Ultrasone Flowmeters
Vlaamse Ingenieurskamer 23 Oktober 2012
1
Wat bespreken we ?
Een stukje geschiedenis Meetprincipe – ultrasoon vs doppler Het flowprofiel - het Reynoldsgetal en laminaire of turbulente stromingen Vloeistofmeting & gasmeting & stoommeting Clamp-on / inline toestellen Installatievoorwaarden Selectie & sizing Voor-en nadelen Calibratie Applicaties
2
History on In-line Process Ultrasonic Flowmeters for Liquids
1990: UFM500 2 Beam Accuracy: ± 1% Temperature: -40ºC to 180ºC
240 200 Temperature [ºC]
1980: First Ultrasonic Flowmeter – (UL50) 2 Beam design Accuracy: ± 1.5% Temperature: -40ºC to 140ºC
160 120 80
± 1.5%
± 1.0%
± 0.5%
40 0 -40 -80 1970
1980
1990
2000
2010
2020
Time [year]
2003: UFM3030
DN 25 - 3000 (1”-120”)
3 Beam design Accuracy: ± 0.5% Temperature: -40ºC to 220ºC
> 30.000 instruments sold Very first meter still in operation!
3
High/low Temperatures Liquids
UFM500 HT Introduction Wave guide Accuracy: ± 1.0% Temperature: -200ºC to 600ºC DN 25 - 3000 (1”-120”)
700 Temperature [ºC]
1990:
800 600 500 400 300
± 1.0%
200 100 0 -100 -200 1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Time [year]
4
High precision Measurement Liquids 800
1995: ALTOSONIC V
Introduction of worlds first fiscal ultrasonic flowmeter
5 Beam design
DN 100- 1000 (4” to 40”)
Accuracy: ± 0.2%
Temperature: - 40ºC to 140ºC
Viscosity independent: 0.1 cSt to 150 cSt
Temperature [ºC]
700 600 500 400 300 200 100
± 0.2% ± 0.2%
0 -100 -200 1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Time [year]
5
History on In-line Ultrasonic Flowmeters Overall 800 700 Temperature [ºC]
600 500 ± 1.0%
400 300
± 0.5%
200 100
± 1.5%
0
± 1.0%
± 0.2% ± 0.2%
-100 -200 1975
Liquid Process 1980
1985
1995
2000
2005
2010
2015
Time [year]
Liquid Process
Liquid HT
1990
Gas & Steam
Liquid CT
Gas CT 6
Ultrasoon Frequenties
Frequenties 1 or 2 MHz
26/01/2013
Ultrasone Flowmeters
Geen procesruis meer aanwezig
175 kHz
Vleermuis
100 kHz
Walvis
50 kHz
Vlinder
25 kHz 18 kHz
Hond
UFM 3030 ALTOSONIC V UFM vloeistoffen
GFM 700 UFM gassen
Mens
7
Geluidsnelheid
Geluidsnelheid = Voortplantingssnelheid van een geluidsgolf in een medium . v [m/s] @ 200 C Bij een zekere temperatuur heeft elk medium zijn specifieke geluidsnelheid
Gassen Chloor 210 m/s Lucht 330 m/s Methaan 430 m/s Helium 965 m/s Waterstof 1.280 m/s Vloeistoffen Methanol 1.100 m/s Kerosine 1.298 m/s Water 1.480 m/s Natronloog 2.600 m/s Vaste Stoffen Glas 5.600 m/s Staal 5.900 m/s Beryllium 12.900 m/s
26/01/2013
8
Meetprincipe
Basis van de Ultrasone Looptijdverschilmeting Ultrasone pulsen worden uitgezonden en ontvangen langs een diagonaal verlopend meetpad. Een ultrasone puls die stroomafwaarts beweegt heeft een kortere oversteektijd dan een ultrasone puls die dezelfde weg stroomopwaarts aflegt. Het verschil van beide oversteektijden (looptijden) is rechtevenredig met de over het meetpad gemiddelde stromingssnelheid.
26/01/2013
9
Een ultrasone Transducent
Piëzo kristal
Algemeen: Een transducent kan ultrasone geluidspulsen produceren, maar ook ontvangen
Het piëzokristal in de transducent kan geluidspulsen (drukgolven) omzetten in elektrische spanning en vice versa
Venster
10
Berekening van Flowsnelheid Looptijd (T) = Transducent A
Afstand Totale Snelheid
Stroomafwaarts van A naar B
C
TA →B V
D
= L C + V i cos α
α L
V • cos α
Stroomopwaarts van B naar A
TB→ →A Transducent B D = L = Vm = Cm = 26/01/2013
Leidingdiameter Akoestische weglengte Flowsnelheid van het medium Geluidsnelheid van het medium
= L C - V i cos α
Gemiddelde Flowsnelheid (V) V=
L
i TB→ →A - TA→ →B
2i icos α
TB→ →A i TA→ →B 11
Volumetrische Flowmeting Flow = A (oppervlak) x V (flowsnelheid) =
π D3 4 sin (2 α)
TB → A - T A → B X TB → A • T A → B
Meter Factor (= GK = Calibratie constante) wordt bepaald middels een calibratie
De meting is onafhankelijk van: • Temperatuur • Viscositeit • Dichtheid • Geluidssnelheid 26/01/2013
12
Looptijdmeting simpel? Een voorbeeld: Buis diameter Medium Flowsnelheid Geluidsnelheid
100 mm Water 1 m/s 1.480 m/s
Looptijd stroomafwaarts TA → B Looptijd stroomopwaarts TB → A Looptijdverschil ∆T 0,5% resolutie
95.4949 µs 95.5862 µs 91,3 nano sec. (= 10 -9) 500 pico sec. (= 10-12)
Dus, de looptijdmeting moet erg nauwkeurig zijn!!
13
Gemiddelde flowsnelheid over de buisdwarsdoorsnede
Wat wordt gemeten?
VL
VL = Gemiddelde snelheid over het akoestische pad L
Wat moet gemeten worden?
Vavg
Vavg = Gemiddelde snelheid over de gehele dwarsdoorsnede
14
Reynolds getal Turbulente flow Laminaire flow
Vorm van volledig ontwikkeld stromingsprofiel Turbulente flow - Afgeplatte vorm - Re > ± 2.300
Laminaire flow - Parabolische vorm - Re < ± 2.300
Reynolds getal:
26/01/2013
Re =
ρ ×υ × D η
Transitie gebied - bij ongunstige proces condities hoge viscositeiten en lage snelheden - 1500 / 1000 < Re < 4000 - Onvoorspelbare meetnauwkeurigheid 15
Reynolds getal
Re < 2300 Laminair flow profiel
T R
Re > 4000 Turbulent flow profiel
A N S I
Re
E N T
Re = v x D x ρ η
16
- Voorbeeld Water
Reynolds Getal 1.600.000
Water • Altijd turbulent Re > ± 2.300
2" Reynolds number (Re)
1.400.000 1.200.000
6" 12"
1.000.000 800.000 600.000 400.000 200.000 0 1 m/s
3 m/s
5 m/s
Flow velocity (m/s)
17
Reynolds number (Re)
Reynolds Getal 30.000 27.500 25.000 22.500 20.000 17.500 15.000 12.500 10.000 7.500 5.000 2.500 0
- Voorbeeld Olie
2"
Olie • Viscositeit: 50 cSt • Laminair en Turbulent kan beide voorkomen
6" 12"
1 m/s
3 m/s
5 m/s
Viscositeit ↑
Re ↓
Diameter
↑
Re ↑
Flow
↑ Re ↑
Flow velocity (m/s)
18
VAVG
Laminar VAVG = Vm * 0,66
Enkelstraals ultrasone flowmeter Enelstraals door het midden van de buis…
• Flowprofiel afhankelijk
Vm VAVG
Turbulent VAVG = Vm * 1,00
• Fout van Laminair tot Turbulent 33%
• Typische onnauwkeurigheid 1 to 2% Re > 10.000
Vm 19
3-Straals flowmeter VAVG
Snelheden geïntegreerd om flow te berekenen VAVG = K1*Vm1 +K2*Vm2 + K3*Vm3
Vm VAVG
Vm
3 Stralen... • Meer gegevens over Flowprofiel • Robuster m.b.t. niet symmetrische stromingsprofielden • Goede Reproduceerbaarheid • Nauwkeuriger over het gehele Reynoldsbereik • Typische onnauwkeurigheid 0,5% 0< Re < inf. 20
Effect van meerdere meetpaden
Inline UFM Flowmeters Enkelstraals
Reynolds afhankelijk
Gevoelig voor niet-symmetrische stromingsprofielen
Lineariteit: ±1 to 2% (tot 33% in transitie gebied)
3-straals
Reynolds afhankelijkheid< 0,5%
Correctie voor niet symmetrische flow profielen
Redundant meetpad
Lineariteit: < ± 0,5%
5-straals
26/01/2013
Reynolds onafhankelijk
Correctie voor niet-symm. flow profielen & swirl
Redundante meetpaden
Lineariteit < ± 0,15%
21
Beperkingen van het Looptijdverschil Meetprincipe Effect
Richtlijn
1. Deelsgevuld
Geen meting
Volledig gevulde buis
2. Mengsels
Reflecties
Homogeen, enkele fase
3. Gas bellen
Reflecties
Vol.% ≤ 2%
4. Deeltjes
Reflecties
Vol. % ≤ 5%
5. Viscositeit
Demping
Max = 300 cSt applicaties tot 1500 cSt mogelijk
Reflectie van het signaal
Demping van het signaal
22
Clamp-on transducent
Wig transducenten In contact met de buitenzijde van de buis Koppelingsmedium tussen buiswand en transducent is noodzakelijk
23
Looptijdverschil principe
Clamp-on
Refractie hoek : Akoestisch pad :
Inline (spool piece)
Refractie hoek:
Vast = 90º
Akoestisch pad:
Lengte = bekend!
f (geluidsnelheid) variabel
24
The position of beams, liquids Multiple parallel paths Most information on flow profile UFM 3030 UFM 530 HT, dual parallel
Multiple crossed paths Mean flow velocity is always measured through the pipe centre OPTISONIC 6300 clamp-on with dual sensor
Reflex mode (V-mode) Mean flow velocity is measured through the pipe centre OPTISONIC 6300 small, medium and large OPTISONIC 6400 portable small, medium
Diagonal mode (Z-mode) Mean flow velocity is measured through the pipe centre OPTISONIC 6300 large OPTISONIC 6400 portable small, medium
25
Berekening van de Geluidsnelheid Geluidsnelheid C = Transducent A
2 x Pad Lengte (L) TA → B + TB → A
C
V
D
Pad Lengte (L) wordt tijdens een calibratie in het productieproces zeer nauwkeurig bepaald
α L
V • cos α
Onnauwkeurigheid VoS meting:
Transducent B
0,5 m/s met een typische VoS van 1.500 m/s
Unieke mogelijkheid met VoS:
D L V C
= = = =
Buisdiameter Akoestische pad lengte Stromingssnelheid medium Geluidsnelheid medium
Product identificatie
26
Product identificatie Vloeistoffen
Geluidsnelheid 1500
Gebaseerd op de Geluidsnelheid kan er een duidelijk onderscheid tussen A en B gemaakt worden
Velocity of Sound [m/s]
1450 1400
B 1350 1300
A
1250 1200
0
20
40
60
Temperature [°C]
27
Inline high temperature liquids – UFM 530 HT
Solid stainless steel transducers: Wave guide technology Piezo kept on distance from heat No moving or intruding parts
v
D
28
Ultrasone flow meters | process inline transducer A
Typische voordelen Geen bewegende delen, geen onderhoud, calibratie Robust, betrouwbaar werkt met elektrisch geleidende en niet geleidende vloeistoffen Bi-directioneel, meet flow in plus en min richting Geen enkele obstructie in de buis geen extra drukverlies Meet vanaf ‘nul’ flow.
D
transducer B
29
Ultrasone flowmeters
clamp-on
liquids
OPTISONIC 6400 gas
steam
UFM 530 HT
OPTISONIC 7300
OPTISONIC 8300 F
ALTOSONIC V
ALTOSONIC V12
in-line
OPTISONIC 6300
custody transfer
UFM 3030
ALTOSONIC III
Ultrasone Flowmeters Applicaties
clamp-on high temperature
custody transfer fluid/gas
process gas
Applicaties; Water
Energy; hydropower
I&S; cooling water
Utilities; demi-water Energy; district heating
32
O&G; natural gas dehydration
I&S; cooling water
Utilities; demi-water for steam
Energy; hydropower
Energy; cooling water
Water; salt water intake 33
Hoge Druk Water injectie in oliebronnen Bron Water Injectie
Water wortd geïnjecteerd om de oliebron op druk te houden
Zeewater wordt behandeld alvorens het wordt geïnjecteerd in de oliebron
Bluewater Glas Dowr FPSO
2 x UFM 500 K/Ex/HP
Hoge Druk: 2500 lbs flenzen
Specifieke voordelen vanUFM:
Hoge Druk
Extreme Condities
Robust en Betrouwbaar!
34
UFM in (kern)centrales Feedwater meting in het secundaire circuit
Meting van Water bij 260 ˚C en 150 bar Onzekerheid beter dan 0,25 %
26/01/2013
35
Ultrasone Flowmeters voor Stoomflowmeting
2* DN 20” Ultrasone Stoomflowmeter Stoom @ 19 Bar, 340 grd C. SHELL Pernis
26/01/2013
36
Transport & Opslag
Belading van ruwe aardolie
Diameter: 40” (DN 1 000) Applicatie verlading van ruwe aardolie van over de gehele wereld
Klant; Maatschap Europoort Terminal
37
Applicatie Ultrasone Flowmeters
• Oliemenging (blending) bij NEREFCO (nu BP) in de Botlek • Verlading van eindproducten op klantspecificatie
26/01/2013
38
Applicatie Ultrasone Flowmeters Transalpine olieleiding Italië-Oostenrijk-Duitsland Lekmeting; Olietransport; Betalingsverkeer
Olieverlading in Lybië Betalingsverkeer 26/01/2013
39
Applicatie Ultrasone Flowmeters
Custody Transfer Ruwe Aardolie Op het P50 platform Brazilië 26/01/2013
40
Pijplijn Applicatie
Ultrasoon lost teer en was probleem op
Mero Pipeline in Tsjechië ALTOSONIC V 10”, 150 lbs Aardolie met een hoog paraffine aandeel Viscositeit 4 tot 50 cSt
41
Pijplijn Applicatie
Turbine en Strainer uitgebouwd Turbine blokkeert i.v.m. paraffine in de aardolie Hoge kosten voor reiniging en hercalibratie
Ultrasoon i.v.m.: • Lage onderhoudskosten • Geen hercalibratie • Compacte installatie
42
Raffinage Flow control
Flow control
CrackerDistiller Column
Storage Facility UFM 3030
CrackerDistiller Column
Bottoms
UFM 530 HT
43
Ultrasone flowmeters meten ook … Betrouwbaar op hoge temperatuur
Ultrasone Flowmeter in een raffinaderij
In bedrijf 1997 Mediumtemperatuur proces ca. 350°C, tot 550°C
Meting van long residue (Bitumen, Teer, Asfalt)
26/01/2013
44
Applicatie Ultrasone Flowmeters
Jetfuel A1 Frankfurt airport 26/01/2013
45
UFM Flowmeting in zonnecentrales
Meting van Thermische Olie en Vloeibaar Zout bij 400 ˚C
26/01/2013
46
UFM voor LNG meting Flowmeting van vloeibaar aardgas Temperatuur – 170 ˚C Flowrates 15 000 m3/h Flowmeter diameter 20”
26/01/2013
47
Speciale constructies Voor vloeibaar zwavel met een verwarmingsmantel
Grote diameter inlasversie met speciale transducenten met verwarming ter voorkoming van wasvorming (Kaspische Oliepijpleiding)
Voor meting van Jetfuel in Afghanistan met speciale snelkoppelingen
48
Vergelijking van Cost of Ownership Flow meter Technologie
Engineering
Installatie Kosten
Onderhoud
Gebruik
Totaal
Coriolis mass
Low
High
Low
Low
Average
Average
Low
Low
Low
Low
Orifice
High
High
Average
Low
Average
Turbine
High
High
High
High
High
Low
Low
Low
Low
Low
Average
Low
Average
Low
Average
EMF
(incl. air separator & straightener)
UFM Vortex
49
Voordelen van Ultrasone flow measurement Flow meter Technology
Non conductive Liquids
Viscosity
Corrosion resistance
Solids, Bubbles
Low flow
Dynamic range
UFM
++
++
+
+/-
++
++
Coriolis mass
++
+
+
+
++
+
-
++
++
+
++
++
DP meter
++
-
+
-
-
-
Vortex
++
-
+
-
--
-
PD meter
++
+
-
-
+
-
Turbine
++
-
-
-
-
-
EMF
50
Ontwikkelingen; Calibratie
Oil & Gas Calibratie installatie Voor de Olie &Gas Markt
Let nothing stop you from going ahead ! © www.gianlucacecchini.com
52 | welcome at KROHNE Altometer
