Escolha do medidor de vazão de gás

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Características do meio: Existem muitos tipos de gás natural, e sua composição é bastante complexa. Em geral, o gás natural pode ser dividido em duas categorias principais: gás natural e gás artificial. Os principais componentes do gás natural são: CO, H2, CO2, N2, O2, CH4, H2S, entre outros. A proporção desses componentes varia dependendo do processo de produção do gás natural. O gás artificial é um gás produzido a partir do carvão, contendo componentes inflamáveis. De acordo com o método de processamento, as propriedades do gás e seu uso, ele pode ser dividido em: gás aquoso obtido por gasificação, gás semiaquoso e gás de ar (ou gás produzido em fornos de produção). Nos processos de coqueificação do carvão, os gases produzidos são chamados de gás de coque e gás de alto-forno. O gás é corrosivo e tóxico; os componentes corrosivos incluem principalmente hidrogênio sulfídrico, dióxido de enxofre, dióxido de carbono, entre outros. Esses gases só são corrosivos quando há umidade no ar. Os componentes tóxicos do gás natural (alguns dos quais não estão presentes em alguns tipos de gás produzido como subproduto) incluem: hidrogênio sulfídrico, amônia e benzeno. Esses componentes estão principalmente presentes no gás produzido nas fornos de coque. Muitos gases contêm poeira, e a quantidade dessa poeira está relacionada ao processo de tratamento. Além disso, o gás também contém umidade e alcatrão. Condições reais de operação: As condições reais de operação do gás natural são bastante complexas, e não existe uma fórmula fixa para defini-las. Devido a processos de fabricação diferentes, as condições reais de operação no local também variam. Algumas características mais uniformes são: baixa pressão estática, baixa velocidade do fluxo e perda de pressão reduzida. Geralmente, não é permitido usar o método de redução do diâmetro do tubo para aumentar a velocidade do fluxo. Alguns fluidos de gás contêm umidade; além disso, alguns dos materiais a serem medidos também possuem uma pequena quantidade de água, o que faz com que haja um fluxo em camadas no fundo do tubo. Alguns dos materiais a serem medidos possuem um teor elevado de hidrogênio; sua densidade é baixa. A diferença entre o fluxo mínimo e o fluxo máximo é significativa. Além disso, os tubos utilizados para o transporte são de grande diâmetro, e as seções retas dos tubos são curtas. Tipos e uso de instrumentos: Existem muitos tipos de medidores que podem ser utilizados para medir o fluxo de gases. No entanto, é difícil encontrar um instrumento adequado para medir o fluxo de gás de carvão. Isso se deve, principalmente, às características do gás de carvão. Devido à presença de substâncias viscosas como o alcatrão, é difícil utilizar medidores de vazão volumétricos rotativos; os medidores de vazão a turbina para gases e os medidores de vazão com rotor também não são adequados. Devido à baixa densidade, à baixa velocidade do fluxo e à ampla variação no volume de fluxo, a diferença entre o volume de fluxo nos períodos de pico e nos períodos de baixo consumo é de mais de 20 vezes. Por isso, o uso de medidores de vazão do tipo “vortex street” e de medidores de pressão diferencial é limitado. Atualmente, existem principalmente medidores de vazão por diferença de pressão e medidores de vazão em massa de gás de tipo térmico; em alguns casos, também se utiliza medidores de vazão por ultrassom para gás. A seguir, será apresentada uma descrição das principais aplicações dos medidores de vazão: (1) Medidor de vazão por turbina de vórtices: Devido às características do gás natural – baixa velocidade de fluxo, baixa pressão, grande variação no volume de fluxo, além de serem corrosivos em alguns casos – a vibração causada pelos equipamentos de pressurização e as flutuações aleatórias da pressão do gás podem afetar a precisão do medidor de vazão por turbina de vórtices. Além disso, na prática, é difícil garantir uma velocidade de fluxo acima de 5 m/s para o gás. Portanto, as ruas de vórtice não são adequadas para a medição do fluxo de gás, e atualmente há poucas aplicações delas. (2) Medidor de vazão por diferença de pressão com placa de orifício: Os medidores de vazão baseados em diferença de pressão têm uma ampla gama de aplicações e uma longa história. Em termos de medição do fluxo de gás, eles ainda são utilizados em determinadas situações. No entanto, as deficiências e limitações inerentes aos medidores de vazão por diferença de pressão também restringem seu uso mais amplo. Por exemplo, a presença de gotas d’água nos tubos de medição pode causar imprecisões na leitura da diferença de pressão. Em condições de processo com grandes variações de carga, a baixa relação de escala dos medidores de vazão de tipo diferença de pressão não é suficiente para atender às exigências. Os medidores de vazão de grande diâmetro exigem condições de instalação rigorosas e têm um processo de montagem complexo; isso representa limitações em relação aos medidores de vazão baseados na diferença de pressão. O gás contém poeira, e as placas de orifício padrão não podem ser utilizadas nesse ambiente. Para superar esse problema, foram desenvolvidas placas de orifício com formato especial, placas de orifício substituíveis, além de outros dispositivos de regulação, como vários tubos conectados em paralelo. Os efeitos podem ser bons ou ruins, e é preciso que sejam criadas condições específicas para se obter resultados melhores. (3) Medidor de vazão por diferença de pressão com tubo de velocidade constante: O tubo de velocidade constante também pertence à categoria dos medidores de vazão por diferença de pressão. Na medição do fluxo de gás em tubulações de grande diâmetro, a escolha de placas de orifício substituíveis não é viável devido aos altos custos de fabricação e à dificuldade de instalação. Portanto, se os dados de medição forem utilizados apenas para monitoramento do processo, e não for necessária alta precisão, muitos clientes consideram a utilização de medidores de vazão por diferença de pressão com tubo de velocidade constante. A chave para o sucesso ou fracasso do medidor de vazão por diferença de pressão em tubos de velocidade constante na medição do fluxo de gás é que os tubos de medição de pressão não sejam obstruídos por gotas d’água ou partículas sujas. Como as válvulas de corte presentes nos tubos de velocidade constante de fabricação padrão são, na maioria dos casos, válvulas de tipo “agulha”, cujo diâmetro é pequeno, a água e o vapor presentes no fluido podem se condensar em gotas d’água. Além disso, partículas maiores presentes no fluido também podem obstruir os canais de medição da pressão. Em termos de desempenho prático, há muitos problemas: a taxa de falhas é alta e a manutenção é intensiva. Medidor de vazão por calor: O medidor de vazão por calor é um instrumento de medição baseado no princípio da difusão de calor. Ou seja, ele utiliza o fato de que, quando um fluido flui ao redor de um corpo aquecido, a quantidade de calor perdido pelo corpo aquecido está em proporção direta com o volume de fluxo do fluido. Esses medidores possuem dois sensores RTD de padrão: um serve como fonte de calor, e o outro serve para medir a temperatura do fluido. Quando o fluido flui, a diferença de temperatura entre os dois sensores está em relação linear com o volume de fluxo. Por meio de tecnologia de controle microeletrônico, essa relação é convertida em um sinal linear que indica o volume de fluxo. O medidor de vazão massiva de gás térmico possui as seguintes características: consegue medir vazões muito baixas, não possui partes móveis e oferece alta confiabilidade. A perda de pressão é muito pequena, quase insignificante. Mede diretamente o fluxo de massa, sem necessidade de compensação por temperatura e pressão. A relação de faixa de medição é extremamente alta, de 1000:1. O preço não está diretamente relacionado ao diâmetro do tubo; isso torna o produto ainda mais vantajoso em termos de custo-benefício, especialmente para tubos de grande diâmetro. Além disso, é fácil de instalar e resistente a vibrações. Boa performance em repetições, praticamente sem manutenção. (5) Medidor de vazão por ultrassom para gases: É um medidor de vazão que utiliza ondas ultrassônicas para determinar o fluxo de gás. Geralmente, é um dispositivo de medição baseado no método do tempo de viagem, composto por transdutores ultrassônicos e outros componentes necessários para a medição. Os transdutores são geralmente instalados ao longo da parede do tubo, em contato direto com o fluido. Os pulsos de ultrassom emitidos por um transdutor são recebidos por outro transdutor, e vice-versa. Os pulsos de ultrassom atravessam o tubo como um barco que navega pelo rio; se não houver fluxo de fluido, as ondas sonoras se propagarão em ambas as direções à mesma velocidade. Se a velocidade do fluxo de gás não for zero, as velocidades de propagação na direção do fluxo e na direção contrária são diferentes. Com base nessas diferenças de tempo de propagação, é possível calcular a velocidade do fluxo de gás. Os medidores de vazão por ultrassom para gases, devido à sua alta precisão de medição, ausência de perda de pressão, ampla faixa de medição e instalação simples (não é necessário fazer furos ou soldas nos tubos), podem ser utilizados em condições complexas, como gases sujos, gases com alta umidade, gases corrosivos e gases mistos. Além disso, permitem a medição em ambos os sentidos. Devido às diferenças nos desempenhos técnicos de cada marca, os preços atuais são muito altos, o que limita diretamente seu uso. Em comparação geral, o medidor de vazão de massa de gás de tipo térmico apresenta vantagens bastante significativas na medição da vazão de gás natural. (1) Instalação: Os medidores de vazão de tipo derivativo (incluindo tubos de velocidade constante), ao medir o fluxo de gás, necessitam de compensação de temperatura e pressão. A instalação requer um grande volume de trabalho e tem custos elevados (especialmente para tubulações de grande diâmetro). Devido à instalação de muitos acessórios, é fácil que ocorram problemas de vazamentos, o que **aumenta a carga de trabalho de manutenção diária.** Para os medidores de vazão de gás de tipo térmico, não é necessária nenhuma compensação de temperatura ou pressão para a medição da vazão. O valor de vazão obtido representa a vazão em termos de massa, o que **reduz as exigências de compensação de pressão necessárias em outros tipos de medidores para a medição de gás. Ao reduzir os custos de instalação, também diminuem os pontos de vazamento e falhas, o que garante a confiabilidade do instrumento para um funcionamento prolongado. Os componentes do sensor apresentam quase nenhuma perda de pressão, o que evita a formação de cantos difíceis de limpar ou obstruções, situações que poderiam afetar a coleta dos sinais do sensor. É possível adquirir conexões de compressão em aço inoxidável com design especial. Essas conexões foram projetadas de forma a garantir que o medidor de vazão não seja danificado mesmo após várias remoções do tubo. É possível desmontar o medidor de vazão online, sem interrupções, o que traz grande conveniência para o gerenciamento e controle dos processos de produção dos usuários. Além disso, para a medição do fluxo de gás que contém substâncias corrosivas, os medidores de vazão de gás de tipo térmico podem utilizar sensores feitos de materiais com alta resistência à corrosão. Para o monitoramento do fluxo de gás que contém alcatrão, os medidores de vazão de tipo térmico oferecem duas soluções possíveis: a primeira delas é o uso de sondas axiais para resolver o problema (já existem produtos desse tipo no mercado internacional, como mostrado na figura). Para facilitar a limpeza regular das sujeiras acumuladas, também são utilizados modelos de escavação térmica e ferramentas de perfuração. Por meio de métodos adequados, é possível garantir que o medidor de vazão de gás a termo possa limpar sua sonda online, sem interromper o funcionamento do gás, mesmo quando a sonda fica suja de substâncias contaminantes. A segunda solução consiste em realizar um tratamento especial na sonda do medidor de vazão de gás a calor, de modo a prolongar o tempo durante o qual as impurezas de alcatrão permanecem aderidas à sonda, além de facilitar a limpeza da mesma (como mostrado na figura). 2) Faixa de medição: O medidor de vazão de gás de tipo térmico é capaz de detectar valores de vazão de gás que vão desde uma velocidade mínima de 0,05 Nm/s até uma velocidade máxima de 100 Nm/s. A relação de escala pode atingir 1:1000. Os medidores de vazão por ultrassom para gases conseguem detectar valores de vazão que variam de 0,01 m/s a 25 m/s. Esses dois tipos de medidores de vazão conseguem lidar com as grandes variações no fluxo de gás, causadas por flutuações na carga de gás. Esse é o principal ponto em que os medidores de vazão de tipo térmico se destacam em relação aos outros medidores. Os medidores de vazão de tipo diferença de pressão, devido à relação quadrática entre o sinal do instrumento (diferença de pressão) e o volume de fluxo, geralmente possuem uma faixa de medição de apenas 3:1 a 4:1. Com o desenvolvimento da ciência e tecnologia modernas e a aplicação dos computadores eletrônicos, surgiram transmissores de diferença de pressão com faixa ampla. Isso permitiu que a relação de escala dos medidores de vazão baseados em diferença de pressão aumentasse significativamente. Atualmente, essa relação de escala pode chegar a 1:10. No entanto, ainda não é suficiente para atender às necessidades de muitos casos em que há grandes variações na carga de vazão. (3) Precisão: Os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico passaram por mais de quarenta anos de desenvolvimento, e todas as suas tecnologias registraram grandes avanços. Os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico atuais, ao medir gases de um único tipo, conseguem atingir uma precisão geral de ±1,0% FS (dentro da faixa de relação de medição de 1:100). A repetibilidade é de ±0,25% FS, o que representa uma precisão bastante alta para medições de gás. No entanto, como a composição do gás natural é um gás misto formado por vários componentes (o mesmo se aplica aos estudos de outros gases mistos), mudanças na composição desse gás misto causam alterações nos seus parâmetros físicos. Quanto ao problema de as variações nas composições dos gases medidos afetarem o sinal de saída do medidor de vazão, a maioria dos medidores de vazão não possui meios eficazes para resolver isso. Os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico utilizam algoritmos de compensação baseados nas composições dos gases, bem como algoritmos de compensação de temperatura. A vantagem desses métodos é que, quando há mudanças nas composições dos gases ou na temperatura, esses algoritmos permitem eliminar os erros causados por essas mudanças. Após uma única calibração (geralmente utilizando ar como meio de calibração), pode-se utilizá-lo em diversas condições de composição e temperatura, o que economiza o trabalho e os custos associados a novas calibrações. A implementação e disseminação dos medidores de vazão massica de gás de tipo térmico estabeleceram a base técnica e as garantias necessárias. Considerando que os medidores de vazão de gás por método térmico apresentam boa linearidade e repetibilidade, na medição do fluxo de gás natural, caso não se trate de medições para fins comerciais, mas sim para controle de processos, em termos de relação custo-benefício, os medidores térmicos são, sem dúvida, a melhor opção. Os medidores de vazão por diferença de pressão são muito afetados por diversos fatores. Qualquer problema em qualquer etapa, desde o design e fabricação até a instalação, pode causar erros significativos. Especialmente nas medições de baixa vazão, o valor da diferença de pressão gerada é muito pequeno; às vezes, esse valor é de apenas algumas dezenas de páscais, ou até mesmo alguns páscais. Com um valor de diferença de pressão tão pequeno, ele é muito sensível a interferências. Uma única gota d’água, uma impureza ou um pouco de óleo já são suficientes para anular esse valor de diferença de pressão. Portanto, nos medidores de vazão de tipo diferença de pressão utilizados para medir gás, não é possível alcançar uma precisão muito alta. Além disso, em termos de estabilidade e facilidade de manutenção, os medidores de vazão por diferença de pressão são inferiores aos medidores de vazão a base de calor. As vantagens dos medidores de vazão por ultrassom para gases são inquestionáveis, mas seu custo de aquisição é bastante elevado. Atualmente, eles são utilizados principalmente em operações de cobrança comercial. (4) Perda de pressão: Como os medidores de vazão por ultrassom para gases são instalados de forma externa (com os sensores localizados fora do tubo), não há nenhuma perda de pressão. Devido a suas características estruturais, os medidores de vazão de tipo térmico apresentam uma perda de pressão muito pequena durante seu funcionamento. Em condições de baixa velocidade do fluxo e diâmetros grandes dos tubos, a perda de pressão pode ser considerada desprezível. Já os medidores de vazão por diferença de pressão são diferentes: a grande perda de pressão é um dos principais defeitos desses medidores. A perda de pressão é um dos principais desafios e obstáculos na busca pela economia de energia. No transporte de gás over longas distâncias, as exigências em relação à perda de pressão são ainda maiores; caso contrário, isso leva a um aumento significativo no consumo de energia e a outros custos adicionais. Portanto, considerando o ponto de vista a longo prazo e os critérios de avaliação relacionados à economia de energia e à redução de emissões, os medidores de vazão por diferença de pressão não representam a melhor opção para sistemas de medição do fluxo de gás. A seguir, está a comparação entre os diferentes tipos de medidores de vazão: Medidores de vazão por diferença de pressão, medidores de vazão com tubo de velocidade constante, medidores de vazão ultrassônicos para gases, medidores de massa de gás por método térmico. Perda de pressão: alta, baixa, nenhuma, extremamente baixa. Capacidade de medir fluxo em duas direções: não é possível, não é possível, é possível, é possível. Repetibilidade: 0,1%, 0,5%, 0,15%, 0,2%. Requisitos de instalação: rigorosos, moderados, moderados, moderados. Desempenho em baixas velocidades: ruim, ruim, bom, bom. Relação de faixa de medição: 10:1, 10:1, 50:1, 100:1. Duração de vida útil: curta, longa, longa, longa. Necessidade de manutenção: alta, alta. Manutenção periódica: necessária, necessária. Desempenho em termos de segurança: baixo, alto, alto, alto. Preço: baixo, moderado, extremamente alto. O preço é inversamente proporcional ao diâmetro do tubo