independiente. Esto garantiza que la performance del sistema estará dentro de las especificaciones establecidas, independientemente de qué transductores se conectan a una determinada electrónica. Los transductores también son “apareados” en fábrica, con lo que no se requiere un ajuste de cero en campo, como sí suele ser habitual con otros caudalímetros similares.

También es el único fabricante que siguiendo las recomendaciones de la normativa ANSI/ASME MFC 5.1M (2011) implementa un mecanismo para compensar la medición de acuerdo a la temperatura de los transductores, dado que dentro de cada uno de ellos integra un sensor de temperatura. Así, se pueden garantizar mediciones absolutamente precisas y estables aún con grandes variaciones de temperatura ambiente.

Flexim Fluxus HPI Gráfico
Figura 6

Ventajas

La medición de hidrocarburos con caudalímetros ultrasónicos clamp-on de FLEXIM ofrece ventajas importantes sobre otras tecnologías, como por ejemplo:

– Versatilidad:

– Medición naturalmente bi-direccional, muy útil en aplicaciones de carga y descarga por la misma tubería.
– Gran capacidad de medición (turndown) que le permite medir desde muy bajos a muy altos caudales con gran precisión.
– Unidad electrónica con capacidad para recibir señales de presión y temperatura, realizando los cálculos de caudal compensado.

– Economía:

– El precio del caudalímetro prácticamente no varía con el diámetro de la cañería.
– Los costos de instalación son muy bajos.
– Inversión protegida: Un caudalímetro puede fácilmente quitarse de una cañería y re-utilizarse en otra en minutos.

– Instalación y Mantenimiento:

– Sin partes móviles. Libre de mantenimiento.
– No genera pérdidas de carga ni obstrucciones en la cañería.
– Capacidad de diagnóstico avanzado para el análisis de la señal.

– Seguridad:

-No afecta la cañería existente, por lo que no se requieren pruebas hidrostáticas, radiografiados, ensayos de tinta penetrante, etc.

Aplicaciones

Entre las aplicaciones más habituales para estos modelos, podemos encontrar:

• Identificación de productos en poliductos.
• Gestión de terminales y playas de tanques de almacenamiento.
• Sistemas de detección de pérdidas en oleoductos y poliductos.
• Control de purga de agua automática en separadores y tanques.
• Medición de carga y descarga de combustibles de buques, trenes y camiones.

* Ing. Pablo A. Batch
Gerente de Ingeniería y Servicios en Esco Argentina S.A

Más información en:
www.escoarg.com.ar