BRPI1103833A2 - Dispositivo para medir as características de um fluxo em um cano - Google Patents

Abstract

Dispositivo para medir as características de um fluxo em um cano. Trata-se de um dispositivo para medir as características físicas de um fluxo em um cano. Em uma modalidade exemplificativa, o dispositivo compreende um anel oco (150) dotado de uma parede externa (190) presa de maneira fixa a um flange medidor (110) que é inserido entre duas seções do cano, e uma parede interna (195) na qual um sensor é montado para facilitar as medições exatas de fluxo.

Description

“DISPOSITIVO PARA MEDIR AS CARACTERÍSTICAS DE UM FLUXO EM UM CANO” Antecedentes da Invenção O assunto no presente refere-se geralmente aos medidores de fluxo de inserção, e, mais particularmente, a um medidor de fluxo de inserção aperfeiçoado capaz de medir as características físicas de um fluxo que compreende mais do que uma fase da matéria, por exemplo, líquida ou gasosa, também conhecido como um medidor de fluxo de multifases.

Os medidores de fluxo fornecem medições críticas que se referem às características de um fluxo dentro de um cano, por exemplo, a taxa e o volume do material que flui através do cano, assim como a pressão, temperatura e outras medições, Isso é especialmente verdadeiro nas aplicações industriais, tais como aquelas nas quais um medidor de fluxo é usado para medir o fluxo de material em um processamento químico ou usina de refinação de petróleo. Os dados produzidos são usados não apenas para monitorar e quantificar a produção da usina, mas para avaliar as condições gerais da usina e o desempenho operacional. Os medidores de inserção colocados nesses sistemas industriais devem, portanto, ser robustos em natureza a fim de funcionar nos ambientes severos experimentados em várias aplicações da usina, por exempio, em temperaturas extremas que variam amplamente, altas taxas de fluxo, e alta pressão, enquanto produzem medições altamente exatas a fim de quantificar propriamente os níveis de produção e de examinar as características operacionais.

Os diversos dispositivos são correntemente usados para desempenhar as medições de fluxo em aplicações industriais. Por exemplo, em uma solução, os sensores de pressão são colocados ao longo de um ou mais plugues com formato de cone posicionados no centro de um cano. O plugue ocupa uma parte do diâmetro do cano através do qual o fluxo percorre, desse modo, ocasionando um distúrbio no fiuxo à medida que o material passa. Ao medir as pressões diferenciais ao redor do plugue, pode-se determinar a taxa de fluxo. O formato do plugue é escolhido para realçar as características de fluxo selecionadas que causam os diferenciais de pressão à medida que o material flui passados os contornos do plugue. Uma limitação desta abordagem é que a manipulação do fluxo usando-se o plugue pode exigir um comprimento substancial de cano reto. isso pode criar dificuldades e aumentar os custos nas aplicações industriais, tal como em uma refinaria, na qual as complicadas redes de canos e outro equipamento podem limitar o espaço disponível. Em ocasiões onde o medidor de inserção é retroencaixado em uma rede de canos existente, retroencaixar o sistema para acomodar o novo medidor pode ser demorado e dispendioso, especialmente em sistemas de alta pressão onde a parede do cano pode ser muito espessa e feita com materiais caros.

Outras soluções empregam uma piaca para orifício dotada de sensores de pressão que se estendem para dentro do fluxo no cano para criar um bloqueio parcial do fluxo e mede a pressão. Devido ao fato de os medidores de inserção que empregam piugues ou placas para orifício serem colocados em um cano e, por projeto, funcionarem para reduzir a área do cano para restringir o fiuxo a fim de gerar diferenciais de pressão, a partir dos quais a taxa de fluxo é determinada, tais medidores diminuem a eficiência da rede de encanamento. Sucessivamente, a energia adicional é exigida para transportar a mesma quantidade de material que um sistema desobstruído exigiría, desse modo, aumentando os custos operacionais.

Ademais, a exatidão da medição pode depender do posicionamento do plugue ou da placa para orifício no centro do cano, o que pode ser difícil para estabelecer, corretamente, e manter com o passar do tempo em ambientes industriais. Adicionalmente, o uso de um plugue centralizado que restringe o fluxo pode resultar em acúmulo de materiaí e eventual entupimento do cano com o passar do tempo, ou, em casos extremos, ruptura do cano e encaixes. Em ambientes de alto fluxo ou alta pressão, o plugue suspenso ou placa para orifício, ou os componentes presos a ele, podem se libertar e ser carregados no fluxo, causando danos aos componentes a jusante no sistema.

Por fim, a técnica de determinar a taxa de fluxo a partir de diferenciais de pressão não pode distinguir entre diferentes fases da matéria, por exemplo, líquida ou gasosa. Muitas aplicações industriais frequentemente transportam materiais que compreendem mais dói que uma fase da matéria. Dessa maneira, em situações nas quais tal fluxo com multifases está presente, por exemplo, como em uma refinaria de petróleo, onde tanto o óleo cru líquido quanto o gás natural podem estar presente, os medidores de fluxo de inserção são incapazes de determinar o conteúdo do fluxo e o volume de cada componente que é transportado no cano. Determinar de forma inexata o conteúdo do fluxo pode levar a problemas em sistemas a jusante que são dependentes dos cálculos de fluxo a montante, e também pode resultar em avaliações inexatas do conteúdo de fluxo, por exemplo, em uma situação onde o óleo cru que é medido contém alto conteúdo de gás natural.

Seria vantajoso fornecer um medidor de fluxo de inserção que não é apenas mecanicamente robusto e capaz de ser retroencaixado e que opera no espaço limitado e em ambientes severos experimentados em aplicações industriais, mas o qual também fornece medições altamente exatas de características de fluxo, e o qual é capaz de diferenciar entre as diferentes fases da matéria presente no fluxo.

Breve Descrição da Invenção Revela-se um dispositivo para medir as características de um fluxo em um cano, em uma modalidade que compreende um flange medidor dotado de uma superfície de flange dianteiro e uma superfície de flange traseiro, uma passagem centrai que se estende através do flange medidor a partir da superfície de flange dianteiro para a superfície de flange traseiro, um anel dotado de uma parede interna e uma parede externa, sendo que a parede externa é presa de maneira fixa ao flange medidor, e sendo que o anel é substancialmente perpendicular à superfície de flange dianteiro, e um sensor localizado na parede interna para medir as características do fluxo.

Breve Descricão dos Desenhos De modo que os recursos da invenção possam ser compreendidos, uma descrição detalhada da invenção pode ser feita, por meio de referência às determinadas modalidades, algumas das quais são ilustradas nos desenhos em anexo. Deve-se notar, no entanto, que os desenhos ilustram apenas determinadas modalidades desta invenção e, portanto, não devem ser consideradas limitantes de seu escopo, quanto ao escopo da invenção, abrange outras modalidades igualmente eficazes. Os desenhos não estão necessariamente em escala, geralmente, dá-se ênfase à ilustração dos recursos de determinadas modalidades da invenção. Assim, para a melhor compreensão da invenção, faz-se referência à descrição detalhada a seguir, lida em conexão com os desenhos, nos quais: A Figura 1 é uma vista em perspectiva exemplificativa de um medidor de inserção de multifases em uma modalidade da invenção. A Figura 2 é uma vista lateral em corte transversal exemplificativa de um medidor de inserção de multifases em um cano em uma modalidade da invenção. A Figura 3 é uma vista em corte transversal exemplificativa de uma extremidade voltada para o fluxo de um medidor de inserção de multifases em um cano em uma modalidade da invenção. A Figura 4 é uma vista lateral em corte transversal exemplificativa de um medidor de inserção de multifàses dotado de múltiplos tipos de sensores em uma modalidade da invenção. A Figura 5 é uma vista lateral em corte transversal exemplificativa de um medidor de inserção de multifàses compacto em uma modalidade da invenção.

Descricão Detalhada da Invenção A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva exemplificativa de um medidor de inserção de multifàses 100 em uma modalidade! Em uma modalidade exemplificativa, o medidor de inserção de multifàses 100 pode compreender um anel 150 preso a um flange medidor 110. O anel 150 pode ter o formato cilíndrico, ser dotado de uma parede externa 190 e uma parede interna 195, e pode ter o tamanho tal que o anel 150 se encaixa confortavelmente no diâmetro interno do cano no qual o medidor de inserção de multifàses 100 deve medir o fluxo. A Figura 2 mostra uma vista lateral em corte transversal exemplificativa de um medidor de inserção de multifàses 100 em um cano em uma modalidade. O cano pode ser, por exemplo, qualquer tipo de conduto oco. A parede interna 195 forma uma câmara 198 que é aberta em ambas as extremidades, através das quais o fluxo passa. O diâmetro da câmara 198 pode ser selecionado para se adequar a qualquer dada característica de desenho enquanto minimiza a contração da área do cano. Em uma modalidade, o anel 150 circunda por completo a parede interna do cano no qual ele é colocado, enquanto em outras modalidades, o anel 150 pode apenas circundar uma parte ou diversas partes da parede interna do cano. O anel 150 pode ser feito, por exemplo, de aço inoxidável, inconel, outros metais exóticos, cerâmica ou plástico. O material usado pode ser escolhido com base em várias considerações, inclusive sua resistência à corrosão e suas propriedades isolantes elétricas.

Com referência à Figura 2, o ponto no anel 150 que se estende para mais longe no fluxo de chegada pode ser a extremidade dianteira 152. Uma extremidade traseira 154 do medidor de inserção de multifases 100 pode ser o ponto no anel 150 que se estende para mais longe na direção do fluxo. Uma chanfradura dianteira 155 pode ser localizada próxima à extremidade dianteira 152 tal que a parede interna 195 forma uma superfície inclinada que guia a partir da extremidade dianteira 152 para dentro em direção ao centro do anel 150 na direção do fluxo, reduzindo o diâmetro da câmara 198 no anel 150. Dependendo da espessura escolhida do anel 150, o diâmetro da câmara 198 através da qual o fluxo percorre, pode ser maior ou menor. Adicionalmente, o formato da chanfradura dianteira 155, e mais geralmente, o formato geral e contorno da parede interna 195, pode ser escolhido para modificar, seletivamente, as propriedades e características do fluxo para alcançar um resultado desejado, por exemplo, acentuando ou minimizando as instabilidades no fluxo a fim de medi-las.

Preso de maneira fixa à parede externa 190 do anel 150 é o flange medidor 110. O flange medidor 110 pode ser feito, por exemplo, de aço inoxidável, inconel, outros metais exóticos, cerâmica ou plástico, e pode formar uma estrutura com formato de disco com uma passagem central 116 através da qual o anel 150 pode passar. O material usado pode ser escolhido com base em várias considerações, inclusive sua resistência à corrosão e suas propriedades isolantes elétricas. Em uma modalidade, o anel 150 é preso de maneira fixa ao flange medidor 110 por meios físicos, por exempio, prendedores ou solda. Em outras modalidades, o anel 150 e o flange medidor 110 podem ser uma estrutura unitária fabricada a partir de uma única peça de material. A Figura 3 é uma vista em corte transversal exemplificativa de uma extremidade voltada para o fluxo de um medidor de inserção de multifases 100 em um cano em uma modalidade. Conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, o flange medidor 110 se estende para fora a partir do anel 150 em uma direção radial substancialmente perpendicular à parede externa 190. O flange medidor 110 fornece suporte ao medidor de inserção de multifases 100 e facilita a instalação do dispositivo em um duto. A espessura do flange medidor 110 pode ser escolhida para se adequar às necessidades do projeto em particular e exigências de força. O flange medidor 110 tem uma superfície planar de flange dianteiro 112 da qual o anel 150 se estende, e uma superfície planar de flange traseiro 118. Em uma modalidade, o anel 150 pode ser preso ao flange medidor 110 na passagem central 116. Em outras modalidades, o anel 150 pode ser preso ao flange medidor 110 na superfície de flange dianteiro 112, na superfície de flange traseiro 118, ou em ambas. Em uma modalidade, o flange medidor 110 pode conter inúmeros canais para cavilha 115 que se estendem ao redor do flange medidor 110. Cada canal para cavilha pode ser uma passagem oca que se estende através do flange medidor 110 e que corre substancialmente paralelo ao anel 150.

Com referência à Figura 2, o medidor de inserção de multifases 100 pode ser instalado entre duas seções de cano, um cano dianteiro 200 que pode carregar o material para o medidor de inserção de multifases 100, e um cano traseiro 205 que pode carregar o material para longe do medidor de inserção de multifases 100. A extremidade do cano dianteiro 200 que leva ao medidor de inserção de multifases 100 é encaixada com um flange do cano dianteiro 210. O flange do cano dianteiro 210 pode ter uma cavidade interna oca do mesmo formato e diâmetro que a do cano dianteiro 200 através do qual o fluxo pode passar, com a extremidade do flange do cano dianteiro 210 voltada para o medidor de inserção de multifases 100 que forma uma superfície planar que se estende substancialmente perpendicular ao cano dianteiro 200. A extremidade do cano traseiro 205 que leva para longe do medidor de inserção de multifases 100 é encaixada com um flange do cano traseiro 220. O flange do cano traseiro 220 possui uma cavidade interna oca do mesmo formato e diâmetro que a do cano traseiro 205 através da qual o fluxo pode passar, com a extremidade do flange do cano traseiro 220 voltada para o medidor de inserção de multifases 100 que forma uma superfície planar que se estende substancialmente perpendicular ao cano traseiro 205. Juntos, o flange do cano dianteiro 210 e o flange do cano traseiro 220 fornecem superfícies planares opostas que facilitam a junção das duas seções do cano. Em uma modalidade, os canais para cavilha 215 e 225 podem se estender através do flange do cano dianteiro 210 e do flange do cano traseiro 220, respectivamente, tal que, juntos, os canais para cavilha 115, 215 e 225 criaram uma passagem oca e contígua através do flange do cano dianteiro 210, do flange medidor 110 e do flange do cano traseiro 220 através dos quais as cavilhas 120 podem passar.

Em novas instalações, o flange do cano dianteiro 210 e o flange do cano traseiro 220 podem ser fabricados como uma parte unitária e contígua do cano dianteiro 200 e do cano traseiro 205, respectivamente. Em aplicações de retroencaixe, nas quais o medidor de inserção de multifases é instalado em rede de canos existentes, o flange do cano dianteiro 210 e o flange do cano traseiro 220 podem ser presos de maneira fixa ao cano dianteiro 200 e ao cano traseiro 205, respectivamente, por inúmeros meios, que incluem, por exemplo, grampos ou solda. O flange medidor plano e com formato de disco 110 é dimensionado para fazer interface com as superfícies planares tanto do flange do cano dianteiro 210 quanto do flange do cano traseiro 220, tal que a superfície de flange dianteiro 112 do flange medidor 110 é pressionada contra a superfície planar plana do flange do cano dianteiro 210, e a superfície de flange traseiro 118 é pressionada contra a superfície planar plana do flange do cano traseiro, tal que o anel 150 pode ser instalado de maneira segura entre o cano dianteiro 200 e o cano traseiro 205. Em uma modalidade, os canais para ί cavilha correspondentes 115 no fiange do cano dianteiro 210, no flange medidor 110 e no flange do cano traseiro 220 podem permitir a passagem das cavilhas 120 através do flange do cano dianteiro 210, do flange medidor 110 e do flange do cano traseiro 220, onde ela é presa com uma porca 130 na extremidade oposta para prender uma vedação à prova de vazamento estreita entre os três componentes. As gaxetas podem ser colocadas entre o flange do cano dianteiro 210, o flange medidor 110 e o fiange do cano traseiro 220 para prender uma conexão vedada. Uma vez instalado, o flange medidor 110 fornece um estrutura com suporte forte e rígido para o anel 150 para prendê-lo de maneira segura no lugar quando posicionado no fluxo. Em outras modalidades, o flange do cano dianteiro 210, o fiange medidor 110 e o flange do cano traseiro 220 podem ser segurados juntos por outros meios mecânicos, que incluem, por exemplo, grampos. Ainda em modalidades adicionais, o medidor de inserção de multifases 100 pode ser integralmente formado com um ou ambos dentre o flange do cano dianteiro 210 ou o flange do cano traseiro 220.

Podem ser localizados no anel 150 dois ou mais sensores de espectroscopia de impedância elétrica (EIS) 160, os quais podem permitir que o medidor de fluxo de multifases desempenhe as medições do fluxo com multifases que não apenas determinam a taxa de fluxo, mas os estados da matéria que compreende aquele fluxo. Os sensores de EIS 160 podem ser colocados na parede interna 195 do anel 150 tal que os sensores de EIS 160 têm um espaçamento substancialmente equidisíaníe ao redor da circunferência do anel 150. Em outras modalidades, os sensores de EIS podem ser espaçados em apenas uma parte da parede interna 195. A instalação do medidor de inserção de multifases 100 que usa um único flange medidor 110 permite a simples manutenção de campo e substituição do medidor, se necessário. Conforme mostrado na Figura 3, os fios 140 podem se estender a partir dos sensores de EIS 160 através do flange medidor 110 através de canais localizados no flange medidor 110 e fora do medidor de inserção de multifases 100 onde eles podem ser integrados em outros sistemas de controle e de processamento de informação. Em uma modalidade, os canais podem ser vedados usando-se vidro para vedações de metal. Em outras modalidades, os canais podem ser vedados através de outros mecanismos de vedação. Em outras modalidades, os fios podem ser indutivamente acoplados aos fios externos e sistemas de processamento. O medidor de inserção de multifases 100 não exige um comprimento extensivo de corrimento de cano reto, desse modo, facilitando o fácil retroencaixe do medidor nos sistemas industriais existentes. O medidor de inserção de multifases 100 pode, portanto, ser facilmente integrado ao equipamento de medição existente para fornecer medições redundantes ou complementares, tal como sendo instalado depois ou antes de um medidor ultrassônico em linha existente, medidor de Coriolis, ou medidor de fluxo de presilha. Por exemplo, o medidor de inserção de multifases 100 pode ser instalado antes de um medidor de Coriolis, o qual fornece medições de massa altamente exatas de um fluxo, tanto para determinar o conteúdo quanto as fases da matéria que compreende aquele fluxo. A Figura 4 é uma vista lateral em corte transversal exemplificativa de um medidor de inserção de multifases 100 dotado de múltiplos tipos de sensores em uma modalidade. Nesta modalidade, além dos sensores de EIS, outros dispositivos de medição podem ser localizados no anel 150. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, um transmissor ultrassônico 170 pode ser localizado no anel 150, junto com um receptor ultrassônico correspondente 175 a fim de obter as medições de tempo de transmissão ultrassônicas a partir das quais a taxa de fluxo pode ser determinada. Em outras modalidades, um transdutor ultrassônico pode ser localizado no anel 150 em vez de um transmissor ou receptor individual. Os componentes ultrassônicos podem ser dispostos a fim de medir diretamente os pulsos ultrassônicos a partir dos componentes ultrassônicos correspondentes, ou para medir os pulsos refletidos a partir do anel 150. Outra instrumentação localizada ao longo do anel 150 pode incluir um ou mais sensores de pressão 180 que medem a pressão ou pressão diferencial, e sensores térmicos 185. Além disso, um ou mais densitômetros de torção, detectores de areia, e/ou velocidade de sensores de som podem ser localizados no anel 150. A colocação dos sensores no anel 150 ao redor da circunferência interior do cano, através do qual o fluxo está sendo medido, minimiza a restrição do fluxo ao manter a maior parte do cano aberta e livre de obstruções. Isso também minimiza o acúmulo de partículas no medidor, desse modo, reduzindo os custos de manutenção e intensificando o desempenho operacional e longevidade do sistema, assim como reduzindo a probabilidade de que os componentes se separem e sejam carregados junto com o fluxo para os componentes a jusante.

Também mostrado na Figura 4, o anel 150 também pode ter uma chanfradura traseira 158 para facilitar a suave transição do fluxo a partir do medidor de inserção de multifases 100 de volta para o diâmetro completo do cano traseiro 205. Outros contornos e variações na parede interna 195 do medidor de inserção de multifases 100 podem criar ou minimizar instabilidades no fluxo para alcançar as características de fluxo desejadas para a medição. Por exemplo, a parede interna 195 pode formar pelo menos um venturi no medidor de inserção de multifases 100, no qual uma parte da parede interna 195 afunila para dentro para estreitar a área em corte transversal através da qual o fluxo pode passar, seguido por uma parte de área de constante restrita que leva a uma parte na qual a parede interna 195 se expande para fora em direção ao cano. Em outras modalidades, a extremidade dianteira 152 do anel 150 pode se estender no cano dianteiro 200 e/ou a extremidade traseira 154 pode se estender no cano traseiro 205. A Figura 5 mostra uma vista lateral em corte transversal exemplificai iva de um medidor de inserção de multifases compacto dotado de uma largura igual àquela do flange medidor em uma modalidade na qual nem a extremidade dianteira 152 do anel 150 nem a extremidade traseira 154 do anel 150 se estende além da largura do flange medidor 110.

Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, que inclui o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e que desempenha quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem para aqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações, se eles tiverem elementos estruturais que não se diferem da iinguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem os elementos estruturais equivalentes com diferenças não-substanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims (15)

1. DISPOSITIVO PARA MEDIR AS CARACTERÍSTICAS DE UM FLUXO EM UM CANO, que compreende: um flange medidor (110) dotado de uma superfície de flange dianteiro (112) e uma superfície de flange traseiro (118); uma passagem central (116) que se estende através do dito flange medidor (110) a partir da dita superfície de flange dianteiro (112) para a dita superfície de flange traseiro (118); um anel (150) dotado de uma parede interna (195) e uma parede externa (190), sendo que a dita parede externa (190) é presa de maneira fixa ao dito flange medidor (110), e sendo que o dito anel (150) é substancialmente perpendicular à dita superfície de flange dianteiro (112); e um sensor localizado na dita parede interna (195) para medir as ditas características do dito fluxo.

2, DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um sensor de espectroscopia de impedância elétrica (160).

3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um sensor ultrassônico.

4, DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um sensor de pressão (180).

5; DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um sensor térmico (185).

6. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um densitômetro de torção.

7. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é uma velocidade de sensor de som.

8. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito sensor é um detector de areia.

9. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito anel (150) compreende adicionalmente uma chanfradura dianteira (155) localizada próxima a uma extremidade dianteira (152) do dito anel (150) onde o dito fluxo entra no dito dispositivo.

10. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito anel (150) compreende adicionalmente uma chanfradura traseira (158) localizada próxima a uma extremidade traseira (154) do dito anel (150) onde o dito fluxo sai do dito dispositivo.

11. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita parede interna (195) forma um venturi.

12. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito flange medidor (110) e o dito anel (150) são feitos de uma única peça de material contíguo.

13. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito anel (150) circunda uma parte do diâmetro interno do dito cano.

14. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito anel (150) é localizado na dita passagem central (116) e se estende além do dito flange medidor (110) no dito fluxo.

15. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito anel (150) é localizado na dita passagem central (116) e não se estende além do dito flange medidor (110) no dito fluxo.