Os medidores de vazão de gás de tocha

Um sistema de medição de vazão de gás de tocha (flare) por tecnologia ultrassônica sistema de medição que infere a vazão pela diferença dos tempos de trânsito de pulsos ultrassônicos de alta frequência.

A NBR 16777 de 09/2019 – Medidores de vazão de gás de tocha (flare) e de gás ventilado para a atmosfera estabelece requisitos para a aplicação de medidores de vazão de gás para tocha (flare) e de gás ventilado para a atmosfera, compostos por hidrocarbonetos e outros gases. Aborda somente os processos nos quais as vazões são medidas em base volumétrica ou mássica, ou seja, não aborda as medições em base energética. É aplicável aos seguintes elementos do sistema de medição de vazão de gás para tocha: medidores de vazão objeto desta norma; transmissores de pressão e de temperatura; configuração dos trechos de tubo retilíneo utilizados na medição. Não é aplicável aos dispositivos auxiliares opcionais, como instrumentação analítica, amostrador de fluido, computador de vazão, etc. Apresenta as recomendações para as melhores práticas utilizando as referenciais mais atuais. Adicionalmente consultar as recomendações dos fabricantes.

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Como deve ser feito o dimensionamento do medidor de vazão?

Qual é a sensibilidade à presença de névoa, líquidos e incrustações nos medidores?

Quais são as orientações sobre os efeitos da instalação e requisitos de instrumentos secundários?

Quais são as considerações de projeto ligadas à manutenção do sistema de medição?

Um sistema de medição de vazão de gás de tocha (flare) por tecnologia ultrassônica sistema de medição que infere a vazão pela diferença dos tempos de trânsito de pulsos ultrassônicos de alta frequência. O sistema inclui o elemento primário, que é o medidor do tipo ultrassônico juntamente com seus trechos retos e os elementos secundários de temperatura e pressão necessários para a conversão da vazão volumétrica de operação para as condições de referência de 101,325 kPa e 20 °C caso requerida. Um sistema típico de medição de vazão de gás pelo método ultrassônico é mostrado na figura abaixo.

Assim, essa norma é resultado do intenso trabalho da comunidade técnica brasileira ligada à medição de vazão do gás natural que englobou empresas produtoras de gás natural, representantes de fabricantes de medidores de vazão, instituições de pesquisa e regulatórias. A principal motivação para este trabalho foi a produção de um documento que possibilite uma abordagem harmonizada e unificada para os medidores de vazão de gás em tochas para uso no Brasil.

As linhas mestras que nortearam a produção deste trabalho foram: harmonizar a terminologia aplicável a todos os medidores de gás de tocha, utilizando, quando possível, o Vocabulário Internacional de Metrologia – VIM 2012 – 1ª Edição Luso Brasileira (Inmetro, 2012); adotar sempre que possível referências às metodologias de incerteza de medição preconizadas pelo ISO GUM; ser aplicável a um amplo espectro de vazões de operação; aglutinar as melhores referências internacionais disponíveis na ocasião da elaboração destes projetos de norma em um único documento de vasta abrangência; abranger todo o ciclo de vida de utilização dos medidores de gás de tocha.

Recomenda-se levar em conta alguns aspectos no que tange ao projeto de um sistema de medição de vazão de gás de tocha. A integração ideal de um medidor de vazão de gás em um sistema de tocha ocorre ao planejar o medidor durante o projeto do sistema global de tocha. Isto nem sempre é possível, especialmente para sistemas antigos de gás de tocha aos quais são impostos pelos requisitos de medição.

A incerteza na medição realizada com o sistema escolhido deve ser estimada utilizando-se os conceitos estabelecidos na ISO/IEC Guia 98-3:2014, Guia de expressão de Incertezas de Medição (GUM). O desempenho global pode ser melhorado por meio da seleção adequada de um tipo de medidor específico, um planejamento cuidadoso, adequação do projeto, montagem recomendada pelos fabricantes, correta instalação e manutenção contínua, resultando em uma redução da incerteza de medição.

A medição de vazão de gás de tocha, por sua natureza, proporciona desafios únicos em termos de faixas de medições extremas, grandes diâmetros de tubos, comprimentos limitados de seções e variações na pressão do processo, na temperatura e na composição do fluido. Para a maioria das tecnologias de medição de vazão, os requisitos de comprimentos dos trechos retos a montante e a jusante estão bem estabelecidos, bem como a localização dos sensores de pressão e de temperatura. Com relação aos efeitos da variação da composição do gás, devem ser avaliadas e determinadas as capacidades e o desempenho dos medidores para garantir que a aplicação da tecnologia seja apropriada.

Recomenda-se que as prescrições documentadas (manual do fabricante) do medidor contenham relatórios que quantifiquem o efeito dos vários parâmetros que influenciem o desempenho deste. Os aspectos de segurança a seguir devem ser considerados: o medidor de vazão e a instrumentação associada devem estar acessíveis para a verificação, conserto ou calibração. A menos que o sistema de tocha seja desligado para a instalação dos instrumentos de medição de vazão de gás de tocha, o plano de trabalho deve incluir uma revisão de segurança e considerar questões como fuga de ar e vazamento do tubo coletor de gases de tocha.

Deve ser dada atenção ao acesso e regresso do trabalhador e a possível necessidade de proteção dos trabalhadores e/ou equipamentos. A localização física dos equipamentos de medição de vazão de gás de tocha deve ser cuidadosamente considerada a partir de vários pontos de vista. Também deve ser dada atenção às condições ambientais próximas às chamas que podem limitar o seu acesso, causar erros na medição, danos aos instrumentos e expor os trabalhadores a possíveis danos.

Durante as atividades de tocha, equipamentos e trabalhadores estão expostos ao calor radiante da chama. Sistemas de tocha de gás são projetados para atender às especificações de trabalho. Portanto, a intensidade máxima de calor radiante possível pode variar conforme o tipo de gás. A exposição ao calor radiante é normalmente considerada em um mesmo nível. Como as tubulações de gás de tocha são geralmente maiores, a taxa de calor radiante para um trabalhador próximo a chama é maior.

Os instrumentos podem ser danificados e leituras podem sofrer desvios. Além da instalação original, o medidor de vazão e a instrumentação associados também devem ser acessíveis para a verificação, reparação ou calibração. A menos que o sistema de gás de tocha seja parado para a instalação dos instrumentos de medição de vazão, o plano de trabalho deve incluir uma revisão de segurança considerando questões como o vazamento de ar para a tubulação de gás de tocha ou gases para fora da tubulação.

Deve ser dada atenção ao acesso e saída do trabalhador e da possível necessidade de proteção de trabalhadores e/ou equipamentos. Os sistemas de gás de tocha existentes raramente têm escada e plataforma de acesso ao coletor do gás de tocha. Em alguns casos, pode ser possível utilizar o coletor do gás de tocha como um escudo contra a radiação de calor para instrumentos.

A possibilidade de escoamento bifásico por meio do medidor deve ser evitada, localizando-se o medidor a jusante do vaso coletor de líquido e de todos os equipamentos que possam auxiliar a redução de líquido na corrente. Os medidores de vazão para gás de tocha normalmente são projetados para executar a medição na condição de escoamento simétrico, turbulento e completamente desenvolvido. Em operações de tocha, isto é mais bem atingido com o uso de trechos retos adequados de tubulação de seção circular, tanto a montante quanto a jusante do medidor. O uso de condicionadores de fluxo não é recomendado em tubos coletores de gás de tocha devido à queda de pressão imposta por estes dispositivos ou riscos de entupimento durante operações de tocha de emergência em alta velocidade.

As distâncias de instalação normalmente adotadas são baseadas no número mínimo de trechos retos, em diâmetros nominais, da tubulação do medidor de vazão: 20 diâmetros de tubo a montante e 10 diâmetros a jusante (diâmetros nominais). No entanto, esses valores mínimos podem variar dependendo da configuração dos trechos retos a montante e a jusante e da tecnologia do medidor de vazão, mas deve ser levado em conta os limites estabelecidos para a incerteza da medição. Devem ser consultadas as prescrições documentadas do instrumento (manual do fabricante).

Os comprimentos diferentes dos descritos anteriormente podem resultar em alterações na incerteza de medição de vazão estimada. O fabricante deve ser consultado neste caso. Estudos de modelamento de dinâmica de fluído computacional (CFD) podem ser usados para dimensionamento do medidor de vazão bem como melhor ponto de instalação dentro do trecho reto disponível na tubulação

Alguns projetos de tochas possuem vários coletores (headers) que convergem ao sistema de tocha próximo do final do coletor de gás de tocha vertical. Estes casos impossibilitam o uso de um único medidor de gás de tocha. Sob estas condições, medidores a montante em paralelo podem ser utilizados. Cada medidor deve atender aos requisitos de precisão e de saída para que possibilitem medir a vazão total do gás de tocha.

Cada medidor é funcionalmente independente, com sua própria instrumentação secundária (por exemplo, transdutores de pressão, transdutores de temperatura, e instrumentação analítica). Em medições com vários medidores em paralelo convém que o número de medidores utilizado seja o menor possível, devido ao aumento dos requisitos necessários para a instrumentação secundária e a complexidade adicionada aos cálculos de incerteza.

Deve-se considerar a reorientação da tubulação do coletor de gás de tocha para evitar a medição de muitos tramos individuais. Na prática, a medição em mais de duas linhas de processo pode ficar inviável devido ao custo e complexidade. Para calcular a vazão volumétrica de gás de tocha convertida para as condições de base (ou de referência, ou padrão) são necessárias, para cada tramo de medição, as seguintes informações: medição da pressão, medição de temperatura e informações sobre a composição do gás.

A vazão volumétrica convertida deve ser calculada usando as equações apropriadas de acordo com as normas pertinentes, por meio de recursos do próprio medidor de vazão ou em computadores de vazão externos a este, dependendo da finalidade da medição (se para controle operacional ou medição fiscal, etc.). Os medidores de vazão devem ser individualmente validados, ou calibrados em laboratórios de vazão do fabricante ou de terceiros.

As prescrições documentadas do instrumento devem permitir uma estimativa (considerando uma instalação típica) da incerteza global de medição em toda a faixa de vazão do processo. As prescrições documentadas do instrumento devem descrever o desempenho, demonstrando a precisão na faixa de vazão pretendida. Além dos requisitos listados anteriormente, para medidores de vazão do tipo termal, a calibração pode ser realizada com gases de propriedades térmicas similares ao gás do processo, ou ar.

No caso de uma correlação de gás usando ar, as prescrições documentadas do medidor devem fornecer subsídios (impacto na incerteza de medição) de forma a comprovar a eficácia da utilização de ar para esse propósito. A compressibilidade é uma medida do desvio das propriedades de um gás real em relação a um gás perfeito. O fator de compressibilidade Z é utilizado para o ajuste deste efeito. Fatores de compressibilidade são muitas vezes incorporados nos cálculos da massa específica do gás.

Outros parâmetros de entrada para cálculos da massa específica de gases são a composição do gás, a pressão e a temperatura. Para aplicações em medição de gases de tocha, os efeitos da compressibilidade em termos relativos são tipicamente muito menores do que outros parâmetros de influência, como variações na composição do gás e dos efeitos do perfil de velocidade do escoamento.

O efeito da compressibilidade é mais reduzido devido às típicas baixas pressões operacionais e o fato de os erros residuais serem uma função da razão entre os fatores de compressibilidade na condição operacional e na condição de base (aproximadamente iguais). Especificamente, para medições lineares, como ultrassom, o efeito global da compressibilidade é avaliado por meio da razão entre Zbase e Zfluxo. Isso fornece a opção de usar valores fixos para os fatores de compressibilidade do gás nas equações de cálculo do escoamento, com efeitos menores do que 1% na vazão calculada.

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