Medição de fluxo de gás de flare: tecnologias, seleção, precisão e verificação

Essa faixa operacional é a principal razão pela qual um medidor de vazão de gás de flare deve ser selecionado a partir de dados de processo, e não de uma tecnologia de medição preferida. Um instrumento que funciona bem em fluxo normal pode perder resolução útil na extremidade inferior, exceder sua faixa validada durante uma perturbação ou tornar-se sensível a alterações nas propriedades do gás.

Este guia compara medições ultrassônicas, de massa térmica e de pressão-diferencial e, em seguida, explica as condições do processo, fontes de incerteza, verificações de instalação e etapas de verificação importantes antes de um medidor ser especificado.

O que a medição do fluxo de gás de flare precisa realizar?

Um sistema de flare fornece um caminho controlado para gases liberados durante a ventilação normal, inicialização, desligamento, manutenção, distúrbios de processo e eventos de alívio. A medição do gás que entra nesse sistema pode apoiar o monitoramento de processos, identificação de perdas, avaliação de desempenho de flare, cálculos de emissões e relatórios regulatórios.

O objetivo da medição deve ser definido antes da seleção do medidor. Uma planta que necessita apenas de uma indicação operacional de ventilação anormal não tem necessariamente os mesmos requisitos que uma refinaria que usa fluxo de flare em um cálculo regulamentado.

Por exemplo, os atuais requisitos dos EUA em40 CFR 63.670incluem requisitos de monitoramento de fluxo de gás de ventilação contínua-para aplicações afetadas e exigem que determinados sistemas de fluxo levem em conta a temperatura e a pressão ao relatar o fluxo em condições padrão. Os regulamentos variam de acordo com a instalação e a jurisdição, portanto a licença aplicável e a estrutura regulatória devem ser verificadas separadamente da seleção do medidor.

Por que o gás de combustão é difícil de medir

Um único cabeçalho pode ver condições de fluxo muito diferentes

A faixa útil de medição deve cobrir mais do que o ponto normal de operação. Um flare pode passar longos períodos perto do fluxo mínimo e depois experimentar um rápido aumento durante um evento de alívio. A SICK descreve a medição de flares como uma aplicação particularmente exigente porque tanto a velocidade quanto a composição do gás podem mudar rapidamente, com vazões normais muito baixas e vazões de desligamento muito mais altas possíveis na mesma instalação.

Para fins de especificação, colete o fluxo mínimo, normal e máximo. Sempre que possível, calcule também as velocidades correspondentes do gás. Uma taxa de fluxo que parece grande ainda pode produzir uma velocidade modesta em um coletor grande, enquanto uma linha menor pode atingir rapidamente o limite superior de velocidade de um medidor.

A composição do gás pode não permanecer constante

Um cabeçalho de flare comum pode receber fluxos de diversas unidades. Gás rico-de hidrogênio, hidrocarbonetos, dióxido de carbono, nitrogênio, vapor ou outros componentes podem entrar em proporções diferentes à medida que as condições operacionais mudam.

A composição é importante porque cada princípio de medição responde às propriedades do gás de maneira diferente. Pode afetar cálculos de densidade, propriedades térmicas, peso molecular, velocidade acústica e a conversão entre massa e fluxo volumétrico padrão.

A baixa pressão pode criar uma restrição de medição

O gás de flare de baixa-pressão merece atenção específica quando a tecnologia ultrassônica está sendo avaliada. Em um sistema-de fixação, o sinal acústico deve passar através da parede do tubo e entrar no gás. A grande diferença de impedância-acústica entre o aço e o gás de baixa-densidade pode dificultar a transmissão do sinal. A Siemens discute esta limitação especificamente paragás de flare-de baixa pressão em tubo de aço.

Isso não significa que a medição ultrassônica seja inadequada para serviços de flare de baixa-pressão. Isso significa que a construção do medidor, a disposição do sensor, o material do tubo, a pressão e a margem do sinal devem ser avaliados em conjunto. Um genéricomedidor de fluxo ultrassôniconunca se deve presumir que a especificação represente todas as configurações de flare.

Gás úmido e depósitos podem afetar os sensores

O gás de combustão nem sempre está seco. Condensado, gotículas, sólidos ou depósitos podem atingir o local de medição. Seu efeito depende do instrumento: os depósitos podem alterar a transferência de calor de um sensor térmico, as portas de pressão podem obstruir e a contaminação ou o líquido podem afetar a qualidade do sinal ultrassônico.

A revisão do processo deve, portanto, incluir o desempenho do-tambor knockout, a condensação esperada, o transporte de líquido e qualquer histórico de depósitos no local proposto do medidor.

Três principais tecnologias de medição de fluxo de gás de flare

Medição de fluxo ultrassônico

Os medidores ultrassônicos{0}}de tempo de trânsito determinam a velocidade do gás a partir da diferença entre os tempos de trânsito ultrassônico com e contra a direção do fluxo. Para uma explicação mais detalhada da física de medição, consulte esteguia de princípio de funcionamento do medidor de vazão ultrassônico.

A tecnologia ultrassônica é amplamente considerada para coletores de flare porque pode medir sem criar uma perda de pressão permanente significativa e pode ser projetada para uma ampla faixa operacional. Instrumentos de flare-propositadamente desenvolvidos também podem fornecer diagnósticos de velocidade-de-som e sinal que ajudam a distinguir uma alteração no processo de um problema no instrumento.

A limitação importante é que “ultrassônico” descreve um princípio de medição, e não um envelope operacional garantido. O design do sensor, o número de caminhos acústicos, a pressão do gás, a geometria do tubo, o ruído, a composição e a velocidade máxima afetam o desempenho. A documentação específica-de flare da SICK, por exemplo, trata mudanças rápidas de velocidade e composição como condições de projeto, em vez de assumir que um arranjo ultrassônico padrão irá lidar com elas automaticamente.

Medição de fluxo de massa térmica

A medidor de fluxo de massa térmicodetermina o fluxo de massa de gás a partir da resposta de transferência-de calor em torno de um sensor aquecido. Uma introdução útil está disponível nesta explicação decomo funciona a medição-de dispersão térmica.

A medição térmica pode ser atraente quando a baixa-sensibilidade ao fluxo e a saída direta do fluxo-de massa são úteis. Também evita a necessidade de derivar o fluxo de massa apenas a partir de uma leitura volumétrica mais um cálculo de densidade separado.

A principal questão de engenharia para serviços de flare é a composição do gás. Gases diferentes transferem calor de maneira diferente, portanto, um medidor calibrado ou configurado para uma mistura pode responder de maneira diferente quando essa mistura muda substancialmente. É por isso que os fornecedores-de medidores térmicos solicitam dados de composição e alguns sistemas modernos incluem maneiras de atualizar as propriedades-da mistura de gases. A questão subjacente é explicada mais detalhadamente neste artigo sobremedição de massa térmica de misturas de gases.

A tecnologia térmica não deve, portanto, ser rejeitada simplesmente porque a composição da tocha pode variar. Em vez disso, determine o quanto varia, com que frequência muda e se o medidor proposto possui um método documentado para lidar com essa variação.

Pressão diferencial e sistemas baseados-no Pitot

A medição de pressão-diferencial deriva o fluxo da diferença de pressão produzida pelo gás em movimento através ou ao redor de um elemento primário ou sonda. O próprio transmissor pode ser um convencionalinstrumento de pressão ou pressão diferencial-, enquanto o sistema completo inclui o dispositivo primário, conexões de pressão, entradas de propriedades-de gás e cálculo de vazão.

A tecnologia DP é familiar e pode ser prática em aplicações adequadas, mas o fluxo de flare muito baixo é um desafio porque a pressão diferencial disponível cai à medida que a velocidade diminui. Na extremidade oposta, o alcance da sonda e do transmissor deve acomodar a condição de credibilidade máxima. Para uma discussão mais profunda sobre o próprio termo de medição, consulte esta visão geral deprecisão do medidor de-pressão de gás-diferencial.

Os sistemas DP também requerem atenção às linhas de impulso, portas de pressão, condensado, entupimento e compensação de densidade. Um simples valor de precisão do transmissor não é, portanto, o mesmo que incerteza de medição-de vazão total.

Como as tecnologias se comparam

Esta tabela é uma ferramenta de triagem. A seleção final deve usar o envelope operacional validado pelo fabricante para as condições reais de gás, pressão, temperatura, tubulação e velocidade.

Volume real, volume padrão ou fluxo de massa?

Um erro de especificação é pedir “fluxo” sem definir sua base.

Fluxo volumétrico realdescreve o volume que passa pelo tubo à pressão e temperatura de operação.Fluxo volumétrico padrãoexpressa esse volume de gás em condições de referência definidas.Fluxo de massarepresenta a massa que passa pelo sistema por unidade de tempo.

Esses valores estão relacionados, mas não são intercambiáveis. O volume do gás muda com a pressão e a temperatura, e é por isso que um medidor pode relatar uma velocidade real correta, enquanto um cálculo-de fluxo padrão está errado porque a pressão, a temperatura, o peso molecular ou as condições de referência foram configuradas incorretamente.

Esta distinção é abordada com mais detalhes no guia do site parafluxo de massa versus fluxo de volume. Quando os dados de pressão fizerem parte da conversão, certifique-se também de que a equipe de engenharia concorda com a pressão absoluta versus a pressão manométrica; a diferença entrePSI, PSIA e PSIGnão é um detalhe de formatação.

Para aplicações de refinaria afetadas nos EUA, 40 CFR 63.670 especifica condições padrão para determinados cálculos de fluxo volumétrico monitorado e permite que o fluxo de massa seja convertido usando o peso molecular determinado a partir da composição. Esse exemplo regulatório ilustra por que a base de relatório solicitada deve ser definida antes da configuração da instrumentação.

Precisão não é o mesmo que incerteza total de medição

Uma folha de dados do medidor pode citar um valor de precisão, mas a incerteza do fluxo-de flare é influenciada pelo sistema de medição completo.

Contribuintes potenciais incluem:

• calibração e repetibilidade do medidor;
• operação próxima ao limite inferior ou superior da faixa validada;
• erro de diâmetro-dentro do tubo;
• perfis de velocidade distorcidos ou giratórios;
• incerteza-da composição do gás;
• medição de pressão e temperatura;
• conversão de fluxo-padrão;
• contaminação do sensor ou degradação do sinal;
• parâmetros de instalação inseridos incorretamente no transmissor.

Para sistemas ultrassônicos, a distinção entre precisão do instrumento e precisão da aplicação é especialmente importante. Um número de desempenho de laboratório não pode, por si só, explicar um caminho acústico inadequado, dados incorretos da tubulação ou fluxo perturbado. A discussão do site sobreprecisão do medidor de vazão ultrassônicofornece informações úteis, mas a aplicação do flare ainda deve ser analisada em relação à documentação específica do medidor.

Se a medição suportar relatórios ou uma exigência contratual, defina a incerteza necessária e o método de verificação antes da compra. Caso contrário, o projeto poderá descobrir, após a instalação, que o instrumento selecionado é tecnicamente funcional, mas não satisfaz o objetivo de medição.

Como selecionar um medidor de vazão de gás de combustão

1. Estabeleça o envelope operacional completo

Registre fluxo, pressão e temperatura mínimos, normais e máximos. Inclua inicialização, desligamento, purga, alívio e outras condições anormais confiáveis, em vez de depender de um único ponto de projeto.

2. Descreva a composição e variabilidade do gás

Fornecer composições representativas para os casos operacionais importantes. Se diversas unidades de processo alimentam um coletor, uma única análise de “gás típico” pode ocultar a condição que é mais difícil para o medidor.

3. Confirme a base de fluxo necessária

Indique se a saída necessária é volume real, volume padrão, fluxo de massa, velocidade ou mais de um destes. Defina explicitamente as condições de referência padrão.

4. Documente o tubo e a localização proposta do medidor

Registre o diâmetro externo do tubo, espessura ou programação da parede, material, revestimento, se presente, orientação e acesso disponível. Identifique cotovelos, tês, válvulas, redutores, coletores e outros distúrbios próximos. A relação entrevazão e pressãotambém pode ser um pano de fundo útil ao revisar as condições do processo, embora o cálculo completo da flare possa exigir informações adicionais-sobre as propriedades do gás.

5. Identifique antecipadamente as restrições de instalação

A linha pode ser desligada? Pode ser cortado? A batida a quente é permitida? A instalação de inserção é aceitável? O local exige aprovação-para áreas perigosas? Essas questões podem eliminar tecnologias que de outra forma seriam atraentes antes que trabalhos de engenharia desnecessários sejam realizados. Para instrumentos térmicos, esta discussão sobremedidores de massa térmica em áreas perigosasfornece contexto adicional, mas a aprovação real deve ser verificada no certificado do produto selecionado.

6. Peça ao fornecedor evidências específicas-da aplicação

Não se limite a “esta tecnologia pode medir o gás de combustão”. Pergunte se a configuração proposta foi avaliada quanto à pressão mínima, velocidade máxima, matriz de gás, tamanho do tubo, risco de contaminação e incerteza necessária.

Para serviços ultrassônicos desafiadores, solicite a margem de sinal esperada ou a avaliação da aplicação do fabricante. Para medição térmica, pergunte como as alterações de composição são tratadas. Para sistemas DP, verifique a pressão diferencial disponível na vazão mínima e a faixa na vazão máxima.

Instalação e verificação: o que deve ser verificado?

O teste de fluxo de gás de combustão deve ser tratado separadamente da medição de fluxo contínuo. Testes e verificações estabelecem se o sistema instalado está configurado e se comportando conforme esperado.

Uma verificação prática de comissionamento deve incluir:

• as dimensões reais do tubo correspondem à configuração do transmissor;
• a posição e a orientação do sensor correspondem ao desenho de instalação;
• a direção do fluxo está correta;
• as unidades de engenharia e as condições de referência padrão estão documentadas;
• as entradas de pressão e temperatura são razoáveis ​​e usam a base absoluta ou manométrica correta;
• a composição do gás ou a configuração do peso-molecular correspondem ao caso operacional pretendido;
• as saídas analógicas, de pulso e digitais estão dimensionadas corretamente;
• os diagnósticos do medidor são registrados como linha de base;
• o comportamento de fluxo-baixo zero ou esperado é verificado quando as condições do processo permitem;
• a faixa configurada do medidor cobre o envelope operacional especificado.

A documentação de calibração também deve ser revisada, em vez de ser tratada como um certificado a ser arquivado. Esta visão geral decalibração do medidor de vazãofornece informações úteis sobre o conceito de calibração.

Para medição de flare ultrassônico, registre os valores de diagnóstico no comissionamento. Uma mudança futura na qualidade do sinal ou na velocidade do som pode então ser comparada com uma linha de base conhecida. Um número de fluxo plausível por si só não é suficiente para demonstrar que a medição permanece saudável.

Problemas comuns e o que verificar primeiro

O sinal ultrassônico fica fraco

Verifique se a pressão, a composição, a temperatura ou as condições do tubo mudaram antes de ajustar os parâmetros do transmissor. Baixa densidade de gás, ruído acústico, depósitos, alinhamento do sensor e operação além da faixa de velocidade pretendida podem afetar a qualidade do sinal.

A leitura fica instável

Compare a tendência do fluxo com os dados do processo. O fluxo real do flare pode ser instável. Se o processo estiver estável, investigue a composição do gás, o transporte de líquido, a perturbação do perfil-de fluxo, as entradas de pressão e temperatura e os diagnósticos do medidor.

O fluxo padrão parece errado, mas a velocidade parece razoável

Verifique a temperatura e pressão de referência, entrada de pressão absoluta, peso molecular, configuração do gás e unidades de engenharia. Esse padrão geralmente aponta para a camada de conversão e não para a medição de velocidade em si.

Um medidor térmico muda depois que a fonte de gás muda

Revise a nova composição em relação ao gás usado para calibração ou configuração. A medição da massa térmica está inerentemente ligada às propriedades de transferência de-calor do gás. O material técnico da Sierra sobremedidores de inserção térmica e composição de gásexplica por que as misturas de gases normalmente fazem parte da configuração do medidor.

Um exemplo prático de seleção

Considere um hipotético grande coletor de flare de refinaria que normalmente transporta um pequeno fluxo de purga, mas pode receber gases de diversas unidades durante uma parada. A pressão é baixa, a composição muda substancialmente e a velocidade máxima está muito acima da condição normal de operação.

Seria prematuro selecionar um medidor apenas com vazão normal. A sequência de engenharia deve ser:

• calcular a velocidade em condições mínimas, normais e máximas;
• identificar o caso-de pressão mais baixa;
• definir a faixa esperada de composições de gases;
• verificar se a transferência de líquido é credível;
• revisar a geometria disponível de trechos retos e tubos;
• examinar cada tecnologia de medidor em relação a essas condições;
• solicitar evidências de desempenho-específicas do aplicativo para as opções restantes.

A medição ultrassônica pode surgir como uma forte candidata devido à ampla faixa e ao baixo requisito de{0}perda de pressão, mas uma configuração de-grampo de pressão-de baixa pressão pode falhar na análise acústica. Um projeto ultrassônico-construído especificamente em linha ou de inserção pode permanecer viável. Um medidor térmico pode ser atraente em fluxo baixo, mas precisaria de um método defensável para lidar com alterações de composição. Uma solução DP precisaria de pressão diferencial suficiente na extremidade inferior, sem exceder sua faixa durante o caso-de alto fluxo.

O valor do exemplo não é que uma tecnologia “ganhe”. Isso mostra por que a seleção do medidor-de flare é primeiro um problema de condição-de processo e depois um problema de categoria-de instrumento.

Informações para preparar antes de solicitar um orçamento

• objetivo de medição e exigência de relatório aplicável;
• vazão ou velocidade mínima, normal e máxima;
• pressão mínima, normal e máxima;
• temperatura mínima, normal e máxima;
• composição do gás para casos operacionais relevantes;
• líquidos, sólidos ou depósitos esperados;
• diâmetro externo do tubo, ID ou programação e material;
• desenho de tubulação e trecho reto disponível;
• classificação de-áreas perigosas;
• base de fluxo necessária e condições de referência;
• saídas necessárias e protocolo de comunicação;
• restrições de instalação e desligamento;
• requisitos de precisão, incerteza, calibração e verificação.

Fornecer essas informações permite que um fornecedor avalie uma aplicação real em vez de recomendar um medidor apenas com base no tamanho do tubo e na vazão normal. Se você tiver esses dados em mãos, eles também poderão ser enviados através doformulário de consulta de inscriçãopara revisão técnica.

Perguntas frequentes

Qual é o melhor medidor de vazão para gás de flare?

Não existe uma melhor tecnologia universal. Medidores ultrassônicos-propositadamente construídos costumam ser fortes candidatos para coletores de flare principais com grandes variações de vazão, enquanto sistemas de massa térmica e DP podem ser eficazes em condições adequadas. A decisão deve ser baseada na faixa operacional, composição, pressão, instalação, risco de contaminação e incerteza necessária.

Um medidor de vazão ultrassônico pode medir gases de combustão de baixa-pressão?

Sim, em configurações adequadas, mas o gás-de baixa pressão pode dificultar a medição acústica. A medição-de fixação através de tubo de aço requer um exame minucioso porque apenas parte da energia ultrassônica pode entrar no gás de baixa-densidade. Use a avaliação de aplicação do fabricante em vez de uma suposição de pressão genérica.

A alteração da composição do gás afeta a medição do fluxo da flare?

Sim. O efeito depende do princípio de medição. A composição pode alterar a densidade, o peso molecular, as propriedades térmicas e a velocidade do som. A medição de massa térmica é particularmente sensível às propriedades de transferência-de calor do gás usadas na calibração ou configuração.

Por que a pressão e a temperatura são necessárias para a medição do fluxo do flare?

Eles são necessários quando o fluxo volumétrico real deve ser convertido para condições padrão definidas e também podem afetar a densidade e o desempenho do medidor. Os dados necessários dependem do princípio de medição e da base de reporte.

Com que frequência um medidor de vazão de gás de flare deve ser calibrado?

Não existe um intervalo universal que se aplique a todos os medidores de flare. A frequência de calibração e verificação deve seguir a regulamentação aplicável, as especificações do projeto, as orientações do fabricante, a criticidade da medição e as evidências do diagnóstico do instrumento ou do desempenho histórico.

A precisão do medidor é o mesmo que a incerteza da medição?

Não. A precisão do medidor descreve apenas parte do sistema de medição. As dimensões dos tubos, os efeitos da instalação, as propriedades do gás, os instrumentos de pressão e temperatura, os cálculos de conversão, a calibração e a faixa operacional podem contribuir para a incerteza do fluxo final relatado.

Conclusão

A medição confiável da vazão do gás de flare começa com o envelope operacional, não com um catálogo de medidores. A equipe de engenharia deve compreender até que ponto o fluxo pode variar, como a composição muda, quais condições de pressão e temperatura ocorrem, o que a geometria do tubo permite e o que o valor final relatado deve representar.

Todas as tecnologias ultrassônicas, de massa térmica e de pressão diferencial-têm aplicações legítimas. A questão útil não é qual princípio é universalmente melhor, mas qual medidor proposto pode demonstrar desempenho adequado nas condições reais mínimas e máximas do sistema de flare.

Defina a base do fluxo, revise a incerteza total da medição, verifique as restrições da instalação e estabeleça uma linha de base de verificação antes que o instrumento se torne parte dos relatórios de rotina da planta. Essas etapas contribuem mais para a confiabilidade da medição do que selecionar uma tecnologia a partir de um único número de precisão ou condição-de fluxo normal.