Problematische Strömungsmedien

Ismo Niemelä, Product Marketing Manager, Neles Controls Group, Helsinki, Finnland.

Viele industrielle Verfahren erfordern den Umgang mit problematischen Strömungsmedien wie Fasersuspensionen, Ausschuss-Ströme, Chemikalien, Pigmentschlämme, Anstrichfarben, Abwässer, Kondensate, Dämpfe und Gase sowie nichtmagnetische Flüssigkeiten. Wegen schlechter Reproduzierbarkeit oder vorzeitigem Ausfall des Messgeräts als Folge der Unbeständigkeit bzw. Aggressivität der Medien ist es oft nicht möglich, die Durchflussmengen solcher Fluide mit herkömmlichen Mitteln (z. B. mit magnetisch induktiven Messgeräten oder Drosselblenden) zu messen. In anderen Fällen wie in Rohrleitungen größeren Durchmessers ist es weder praktisch noch finanziell sinnvoll, Durchflussmengen mit derartigen Geräten zu messen.

Die Möglichkeit, ein Regelventil als Wirkdruck-Durchflussmengenmesser einzusetzen, ist seit langem theoretisch unumstritten. Der Industrie fehlte es jedoch an einem geeigneten preisgünstigen elektronischen Messgerät sowie an Messalgorithmen zur Echtzeiterfassung von Messwerten und deren Umrechnung in reproduzierbare Durchflussmessungen im gesamten Bereich der Regelventilbaugrößen, -bauarten und -anordnungen.

Die Lösung brachte der digitale Ventilstellungsregler Nelflow (Abb. 1), der bei Einsatz mit den Regelventilen des Unternehmens eine bisher unerreichbare Ansprechgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit bietet. Er ermöglicht den Einsatz von Drehstellarmaturen und Kugelhähnen des Herstellers sowohl als Stellglied wie auch als Durchflussmengenmesser.

Die Umwandlung eines Regelventils in ein Nelflow Durchflussmengen messendes Regelventilsystem erfordert den Einbau von Druckmesswandlern bzw. Flanschen mit Druckmesswandlern in die Rohrleitung vor und hinter der Armatur sowie die Montage eines Nelflow Gerätes an das Regelventil anstelle des bisherigen Stellungsreglers.

Die Anschaffungs- und Betriebskosten für ein Nelflow mengenmessendes Regelventil sind erheblich geringer als für ein Regelventil und einen Durchflussmengenmesser, abgesehen von speziellen Vorteilen im Betriebsverhalten, insbesondere bei problematischen Medien oder Rohrleitungen größeren Durchmessers.

Die Hauptbestandteile des Nelflow Systems sind ein Regelventil, ein Druckmesswandler und ein Nelflow Ventilstellungsregler, der mittels des unter Windows laufenden Programms Valve Manager und dem Kommunikationsprotokoll HART konfiguriert wird. Das Nelflow Gerät berechnet aus Druckdifferenz, Ventilstellung (entsprechend dem vom Ventilstellungsregler zurückgelegten Weg) und Durchflusskoeffizienten (Cv-Wert) des Ventils den Volumenstrom des Mediums durch das Ventil.

Ein Stellungssensor im Ventilstellungsregler misst den vom Ventil zurückgelegten Weg. Die der Ventilöffnung entsprechenden Cv-Werte sind auf der Durchflussmesswandler-Leiterplatte gespeichert. Auch bei einem Netzausfall gehen keine Informationen verloren. Der berechnete Volumenstrom wird wie bei jedem anderen Durchflussmengenmesser als 4 -20 mA Ausgangssignal übertragen.

Die Druckdifferenz wird mittels der in unmittelbarer Nähe der Armatur angebrachten Druckmesswandlerflansche (Abb. 2a) oder von direkt in die Rohrleitung eingebauten Drucksensoren (Abb. 2b) gemessen. Können einer oder beide Drücke als konstant angenommen werden, wird im Programm Valve Manager ein konstanter Wert konfiguriert. In diesem Falle kann der Volumenstrom ohne Druckmessung berechnet werden (Abb. 2c). Fabrikat oder Bauart der Drucksensoren sind unerheblich, wenn das Ausgangssignal 4 bis 20 mA beträgt und einigermaßen genau ist.

Die Volumenströme werden mittels Standardgleichungen für die Dimensionierung von Armaturen berechnet (IEC 60534-2-3). Die Anordnung der Sensoren lässt sich im Gerät konfigurieren: Höher beziehungsweise tiefer angebrachte Sensoren lassen sich beispielsweise ebenso kompensieren wie Druckverluste infolge des Abstands zwischen Armatur und Sensor. Die Reproduzierbarkeit der Volumenstrommessungen wird durch außerordentlich genaue Cv-Werte und durch effiziente Stellungsregler-Firmware gewährleistet, die häufige Berechnungen ermöglicht. Eine Eichung ist notwendig, um höchste Genauigkeit zu erzielen.

Die Reproduzierbarkeit von Nelflow beträgt ± 0,5 Prozent und ist so mit konventionellen Durchflussmengenmessern vergleichbar. Daher liefert das System ein zuverlässiges Signal für die Verfolgung der Stoffbilanz innerhalb eines Verfahrensablaufes und für die automatische Korrektur von Verfahrensparametern aufgrund des gemessenen Volumenstromes. Die gleichzeitige Verwendung des Gerätes zur Drosselung und Messung eines Volumenstromes hat keinen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit. Als Messprinzip dient das bewährte und zuverlässige Druckdifferenzverfahren.

Anders als herkömmliche Durchflussmengenmesser wird das messende Regelventil in seinem Betriebsverhalten durch die Beschaffenheit des zu handhabenden Mediums jedoch praktisch nicht beeinträchtigt, da Probleme im Zusammenhang mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit, zu großem Luftgehalt, Fasersuspensionen oder Teilchen, verstopftes Fluid, Anstrichmittel-Krusten im Messgerät oder ungenügende Ausrichtung der Installation die auf Druckdifferenz beruhende Messung nicht beeinflussen. Mit dem Nelflow Messgerät lassen sich unbeständige und nichtmagnetische Fluide auch unter extremen Bedingungen messen.

Das Nelflow Konzept ermöglicht den Zusammenbau mit Drehstell- und Hubarmaturen und ist ohne Einschränkung in Bezug auf Druck, Temperatur und Konstruktionswerkstoffe sowie Nenngrößen von 25 bis 1400 mm und darüber für eine Vielzahl von Fluiden anwendbar. Diese Vorteile lassen dem Anwender bei der Auswahl und Austauschbarkeit von Armaturentypen einen breiten Spielraum, ohne dass die Durchflussmengenmessung beeinträchtigt wird.

Während konventionelle Durchflussmengenmessgeräte wie Drosselblenden und Wirbelmesser einen Messbereich von maximal 5:1 haben, können mengenmessende Regelventile reproduzierbar bis 100:1 messen.

Tabelle 1 zeigt verschiedene Messbedingungen und deren Auswirkung auf die Messsicherheit von magnetischen Messgeräten, Drosselblenden, Wirbelmessern und Nelflow.

Zur Nachrüstung einer vorhandenen Armatur auf Nelflow Betrieb braucht an die Armatur nur ein Nelflow Ventilstellungsregler angebaut, der Regler mit vor und hinter der Armatur angeordneten Drucksensoren verbunden und das System mit den physikalischen Konstanten des Mediums und den Cv-Werten der betreffenden Armatur sowie des Rohrleitungsdurchmessers konfiguriert oder das System mit einer anderen Messvorrichtung geeicht zu werden.

Da die Nachrüstung einer vorhandenen Armatur mit Nelflow relativ einfach und preisgünstig ist, lässt sich jetzt der Volumenstrom als Variable zur Verfahrensoptimierung unabhängig von Medium und Leitungsdurchmesser benutzen.

Für kleinere Leitungsdurchmesser sind herkömmliche Durchflussmengenmesser relativ kostengünstig und – sofern zuverlässig – eine wirtschaftlichere Alternative als Nelflow.

Die Gesamtkosten einschließlich Montage und Instrumentierung konventioneller Durchflussmengenmesser sind jedoch fast so hoch wie ein Nelflow System, das zugleich als Regelventil und Durchflussmengenmesser dient. Von Raffinerien, petrochemischen und chemischen Betrieben werden Installationskosten von Euro 1500 berichtet. In der Zellstoff- und Papierindustrie dürfte eher eine Summe von Euro 700 realistisch sein.

Zudem steigen die Kosten für herkömmliche Mengenmesser proportional zum Leitungsdurchmesser, während die Kosten eines Nelflow Systems ungeachtet des Leitungsdurchmessers praktisch konstant sind. Da sich bereits ein Regelventil in der Leitung befindet, kostet der Einbau von Nelflow bei einer 20 Zoll-Leitung nicht mehr als bei einer 6 Zoll-Leitung. Die Kosten verringern sich noch weiter, weil Regelventil und Durchflussmengenmesser in ein und derselben Baueinheit zusammengefasst sind.

Der Einsatz von Nelflow kann auch die Wartungskosten um mehr als 50 Prozent senken, insbesondere im Vergleich zu magnetischen Mengenmessern, die häufig gereinigt werden müssen, wenn das Medium schmutzbefrachtet ist. Ein Großteil der bisher üblichen Wartungskosten entsteht tatsächlich durch den Ausbau des Messgeräts aus der Leitung und seinem Transport in die Messgerätewerkstatt. Diese Kosten entfallen selbstverständlich bei Nelflow, da der Durchflussmengenmesser zusammen mit dem Regelventil in die Messgerätewerkstatt gebracht wird und als Einheit gilt. Auch der Bedarf an Ersatzmessgeräten ist erheblich geringer, denn die Nelflow Einheit kann als Ersatzteil für alle Durchflussmengenmesser von 25 bis 1400 mm Leitungsdurchmesser dienen. Der Gesamtenergieverbrauch ist ebenfalls niedriger als bei konventionellen Geräten (z. B. Drosselblenden), die eine zusätzliche Verengung in der Leitung darstellen und dadurch einen höheren Leitungsdruck sowie größere, teurere Pumpen erfordern.

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