Instrumentación

Equipos para la medición precisa del flujo de vapor, incluyendo celdas de presión diferencial y equipos de recopilación y análisis de datos. También cubre consideraciones especiales como los efectos de la variación de presión, la fracción de sequedad del vapor y el sobrecalentamiento.

****Un medidor de flujo de vapor comprende dos partes:

1. El dispositivo ‘primario’ o unidad de tubería, como una placa de orificio, ubicada en el flujo de vapor.
2. El dispositivo ‘secundario’, como una celda de presión diferencial, que traduce cualquier señal a una forma utilizable. Además, existirá algún tipo de procesador electrónico que puede recibir, procesar y mostrar la información. Este procesador también puede recibir señales adicionales de presión y/o temperatura para permitir cálculos de compensación de densidad.

La Figura 4.4.1 muestra un sistema típico.

Celdas de presión diferencial (celdas DP)

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Si la unidad de tubería es un dispositivo de medición de presión diferencial, por ejemplo un medidor de flujo de placa de orificio o tubo Pitot, y se requiere una señal electrónica, el dispositivo secundario será una celda de Presión Diferencial (DP o ΔP). Esta cambiará la señal de presión a una señal eléctrica. Esta señal puede entonces retransmitirse a un procesador electrónico capaz de aceptar, almacenar y procesar estas señales, según lo requiera el usuario. Una celda DP típica es un dispositivo de capacitancia eléctrica, que funciona aplicando una presión diferencial a ambos lados de un diafragma metálico sumergido en aceite dieléctrico. El diafragma forma una placa de un condensador, y los lados opuestos del cuerpo de la celda forman las placas estacionarias. El movimiento del diafragma producido por la presión diferencial altera la separación entre las placas, y altera la capacitancia eléctrica de la celda, lo que a su vez resulta en un cambio en la señal de salida eléctrica.

El grado de movimiento del diafragma es directamente proporcional a la diferencia de presión.

La señal de salida de la celda de medición se alimenta a un circuito electrónico donde se amplifica y rectifica a una señal analógica de 4-20 mA dc dependiente de la carga. Esta señal puede entonces enviarse a una variedad de dispositivos para:

• Proporcionar indicación de caudal
• Usarse con otros datos como parte de una señal de control. La sofisticación de este equipo depende del tipo de datos que el usuario desee recopilar. Celdas DP avanzadas ****El avance de la microelectrónica, y la búsqueda de sistemas de control cada vez más sofisticados ha llevado al desarrollo de celdas de presión diferencial más avanzadas. Además de la función básica de medir presión diferencial, ahora se pueden obtener celdas que:
• Pueden indicar presión real (a diferencia de la diferencial).
• Tienen capacidad de comunicación, por ejemplo HART® o Fieldbus.
• Tienen instalaciones de auto-monitoreo o diagnóstico.
• Tienen inteligencia ‘integrada’ permitiendo que se realicen cálculos y se muestren localmente.
• Pueden aceptar entradas adicionales, como temperatura y presión. Recopilación de datos ****Hay disponibles muchos métodos diferentes para reunir y procesar estos datos, estos incluyen:
• Computadoras dedicadas.
• PLCs autónomos (Sistemas de Controlador Lógico Programable).
• DCSs centralizados (Sistemas de Control Distribuido).
• SCADAs (Sistemas de Control Supervisor y Adquisición de Datos). Uno de los métodos más fáciles para la recopilación, almacenamiento y visualización de datos es una computadora dedicada. Con la llegada del microprocesador, ahora están disponibles computadoras de monitoreo de flujo extremadamente versátiles. Las instalaciones de visualización y monitoreo que proporcionan pueden incluir:
• Caudal actual.
• Uso total de vapor.
• Temperatura/presión del vapor.
• Uso de vapor durante períodos de tiempo específicos.
• Caudal, presión o temperatura anormales, y activar alarmas remotas.
• Compensar las variaciones de densidad.
• Interactuar con registradores de gráficos.
• Interactuar con sistemas de gestión energética. Algunos pueden denominarse con más precisión medidores de flujo de energía ya que, además de las variables anteriores, pueden usar el tiempo, tablas de vapor y otras variables para calcular y mostrar tanto la potencia (kW o Btu/h) como el uso de energía térmica (kJ o Btu). Además de la unidad de computadora, a veces es beneficioso tener una lectura local del caudal. Análisis de datos ****La recopilación de datos, ya sea manual, semiautomática o totalmente automática, eventualmente se usará como herramienta de gestión para monitorear y controlar los costos energéticos. Los datos pueden necesitar reunirse durante un período de tiempo para dar una imagen precisa de los costos y tendencias del proceso. Algunos procesos de producción requerirán datos diariamente, aunque el período preferido a menudo por los usuarios industriales es la semana de producción. Se usan comúnmente microcomputadoras con software capaz de manejar cálculos estadísticos y gráficos para analizar datos. Una vez que el sistema de medición está en su lugar, el primer objetivo es determinar una relación entre el proceso (por ejemplo toneladas de producto/hora) y el consumo energético (por ejemplo kg de vapor/hora). El medio usual de lograr esto es graficar el consumo (o consumo específico) contra la producción, y establecer una correlación. Sin embargo, se requiere cierta precaución al interpretar la naturaleza precisa de esta relación. Hay dos razones principales para esto:
• Los factores secundarios pueden afectar los niveles de consumo energético.
• El control del uso de energía primario puede ser deficiente, oscureciendo cualquier relación clara. Las técnicas estadísticas pueden usarse para ayudar a identificar el efecto de múltiples factores. Debe notarse que se debe tener cuidado al usar tales métodos, ya que es bastante fácil hacer una relación estadística entre dos o más variables que son totalmente independientes.

Una vez que estos factores se han identificado y tenido en cuenta, el consumo energético estándar puede determinarse entonces. Este es el consumo energético mínimo que es alcanzable para la planta actual y las prácticas operativas.

El diagrama en la Figura 4.4.3 grafica una relación típica entre producción y consumo.

Una vez que se ha establecido la relación entre el consumo de vapor y la producción de la fábrica, se convierte en la base/estándar con el que toda producción futura puede medirse.

Usando el estándar, los gerentes de secciones individuales pueden entonces recibir informes regulares de su consumo energético y cómo esto se compara con el estándar. El gerente individual puede entonces analizar el rendimiento de su planta preguntando:

• ¿Cómo se compara el consumo con el estándar?
• ¿Está el consumo por encima o por debajo del estándar, y en cuánto varía?
• ¿Hay alguna tendencia en el consumo? Si hay una variación en el consumo puede deberse a varias razones, incluyendo:
• Control deficiente del consumo energético.
• Equipo defectuoso, o equipo que requiere mantenimiento.
• Variaciones estacionales. Para aislar la causa, es necesario primero verificar los registros pasados, para determinar si el cambio es una tendencia hacia el aumento de consumo o un caso aislado. En este último caso, se deben realizar verificaciones alrededor de la planta en busca de fugas o piezas de equipo defectuosas. Estas pueden entonces repararse según sea necesario.

El consumo estándar tiene que ser un objetivo alcanzable para los gerentes de planta, y un enfoque común es usar la línea de mejor ajuste basada en el promedio más que en el mejor rendimiento alcanzable (ver Figura 4.4.4). Una vez determinado el estándar, esta será la nueva línea base de consumo energético.

Este aumento en la conciencia energética inevitablemente resultará en una disminución de los costos energéticos y los costos operativos generales de la planta, consecuentemente, un sistema más eficiente energéticamente.

Requisitos especiales para la medición precisa del flujo de vapor ****Como se mencionó anteriormente en el Bloque 4, los medidores de flujo miden la velocidad; se requieren valores adicionales para el área de sección transversal (A) y la densidad (P) para permitir el cálculo del caudal másico (qm). Para cualquier instalación, el área de sección transversal permanecerá constante, la densidad (P) sin embargo variará con la presión y la fracción de sequedad. Las siguientes dos secciones examinan el efecto de la variación de presión y fracción de sequedad en la precisión de las instalaciones de medición de flujo de vapor. Variación de presión En un mundo ideal, la presión en las líneas de vapor de proceso permanecería absolutamente constante. Desafortunadamente, este raramente es el caso con cargas variables, bandas muertas de control de presión de caldera, pérdidas de presión por fricción, y parámetros de proceso todos contribuyendo a variaciones de presión en la línea principal de vapor.

La Figura 4.4.5 muestra el ciclo de trabajo para una aplicación de vapor saturado. Siguiendo el arranque, la presión del sistema gradualmente sube a los 5 bar g nominales pero debido a las demandas de carga del proceso la presión varía a lo largo del día. Con un medidor de flujo sin compensación de presión, el error acumulativo puede ser significativo. Algunos sistemas de medición de flujo de vapor no tienen compensación de densidad integrada, y están especificados para operar a una presión de línea única y fija. Si la presión de línea es realmente constante, esto es aceptable. Sin embargo, incluso variaciones de presión relativamente pequeñas pueden afectar la precisión del medidor de flujo. Vale la pena notar en este punto que diferentes tipos de medidores de flujo pueden verse afectados de diferentes maneras. Medidores de flujo de velocidad La señal de salida de un medidor de flujo de desprendimiento de vórtices es una función solo de la velocidad del flujo. Es independiente de la densidad, presión y temperatura del fluido que está monitoreando. Dada la misma velocidad de flujo, la salida sin compensar de un medidor de flujo de desprendimiento de vórtices es la misma ya sea que esté midiendo vapor de 3 bar g, vapor de 17 bar g, o agua.

Los errores de flujo, por lo tanto, son una función del error en la densidad y pueden expresarse como se muestra en la Ecuación 4.4.1. Ejemplo 4.4.1 ****Como base para los siguientes ejemplos, determine la densidad (ρ) de vapor saturado seco a 4.2 bar g y 5.0 bar g. Ejemplo 4.4.2 Un medidor de flujo de vapor de desprendimiento de vórtices especificado para usarse a 5 bar g se usa a 4.2 bar g. Use la Ecuación 4.4.1 y los datos del Ejemplo 4.4.1 para determinar el error resultante (ε). Por lo tanto, el medidor de vórtices sin compensar sobrelecturará en un 14.42%.

Como una de las características del vapor saturado (particularmente a bajas presiones hasta unos 6 bar g) es que la densidad varía mucho para un pequeño cambio de presión, la compensación de densidad es esencial para asegurar lecturas precisas.

La Ecuación 4.4.1 puede usarse para generar un gráfico que muestre el error esperado en el flujo para un error en la presión, como se muestra en la Figura 4.4.6. Medidores de flujo de presión diferencial La señal de salida de una placa de orificio y celda toma la forma de una señal de presión diferencial. El caudal másico medido es una función de la forma y tamaño del agujero, la raíz cuadrada de la presión diferencial y la raíz cuadrada de la densidad del fluido. Dada la misma presión diferencial observada a través de una placa de orificio, el caudal másico derivado variará con la raíz cuadrada de la densidad.

Como para los medidores de flujo de vórtices, operar un medidor de flujo de placa de orificio a una presión diferente de la especificada dará lugar a errores.

El porcentaje de error puede calcularse usando la Ecuación 4.4.2. Ejemplo 4.4.3.

Un medidor de flujo de vapor de placa de orificio especificado para usarse a 5 bar g se usa a 4.2 bar g. Use la Ecuación 4.4.2 para determinar el porcentaje de error resultante (ε). El error positivo significa que el medidor de flujo está sobreleyendo, en este caso, por cada 100 kg de vapor que pasan, el medidor registra 106.96 kg.

La Ecuación 4.4.2 puede usarse para generar un gráfico que muestre el error esperado en el flujo para un error en la presión, como se muestra en la Figura 4.4.7.

Al comparar la Figura 4.4.6 con la Figura 4.4.7, se puede ver que el % de error debido a la falta de compensación de densidad para el medidor de vórtices es aproximadamente el doble del % de error para el medidor de flujo de placa de orificio. Por lo tanto, la compensación de densidad es esencial si se va a medir con precisión el flujo de vapor. Si el medidor de flujo de vapor no incluye una característica de compensación de densidad integrada, entonces deben proporcionarse sensores de presión y/o temperatura adicionales, conectados al sistema de instrumentación. Variación de la fracción de sequedad

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La densidad de un metro cúbico de vapor húmedo es mayor que la de un metro cúbico de vapor seco. Si la calidad del vapor no se tiene en cuenta a medida que el vapor pasa a través del medidor de flujo, entonces el caudal indicado será menor que el valor real.

La fracción de sequedad (χ) ya se ha discutido en el Módulo 2.2, pero para reiterar; la fracción de sequedad es una expresión de las proporciones de vapor saturado y agua saturada. Por ejemplo, un kilogramo de vapor con una fracción de sequedad de 0.95, contiene 0.95 kilogramos de vapor y 0.05 kilogramos de agua. Ejemplo 4.4.4 Como base para los siguientes ejemplos, determine la densidad (ρ) de vapor saturado seco a 10 bar g con fracciones de sequedad de 1.0 y 0.95. El efecto de la fracción de sequedad en los medidores de flujo que miden presión diferencial Para reiterar los comentarios anteriores sobre errores de medidores de flujo de presión diferencial, el caudal másico (qm) será proporcional a la raíz cuadrada de la densidad (ρ), y la densidad está relacionada con la fracción de sequedad. Los cambios en la fracción de sequedad tendrán un efecto en el flujo indicado por el medidor de flujo. La Ecuación 4.4.4 puede usarse para determinar la relación entre el flujo real y el flujo indicado: Todos los medidores de flujo de vapor se calibrarán para leer a una fracción de sequedad predeterminada (), el valor típico es 1. Algunos medidores de flujo de vapor pueden recalibrarse para adaptarse a las condiciones reales.

Ejemplo 4.4.5

Usando los datos del Ejemplo 4.4.4, determine el porcentaje de error si la fracción de sequedad real es 0.95 en lugar del valor calibrado de 1.0, y el medidor de flujo de vapor estaba indicando un caudal de 1 kg/s. Por lo tanto, el signo negativo indica que el medidor sublee por un 2.46%. La Ecuación 4.4.4 se usa para compilar el gráfico mostrado en la Figura 4.4.8. El efecto de la fracción de sequedad en los medidores de flujo de vórtices

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Se puede argumentar que la fracción de sequedad, dentro de limitaciones razonables, no tiene importancia porque:

• Los medidores de flujo de vórtices miden la velocidad.
• El volumen de agua en el vapor con una fracción de sequedad de, por ejemplo, 0.95, en proporción al vapor es muy pequeño.
• Es la condensación del vapor seco lo que necesita medirse. Sin embargo, la investigación independiente ha demostrado que las gotas de agua que impactan el cuerpo romperán causarán errores y como los medidores de flujo de vórtices tienden a usarse a velocidades más altas, también se puede esperar erosión por las gotas de agua. Desafortunadamente, no es posible cuantificar estos errores. Conclusión La medición precisa del flujo de vapor depende de:
• Tener en cuenta las variaciones de presión - La presión variará en cualquier sistema de vapor, y es claramente inútil especificar un medidor de flujo con una precisión de ±2% si las variaciones de presión solas pueden dar errores de ±10%. El paquete de medición de flujo de vapor debe incluir compensación de densidad.
• Fracción de sequedad predecible - La medición de la fracción de sequedad es muy compleja; una opción mucho más fácil y mejor es instalar un separador de vapor antes de cualquier medidor de flujo de vapor. Esto asegurará que la fracción de sequedad esté siempre cerca de 1.0, independientemente de la condición del vapor suministrado. Vapor sobrecalentado Con vapor saturado hay una relación fija entre la presión del vapor y la temperatura del vapor. Las tablas de vapor proporcionan información detallada sobre esta relación. Para aplicar la compensación de densidad en vapor saturado, solo es necesario detectar ya sea la temperatura del vapor o la presión del vapor para determinar la densidad (). Esta señal puede entonces alimentarse, junto con la señal de flujo, a la computadora de flujo, donde, asumiendo que la computadora contiene un algoritmo de tablas de vapor, hará entonces los cálculos del caudal másico.

Sin embargo, el vapor sobrecalentado está cerca de ser un gas y no existe una relación obvia entre temperatura y presión. Al medir caudales de vapor sobrecalentado, tanto la presión del vapor como la temperatura del vapor deben detectarse y señalizarse simultáneamente. La instrumentación del medidor de flujo también debe incluir el software necesario de tablas de vapor para permitirle calcular las condiciones del vapor sobrecalentado e indicar valores correctos.

Si se instala un medidor de flujo de vapor de tipo presión diferencial que no tiene esta instrumentación, siempre se mostrará un error de medición de flujo si está presente el sobrecalentamiento.

Esto se muestra mejor como un ejemplo. Ejemplo 4.4.6 Considere un medidor de flujo de presión diferencial equipado con equipo de lectura de presión, pero sin equipo de lectura de temperatura. El medidor de flujo piensa que está leyendo vapor saturado a 10 bar g con su temperatura correspondiente de 184°C. Desafortunadamente el vapor que se está midiendo está sobrecalentado con una temperatura de 220°C.

Usando la ecuación 4.4.2 el error de lectura puede calcularse basándose en la densidad más baja de lo anticipado para vapor sobrecalentado. En este caso el medidor sobrelecturará en un 5%.

Usando los mismos parámetros del ejemplo 4.4.6, determine el caudal real si el medidor de flujo muestra un caudal de 250 kg/h.

La Ecuación 4.4.5 puede usarse para calcular el valor real a partir del menú mostrado.