Prozessautomation & Messtechnik Nassdampfmessung im Dampfsystem

16.09.2015

Mit einem Wirbelzähler-Durchflussmessgerät lässt sich nun eine zweite Phase in der Dampfströmung messen und damit ein klares Bild zu Energieverlusten und möglichen Dampfschlägen erzeugen.

Dampf wird in vielen industriellen Bereichen als idealer Stoff für den Energietransport benutzt. Die Grundlage Wasser steht in ausreichender Menge zur Verfügung, ist selbst ungiftig, einfach zu handhaben und kann mehrfach wiederverwendet werden. Zudem können durch den hohen Wärmeinhalt große Energiemengen transportiert werden. Weltweit werden heute rund 40 Prozent der fossilen Brennstoffe für die industrielle Dampferzeugung verbraucht.

Somit erhält Dampf auf der Kostenseite eine entsprechende Bedeutung und es sind rund 30 bis 40 Euro pro Tonne Dampf zu kalkulieren. Sinkt in der Anlage die Dampfqualität unter 100 Prozent, geht daher bares Geld verloren. Dampfqualitäten von 90 oder 80 Prozent sind mitunter schnell erreicht. Die Feststellung der Dampfqualität ist bis dato nur mit hochkomplexen Messaufbauten, ähnlich einer Labormessung, möglich. Anhand der auftretenden Effekte am Wirbelsensor des Durchflussmessgerätes sind jetzt Messungen einer Kondensat-Strömung im Dampf realisierbar.

Die Technologie hinter diesen Dampfmessungen beruht auf einer vollständigen Auswertung des Rohsignales vom Wirbelsensor. Bisher wurde ausschließlich die Frequenz an Wirbeln für die Durchflussmengenmessung ausgewertet. Beim zugrundeliegenden kapazitiven Wirbelsensor ergibt sich für die Durchflussmessung im Normalfall eine Sinusform. Wechselt der Dampfzustand von „trocken“ auf „nass“, wird diese Sinusform in Höhe und Form beeinflusst, jedoch nicht die Frequenz.

Kondensat-Strömung berechnen

Mit modernen Elektroniken ist ausreichend Rechenleistung vorhanden, sodass eine vollständige Auswertung des Signalverlaufes möglich wird. Es erfolgt eine Trennung in ein Durchflusssignal und einen zweiten Messwert, der auf die Masse des vorbeifließenden Kondensats zurückzuführen ist. Mittels eines Algorithmus können nunmehr weitere Messgrößen berechnet und dem Anwender zur Verfügung gestellt werden. So zum Beispiel den Masseanteil Kondensat, die Dampfqualität oder jeweils der Energieinhalt vom Dampf und dem Kondensat.

Bereits vor 20 Jahren gab es wissenschaftliche Untersuchungen in den Vereinigten Staaten, welchen Einfluss eine schlechte Dampfqualität auf unterschiedliche Durchflussmessprinzipien hat. Dabei wurde eine Auswirkung auf die Messgenauigkeit festgestellt. Alle Messprinzipien zeigen einen positiven Fehler, das heißt die Geräte zeigen bei schlechter werdender Dampfqualität einen immer größeren Durchflussmesswert an. Die Höhe der Abweichung ist jedoch bei jedem Messprinzip unterschiedlich. Sie liegt in der Größenordnung von vier bis acht Prozent. Ursache ist ein verändertes Strömungsprofil im Dampf.

Für eine genaue Durchflussmessung braucht jedes Messgerät ein turbulentes Profil, bei dem sich über den gesamten Rohrquerschnitt der Dampf gleich schnell bewegt. Bei schlechter Dampfqualität fließt aber auch das Kondensat durch die Rohrleitung – allerdings mit einer viel geringeren Geschwindigkeit. Dies verursacht eine Veränderung hin zu einem laminaren Strömungsprofil, bei dem der Dampf in der Mitte der Rohrleitung schneller fließt als am Rand. Der Messwert an den Durchflussmessgeräten wird eben von dieser erhöhten Geschwindigkeit gebildet.

Eine Korrektur ist denkbar, da der zusätzliche Messfehler konstant zur Dampfqualität ist. Bisher gab es jedoch keine Möglichkeit während des Betriebes im industriellen Maßstab permanent die Dampfqualität zu messen. Dieses Problem löst nun ebenfalls die Dampfqualitätsmessung im Wirbelzähler. Der Durchflusswert wird um den Strömungsprofileinfluss korrigiert.

Exakte Messungen sparen Energie

Wo bieten diese technischen Neuerungen ihr größtes Potenzial? In den vergangenen Jahren wurden in vielen industriellen Bereichen große Anstrengungen unternommen, Energie-Monitoring-Systeme aufzubauen, um die eigenen Energieströme zu erfassen und besser steuern zu können. Als Ergebnis zeigt sich, dass es zwischen einer Hauptmessung im Kesselbereich und Untermessungen zu den einzelnen Verbrauchern größere Abweichungen geben kann.

Weiterhin schwankt der Wirkungsgrad der Anlage stärker als erwartet. Eine Ursachensuche ist meist schwierig, da kein Blick in die Dampfleitung geworfen werden kann. Der Anlagenbetreiber ist auf Informationen von der Messtechnik angewiesen. Gleichzeitig müssen die Informationen mit Wissen über die physikalischen Eigenschaften von Wasser und Dampf verknüpft werden.

Wirbelzähler mit Nassdampfmessung wie der Prowirl 200 von Endress+Hauser übernehmen einen Teil dieser Aufgabe. Damit die im Dampf enthaltene Energie genutzt werden kann, muss der Dampf kondensieren. Dann wird die Energie zum Beispiel an einen Wärmetauscher abgegeben. Das geschieht bei unterschreiten des Sattdampfpunktes. Der Sattdampfpunkt wiederum ist durch einen Druckwert und einen dazu gehörenden Temperaturwert beschrieben.

Berührt der Sattdampf eine „kühlere“ Oberfläche, wird Energie abgegeben und der Dampf wechselt den Aggregatszustand zu flüssigem Kondensat. Geschieht dies am Verbraucher der Energie, ist alles in Ordnung. Passiert es bereits vorher, geht massiv Energie verloren und die Gefahr von Dampfschlägen in der Anlage steigt an.

Gründe für Energieverlust

Die Gründe für ein Auskondensieren auf dem Transportweg sind vielfältig. Zu den Ursachen gehören in auffälliger Form Störungen und Defekte im Transportsystem. So zum Beispiel durch beschädigte Isolierungen, nicht isolierte Rohrabschnitte oder unzureichende Isolierung, sodass ein hoher Wärmeverlust stattfindet.

Ein weiterer Punkt sind defekte Kondensatableiter. Kann Kondensat nicht abgeführt werden, wirkt dies zusätzlich kühlend auf den Dampf und verstärkt das Auskondensieren. Dazu gehört auch die Einhaltung von empfohlenen Abständen der Kondensatableiter und das deren Funktion regelmäßig überprüft werden.

Die Fahrweise der Anlage kann ebenfalls eine Ursache sein. So ist eine Reduzierung des Energieverbrauches zu begrüßen, führt mitunter aber zu geringen Durchflüssen bezogen auf die Rohrnennweite. Durch die große Rohrwandoberfläche geht dann mehr Energie verloren, als durch den geringen Durchfluss nachgeführt wird, denn selbst ordentlich isolierte Dampfleitungen weisen immer noch einen geringen Wärmeverlust auf. Gleiches gilt für zu geringe Prozesstemperaturen, wodurch die Energie auf zu langen Rohrstrecken verloren geht.

Transparenz im Dampfsystem erzeugen

In der Optimierung von Dampfsystemen steckt noch viel Potenzial. Durch gezielten Einsatz von Wirbelzählern bei Hauptmessung und Untermessungen bei den Verbrauchern wird mehr Transparenz im Dampfsystem erzeugt. Durch die zusätzliche Information zur Dampfqualität lassen sich rechtzeitig Energieverluste aufdecken und abstellen. Mit der Vermeidung von Kondensat-Ansammlungen sinkt auch die Gefahr von Dampfschlägen. Somit steigen die Effizienz und die Sicherheit im Dampfsystem.

Bildergalerie

  • Eine Warnung zu Nassdampf macht den Prozess transparenter. Angezeigte Abhilfemaßnahmen lenken eine gezielte Ursachenbeseitigung.

    Bild: Endress+Hauser

  • Blick in die Dampfleitung mit 100, 90 und 80 Prozent Dampfqualität. Kondensat benetzt die komplette Oberfläche der Rohrinnenseite und bewirkt dadurch eine Dampfkühlung und Gefahr von Dampfschlägen.

    Bild: Endress+Hauser

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