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 1980: First Ultrasonic Flowmeter (UL50) 2 Beam design Accuracy: ± 1.5% Temperature: -40ºC to 140ºC 1990: UFM500 2 Beam Accuracy: ± 1% Temperature: -40ºC to 180ºC 2003: UFM3030 DN 25-3000 (1-120 ) 3 Beam design Accuracy: ± 0.5% Temperature: -40ºC to 220ºC Temperature [ºC] 240 200 160 120 80 ± 1.5% ± 1.0% ± 0.5% 40 0-40 -80 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Time [year] > 30.000 instruments sold Very first meter still in operation! 3
High/low Temperatures Liquids 1990: UFM500 HT Introduction Wave guide Accuracy: ± 1.0% Temperature: -200ºC to 600ºC DN 25-3000 (1-120 ) Temperature [ºC] 800 700 600 500 400 300 200 ± 1.0% 100 0-100 -200 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Time [year] 4
High precision Measurement Liquids 1995: ALTOSONIC V Introduction of worlds first fiscal ultrasonic flowmeter -100 5 Beam design -200 DN 100-1000 (4 to 40 ) Accuracy: ± 0.2% Temperature: - 40ºC to 140ºC Viscosity independent: 0.1 cst to 150 cst Temperature [ºC] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 ± 0.2% ± 0.2% -200 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Time [year] 5
History on In-line Ultrasonic Flowmeters Overall 800 700 600 Temperature [ºC] 500 400 300 200 100 0 ± 1.5% ± 1.0% ± 1.0% ± 0.2% ± 0.2% ± 0.5% -100-200 Liquid Process 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Liquid Process Time [year] Liquid HT Gas & Steam Liquid CT Gas CT 6
Ultrasoon Frequenties Frequenties Ultrasone Flowmeters 1 or 2 MHz 175 khz 100 khz 50 khz 25 khz 18 khz Geen procesruis meer aanwezig Vleermuis Walvis Vlinder Hond Mens UFM 3030 ALTOSONIC V UFM vloeistoffen GFM 700 UFM gassen 26/01/2013 7
Geluidsnelheid Geluidsnelheid = Voortplantingssnelheid van een geluidsgolf in een medium. v [m/s] @ 20 0 C Bij een zekere temperatuur heeft elk medium zijn specifieke geluidsnelheid 26/01/2013 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 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 Transducent A Looptijd (T) = Afstand Totale Snelheid D L C α V V cos α Stroomafwaarts van A naar B T A B = L C + V i cos α Stroomopwaarts van B naar A Transducent B T B A = L C - V i cos α D = L = V m = C m = Leidingdiameter Akoestische weglengte Flowsnelheid van het medium Geluidsnelheid van het medium Gemiddelde Flowsnelheid (V) V = L i T B A - T A B 2icos α T B A i T A B 26/01/2013 11
Volumetrische Flowmeting Flow = A (oppervlak) x V (flowsnelheid) = π D 3 T B A - T A B 4 sin (2 α) X T B 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 T A B 95.4949 µs Looptijd stroomopwaarts T B A 95.5862 µs Looptijdverschil T 91,3 nano sec. (= 10-9 ) 0,5% resolutie 500 pico sec. (= 10-12 ) Dus, de looptijdmeting moet erg nauwkeurig zijn!! 13
Gemiddelde flowsnelheid over de buisdwarsdoorsnede Wat wordt gemeten? Wat moet gemeten worden? VL Vavg VL = Gemiddelde snelheid pad L over het akoestische 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: ρ υ D R e = η Transitie gebied - bij ongunstige proces condities hoge viscositeiten en lage snelheden - 1500 / 1000 < Re < 4000 - Onvoorspelbare meetnauwkeurigheid 26/01/2013 15
Reynolds getal Re < 2300 Laminair flow profiel T R A N S I E N T Re > 4000 Turbulent flow profiel Re Re = v x D x ρ η 16
Reynolds Getal - Voorbeeld Water Reynolds number (Re) 1.600.000 1.400.000 1.200.000 1.000.000 800.000 600.000 400.000 2" 6" 12" Water Altijd turbulent Re > ± 2.300 200.000 0 1 m/s 3 m/s 5 m/s Flow velocity (m/s) 17
Reynolds Getal - Voorbeeld Olie Reynolds number (Re) 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 2" 6" 12" 1 m/s 3 m/s 5 m/s Olie Viscositeit: 50 cst Laminair en Turbulent kan beide voorkomen Viscositeit Re Diameter Re Flow Re Flow velocity (m/s) 18
V AVG Laminar V AVG = V m * 0,66 Enkelstraals ultrasone flowmeter Enelstraals door het midden van de buis V m Flowprofiel afhankelijk V AVG Turbulent V AVG = V m * 1,00 Fout van Laminair tot Turbulent 33% Typische onnauwkeurigheid 1 to 2% Re > 10.000 V m 19
3-Straals flowmeter V AVG Snelheden geïntegreerd om flow te berekenen V AVG = K 1 *V m1 +K 2 *V m2 + K 3 *V m3 V m V m V AVG 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
Inline UFM Flowmeters Effect van meerdere meetpaden 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% 26/01/2013 5-straals 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 Inline (spool piece) Clamp-on Refractie hoek: Vast = 90º Akoestisch pad: Lengte = bekend! Refractie hoek : f (geluidsnelheid) Akoestisch pad : 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 Transducent A Geluidsnelheid C = 2 x Pad Lengte (L) TA B + TB A D L C V α V cos α Transducent B Pad Lengte (L) wordt tijdens een calibratie in het productieproces zeer nauwkeurig bepaald Onnauwkeurigheid VoS meting: 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
Geluidsnelheid Product identificatie Vloeistoffen 1500 Velocity of Sound [m/s] 1450 1400 1350 1300 1250 B A Gebaseerd op de Geluidsnelheid kan er een duidelijk onderscheid tussen A en B gemaakt worden 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 D transducer B 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. 29
Ultrasone flowmeters liquids clamp-on OPTISONIC 6300 OPTISONIC 6400 gas steam custody transfer in-line UFM 3030 UFM 530 HT OPTISONIC 7300 OPTISONIC 8300 F ALTOSONIC III ALTOSONIC V ALTOSONIC V12
Ultrasone Flowmeters Applicaties clamp-on high temperature custody transfer fluid/gas process gas
Applicaties; Water Energy; hydropower I&S; cooling water Energy; district heating Utilities; demi-water 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 Klant; Maatschap Europoort Terminal Diameter: 40 (DN 1 000) Applicatie verlading van ruwe aardolie van over de gehele wereld 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 Storage Facility UFM 3030 Bottoms Cracker- Distiller Column Cracker- Distiller Column 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 m 3 /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 EMF Average Low Low Low Low Orifice High High Average Low Average Turbine (incl. air separator & straightener) High High High High High UFM Low Low Low Low Low Vortex Average Low Average Low Average 49
Voordelen van Ultrasone flow measurement Flow meter Technology Non conductive Liquids Viscosity Corrosion resistance Solids, Bubbles Low flow Dynamic range UFM ++ ++ + +/- ++ ++ Coriolis ++ + + + ++ + mass EMF - ++ ++ + ++ ++ DP meter ++ - + - - - Vortex ++ - + - -- - PD meter ++ + - - + - Turbine ++ - - - - - 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