Fluid Flow Conditioning - VSL · Fluid Flow Conditioning March 2014 ... • Swirl is the rotation...

52
3/29/2014 1 Fluid Flow Conditioning March 2014 CPA Flow Conditioning 2014 March2914 Flow Conditioning There is no flow meter on the market that needs flow conditioning. All flow meters are effective without any type of flow conditioning.

Transcript of Fluid Flow Conditioning - VSL · Fluid Flow Conditioning March 2014 ... • Swirl is the rotation...

3/29/2014

1

Fluid Flow Conditioning

March 2014

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

• There is no flow meter on the market that needs flow conditioning.

• All flow meters are effective without any type of flow conditioning.

3/29/2014

2

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

Why do we want to use flow conditioners then?

• Can eliminate up to 80 – 90% of pipeline swirl.

• Restore flow profile symmetry and eliminate distortions.

• Isolates the flow meter from upstream disturbances.

• Allows much shorter meter runs to be used with much higher repeatability.

• Improves the benefits of many USM diagnostics by providing flow stabilty.

• Helps with noise or pulsation problems.

• Helps balance the pressure, velocity and flow rate of meter tubes running in parallel.

• They UNLOAD the flow meter, helping it become even more accurate.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

What if we have debris in our pipe?

• The debris has to go somewhere, ignoring the flow conditioner won’t make it disappear.

• Install a filter (or another flow conditioner UPSTREAM of the meter run to catch the debris).

• Without something to catch debris, we risk damaging or destroying any sample probes, thermo wells or any other equipment in the pipe.

• Better hope there isn’t a compressor or turbine downstream somewhere.

• If the gaskets are unraveling, recommend switching to Flexitallic CGI gaskets with an inner ring to keep the windings intact.

3/29/2014

3

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

What is a Flow Conditioner?

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

What is a Flow Conditioner?

3/29/2014

4

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

What is a Flow Conditioner?

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

What is a Flow Conditioner?

3/29/2014

5

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

What is a Flow Conditioner?

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Why should we use a Flow Conditioner?

When dealing with flow measurement, we cannot simply stick a flow meter in the pipe, turn it on and expect perfect results.

In the real world, we have to deal with:

• Installation effects

• Swirl

• Flow profile distortion

• Pulsation

• Noise

All of these combine in different ways to generate measurement errors!

3/29/2014

6

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Fully Developed Flow

• Fully developed pipeline flow is the ideal state of a fluid in a pipe.

• If we had an infinitely long pipe, this is the flow we would always see.

• It is mathematically predictable.

• It is perfectly symmetrical around the center of the pipe.

• It has no swirl.

• This *should* guarantee us perfect, error free, repeatable measurement.

• Installation effects take us away from this state.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Fully Developed Flow

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Norm

alized Flow Velocity (V/V

avg)

Distance Across Pipe (m)

30000000 3000000 300000 30000 15000 10000 6000 1000 300

3/29/2014

7

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Fully Developed Flow

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

• Swirl is the rotation of fluid in a pipe.

• It is caused by any change in piping direction!

• It can also be caused by any partial restriction of a pipe.

3/29/2014

8

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

3/29/2014

9

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

3/29/2014

10

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Swirl

• Swirl causes unpredictable distortions in the flow profile that change over time.

• Swirl flattens and then inverts flow profiles due to centripetal force.  The harder the fluid is spinning, the more energy that is pushed to the pipe walls.

• Swirl can cause local effects due to the location of pressure taps (dPmeasurement) or in the case of Ultrasonic Meters (adding to or subtracting to local path velocity).

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects

Every pipe fitting generates an installation effect.

• Tees

• Elbows

• Expanders

• Reducers

• Valves

• Probes

All of these objects can combine to create a deviation from perfect fully developed flow.

3/29/2014

11

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects ‐ Elbows

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects ‐ Tees

3/29/2014

12

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects – Tees

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects – Tees /w Turbulence

3/29/2014

13

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects ‐ Probes

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects – Valves

3/29/2014

14

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects – Elbows & Orifice Plates

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Installation Effects – Reducers

3/29/2014

15

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Measurement Errors

• The further we get from our perfect, swirl free, fully developed flow, the more uncertain our measurement becomes.

• Error due to flow profile distortion – deviation from baseline state.

• Error due to swirl itself.

• What if we want to shorten our meter run?

• What do we do?

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Without Flow Conditioning

3/29/2014

16

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

A properly designed Flow Conditioner converts this flow....

...Into this.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

A properly designed Flow Conditioner converts this flow....

...Into this.

3/29/2014

17

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

‐6.00 ‐4.00 ‐2.00 0.00 2.00 4.00 6.00

Empty 5&5 OIMLR137 25m 15000 Horizontal 2.5D Upstream Empty 5&5 OIMLR137 25m 15000 Vertical 2.5D Upstream

Empty 5&5 OIMLR137 25m 15000 Horizontal 1D Upstream Empty 5&5 OIMLR137 25m 15000 Vertical 1D Upstream

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

‐6.00 ‐4.00 ‐2.00 0.00 2.00 4.00 6.00

CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Horizontal 5D Downstream CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Vertical 5D Downstream

CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Horizontal 8D Downstream CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Vertical 8D Downstream

CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Horizontal 15D Downstream CPA50E 10&10 OIMLR137 25m 11500 Vertical 15D Downstream

3/29/2014

18

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

How They Work

• Hole pattern is arranged so that the resulting downstream condition is a fully developed profile, the same as would be achieved by a long length of straight, uniform pipe. 

• Stream is forced towards the holes in the plate which forces the pressure field to balance immediately upstream of the flow conditioner. 

• Fluid accelerates to over twice its initial velocity where the flow through each hole is roughly proportional to its area. 

• If swirl is present, this is cut out by the acceleration of the gas, and the thickness of the plate. 

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Fluid Velocity (m/s)

Distance Across Pipe (m)

5 FPS 25 FPS 75 fps 75 FPS. P=52000 Pa 75 FPS, Rough Wall 75 FPS, Smooth Wall

How They Work

3/29/2014

19

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Meter Types

• All volumetric flow meters can be flow conditioned:  Orifice, Ultrasonic, Venturi, Coriolis Vortex, Turbine, Cone, Mag, etc. 

• Every meter type responds differently to the effects of swirl and flow profile distortion.

• Volumetric flow meters are looking for ‘good flow’.  Flow with minimal swirl and good flow profiles.

• A flow conditioner is simply trying to improve the flow that the meter is seeing.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

CPA once said….

• It’s far easier to measure good flow with a bad meter, than trying to measure bad flow with a good meter.

3/29/2014

20

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Ultrasonic Meters

• Rely on a noise pulse that is transmitted through the fluid and the flow rate is computed using the transit time.

• Transit time is affected by velocity disturbances within the pipe, slowing or speeding up the pulse.

• Multiple paths help to generate a complete picture of the cross sectional flow within the pipe.

• The meter only knows how long it took for the pulse to travel from point A to point B.

• It cannot guess the state of the flow along the way.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

CFD Ultrasonic Simulation

• SawchukSonic™ CFD Ultrasonic Flow Meter

• 7 path layout (every 1/8 pipe diameter).

• 45 degree path angle.

• Dual, redundant meters (14 paths total).

• Ability to switch paths on and off at will to show effect on final flow meter output.

• Path layout, angle and weighting has not been optimized for accuracy, reynolds number shifts or ability to handle installation effects.  Meter is for demonstration purposes only.

3/29/2014

21

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

3/29/2014

22

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

3/29/2014

23

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

3/29/2014

24

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

3/29/2014

25

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

3/29/2014

26

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

• Dual elbows/bends out of plane (DBOOP)

• Half moon plate separating the elbows.  Opening is towards the outside of the turn radius.

• Expander at the meter run inlet is no longer used; the elbows are the same pipe diameter as the flow meter.

3/29/2014

27

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

3/29/2014

28

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

3/29/2014

29

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137 Piping

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

3/29/2014

30

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

3/29/2014

31

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

3/29/2014

32

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP

3/29/2014

33

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP

3/29/2014

34

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC, 10D Downstream

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, CPA 55E, 10D Downstream

3/29/2014

35

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

3/29/2014

36

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, CPA 55E

3/29/2014

37

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, CPA 55E

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

OIML R137, DBOOP & HMP, CPA 55E

3/29/2014

38

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, Flow Profiles

No FC FC, CPA 55E

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, Swirl Profiles

No FC FC, CPA 55E

3/29/2014

39

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, USM Flow Profiles

No FC FC, CPA 55E

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, USM Swirl

No FC FC, CPA 55E

3/29/2014

40

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, 2 Path Error

No FC FC, CPA 55E

No FC, ‐1.29%  CPA 55E, ‐2.38% 

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, 3 Path Error

No FC FC, CPA 55E

No FC, ‐3.29%  CPA 55E, 0.37% 

3/29/2014

41

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, 4 Path Error

No FC FC, CPA 55E

No FC, 1.86%  CPA 55E, ‐0.16% 

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

7 Path USM CFD Simulation, 7 Path Error

No FC FC, CPA 55E

No FC, ‐0.41%  CPA 55E, 0.07% 

3/29/2014

42

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

USM Results, No FC

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

USM Results, CPA 55E

3/29/2014

43

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Ultrasonic Meters

• Since ultrasonic meters cannot actually determine what the transducer pulse is seeing, we want to guarantee the best flow profile possible.

• A flow conditioner helps ensure that this is possible.  It helps creates a reference state so that no matter what the upstream conditions are, the ultrasonic meter is measuring a more predictable and repeatable flow profile shape.

• Deviations from this baseline result in errors that add to the complexity of calculating flow rate.

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

• A properly designed flow conditioner is recommended for use in a range of Reynolds numbers.

• All fluid flows can improve from some sort of flow conditioning.

• While highly viscous flows are extremely resilient to swirl and flow profile distortions, the use of a flow conditioner quickly eliminates the remaining bulk rotation.

• What is the downside?  How much pressure drop are we willing to spend?

Plate Based Isolating Flow Conditioners

3/29/2014

44

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning Swirl Removal

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning Swirl Removal

3/29/2014

45

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

• All fittings, obstructions, even pipe itself has a “k factor”.

• The k factor is the pressure loss coefficient for a particular piece of piping.

• It is experimentally determined using the measured pressure drop.

• K = Pressure loss coefficient.

• ΔP = Pressure drop across a section of pipe or a fitting.

• ρ = Bulk fluid density, kg/m3.

• V = Bulk fluid velocity, m/s.

2

2VkP

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

• For natural gas applications, most plate flow conditioners have a K factor of approximately 2.

• Tube bundles are closer to 0.75 – 1.5.

• What if we are worried about the pressure drop across the flow conditioner?

3/29/2014

46

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

• The CPA 50E K factor ~ 2.0 (dP same as roughly 277 feet of pipe, 12” ID).

• CPA 65E K factor ~ 1.0 (dP same as roughly 140 feet of pipe, 12” ID)

• Long radius Elbow K factor ~ 0.6 – 0.8

• Tee, flowing straight through ~0.5

• Tee, flow turning 90 degrees from inlet to outlet ~ 1.2 – 1.8

• Flow from a inlet header into a meter run ~ 1.0

• Flow from a meter run into an outlet header ~ 0.78

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

• The uni‐directional meter run on page 27 of AGA9, excluding the flow conditioner, will have a total K factor of at least 3.0 – 4.0.

• This is ignoring the fittings that would be needed to connect up to the tees.

• Adding two additional tees would nearly double the pressure drop.

• This is assuming fully developed flow.  Swirl and profile distortion will change the pressure drop!

3/29/2014

47

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Relative Pressure Drop

3/29/2014

48

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop – Tube Bundle vs CPA

19‐Tube Bundle CPA 50E/55E CPA 65E

Wall Thickness (Inches) 0.125 0.25 0.298

Pipe Diameter (Inches) 11.938 11.938 11.938 11.938 11.938

Pipe Area (Inches^2) 111.932 111.932 111.932 111.932 111.938

Flow Area (Inches^2) 94.957 79.848 74.493 53.450 65.206

Porosity (%) 84.84% 71.34% 66.55% 47.75% 58.25%

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

• The 19‐Tube Bundle has multiple sets of fluid passages:

Surface Area

3/29/2014

49

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

• Per unit length (1”) the 19‐Tube Bundle used has about 287 In2  of wetted surface area.

• A plate flow conditioner such as the CPA 50E has 128 In2

Surface Area

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

• Most plate flow conditioners have a thickness of 10 – 20% of the pipe diameter.

• In a 12 Schedule 40 pipe, a 19‐Tube Bundle will have a length of twice the pipe NPS, giving a thickness of 25.5 inches, resulting in a overall wetted surface area of  7322 In2.

• Roughly 34 times the surface

area of a plate flow conditioner!

Surface Area…it gets worse.

3/29/2014

50

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000 100,000,000

Pres

sure

Los

s Co

effic

ient

/ K

Fac

tor

Reynolds Number

Pressure Loss Coefficient vs Reynolds Number (Viscosity)

CPA 50E AGA 3 19-Tube Bundle

Pressure Drop – Tube Bundle vs CPA

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Pressure Drop

3/29/2014

51

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Plate Based Isolating Flow Conditioners

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tota

l Life

Cyc

le C

osts

(C

apita

l + O

pera

ting

+ C

ompr

essi

on)

Pipe Porosity or Pipe Open Area (%)

Capital Cost Driven(Longer Meter Stations)

Fuel Gas Driven(Compression Costs To

Overcome Severe PressureDrop)

Optimal Flow Conditioner Porosity

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Measurement Value Graph 

3/29/2014

52

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Flow Conditioning Conclusion

• Can eliminate up to 80 – 90% of pipeline swirl.

• Help restore flow profile symmetry and eliminate distortions.

• Isolates the flow meter from upstream disturbances.

• Allows much shorter meter runs to be used with much higher repeatability.

• Are applicable for all liquid or gas flows!

The flow conditioner is merely helping out the meter, providing higher reproducibility and lower uncertainty!

CPA Flow Conditioning 2014March‐29‐14

Thank You

• For Further information

www.flowconditioner.com

www.cpacfd.com

Danny Sawchuk

[email protected]

403.236.4480