MEDIDORES DE FLUJODE GAS NATURAL

1.INTRODUCCIÓN

La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos.

Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí.

1.1. Conceptos fundamentales

Fluido: Es parte de un estado de la materia y se define como un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente, es decir un volumen definido.

Número de Reynolds: Se ha determinado que los factores de flujo más importantes pueden ser correlacionados juntos en un factor adimensional llamado Número de Reynolds, el cual describe el flujo para todas las velocidades, viscosidades y diámetros de tubería.

Entonces:Re < 2000 (Flujo laminar)Re > 4000 (Flujo Turbulento)

1.2. Propiedades de los fluidos

Densidad: Es la masa contenida en la unidad de volumen en un material.

Peso específico: Peso de la unidad de volumen de una sustancia.

Densidad relativa o Gravedad Específica: Razón entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a una temperatura determinada.

Viscosidad: Se define como la resistencia que presentan los fluidos a fluir, es decir que a mayor viscosidad menor flujo y está afectada por la presión y la temperatura.

• Fluido Newtoniano: La relación de corte y la velocidad de deformación del fluido es lineal y la viscosidad es función exclusiva de la condición de fluido.• Fluido no Newtoniano: La viscosidad de este fluido depende del gradiente de velocidad, además de la condición de fluido.

Compresibilidad: A cada incremento/decremento de la presión que se ejerce sobre un fluido, le corresponde una contracción/expansión del fluido. Esta deformación o cambio de volumen se llama elasticidad o compresibilidad.

1.3. Tipos de flujos

Flujo volumétrico: El volumen de un flujo que pasa por un punto en la tubería por unidad de tiempo.

Q = A * V

Q = Velocidad del flujo volumétrico

A = Área interna de la tubería

V = Velocidad promedio del flujo

Flujo másico: Peso de un volumen de fluido que fluye por unidad de tiempo.

Flujo totalizado: Flujo acumulado o integrado.

1.4. Ecuación de la continuidad

La ecuación de continuidad o de la conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto o tubería establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale.

Esto se cumple cuando entre las dos secciones de la conducción no se acumula masa, es decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los líquidos y, particularmente, el agua.

 

1.5. Ecuación de Bernoulli y la primera ley de la termodinámica

La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

De la primera ley de la termodinámica se puede concluir una ecuación estéticamente parecida a la ecuación de Bernoulli anteriormente señalada, pero conceptualmente distinta. La diferencia fundamental yace en los límites de funcionamiento y en la formulación de cada fórmula. Entonces:

2. CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIDORES DE FLUJOÁrea Variable

Rotámetro

Presión Diferencial

Placa de orificio Toberas de flujo Tubo Dall Tubo Venturi Tubos Pitot Tubos Annubar Codos

Velocidad

Magnético Vortex Turbina Ultrasónico

Másico

Coriolis Térmico

Desplazamiento positivo

Pistón oscilante Paletas deslizantes Engranes de rueda oval Tipo helicoidal

2.1. Área Variable2.1.1. Rotámetro

En un dispositivo de presión diferencial, el tamaño de la restricción es fija y la diferencial de presión cambia con respecto a la velocidad del flujo. En los medidores de área variable, el área de restricción cambia cuando el flujo cambia y la presión diferencial permanece constante.

2.2. Presión diferencial2.2.1.Placa de orificio

La placa de orificio más común es un disco circular concéntrico, normalmente de acero inoxidable, donde el tamaño del orificio y espesor dependen del tamaño de la tubería y velocidad de flujo. El tipo concéntrico se utiliza cuando el fluido es limpio. Cuando el fluido a medir en un líquido con gases o cuando es un gas o un vapor con líquido, la placa tiene un pequeño orificio en la parte superior o inferior respectivamente.

2.2.2. Toberas de flujo

La tobera de flujo consiste de una restricción con una sección de contorno elíptica que es tangente a la sección de garganta cilíndrica. Se utiliza para aplicaciones típicas de alta temperatura, alta velocidad y fluidos con números de Reynolds de 50.000 y mayores.

2.2.3. Tubo Dall

El tubo Dall consiste de un cuerpo cilíndrico de longitud relativamente corta y que es paralelo en dirección a la tubería seguido por la convergencia de un cono corriente arriba y un cono divergente corriente abajo, y una pequeña abertura entre los dos cono que permite al fluido llenar el espacio formado por la pared externa del tubo Dall y la tubería.

2.2.4. Tubo Venturi

El tubo Venturi es particularmente recomendable cuando el fluido contiene grandes cantidades de sólidos en suspensión o corrientes de flujo sucias puesto que la entrada lisa permite que el material extraño sea arrastrado y no acumularse como pasaría en una placa de orificio. Los requerimientos de la tubería son similares a los de la placa de orificio.

2.2.5. Tubo Pitot

El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial y también conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. Esta forma más sencilla consta de un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido.

2.2.6. Tubo Annubar

El tubo annubar es una innovación del tubo de pitot. Cuenta con tubo exterior, situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y dos tubos interiores. El tubo exterior presenta cuatro orificios en la cara aguas arriba de la corriente, que utiliza para interpolar los perfiles de velocidad y realizar un promedio, y otro orificio en el centro del tubo pero en la cara aguas debajo de la corriente.

2.2.7. Codos

Cuando un fluido circula por el codo de una tubería, está sujeto a una aceleración angular. La fuerza centrífuga resultante crea una presión diferencial entre el radio interior y el radio exterior

2.3. Velocidad2.3.1. Magnético

El medidor de flujo magnético se basa en la Ley de Faraday de inducción electromagnética, la cual establece que un voltaje puede ser inducido en un conductor en movimiento a través de un campo magnético.

E = k*B*D*V

2.3.2. Vortex

El medidor tipo Vortex es un ejemplo de un medidor de flujo oscilatorio. A baja velocidad, el modelo del flujo permanece alíneado, sin embargo al incrementar la velocidad, el fluido se separa de cada lado del cuerpo y se arremolina formando vórtices (torbellinos) corriente abajo del cuerpo.

2.3.3. Turbina

Un medidor de flujo tipo turbina es aceptado ampliamente como una tecnología probada que es aplicable para medir flujo con una alta exactitud y repetibilidad y consiste de un sensor para detectar la velocidad real de un líquido que fluye por un conducto.

2.3.4. Ultrasónico

El medidor ultrasónico de tiempo transitorio o por impulsos son los más precisos y se utilizan preferentemente con líquidos limpios, aunque algunos permiten medir con cierto contenido de partículas (lodos orgánicos), gas y un % de burbujeo.

2.4. Másico2.4.1. Coriolis

El medidor Coriolis opera bajo el principio básico de movimiento mecánico. El elemento sensor es un tubo vibrante en el cual se crea y se mide la aceleración Coriolis, soportado sobre un eje de soporte y un eje par.

2.3.4. Térmico

Típicamente se mide la diferencia de temperatura a los cambios de flujo a través de un tubo calentado.

2.5. Desplazamiento positivo2.5.1. Pistón oscilante

Este medidor consiste de un pistón hueco montado excéntricamente dentro de un cilindro. El cilindro y el pistón tienen la misma longitud, pero el pistón tiene un diámetro más pequeño.

2.5.2. Paletas deslizantes

Consta de un rotor con unas paletas, dispuesta en parejas opuestas, que se pueden deslizar libremente hacia adentro y hacia fuera de su alojamiento. Los miembros de las paletas opuestas se conectan rígidamente mediante varillas, y el fluido circulando actúa sobre las paletas sucesivamente, provocando el giro del rotor.

2.5.3. Engranes de rueda oval

Este medidor consta de dos ruedas ovales que engranan entre si y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el flujo de líquido.

2.5.4. Helicoidal

Funciona de manera similar al anterior y su principal ventaja de ambos es que su medición es independiente prácticamente de las variaciones de densidad y de la viscosidad del líquido.

3. FACTORES DE SELECCIÓN

Rango: Los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros por segundo (m3/s) para sistemas de agua y sistemas de drenaje.

Exactitud requerida: Virtualmente cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 por ciento del flujo real. La mayoría de los medidores del mercado tienen una exactitud del 2 por ciento.

Pérdida de Presión: Debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos.

Tipo de Indicación: Los factores a considerar en la elección del tipo de indicación de flujo depende de si se desea de sensibilidad remota o grabación.

Tipo de Fluido: El funcionamiento de algunos, medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas.

Calibración: Se requiere de calibración en algunos medidores de flujo. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema de flujo real vs. Indicación de la lectura. Algunos están equipados en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen.

Otros factores: En la mayoría de los casos deben también tomarse en cuenta el tamaño físico del medidor, el costo, el sistema de presión y la habilidad del operador.

4. MEDIDORES DE FLUJO DE GAS NATURAL

Es de suma importancia la medición exacta del flujo de gas natural. Esto permite determinar la cantidad de gas que produce un campo petrolero así como sus respectivos usos entre los que se destacan: inyección para sistemas de recuperación secundaria, combustible, transferencia interáreas y entre los diferentes distritos, cantidad que se transforma en los procesos de LGN, mermas de los diferentes sistemas de recolección, levantamiento artificial por gas, ventas a consumidores industriales y domésticos, gas arrojado a la atmósfera.

4.1. Medidores de uso industrial

4.1.1. Tipo pistón rotativo Para alto consumo Altas presiones Lectura directa en metros cúbicos Medición de gas en estado líquido

 

Medidor de gas tipo pistón rotativo, marca DRESSER, modelo G-16 con conexión roscada en 1 1/2" (32mm), de lectura directa tipo odometrica en metros cúbicos, cuenta con emisor de pulsos en baja frecuencia, de posición ajustable. Para Pmax de 12 bar y Qmax de 327 m3/hr.

4.1.2. Tipo diafragma Medidor de gas tipo diafragma , Mca. American Meter Mod. AL425-25

de entrada y salida en 1" o en 1 1/4", para Pmax de 2 kg/cm2 y Qmax. de 52.0 m3/hr. De lectura directa en metros cúbicos, para GLP y gas natural.

4.2. Medidores de uso doméstico4.2.1.Placa de orificio

La medición de gas a través de la placa orificio se basa en la restricción de flujo que ocasiona este elemento, creando una presión diferencial que se relaciona con la velocidad del gas y a partir de la cual puede calcularse la tasa de flujo.

Ecuaciones de los medidores de placa de orificio

4.2.2. DiafragmaAparato que mide el volumen de gas que ha pasado por él, mediante diafragmas flexibles, que conforman parcialmente las cámaras de medición, y que son desplazados alternativamente por el fluido circulante.

Podemos encontrar medidores de diafragma:

De 2.5 m3/hr en baja presión para presión máxima de trabajo de 100 gr/cm2, con conexión de 13 mm (1/2") soldar y/o roscada. Cuerpo en aluminio.

De 3.0 m3/hr en baja presión para presión máxima de trabajo de 100 gr/cm2, con conexión de 13 mm (1/2") soldar y/o roscada. Cuerpo en aluminio.

• De 6 m3/hr en baja presión para presión máxima de trabajo de 500 gr/cm2, con conexión de 19 mm (3/4") roscada. cuerpo en aluminio

5. EJERCICIOPara un medidor de placa de orificio:

La ecuación para determinar el flujo es la siguiente:

'Q C hw Pf

Q hw Pf Fb Ftb Fpb Ftf Fpv Fg Fr Y Fm Fa Fwl

Donde:

Q = Flujo volumétrico en condiciones estandar, PCSH hw =Presión diferencial a través del orificio, medida en pulgadas de agua a 60 ºF Pf =Presión estática, en lpca Fpb =Factor presión base Ftf =Factor de temperatura de flujo Fb=Factor básico de orificio Fpv =Factor de supercompresibilidad Fg =Factor de gravedad específica Fr =Factor del Número de Reynolds Y =Factor de expansión Ftb =Factor de temperatura base Fm =Factor manométrico Fa =Factor de expansión térmica del orificio Fwl =Factor de localización de la medición C’ = Constante de flujo de orificio (Factores)

Uso de discos de lectura directa (raíz cuadrada)

Estos discos registran la raíz cuadrada de la presión diferencial (Lectura diferencial: Ldif) y la raíz cuadrada de la presión estática absoluta (Lectura estática :Lest).La relación entre las presiones y las lecturas diferencial y estática, viene dada por las siguientes ecuaciones:

2 R100

Lest resortePf

2

100Ldif Rdifhw

Donde:

Rresorte = Rango de presión máximo, en lb/pulg2

Rdif = Rango diferencial máximo , en pulgadas de agua

Luego la ecuación de Flujo viene dada por:

Factor diario (Fd) del punto de medición. Viene dado por:

6' 24 10Fd C M Cálculo del Flujo: Cálculo de los Factores

'C Ftb Fpb Ftf Fb Fpv Fg Fr Y Ftf Fm Fa Fwl

Factor de localización de medición: Fwl

1Fwl

Factor de temperatura de flujo: Ftf

520(º ) 460

FtfTf F

Donde:

Tf = temperatura del flujo.

Este factor cambia la temperatura supuesta de 60 ° F a la temperatura de flujo

Factor de gravedad específica: Fg.

1FgG

Donde:

G = Gravedad específica del gas

Factor de expansión térmica del orificio: Fa. Corrige el efecto de contracción o expansión metálica de la placa orificio.

1 0.0000185 ( 68); para acero inox.1 0.0000159 ( 68); para acero monel

Fa TfFa Tf

Donde: Tf = Temperatura de flujo , º F.

Factor de expansión: Y. Compensa el efecto de los cambios de densidad del gas originados por el paso a través del orificio

Factor básico de orificio: Fb.

Ejemplo:

1. Cálculo del coeficiente para determinar el gasto de gas húmedo, separado a baja presión, en la batería de recolección No. 1 del campo San Roque.

Datos:

Diámetro del porta-orificio = 4 pulg (4.026 pulg)

Densidad relativa del gas (dato de laboratorio) = 0.859 (aire = 1.000)

Temperatura de Flujo = 35 ºC (95 0F)

Presión de Flujo = 3Kg/cm2 (43 lb/pulg2)

Rango del registrador = 100 pulg de agua y 100 lb/pulg2

Presión base = 1 Kg/cm2 (14.2233 lb/pulg2)

Temperatura base = 20 ºC (680F)

Diámetro del orificio de la placa = 1 1/2 pulg.

GRACIAS!!!!