Los probadores de pequeño volumen logran un gran impacto en pequeños

Sep 01, 2023

En los últimos años, Estados Unidos ha importado (y exportado) alrededor de 8,5 millones de barriles diarios de petróleo[1]. Asumiendo que un barril vale $75 (el precio del barril de petróleo crudo el 1 de marzo de 2023), entonces la cantidad de petróleo comercializada por los EE. UU. comprende un total de aproximadamente 230 mil millones de dólares por año. Asumiendo estas cifras, un error del 1 % en la medición de los productos derivados del petróleo equivale a 2.300 millones de dólares anuales. Es bastante obvio que la precisión de estas mediciones es, por lo tanto, crucial.

Para medir el flujo continuo de líquido que viaja a través de una tubería de producción, se instala un medidor en esa tubería. Pero, ¿cómo se verifica regularmente la precisión del medidor sin retirar el medidor, interrumpir el flujo de producto o interrumpir el proceso de medición? La respuesta es un probador de desplazamiento de volumen.

Muchas instalaciones petroquímicas contienen un probador de tubería permanente. Un probador de tubería es un probador de desplazamiento de volumen, que utiliza una esfera como desplazador en lugar de un pistón. En general, los probadores de tuberías necesitan un segmento de tubería relativamente grande para producir resultados de medición precisos y, por lo tanto, son instalaciones grandes que no son adecuadas para uso móvil. Pero debido al desarrollo de la tecnología, los probadores de pequeño volumen ahora constituyen una alternativa viable. Son más pequeños que los probadores de tuberías y, por lo tanto, se pueden utilizar en una configuración móvil. Esto hace que el Small Volume Prover (SVP) sea adecuado para su uso en oficinas locales de pesos y medidas.

En febrero de 2023, el laboratorio estatal de metrología EC Heffron del Departamento de Agricultura de Michigan invitó al personal de NIST OWM a observar una calibración de un probador de volumen pequeño. El objetivo era aprender más sobre los procedimientos de calibración implementados en los laboratorios estatales de metrología y determinar los factores críticos que juegan un papel en esos procedimientos. El laboratorio de metrología del estado de Michigan calibra aproximadamente 15 SVP por año con una capacidad que varía de 5 galones a 30 galones. Estos probadores son utilizados principalmente por la industria petroquímica.

Un SVP se conoce como un "probador de desplazamiento de volumen". El principio de un probador de desplazamiento de volumen es bastante simple. Un probador de desplazamiento de volumen consta de una tubería con una capacidad conocida, un dispositivo para desplazar el fluido a través de la tubería y sensores que detectan cuándo el fluido ha llegado al principio y al final de su viaje a través de la tubería.

El SVP incluye una barra equipada con dos sensores como se muestra en la Figura 1 como "A" y "B". El volumen exacto entre los dos sensores se verifica durante la calibración del SVP en un laboratorio. El medidor bajo prueba genera un pulso por cada unidad de volumen que pasa por el medidor. El probador está instalado en línea con el medidor, por lo que ambos miden la misma cantidad de líquido. Dentro del probador, un desplazador viaja con el líquido a través de la tubería. Cuando el desplazador pasa por cierto punto de inicio en la tubería, el punto A, se activa un disparador para iniciar una medición. A partir de ese momento el sistema de medida conectado al probador empieza a contar los pulsos generados por el medidor. Cuando el desplazador pasa por un segundo punto de la tubería, el punto B, se genera otro disparador para detener el conteo de pulsos. El líquido que se mueve a través del medidor no es exactamente el mismo líquido que mide simultáneamente el SVP. Sin embargo, las cantidades de líquido son las mismas. Es decir, la cantidad de líquido que viajó del punto A al punto B es la misma que la cantidad de líquido que viajó a través del medidor durante el tiempo que le tomó al desplazador viajar del punto A al punto B. Dado que el volumen exacto de se conoce la sección entre el punto A y el punto B, este volumen predeterminado debe coincidir con el número de pulsos recibidos del medidor multiplicado por el volumen por pulso del medidor.

Un SVP usa un pistón como desplazador. El pistón está conectado a un eje que termina fuera del recinto. En el eje del pistón hay montado un gatillo que activa los sensores en la barra de sensores adyacente, a medida que el pistón se mueve a lo largo del eje. La distancia (d) entre los sensores define el volumen calibrado dentro del recinto (Figura 2).

El pistón tiene un sello para asegurarse de que ningún líquido pase el pistón sin querer (mientras el pistón se mueve a través del volumen calibrado). El pistón tiene una válvula de asiento que se abre cuando el pistón se retrae a la posición inicial. De esa manera, el flujo de líquido no se interrumpe.

El laboratorio de metrología del estado de Michigan aplica el Procedimiento operativo estándar 26 del NIST para la calibración de sus SVP. El objetivo es calibrar el volumen interno del probador de volumen pequeño entre los dos puntos de activación (el volumen calibrado). Al final del proceso de calibración, el volumen calibrado se compara con el volumen determinado durante la última calibración para detectar cualquier desviación que pueda indicar un defecto en el probador. La tolerancia aplicada para la repetibilidad es del 0,02 %.

Es importante que el flujo y la consistencia del fluido utilizado durante el proceso de calibración sean constantes durante toda la medición. Para el procedimiento de calibración, el laboratorio del estado de Michigan utiliza agua desmineralizada que se almacena en un tanque de 2000 galones (7500 litros) para proporcionar una presión lo suficientemente constante. Antes de la calibración real, el probador se llena con agua y se ventila todo el aire. Vea un SVP móvil montado en un remolque de vehículo en la Figura 3.

Cortesía del laboratorio de metrología del estado de Michigan

Al iniciar la medición, el agua fluye a través del sistema, empujando lentamente el pistón hacia adelante. Al principio, el gatillo del sensor en el eje del pistón aún no ha llegado al sensor de arranque y se drena el agua que sale del sistema. Cuando el gatillo alcanza el primer sensor (es decir, el pistón ha alcanzado el inicio del volumen calibrado), el agua que sale del sistema se desvía automáticamente a un tanque donde se recolecta. Cuando el gatillo alcanza el segundo sensor (es decir, el pistón ha llegado al final del volumen calibrado), el agua que sale se desvía automáticamente al desagüe. Con un flujo constante, la cantidad de agua recolectada en el tanque es exactamente la misma que la cantidad de agua retenida en el volumen calibrado dentro del probador.

El laboratorio utiliza un método gravimétrico para determinar la cantidad de agua en el tanque. El tanque se pesa en una balanza antes y después de llenarlo de agua. Se utiliza una balanza de 600 kg x 0,1 g como comparador de masas para el procedimiento de calibración para garantizar la mayor precisión posible (Figura 4).

Cortesía del laboratorio de metrología de Michigan

La diferencia entre los dos pesos es el peso del agua en el tanque. El peso del agua se convierte en volumen de acuerdo con los cálculos proporcionados en NIST SOP 26. Se aplican correcciones para la temperatura y la presión del agua dentro del probador. Para este propósito, el laboratorio adjuntó un sensor de presión calibrado en un punto de acceso en el probador y colocó un sensor de temperatura calibrado en un termopozo en el recinto del probador.

Idealmente, el procedimiento de calibración se realiza a un caudal similar al del probador cuando se utiliza en el campo. Pero esto no siempre es posible para muchas operaciones de laboratorios estatales. Un probador de 20 galones (similar al probador que se estaba calibrando durante nuestra visita) tiene un caudal de operación normal de aproximadamente 500 galones por minuto. Con la configuración de prueba en el laboratorio estatal de Michigan, el caudal máximo alcanzable es de aproximadamente 3 galones por minuto.

Para comprobar el rendimiento de los sellos del pistón, el procedimiento de calibración se realiza con un caudal alto (aproximadamente 3 gal/min) y luego con un caudal bajo (aproximadamente 2 gal/min). La prueba se realiza cinco veces en la siguiente secuencia de caudal: alto - bajo - alto - bajo - alto. La diferencia entre los resultados con el caudal alto y bajo se examina detenidamente, ya que cualquier variación es a menudo una indicación de que el líquido se filtra a través de los sellos del pistón. Si hay un cambio significativo en el volumen calibrado después de la calibración, el nuevo volumen calibrado se ingresa en el software de control del sistema de medición del probador.

Los probadores de volumen pequeño pueden detectar con precisión una cantidad predeterminada de desplazamiento de fluido. Como se describe en este artículo, se deben considerar varios factores de influencia críticos durante la operación para garantizar un rendimiento confiable.

Flujo controlado. Es vital que ningún líquido se filtre más allá del pistón cuando se mueve a lo largo del volumen calibrado en el probador. Un sello alrededor del pistón evita que se filtre líquido entre el pistón y el recinto. Otro sello en la válvula de asiento evita que el líquido se filtre a través de la válvula durante la medición. Ambos sellos están sujetos a desgaste. Es vital que los sellos se reemplacen periódicamente para garantizar una medición precisa. Algunos probadores tienen una función de detección de fugas que detecta cualquier fuga en los sellos del pistón. Otros probadores proporcionan un registro automático del número de operaciones como un indicador de la edad de los sellos, lo que permite a los operadores planificar un programa de reemplazo de ciclo de vida adecuado.

Consistencia de flujo. Otro factor que juega un papel en la precisión de la medición es la consistencia del flujo y la composición del fluido (es decir, el fluido está libre de burbujas de aire y contaminación por falta de homogeneidad). Dado que el probador de volumen pequeño y el medidor están instalados en diferentes posiciones en la tubería, el probador no está midiendo el mismo lote de fluido que el medidor está midiendo durante la medición. Por lo tanto, los probadores de volumen pequeño solo se pueden usar en situaciones donde hay una composición relativamente constante del producto.

Temperatura. Un tercer factor que tiene un gran impacto en la medición es la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, el recinto del probador se expande y también lo hace el volumen calibrado. En realidad, la temperatura del recinto está determinada principalmente por la temperatura del líquido que fluye a través del probador. Otro lugar donde la temperatura juega un papel importante es la barra de sensores. Esta parte está ubicada fuera del compartimiento donde fluye el fluido y, por lo tanto, es más susceptible a las influencias ambientales. La temperatura de la barra sensora es importante porque si la temperatura aumenta, la barra sensora se expande y con ello la distancia entre los dos sensores y, por lo tanto, también el volumen calibrado. El software del probador compensa tanto la temperatura del fluido como la temperatura de la barra sensora durante la calibración de un medidor.

Nos gustaría agradecer al estado de Michigan, y particularmente a los especialistas del laboratorio de metrología EC Heffron del estado de Michigan, por la invitación, su hospitalidad y sus aportes para este boletín. Haga clic aquí para obtener más información sobre la División de Laboratorios de Michigan, que incluye tanto el laboratorio de metrología como el laboratorio de pruebas de seguridad alimentaria y ganado, así como sus pesos y medidas, la calidad de los combustibles para motores y los programas de protección ambiental.

[1] Preguntas frecuentes Administración de Información Energética (EIA) de EE. UU.