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Jun 29, 2023

Ein Überblick über die Gasdurchflussmessung

Viele Anwendungen erfordern eine genaue Durchflussmessung von Luft oder anderen Gasen. Installationsanforderungen, Kalibrierung und Wartung gehören zu den Faktoren, die bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen

Viele Anwendungen erfordern eine genaue Durchflussmessung von Luft oder anderen Gasen. Installationsanforderungen, Kalibrierung und Wartung gehören zu den Faktoren, die bei der Auswahl einer Durchflussmesstechnik berücksichtigt werden müssen

Von Art Womack, FCI

Die Messung von Luft und anderen Gasen in Produktionsanlagen der chemischen Prozessindustrie (CPI) ist für viele funktionale Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter Sicherheit, Prozesskontrolle, Produktqualität, Produktionseffizienz, Einhaltung von Umweltvorschriften und Kosten. Wenn die Messung von Luft oder anderen Gasen ungenau oder inkonsistent ist, kann dies zu schweren Unfällen, Notabschaltungen, ungeplanten Wartungsarbeiten, Produktionsverlangsamungen oder Kostenüberschreitungen führen.

Heutzutage sind sechs bis acht praktikable Durchflussmesstechnologien für Gase verfügbar, aber nur etwa die Hälfte davon ist für die anspruchsvollen Messanwendungen in den anspruchsvollsten CPI-Betrieben geeignet. Jede Technologie hat ihre eigenen Stärken und Schwächen, je nachdem, welches Material genau gemessen werden muss, welche Genauigkeit erforderlich ist, wo es gemessen werden muss usw.

Die Binsenweisheit „Wissen ist Macht“ trifft auf jeden Fall zu, wenn es um die Auswahl eines Durchflussmessers für Gasmessaufgaben in CPI-Anlagen geht. Die gleiche Durchflusssensortechnologie, die für eine Anwendung in einer Anlage gewählt wird, ist möglicherweise die falsche Wahl für eine andere Anwendung – selbst wenn sie sich in unmittelbarer Nähe innerhalb einer Anlage befindet.

Die Kosten für die Wahl des falschen Durchflussmessers – in Form von zusätzlicher Wartung, Reparaturen und Ersatzteilen in großen CPI-Anlagen – können sich schnell auf Zehntausende Dollar belaufen. Wenn Sicherheitsvorfälle, schlechte Produktqualität, eine Produktionsverlangsamung oder Probleme bei der Einhaltung von Umweltvorschriften auftreten, können die Kosten, die dadurch entstehen, dass die subtilen Unterschiede zwischen Luft- und anderen Gasdurchflussmesstechnologien nicht erkannt werden, strafbar sein.

Durchflussmesser dienen zur Messung des Durchflusses von Luft oder anderen Gasen sowie des Gesamtdurchflusses. Aufgrund der gefährlichen Betriebsumgebungen, die in CPI-Anlagen auftreten können, benötigen Gasdurchflussmesser im Allgemeinen Zulassungen für Gefahrenbereiche (z. B. HazEx) und müssen als Teil eines sicherheitsinstrumentierten Systems häufig der Norm IEC 61508/61511 (SIL) entsprechen (SIS) in vielen Anwendungen. In den folgenden Abschnitten werden vier der häufigsten und anspruchsvollsten Anwendungen zur Gasdurchflussmessung in Chemieanlagen beschrieben.

ABBILDUNG 1. Die Gasverteilungsmessung erfordert eine genaue Durchflussmessung, da verschiedene Anwendungen unterschiedliche Gasmengen erfordern können

ABBILDUNG 1. Die Gasverteilungsmessung erfordert eine genaue Durchflussmessung, da verschiedene Anwendungen unterschiedliche Gasmengen erfordern können

Gasverteilungsmessung. Viele chemische Prozesse erfordern große, unterschiedliche Volumina spezifischer Gase wie Stickstoff, Argon und Sauerstoff für inerte Ionen oder zum Spülen oder Abdecken. Als Katalysator kann Wasserstoff erforderlich sein, es werden aber auch andere spezielle Gase eingesetzt (Abbildung 1). Die genaue Messung dieser Gase ist für die Prozesskontrolle, die Kontrolle des Gasbestands und das Kostenmanagement erforderlich.

ABBILDUNG 2. Die Messung von Fackelgasen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Systeme sicher und zuverlässig funktionieren

ABBILDUNG 2. Die Messung von Fackelgasen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Systeme sicher und zuverlässig funktionieren

Bördelsysteme. In der petrochemischen Produktion, Raffinierung und Lagerung werden Fackelgassysteme zur Verbrennung und Entsorgung von Abfällen, Überschuss- oder Abgasen sowie als Sicherheitssystem eingesetzt (Abbildung 2). Die genaue, reaktionsschnelle und zuverlässige Messung von Fackelgas ist von entscheidender Bedeutung, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Fackelgassystems sicherzustellen, das Menschen und Geräte vor gefährlichen brennbaren Gasen schützt, eine sichere Arbeitsumgebung aufrechterhält und Umweltverschmutzung verhindert.

ABBILDUNG 3: Bei der Tankabdeckung wird der Inertraum eines Tanks oder Behälters mit einem Inertgas (normalerweise Stickstoff) gefüllt, um die Brandgefahr zu verringern

ABBILDUNG 3: Bei der Tankabdeckung wird der Inertraum eines Tanks oder Behälters mit einem Inertgas (normalerweise Stickstoff) gefüllt, um die Brandgefahr zu verringern

Tankabdeckung. Die Stickstoffüberlagerung wird in der Chemie- und Erdölraffinerieindustrie eingesetzt, um die mit brennbaren Flüssigkeiten verbundenen Gefahren zu verringern, was zur Verbesserung der Anlagensicherheit beiträgt und auch die Produktivität steigern kann. Beim Abdecken oder Polstern wird der Dampfraum eines Tanks oder Behälters mit inertem Stickstoffgas beaufschlagt (Abbildung 3), wodurch die Möglichkeit einer Explosion oder eines Brandes minimiert wird, indem der Sauerstoffgehalt oder die Konzentration brennbarer oder explosiver Dämpfe verringert wird.

ABBILDUNG 4. Rauchgassysteme umfassen normalerweise eine Wäschereinheit, in der die Gase mithilfe mehrerer Durchflusssensoren überwacht werden, die an bestimmten Stellen der Einheit angebracht sind

ABBILDUNG 4. Rauchgassysteme umfassen normalerweise eine Wäschereinheit, in der die Gase mithilfe mehrerer Durchflusssensoren überwacht werden, die an bestimmten Stellen der Einheit angebracht sind

Rauchgasüberwachung. Für die Messung des Ausstoßes von Anlagenabgasen durch große Schornsteine ​​mit Wäschersystemen sind mehrere Durchflusssensoren erforderlich, die an strategischen Stellen angebracht sind (Abbildung 4). Diese Rauchgassysteme sind für die Einhaltung der Umweltvorschriften von entscheidender Bedeutung. Stapelkontinuierliche Emissionsüberwachungssysteme (CEMS) müssen mehrere Standards erfüllen, darunter: US Environmental Protection Agency (EPA) 10 CFR 40 und 40 CFR 98; EU-Richtlinien 2003/87/EG und 2007/589/EG; US MMR 30 CFR Teil 250, Unterabschnitt K, Abschnitt 250; und andere.

Anwendungen, die eine genaue und zuverlässige Gasdurchflussmessung erfordern, stellen Prozess- und Instrumenteningenieure vor Herausforderungen. In den folgenden Abschnitten werden spezifische Überlegungen beschrieben, die bei der Auswahl einer Durchflussmess- oder Sensortechnologie sorgfältige Beachtung erfordern.

Niedrige und hohe Durchflussmengen. Um undichte Ventile und den normalen Betrieb mit geringem Durchfluss, der mit dem täglichen Betrieb einhergeht, zu identifizieren und zu messen, ist Sensibilität gegenüber Bedingungen mit geringem Durchfluss erforderlich. Bei Systemstörungen ist die Fähigkeit erforderlich, sehr hohe Durchflüsse zu messen. Dazu ist ein Messgerät erforderlich, das den Durchfluss über einen extrem großen Regelbereich genau messen muss.

Kalibrierung des Messgeräts.Es ist wichtig, dass Durchflussmesser speziell für Gase mit Kohlenwasserstoffzusammensetzung kalibriert werden und den tatsächlichen Prozessbedingungen entsprechen.

Große Liniengrößen. Mit zunehmender Rohrgröße nimmt die Anzahl effektiver und geeigneter Durchflussmesser-Sensortechnologien ab. Bei der Auswahl eines Durchflussmessers für größere Leitungen müssen unbedingt besondere Überlegungen angestellt werden.

Geradeauslauf lieferbar. Alle geschwindigkeitsbasierten Durchflussmessertechnologien erfordern eine bestimmte Menge an geraden Rohren sowohl vor als auch nach dem Messgerät, um eine genaue Durchflussmessung zu erreichen. Diese Straight-Run-Anforderungen können in überfüllten Produktionsstandorten und Prozessanlagen möglicherweise nicht erfüllt werden.

Beschränkter Zugang. Der Zugang und erneute Zugang zu Rohrleitungen für Installations-, Wartungs- oder Instandhaltungsarbeiten ist häufig schwierig. Beispielsweise können bei Spulendurchflussmessern längere Prozessstillstände und hohe Arbeitskosten vor Ort für die Installation und kontinuierliche Wartung des Systems erforderlich sein, im Gegensatz zu Messgeräten im Einschubstil, die über einen Kugelhahn einfach in den Prozess eingeführt oder aus diesem herausgezogen werden können.

Behördliche Genehmigungen. Bei der Installation von Messgeräten an explosionsgefährdeten Orten (Ex) sollte das gesamte Durchflussmessgerät über behördliche Zulassungen für die Installation in Umgebungen mit potenziell gefährlichen Gasen verfügen. Beachten Sie, dass die Nennwerte nur für das Gehäuse unzureichend sind.

Es gibt zwei grundlegende Arten von Durchflussmessern: Flüssigkeiten und Gase. Flüssigkeiten werden in erster Linie anhand des Volumendurchflusses gemessen, während Gas aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Gasen im Vergleich zu Flüssigkeiten eine Massendurchflussmessung ist. Während einige volumetrische Technologien Gasdurchflussraten messen können, kann es beim Gesamtdurchfluss zu Problemen kommen. Bei der Messung von Luft oder anderen Gasen ist im Allgemeinen die Massendurchflusssensorik die beste Wahl – insbesondere bei kritischen Anwendungen.

Coriolis. Das Funktionsprinzip von Coriolis-Durchflussmessern beruht auf einem vibrierenden Rohr, in dem der Flüssigkeitsstrom Änderungen in der Frequenz, Phasenverschiebung oder Amplitude verursacht, die proportional zum Massendurchfluss sind. Coriolis-Messgeräte sind sehr genau und werden häufig im eichpflichtigen Verkehr eingesetzt. Sie sind jedoch teuer und erfordern arbeitsintensive Inline-Anwendungen.

Differenzdruck. Differenzdruckmesser und -sensoren (DP) gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter Blenden, Staurohre und Venturis. Die typischen Konstruktionen von DP-Messgeräten erfordern, dass sich die Flüssigkeit durch oder an zwei Referenzpunkten vorbeibewegt, wodurch eine Differenzdruckrate entsteht, die unter Verwendung der Bernoulli-Gleichung mit einigen Modifikationen der Durchflussrate entspricht. Wenn das Gas verschmutzt ist, kann es zu Problemen mit der Verstopfung der Öffnungen kommen, die eine häufige Wartung erfordern, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.

Ultraschall. Durchflussmesser mit Ultraschall-Durchflusssensortechnologie nutzen Ultraschall und den Doppler-Effekt zur Messung des Volumendurchflusses. Bei Ultraschall-Durchflussmessern sendet ein Wandler einen Ultraschallstrahl an einen empfangenden Wandler. Die Sendefrequenz des Strahls wird durch Partikel oder Blasen im Flüssigkeitsstrom linear verändert. Die Frequenzverschiebung zwischen Sender und Empfänger kann genutzt werden, um ein Signal proportional zur Durchflussrate zu erzeugen.

Optisch. Durchflussmesser mit optischer Sensorik basieren auf Lasertechnologie und Fotodetektoren. Diese Technologie erfordert die Anwesenheit von Partikeln im Gasstrom. Diese Partikel streuen den Lichtstrahl, und die Zeit, die diese Partikel benötigen, um von einem Laserstrahl zum anderen zu gelangen, kann zur Berechnung der Gasgeschwindigkeit und des Volumenstroms verwendet werden. Diese Messgeräte verfügen über eine gute Genauigkeit und einen großen Messbereich, sind jedoch traditionell teuer.

Wärmedispersion. Durchflussmesser mit Thermodispersionssensoren ermöglichen eine direkte Massendurchflussmessung. Im Prozessstrom sind zwei durch Schutzrohre geschützte Platin-Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) platziert. Ein RTD wird erhitzt, während der andere die tatsächliche Prozesstemperatur misst. Der Temperaturunterschied zwischen diesen Sensoren erzeugt einen Spannungsausgang, der proportional zum Kühleffekt des Mediums ist. Diese Informationen können zur Messung des Gasmassendurchflusses verwendet werden, ohne dass zusätzliche Druck- oder Temperaturtransmitter erforderlich sind.

Um den Durchfluss genau zu messen, kommt es neben der Auswahl der richtigen Durchflussmesstechnik auf die Kalibrierungsmethode an. Es gibt zwei Methoden zur Kalibrierung von Gasdurchflussmessern: Die direkte Methode, bei der das Messgerät auf ein bestimmtes reines Prozessgas oder auf die tatsächlichen Komponenten eines verwendeten Mischgases kalibriert wird.

Die Luftäquivalenzmethode, bei der das Messgerät mit Luft kalibriert und anschließend die Kalibrierung mit einem vordefinierten Korrekturfaktor angepasst wird.

Es ist wichtig, dass Sie Ihren Lieferanten nach der Methode zur Kalibrierung des Durchflussmessers fragen. Benutzer sollten wissen, ob Hersteller Verträge mit der Kalibrierung abschließen und wenn ja, mit wem, oder ob sie ein eigenes Kalibrierlabor mit Prüfständen für die Direktmethode-Kalibrierung und Geräten betreiben, die gemäß den Standards NIST und ISO/IEC 17025 rückverfolgbar sind.

Bei der Auswahl einer Durchflussmesstechnologie für Luft oder andere Gase sind der Standort und die Installationsanforderungen des Herstellers eines der wichtigsten Kriterien, die es zu berücksichtigen gilt. Die meisten Durchflussmessertechnologien erfordern ein stabiles Flüssigkeitsströmungsprofil vor und nach dem Installationsort des Messgeräts – dies wird normalerweise als Äquivalent zu einer bestimmten Anzahl von Rohrdurchmessern eines geraden Rohrs in jede Richtung definiert. Durchflusssensoren reagieren möglicherweise empfindlich auf verwirbelte Luft- oder Gasbedingungen im Rohr, Druckabfälle (Turndowns) oder Strömungsstöße. In vielen Fällen können unregelmäßige Strömungsprobleme mit Strömungskonditionierern gelöst werden. Es gibt verschiedene Arten von Strömungskonditionierern, die gezielt in das Rohr eingesetzt werden können, um die Strömung zu „begradigen“, bevor sie den Durchflusssensor erreicht. Sie können aus Laschen, Waben, Flügeln oder anderen Formen bestehen, die alle dazu dienen, die Strömung zu begradigen. Einige Gleichrichter, wie z. B. der Laschentyp, beschleunigen tatsächlich die Strömungsgeschwindigkeit, indem sie regelmäßige Wirbel erzeugen, um einen Verlust des Gasdurchsatzes (Druckabfall) zu vermeiden.

Inline-Durchflussmesser (rechts) und Einsteck-Durchflussmesser (links) erfordern unterschiedliche Installationsüberlegungen, und je nach spezifischen Prozessanforderungen kann eine Methode bevorzugt werden

Inline-Durchflussmesser (rechts) und Einsteck-Durchflussmesser (links) erfordern unterschiedliche Installationsüberlegungen, und je nach spezifischen Prozessanforderungen kann eine Methode bevorzugt werden

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Durchflussmesser zu installieren: Inline oder Einbau. Inline-Durchflussmesser müssen horizontal innerhalb eines Rohrabschnitts installiert werden. Einsteck-Durchflussmesser werden über eine Zapfstelle oben montiert.

Einige Durchflussmesser können nur mit einer Methode installiert werden. Venturi-Zähler müssen beispielsweise inline (im Rohr) installiert werden. Im Vergleich dazu können thermische Messgeräte, einige DP-Messgeräte (Messblenden) und andere entweder in Inline- oder Einsteckkonfiguration installiert werden.

Wenn es schließlich um die Installationsanforderungen geht, stützen sich einige Durchflussmessertechnologien auf direkte Massendurchflusssensoren. Andere Durchflussmesser ermitteln den Massendurchfluss und erfordern die Installation von Druck- oder Temperatursensoren in der Nähe sowie von Messumformern oder multivariablen Messumformern, was ihre Kosten und Installationskomplexität erhöhen kann.

Alle Durchflussmesser müssen gewartet werden. Einige Technologien erfordern jedoch möglicherweise mehr Wartung als andere. Die Art der zu messenden Flüssigkeit kann einen großen Einfluss auf den Wartungsbedarf haben. Reine Prozessgase in einer harmlosen Anlagenumgebung haben im Allgemeinen weniger Auswirkungen auf ein Durchflussmessgerät als schmutzige Abgase.

Einige Messgerätekonstruktionen erfordern weniger Reinigung oder sind einfacher zu reinigen als andere. Beispielsweise können Aufsatzzähler mit Stopfbuchspackungen ohne Unterbrechung des Prozesses schnell aus dem Rohr gezogen, vor Ort mit Druckluft gereinigt und anschließend wieder in Betrieb genommen werden.

Bei der Auswahl eines Durchflussmessers für CPI-Anwendungen sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Eine gründliche Checkliste mit Überlegungen würde Folgendes umfassen:

Wenn es darum geht, die tatsächlichen Kosten der Instrumentierung zu überprüfen, ist es irreführend, die Analyse beim Kaufpreis zu stoppen – das gilt insbesondere für Durchflussmesser. Die beiden zuvor besprochenen Optionen für die Installation von Durchflussmessern – Inline- und Einbau-Installation – können zu großen Kostenunterschieden führen. In einer Einbaukonfiguration installierte Durchflussmesser sind einfacher zu installieren, was im Allgemeinen zu geringeren Installationskosten führt als ein Durchflussmesser, dessen Anschaffung günstiger ist, obwohl er eine Inline-Installation erfordert. Der letzte zu berücksichtigende Faktor sind die Lebenszykluskosten. Wie lange erwartet der Hersteller, dass das Durchflussmessgerät im Einsatz bleibt? Beträgt die Lebensdauer 5, 10 oder 20 Jahre? Welche Art von Wartung wird während dieser Lebensdauer erforderlich sein? Einige Messgeräte verfügen über bewegliche Teile, die kaputt gehen können und eine Reparatur erfordern. Einige Messgeräte sind auf kleine Öffnungen angewiesen, die in schmutzigen Umgebungen dazu neigen, sich zu verengen oder zu verstopfen, sodass eine Reinigung erforderlich ist. Diese Kosten können sich im Laufe der Zeit summieren, was die Betriebskosten erhöht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wissen und Erfahrung mit Durchflussmessern entscheidend sind. Je mehr Ingenieure über Durchflussmessertechnologien wissen, desto gründlicher und effektiver wird der Auswahlprozess.

Art Womack

Art Womack

Art Womack ist leitender Anwendungsingenieur bei Fluid Components International (FCI; 1755 La Costa Meadows Drive, San Marcos, CA, 92078; Telefon: 760-744-6950; E-Mail: [email protected].) Er verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Produktion, Anwendung, Vertrieb und Vermarktung von Prozessinstrumenten für Durchfluss, Füllstand, Druck und Temperatur. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik vom Rose-Hulman Institute of Technology in Terre Haute, Indiana. Vor seiner Tätigkeit bei FCI hatte Womack Positionen bei SOR Controls Group und Dwyer Instruments inne.

Herausgegeben von Mary Page Bailey.