Instrumentación Básica Para Ingenieros en El Sector de Hidrocarburos - DIA 1

International Society of Automation

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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA

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INSTRUMENTACIÓN BÁSICA PARA INGENIEROS EN EL SECTOR DE HIDROCARBUROS

Miguel Galvis

Objetivos

• Conocer de forma general sobre las tecnologías de medición aplicadas,para variables como presión, temperatura, nivel y flujo.

• Analizar el comportamiento del fluido y su impacto en los instrumentosde medición.

• Establecer las mejores practicas de instalación de cada una de lastecnologías.

• Analizar los factores críticos para el dimensionamiento deinstrumentación de flujo, presión, temperatura y nivel.

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Metodología

• El presente curso será desarrollado mediantecátedra con la participación activa de los asistentes,donde se analizaran casos reales aplicativos con elfin de lograr mayor asimilación de la información.

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Contenido

DIA 1

1. Conceptos base2. Factores críticos en la selección de instrumentación3. Parámetros de operación, diseño y mínimos4. Schedule de tuberías y tipos de conexión a proceso4. Schedule de tuberías y tipos de conexión a proceso5. Cavitación 6. Golpe de Ariete7. Presión de Vapor 8. Medición de Flujo 9. Tipos de flujo 10. Numero de Reynolds11. Acondicionamiento de flujo12. Características de funcionamiento sensores de flujo

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Contenido

• DIA 2

1. Medición de Nivel 2. Tanques de almacenamiento3. Nivel, interfase, volumen, masa y densidad 4. Tipos de medidores de nivel 5. Recomendaciones de Montaje y aplicaciones 6. Medición de Presión7. Terminología8. Tipos de presión9. Sensores de presión 10. Conexión a proceso (tipos de Manifold) 11. Medición de Temperatura RTD y RTD tipo Clamp12. Constantes de Callendar Van Dusen13. Termopozos

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Referencias

• American Petroleum Institute (API)• International Standards Organization (ISO)• National Institute of Standards & Technology (NIST)• Manual de Hidrocarburos de Ecopetrol • API Chapter 7.2. Dynamic Temperature Determination• API Chapter 7.2. Dynamic Temperature Determination• Desplazamiento Positivo (API MPMS 5.2).• Turbina (API MPMS 5.3).• Coriolis (API MPMS 5.6).• Ultrasónico – Tiempos de Tránsito (API MPMS 5.8). • Platina de Orificio (AGA Report #3).

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Referencias

• Turbina (AGA Report # 7).• Ultrasónico – Tiempos de Tránsito (AGA Report # 9).• Coriolis (AGA Report # 11).• Desplazamiento: Tipo Diafragma (ANSI B-109.1/.2) Y • Tipo Rotámetro (ANSI B-109.3). • Tipo Rotámetro (ANSI B-109.3). • Manuales de Fabricantes: Rosemount, MicroMotion, Daniel, Siemens,

E+H, Yokogawa• Temperature Measurement Thermocouples ISA–MC96.1–1982• Pressurized Enclosures ISA–RP12.4–1996• Wiring Practices for Hazardous (Classified) Locations Instrumentation

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Referencias

• Part 1: Intrinsic Safety ANSI/ISA–RP12.6–1995• Control Valve Cavitation ISA–RP75.23–1995• Instrumentation Symbols and Identification ISA-5.1-1984 (R1992)• Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display

Instrumentation, Logic and Computer Systems ISA–5.3–1983• Instrument Loop Diagrams ISA-5.4-1991• Process Instrumentation Terminology ANSI/ISA–51.1–1979 (R1993)

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Instructor

Ingeniero Mecánico, egresado de la Universidad Santo Tomas deBogota, 8 años de experiencia en la selección y aplicación deInstrumentacion de flujo, presión, nivel y temperatura para el sector dehidrocarburos. Manejo y elaboración de proyectos, diseño de solucionesintegrales para sistemas de medición de cantidad y calidad dehidrocarburos (producción – fiscalización) bajo estándareshidrocarburos (producción – fiscalización) bajo estándaresinternacionales como API MPMS, AGA, ASTM, ASME e ISA. Auditorinterno en control de cantidad y calidad de transferencia y custodia deHidrocarburos.

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Bienvenidos


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Conceptos base

Objetivos

• Unificar los criterios en los temas relacionados con

la Medición de flujo

• Sensibilizar a los asistentes en el cumplimiento de

Conceptos base

• Sensibilizar a los asistentes en el cumplimiento de

las normas.

• Explicar las tecnologías y mejores prácticas.

• Estipular métodos de medición más confiables de

cantidad y calidad.

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¿ QUÉ ES MEDIR... ?:

MEDIR: Es comparar una magnitud con otra llamada patrón conel fin de establecer su exactitud o diferencia.

La comparación se puede hacer en masa o en volumen. El

Conceptos base

La comparación se puede hacer en masa o en volumen. Elcálculo habitual para la cuantificación del petróleo y sus derivadosse efectúa en VOLUMEN.

Dado que el volumen depende de varios factores físicos como sonla temperatura, la presión, la naturaleza del fluido medido, delmaterial que la contiene, es necesario corregir o tener en cuentatodos y cada uno de los factores para obtener una buena medición.

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Medir Internacionalmente es:

Establecer condiciones bases para la medición delpetróleo y sus derivados ya que como se mencionó

Conceptos base

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petróleo y sus derivados ya que como se mencionóanteriormente el volumen depende de variables físicas.La temperatura tomada como base es 60 °F y lapresión es 0 PSIG.

Estos valores son denominados condiciones dereferencia ó condiciones bases ó CONDICIONESESTÁNDAR.

Estados de la Materia

Fusión Evaporación

Conceptos base

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CondensaciónSolidificación

Sublimación

SOLIDO LIQUIDO GASEOSO

Que es la Masa?

LA MASA es una medida absoluta de una cantidad particular de materia.

Conceptos base

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MASA APARENTE es el peso de un objeto en el aire, comparado con unamasa estándar.

MASA ESTÁNDAR es una norma precisa cuyo volumen, densidad, coeficientecubico de expansión térmica han sido determinada por NIST (National Instituteof Standard Technology).

Que es el Volumen?

EL VOLUMEN ES el espacio que ocupa un fluído.

LOS FLUÍDOS TOMAN la forma del recipiente, container, vasija ó

Conceptos base

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LOS FLUÍDOS TOMAN la forma del recipiente, container, vasija óenvase que los contiene.

Como Afecta la Temperatura?

La temperatura afecta varias propiedades de los líquidos, tales comogravedad, presión de vapor, compresibilidad y volumen. Ese efectopuede predecirse de la siguiente forma:

Conceptos base

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La temperatura no cambia el peso de un líquido en un recipiente, pero sicambia su volumen.

Qué es la presión ?:

PRESIÓN: Es la fuerza aplicada o distribuida en una superficie.

Conceptos base

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Donde:P: es la presiónF: es la fuerza aplicadaA: es el área donde se aplica

P = F / A

Clases de Presión

Presión atmosférica: Es el peso que ejerce una columna de atmósferasobre una superficie transversal extendida hacia arriba. Esta superficietransversal es una (1) pulgada cuadrada. El valor de la presiónatmosférica varía con el sitio donde se esté a nivel del mar el valor es

Conceptos base

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atmosférica varía con el sitio donde se esté a nivel del mar el valor es14,7 (libras/pulgada2) equivalente a PSI.

Presión manométrica: Es la presión local que se genera por la acciónde una fuerza distinta de la atmósfera. Esta presión puede ser negativao positiva dependiendo si es mayor o menor a la presión atmosférica.Para indicar cuando una presión es manométrica se le coloca la letra Gquedando PSIG.

P RE S IO N M A NO M E T RIC A P O S IT IV A P RE S IO N AB S O L UT A P O S IT IV A

Clases de Presión

Conceptos base

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V A CIO P E R FE C TO - CE RO P RE S I O N AB S O L UT A

VACIO PRESIO N MAN OM ETR ICA NEG AT IVA PRESIO N ABSO L UT A PO SIT IVA

PR ESIO N AT MO SF ERI CA A NIVEL DEL MA R 0 p sig = 14 .7 p sia

0 p sia

Clases de Presión

Presión absoluta: Es la suma de la presión atmosférica más lapresión manométrica. Nunca es negativa.

Conceptos base

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presión manométrica. Nunca es negativa.

Presión de vapor: Es la presión que ejerce sobre las paredes deun recipiente cerrado un vapor que está en equilibrio con su líquido.

Qué es Repetibilidad y Precisión ?

Conceptos base

23


Conceptos base

24


Conceptos base

25


Conceptos base

26

Conceptos base

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Cual es la Precisión requerida para su proceso?

•(ISO) International Organization for Standards (www.iso.ch)

•(ANSI) American National Standards Institute (www.ansi.org)

•(NIST) American National Institute for Standards and Technology (www.nist.gov)

Normas y Estándares

Conceptos base

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•(NIST) American National Institute for Standards and Technology (www.nist.gov)

•(API) American Petroleum Institute (www.api.org)

• (NFPA) National Fire Protection Association (www.nfpa.org).

•(ASTM) American Society for Testing and Materials (www.astm.org)

•(GPA) American Gas Producers Association (www.gasprocessors.com)

•(IP ) The Institute of Petroleum (London) (www.petroleum.co.uk)

•(AGA) American Gas Association


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Factores críticos en la selección de instrumentación para medición de flujo


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Que tecnología de Medición es la mas apropiada para la aplicación?

En la industria se mide por diferentes motivos

Transferencia y Custodia

Indicación de eficiencia


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y Custodia

Calidad de Producción

Control de Proceso

Seguridad

eficiencia


Cual es su principal motivación para realizar una medición de flujo?

Motivo • Normas Industriales

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• Normas Industriales • Nivel de Seguridad• Variables de Proceso• Comportamiento del fluido• Requerimientos de Montaje• Relación Costo / Beneficio


33



34


Mejor Solución


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Tipos de Medidores

Volumétricos Másicos

Directos Indirectos Efecto Coriolis

Térmicos


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Desplazamiento + Presión Diferencial Área Variable Turbina VortexUltrasónicoCanal AbiertoElectromagnético

Placa de OrificioTobera VenturiTubo Pitot

Efecto Doppler Tiempo de Transito

Datos Iniciales:

• PresiónParámetros

Selección de tecnología y solución

NO


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• Presión

• Temperatura

• Diámetro de la Tubería

• Sch de tubería

• Tipo de Fluido

• Características del Fluido

• Perdida de presión máxima

• Rango de Caudales

• Limitaciones de espacio

Parámetros

• Diseño

• Máximo

• Operación

• Mínimo

Parámetros De

Selección de

Tecnología

Existe la posibilidad de ampliaciones de las operaciones en un Futuro…?


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Que existe antes y después del sistema de medición?


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Búsqueda de los datos de proceso y su importancia en la selección de un sistema de medición de flujo.

Variables Alto Medio Bajo

Presión de Proceso X

Temperatura Proceso X

Temperatura Ambiente X

Diámetro de la Tubería X

Sch de tubería X


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Sch de tubería X

Tipo de Fluido X

Características y comportamiento del Fluido X

Perdida de presión máxima X

Rango de Caudales X

Limitaciones de Espacio e Instalación X

Compatibilidad Química X

Tipo de Bombeo X

Limpieza del Proceso X


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Cuales son las características y comportamiento del fluido a medir?

Características y Comportamiento del Fluido

Variables

Presión Vapor TEMPERATURA


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Viscosidad


Variables

Presión de Vapor

La presión de vapor es


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La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor.

Equilibrio Dinámico


Variables

Viscosidad

Propiedad de un fluido

Viscosidad absoluta

Representa la viscosidad dinámica del líquido y es medida por el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada


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Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza

a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Sus unidades son el poise o centipoise (gr/SegCm), siendo muy utilizada a fines prácticos.

Viscosidad cinemáticaRepresenta la característica propia del líquido desechando las fuerzas que genera su movimiento, obteniéndose a través del cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del producto en cuestión. Su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg).

Viscosidad Cinemática (CSt) = Viscosidad Absoluta / Densidad


Variables

Viscosidad


45


Variables

Tipo de Flujo


46


Variables

Cavitación

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su


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Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido forma burbujas de vapor.

Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas de alto impacto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.


Variables

Cavitación


48


Variables

Cavitación


49


Variables

Cavitación


50

CONTRAPRESION MINIMA PARA EVITAR LA CAVITACION:


Se origina cuando se cierra bruscamente una válvula y las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que

Variables

Golpe de Ariete


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se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido.

Esta sobrepresión tiene dos efectos:

1. Comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen 2. Dilata ligeramente la tubería.

Estos efectos provocan otra Onda de Presión en el sentido contrario del fluido se desplaza en dirección contraria y se produce una caída de presión con respecto a la presión normal de la tubería, donde el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae.


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Que caída de presión genera el sistema de medición…?

Sensor

Válvulas


53

Accesorios

Tubería

Filtros

Complementos


54


55

Como selecciono el sensor correcto para la aplicación ?

Mejor Solución

Tipo de Medición


56

Como selecciono el sensor correcto para la aplicación ?

Comportamiento del fluido

SENSOR

Requerimientos de Montaje


57

Se requiere un acondicionamiento de flujo antes de realizar la medición?

SENSOR



58

Se requiere un acondicionamiento de flujo antes de realizar la medición?

SENSOR



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Tipos de Medidores

Volumétricos Másicos

Directos Indirectos Efecto Coriolis

Térmicos


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Presión Diferencial Área Variable Turbina VortexUltrasónicoCanal AbiertoElectromagnético

Placa de OrificioTobera VenturiTubo Pitot

Requiere Acondicionar flujo NO Requiere Acondicionar flujo

Desplazamiento +

Efecto Doppler Tiempo de Transito

SENSOR

Numero de Reynolds


61


62

SENSOR



63

SENSOR



64

SENSOR

Limitaciones de Espacio


65

SENSOR

Conexiones a Proceso


66

SENSOR

Conexiones a Proceso


67

SENSOR

Limpieza de Líneas


68

La limpieza CIP (Cleaning In-Place – limpieza in situ) es el método habitual de limpieza de plantas durante procesos de producción donde la higiene es mandataria y suprema

SENSOR

Rango de Medición


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SENSOR

Exactitud


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Medición de Flujo

MEDICION DE FLUJO

Como funcionan los Medidores de Flujo?

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Volumétricos Indirectos

MEDICION DE FLUJO

Presión Diferencial

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Volumétricos IndirectosLa Relación BETA β

Un parámetro muy importante en las especificaciones de diseño, y en la operación misma de los medidores de platinas de orificio es la llamada relación Beta, definida por las relaciones de diámetros del orificio al diámetro de la tubería.

MEDICION DE FLUJO

al diámetro de la tubería.

β = Diámetro del orificio / Diámetro de tubería

Las restricciones son:

1 Para tomas a la brida: 0.15 < β < 0.70

2 Para tomas a la tubería: 0.20 < β < 0.67

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MEDICION DE FLUJO

Vortex

75


MEDICION DE FLUJO

76


MEDICION DE FLUJO

77


MEDICION DE FLUJO

Magnéticos

78


MEDICION DE FLUJO

79


MEDICION DE FLUJO

Rotametros

80


MEDICION DE FLUJO

Ultrasónicos (Tiempo de Transito)81

Volumétricos Indirectos SIEMENSSITRANS

12.54

1

8

5

2

7

4

3

9

6

CuFT / HR

Flow Display Computer

Transducer Cable Pair

MEDICION DE FLUJO

PIPE

Ultrasonic Clamp -on Transducers

Mounting Assembly

Mounting Strap Kit

RTD Cable

RTD Transducer

and Mount

Spacer Bar

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Medidores ultrasónicos de FlujoFrecuencia: (f)

� Subsonico 0 a 20Hz

MEDICION DE FLUJO

� Auditivo: 20 Hz a 20 KHz

�Ultrasonico: mayor a 20KHz

t t

t t t

V f( t)

Q V A

up dn

up dn

>

= −

=

= ×

∆

∆

Ecuaciones

� Area =

� Q = V × A

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MEDICION DE FLUJO

84

Transferencia y Custodia

MEDICION DE FLUJO

85


MEDICION DE FLUJO

Ultrasónicos (Efecto Doppler)

86


MEDICION DE FLUJO

Ultrasónicos (Efecto Doppler)

87

Volumétricos Directos

MEDICION DE FLUJO

Desplazamiento Positivo

88

Masicos

MEDICION DE FLUJO

Masico Coriolis

89

Miden la rata de flujo másico y la densidad. El flujo quepasa por unos tubos especialmente diseñados genera unafuerza, igual pero de sentido opuesto en cada mitad,haciéndolos vibrar, y cuya magnitud es proporcional a larata de flujo másico. Esta fuerza y las vibraciones sondetectadas por unos sensores y convertidas a rata de flujomásico mediante un transmisor.

Analogía ResorteAnalogía Resorte

y Masay Masa

Tubos VibrantesTubos Vibrantes

MEDICION DE FLUJO

másico mediante un transmisor.

Sistema Resorte y Masa

Fuerza Coriolis = Masa del fluido x Aceleración lateral delfluido

Fc = 2m x ω

Fc =Fuerza Coriolis m =Flujo Másicoω =Velocidad Angular del tubo

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La combinación de las fuerzas opuestas en ambas seccionesdel tubo causa una torsión del mismo, produciéndose encada sección una oscilación de igual frecuencia perodesplazada en fase. Esta diferencia de fase es directamenteproporcional a la rata de flujo.

m = k x Dt

donde: k = Constante

Dt = Ángulo de Fase

MEDICION DE FLUJO

proporcional a la rata de flujo. Dt = Ángulo de Fase

Diferencia de fase(Dt)

Salida ASalida B

TiempoAm

plit

ud

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