NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 947-1 · PDF fileAPI Manual of Petroleum Measurement...

PROYECTO DE NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC DE 250/12

CONTENIDO

Página 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 2. OBJETO ...................................................................................................................... 3. CAMPO DE APLICACIÓN ........................................................................................... 4. REFERENCIAS NORMATIVAS ................................................................................... 5. TÉRMINOS Y DEFINICIONES ..................................................................................... 6. CONSIDERACIONES DE DISEÑO .............................................................................. 7. FLUJO BI-DIRECCIONAL ........................................................................................... 8. SELECCIÓN DE MEDIDOR Y EQUIPO ACCESORIO ................................................ 9. INSTALACIÓN ............................................................................................................. 9.1 ACONDICIONAMIENTO DE FLUJO............................................................................ 9.2 VÁLVULAS .................................................................................................................. 9.3 INSTALACIÓN DE TUBERÍAS .................................................................................... 9.4 SISTEMA ELECTRÓNICO ........................................................................................... 9.5 SISTEMA ELÉCTRICO ................................................................................................ 10. DESEMPEÑO DEL MEDIDOR ..................................................................................... 11. CALIBRACIÓN, EXACTITUD Y REPETIBILIDAD .......................................................


Página 12. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO .............................................................................. 12.1 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA ............................................................................... 12.2 HARDWARE ................................................................................................................. 12.3 FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN ............................................ 12.4 AJUSTE DEL TIEMPO DE RESPUESTA DEL MEDIDOR ULTRASÓNICO ................ 12.5 ELECCIÓN DEL FACTOR DE ESCALA DE PULSO ................................................... 12.6 MÉTODOS DE CONTROL DEL FACTOR DE CORRECCIÓN ..................................... 12.7 PUESTA A CERO DEL MEDIDOR ............................................................................... 13. REQUERIMIENTOS DE AUDITORIA Y REPORTES ................................................... 13.1 CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS Y HERRAMIENTAS DE UN MEDIDOR ULTRASÓNICO ............................................................................. 13.2 ALARMAS Y REGISTRO DE EVENTOS ..................................................................... 14. DIAGNÓSTICOS .......................................................................................................... 15. ACCESO Y SEGURIDAD ............................................................................................. DOCUMENTO DE REFERENCIA ............................................................................................ ANEXOS ANEXO A (Informativo) PRINCIPIO DE MEDICIÓN DEL MEDIDOR ULTRASÓNICO .................................................. ANEXO B (Normativo) VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL MEDIDOR .......................... ANEXO C (Informativo) PULSOS DE FLUJO DE FÁBRICA Y SU IMPACTO SOBRE LOS PROCESOS DE CALIBRACIÓN ........................................................................................................................


Página Figura 1. Diagrama esquemático típico de una instalación sencilla de medidior ultrasónico ........................................................................................................


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MEDICIÓN DE HIDROCARBUROS LÍQUIDOS CON MEDIDORES ULTRASÓNICOS POR MEDIO DE LA TECNOLOGÍA DE TIEMPO DE TRÁNSITO 1. INTRODUCCIÓN Esta norma describe los métodos para la instalación y operación de los medidores de flujo ultrasónicos (o medidores ultrasónicos) cuando son usados para medir hidrocarburos líquidos. Los medidores ultrasónicos son medidores de tipo inferencial, es decir, calculan el caudal del líquido a partir de los tiempos de tránsito de pulsos de sonido de alta frecuencia. Estos tiempos de tránsito se miden a partir de pulsos de sonido que viajan en diagonal a través del ducto, aguas abajo en el sentido del flujo y aguas arriba en contra del sentido del flujo del líquido. La diferencia en estos tiempos de tránsito está relacionada con el promedio de la velocidad del fluido a través de las trayectorias acústicas. Luego, técnicas de cálculo numérico son aplicadas para calcular la velocidad axial promedio y el caudal del volumen de fluido que está pasando a través del medidor. 2. OBJETO En este documento se definen los criterios de aplicación de los medidores ultrasónicos y se abordan las consideraciones apropiadas en relación con los líquidos que se miden. Además, en este documento también se abordan temas como la instalación, operación y el mantenimiento de los medidores ultrasónicos para el servicio de medición de hidrocarburos líquidos. 3. CAMPO DE APLICACIÓN El campo de aplicación de esta norma es la medición dinámica de hidrocarburos líquidos. A pesar de que este documento está redactado especialmente para la medición de transferencia de custodia, también puede ser de utilidad para otras aplicaciones de medición como: mediciones internas, mediciones al paso y medición para la detección de fugas. Este documento se refiere sólo al área de medición con medidores ultrasónicos de dos o más trayectorias con sus transductores fijados permanentemente. Las recomendaciones de este documento se basan en los datos recopilados de la operación de este tipo de medidores de flujo.


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4. REFERENCIAS NORMATIVAS Los siguientes documentos normativos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento normativo. Para referencias fechadas, se aplica únicamente la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento normativo referenciado (incluida cualquier corrección). API Manual of Petroleum Measurement Standards (MPMS). Chapter 1, “Vocabulary” Chapter 4, “Proving Systems” Chapter 5, “Metering” Chapter 6, “Metering Systems” Chapter 7, “Temperature Determination” Chapter 8, “Sampling” Chapter 9, “Density” Chapter 11, “Physical Properties Data” Chapter 12, “Calculation of Petroleum Quantities” Chapter 13, “Statistical Aspects of Measuring and Sampling” Chapter 20, “Allocation Measurement” Chapter 21.2, “Flow Measurement Using Electronic Metering Systems” ANSI MFC.5M, Measurement of Liquid Flow in Closed Conduits Using Transit-Time Ultrasonic Flowmeters ASME B31.4, Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids. B31.3, Process Piping. 5. TÉRMINOS Y DEFINICIONES 5.1 Trayectoria acústica. Es la trayectoria que siguen las señales acústicas a medida que se propagan a través de la sección de medición entre los elementos del transductor.


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5.2 Velocidad axial del fluido. Es el componente de la velocidad del fluido en el punto de la sección de medición que es paralelo al eje de la sección de medición y en la dirección del flujo que se está midiendo. 5.3 Acondicionador de Flujo. dispositivo para reducir remolinos y distorsiones en la velocidad. 5.4 Sección de instalación del medidor. Es la porción de tubería que incluye la sección de acondicionamiento del flujo aguas arriba, el medidor y la sección aguas abajo. 5.5 Factor de escala del pulso. Es un coeficiente que se ingresa al UPS por el fabricante o el usuario, que define la relación entre el pulso y la cantidad volumétrica. 5.6 Unidad de procesamiento de señal (UPS, O SPU por sus siglas en inglés). Sistema electrónico que incluye fuentes de alimentación, microprocesador, componentes de procesamiento de señal y circuitos de excitación para los transductores ultrasónicos, que pueden ser alojados en un encerramiento local o remoto del medidor. 5.7 Transductor. Es un componente que produce ya sea una salida acústica como respuesta a un estímulo eléctrico y/o una salida eléctrica como respuesta a un estímulo acústico. 5.8 Tiempo de tránsito. Medición del intervalo de tiempo asociado a la transmisión y recepción de una señal acústica entre transductores. 5.9 MFU (o UFM por sus siglas en inglés). Medidor de Flujo Ultrasónico. 6. CONSIDERACIONES DE DISEÑO En el diseño de un medidor ultrasónico (UFM) se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones. 6.1 El diseño de la sección de instalación del medidor debe considerar los valores máximos y mínimos de caudal, temperatura y presión. Adicionalmente, se debe considerar las siguientes propiedades físicas: viscosidad, densidad relativa, presión de vapor y corrosión. Los rangos de flujo para la operación del medidor ultrasónico deben estar basados en la aplicación específica deseada. 6.2 Los dispositivos de temperatura, termopozos de prueba de temperatura y los sensores de presión y densidad deben instalarse de tal forma que representen con precisión las condiciones al momento de la medición. La localización recomendada es aguas abajo, inmediatamente después de la sección de instalación del medidor (véase la Figura 1) 6.3 El tiempo de tránsito de los medidores ultrasónicos típicamente no requiere el uso de filtros ya que no tienen partes mecánicas móviles que podrían verse afectadas negativamente por los residuos. Los filtros pueden ser necesarios para proteger los equipos asociados, incluyendo probadores o bombas. 6.4 Si hay presencia aire o vapor en el flujo, se debe instalar eliminadores para minimizar los errores en las medidas (véase la Figura 1). 6.5 El diseño del sistema de medición debe asegurar que cada medidor esté lleno de líquido bajo todas las condiciones de operación. La ubicación de los medidores en puntos altos del sistema se debe evitar. Los Medidores ultrasónicos se pueden instalar en cualquier posición o plano, sin embargo, se debe procurar garantizar que los transductores no queden ubicados en la


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parte superior o inferior de la tubería para minimizar los efectos del aire y los sedimentos. La orientación de la instalación del medidor debe estar de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. 6.6 Se deben tomar las medidas necesarias para reducir al mínimo la cantidad de agua en el líquido que se mide. Los medidores ultrasónicos pueden ser menos precisos, dependiendo del régimen de flujo, las propiedades acústicas del aceite, el tamaño de las gotas de agua, su distribución, y la cantidad de agua. Debido al gran número de variables posibles, no se puede fijar un porcentaje límite de agua. Se debe consultar con el fabricante para estos límites. 6.7 El diseño debe cumplir con todos los reglamentos y códigos aplicables. 6.8 Los medidores deben estar protegidos contra sobrepresiones por medio del uso de dispositivos de alivio de presión. Este tipo de protección puede requerir la instalación de tanques de alivio, cámaras de expansión, válvulas ajustadas a una presión límite, válvulas de alivio de presión y/o otros dispositivos de protección. 6.9 La presión de operación en la sección de instalación del medidor debe mantenerse suficientemente por encima de la presión de vapor. La siguiente ecuación puede ser usada para calcular la contrapresión mínima. Para determinar la contrapresión requerida por medio de la Ecuación 1. Se debe consultar la caída máxima de presión con el fabricante del medidor.

ep,pPb 2512 (Ecuación 1)

en donde

Pb = Contrapresión manométrica mínima libras por pulgada cuadrada (Psig)),

p = Caída de presión a través del medidor,

ep = Presión absoluta de vapor de equilibrio en libras por pulgada cuadrada (Psia)).

1 Válvula de bloqueo, si se necesita 2 Aparato de presión diferencial, si se necesita 3 filtro y / o eliminador de aire, si se necesita 4 Elemento de acondicionador de flujo 5 Flujo del medidor ultrasónico 6 Tubería recta 7 Aparato de medición de presión

8 Aparato de medición de temperatura 9 Pozo de prueba de temperatura 10 Bloque de cierre positivo doble y Bloque y válvula

de purga 11 Válvula de control, si se necesita 12 Válvula cheque, si se necesita 13 Densitómetro, si se necesita

Figura 1. Diagrama esquemático típico de una instalación sencilla de medidior ultrasónico


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7. FLUJO BI-DIRECCIONAL 7.1 Si el medidor se utiliza en flujo bi-direccional, una sección de acondicionamiento de flujo debe ser instalada aguas arriba, en ambas entradas del medidor. 7.2 Si el medidor se utiliza para medir el flujo bi-direccional se requiere re calibración y un factor de medidor para cada dirección. 7.3 Si el medidor es utilizado más a menudo en un sentido de flujo que en el otro, la instrumentación de la temperatura, presión y/o de la densidad, deben estar localizadas aguas abajo de la dirección de flujo del uso más frecuente. 8. SELECCIÓN DE MEDIDOR Y EQUIPO ACCESORIO Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos 8.1 La clase, materiales y el tipo de conexiones de las tuberías y las dimensiones de los equipos a utilizar. 8.2 El espacio requerido para la instalación de la medición y el probador del sistema. 8.3 La caída de presión aceptable a través de la sección de instalación del medidor. 8.4 La metalurgia, los elastómeros, los recubrimientos y otros componentes compatibles con el fluido de proceso. 8.5 Los efectos de la erosión y los contaminantes corrosivos en el medidor, la cantidad y el tamaño de partículas extrañas, incluyendo las partículas abrasivas, las cuales pueden ser transportadas en la corriente liquida. 8.6 La viscosidad máxima de los líquidos que se van a medir. 8.7 La temperatura máxima y mínima de ambiente y de proceso. 8.8 Posibles depósitos de parafinas 8.9 El tipo de probador y método de prueba 8.10 Los métodos de mantenimiento, costo y repuestos requeridos para el mantenimiento. 8.11 Los requisitos e idoneidad para el sello de seguridad, auditoría, y/o presentación de informes. 8.12 Los requisitos de interface con otros dispositivos electrónicos. 8.13 Los requisitos de energía para asegurar una operación continua. 9. INSTALACIÓN Los estándares aplicables en la industria se seguirán cuando se instalen los componentes de la sección de instalación del medidor.


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9.1 ACONDICIONAMIENTO DE FLUJO Los elementos para acondicionamiento de flujo son destinados para reducir la turbulencia o la distorsión en el perfil de velocidad. El diseño debe asegurar un apropiado acondicionamiento de flujo aguas arriba y aguas abajo del medidor. Las longitudes de tubería recta de 10 veces el diámetro del tubo con un acondicionador de flujo, (o 20 o más diámetros de tubos sin un acondicionador de flujo), aguas arriba y 5 diámetros de tubería aguas abajo del medidor, pueden proporcionar un acondicionamiento efectivo, a menos que las recomendaciones del fabricante del medidor de flujo o investigación adicionales recomienden diferentes longitudes (véase la Figura 1). El diámetro interno de la tubería de la sección de instalación del medidor debe ser el mismo que el del medidor. Las soldaduras internas deben ser una capa lisa y las juntas no deben sobresalir en el tubo. Se recomienda anclar la tubería para asegurar una alineación correcta. Los efectos de las diferentes configuraciones de tubería o de los elementos de acondicionamiento de flujo sobre los requisitos de instalación en el acondicionamiento de flujo, no se han evaluado completamente, por lo tanto, se debe consultar al fabricante para las consideraciones de diseño. La repetibilidad de los resultados de la prueba, así como el factor de medidor resultante, pueden verse afectados por el diseño del acondicionador de flujo, incluyendo el tipo y ubicación de los elementos acondicionadores de flujo. Por ejemplo, en los casos en que el medidor no puede probarse inmediatamente después de ejecutar servicios de medición, la posición original de rotación del elemento de acondicionamiento de flujo se debe mantener, ya que la experiencia ha demostrado que esto puede afectar al desempeño del medidor (es decir, el factor del medidor). 9.2 VÁLVULAS Las válvulas requieren una consideración especial, ya que su ubicación y su estado pueden afectar la exactitud de la medición. 9.2.1 La ubicación preferida de las válvulas de control de presión, de flujo, y de purga del probador deben estar instaladas aguas abajo, y deben ser capaces de funcionar sin problemas para prevenir caídas y subidas de presión. 9.2.2 Las válvulas, en particular las existentes entre el medidor y el probador (por ejemplo, las válvulas de desviación de flujo, drenajes y venteos), requieren de cierre hermético, las cuales pueden ser provistas por un doble bloqueo y purga (Takeoff). 9.3 INSTALACIÓN DE TUBERÍAS Los estándares aplicables en la industria deben ser usados en la instalación de los componentes de la sección de instalación del medidor. La sección debe tener un rango de presión adecuado para el servicio y el sistema de tuberías en el que está instalado. Se debe considerar los límites máximos y mínimos de presión para la sección de instalación del medidor y garantizar que las presiones de trabajo y las presiones experimentadas durante condiciones anormales de operación, tales como paradas de flujo y mantenimiento, se encuentren dentro de estos límites. Los códigos o normas (por ejemplo, el DOT Parte 195, Sub parte E, a través de las Secciones 195.300 y 195.310, y ASME B31.3 y B31.4) proporcionan directrices de diseño y especifican los rangos de presión de trabajo. Comúnmente, la presión hidrostática también se especifica. 9.4 SISTEMA ELECTRÓNICO El sistema electrónico de medidores ultrasónicos, incluyendo fuentes de poder, microcomputadoras, componentes de procesamiento de señales y circuitos de excitación de


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transductores ultrasónicos; pueden ser alojados en uno o varios módulos montados localmente o remotamente para el medidor y se conoce como la Unidad de Procesamiento de Señales (UPS). Esta deberá estar diseñada e instalada para responder a las clasificaciones aplicables en áreas peligrosas. La UPS debe funcionar con la totalidad de las condiciones ambientales que se especifican en los requisitos del desempeño del medidor. 9.5 SISTEMA ELÉCTRICO 9.5.1 Los sistemas eléctricos deben estar diseñados e instalados para satisfacer las clasificaciones aplicables en áreas peligrosas. 9.5.2 El sistema de señales eléctricas debe estar diseñados para proporcionar la fidelidad y la seguridad adecuadas. 9.5.3 Las medidores ultrasónicos y sus cables de interconexión, son susceptibles a interferencia electromagnética (EMI por sus siglas en inglés). Dado que las señales eléctricas del medidor ultrasónico están a niveles de potencia relativamente baja, se debe tener cuidado para evitar la interferencia generada a partir de equipos cercanos y cables eléctricos. Los medidores ultrasónicos emplean distintos materiales y métodos para proporcionar protección contra EMI. El apantallado de los cables, el caucho, el plástico y las otras partes expuestas deber ser resistentes a la luz ultravioleta, las llamas, el aceite y la grasa. 9.5.4 Un mal diseño de protección catódica y sistemas de puesta a tierra deficientes, pueden ser fuentes de posibles interferencias con la señal del medidor ultrasónico. 9.5.5 Se exige un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS), para la operación continua del medidor. 10. DESEMPEÑO DEL MEDIDOR 10.1 El factor de medidor debe ser determinado, calibrándolo en condiciones estables de operación (por ejemplo, manteniendo constante las siguientes variables: velocidad de flujo, densidad, viscosidad, temperatura y presión). El capítulo 4.8, “Operation of Proving Systems” puede servir de guía en este ámbito. Normalmente, los usuarios determinan los límites aceptables de desviación de las condiciones de funcionamiento. 10.2 El tipo de calibración es principalmente una función de los requisitos legales y contractuales. Las condiciones de calibración deben ser tan cercanas como sea posible a las condiciones reales de medición. La finalidad esencial de la calibración es confirmar el desempeño del medidor en condiciones normales de operación. Las inquietudes surgen a menudo sobre las diferencias entre realizar verificación o calibración de un medidor en un laboratorio (banco) o en sitio (campo). Estos dos tipos de prueba pueden producir diferentes resultados y no necesariamente pueden ser intercambiados sin introducir errores de medición. 10.2.1 Es preferible realizar la calibración en sitio porque verifica la exactitud del medidor en condiciones reales de operación. Las condiciones de operación pueden afectar la precisión y repetibilidad del medidor. Al hacer esta operación en sitio, en condiciones normales de uso, se compensan las variaciones en el rendimiento provocado por la tasa de flujo, viscosidad, densidad, temperatura, presión, así como las condiciones de flujo, configuraciones en la tubería, y en los contaminantes.


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10.2.2 La calibración en laboratorio normalmente no es conveniente, porque las condiciones de laboratorio no son iguales a las condiciones de operación. Si bien hay más incertidumbre en la medición asociada al realizar la calibración en laboratorio, en determinadas condiciones, esta puede ser la mejor alternativa. 11. CALIBRACIÓN, EXACTITUD Y REPETIBILIDAD 11.1 La exactitud de la calibración puede verse afectada por el retraso de los pulsos del medidor desde la fabricación del medidor. Este retraso en los pulsos, puede llevar a un error de polarización en el factor del medidor, calculado en función de la magnitud del cambio de la tasa de flujo, que se produce durante la ejecución de la calibración y/o verificación. Este problema se explica en detalle en el Anexo C. 11.2 La repetibilidad en las corridas de calibración es usada como un indicador de la validez de los resultados. 11.2.1 Algunos medidores ultrasónicos pueden producir una salida de pulsos no uniforme, que puede manifestar una baja repetibilidad en el resultado. Véase el Anexo B para una explicación detallada. 11.2.2 Cabe señalar que la repetibilidad en la corrida de calibración se puede calcular con un mínimo de 5 corridas, con un intervalo de repetición de 0,05 %. Sin embargo la repetibilidad debe estar dentro de los lineamientos de la norma API MPMS Capitulo 4.8. 12. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 12.1 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA Los parámetros de configuración del medidor ultrasónico utilizado en un sistema de medición, deben ser verificados de acuerdo a la documentación del fabricante para el medidor de flujo específico, antes de que se ponga en servicio. 12.2 HARDWARE La unidad de procesamiento UPS y el cuerpo del medidor dependen del fabricante. Probablemente la UPS de un fabricante no funcione con el medidor de otro. 12.3 FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE MEDICIÓN Se deben poner en funcionamiento los medidores ultrasónicos dentro del rango de flujo especificado por los fabricantes y las condiciones específicas de operación. 12.4 AJUSTE DEL TIEMPO DE RESPUESTA DEL MEDIDOR ULTRASÓNICO Para minimizar los errores de tendencia del factor del medidor que pueden ser introducidos durante la calibración, es importante que los pulsos del flujo de la UPS, respondan lo más rápido posible a los cambios de la tasa de flujo. La UPS puede proporcionar parámetros de configuración que se puedan utilizar para ajustar la capacidad de respuesta a los cambios en la tasa de flujo de los medidores ultrasónicos. Estas opciones de configuración varían entre los fabricantes, pero por lo general se dividen en tres categorías:


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a) Intervalo de la muestra. El periodo de tiempo entre la toma de señales ultrasónicas de la muestra.

b) Número de muestras. El número de muestras procesadas por medidor ultrasónico para

cada actualización de la medida de flujo. c) Ajuste en la salida de pulsos: Cantidad de amortiguamiento o filtrado de las mediciones del

flujo que producen la señal de salida de los pulsos. NOTA No todos los fabricantes ponen a disposición los literales a, b, y c.

Se recomienda que el literal a) y/o b) enunciado arriba sean ajustados al mínimo recomendado por el fabricante. El literal c) enunciado anteriormente, se debe establecer en el ero o mínimo, según lo recomendado por el fabricante. Cuando se realizan cambios que afectan la velocidad de respuesta a los cambios de la tasa de flujo en un medidor ultrasónico, es decir, por la modificación de la frecuencia de muestreo, el período de tiempo de la muestra, los pulsos de salida de filtrado o de amortiguación; el medidor debe ser probado nuevamente. 12.5 ELECCIÓN DEL FACTOR DE ESCALA DE PULSO La UPS calcula una tasa de flujo y determina unos pulsos de salida apropiados para representar la tasa de flujo. La relación entre la velocidad de los pulsos de salida y la tasa de flujo es configurable en el UPS. Un factor de escala de pulso (relación de pulsos con el volumen medido) se puede utilizar para igualar la frecuencia de los pulsos de salida con relación a la tasa de flujo, o se utiliza para definir un cierto número de pulsos a la salida del medidor ultrasónico por volumen medido. Cuando se configure un factor de escala de pulsos, la salida de frecuencia del pulso no debe superar el 90 % de la frecuencia máxima de entrada de los equipos auxiliares que reciben la señal de pulso. 12.6 MÉTODOS DE CONTROL DEL FACTOR DE CORRECCIÓN La prueba del medidor es necesaria para establecer un factor de corrección del desempeño del medidor ultrasónico, en condiciones reales de funcionamiento. Existen varios métodos de aplicar el factor de corrección para indicar el volumen total medido a través del medidor. 12.6.1 El ajuste del volumen indicado para el volumen total, puede a hacerse utilizando el factor de medidor o el Factor K. 12.6.2 El método requerido es aplicar un factor de medidor en el equipo para garantizar el cumplimiento de la norma API MPMS Capitulo 21,2 ¨Audit Trail Requirements¨. Es importante que el método seleccionado se use de manera consiste. 12.6.3 Cuando el método preferido de corrección es utilizado, y el factor del medidor cambia después de la calibración, el Factor K en el equipo y el factor de escala de pulso en la UPS no deben ser cambiados. 12.6.4 Si el Factor K en el equipo se cambia, el factor del medidor debe ser establecido en la unidad en el equipo. El factor de escala de pulso en la UPS se debe mantener como cuando se realizo la calibración. 12.6.5 Si el factor de escala de pulsos es cambiado el medidor debe ser re calibrado.


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12.7 PUESTA A CERO DEL MEDIDOR La puesta a cero de un medidor ultrasónico es un procedimiento que consiste en verificar la salida mientras el medidor está bloqueado (sin flujo). En estas condiciones, y si la salida del medidor no indica flujo, el procedimiento de puesta a cero del fabricante debe ser implementado. Cada vez que el medidor se pone en cero, debe ser re calibrado. Normalmente, un medidor ultrasónico no requiere puesta a cero manual, sin embargo, los cambios o remplazos de los transductores, cables o transmisores, exige que el medidor se verifique de nuevo a cero y es necesario ejecutar el procedimiento de puesta a cero inmediatamente. En cualquier caso, la modificación y sustitución de los transductores, cables o transmisores requerirán que el medidor sea re calibrado. 13. REQUERIMIENTOS DE AUDITORIA Y REPORTES En el capitulo API MPMS 21.2 se encuentran los requisitos de auditoría y reportes completos para sistemas de medición electrónicos de líquidos (ELM por sus siglas en inglés). Los requisitos de auditoría de un sistema ELM son similares, excepto por la adición de una configuración especifica y parámetros de instalación contenidos en la UPS, los cuales tienen que ser auditables y asegurables. 13.1 CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS Y HERRAMIENTAS DE UN MEDIDOR

ULTRASÓNICO El fabricante de medidor debe poseer la habilidad para identificar sus componentes primarios y verificar los parámetros de configuración y herramientas del medidor que afectan su rendimiento. Un medidor debe permitir una auditoria al historial de cambios en los mantenimientos de los parámetros de configuración y las herramientas que afectan la señal del medidor. 13.2 ALARMAS Y REGISTRO DE EVENTOS No hay requisitos especiales para las alarmas, y registros de eventos o errores para los sistemas ELM, usados por los medidores ultrasónicos, aparte de los especificados en la norma API MPMS capitulo 21.2 “Electronic Liquid Measurement.” 14. DIAGNÓSTICOS Ciertos parámetros pueden ser monitoreados basándose en aplicaciones específicas. Los siguientes parámetros son típicos y pueden ser accesados por interface de datos u otros medios, dependiendo de las características del medidor: - Auto-diagnóstico - Promedio de velocidad de flujo axial a través del medidor. - Velocidad de flujo por cada trayectoria acústica. - Velocidad del sonido a lo largo de cada trayectoria acústica.


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- Promedio velocidad del sonido. - Variaciones en el intervalo de tiempo de transito. - Variaciones de temperatura - Densidad del fluido. - Viscosidad del fluido. - Numero de Reynolds calculado. - Porcentaje de medidas aceptadas por cada trayectoria acústica. - Indicadores de calidad de estado y medición. - Alarma e indicadores de fallas. Comparando los parámetros de diagnostico determinados en el laboratorio, con los mismos parámetros cuando se instalan en campo, puede ayudar a identificar los efectos de la instalación en campo u otros cambios en los parámetros. Se recomienda comparar estos parámetros periódicamente durante la operación del medidor. 15. ACCESO Y SEGURIDAD Los parámetros de configuración y ajuste, deben ser seguros contra falsificación o cambios no autorizados o indocumentados. Esto se puede conseguir usando contraseñas y/o sellos o llaves a prueba de intrusos (véase la norma API MPMS Capitulo 21.2).


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ANEXO A (Informativo)

PRINCIPIO DE MEDICIÓN DEL MEDIDOR ULTRASÓNICO

Los medidores ultrasónicos de tiempo de tránsito usan transductores que pueden enviar y recibir pulsos acústicos de alta frecuencia. Los transductores acústicos se encuentran localizados de tal manera que los pulsos acústicos generados viajan diagonalmente a través de la tubería. Los métodos de tiempo de transito dependen de la medición de los intervalos de tiempo asociados a la transmisión de pulsos acústicos a través de la tubería y en direcciones opuestas. Esta metodología no es similar a la técnica ultrasónica de Doppler, la cual se basa en la medición del cambio de en la frecuencia de la señal acústica reflejada. La medición se basa en el hecho de que el pulso acústico que viaja diagonalmente a través de la tubería en la dirección del flujo (aguas abajo) tardara menos tiempo en cruzarla, que uno que viaje en dirección opuesta (aguas arriba), bajo las mismas condiciones de flujo. La diferencia de tiempo entre los dos pulsos acústicos es proporcional al promedio de la velocidad de flujo a través de la trayectoria acústica. El pulso acústico que viaja en la dirección del flujo (aguas abajo) a través de la tubería en tiempo es:

cosVc

Lt BA

El pulso acústico que viaja en contra de la dirección de flujo (aguas arriba) a través de la tubería en tiempo es:

cosVc

Lt AB

Figura A.1 Método de Tiempo de Transito


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en donde

L = Longitud de la trayectoria acústica. c = Velocidad del sonido en el líquido.

= ángulo de la trayectoria acústica creada con el eje de la tubería.

V = Velocidad axial promedio en la tubería.

La velocidad promedio por lo tanto se determina mediante la siguiente ecuación:

ABBA

BAAB

tt

tt

cos

LV

xx

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Múltiples transductores acústicos pueden ser usados para crear múltiples trayectorias acústicas sobre la sección de cruce de la tubería, con el fin de obtener más información acerca de la distribución de la velocidad del fluido (perfil de flujo). Secuencias de operación típica 1) Emisión: La UPS envía una señal eléctrica a los transductores (cristal piezo eléctrico) que

induce el cristal para generar un pulso acústico en el fluido. 2) Recepción: el pulso acústico cruza la tubería y contacta un transductor opuesto que vibra

en respuesta del pulso acústico, generando así una señal eléctrica de salida. 3) Conversión: El/los circuito(s) receptor en la UPS acepta estas señales eléctricas para

procesamientos futuros.

Figura A.2 Componentes principales del medidor ultrasónico


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4) Tratamiento de la señal: de acuerdo con el algoritmo del fabricantes, la UPS procesa

este dato para obtener los valores de BAt y ABt .

5) Método de tiempo de transito: La UPS usa la diferencia entre BAt y ABt para calcular

el promedio de la velocidad del fluido a través de la trayectoria, comúnmente se usa el principio de tiempo de transito descrito anteriormente.

6) Calculo velocidad de flujo volumétrico: dependiendo del número de trayectorias, su

geometría y algoritmo de manufactura, la UPS usa los valores de velocidad promedio para determinar la velocidad de flujo volumétrico.

7) Salida renovada: La UPS repite la medición de la velocidad del fluido y produce varias

clases de salidas que representan la medición de la velocidad de flujo volumétrico y otras mediciones o valores inferidos. Normalmente las salidas son sometidas a técnicas de escala programable, promedio y funciones de suavizado según los requisitos del usuario.

Las partículas solidas, burbujas de gas o gotas de agua pueden causar disturbios de los pulsos acústicos que viajan a través del fluido que cruza la tubería. Las perturbaciones típicas son: refracción, reflexión, atenuación y distorsión. En esos casos, la medición a través de esta trayectoria puede ser rechazada de acuerdo al algoritmo del fabricante. Usualmente, bajos números de mediciones rechazadas no impactaran la exactitud de la medición de flujo, pero arriba de ciertos niveles, que son específicos para cada medición de flujo, el numero de mediciones rechazadas puede tener impacto sobre la exactitud de la medición del flujo y en casos extremos pueden detener la operación de medición. Las alarmas pueden dar información al usuario sobre el estado de mediciones rechazadas.


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ANEXO B (Normativo)

VERIFICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL MEDIDOR

El campo de flujo turbulento en una tubería es complejo y contiene numerosos remolinos y componentes no axiales de velocidad. Los medidores de turbina y otros dispositivos mecánicos de medición de flujo no son particularmente influenciados por cambios pequeños en la estabilidad de flujo. La aceleración del fluido en el rotor combinada con la masa del rotor produce integración mecánica en el campo de flujo. Con un medidor de turbina, por ejemplo, el resultado de la señal de salida muestra poca dispersión de estos efectos “instantáneos” de flujo por la inercia inherente del elemento medidor. Los datos dispersos, ó la variación en la repetibilidad en los medidores de turbina, es atribuible usualmente, ya sea a cambios sostenidos en el flujo global o a fuerzas mecánicas e inerciales que son no lineales y que ocurren durante las corridas de prueba. Los medidores ultrasónicos toman instantáneas de la velocidad del fluido a lo largo de uno o más trayectorias de muestra. Cada ruta ultrasónica es una línea de muestra que produce diferenciales de tiempo y velocidades subsecuentes, como instantáneas iguales al número de la frecuencia de muestra para el periodo determinado. Por ejemplo, a 60 Hz en un segundo, serán registradas 60 mediciones de la tasa de flujo. Las variaciones en velocidad a lo largo de la trayectoria son aleatorias al igual que las turbulencias y variaciones en el flujo local que las produce son completamente al azar. Entonces cada muestra, variara en la velocidad media para un periodo dado y la familia de pruebas se distribuirá alrededor de la media. Los medidores ultrasónicos no solo “ven” la velocidad axial global, también ven todos los componentes del flujo, incluidas las turbulencias generadas por el arrastre de fluidos y la mezcla en la tubería. La integración en tiempo real del campo de flujo, incluidos los componentes axiales y no axiales, da como resultado una salida de datos poco confiables y una mayor dispersión inherente. Esta dispersión, al ser al azar será distribuida alrededor del factor del medidor medio. Al verificar el funcionamiento del medidor es recomendable revisar los sistemas mecánicos. Esto es porque el medidor emplea una metodología de muestra, la cual produce un alto grado de dispersión en los datos de muestra, debido a su capacidad para medir pequeñas variaciones en la velocidad. Los medidores pueden producir rangos amplios de repetibilidad para verificaciones diseñadas de acuerdo a los estándares industriales típicos para dispositivos mecánicos. Una de las fallas que se deben tener en cuenta es la distribución natural de los datos alrededor del factor de medidor medio que llevara a errores en la verificación. Un rango excedido al 0,05 % en 5 corridas no significa que el medidor este defectuoso o que su factor de medidor no puede ser estabilizado con la incertidumbre requerida. La verificación del funcionamiento del medidor ultrasónico puede ser comprobada por medios convencionales y un nivel de consistencia con la norma API MPMS capitulo 4,8, Tabla A.1 (mostrada abajo como Tabla B.1). La aproximación más conservadora para cumplir este nivel de repetibilidad se basa en la determinación de un volumen de prueba adecuado. Por ejemplo, los medidores de turbina, usualmente pueden ser probados en 5 corridas consecutivas en 0,05 % del rango de repetibilidad, lo cual demuestra una incertidumbre de ± 0,027 % del factor de medidor para un nivel de confianza de 95 %.


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Basados en datos tomados en campo, los medidores ultrasónicos pueden requerir un gran volumen de prueba para alcanzar este mismo nivel de incertidumbre del factor de medidor. La Tabla B.2, proviene de datos de un medidor real, e ilustra los volúmenes de prueba típicos requeridos en función del tamaño de tubería para obtener ± 0,027 % de incertidumbre del factor de medidor para un nivel de confianza del 95 %. Dada que se necesita un mayor de volumen de prueba para verificar un medidor ultrasónico para un nivel de incertidumbre de ± 0,027 %, exige que se realicen más de 5 corridas de prueba para verificar el funcionamiento del medidor. La tabla B.1 da una guía para obtener estos resultados. Muchas de las corridas escogidas para la tabulación dada abajo, producirán resultados que verificaran la incertidumbre de ± 0,027 % para el funcionamiento del medidor. Aquí no hay diferencia, se puede observar que para un rango de repetibilidad de 0,05 % en 5 corridas vs un rango de repetibilidad de 0,12 % en 10 corridas, es lo mismo. Se recomienda al operador seleccionar el número de corridas apropiadas y el rango de repetibilidad, conveniente para el volumen de prueba disponible. Alternativamente, el operario puede simplemente incrementar el número de corridas de prueba, hasta que el rango de repetibilidad caiga en los límites de la Tabla B.1. La experiencia con medidores ultrasónicos de diferentes fabricantes, usando probadores de bola, muestra que la exactitud requerida del factor de medidor es típicamente entre 10 y 12 corridas, con un probador de volumen de 2 a 3 veces más largo que los estándares industriales comúnmente usados. Un gran número de corridas pueden ser necesarias si se emplean probadores de volumen pequeños. Los probadores de volumen pequeños que crean distorsión en el flujo, pueden crear resultados de prueba no repetibles. Se debe tener especial cuidado cuando se seleccionan y usan probadores de volumen pequeños.

Tabla B.1 Calibración de un Medidor de Flujo Ultrasónico

Repetibilidad = ((Alto conteo – bajo conteo)/bajo conteo) 100

Corridas Repetibilidad* Incertidumbre

3 0,02 % 0,027 %

4 0,03 % 0,027 %

5 0,05 % 0,027 %

6 0,06 % 0,027 %

7 0,08 % 0,027 %

8 0,09 % 0,027 %

9 0,10 % 0,027 %

10 0,12 % 0,027 %

11 0,13 % 0,027 %

12 0,14 % 0,027 %

13 0,15 % 0,027 %

14 0,16 % 0,027 %

15 0,17 % 0,027 %

16 0,18 % 0,027 %

17 0,19 % 0,027 %

18 0,20 % 0,027 %

19 0,21 % 0,027 %

20 0,22 % 0,027 %

* Por API MPMS, Capitulo 4.8, Tabla A.1 para lograr incertidumbre del meter factor de 0,027 %.


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n

n

Dn

wn,tMFa

195

en donde

MFa = Incertidumbre al azar del promedio de un conjunto de corridas de prueba del medidor,

195 n,t = Factor de distribución para un nivel de confianza de 95 % y n-1 grados de libertad, distribución

t (véase la Tabla 2 del API MPMS Capitulo 13.11),

nw = Rango de valores (mayor menos menor) en el conjunto de pruebas del medidor,

n = Número de corridas en la calibración del medidor,

nD = factor de conversión por estimación de la desviación estándar para n puntos de datos (véase

la Tabla 1 del API MPMS Capitulo 13.1).

Ejemplo para 10 corridas:

2012195 ,n,t

%,,w n 14000140

10n

2583,D n

Tabla B.2. Volumen de Probador sugerido para una incertidumbre del factor del medidor de + 0,027 %

Volumen del Probador vs. Tamaño del Medidor

Tamaño Medidor (pulgadas)

5 Corridas 0,05 %

8 Corridas 0,09 %

10 Corridas 0,12 %

Tamaño del Probador (bbl)

4 33 15 10

6 73 44 22

8 130 60 40

10 203 94 62

12 293 135 89

14 399 184 121

16 521 241 158


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ANEXO C (Informativo)

PULSOS DE FLUJO DE FÁBRICA Y SU IMPACTO SOBRE LOS PROCESOS DE

CALIBRACIÓN Debido a que los medidores ultrasónicos usan una metodología de muestra electrónica para determinar la velocidad de flujo, el tren de pulsos de flujo obtenido por un medidor en cualquier instante de tiempo, representará el flujo (o volumen útil). En orden de optimizar la medición de flujo y ajustar efectos de instalación únicos, algunos medidores pueden ser configurados según el proceso en grandes o pequeños números de muestras de medición y/o bajas respuestas de señales de salida de pulsos con filtros electrónicos. Incrementando el número de muestras de medición o bajando las respuestas de pulsos de salida, se incrementara el retraso entre el flujo o volumen representado por los pulsos de flujo realizados y el flujo común o volumen pasando a través del medidor en un momento de tiempo particular. En operación normal, el retraso entre pulsos de flujo y la medida actual tiene un pequeño impacto sobre la exactitud de la medición si se usa el factor de medidor correcto. Sin embargo, durante el proceso de calibración, retrasos de pulsos de flujo pueden causar una corrida con baja repetibilidad y/o introducir una tendencia de error en el factor del medidor calculado. Una baja repetibilidad y/o tendencia de error en el factor de medidor pueden ser resultado de: a) Flujo inestable durante la corrida de prueba. b) Distorsión en el flujo que ocurre inmediatamente antes de activar los desplazadores en

uno u otro de los interruptores (Switches). La calibración del medidor de prueba requiere el conteo de pulsos del flujo, que representan el volumen actual que pasa entre los interruptores detectores del patrón. Cuando se calibra un medidor ultrasónico el conteo de algunos pulsos representan un volumen que ha pasado antes de que el interruptor del detector se activen. Un tiempo excesivo de retraso entre el flujo medido y el pulso de flujo realizado pueden resultar en procesos de calibración más sensibles a los cambios de velocidad, que ocurren en el instante anterior al paso por interruptores del detector. Mientras el tiempo de retraso entre los pulsos de flujo del fabricante y el volumen medido actual sea constante, la velocidad lineal y el volumen desplazado por el desplazamiento del patrón, activa cada uno de los interruptores del detector. Si no es constante la tasa de flujo, no es idéntica. Para minimizar la tendencia de error del factor del medidor y/o para obtener el mejor rango de resultados repetibles posibles, es importante tener en cuenta: 1) La velocidad de flujo permanece constante solo antes del primer detector y desde el

principio de cada una de las corridas de calibración. 2) El tiempo de retraso entre los pulsos de fabrica y la medida actual del flujo es mínimo de

acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Debido a que las perturbaciones en flujo y presión pueden ocurrir con algunos tipos de patrones cuando el desplazador es activado o la válvula de cuatro (4) vías está abierta, puede ser


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necesario disminuir la especificación de flujo máximo, para garantizar el literal 1. Al reducir la tasa de flujo, el patrón debe incrementar el tiempo de corrida de prueba hasta que el primer detector esté listo para permitir que todos los pulsos de fabrica, representen el flujo que ocurre durante el periodo de pulsación de flujo, causado por las distorsiones del inicio de los desplazadores, para tener el rendimiento del medidor ultrasónico, antes de que se active el primer interruptor detector.


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DOCUMENTO DE REFERENCIA AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Manual of Petroleum Measurement Standards. Chapter 5: Metering. Section 5: Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters Using Transit Time Technology. Washington D.C. API, 2005, 24p. (API MPMS 5.8:2005 API Capítulo 5). PREPARADO POR: ____________________________

CARLOS A. CRUZ rrc.

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NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 947-1 · PDF fileAPI Manual of Petroleum Measurement...

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