Técnicas avançadas de medição para rastreamento preciso de carga de GNL e transferência de custódia

Ao longo de uma única carga, um pequeno erro relativo na energia medida pode valer uma grande soma, e o vendedor e o comprador lerão cada um a seu favor. O GNL é um dos fluidos mais difíceis de medir para transferência de custódia. É criogênico e está próximo da ebulição, e sua densidade e poder calorífico mudam com a composição. Qualquer entrada de calor ou queda de pressão faz com que ele evapore e libere vapor. Também é geralmente medido em tanques de navios que se movem, caturram e inclinam. A fatura é em energia, mas os instrumentos medem nível, temperatura, pressão, vazão e composição. Cada um adiciona sua própria incerteza, e essas incertezas se acumulam.

Este artigo aborda como a cadeia de medição é construída, onde a medição dinâmica se encaixa ao lado da medição tradicional de tanques e o que verificar ao especificar ou auditar um sistema.

Contexto de normas e requisitos

A transferência de custódia de GNL é regida principalmente por contrato e prática da indústria, não por uma regulamentação única. A referência prática é o GIIGNL LNG Custody Transfer Handbook (6ª edição, 2021). Ele estabelece as melhores práticas atuais para medição em navio e terra, o cálculo da energia transferida e como as partes devem lidar com documentação e disputas.

Várias normas internacionais sustentam o manual:

• ISO 6578 abrange a medição estática e o procedimento de cálculo para hidrocarbonetos líquidos refrigerados.
• ISO 10976 abrange a medição de carga a bordo de navios gaseiros de GNL.
• ISO 8943 abrange a amostragem contínua de GNL.
• ISO 6976 abrange o cálculo de valores caloríficos e densidade a partir da composição do gás.

ISO 6919:2024 abrange a medição dinâmica de GNL como combustível marítimo em buncagem de caminhão para navio e navio para navio. Esse é um trabalho diferente das grandes cargas de navio para terra, mas mostra para onde as coisas estão indo: em direção à medição dinâmica baseada em massa.

Sobre a harmonização, o artigo da VSL no Boletim da OIML (2024), Towards harmonized mass and volume measurements for LNG custody transfer, aponta na mesma direção. As abordagens de massa e volume estão sendo alinhadas em todo o comércio, e a rastreabilidade metrológica está se tornando um requisito por si só.

A cadeia de medição: do tanque à fatura

Energia como uma quantidade calculada

A energia da transferência de custódia nunca é lida em um único instrumento. Para uma descarga, a abordagem do manual resume-se a:

E_net = E_liquid − E_gas returned + E_gas consumed

E_liquid é o volume de líquido multiplicado pela densidade e pelo poder calorífico bruto baseado em massa. E_gas returned é a energia do vapor enviado de volta ao navio. E_gas consumed é a energia do gás queimado como combustível durante a transferência. As convenções de sinais e os termos exatos devem seguir o contrato e o manual, especialmente no carregamento, onde o gás deslocado vai para a terra.

Cada termo depende de seus próprios instrumentos:

1. Volume vem da medição de nível do tanque, tabelas de calibração do tanque e correções de caturro e inclinação.
2. Densidade é calculada a partir da composição e da temperatura do líquido. Ninguém a mede diretamente.
3. Poder calorífico vem da composição, calculado conforme ISO 6976.
4. Composição vem da amostragem e cromatografia gasosa.
5. Gás devolvido ou consumido precisa de medição de vazão de gás e qualidade do gás.

Medição estática: o método de referência

O método estabelecido é a medição estática do tanque antes e depois da transferência. Medidores de nível (radar, boia ou capacitância), sensores de temperatura multiponto e transmissores de pressão são lidos nos pontos de custódia de abertura e fechamento. Os volumes são então corrigidos usando as tabelas de medição do tanque e o caturro e inclinação do navio.

Pontos fortes e limites:

• É estabelecido há muito tempo e aceito contratualmente, e o procedimento é definido em ISO 10976.
• É tão bom quanto as tabelas de calibração do tanque, que por sua vez dependem do levantamento original do tanque e de qualquer recertificação posterior.
• Mede a diferença entre dois grandes volumes. Um pequeno erro de nível em qualquer ponto é levado diretamente para a quantidade transferida.
• O movimento do navio, a estratificação e o desequilíbrio vapor-líquido adicionam incerteza a ambas as leituras.
• É uma medição do lado do navio. O terminal em terra não pode confirmá-la independentemente sem um segundo método.

Amostragem e composição

A densidade e o poder calorífico dependem da composição, portanto a amostragem importa tanto quanto o nível ou a vazão. O GNL tem que ser totalmente vaporizado antes da análise. A vaporização parcial fraciona a amostra e empurra a composição analisada para os componentes mais leves, razão pela qual a amostragem contínua (ISO 8943) usa um vaporizador construído para esse fim. Verifique estes pontos:

• A posição da sonda de amostragem, para que a amostra represente o líquido em escoamento.
• O controle de temperatura e pressão do vaporizador, para evitar o fracionamento.
• A rastreabilidade do gás de calibração do cromatógrafo a gás e o ciclo de análise.
• O cálculo da densidade a partir da composição, conforme o método acordado no contrato e no manual.

Como a fatura é em energia, um erro de composição transforma-se diretamente em dinheiro.

Medição Dinâmica: Ultrassônica e Coriolis

Medidores Ultrassônicos como Medidores de Verificação Volumétrica

Os medidores ultrassônicos não possuem partes móveis e não adicionam queda de pressão que possa causar vaporização instantânea (flashing) extra. O diâmetro interno permanece amplamente desobstruído, o que é adequado para linhas criogênicas de grande diâmetro.

Considerações práticas:

• Condicionamento de fluxo. Trechos retos upstream e downstream, e qualquer condicionador, devem ser projetados para o medidor específico. Turbulência e distorção de perfil são os principais erros de instalação.
• Risco de duas fases. Qualquer vapor na linha de líquido interrompe o caminho acústico e corrompe a leitura. Entenda a margem de sub-resfriamento e o perfil de pressão antes de especificar o medidor, e configure alarmes para perda de qualidade de sinal.
• Velocidade do som. A velocidade do som medida funciona como um diagnóstico. Compare a tendência com os valores previstos a partir da composição e você terá uma verificação cruzada tanto da integridade do medidor quanto do estado do líquido.
• Calibração. A calibração com água extrapolada para serviço criogênico precisa de justificativa.

Medidores de Coriolis

Os medidores de Coriolis medem a vazão mássica e a densidade diretamente, o que é atraente onde quer que se aplique preços baseados em massa ou bunkering. Esta é a tecnologia por trás de sistemas baseados em skids, como os skids de fluxo de transferência de custódia baseados em Krohne descritos pela ASaP. Para o caso de bunkering de caminhão para navio, ISO 6919:2024 aborda a medição dinâmica.

Comparados aos medidores ultrassônicos, as unidades de Coriolis introduzem uma queda de pressão e precisam de um projeto criogênico cuidadoso. A geometria e o tamanho do tubo limitam os tamanhos de linha onde um único medidor é prático, portanto, linhas paralelas são comuns em vazões menores. A estabilidade do zero sob condições criogênicas precisa de atenção real. O estresse de instalação e os gradientes térmicos podem deslocar o zero, portanto, o procedimento de verificação de zero deve ser definido para operação com líquido frio.

Comparação

Cenário Ilustrativo: Uma Descarga Disputada

Este cenário é ilustrativo e não foi extraído de um evento real.

Um terminal descarrega uma carga. As leituras do medidor estático de abertura e fechamento do navio fornecem um volume transferido. O medidor de verificação ultrassônico em terra relata um volume diferente, e a lacuna continua apontando na mesma direção em várias cargas. Ambas as partes concordam que o cálculo de energia está correto, então a questão real é qual volume está certo.

Uma investigação sensata ocorre nesta ordem:

1. Confirmar se os diagnósticos do medidor de verificação estão limpos. Revisar a intensidade do sinal e as tendências da velocidade do som para evidências de vapor durante a transferência.
2. Comparar a velocidade do som medida com o valor previsto a partir da composição amostrada e da temperatura. Uma divergência indica um problema de composição, temperatura ou no medidor.
3. Revisar o certificado de calibração do tanque do navio e sua última data de verificação, e verificar as correções de trim e banda aplicadas em cada ponto de custódia.
4. Revisar as condições da linha durante a transferência para quedas de pressão ou flashing upstream do medidor.
5. Só então considerar a calibração de fluxo do medidor, sob o procedimento de isolamento seguro e purga na lista de verificação abaixo.

O medidor de verificação não é declarado certo ou errado por si só. Seu trabalho é sinalizar uma discrepância e desencadear uma revisão estruturada de toda a cadeia.

Checklist Prático

Especificação e projeto

• Definir o ponto de transferência de custódia e a hierarquia de documentos governantes: contrato, manual GIIGNL e as normas ISO aplicáveis.
• Exigir um orçamento de incerteza completo cobrindo volume, densidade, poder calorífico e termos de gás, não apenas o medidor de vazão.
• Projetar os trechos do medidor de vazão para as necessidades de comprimento reto e condicionamento do medidor específico.
• Fornecer medição de pressão e temperatura no medidor para confirmar o líquido monofásico.
• Especificar o projeto do vaporizador do sistema de amostragem, a localização da sonda e a rastreabilidade do gás de calibração do cromatógrafo.

Comissionamento e verificação

• Documentar a base da rastreabilidade da calibração para serviço criogênico, incluindo como qualquer calibração com água ou outro fluido foi transferida para o GNL.
• Registrar diagnósticos de linha de base para cada medidor no comissionamento (qualidade do sinal, velocidade do som, zero, densidade) para tendências posteriores.
• Cruzar a velocidade do som ultrassônica com as previsões baseadas na composição.
• Acordar o procedimento de disputa e a tolerância para diferenças estáticas versus dinâmicas no contrato, para que os números não sejam discutidos após a primeira discrepância.

Operação e manutenção

• Monitorar tendências de diagnóstico e investigar desvios sustentados em relação à linha de base do comissionamento.
• Manter tabelas de calibração de tanques, certificados de medidores e registros de calibração de sensores atualizados e auditáveis.
• Antes de abrir, remover ou inspecionar qualquer medidor ou componente de amostragem que tenha contido GNL ou vapor, aplicar a sequência completa de trabalho seguro:
• isolar a seção e despressurizá-la;
• verificar energia zero;
• aplicar bloqueio e etiquetagem (lockout-tagout);
• observar as precauções de área clasificada e usar detecção de gás em todo o processo;
• ventilar com segurança para um sistema designado;
• aquecer e purgar as seções criogênicas antes de abrir, para evitar lesões por frio e a entrada de ar ou umidade.
• Restabelecer verificações de zero e testes de estanqueidade após qualquer intervenção antes de retornar ao serviço de transferência de custódia.

Conclusão e Próximos Passos

A transferência de custódia de GNL precisa provém de uma cadeia de medição coerente, onde a medição estática, a medição dinâmica, a amostragem e o cálculo se verificam mutuamente. Os medidores ultrassônicos e de Coriolis fortalecem essa cadeia principalmente ao fornecer evidências independentes durante a transferência. Eles não substituem os outros elementos.

Comece com três ações:

1. Audite seu orçamento de incerteza em relação ao manual GIIGNL e às normas ISO relevantes, e identifique o maior contribuidor.
2. Estabeleça linhas de base de diagnóstico para qualquer medidor dinâmico agora, enquanto o sistema é conhecido por estar saudável.
3. Confirme a base de rastreabilidade da calibração para sua medição de vazão criogênica e alinhe a linguagem do contrato sobre a resolução de disputas antes da próxima carga.