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Nur der satte Dampf zählt

: Endress+Hauser


Dampf ist eine der wichtigsten Energieformen in der chemischen Industrie. Versorgungssicherheit und Effizienz bei Erzeugung, Transport und Nutzung von Dampf stehen im Fokus der Betreiber, denn er gehört auch zu den teuersten im Anlagenbetrieb. Der Wirbelzähler Prowirl 200 von Endress+Hauser bietet gerade für die Dampfmessung einzigartig innovative Funktionen an, die für mehr Sicherheit und Transparenz im Dampfnetz stehen, bis hin zur Klarheit über die Dampfmengen bis zu den einzelnen Verbrauchern.

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Nah an der Praxis, der Dampfprüfstand von Endress+Hauser.

Nah an der Praxis, der Dampfprüfstand von Endress+Hauser.

Seit über 30 Jahren sind für die Dampfmessung in chemischen Anlagen Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte im Einsatz, Sie sind quasi ein Standard-Messverfahren. Neben der eigentlichen Messaufgabe zur Mengenerfassung in den einzelnen Produktionseinheiten sind die Wirbelzähler Prowirl 200 von Endress+Hauser mit einer neuen Funktion zur Nassdampfmessung ausgestattet. Das eröffnet neue Möglichkeiten, den Betrieb von Dampfnetzen zu optimieren und Verluste zu vermeiden.

Schädliche Nässe

Im Dampfnetz gilt es, den Sattdampf effizient zur jeweiligen Verbrauchsstelle zu transportieren. Dabei ist die Entstehung von Nassdampf und der Anfall von Kondensat zu vermeiden. Jeder Tropfen Kondensat bedeutet Energieverlust und stellt ein Sicherheitsrisiko durch mögliche Dampfschläge für die Anlage und das Betriebspersonal dar.

Häufigste Ursache für die Entstehung von Nassdampf sind Wärmeverluste, meist durch fehlende oder schadhafte Isolation an Teilen der Dampfleitungen. Nassdampf verursacht vielfältige Probleme. So kann das in der Dampfleitung entstehende Wasser zu Wasserschlägen und Schwallströmungen führen. Der Wirkungsgrad des Dampfsystems ist reduziert, da Nassdampf deutlich weniger Energie enthält als trockener Sattdampf. Kommt die Bildung von Nassdampf durch das Überschäumen von Kesselwasser zustande, kann es zu Spannungsrisskorrosion kommen. Nassdampf ist auch an der Verbrauchsstelle problematisch. Wenn der Kondensatabscheider am Auslass des Kessels nicht funktioniert, kann der Wärmetauscher volllaufen, was den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs dramatisch verschlechtert. Ein weiteres mögliches Problem entsteht, wenn der Abscheider
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Dampf mit unterschiedlichen Dampfgehalten (von oben nach unten: 100%, 95%, 80%)

Dampf mit unterschiedlichen Dampfgehalten (von oben nach unten: 100%, 95%,...

für die Produktion von trockenem Sattdampf nicht richtig funktioniert. Hier kann ebenfalls Nassdampf entstehen und der Wirkungsgrad abfallen.

Nassdampf kann überall im Prozessheiz- und Rohrleitungssystem entstehen, auch wenn davon ausgegangen wird, dass Heißdampf produziert wird. Die häufigste Frage von Kunden zu diesem Problemkreis war, wie man herausfinden könne, ob Nassdampf vorliegt oder nicht. Das rechtzeitige Erkennen von Anlagenzuständen, die zu den gefürchteten Dampfschlägen führen können, ist eine Sicherheitsfrage. Es hilft, mögliche Schäden im Dampfsystem zu verhindern und Anlagenausfälle zu vermeiden.

Lassen sich Messfehler ausgleichen?

Bereits vor 20 Jahren zeigten wissenschaftliche Untersuchungen den Einfluss einer schlechte Dampfqualität auf unterschiedliche Durchflussmessprinzipien. Dabei zeigten alle Geräte bei schlechter werdender Dampfqualität einen größeren Durchflussmesswert an. Die Höhe der Abweichung ist bei jedem Messprinzip unterschiedlich und liegt bei 4 – 8 %.

Ursache ist ein verändertes Strömungsprofil im Dampf. Für eine genaue Durchflussmessung benötigt jedes Messgerät ein turbulentes Profil, bei dem sich der Dampf über den gesamten Rohrquerschnitt gleich schnell bewegt. Durch die Rohrleitung fließt bei schlechter Dampfqualität auch das Kondensat, und das mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit. Das führt dazu, dass der Dampf in der Mitte der Rohrleitung
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Eine Änderung des Dampfzustands von „trocken“ auf „nass“ verändert die Sinuskurve in Höhe und Form.

Eine Änderung des Dampfzustands von „trocken“ auf „nass“ verändert...

schneller fließt als am Rand. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit in Rohrmitte bildet den Messwert der Durchflussmessgeräte. Der zusätzliche Messfehler ist proportional zur Dampfqualität und lässt sich daher korrigieren, wenn diese bekannt ist.

Wissen ist Macht

Gemeinsam mit der Fachhochschule Nordwestschweiz in Windisch investierte Endress+Hauser in eine gemeinsame Dampf-Testanlage, um praxistaugliche Innovationen zur Nassdampferkennung und -messung zu entwickeln. Dort wurde Dampf mit unterschiedlichem Dampfgehalt hergestellt und die Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts auf den Wirbelzähler Proline Prowirl untersucht. Für die Nennweiten DN 25 bis DN 100 ließen sich Dampfgehalte zwischen 70% und 100% realisieren. Dabei sind Dampfdrücke bis zu 10 bar rel. möglich. Der Nassdampf wurde auf verschiedene Arten erzeugt, indem Wasser als „flüssige Strömung“, „Sprühnebel“ oder mittels eines Kühlrohrs zugeführt wurde. In allen drei Fällen zeigten die Untersuchungen, dass zunehmend nasser Dampf in horizontal verlaufenden Leitungen zunächst eine „kanalartige Strömung“ am Boden der Leitung bildete, die sich dann in den oberen Bereich der Leitungswände „verschmierte“. Dieses Verhalten war unabhängig von der Zuführungsart des flüssigen Wassers zu beobachten.

80% Dampfgehalt bedeutet, dass 20% (der Masse) des gesamten Wassergehalts als Wasser vorliegt, das weitaus weniger Energie enthält als gasförmiger Dampf. Daher stehen 20% weniger Energie zur Verfügung. In Euro umgerechnet bedeutet dies, dass bei
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Prowirl F 200 im Dampfzulauf eines Wärmetauschers

Prowirl F 200 im Dampfzulauf eines Wärmetauschers

Kosten von 40€ pro Tonne Dampf, hier bereits 8€ auf dem Transportweg wieder verloren gehen.

Ein Messsignal – zwei nutzbare Messwerte

Bisher wurde meist nur die Frequenz der Wirbel für die Durchflussmengenmessung ausgewertet. Die moderne Elektronik des Prowirl 200 bietet ausreichend Leistung für umfangreichere Berechnungen. Sie ermöglicht eine vollständige Auswertung des Signalverlaufes des Rohsignals vom Sensor. Beim verwendeten kapazitiven Wirbelsensor ergibt die Durchflussmessung im Normalfall eine Sinusform. Ein Wechsel des Dampfzustandes von „trocken“ auf „nass“ beeinflusst deren Höhe und Form. Zudem entsteht eine rhythmische Pulsation und überlagert sich dem ursprünglichen Sinussignal.

Nun erfolgt eine Trennung in ein Durchflusssignal und einen zweiten Messwert, der auf die Masse des vorbeifließenden Kondensats zurückzuführen ist. Mittels eines Algorithmus können weitere Messgrößen berechnet und dem Anwender zur Verfügung gestellt werden. So zum Beispiel der Masseanteil an Kondensat, die Dampfqualität oder jeweils der Energieinhalt von Dampf und Kondensat. Die Dampfqualitätsmessung im Wirbelzähler Prowirl 200 ermöglicht so die Korrektur des Durchflusswertes um den Strömungsprofileinfluss.

Geräteprüfung ohne Ausbau

Versorgungsnetze müssen 24h am Tag 365 Tage im Jahr sicher funktionieren. Kommt es zum Ausfall von Komponenten im Dampfnetz, droht
häufig ein Produktionsstillstand. Alle in Versorgungsleitungen installierten Messgeräte müssen daher langzeitstabil und robust sein und müssen kontinuierlich genau messen. Gerade in Abrechnungsmessungen stellt der Nachweis der Qualität der Messergebnisse den Dampfversorger oft vor unlösbare Probleme. Die Prüfung bzw. Rekalibierung der Geräte ist meist nicht ohne Ausbau und einem damit verbundenen Anlagenstillstand möglich.

Hier bietet der Prowirl 200 mit der integrierten Heartbeat Technology und einer detaillierten Prüfung mit einer Prüftiefe von über 98 % ohne Ausbau neue Möglichkeiten. Die Prüfung auf Knopfdruck auch aus der Leitwarte heraus liefert ein dokumentiertes und nachweisbares Prüfergebnis, das auch den Anforderungen von ISO 9001 standhält. Aufwändige Rekalibrierungen und damit verbundene Anlagenstillstände gehören damit der Vergangenheit an.

In der Optimierung von Dampfsystemen steckt noch viel Potential. Durch gezielten Einsatz von Wirbelzählern bei Hauptmessung und Untermessungen bei den Verbrauchern entsteht mehr Transparenz im Dampfsystem. Durch die zusätzliche Information zur Dampfqualität aus dem Prowirl 200 lassen sich Energieverluste rechtzeitig aufdecken und abstellen. Mit der Vermeidung von Kondensat-Ansammlungen sinkt auch die Gefahr von Dampfschlägen. Das hebt Effizienz und Sicherheit im Dampfsystem.

Nah an der Praxis, der Dampfprüfstand von Endress+Hauser.
Dampf mit unterschiedlichen Dampfgehalten (von oben nach unten: 100%, 95%, 80%)
Eine Änderung des Dampfzustands von „trocken“ auf „nass“ verändert die Sinuskurve in Höhe und Form.
Prowirl F 200 im Dampfzulauf eines Wärmetauschers


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Durchflusssensoren, Durchflusssensoren, Durchfluss

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