Temat wydania: Inteligentne rozwiązanie do pomiaru przepływu pary wodnej bezinwazyjną metodą ultradźwiękową

Liczne procesy technologiczne w różnych gałęziach przemysłu tj. energetyce, ciepłownictwie, przemyśle spożywczym, chemicznym czy farmaceutycznym; stosują parę wodną jako podstawowe medium procesowe. Para wodna jest powszechnie używanym w przemyśle czynnikiem termodynamicznym. W elektrowniach wykorzystujących kotły parowo-gazowe służy przede wszystkim do napędu turbin parowych, natomiast w innych gałęziach przemysłu wykorzystuje się parę wodną jako nośnik ciepła. Z uwagi na to, że para wodna ma bardzo szerokie zastosowanie, konieczne jest odpowiednie jej opomiarowanie oraz optymalizacja jej wykorzystania. Tylko racjonalne wykorzystanie pary wodnej przekłada się bowiem na względy ekonomiczne zużycia tego medium.

ISTOTNA PARA
Para wodna ma wiele zastosowań. Oprócz napędzania turbin parowych w energetyce, w innych branżach para wodna jest skraplana w wymienniku ciepła lub w bezpośrednim systemie grzewczym, co daje entalpię parowania w procesie w postaci ciepła. W przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, oprócz aspektu energetycznego, parę wodną wykorzystuje się do czyszczenia w procesach CIP, a także procesach sterylizacji SIP armatury przesyłowej, autoklawów oraz zbiorników, które mają bezpośredni kontakt z produkowaną żywnością lub farmaceutykami. Z uwagi na rosnące ceny energii cieplnej, kontrola zużycia pary wodnej staje się ważnym aspektem w poszukiwaniu oszczędności. Uwaga użytkowników koncentruje się na rozwiązaniach bezpiecznych i szybkich w implementacji. Rozwiązanie bezinwazyjne jest tutaj jak najbardziej zasadne.

Rysunek 1. Transit Time – korelacja czasu przejścia

 

BEZINWAZYJNIE = BEZPIECZNIE
Innowacyjnym rozwiązaniem jest wykorzystanie bezinwazyjnej technologii ultradźwiękowej do pomiaru przepływu pary wodnej. Technika ta nie ingeruje bezpośrednio w proces technologiczny, dzięki czemu wyeliminowane są wszelkiego rodzaju zagrożenia wynikające z rozszczelnienia połączeń procesowych, kontaktu z produkowaną żywnością czy lekami. Technologia ultradźwiękowa umożliwia stosunkowo szybki i łatwy montaż sond pomiarowych na pracującej instalacji, bez konieczności zatrzymywania procesu, co przekłada się na oszczędności. Niemiecka firma Flexim opracowała bezinwazyjną technologię pomiaru pary, która jest dostępna po raz pierwszy w historii. Przepływomierz do pomiaru przepływu pary wodnej wykorzystuje technologię Transit Time, czyli technikę korelacji czasu przejścia. Sondy pomiarowe zamontowane na rurociągu w określonej odległości emitują sygnał ultradźwiękowy, który wysyłany jest w pierwszej kolejności
zgodnie z kierunkiem przepływu, a następnie w kierunku przeciwnym. Zmierzony czas przejścia w obu kierunkach daje nam różnicę czasów, która odpowiada prędkości przepływu medium. Uwzględniając jeszcze poprawki na liczbę Reynoldsa, geometrię rurociągu oraz kąt odbicia wiązki ultradźwiękowej, jesteśmy w stanie zmierzyć przepływ objętościowy cieczy lub gazu.
Na rurociągu montujemy specjalne sondy pomiarowe, które są przystosowane do pomiaru pary wodnej. Sondy te różnią się od typowych sond do pomiaru cieczy czy gazu sposobem oraz kątem umieszczenia kryształu piezoelektrycznego wewnątrz sondy. Na chwilę obecną producent wprowadził na rynek dwa komplety sond pomiarowych umożliwiających pomiar na rurociągach o średnicy wewnętrznej w zakresie 40 – 400 mm (przy grubościach ścianek rurociągów od 2,1 do 9,5 mm). Aby prawidłowo przeprowadzić pomiar, rurociąg należy odpowiednio przygotować, poprzez uprzednie pomalowanie go specjalną farbą PPG. Zabieg ten pozwala na lepsze propagowanie sygnału dźwiękowego wewnątrz rurociągu, eliminując szumy pochodzące od samego działania sond pomiarowych.

Rysunek 2. Sondy pomiarowe do pary

Czynność ta jest bardzo istotna, gdyż wpływa znacząco na poprawę sprzężenia akustycznego oraz sygnałów diagnostycznych. Nieodzownym elementem układu pomiarowego jest konieczność montażu przylgowego czujnika temperatury (dzięki niemu uzyskujemy pomiar skompensowany, a także możemy odnieść ten pomiar do masy przepływającej pary wodnej). Oczywiście możliwe jest wykorzystanie tradycyjnych, inwazyjnych termoelementów pomiarowych, pamiętając o odpowiedniej izolacji tych czujników. Uchwyty montażowe sond pomiarowych również mogą być całkowicie zaizolowane w celu zmniejszenia jakichkolwiek strat ciepła do otoczenia.

Rysunek 3. Damping (przygotowanie) rurociągu

Akustyczna metoda pomiarowa jest atrakcyjna ze względu na wyjątkowo wysoką dynamikę pomiaru, a także dlatego, że jest bardzo czuła nawet przy bardzo małych prędkościach przepływu. Co więcej, pomiar realizowany jest niezależnie od kierunku przepływu. Dzięki tak dużemu zakresowi przepływu (prędkości przepływu od 0,01 m/s do 60 m/s) nie ma potrzeby zmniejszania średnicy rurociągu w celu dostosowania go do wymogu minimalnej prędkości przepływu. Bardzo ważny jest także fakt, że bezinwazyjny pomiar nie powoduje żadnych strat ciśnienia, co często jest istotnym czynnikiem w optymalizowaniu procesów technologicznych wykorzystujących parę wodną. Dzięki temu technologia bezinwazyjna ma relatywną przewagę nad technologiami inwazyjnymi, działającymi na zasadzie pomiaru różnicy ciśnień (kryzy, dysze, stożki spiętrzające), czy też bardzo popularnymi przepływomierzami typu Vortex.

 

PRZEPŁYWOMIERZ DEDYKOWANY DO PARY
Przepływomierz FLUXUS ST mierzy objętość i przepływ masowy pary nasyconej i przegrzanej w temperaturze do 180°C. Minimalna wartość ciśnienia wynosi 3 bar(a), zakładając, że para jest w stanie nasycenia bądź przegrzania. Trzeba podkreślić, że większość aplikacji z użyciem pary wodnej w różnych sektorach przemysłowych mieści się w przedziale do 180°C i ciśnieniu 5-6 bar(a), co ilustruje poniższy wykres.

Rysunek 4. Wykres potencjalnych aplikacji dla pary wodnej w różnych sektorach przemysłowych

Bezinwazyjna technologia ultradźwiękowa jest dostępna zarówno jako przetwornik stacjonarny oraz urządzenie przenośne. FLUXUS G721 ST jest stacjonarnym przepływomierzem do pomiaru przepływu pary, obsługując różne cyfrowe interfejsy komunikacyjne, takie jak Profibus, Modbus RTU, TCP itp. Z kolei dzięki nowemu przepływomierzowi przenośnemu FLUXUS G601 ST, firma Flexim oferuje naprawdę wielofunkcyjne narzędzie dla pracowników zajmujących się obsługą techniczną, a także pomiarami przepływu i energii. Z uwagi na to, że, oprócz pomiaru przepływu pary wodnej, przetwornik przenośny pozwala również wykonać pomiar przepływu cieczy, gazów, sprężonego powietrza i ciepła z wykorzystaniem do tego odpowiednich dedykowanych sond pomiarowych, FLUXUS G601 ST stanowi naprawdę uniwersalną propozycję dla osób odpowiedzialnych za monitoring przepływu różnych mediów w zakładzie.

Rysunek 5. Przetwornik stacjonarny FLUXUS G721 ST

Bezinwazyjny pomiar przepływu pary oznacza również pomiar bez bezpośredniego kontaktu z medium płynącym w rurze. FLUXUS ST nie posiada żadnych elementów ruchomych. Jego sondy pomiarowe mocowane są na rurociągu za pomocą pasków ze stali nierdzewnej i zamocowane są w solidnych obudowach, również wykonanych ze stali nierdzewnej.

Rysunek 6. Przetwornik przenośny FLUXUS G601 ST

Sondy pomiarowe są połączone z rurociągiem za pomocą mocowanych na stałe specjalnych podkładek łączących, bez użycia żelu łączącego (sprzęgającego), który w takich warunkach pomiarowych (wysoka temperatura medium) mógłby się szybko zestarzeć czy też zostać zmyty z powierzchni rurociągu. Dlatego też przepływomierz FLUXUS ST nie jest narażony na jakiekolwiek zużycie i nie wymaga żadnej konserwacji ze strony obsługi technicznej.

DLACZEGO MIERZYĆ BEZINWAZYJNIE?
Technologia bezinwazyjna wykorzystana do pomiaru przepływu pary wodnej jest rozwiązaniem naprawdę innowacyjnym, bo zastosowanym po raz pierwszy raz w historii. Charakteryzuje się ona szerokim oraz dynamicznym zakresem pomiarowym od 0,01 do 60 m/s. W przeciwieństwie do przepływomierzy typu Vortex, nie wymaga ona redukcji rurociągu, w celu uzyskania poprawnych prędkości przepływu w niskich zakresach pomiarowych. Technologia ta, dzięki zastosowaniu specjalnych podkładek umożliwiających sprzężenie akustyczne, może pracować bez przerwy przez bardzo długi okres czasu.
Dużym atutem rozwiązania bezinwazyjnego jest także, a może przede wszystkim, znaczące obniżenie kosztów instalacyjnych, które wynikają z braku konieczności wyłączenia pracy ciągów technologicznych i maszyn oraz chłodzenia rurociągów, w celu zainstalowania na nich układów pomiarowych. Istotny jest też czas implementacji – typowa instalacja oraz uruchomienie układu pomiarowego trwa od 3 do 4 godzin, co relatywnie szybko pozwala na uzyskanie pomiaru przepływu w miejscu aplikacji. Z punktu widzenia ekonomiki procesu rozwiązanie bezinwazyjne nie generuje strat ciśnienia podczas procesu. W porównaniu z konkurencyjnymi pomiarami z wykorzystaniem kryz pomiarowych czy przepływomierzy typu Vortex, technika ultradźwiękowa przekłada się znacząco na wzrost wydajności procesu i mniejsze zużycie pary wodnej jako medium kluczowego.
Dla branży spożywczej czy farmaceutycznej technika ultradźwiękowa oferuje jeszcze jedną przewagę – przepływomierze nie mają styku z medium procesowym, dzięki czemu nie wpływają na jakość wyprodukowanych artykułów spożywczych i leczniczych.