Medidores de Flujo

INDICE

PÁGINA

Unidad VI: Medición de Tasas de Flujo de Gas Medidores de Flujo Medición de Gas Medición de Flujo El Elemento Primario Placa de Orifico Caja de Orificio Elementos Secundarios Registradores de Flujo y Presión Registros Gráficos Lineales o Uniformes Gráficos de Raíz Cuadrada Elemento Terciario Selección de los Medidores Clasificación de los Medidores Medidores de Cantidad Medidores de Cantidad de Desplazamiento Positivo Medidores de Flujo Medidores de Cantidad Medidores de Desplazamiento Positivo Medidores de Flujo Diferencial Selección del Elemento Primario, en Medidores Diferenciales Los Elementos Primarios de Mayor Utilidad para los Medidores Diferenciales Medidor Diferencial Tipo Tubo Pitot Medidor Diferencial Tipo Tubo Ventura Medidor Diferencia Tipo Tobera o Boquilla Medidor Diferencial Tipo Vortex (Vórtice) Medidor Diferencial Tipo Orificio Medidor de Orificio tipo Concéntrico Medidores de Orificio tipo Excéntrico Medidor de Orificio tipo Segmentado Requisitos a que debe de ajustarse la placa de orificio Equipos e instalación de orificios de medición Carrera de medición Medidores de Placa de Orificio Medidor Placa de orificio tipo Paleta Medidor Placa de orificio tipo Placa Universal Ventajas de la medición del flujo con medidores Caja de Orificio Desventajas de la Medición del Flujo con Medidores Caja de orificio Experiencias de mediciones de gas con Medidores de Caja de Orificio Mantenimiento de los Medidores Placa de Orificio Medidores de Flujo No diferenciales Medidores No Diferenciales Tipo Rotámetro Medidores no Diferenciales Tipo Turbina Medidores no Diferenciales de Tipo Magnético 2

5 5 5 6 7 7 7 7 8 8 8 8 8 9 10 10 10 10 10 10 11 14 14 14 17 18 18 20 20 20 20 21 22 22 22 22 23 23 24 24 26 27 27 27 28

INDICE

PÁGINA

Medidores no Diferenciales de Tipo Sónico y Ultrasónico Medidores de Flujo Ultrasónicos Otros Medidores Utilizados en la determinación del Caudal de Gas Medidores de Área Fija Medidores de Área Variable Medidores de Canal Abierto Medidores de Masa de Flujo Medidores Coriolis Medidores de Gasto Medidores Multifásicos Limitaciones del Medidor Multifásico Teoría de Medición del Medidor de Flujo Multifásico Principio Operativo del Medidor de Flujo Multifásico El Acondicionador de Flujo El Medidor de Fracción de Energía Dual Gamma Caracterización del Fluido Mediciones Directas Monofásicas del Medidor Multifásico Requisitos de Instalación Medición de Caudales de Gas Principios Básicos de los Medidores tipo Placa de Orificio Tipos de Medidores de Orificio Medidor de Orificio Abierto Tipo Cerrado Instalación de Medidores Placa de orificio Sujetadores de Placa de Orificio Bridas Porta 0rificio Porta Placa Especificaciones Generales del Tubo Medidor. Problemas Operaciones de los Medidores Placa de Orificio Flujo Pulsante Elemento Secundario- Registrador de Flujo Medidor de Mercurio con tubos en “U” Medidores Tipo Fuelle Cartas de Medición Derivación de la Ecuación de Flujo para Medidores de Orificio Factores que intervienen en el cálculo del Caudal en un Medidor de Orificio Determinación de los factores de la ecuación El Método Estándar AGA El Método de análisis Mediciones con Medidor Placa de orificio Medidores de Masa de Flujo Medición de los Líquidos del Gas Natural Cálculos de Constantes de Orificio Uso de Tablas y Aplicaciones Especificaciones de Conexiones de Tomas de Presión 3

28 28 29 29 29 30 30 30 31 31 32 33 34 34 34 37 38 38 38 38 39 39 40 41 41 41 42 42 43 43 44 44 45 45 48 54 55 59 60 61 61 62 62 63 64

INDICE

PÁGINA

Enderezadores de Flujo Medidor de Orificio Tipo Brida Instalación de Codos en el Tubo Medidor

INDICE de Figuras

64 64 65

PÁGINA

Figura 1 Placa de Orificio Concéntrica Figura 2 Medidor Placa de Orificio Figura 3 Medidor Tubo Ventura Figura 4 Tipo de Medidores de Orificio Figura 5 Medidor Ultrasónico Figura 6 Medidor de Flujo Multifásico Figura 7 Componentes del medidor multifásico. Figura 8 Sección del Medidor Multifásico Figura 9 Triángulo de Solución Figura 10 Caudal de Flujo Figura 11 Caudal de Flujo

INDICE de CUADROS

7 8 17 21 29 32 33 34 36 49 51

PÁGINA

Cuadro 1 Tolerancia práctica para Diámetros de Orificio (d) Cuadro 2 Relación entre el Diámetro y el Factor Beta

4

26 41

Unidad VI: Medición de Tasas de Flujo de Gas Flujo de un Caudal de Fluidos: El caudal o flujo es la cantidad de fluido que circula por un conducto o cauce en un tiempo determinado. Para transportar los fluidos de un lugar de la planta a otro o de un proceso a otro se necesita instalar sistemas de tubería apropiados. La finalidad es canalizar el fluido adonde se necesita y, al mismo tiempo, mantenerlo aislado del medio externo. Hay fluidos altamente tóxicos, por lo que se debe garantizar su confinamiento para que no produzca daños en el medio ambiente. En algunos casos, el valor del fluido es tan elevado que se procura evitar desperdicios. Cuando así sucede, es conveniente calcular la cantidad exacta que se está transfiriendo o consumiendo. Por ejemplo, si la alimentación del gas natural a las casas particulares o a las grandes instalaciones termoeléctricas no se conociera con un alto grado de precisión y exactitud el caudal que llega, como la empresa suministradora de gas facturar el consumo si antes no mide la cantidad de gas utilizada por el usuario, es por ello que la medición de flujo tiene una aplicación fundamental no sólo en la planta industrial, sino en cualquier sector donde se requiera la transferencia de fluidos. Aunque la industria dispone de una gran cantidad de instrumentos para determinar la cantidad de caudal, que pasa por un determinado punto, los más utilizados son los Medidores de Caudal. Medidores de Flujo El flujo de gas natural desde que deja el yacimiento hasta que alcanza el sitio donde se utiliza, generalmente es un flujo continuo. Bajo estas condiciones de flujo el gas no puede ser almacenado o retenido por largo tiempo, a diferencia del petróleo y otros líquidos, así que su volumen debe ser determinado instantáneamente durante su flujo a través de la tubería, lo cual representa un problema de medición más difícil. Un Medidor es un dispositivo que mide la tasa de flujo o cantidad de fluido en movimiento a través de un gasoducto abierto o cerrado. Usualmente, consiste de un elemento o dispositivo primario, secundario y terciario. Medición de Gas A todo lo largo de las operación de producción, separación y acondicionamiento, tratamiento y transmisión de gas, serán recibido y enviados caudales de gas, que deben de ser medidos con un determinado grado de exactitud, de tal forma que sea posible cuantificar el flujo en distintos sitios. En vista de lo difícil que es medir el volumen de un gas, además de su dependencia de la presión y temperatura. Luego para tener un punto de referencia común, el volumen de gas medido a cualquier presión y temperatura sea convertido a una presión y temperatura base. En el sistema Británico de Unidades por lo general se acostumbra a expresa este volumen base en millones de pies cúbicos normales de gas por día (MMPCND), que vendría a representar el caudal de gas en condiciones normales de gas transportado a la presión de 14,7 (lpca) y temperatura de 520 R. En este sistema el caudal de gas se expresa de la siguiente forma b . Este caudal puede ser fácilmente convertido a condiciones de operación a través de los factores de conversión, con lo cual se hacen mucho

5

más fáciles los cálculos de los parámetros, que se utilizan en la ingeniería de gas e ingeniería en general, aunque con el uso de computadora facilita más el cálculo. Por ejemplo, si se disponen de 120 MMPCND, el cual tiene una gravedad especifica al aire de 0,67¿Cual sería el caudal volumétrico del gas en (lb/s) a una presión de 950 lpca y temperatura de 140F?. Solución con el valor de la gravedad específica G en forma gráfica o través de correlaciones matemáticas se obtienen la temperatura y presión seudocríticas. En este caso es forma gráfica y se obtiene que: PSC 665lpca y TSC 365 R , luego: TSR

1,64 ; PSR

1,43 ;Z=0,90 ; lo que indica que :

1, 2 x10 8 ( PCN ) x (lbmol ) x 28,97 x0,67(lb) x( PC ) x (día ) (día ) x379,6( PCN ) x(lbmol ) x3,18(lb) x86400( s )

G

3,18

22,33

lb PC

PC s

Condiciones del Flujo de Gas: El flujo de gas es continuo, sin que en ningún punto de su trayectoria sea almacenado. Por lo que su medición debe de hacerse directamente sobre una corriente de gas que esta fluyendo continuamente Generalmente para la medición de gas se emplean los medidores Placa de orificio, debido a que presentan buena tolerancia al arrastre de líquidos. Este tipo de Medidores opera por el Método de presión diferencial, el cual se fundamenta en el hecho de que la presión y la velocidad de un fluido que circula por una tubería es casi la misma en cualquier punto de las paredes de dicha tubería. Cuando en la tubería se coloca una restricción, se observa claramente que hay una caída de presión a través de dicha restricción., además de un aumento en la velocidad del fluido. Esto es conocido como el Teorema de Bernoulli, y a este cambio de presión en el flujo de gas, antes y después de la Placa de Orificio, es lo que se conoce como Presión Diferencia hw La presión diferencia más la presión de flujo de gas del sistema o presión estática (presión del gas aguas arriba de la Placa de Orificio son registradas en un disco de papel (Carta registradora), el cual se encuentra dentro de un registrador de flujo y presión. Lo que indica que con la determinación de estas presiones se puede obtener el volumen de gas producido por el pozo, mediante la siguiente fórmula matemática. CB

Cx Pf xhw

(1)

Donde: CB Tasa de caudal de gas a condiciones estándares o base en pies cúbicos normales por hora (PCNH); (C) = constante de orificio, la cual es adimensional; Pf presión estática en (lpca) y hw presión diferencial en pulgadas de agua. La verdad es que el Medidor Placa de orificio consiste en una

6

placa perforada instalada en la tubería, y que tiene dos tomas en la parte anterior y posterior de la placa, las cuales captan la presión diferencial. Esta presión diferencial, es proporcional al cuadrado de la velocidad del caudal de flujo de gas. Medición de Flujo La medición del flujo de fluidos es una de las mediciones de mayor importancia en el control de procesos que se llevan a cabo en gasoductos, oleoductos, plantas de inyección o transmisión, plantas industriales, acueductos, etc. El fluido a medir puede ser un líquido, un gas o una mezcla de ambos, en este caso será una mezcla bifásica. En cada caso existen diversos medidores y dispositivos de medición que pueden ser utilizados, para cuantificar la tasa de flujo. Un medidor de flujo es básicamente un dispositivo que mide la tasa de flujo o cantidad de un fluido en movimiento a través de un gasoducto abierto o cerrado. Por lo general, consiste de un elemento primario y un elemento secundario. El Elemento Primario del Medidor de Flujo: Este aparato es un dispositivo instalado interna o externamente en la tubería de flujo, que produce una señal en relación al flujo de fluido que circula por el gasoducto. La señal que produce el dispositivo esta en concordancia con las leyes físicas conocidas, relacionado la interacción del fluido a la presencia del elemento primario, en función del elemento primario utilizado, los medidores de flujo pueden ser clasificados en medidores de cantidad y medidores de tasa. Entre lo elementos primarios se tiene: a.- Placa de Orifico Estos medidores se clasifican en concéntricas, excéntricas y segmentadas Las placas de orificio concéntricas son las más utilizadas, instalándose en bridas y cajas de orificio. En la figura 1 se presenta una placa de Orificio Concéntrica Figura 1 Placa de Orificio Concéntrica

b.- Caja de Orificio. Este aparato se instala en la línea transportadora del gas y es la portadora de la placa de orificio que representa la restricción en el flujo de gas. Posee un mecanismo que permite cambiar la placa de orificio con facilidad, ejecutando una maniobra relativamente simple sin necesidad de parar el proceso. En la figura 2 se muestra un Medidor placa de orificio 7

Figura 2 Medidor Placa de Orificio

Elementos Secundarios del Medidor de Flujo Este es un dispositivo que responde a la señalización del elemento primario y la convierte en una señal de salida que puede ser traducida en tasa de flujo o cantidad de fluido, con lo cual se determina la tasa de caudal, para realizar este proceso son necesarios los siguiente instrumentos: a.- Registradores de Flujo y Presión Este instrumento se utiliza para registrar sobre la cara de un disco de papel variaciones de la presión a través del Disco de Orificio, el cual representa la Presión Diferencial (PD) y la presión de flujo de gas del sistema, que representa la Presión Estática (PE), necesarias en él calculo de la cantidad de gas que produce un pozo. El registrador tipo Fuelle Barton es el más utilizado en la empresa. Es altamente sensible al líquido, afectando el elemento diferencial del equipo, arrojando de esta manera lecturas erradas, imposibilitando un cierre del balance. b.- Registros Existen en diferentes formas y escalas de los registros o cartas utilizadas en la medición de flujo, pero básicamente se puede clasificarlos en gráficos uniformes o lineales, gráficos de raíz cuadrada. c.- Gráficos Lineales o Uniformes: La lectura tomada sobre estos registros representa una relación lineal con respecto al diferencial de presión producido por el flujo que en ese instante está fluyendo a través del elemento primario. Estos gráficos se caracterizan por sus divisiones uniformes d.- Gráficos de Raíz Cuadrada. Este tipo de gráficos no señala una indicación directa de presión diferencial, pero tiene la ventaja de poder indicar, el porcentaje de flujo que en un momento determinado esta circulando a través del elemento

8

El elemento secundario es un dispositivo que responde a la señalización del elemento primario y la convierte en una señal de salida que puede ser traducida en tasa de flujo o cantidad de fluido. Elemento Terciario Este dispositivo permite realizar el cálculo del volumen, a través de un sistema computarizado Importancia del Elemento Primarios en la Medición de un Flujo de Fluido: En función del elemento primario utilizado los medidores de flujo pueden ser clasificados en Medidores de Cantidad y Medidores de Tasa. La selección de un medidor es determinada por su confiabilidad, tanto en la medición como de mecánica, y su rango. La confiabilidad es un asunto de experiencia, de trabajo y de prueba. El rango requerido en la medición que se determina por cálculos de diseños preliminares. La medición de la tasa de flujo ha sido tradicionalmente un aspecto mecánico. Para lograr una alta precisión y exactitud en la medición del fluido, es necesario hacer la selección correcta del tipo de medidor a utilizar. Al seleccionar un determinado tipo de medidor, para la medición de un fluido, hay que tomar en cuenta la diferencia entre exactitud y precisión. Ambos términos involucran diferentes tipos de errores La Exactitud de un Medidor de Flujo: La exactitud, por ejemplo es la relación entre la tasa de flujo real y la tasa de flujo medida, pueden utilizarse ciertos procedimientos de prueba de medidores, para determinar la cantidad de error cometido en la exactitud. La precisión es la cantidad de veces que se repite una medición, correcta o incorrecta. Un instrumento, por ejemplo puede ser muy preciso y además muy inexacto. Selección de los Medidores. Con el objetivo de tener una alta exactitud en la medición de los fluidos manejados, con lo cual se logra consistencia en el control de las operaciones, la selección del medidor adecuado para un determinado servicio requiere de la aplicación de una serie de criterios que facilitan la selección del dispositivo idóneo al más bajo costo. Los criterios de selección a tomar en cuenta son: a.- Tipo de Fluidos a medir en el mundo petróleo los fluidos a manejar son (petróleo, gas, vapor de agua) b.- Propósito de la medición, dentro de los propósitos se tiene (control de flujo, distribución de volúmenes, control de inventarios; venta de productos y obtención de datos para ingeniería de procesos). c.- Exactitud Requerida. La exactitud de mayor uso es (0,5 a 1%) para propósitos de confiabilidad, (1,0 a 2,0%) para propósitos de control. d.- Volumen a manejar. Este es un parámetro de gran importancia, para definir el tipo de medidor a utilizar.

9

e.- Costo Relativo, aquí lo de mayor importancia a tomar en cuenta son los costos de instalación inicial, y los costos de mantenimiento. f.- Facilidades de Mantenimiento y Calibración. Lo de mayor importancia a tener en cuenta son Los Requerimientos de herramientas y/o equipos especiales; y; entrenamiento requerido por el personal, y g.- Limitaciones Físicas de la Instalación. A tomar en cuenta los siguientes aspectos; Requerimiento de espacio para tuberías; disponibilidad de energía eléctrica y Clasificación de áreas peligrosas. Todo estos parámetros hay que tomarlos bien en cuenta, ya que influyen en la eficiencia de la medición obtenida con este tipo de medidor.. Clasificación de los Medidores de Flujo: La principal clasificación da origen a: Medidores de Cantidad. A este grupo pertenecen los medidores (Diafragma; Desplazamiento Positivo y Rotatorios). Estos medidores están diseñados para medir el flujo total que pasa a través del mismo. Una unidad de medición separa momentáneamente el flujo en segmentos. Los segmentos son contados y los resultados son transferidos al contador o cualquier sistema totalizador a través de un tren de engranaje. Los medidores de cantidad. son medidores de desplazamiento positivo Están diseñados para medir el flujo total que pasa a través de mismo. La principal ventaja es que se realiza la lectura directa del volumen total de caudal, sin necesidad de alimentación externa de potencia de ninguna especie, la desventaja es que para que el proceso sea de alta eficiencia y preciso, los fluidos a medir tienen que ser limpios Los medidores de cantidad están diseñados para medir el flujo total que pasa a través del mismo. Una unidad de medición separa en forma momentánea al flujo en segmentos que son contactos. Los resultados son transferidos al contactor o cualquier totalizador, a través de un tren de engranajes Entre los Medidores de Cantidad se tiene a los Medidores de Diafragma, Medidores de Desplazamiento Positivo y Medidores Rotatorios. a.- Medidores de Cantidad de Desplazamiento Positivo. Estos medidores se encuentran en muy variados diseños, opera básicamente dividiendo el flujo en volúmenes conocidos y contando la cantidad de dichos volúmenes procesados para obtener el volumen total. Al igual que los medidores de turbina, estos medidores giran por la acción del fluido en circulación y su funcionamiento se ve beneficiado por fluidos limpios y lubricantes Los medidores de desplazamiento positivo son esencialmente instrumentos de cantidad de flujo. Se utilizan frecuentemente para medida de líquidos en procesos discontinuos. Para procesos continuos se prefieren los instrumentos de caudal. El instrumento de desplazamiento positivo, toma una cantidad o porción definida del flujo, y la conduce a través de un medidor, luego produce con la siguiente torsión y así sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se obtiene la 10

cantidad total pasada por este. La exactitud de los medidores de desplazamiento positivo es alta, generalmente entre 0,1 y 1 %. Estos medidores son el fundamento o la base de muchos elementos de control .Este medidor es un instrumento sensible al flujo. El medidor responde a las variaciones en el valor del flujo y responde, también a señales mecánicas correspondientes a la rotación del eje. Estos Medidores se aplican, donde haya una flujo grande, y se requiera una respuesta directa al valor de la variación del flujo y donde la acción mecánica sea necesaria. La precisión y exactitud de estos medidores esta condicionada a una serie de factores y/o procesos, que vienen a determinar su precisión y exactitud, que es de gran importancia en los procesos industriales. b.- Medidores de Flujo Este tipo de medidores es uno de los más utilizados en la industria petrolera, en la medición de flujo de fluidos. Los medidores de flujo se dividen en Medidores Diferenciales, y Medidores no Diferenciales. Entre los medidores diferenciales se encuentran los Medidores Tipo Pitox; Toberas, Tubo Venturi ;Tubo Vertien y Orificio, el cual se divide en Excéntrico, Concéntrico y Segmentado. Los medidores no diferenciales, Rotámetros, Turbinas, Magnéticos y Sónicos Medidores de Flujo Diferencial El medidor diferencial de presión se identifica, por las características de su elemento primario, el cual crea una diferencia o caída de presión que depende de la velocidad y densidad del fluido. Esta diferencia es medida por el Elemento Secundario. Los Medidores de Presión Diferencial, por su fabricación sencilla, su facilidad de instalación y su precio accesible, tienen un uso muy extendido en la industria petrolera. Básicamente consisten en un elemento primario, que genera la presión diferencial, y un elemento secundario, capaz de medir dicha presión y mostrarla o registrarla en un cuadrante. La operación de los medidores de flujo diferencial parte de la propiedad que tienen los fluidos de sufrir una caída o disminución de presión cuando, en una tubería, se les hace circular a través de una restricción. Tal caída o disminución se debe a la ley de la conservación de la energía, según la cual esta última no puede ser creada o destruida. La explicación sencilla de esto es que para conservar el equilibrio de energía de un fluido que circula en una tubería es necesario que la velocidad del mismo se incrementa cuando la presión disminuye y viceversa. Así, cuando la corriente del fluido encuentra una restricción en su camino, la velocidad se incrementa. De esta manera, para conservar el equilibrio en la energía, la presión disminuye. Condiciones de Manejo de los Medidores de Flujo Diferencial: En la línea del flujo, la presión antes de la restricción es mayor que la generada después. La diferencia entre estas presiones es lo que se denomina presión diferencial. El elemento de medición primario más sencillo se conoce como Placa de Orificio. Se trata de una placa metálica circular con un orificio por lo regular en su centro, que se coloca en una brida montada en forma conveniente en la tubería donde circula el fluido. El tamaño del orificio es importante, ya que determina el grado de restricción que habrá en la línea. Un orificio grande presentara una restricción baja 11

y, en consecuencia, una presión diferencial de baja magnitud. Por otro lado, un orificio chico presenta una gran restricción y una presión diferencial elevada. La Presión Diferencial: PD : La Presión Diferencial, que viene a ser la diferencia entre dos presiones. Por ejemplo la presión diferencial a través de una placa de orificio instalada en un tubo medidor, es la diferencia de la presión aguas-arriba (se refiere a una zona ubicada antes de un punto de referencia tomando como base el sentido del flujo) y aguas- abajo (se refiere a una zona ubicada después de un punto de referencia, tomando como base el sentido del flujo) de la Placa de Orificio. La presión diferencial desarrollada entre ambos extremos del orificio siempre es proporcional a la velocidad del fluido que circula a través del mismo. Una velocidad elevada produce una diferencia de presión alta. De la misma manera, una velocidad baja produce una presión diferencial baja. Otro de los factores que influyen en la magnitud de la presión diferencial desarrollada es el diámetro del orificio. Bajo condiciones de operación equivalentes, un orificio de diámetro pequeño produce una presión diferencial elevada y uno de diámetro grande produce una presión diferencial pequeña. Magnitud de la Presión Diferencial en un Medidor Placa de Orificio: En cualquier caso, la presión diferencial producida a través de una placa de orificio es de pequeña magnitud, de tal manera que para medirla se utilizan escalas graduadas en pulgadas de agua. Una presión de una pulgada de agua es aquella capaz de elevar una columna de agua a una altura de una pulgada. Los instrumentos medidores y registradores utilizados en estas aplicaciones utilizan elementos de fuelles o diafragmas calibrados en estas unidades. Para calcular en forma adecuada el diámetro del orificio de la placa, el conocimiento y la experiencia del ingeniero de proceso son fundamentales. Los cálculos se realizan en función de las condiciones normales de operación, determinadas por el rango de valores de presión, temperatura y velocidad de flujo a las que usualmente operará la aplicación de flujo en particular. En los campos petroleros No es raro encontrar instaladas Medidores Placas de Orificio que están sobre o subdimensionadas. En cualquiera de los dos casos, provoca una baja precisión y exactitud en la medición. En el primer caso, la presión diferencial producida cuando las condiciones de operación son normales es muy pequeña. Esto provoca que el medidor que registra la presión diferencial opere casi en la parte inferior de su escala y las fluctuaciones en el flujo medido estén muy atenuadas .Bajo estas condiciones, la sintonización de un control de flujo es muy complicada y la estabilidad difícilmente es óptima. La magnitud de la presión diferencial desarrollada a través del orificio no sólo depende del diámetro del mismo, sino de algunas características físicas inherentes al fluido o a las condiciones de operación. Entre las primeras, las más importantes son la densidad y la viscosidad; entre las segundas, la temperatura y la presión. También se debe considerar si el fluido es un líquido, un gas o un vapor, y cada uno de ellos tiene un comportamiento muy particular.

12

Efecto de la Presión de un Fluido Líquido en la Medición de un Flujo: El efecto de la presión sobre la densidad de los líquidos es insignificante y, en muchos casos para efectos del cálculo del diámetro del orificio de la placa, la densidad del fluido, se considera nula, ya sea porque su valor no tiene una variación calculada, para efecto de determinación del caudal. Por otro lado, el efecto de la temperatura sobre la densidad de los líquidos es muy significativo, y debe incluirse algún elemento de compensación en las ecuaciones de cálculo. En términos generales, cuando la temperatura aumenta, la densidad disminuye, esto es válido si el fluido es un gas. Además, el efecto de la temperatura y la presión sobre la densidad es muy considerable .Para estos efectos conviene mencionar dos leyes físicas, las cuales indican que: a.- La Densidad de un Gas a temperatura constante es directamente proporcional a su presión absoluta b.- La Densidad de Un Gas a presión constante es inversamente proporcional a su temperatura absoluta. Condición de la presión de los Gases: En la física moderna se ha determinado que la densidad de diferentes gases a la misma temperatura y presión varía en forma directamente proporcional a su peso molecular. La viscosidad es la resistencia interna que ofrece el fluido para circular dentro de una tubería. El agua tiene una viscosidad baja, mientras que el petróleo la tiene alta. Cuando el petróleo se calienta, su viscosidad disminuye. Para calcular el diámetro del orificio de una placa es preciso resolver una serie de ecuaciones matemáticas, lo cual es un trabajo complejo y tedioso. Por fortuna, en la actualidad se cuenta con una serie de productos de software que realizan estos cálculos con rapidez y muy poca intervención del usuario. El orificio de la placa no siempre es concéntrico. En algunas ocasiones se prefiere utilizar orificios excéntricos, dependiendo de las características del fluido. Ventajas de La Placa de Orificio: La ventaja principal de utilizar una placa de orificio para la medición de flujo es que su fabricación e instalación tienen un costo reducido. Además, el ingeniero de proceso puede modificar fácilmente el diámetro del orificio para ajustarse a otras condiciones de operación. La principal desventaja es que los fluidos que traen sedimentos o que son muy viscosos tienden a tapar o modificar el diámetro del orificio, con lo que la presión diferencial desarrollada ya no corresponde al flujo real que circula en la tubería. La principal ventaja de los medidores diferenciales es que pueden manejar sólidos en suspensión, además que pueden ser utilizados en un amplio rango. La desventaja es que no están disponibles, para tuberías con diámetros menores a 6 pulgadas. El Tubo Medidor Tipo Venturi Este medidor es otro popular dispositivo que opera bajo el principio de presión diferencial a través de una restricción( se entiende por Tubo Medidor al tramo de una tubería que requiere una distancia mínima entre la placa de orificio y el accesorio más próximo tanto aguas-arriba como aguas abajo, distancias que deben de estar representadas en los esquemas de instalación con 13

las letras A y A’, para las correspondientes aguas-arribas incluyendo enderezadores de flujo B y B’ para al distancia aguas- abajo Ventaja de Un Medidor Tipo Tubo Venturi o Ventura: La principal ventaja de un medidor Tipo Tubo Ventura es su resistencia a la contaminación por sedimentos o por el propio fluido que circula a través de él. Además, opera a un rango de velocidad de flujo más alto que la placa de orificio. La desventaja es que tiene un costo considerablemente más elevado y que sus características de operación no pueden modificarse en campo. Los proveedores de estos medidores suministran el Tubo Venturi con unas dimensiones y rango de operación calculados para unas condiciones de operación específicas. En términos, generales se puede señalar que. Muchos de los equipos utilizados para medición de la tasa de flujo pueden operar por largos periodos de tiempo, sin mayores dificultades, pero hay que tener en cuenta que deben ser removidos ocasionalmente para su verificación, reparación, calibración. A estos medidores pertenecen: En términos generales, se puede indicar que el medidor diferencial de presión, se identifica, por la característica de su elemento primario, ya que crea una diferencia o caída de presión que depende de la velocidad y densidad del fluido Muy diversos tipos de elementos primarios han sido usados para producir la diferencia de presión, pero los más comunes son: la Placa de orificio, la Boquilla de Tobera, El Tubo Ventura y El tubo Pitot Selección del Elemento Primario, en Medidores Diferenciales En la selección del elemento primario, más conveniente para cada caso particular, es necesario tener presente las siguientes consideraciones. a.- Las características físicas del fluido, los cuales determinante en una decisión .de selección

serian un factor

b.-Los gastos mínimos, normales y máximos., los cuales tienen una gran importancia a la hora de hacer la selección. Aunque, hay condiciones, en donde mínimos o los máximos gastos a medir nos limitan y obligan a usar tal o cual los elemento primario. c.-La presión estática: La selección del rango diferencial se sustenta principalmente en la presión estática del sistema, se sabe que hay elementos primarios que trabajan convenientemente con diferenciales de presión pequeñas, los que puede hacer de este factor, con cierto rasgo determinante para una selección. d.- Las dimensiones de las tuberías, ya que existen limites en los diámetros de las tuberías que impiden el uso de ciertos elementos primarios. e.- Las pérdidas de presión permisibles en el sistema. Por lo general se deben ajustar las perdidas de presión producidas por el elemento primario a un valor

14

especificado, que no debe exceder de la cantidad permisible. Luego, esto conduce en algunos casos a la selección de elementos primarios que produzcan caídas de presión mínima. Los Elementos Primarios de Mayor Utilidad para los Medidores Diferenciales se consideran: a.- Medidor Diferencial Tipo Tubo Pitot Un Tubo Pitot es un elemento que compara a la presión estática con la combinación de la presión estática y la presión dinámica o presión total del flujo. La diferencia de esta presión estática y la presión total es la medida de la velocidad de flujo en la tubería, en el punto de impacto de la presión. Se caracteriza por ser de bajo costo y de fácil remoción. Los medidores tipo Tubo Pitot, son de baja exactitud y no es recomendable para fluidos sucios. El Tubo "Pitot" es el elemento primario de un instrumento de flujo. El tubo tiene dos conexiones roscadas de presión que entran a la línea: una, la conexión de impacto queda directamente frente al lado ascendente; la otra abertura, la conexión estática, abre en ángulo recto a la dirección de flujo. La presión en la conexión de impacto es la suma de la "altura dinámica" y de la presión estática en la línea. La Conexión estática solamente mide la presión estática. Las dos conexiones están conectadas a un medidor diferencial que mide la "altura dinámica" o "carga de velocidad", la cual esta directamente relacionada al régimen de flujo. El Tubo "Pitot" tiene una aplicación algo limitada en líneas de los tamaños mayores, en donde el costo de instalación de una boquilla de flujo que se haría necesaria debido a la alta velocidad seria exorbitante. También se usa para altas velocidades en donde la presión estática es baja, pues el Tubo "Pitot" no introduce ninguna pérdida de presión. Otra ventaja es que puede instalarse fácilmente en donde la línea ya esta en operación y que seria imposible cortar la línea para instalar una placa de orificio o boquilla de flujo. Las entradas del Tubo "Pitot" son bastante pequeñas y se tapan fácilmente si el tubo se usa en gases o líquidos sucios. Su instalación no se recomienda excepto bajo condiciones de flujo ideales El Tubo "Pitot" debe introducirse en un tramo recto de la línea de tubería y lo más lejos posible, en la línea del flujo descendente, de cualquier punto de disturbio en el flujo, tales como reductores, válvulas o combinación de conexiones. Para colocar el tubo correctamente en la línea, dóblese el largo mínimo permisible de tubería recta que precede al Tubo "Pitot" según recomendación de la hoja de Instrucciones de "Tramos de Tubería para medidores". No tiene importancia que la tubería sea horizontal, vertical o inclinada. En tuberías horizontales e inclinadas, el Tubo "Pitot" debe instalarse arriba en la línea para medición de flujo de gas. Para flujo de líquidos y de vapor, instálese el Tubo "Pitot" en un lado de la línea La abertura del orificio de impacto del Tubo "Pitot" debe quedar en la línea de centro de la tubería y directamente frente al flujo ascendente. La dirección estará correcta sí la flecha en el cuerpo del tubo apunta en la dirección del flujo. 15

La construcción de medidores primarios de presión diferencial con el principio de funcionamiento del Tubo Pitot se puede efectuar con facilidad y economía con el uso de Tubos Modificados La construcción de estos equipos permite instrumentar estaciones de medición de caudales a bajo costo y, principalmente, desarrollar tecnologías propias. El medidor primario Tipo Pitot Modificado esta compuesto básicamente de dos tubos, uno de los cuales capta la carga de impacto o alta presión, que representa la suma de la carga dinámica y carga de presión y el otro tubo capta la presión o baja presión, que se obtiene la carga dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo en movimiento. La correlación de la carga dinámica con la velocidad del fluido para determinar el caudal esta definido por las siguientes ecuaciones: (2)

C 2 gxh

(3)

xA CxA 2 gh = K h

(4)

Donde: velocidad media del caudal en (m/s); caudal de flujo de gas en 3 (m /s);(C )=constante de calibración del elemento primario; (A )= área de la sección control en (m2); (g)= aceleración de gravedad es (m2/s); (h)= carga dinámica o diferencial de presión en (m) y (K)= producto de las constantes El Tubo Pitot es el elemento primario de un instrumento de flujo. El tubo tiene dos conexiones roscadas de presión que entran a la línea. Una de las conexiones de impacto queda directamente frente al lado ascendente; la otra abertura, la conexión estática, abre en ángulo recto a la dirección de flujo. La presión en la conexión de i0mpacto es la suma de la altura dinámica y de la presión estática en la línea. Las dos conexiones están conectadas a un medidor diferencial que mide la altura dinámica o carga de velocidad, la cual esta directamente relacionada con el régimen de flujo. Existen muchas variaciones en el diseño de Tubos Pitot, por lo general no se deben utilizar en proceso de vapor. El Tubo Pitot tiene una aplicación limitada en líneas de los tamaños mayores, en donde el costo de instalación de una boquilla de flujo que se haría necesaria debido a la alta velocidad, sería muy costoso. Los medidores tubo Pitor, se pueden se utilizar en flujo con altas velocidad, pero, cuando la presión estática es Baja, esto es valido, debido a que el tubo Pitot no introduce ninguna pérdida de presión. Desde luego esto puede ser una ventaja de los medidores tipo tubo Pitot. Otra ventaja es que pueden instalarse fácilmente en donde la línea ya esta en operación, y que fuese imposible cortar la línea para instalar un medidor, que no sea un tubo Pitot. Una desventaja es que las entradas son bastantes pequeñas, y luego se tapan con cierta facilidad, sobre todo, cuando se trata de medir fluidos gaseosos o líquidos sucios.

16

El medidor tipo Tubo Pitot debe ser introducido en un tramo de la línea de tubería y los más lejos posibles, de la línea de flujo descendente. Su instalación debe de estar alejada de cualquier punto de disturbio en el flujo, tal como los reductores, las válvulas o combinación de conexiones. Para colocar el tubo correctamente en la línea. No tiene importancia que la tubería sé horizontal, vertical o inclinada. Se puede señalar que entre los dispositivos sencillos destaca el Tubo Pitot, que consiste en un tubo doblado hacia la dirección donde viene el flujo. Otra variación de diseño se construye mediante un tubo recto con una perforación en el lado orientado hacia donde viene el flujo. La fuerza de impacto del fluido sobre el extremo u orificio en el tubo es una rama de la presión diferencial. La otra rama es la presión estática del fluido. El Medidor Tipo Tubo Pitot es un dispositivo que se utiliza mucho cuando se tiene una tubería de gran diámetro. Aunque tiene la ventaja de su bajo costo y sencillez de fabricación, la desventaja es que sólo mide el flujo en el punto de impacto. Se ha tratado de superar esta desventaja suministrando Tubos Pitot con varias perforaciones orientadas hacia donde viene el flujo. De, tal manera que, la presión diferencial promedio que se genera representa la velocidad de fluido con mayor precisión. b.- Medidor Diferencial Tipo Tubo Venturi Este es un medido tipo boquilla, existen varias configuraciones disponibles de Tubos Venturi. Aunque el más común es el Tipo Herchel. Estos medidores pueden manejar sólidos en suspensión y fluidos viscosos. Sin embargo, estos medidores son de ato costo y normalmente no están disponibles para tuberías menores de seis (6) pulgadas de diámetro El Tubo "Venturi" es el elemento primario del instrumento de flujo colocado en la línea para medir una presión diferencial relacionada al flujo. Este medidor puede usarse un tubo en donde la aplicación lo justifique. En vez de agujeros roscados únicos en puntos apropiados del Tubo "Venturi", pueden suministrarse anillos Piezometricos. Un anillo piezometrico es un colector que circunda el tubo con varias aberturas estáticas de presión hacia adentro del tubo. La conexión de presión al medidor esta conectada a este colector. Con esta disposición si un agujero llega a taparse, la exactitud de la medición no queda afectada. El Tubo "Venturi" se usa en donde es importante la recuperación de presión, puesto que esta recuperación del cuello Venturi es mucho más elevada que para otros elementos primarios, especialmente en comparación con los de placas de orificio. Otras ventajas del Tubo Venturi son su coeficiente excepcionalmente uniforme con flujos viscosos, y el hecho de que no separa ni deposita material en suspensión. El tubo del medidor esta colocado en la línea de tubería tal como un tubo ordinario, el cono menor formando el extremo de entrada o de flujo de arriba. El tubo mismo esta hecho de varias secciones, variando el número de ellas según el tamaño del tubo. Cada secci6n tiene una muesca en la orilla de la brida para permitir un alineamiento exacto. El tubo puede instalarse en cualquier posición: horizontal, vertical o inclinada.

17

Tal, como se señalo antes el Tubo Ventura, es un tipo espacial de boquilla, seguido de un cono que se ensancha gradualmente. Este accesorio evita en gran parte la pérdida de energía cinética debido al rozamiento. El medidor tipo Tuvo Ventura, es en principio un medidor de área constante y de caída de presión variable. En la figura 3 se representa en forma esquemática un Medidor Tipo Tubo Ventura Figura 3 Medidor Tubo Venturi

El Tubo "Venturi" debe introducirse en un tramo recto de la línea de tubería y tan lejano, hacia abajo como sea posible, de cualesquier origen de trastorno en el flujo, tal como reductores, válvulas, y grupos de conexiones En tuberías horizontales e inclinadas, las conexiones de presión para la tubería desde el Tubo "Venturi" al instrumento, deben hacerse tal como lo estiman la reglas establecidos para tal fin En tubos verticales, las conexiones de presión pueden hacerse a cualquier lado del tubo. El medidor tipo tubo Ventura Se recomienda principalmente donde se requiere la máxima exactitud en la medición de fluidos altamente viscosos y cuando las circunstancias obligan a mantener una mínima caída de presión tanto que justifiquen el alto costo que significa la inversión original. c.- Medidor Diferencia Tipo Tobera o Boquilla Este tipo de medidor basa su medición en la caída de presión de un fluido fluyendo a través de una restricción en la línea de flujo. Las boquillas vienen en varias formas. En todos los casos la conexión aguas arriba esta localizada a una distancia equivalente a un diámetro de la tubería. Este medidor puede manejar sólidos en suspensión y no tiene partes móviles. Esta limitado a moderados tamaños de tubería y bajos rangos de fluid La ventaja que tiene sobre el Medidor Tipo Tubo Venturi es una menor longitud y, por lo tanto, un costo menor. Es igualmente apropiado para aplicaciones de fluidos con un alto grado de sedimentos. Los principales tipos de boquillas, son las de tipo brida, las de conexiones en el cuello. Uso de la Boquilla o Tobera de flujo La boquilla de flujo, es el elemento primario del instrumento de flujo, colocado en el punto de medición con objeto de crear una reducción de presión diferencial relacionada al flujo. La capacidad de una boquilla de flujo es mayor que la de un orificio de cantos agudos, de manera que puede manejarse un régimen de flujo mucho mayor con la misma relación de d/D y con el mismo diferencial. Por consiguiente, cuando el uso de una placa de orificio necesitase una relación demasiado alta de d/D, puede obtenerse una relación más baja para el mismo flujo, utilizando una boquilla de flujo y 18

aumentando la exactitud al reducir los errores debidos a las irregularidades en la tubería. Además tiene ventajas para ser usada con fluidos que contienen sedimentos o sustancias sólidas en suspensión. Su sección hidrodinámica evita que se depositen materias sólidas que pudiesen cambiar el perfil de entrada. La boquilla de flujo debe intercalarse en una sección recta de la línea de tubería, y tan abajo en el flujo como sea posible, lejos de cualquier fuente de trastorno en el flujo, tales como reductores, válvulas, combinaciones de codos etc. Carece de importancia que la tubería sea horizontal, vertical o inclinada, a menos que lleve alguna sustancia extraña en suspensión; tal como sedimentos o gases. En estos casos, es preferible instalar la boquilla de flujo en una sección vertical de la línea, con el flujo en una dirección que permite que la sustancia extraña pase a través del orificio, es decir, hacia arriba en casos de gases aprisionados, y hacia abajo en casos de sedimento, polvo o condensado d.- Medidor Diferencial Tipo Vortex (Vórtice). Este es un medidor que se utiliza, en fluidos con una no muy viscosidad. Se sustenta en el principio de que cuando un fluido fluye alrededor de un objeto obtuso, el flujo es incapaz de seguir la superficie del objeto apartándose del mismo en un punto para formar una serie continua de corriente de remolino. Este medidor tiene un amplio rango de flujo, puede medir gases, líquidos y vapor de agua. Sin embargo, este medidor requiere de secciones especiales de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor, y algunos de estos medidores son difíciles de calibrar La .operación de estos dispositivos se sustenta en algunas propiedades de la dinámica de los fluidos. Es decir aquellas características que se presentan cuando los fluidos se encuentran en movimiento. El nombre de Vórtice o remolino, se fundamenta a que los científicos desde hace mucho habían observado que el número de remolinos que se forman en una corriente de agua, cuando esta pasa por un obstáculo se incrementaba en forma lineal, cuando aumentaba la velocidad de la corriente. El medidor Tipo Vórtice tiene su aplicación, en fluidos de no muy alta viscosidad, la medición se basa en el principio, que cuando un flujo fluye alrededor de un objeto obtuso, el flujo no es capaz de seguir la superficie del objeto apartándose del mismo, en un punto para formar una serie continua de corrientes de remolino. La frecuencia de la velocidad es proporcional a la velocidad del flujo e inversamente proporcional al diámetro del objeto. Las principales ventajas del medidor tipo Vórtice son, que no tiene partes movibles en el caudal del flujo, tiene una alta capacidad con relación al diámetro de la línea de transmisión, la desventaja radica en que requiere electricidad para obtener la lectura, y los elementos que sirven de sensor son susceptibles a los contaminantes. La realidad, que no fue sino hasta la década de los setenta cuando la tecnología permitió el desarrollo de los primeros medidores de flujo Vórtice. El medidor está formado fundamentalmente por tres componentes: un elemento generador de remolinos o vórtices; un detector, que convierte la energía de los remolinos en una 19

señal eléctrica, y un transmisor, capaz de amplificar esta señal y producir un registro sobre una escala graduada en unidades de velocidad de flujo. El elemento más importante es el detector de remolinos, ya que su diseño es lo que diferencia a los múltiples dispositivos que se ofrecen en el mercado. Por lo general hay dos maneras de montar el detector: en forma directa sobre la pieza generadora de remolinos o inmediatamente después de que la corriente pase este obstáculo. Lo que el detector debe medir es la frecuencia de formación de remolinos, directamente proporcional al flujo que circula a través del cuerpo del medidor. En algunos casos se emplean sensores piezoeléctricos suficientemente sensibles, montados en la pieza generadora, que detectan el momento en que se genera cada nuevo remolino. En otras ocasiones, el dispositivo sensor se encuentra inmediatamente después de la pieza generadora y mide las fluctuaciones de presión provocadas por el paso de los remolinos que se generan en la corriente. En ambas situaciones se necesita que un circuito electrónico interprete la frecuencia de los pulsos producidos por el detector de remolinos y despliegue una lectura expresada en unidades de velocidad de flujo. Este tipo de medidor se comporta con mucha eficiencia cuando el fluido sea líquido, gas o vapor se encuentre limpio o con pocos materiales en suspensión. Sin embargo, cuando se pretende utilizar este medidor en aplicaciones de medición de gases de baja densidad, su desempeño deja mucho que desear. En tales circunstancias, el dispositivo detector de remolinos se confunde porque los vórtices que se forman tienen una presión muy baja y su detección queda enmascarada por e.- Medidor Diferencial Tipo Orificio Se contemplan dos tipos de medidores de orificio Los medidores con Placa de orificio circulares, colocadas en forma concéntrica en el tubo medidor con las conexiones para el registrador instaladas en la brida y con la presión estática (esta es presión que caracteriza la diferencia entre la presión dentro de la línea y la presión atmosférica. Esta presión puede ser tomada aguas –arriba o aguas debajo de la placa). La aplicación del medidor de orificio, en la medición de fluidos esta fundamentada en el principio físico de que la caída de presión de un fluido fluyendo a través de una restricción en la línea es proporcional al cuadrado de al velocidad del fluido. Luego, es evidente que mediante una restricción en la línea del flujo, se puede cuantificar el flujo del fluido. Esto significa que la medición de la tasa de flujo, con los medidores de orificio, es básicamente una restricción al flujo de una corriente de fluido, con lo cual se origina un incremento en la velocidad del fluido, con la consiguiente reducción en la presión del mismo. La reducción depende del tamaño del orificio. Mientras que la caída de presión se incrementa al aumentar la tasa de flujo. Los medidores de orificio se dividen: 1.-Medidor de Orificio tipo Concéntrico Estos medidores se caracterizan porque, no tienen piezas en movimiento en el caudal de flujo. La capacidad de medición de estos medidores, es una función del diámetro de la línea. Los medidores pueden ser utilizados en la medición de gases, líquidos y vapor de

20

agua. La principal desventaja, es que la señal de flujo no es lineal, y la obtención del volumen total del caudal requiere del procesamiento adicional de datos. 2.- Medidores de Orificio tipo Excéntrico La principal ventaja de estos medidores es que la localización del orificio le permite utilizarlo en la medición de fluidos con contaminantes sólidos, o fluidos de aguas aceitosas y vapor húmedo. La principal desventaja, es que solo pueden ser utilizados en tuberías con diámetro menores a 6 pulgadas. 3.- Medidor de Orificio tipo Segmentado. Las características de ventajas y desventajas de estos medidores son similares a los de tipo Excéntrico. Además que el segmento abierto puede ser colocado en el tope o en el fondo de la línea, lo cual depende del tipo de servicio para el cual se requiera .En la figura 4 se presenta en forma esquemática los medidores de orificio Figura 4 Tipo de Medidores de Orificio

Cuando la medición del flujo de gas se realiza con medidores de Orificio. En este caso la medición se efectúa con Caja de Orificio, este proceso en Venezuela, por ejemplo se remonta a hace más de 50 años de servicios interrumpidos. Si la medición no se realiza en forma eficiente, conlleva al arrastre de líquido junto al gas, el cual puede llegar hasta las plantas compresoras. Aquí, es donde se nota la utilidad práctica de los Medidores Caja de Orificio, los cuales si trabajan ene forma eficiente, este arrastre no se produce. Durante la medición con medidores de orificio se deben realizar una toma y otra después del orificio. Esto permite cuantificar la caída de presión, las cuales son enviadas a una unidad diferencial, donde se resta la presión estática mayor de la menor, de tal forma de obtener la presión diferencial neta a través del orificio, y a un resorte Bourdon, donde de continuo llega la señal de presión estática aguas arribas. Las unidades diferenciales de presión pueden ser de tipo de fuelle o manométricas de mercurio, aunque esta última ha entrado en desuso a causa del costo, además de la radioactividad del mercurio. Las unidades de fuelle vienen calibradas en pulgadas de agua. Los resortes Bourdon pueden ser del tipo helicoidal o espiral y vienen calibrados en libras por pulgadas al cuadrado, es decir libras por pulgadas al cuadrado (lb/ pulgadas2). La unidad diferencial y el resorte Bourdon se encuentran acoplados a un equipo Denominado Registrador en cuyo interior y sobre una carta en forma de disco se 21

registran de continuo la presión diferencial y la presión estática corriente arriba. Los discos giran de continuo accionados por un mecanismo de relojería y pueden ser diarias o semanales, según el intervalo de tiempo que comprendan. La localización de las tomas de presión estática en algunos medidores se encuentra justo en las bridas situadas antes y después del orificio o sobre la tubería. En el primer caso se habla de tomas de brida y en el segundo de tomas de tuberías. La placa de Orificio de perforación concéntrica, de perfiles en ángulo recto, es el elemento primario de más uso actualmente en la industria. A menos que las características del fluido y las condiciones de flujo indiquen otro tipo como el más adecuado deberán usarse de preferencia la placa de orificio Requisitos a que debe de ajustarse la placa de orificio A fin de poder hacer uso de los coeficientes publicados que caen dentro de las tolerancias permitidas, el orificio debe llenar las siguientes especificaciones: El espesor en la sección cilíndrica, no debe exceder ninguno de los límites establecidos por el fabricante. Ventajas de Desventajas de un Medidor Placa de Orificio: La mayor ventaja de la placa de orificio en comparación con los otros elementos primarios de medición de fluidos, es que debido a la pequeña cantidad de material y al tiempo relativamente corto de maquinado que se requiere en su manufactura, su costo llega a ser comparativamente bajo, sin tomar en cuenta, que se puede instalar, reproducir y desmontar en forma muy fácil, y que además se consigue con ella un alto grado de exactitud. Mientras que las principales desventajas son. 1. La medición es imprecisa en fluidos con sólidos en suspensión. 2.- No se puede utilizar en la medición de vapores 3.- La medición con fluidos viscosos es errático 4.- Produce las mayores pérdidas de presión El medidor Placa de Orificio es de una amplia utilización en la industria, para la medición del flujo de fluidos. La precisión depende del tipo de calibración y reparación que se hagan del instrumento. La calibración y reparación Son recomendables realizarlas en forma periódica, con el objetivo de mantener la precisión y exactitud de la medición. Una de las principales ventajas de estos medidores, es que no requieren un montaje en línea o de un instrumento transmisor. Además un medidor diferencial puede ser fácilmente aislado , puesto en cero y verificado sin necesidad de detener el proceso, mientras que los medidores en línea, el flujo debe ser desviado para lograr aislar el equipo y removerlo Las desventajas son: Baja exactitud, difícil calibración, no se recomienda su utilización en fluidos sucios y pegajosos, alta sensibilidad a

22

perturbaciones aguas arribas. Con las placas de orificio se produce la mayor pérdida de presión en comparación a los demás elementos primarios de mayor Uso. Dentro de los medidores en línea se tienen: Equipos e instalación de orificios de medición En este punto se tiene: a.- Carrera de medición, el cual debe contener: Un plato de orificio, un porta placa, una tubería acondiciona para ser instalada aguas arriba, y venas enderezadoras. El diámetro a utilizar en este medidor depende del volumen de fluido a manejar. Para una alta eficiencia del instrumento es necesario especificar en forma precisa el rango de presión diferencial del instrumento que será utilizado en la medición. El tamaño requerido para general la presión diferencial óptima, tiene que ser determinado, con el tamaño se procede a seleccionar el diámetro de la carrera de medición. b.- Medidores de Placa de Orificio Este es uno de los medidores de mayor utilidad para las mediciones de la tasa de flujo. Los medidores de placa de orificio son de alta sensibilidad y de gran precisión. Por, lo general la placa va instalada dentro de una caja aguas arriba de la brida. Tiene la ventaja con respecto al tipo de brida que la placa queda muy centrada en la tubería y el cambio o inspección de la placa es más sencillo. Existen dos tipos de placa de orificio 1.- Medidor Placa de orificio tipo Paleta. Este tipo de medidor se utiliza para colocarlo entre dos bridas. En la paleta se estampa información pertinente a la placa, como el diámetro nominal y clasificación de presión de la brida, por ejemplo, además del diámetro del orificio y el material de fabricación. En estos medidores se acostumbra a identificar la cara aguas arriba. Esto se realiza, con el objetivo que la placa quede bien centrada dentro de las bridas. El diámetro externo del medidor varía de acuerdo al diámetro interno nominal de las bridas. La correcta instalación de la placa conlleva a una medida precisa y exacta. 2.- Medidor Placa de orificio tipo Placa Universal. Este tipo de medidor se emplea en cajas porta orificios o en sujetadores de placa. Todas las placas son iguales para el mismo diámetro nominal y todas las especificaciones de presión. Cuando estos medidores se emplean con cajas de porta orificio es indispensable conocer el diámetro interno de la tubería, en vista que el sello que se emplea en estas cajas alrededor de la placa universal varía de acuerdo a dicho diámetro, con el objetivo de poder ajustarse al mismo. Ventajas de la medición del flujo con medidores Caja de Orificio son: 1.- Mayor tolerancia a las impurezas presentes en el gas natural 2.- Cuando un bache de líquido contenido en el gas natural pasa por el punto de medición de una caja de orificio, se puede continuar prestando el servicio con un mantenimiento a bajo costo de las partes y equipos de la medición propios.

23

3.-Al efectuar el análisis de la presión diferencial y estática, por parte de los operadores de campo se realiza el diagnóstico oportuno de la presencia de líquidos en el gas natural a objeto de poder en vigencia las aletas respectivas. Cuando la plumilla indicadora de la presión diferencial presenta oscilaciones continuas, ello advierte sobre la presencia de líquidos en la corriente de gas natural e indica que aguas arribas de la corriente medidora el sistema de separación es deficiente, por lo cual se deben implantar los correctivos del caso. 4.- Utiliza equipos simples y económicos. 5.- Los equipos no necesitan instalaciones cerradas, ya que se pueden instalar directamente en los campos petroleros a la intemperie. 6.- Los equipos son de fácil ejecución de mantenimiento, dado que presentan dos cámaras o compartimentos para el reemplazo del orificio, por necesidades de incremento de flujo y/o disminución del mismo, y adicionalmente el reemplazo de partes asociados a los elementos secundarios. 7.- En Venezuela, por ejemplo, en caso de los convenios operacionales, con el gas recibido del gasoducto Anaco- Puerto Ordaz y los equipos contratados para la compresión del gas se han utilizado la siguiente modalidad: instalación de doble caja de registro, es decir una por cada participante del negocio luego se cotejan las lecturas del disco al final de cada periodo, si existente diferencia se organiza el grupo de auditoria y se realiza la calibración del instrumento, para que las partes queden conformes. 8.- Los equipos utilizan partes intercambiables entre las cajas de orificio. 9.- Luego de salir fuera de servicio una caja de orificio, puede ser utilizada en otro sistema similar. 10.- El sistema de orificios es de fácil interpretación por parte de operadores, supervisores etc., en relación con las variables de los procesos Las desventajas son: 1.- El instrumento tiene una precisión entre 1 y 2%, la cual se considera baja. 2.- Es fácil que el equipo pierda la calibración, esto ocurre inclusive con el cambio de la carta, lo cual se realiza semanalmente. 3.- En los últimos tiempos los instrumentos asociados a la caja de orificio (secundarios), son hurtados con facilidad. 4.- Los equipos pueden ser manipulados con facilidad y el registrador puede quedar fuera de servicio. 5.- Se requiere del cambio oportuno de las plumillas del registrador. 24

6.- En los puntos de medición alejados de los centros operacionales se requiere el reemplazo del reloj mecánico (rotación al resorte del reloj) por uno de reloj con batería a prueba de explosión. 7.- Dado que, por lo general, no tienen incorporado un medidor de temperatura la misma se realiza con un promedio lo cual incrementa el porcentaje de error en la medición. 8.- En las paradas de emergencia no programadas de las plantas compresoras del Distrito San Tomé; por ejemplo, al ocurrir el cierre abrupto (violento) de las válvulas actuadoras y, al empezar él venteo de gas, se genera gran velocidad del fluido con lo cual se ocasiona dobladura de los orificios y, en algunos casos, la placa sale del porta orificio y se aloja en una sección donde existen cambios de dirección de la tubería que finalmente produce restricción. La misma es solventada una vez que se secciona la tubería y se procede a retirar el orificio. El sitio exacto del orificio se detecta por los cambios de temperatura en la tubería. Experiencias de mediciones de gas con Medidores de Caja de Orificio Para que la medición del caudal de gas sea precisa y exacta, se deben de tener una serie de cuidados, como por ejemplo que la soldadura de la tubería y la caja de orificio no sean del mismo espesor, esto provocara que quede una sección libre, la cual puede generar turbulencia, y como consecuencia hace que el flujo en la caja de orificio no sea laminar, y desde luego habrán errores en la medición. Esta anomalía se corrige estandarizando los espesores de acuerdo a la presión que ejerce el flujo sobre la tubería. También es común encontrar instalados en el tubo medidor punto de toma y/o cambios de dirección para cualquier servicio, relativamente cerca de la caja de orificio, sin respetar la normativa que establece las longitudes requeridas aguas arriba y aguas debajo de la placa. Esta norma se hace con el objetivo de evitar la turbulencia que distorsiona los parámetros de medición. También se debe tener sumo cuidado, que al instalar las bridas de la caja de orificio, queden alineadas con las de la tubería, para evitar errores en la medición. Cuando se note el pase de un bache de líquido por una caja de orificio, será necesario realizar un mantenimiento a la caja de orificio, con el objetivo de evitar problemas operaciones, en este caso lo más lógico es retirar el instrumento de medición. Condiciones para la Utilización de un Medidor Placa de Orificio: La medición del volumen de caudal de gas, con los medidores de placa de orificio es de gran precisión. Además existe una gran cantidad de normar que regular su funcionamiento. Estas normar fijan las dimensiones y tolerancias, que harán que el funcionamiento del medidor sea preciso y exacto. Una de las normas, es la Norma AGA Reporte N0 3 que se utiliza en los Estados Unidos, y la norma establece: a.- La superficie agua arribas de la placa será plana, y al ser instalada quedara perpendicular al eje del tubo. La desviación máxima de la curvatura a lo largo de todo el diámetro será de 0,0254(cm) por centímetro de la altura circunferencial 25

Una dimensión igual o menor que (D-d)/2 será considerada como plana. La tolerancia permisible de desviación se determinará, según las tolerancias indicadas, para tal proceso. b.- El borde circunferencial del orificio en el lado aguas arriba de la placa será cuadrado, puntiagudo y bien definido sin contornos redondeados o biselados, de modo que no permita el paso de un haz de luz al ser inspeccionado con un verificador de borde de orificio. Debe ser mantenido en estas condiciones, mientras que permanezca en servicio. También la placa se mantendrá limpia en todo tiempo y libre de acumulaciones de suciedad, líquidos y otros materiales extraños, al proceso de medición. c.- El orificio de la placa se deberá perforar en el centro de la misma y una vez instalada, este orificio deberá de quedar concéntrico con respecto al diámetro interno del tubo medidor. La concentricidad debe tener una tolerancia máxima de 3% con respecto al diámetro interior del tubo medidor. Esta tolerancia se hace más crítica en los medidores con tubo medidor de bajo diámetro con relación ( ) alto y cuando el desplazamiento esta hacia las conexiones de presión. d.- El diámetro medido del orificio debe ser lo más cercano al utilizado por él cálculo del factor básico de orificio; debe ser medido en por lo menos tres diámetros diferentes y uniformemente espaciados. Ningún diámetro utilizado para el cálculo del factor básico de orificio ni de otro diámetro medido en una magnitud superior a las tolerancias ilustradas en el Cuadro 1, la cual fue realizada a una temperatura de referencia de 68 F. Cuadro 1 Tolerancia práctica para Diámetros de Orificio (d) Diámetro de orificio en pulgadas 0,250 0,375 0,500 0,625 0,750 0,875 1,000 >1,000

Tolerancia pulgada/ pulgada de día 0,0003 0,0004 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005

e.- Para efecto de diseño se recomienda que la razón ( ) (d/D) esté limitada en la siguiente forma: Para medidores con conexiones tipo brida: 0,15<