Novedoso diseño de un medidor de flujo de gas ultrasónico

Diseñado para ofrecer la mejor precisión de medida posible, no sólo durante una calibración en condiciones ideales, sino también sobre el terreno en condiciones menos favorables.
Por Jan G. Drenthen, Martin Kurth & Jeroen van Klooster.
KROHNE New Technologies.

Meditenca Krohne ALTOSONICV12

En los últimos 15 años, miles de caudalímetros ultrasónicos se han empleado con éxito en la industria del gas natural y, en particular, en los segmentos de transmisión. Aquí, los usuarios aprovechan al máximo la tecnología de medición no intrusiva, la ausencia de caída de presión y la operación virtual libre de mantenimiento; casi al nivel de instalar y olvidarlo.

Mientras que a principios de los 90, los problemas clave con los medidores de ultrasonido eran, en primer lugar, la precisión de la medición y, en segundo lugar, las aplicaciones, unos 15 años después, esto se ha desplazado hacia el control del rendimiento; la precisión hoy en día casi se da por sentada.

Con esto, el interés clave en el comportamiento del medidor se desplaza del rendimiento en la estación de calibración al rendimiento en el campo. Entonces ahora, en el campo, surgen las preguntas:

¿El rendimiento del medidor está afectado? ¿Cuál es la incertidumbre extra?
Además de esto, los medidores ultrasónicos se utilizan cada vez más en aplicaciones de aguas más sucias y allí la pregunta sobre la incertidumbre aumenta.

Para poder responder a estas preguntas, se ha diseñado un nuevo medidor de flujo de gas ultrasónico: el ALTOSONIC V12. En este diseño, se ha prestado atención principal a la supervisión del rendimiento y la optimización de las capacidades de diagnóstico; en segundo lugar, a la precisión y una mayor robustez a los efectos de la instalación. El resultado final es un concepto de medición de última generación que combina la supervisión del rendimiento de alto nivel con la mejor precisión posible.

Variación de contaminación

La contaminación es una de las principales preocupaciones. Sin embargo, uno de los principales problemas con la contaminación es la variedad en las manifestaciones de la misma. En las imágenes 1 a 3 se presentan algunos ejemplos de incrustaciones excesivas. El primero es el resultado de un problema de producción, el segundo es de una instalación en alta mar y el tercero es una instalación On-shore.

1- Contaminación en el flujo en el fondo de la tubería
2. Contaminación intermitente atascada en la pared de tubería
3. Contaminación distribuida uniformemente sobre la pared de la tubería.

Como ya se describió en un documento anterior “El uso de medidores ultrasónicos en las estaciones M&R”, presentado en la Conferencia de operaciones AGA 2006, las incrustaciones se pueden clasificar en 5 categorías que tienen un impacto diferente en la medición.

Estas categorías son:

A- Ensuciar un pequeño flujo en el fondo de la tubería.
B- Suciedad que se pega intermitentemente a la pared de la tubería.
C- Suciedad como un revestimiento uniforme distribuido en el interior de la tubería.
D- Suciedad acumulada en los transductores (especialmente en aquellos orientados corriente arriba).
E- Suciedad como acumulación de líquido en los bolsillos del transductor.

Para los medidores de flujo ultrasónicos, los efectos de las incrustaciones en la medición son:

Una reducción en el área de la sección transversal. Una mayor rugosidad de la pared.
El acortamiento de la longitud del camino acústico.
La atenuación de la señal acústica a través de la reducción del coeficiente de reflexión.
La absorción de la señal ultrasónica debido a la capa de suciedad en el transductor.
Aumento de la interferencia cuando el líquido está presente en los bolsillos del transductor.
Para hacer frente a esto, el diseño se ha centrado en primer lugar en la capacidad de detectar las diversas formas de incrustaciones. En la segunda fase, la detección debe convertirse en corrección; pero en esto, los fabricantes y usuarios deben trabajar en estrecha colaboración para recopilar e investigar experiencias de aplicaciones de la vida real. Después de eso, los algoritmos se desarrollarán más para mejorar la precisión de la medición en condiciones de contaminación; proteger la inversión del cliente y hacer que el medidor sea a prueba en el futuro.

Diseño del medidor

Si se consideran los diseños de medidor actuales en el mercado, en términos generales, se debe concluir que, a pesar de algunas ocasiones afortunadas, ninguno de ellos es lo suficientemente capaz de hacer frente a flujos altamente distorsionados y/o condiciones de contaminación:

Los diseños de acordes paralelos convencionales carecen de datos de la pared de la tubería, pero son capaces de medir cerca de la pared de la tubería.
El diseño de cuerda reflectante actualmente disponible en el mercado es capaz de medir la pared, pero como resultado de su diseño en forma de triángulo lo más cercano que puede medir es la posición 0.5R. Para las categorías de incrustaciones b y c, según el cual la rugosidad de la pared se incrementa, se está demasiado lejos para manejar con eficacia los cambios en el perfil de velocidad de flujo cerca de la pared de la tubería.
Por lo tanto, la solución óptima es la combinación de ambas tecnologías.

Optimización de la posición del acorde

Como parte de la investigación sobre posibles diseños de medidores, se han tenido en cuenta varios diseños y 3 de estas configuraciones se muestran en la figura 4.
En esta configuración:
Cada ruta consta de 2 acordes en un arreglo de categoría V (en total, el medidor es equipado con 12 acordes, de ahí el nombre ALTOSONIC V12).
La trayectoria reflectora vertical se utiliza exclusivamente para detectar la presencia de una capa líquida en el fondo.
Todos los caminos están reflejando que cuatro de ellos usan pequeños espejos acústicos en el lado opuesto de la tubería.

4. Análisis de la configuración
5 y 6. Configuración que corresponde al ALTOSONIC V12

En esta configuración, todos los transductores acústicos están ubicados en el mismo lado de la tubería. Para aplicaciones con gas húmedo, esta es una gran ventaja y allí el medidor solo necesita ser rotado sobre un perno para que todos los puertos se vacíen automáticamente.
El camino a través del centro es esencial para la capacidad del medidor para lidiar con los patrones de velocidad de flujo detrás de curvas simples y dobles fuera del plano. Detrás de las curvas, uno de los principales impactos en el perfil de velocidad de flujo es el defecto de velocidad en el medio de la tubería. Este defecto se detecta fácilmente al observar las relaciones entre el camino a través del medio y el de los caminos externos.

Eliminación de remolinos

Los medidores convencionales paralelos son propensos a remolinos. Para reducir esta sensibilidad, los fabricantes emplean diferentes configuraciones de ruta y tienen las rutas en un solo plano o en una configuración entrecruzada y combinan las medidas de las trayectorias individuales para hacer frente al impacto del remolino. Estas configuraciones de ruta se muestran en las figuras 7 a y 7 b.

7a. Plano de la configuración en paralelo
7b. Configuración entrecruzada en paralelo

Sin embargo, estas configuraciones son una compensación:
Los arreglos entrecruzados funcionan mejor después de una sola curva donde hay una combinación de dos vértices rotatorios opuestos como en la figura 8 a.
Las configuraciones de un solo plano, por otro lado, funcionan mejor después de una curva de doble fuera del plano donde domina un solo componente grande de remolino (ver figura 8 b)
Ninguno de ellos funciona bien bajo condiciones de remolino simétrico. En este caso, todos los caminos están sujetos a una fuerza de remolino diferente y, por lo tanto, el medidor no puede cancelar el remolino por completo.

8a. Flujo cruzado detrás de una sola curva
8b. Detrás de una curva fuera del plano
8c. Remolino asimétrico

La única forma de superar esto es eliminar el efecto del remolino en cada uno de los planos de medición. (ver también el documento 2.2 de la NSFMW 2006; “investigaciones en un medidor ultrasónico de 8 vías”).

La eliminación del remolino en cada uno de los planos de medición se puede realizar a través de una configuración X o V.

9. Eliminación del remolino en la medición de cada uno de los planos

Conclusiones

Con el ALTOSONIC V12 ha comenzado una nueva era en la medición de flujo ultrasónico.

El ALTOSONIC V12 es el primer medidor diseñado con el objetivo principal, de optimizar la supervisión del rendimiento y las capacidades de diagnóstico.
Es el primer medidor estándar que emplea una ruta acústica dedicada para detectar la contaminación líquida en el fondo de la tubería.
También es el primer medidor por el cual los datos de diagnóstico se separan de los datos fiscales del medidor.

El remolino se elimina por completo en cada uno de los 5 planos de medición paralelos.
Mediante el uso de 5 planos de medición, se obtiene más información sobre la forma del perfil de velocidad que cualquier otro medidor existente, lo que resulta en la mayor precisión posible.
Los resultados de las pruebas no corregidas listos para usar son sin duda los mejores resultados logrados con un medidor de flujo ultrasónico.

Más información:
www.meditecna.com