Medidores de Gas Resumen

8/9/2019 Medidores de Gas Resumen

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Antonio Villavicencio

CFE

Gerencia de Ingeniería Eléctrica

19 de enero de 2015

Medición de gas para propósitosfiscales

La Transferencia de Custodia (en inglés Custody Transfer ) de gas es un mercado que crecerápidamente, especialmente debido a la creciente popularidad del gas natural como fuentede energía. El gas natural cambia de propietario en varios puntos entre el productor y elconsumidor nal. Estos puntos de transferencia son conocidos como Puntos deTransferencia de Custodia y están regulados por varios organismos. En Estados Unidos, elorganismo regulador es la AGA (American Gas Association). En otras partes del mundo,

cada país tiene sus propios organismos reguladores, sin embargo, existen asociacionescomo la GIIGNL (Groupe International des Importateurs de Gaz Naturel Liquéé),

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conformadas por varios organismos independientes, que periódicamente publican reportescon prácticas recomendadas y los últimos avances en la medición y transferencia de gas

para efectos scales. Una práctica importante de estosgrupos es establecer normas, estándares y prácticasrecomendadas que sirvan de criterio tanto a distribuidorescomo consumidores cuando transeren gas natural.

En el presente reporte, mencionaremos las diferentestecnologías que existen para medir ujo de gas. Se analizaráncuatro tecnologías aprobadas por la AGA para la medición degas con propósitos scales, además de otras dos que hanmostrado avances signicativos en los últimos años y quepodrían representar una alternativa viable.

TecnologíasLos medidores de ujo pueden ser de dos tipos: de masa o de volumen. En general, losmedidores de ujo másico son más precisos que los de ujo volumétrico, debido aque en los gases, el volumen puede cambiar por diversos factores, mientras que la masa

es invariable. Las diferentes tecnologías para medir ujo, siguiendo esta distinción, son:

! Medición de ujo másico

# Flujómetro de Coriolis

# Flujómetro de Dispersión Térmica (Delta-T)

! Medición de ujo volumétrico

# Medidores de presión diferencial (placa de oricio, Venturi, Tubo Dall y Tobera)

# Rotámetros

# Flujómetros de desplazamiento positivo

# Flujómetros de Turbina

# Flujómetros de Vórtice y de Remolino (swirl)

# Flujómetros Ultrasónicos

En la siguiente tabla elaborada por Toshiba, se puede observar una comparación cualitativade las diferentes tecnologías para diferentes propósitos.

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La GIIGNL es la

asociaciónmundial deimportadores deLNG. Formadaen 1971, laconforman 75miembros de

más de 20países


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Las tecnologías aprobadas por la AGA para efectos scales son la placa de oricio,ujómetros de turbina, ultrasónico y Coriolis. Se presentarán dos tecnologías que hanevolucionado notablemente los últimos años, capaces de competir en algunos casos conlos cuatro aprobados por la AGA. Estas tecnologías son los ujómetros de Vórtice y

Remolino y el ujómetro de Dispersión Térmica (Delta-T).

Flujómetros de Presión DiferencialEl primer ujómetro aprobado por la AGA para propósitos scales fue la Placa de Oricio.Los ujómetros basados en un Diferencial de Presión (DP) son los más comunes. La raízcuadrada de la caída de presión a través de un oricio es directamente proporcional al ujovolumétrico. Pese a ser ampliamente aceptados y utilizados por la industria, este tipo demedidores presentan varias desventajas. Primero, conocer el ujo de masa es mejor queconocer el ujo volumétrico, ya que este no es una representación exacta del consumo de

gas en un proceso. Otro inconveniente es la caída de presión a lo largo de la tubería, loque se traduce en pérdida de energía (y por lo tanto, dinero). Al ser un medidor con partesmecánicas, están sujetos al desgaste , lo que implica un mayor mantenimiento y unaumento gradual de la deriva en la medición. Para asegurar exactitud en la medición, esesencial realizar calibraciones periódicas.

Aunque algunos fabricantes aseguren una exactitud < ±0.1% o menor, si se mira lasespecicaciones con más detenimiento se observa que dicha exactitud varía con larelación de span ( turndown ratio ), con el porcentaje de ujo, efectos de temperatura opresión estática. En el mejor de los casos, la exactitud llega a ±1% y puede llegar incluso a±5% en un proceso real. Para compensar los efectos de la temperatura y diferentes perles

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de velocidad, es necesaria instrumentación adicional . Por otro lado, la relación de span de estos medidores es del orden de 10:1 a 20:1 , cifra muy baja comparándolo con otrastecnologías.

Flujómetros de TurbinaLos ujómetros de Turbina pueden llegar a ser muy precisos ,con errores del orden de ±0.2% . Fueron aprobados por la AGApara efectos scales como alternativa para las placas deoricio. Sin embargo, su principal desventaja es que sonpropensos a dañarse por las partículas que viajan en el uido,lo que los hace poco robustos. Esto ocasiona errores en lamedición cuando el uido está muy contaminado.

Flujómetros de Coriolis vs. Ultrasónicos A mediados de 1990, una asociación europea de productoresde gas llamada GERG (Groupe Europeen de RechercheGaziSres) publicó un reporte en el que establecía los criteriospara el uso de ujómetros ultrasónicos en la transferencia decustodia de gas natural. En Junio de 1998, la AGA publicó sureporte número 9, el cual también establecía criterios para la medición de gas con efectosscales. Posteriormente, la AGA aprobó un reporte (el número 11) en el que se establecía eluso de ujómetros de Coriolis para la transferencia de custodia de gas natural en el 2003.

La publicación de los reportes AGA-9 y AGA-11 marcó una nueva etapa en la transferenciade custodia de gas natural, dejando un tanto obsoletos los ujómetros de turbina y lasplacas de oricio. Ambos ujómetros son bien aceptados por la industria, aunque su usono ha sido extendido de igual forma, como se observa en la siguiente gráca.

Los ujómetros de Coriolis, al ser ujómetros másicos, representan de forma más exacta elconsumo real de gas natural por un proceso. Sin embargo, son dispositivos muy caros y suuso no ha sido tan extendido para la transferencia de custodia de gas natural, debido a

algunos problemas técnicos que presentan. Uno de los problemas principales es lavibración, la cual hace difícil mantener una estabilidad en un punto cero. Otro detalle a

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Cuando se elige unmedidor de gas, sedeben considerarexactitud, relación despan, caídas depresión, temperaturasde proceso,instrumentaciónadicional y tipo deconexión


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tener en cuenta son las caídas de presión y el desgaste de sus partes mecánicas . Además, 2/3 de los ujómetros de Coriolis están hechos para tuberías de 2’’ o menos.Hasta hace poco, los únicos ujómetros de Coriolis para tuberías mayores a 6’’ eranfabricados por Rheonik (ahora parte de GE Measurement). En los últimos 7 años, otras trescompañías han comenzado a fabricar medidores de Coriolis para tuberías mayores a 6’’,estas son Micro Motion (Emerson), Endress+Hauser y Krohne.

Mientras que los Coriolis se desempeñan bien en tuberías pequeñas , los ujómetrosultrasónicos lo hacen mejor en tuberías que van de las 4’’ hacia arriba . Es comúnencontrar Ultrasónicos en el rango de las 12’’ hasta las 42’’.

Los Ultrasónicos sobresalen en la medición de ujo de gas natural . Los Coriolis pueden medir ujo de gas, pero no es una aplicación ideal para ellos , debido a que elgas no es tan denso como los líquidos y los medidores de Coriolis se basan en el momento

del uido para crear una deexión necesaria para la medición.

Flujómetros de Dispersión TérmicaTambién son conocidos como Delta-T. Se basan en medir una temperatura diferencialmediante RTDs. Esta tecnología es ventajosa en el sentido de que toma en cuenta factorescomo la densidad, viscosidad absoluta, conductividad térmica y calor especíco del gas.La medición es un resultado preciso de la cantidad de masa que circula, sin instrumentos ocálculos adicionales. Entre sus ventajas están la inmunidad a la deriva a largo plazo.Normalmente son compensados para amplios rangos de temperatura y los efectos en la

caída de presión son despreciables (de 5 a 10 veces menor que en las placas de oricio).Este tipo de instrumentos tienen una relación de span típica de 100:1. No requieren decalibraciones periódicas, con un tiempo promedio entre estas de 12 a 18 meses. Entresus desventajas están su incapacidad de medir líquidos, lodos o vapor saturado. Este tipode instrumentos normalmente están calibrados para un tipo especíco de gas, por lo que sicambia la composición, la medición se vuelve más inexacta. No obstante, con el uso demicroprocesadores, es posible aplicar factores de corrección y almacenar perles yalgoritmos que se adapten a los cambios de composición del gas.

La exactitud típica de este tipo de instrumentos es de ±1% de la lectura + 0.5% de la

escala total calibrada. Con estos valores, no cumplen con los requisitos de la AGA, queestablece un límite de error de ±0.7% para medidores pequeños (menores a 12’’) y hasta±1% para medidores grandes (mayores a 12’’).

No obstante, existen fabricantes que mejoran estos niveles de error. Así tenemos a SierraInstruments , que ofrece medidores con una exactitud de ±0.75% en la lectura sobre el50% de la escala total y una línea de productos de ABB , Sensyow, que ofrecen unaexactitud


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Flujómetro de Remolino FishermeterLos ujómetros de remolino trabajan con el mismo principio de los ujómetros de vórtice,con la diferencia de que en la entrada del uido cuentan con un acondicionador de ujoque imprime una velocidad tangencial en el mismo y mejora considerablemente lamedición. Pueden medir gas, líquido y vapor. Entre sus principales ventajas están:

# Sin partes móviles, sin desgaste y sin mantenimiento mecánico

# Minimizan la pérdida de presión

# Pueden medir gases de baja densidad como hidrógeno y gas a baja presión

# Amplio rango de medición

# Tecnología DSP para mejorar la conabilidad

# Hasta 42 MPa

# Compensación integrada por presión y temperatura

# Existe un modelo especíco para gas natural

# Diferentes niveles de seguridad, a prueba de explosiones.

Pueden llegar a tener una exactitud de hasta ±0.5%, cumpliendo con los requisitos de la AGA . Como desventaja , tienen una relación de span de apenas 25:1 .

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Especicaciones de rendimiento según el reporte AGA-9. Seconsideran medidores

pequeños aquellos

menores a 12’’ y medidores grandes aquellos mayores a12’’.


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Uso de USM para la medición de LNGEl uso de Medidores Ultrasónicos (USM) para aplicaciones scales ha tenido uncrecimiento substancial. Existen varios reportes y especicaciones que indican criteriospara el uso de USM en la transferencia de custodia. Entre ellos están:

AGA Report 9, Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters

Measurement Canada’s PS-G-E-06 Ultrasonic Specication

LGN Custody Transfer Handbook de la GIIGNL

Entre los benecios de los USM están:

# Exactitud: pueden ser calibrador para tener exactitud < ±0.1%

# Amplia relación de span, típico > 50:1

# Medidores bidireccionales

# Toleran humedad en gas

# No son intrusivos

# Caída de presión mínima

# Tolerantes a fallas

# Permiten un diagnóstico integral

Probablemente la ventaja más signicativa sea la habilidad de diagnosticar el estado delmedidor. Problemas como la contaminación de la tubería y partículas pueden alterar lasmediciones y, en esos casos, se requiere de una inspección visual. Una ventaja de los USMes que ofrecen un diagnóstico electrónico, evitando muchas veces la inspección visual yminimizando costos.

Han sido bien documentados en varios artículos las innumerables ventajas que tienen losUSM sobre la reducción de costos de mantenimiento , siendo la principal la ausencia departes móviles y de tratarse de una técnica de medición no invasiva. Con el diagnósticoelectrónico, además, se tiene la ventaja de poder realizar diagnósticos sin poner fuera de

servicio al medidor.Una regla general acerca de los USM en comparación con placas de oricio, es que lacapacidad de un USM es 1.5 veces de la velocidad máxima de uido que una placa deoricio puede soportar para realizar mediciones exactas. Esto no quiere decir que se tengaque usar en sus valores máximos, sino que en valores típicos de ujo, mejora la exactitudde medición y se tiene un rango más amplio para medir picos de ujo.

Un problema típico de todos los medidores de ujo es su incapacidad para medir conperles de velocidad muy bajos, siendo baja una velocidad del orden de 5 ft/s. La solución ofrecida por los USM viene heredada de los medidores de turbina; se trata de una técnica

de calibración llamada Linearización a Trozos (PWL). Con esta técnica se mejoranotablemente la incertidumbre de medición con perles de velocidad bajos: el rendimiento

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de un USM a 2 ft/s se desvía aproximadamente solo 0.3% del promedio de desviación entodos los demás perles. Otro inconveniente cuando se tienen perles bajos de velocidades la estraticación térmica , que puede ser detectada con las técnicas de diagnóstico deun USM.

Capacidad de diagnóstico Los USM Multipath tienen la capacidad de comparar los perles de velocidad entrediferentes trayectorias, así como evaluar cada trayectoria individualmente. Los aspectosque verica para diagnosticar son:

Ganancia: Generalmente cuentan con sistemas de Ganancia Automáticos paraacondicionar el pulso recibido. Al variar la ganancia, se tiene un indicador de la fuerzadel pulso; si la señal es más débil, la ganancia aumenta y puede indicar deterioro en eltransductor, suciedad en los puertos, líquidos en el gas, etc.

Calidad de la señal - Rendimiento: El nivel de aceptación (o rechazo) en cadatrayectoria es considerado una medida del rendimiento y se le conoce como calidadde la señal. Normalmente se opera con una calidad del 100%, la cual va disminuyendoconforme el ujo se acerca al límite superior de velocidad.

Relación Señal a Ruido (SNR): La SNR provee información valiosa del estado delmedidor. En el intervalo entre recibir los diferentes pulsos, los sensores monitorean elnivel del ruido ambiental y generan un valor de SNR en tiempo real. Estos valorespueden llegar a ser excesivos si hay válvulas de control instaladas muy cerca delmonitor, aunque los nuevos USM pueden lidiar muy bien con este problema.

Turbulencia: A partir de la medición de los diferentes perles de velocidad en cadatrayectoria, se puede computar, en tiempo real, la turbulencia en el uido. LaTurbulencia es una medida de la variabilidad de cada lectura de velocidad en cadatrayectoria durante el tiempo en que el medidor muestrea. Puede indicar problemas enla tubería como bloqueos. Con los perles de velocidad en las trayectorias, también sepuede detectar estraticación térmica en la tubería.

Debido a estas ventajas de autodiagnóstico en tiempo real, las pruebas del equipo serealizan en periodos de tiempo amplios. Canada por ejemplo, requiere que los USM seanprobados únicamente cada 6 años.

Sentinel de GE General Electric Measurement & Control tiene una línea demedidores de ujo especícamente diseñados para propósitosscales. En cuanto a la medición de gas natural (LNG), ofrecen unuviómetro ultrasónico de dos vías que cumple con los requisitos dela AGA-9. Entre sus principales características están una exactitud< ±0.1%, relación de span de 70:1 y la ausencia de partesmóviles, ltros y coladores.

http://www.ge-mcs.com/en/ow/ultrasonic-custody-transfer/sentinel-gas.html

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