PLACAS DE ORIFICIO

INTRODUCCION•Consiste en una placa perforada en el interior de una tuberia posee dos tomas de presion una en la parte anterior y otra en la parte posterior.•La placa de orificio hace que la obstruccion al paso sea de forma abrupta.•Algunos de ellos miden la velocidad de flujo de manera directa y otros miden la velocidad promedio, y aplicando la Ecuación de Continuidad y la de Energía se calcula la velocidad.

Factores para la elección del tipo de medidor de fluido:

* Intervalo de medición * Exactitud requerida* Pérdida de presión * Tipo de fluido•Tipo de medición* Calibración* Medio ambiente* Lugar de ubicación 

FUNDAMENTO TEORICOPlaca orificio

• La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lámina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó segmentado.

• En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos.

PLACAS DE ORIFICIO CONCENTRICO, EXCENTRICO Y SEGMENTADA

• Con las placas de orificio se producen las mayores perdidas de presión en comparación a los otros elementos primarios para medición de flujo más comunes.

• Se mide la máxima diferencial posible con recuperación de presión posterior y, con tomas en las bridas se mide una diferencial muy cerca de la máxima, también con recuperación de presión posterior.

• La exacta localización de tomas de presión antes de la placa de orificio carece relativamente de importancia, ya que la presión en esa sección es bastante constante.

• Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmentada se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor.

• Las placas de orificio concéntrico se recomiendan para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases; y vapor de baja velocidad.

• Diagramas excéntricos Los Diafragmas Excéntricos son aquellos cuyo orificio está practicado de tal forma que al colocar la placa entre las bridas, quedan en la parte superior o inferior de la tubería.

• Orificio segmentado fijo: Se usa para medir flujos pequeños y es una

combinación de orificio excéntrico y una parte segmentada.

• Orificio segmentado ajustable:• En este caso la relación entre el diámetro interior y

exterior (0.25-0.85), se modifica por medio de un segmento móvil.

• La relación entre el flujo y la caída de presión es: • Cuando el flujo pasa a través de la placa de orificio,

disminuye su valor hasta que alcanza una área mínima que se conoce con el nombre de “vena contracta”.

• Condiciones esenciales

Con el fin de obtener una buena medida del caudal, la construcción y el empleo de placas de orificio deben responder a las siguientes condiciones esenciales:1) La arista exterior del orificio debe ser viva y neta. No son tolerables defectos mecánicos tales como rebabas, ranuras o salientes.2) El espesor de la placa de orificio debe estar de acuerdo con las prescripciones de la norma ISO5167, no debiendo sobrepasar:* 1/30 de diámetro interior de la tubería (D)* 1/8 de diámetro del orificio (d)* ¼ del valor (D-d)/2.

MEDICIÓN DEL GAS NATURALMEDICIÓN POR ORIFICIOS

• La medición del gas naturalA objeto de determinar la cantidad de gas que produce un Campo de Petrolero y sus respectivos usos entre los que se destacan: inyección para sistemas de recuperación secundaria, combustible, transferencia interáreas y entre los diferentes distritos.

• Medición del gas natural por instrumentos de caja orificioEn el distrito San Tomé en un 99% (600 unidades) la medición del gas natural se realiza mediante cajas de orificio

Norma AGA Nº3

• Suministra las exigencias de la especificacion y de la instalacion par la medicion de fluidos Newtonianos monofasicos y homogeneos ulitizando sistemas de medicion con placas de orificio concentrico con tomas de presion de tipo flange taps.

• Relacion de diametros la norma se basa en que el rango tiene que estar entre 0.10 y 0.75.

• El uso de medidoresen los extremos del rango de diametros debe evitarse siempre que sea posible.

• La incertidumbre minima para el coeficiente de descarga es conseguida con la relacion de diametros 0.2 a0.6 y diametros de orificios iguales o mayores que 0.45 pulgadas.

Ventajas de la medición del gas natural con cajas de orificio:

• 1. Mayor tolerancia a las impurezas del gas natural.• 2. Cuando un bache de líquido contenido en el gas natural pasa por el punto de medición

de una caja de orificio.• 3. Al efectuar el análisis de la presión diferencial y estática, por parte de los operadores de

campo.• 4. Equipos simples y económicos.

5. Equipos instalados en los campos petroleros a la intemperie, es decir no necesitan de instalaciones cerradas.

• 6. Fácil ejecución de mantenimiento, dado que presentan dos cámaras o compartimentos para el remplazo del orificio.

• 7. Partes intercambiables entre las cajas de orificio.• 8. Luego de salir fuera de servicio una caja de orificio esta puede ser utilizada en otro sistema

similar.• 9. El sistema de orificios es de fácil interpretación por parte de operadores.

Desventajas de la medición del gas natural con cajas de orificio:

• 1. Instrumento con baja precisión entre 1 y 2%.• 2. Es fácil que el equipo se des calibre.• 3. En los últimos tiempos los instrumentos asociados a la caja de

orificio (secundarios), son hurtados con facilidad.• 4. Pueden ser manipulados con facilidad y el registrador puede

quedar fuera de servicio.• 5. Se requiere del cambio oportuno de las plumillas del registrador.• 6. En los puntos de medición alejados de los centros operacionales se

requiere el reemplazo del reloj mecánico.• 7. Dado que, por lo general, no tienen incorporado un medidor de

temperatura.

Calculo y diseño• El uso de la placa de orificio en este caso es para

crear una pérdida de carga adicional en la red.• Para el cálculo de la placa de orificio se va a utilizar,

la norma ISO 5167, que determina la geometría y el método de empleo.

• Constantes predeterminadas• Temperatura ambiente: T =20 ºC• Viscosidad cinemática del agua

• Relación de diámetros • Se define como la relación entre el diámetro del

orificio de la placa y el diámetro interno de la tubería

• Conforme a lo indicado en el apartado 5.1.8.1 de la norma ISO 5167-2(2003), para que el cálculo sea correcto se deben cumplir las siguientes condiciones:

Límites de empleo del procedimiento

Éste procedimiento de cálculo se puedan considerar

válidos, hay que tener en cuenta lo indicado en la norma ISO 5167:

Coeficiente de descarga

• Para determinar el coeficiente de descarga en placas de orificio, se utiliza la ecuación de Stolz.

Geometría de placas de orificio• Siguiendo con el artículo anterior, referente al

diseño y cálculo de placas de orificio, el presente artículo tiene por objeto determinar la geometría de las mismas.

• Espesores de la placa y del orificio• El espesor “e” del orificio debe estar contemplado

entre 0.005 D y 0.02 D. La diferencia entre los valores del espesor del orificio medidos en cualquier punto del orificio no debe exceder de 0.001 D

• El espesor “E” de la placa estará comprendida entre el espesor del orificio “e” y 0.05 D.

Cavitación en placas de orificio• Cuando disponemos un disco de orificio en una

tubería, al igual que cualquier otro obstáculo, se produce una disminución local de la presión. Cuando estas depresiones son tales que la presión absoluta llega a ser localmente inferior a la tensión del vapor del líquido, se produce la ebullición de éste, y la consecuente formación de burbujas de vapor, o de bolsas de vapor de las que se desprenden burbujas, esto es lo que se conoce como cavitación.

UNA PARTE ESENCIAL DE CUALQUIER FUNCIONAMIENTO DE PRODUCCIÓN DE GAS ES LA DETERMINACIÓN EXACTA DE PROPORCIONES DE FLUJO VOLUMÉTRICAS.

MEDICION DE FLUJO

EN ESTA OPORTUNIDAD PRESENTAREMOS UNO DE LOS MÉTODOS MÁS COMÚNES USADOS EN EL CAMPO PARA MEDIR LAS PROPORCIONES DE FLUJO DE GAS, SEGÚN REFERENCIAS DE LA ASOCIACION AMERICANA DE GAS REPORTE Nº 3 (AGA INFORME 3)

LAS TABLAS A MOSTRARSE EN ESTA PRESENTACION SON DIRECTAMENTE SACADAS DEL AGA INFORME 3. LOS PARÁMETROS A VERSE PUEDEN OBTENERSE DE UN SÓLO CÁLCULO SIMPLE, Y ESTAS PROPIEDADES PUEDEN OBTENERSE MÁS RÁPIDAMENTE CON UNA CALCULADORA

UNA PARTE ESENCIAL DE CUALQUIER FUNCIONAMIENTO DE PRODUCCIÓN DE GAS ES LA DETERMINACIÓN EXACTA DE PROPORCIONES DE FLUJO VOLUMÉTRICAS.

MEDICION DE FLUJO

EN ESTA OPORTUNIDAD PRESENTAREMOS UNO DE LOS MÉTODOS MÁS COMÚNES USADOS EN EL CAMPO PARA MEDIR LAS PROPORCIONES DE FLUJO DE GAS, SEGÚN REFERENCIAS DE LA ASOCIACION AMERICANA DE GAS REPORTE Nº 3 (AGA INFORME 3)

LAS TABLAS A MOSTRARSE EN ESTA PRESENTACION SON DIRECTAMENTE SACADAS DEL AGA INFORME 3. LOS PARÁMETROS A VERSE PUEDEN OBTENERSE DE UN SÓLO CÁLCULO SIMPLE, Y ESTAS PROPIEDADES PUEDEN OBTENERSE MÁS RÁPIDAMENTE CON UNA CALCULADORA

LA MEDICION DE FLUJO CONSISTE EN UN SISTEMA QUE MIDE EL CAMBIO DE PRESIÓN QUE ES CAUSADA POR UNA VARIACION EN LA VELOCIDAD DEL GAS DEBIDO A QUE ESTE ATRAVIESA UNA RESTRICCIÓN (PLACA DE ORIFICIO) PUESTA EN LA CAÑERÍA PARA DICHO FIN.

LAS ECUACIONES QUE UTILIZAREMOS SON LAS SIGUIENTES:

DONDE:

qsc = Caudal del gas (Pc/hrs)

C = Constante de Orificio

hw = Diferencial de Presión (pulgadas de agua)

Pf = Presión de flujo PSIA

DONDE:

•Fb = Factor básico de orificio

•Fpb = Factor de presión base. Este factor corrige el valor de Fb y se

determina por la ecuación: Fpb = 14.73/Pb

•Fg = Factor de gravedad especifica: Fg = G-0.5

•Ftf = Factor de temperatura de caudal o flujo:

Ftf = ( 520/ Tf )0.5

•Fr = Factor de Nº de Reynolds. Esta en función del diámetro de cañería, diámetro de placa de orificio, y el diferencial de presión.

•Fpv = Factor de súper compresibilidad. El factor puede estimarse según normas de AGA – 3 con la ecuación:

Fpv = ( 1/Z )0.5

•Fm = Factor de manómetro. Sus propósitos prácticos son insignificantes solo se utiliza con mercurio.

•Y = Factor de expansión. Calcula el cambio la presión debido a la placa de orificio.

EJEMPLO:

UNA CAÑERIA ESTA PROVISTA CON UNA TOMA DE BRIDA Y UNA PLACA DE ORIFICIO IGUAL A 3,000 PULGADAS, LA CAÑERIA TIENE UN DIAMETRO IGUAL A 6.065 PULGADAS.LA PRESION OBTENIDA POR LA TOMA DE BRIDA RIO ABAJO LEE 80 PSIA, Y LA PRESION DIFERENCIAL ES DE 49.5 PULGADAS DE AGUA, SI LA PRESION Y TEMPERATURA SON 14.9 PSIA Y 60 ºF RESPECTIVAMENTE. CALCULAR EL CAUDAL DE FLUJO EN PC/HR SI LA G = 0.6 Y LA TEMPERATURA DE FLUJO ES 65 ºF

DATOS:

Pb = 14.9 PSIATb = 60+460 =520 ºRP rio abajo = 80 Psia G = 0.6Tf = 65 ºfHw = 49.5 pulgadas de agua

CALCULANDO PARAMETROS DE LA CONSTANTE DE FLUJO “C”

GAS NATURAL

PARA Fb (FACTOR BASICO DE ORIFICIO) UTILIZAMOS LA SIGUIENTE TABLA CON d = 3,000 Y D = 6.065

PARA EL FACTOR DE PRESION BASE Fpb:

Fpb = 14.73/Pb Fpb = 14.73/ 14.9

Fpb = 0.989

PARA EL FACTOR DE TEMPERATURA BASE Ftb:

Ftb = 520/Tb Fpb = 520/ 520

Ftb = 1

PARA EL FACTOR DE GRAVEDAD ESPECIFICA (Fg);

Fg = G-0.5 Fg = 0.6-0.5

Ftb = 1,291

PARA EL FACTOR DE TEMPERATURA DE FLUJO Ftf

Ftf = (520/Tf)0.5 Ftf = (520/525)0.5

Ftf = 0.995

ENTONCES EL FACTOR DE Nº DE REYNOLDS - Fr SERA:

Fr = 1 + b/ hw*Pf

Fr = 1 + 0.0332/ 49.5*80 Fr = 1.0005

DONDE:hw = Diferencial de Presión

Pf = Presión de flujo

CON LOS DATOS:

G = 0.6; T = 65 ºF

P = 80 PSIAHALLAMOS EL FACTOR Z

ENTONCES: Z = 0.990

PARA EL FACTOR DE SUPER COMPRESIBILIDAD Fpv

Fpv = (Z)-0.5 Fpv = (0.99)0.5

Fpv = 1.005

DETERMINAMOS EL FACTOR DE EXPANSIÓN ( Y)

β = d/D β = 3,000/6.065

β = 0.495

DETERMINAMOS EL FACTOR DE EXPANSIÓN ( Y)

hw/Pf = 49.5/80 hw/Pf = 0.619

CON LOS VALORES OBTENIDOS β Y hw/Pf HALLAMOS (Y) EN LA SIGUIENTE TABLA

INTERPOLANDO EN LA ANTERIOR TABLA HALLAMOS EL VALOR DE

(Y) =1.0037

SUSTITUIMOS LOS VALORES HALLADOS EN LA ECUACION DE CONSTANTE DE ORIFICIO:

C = 1891,9 * 0,989 * 1 * 1,291 * 0,995 * 1,0005 * 1,005 * 1 * 1,0037

C = 2425,6

qsc = 2425,6 * √ 49.5 * 80

qsc = 152.639,4 PC/HR

Conclusiones

• La gran ventaja de la placa de orificio en comparación con los otros elementos primarios de medición, es que debido a la pequeña cantidad de material y al tiempo relativamente corto de maquinado que se requiere en su manufactura, su costo llega a ser comparativamente bajo, aparte de que es fácilmente reproducible, fácil de instalar y desmontares y de que se consigue con ella un alto grado de exactitud.