Auswahl des Gasdurchflussmessgeräts

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Eigenschaften des Mediums: Es gibt viele verschiedene Arten von Gasen, deren Zusammensetzung außerdem sehr komplex ist. Im Allgemeinen lassen sich Gase in natürliche Gase und künstliche Gase einteilen. Die Hauptbestandteile von Gas sind: CO, H2, CO2, N2, O2, CH4, H2S usw. Der Anteil dieser Bestandteile hängt von der Herstellungsweise des Gases ab. Künstliches Gas ist ein aus Kohle hergestelltes Gas, das brennbare Bestandteile enthält. Je nach Verarbeitungsmethode, Eigenschaften des Gases und Anwendungszweck wird unterschieden zwischen Wasserstoffgas, Halbwasserstoffgas sowie Luftgas (auch als Bogenofengas bezeichnet). Das bei der Kohlekokung gewonnene Gas wird als Kokergas oder Hochofengas bezeichnet. Gas ist korrosiv und giftig; zu den korrosiven Bestandteilen gehören hauptsächlich Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Kohlendioxid usw. Diese Gase sind nur in Gegenwart von Wasserdampf korrosiv. Zu den giftigen Bestandteilen von Gasen gehören Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Benzol – einige dieser Stoffe sind in manchen Nebengasen nicht enthalten. Diese Stoffe finden sich hauptsächlich im Koksgas. Viele Gase enthalten Staub, und die Menge hängt von der Verarbeitungsmethode ab. Einige Gase enthalten außerdem Feuchtigkeit sowie Teer. Tatsächliche Betriebsbedingungen: Die tatsächlichen Betriebsbedingungen von Erdgas sind ziemlich komplex, und es gibt keine eindeutigen Regeln dafür. Aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren weichen die tatsächlichen Betriebsbedingungen vor Ort voneinander ab. Einige der einheitlicheren Merkmale sind: niedriger statischer Druck, niedrige Strömungsgeschwindigkeit und geringe zulässige Druckverluste. Im Allgemeinen ist es nicht zulässig, die Strömungsgeschwindigkeit durch Verringerung des Rohrdurchmessers zu erhöhen. Einige Gasflüssigkeiten enthalten Feuchtigkeit, und einige Messobjekte enthalten außerdem eine geringe Menge Wasser, das sich am Boden der Rohre schichtweise bewegt. Bei einigen zu messenden Stoffen ist der Wasserstoffgehalt relativ hoch, die Flüssigkeitsdichte gering. Der Unterschied zwischen dem minimalen und maximalen Durchfluss ist groß. Die Transportrohre haben einen großen Durchmesser, und die Strecken mit geraden Rohrabschnitten sind kurz. Arten von Messgeräten und deren Verwendung Es gibt viele Arten von Flowmessengeräten, die zur Messung des Gasflusses eingesetzt werden können. Doch geeignete Messgeräte für den Gasfluss von Kohlegas sind kaum zu finden – und das liegt hauptsächlich an den Eigenschaften des Kohlegases. Aufgrund des Vorhandenseins von zähen Stoffen wie Teer sind rotierende Volumenstrommesser schwer zu verwenden, und Gas-Turbine-Strömungsmesser sowie Rotationsströmungsmesser eignen sich ebenfalls nicht. Aufgrund der geringen Dichte, der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit sowie des großen Schwankungsbereichs des Durchflusses unterscheidet sich der Durchfluss in Zeiten hoher Belastung um mehr als das 20-Fache vom Durchfluss in Zeiten geringer Belastung. Dadurch ist die Verwendung von Wirbelstrommessern sowie Druckdifferenzmessern eingeschränkt. Derzeit werden hauptsächlich Differenzdruck-Massenflussmesser sowie thermische Massenflussmesser für Gase eingesetzt; gelegentlich werden auch Ultraschall-Massenflussmesser für Gase verwendet. Hier wird eine Erläuterung zu den Anwendungen der wichtigsten Durchflussmessgeräte gegeben: (1) Wirbelstrommessgeräte: Aufgrund der Eigenschaften von Erdgas – niedriger Fließgeschwindigkeit, niedrigem Druck sowie großen Schwankungen im Durchfluss – können Faktoren wie Korrosion, Vibrationen durch Druckvorrichtungen sowie zufällige Druckschwankungen des Gases die Genauigkeit der Wirbelstrommessgeräte beeinträchtigen. Außerdem ist es in der Praxis schwierig, eine Strömungsgeschwindigkeit von über 5 m/s für das Gas zu gewährleisten. Daher eignet sich die Wirbelstrommethode nicht für die Messung des Gasdurchflusses; derzeit gibt es nur wenige Anwendungen. (2) Differenzdruck-Massenmesser mit Lochplatte: Differenzdruck-basierte Massenmesser haben ein breites Anwendungsspektrum und eine lange Geschichte. Bei der Messung des Gasflusses gibt es in bestimmten Fällen immer noch Anwendungsmöglichkeiten für sie. Doch die eigenen Mängel und Einschränkungen von Differenzdruckstrommessern begrenzen ihre breitere Anwendung – beispielsweise führen Wassertröpfchen in den Druckleitungen zu ungenauen Druckdifferenzen. Unter Prozessbedingungen mit großen Lastschwankungen reicht das geringe Messbereichsverhältnis von Differenzdruckmessgeräten nicht aus. Großdurchmesser-Flussmesser haben hohe Anforderungen an die Installation und sind schwierig in der Montage – das sind Faktoren, die Flussmesser auf Basis von Differenzdruck einschränken. Gas enthält Staub, weshalb Standard-Durchflussmessplatten in dieser Umgebung nicht eingesetzt werden können. Um dieses Problem zu überwinden, wurden verschiedene Drosselvorrichtungen entwickelt, wie z. B. Durchflussmessplatten mit abgerundeten Öffnungen, austauschbare Durchflussmessplatten sowie mehrere parallel geschaltete Rohre. Die Wirkung ist unterschiedlich, und nur unter bestimmten Bedingungen kann eine bessere Wirkung erzielt werden. (3) Durchflussmesser mit Volumenstromrohr: Das Volumenstromrohr gehört ebenfalls zu den Durchflussmessern auf Basis von Differenzdruck. Bei der Messung des Gasflusses in Rohren mit großem Durchmesser wird aufgrund der hohen Herstellungskosten sowie der umständlichen und unpraktischen Installation von austauschbaren Düsen oft ein Differentialdruckmessgerät mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit in Betracht gezogen – insbesondere dann, wenn die Messdaten nur zur Prozessüberwachung verwendet werden und keine hohe Genauigkeit erforderlich ist. Der Schlüssel zum Erfolg der Differenzdruck-Massenflussmessung mit Volumenstromrohr bei der Messung des Gasflusses ist, dass die Druckleitungen nicht von Wassertropfen oder schmutzigen Partikeln verstopft werden. Da die in den standardisierten Strömungsmessrohren verwendeten Schalventile meist Nadelventile sind, ist deren Durchmesser gering. Dadurch können die Wasserdämpfe im Fluid zu Wassertröpfchen kondensieren. Zudem können größere Partikel oder Verunreinigungen im Fluid die Druckleitungen verstopfen. Aus Sicht der praktischen Anwendung gibt es viele Probleme: Die Ausfallrate ist hoch und die Wartungsaufwände sind groß. Thermischer Gasstrommesser: Ein thermischer Strommesser ist ein Durchflussmessgerät, das auf dem Prinzip der Wärmeausdehnung beruht. Dabei wird die Menge an Wärme, die von einem wärmenden Objekt abgegeben wird, wenn Flüssigkeit daran vorbeifließt, in einem bestimmten Verhältnis zum Durchfluss der Flüssigkeit verwendet. Die Sensoren dieser Messgeräte bestehen aus zwei Standard-RTD-Sensoren – einer dient als Wärmequelle, der andere zur Messung der Temperatur der Flüssigkeit. Wenn die Flüssigkeit fließt, besteht zwischen diesen beiden Sensoren ein temperaturbedingter Unterschied, der in einem linearen Verhältnis zum Durchfluss steht. Mit Hilfe von Mikroelektroniktechnologien wird dieses Verhältnis in einen linearen Ausgangssignal für die Messung des Durchflusses umgewandelt. Der wärmebasierte Gasmassenstrommesser weist folgende Eigenschaften auf: Er kann sehr geringe Durchflussraten messen, besitzt keine beweglichen Teile und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus. Der Druckverlust ist sehr gering und kann fast vernachlässigt werden. Direkte Messung des Massenstroms, ohne Temperatur- und Druckkompensation. Der Messbereich ist äußerst groß – 1000:1. Der Preis hängt kaum vom Rohrdurchmesser ab; insbesondere bei größeren Rohrdurchmessern zeigt sich der Preis-Leistungs-Vorteil. Die Installation ist einfach und das Gerät ist vibrationsfest. Gute Wiederholgenauigkeit, nahezu wartungsfrei. (5) Ultraschall-Messgerät für Gasströme: Ein Ultraschall-Messgerät zur Messung des Gasflusses, das in der Regel über einen eigenen Messkanal verfügt und als Flussmessgerät nach dem Zeitunterschiedsverfahren mit Ultraschallwandlern usw. aufgebaut ist. Übertrager werden in der Regel entlang der Rohrwand montiert und stehen in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit. Die von einem Übertrager ausgesendeten Ultraschallimpulse werden von einem anderen Übertrager aufgenommen – und umgekehrt. Ultraschallimpulse durchqueren die Rohrleitung wie Fähren einen Fluss; ohne Strömung würden sich die Schallwellen mit derselben Geschwindigkeit in beide Richtungen ausbreiten. Wenn die Geschwindigkeit des Gasstroms nicht null ist, sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Richtung des Stroms sowie entgegen dieser Richtung unterschiedlich. Anhand dieser beiden Unterschiede in den Ausbreitungszeiten kann die Geschwindigkeit des Gasstroms berechnet werden. Gas-Ultraschall-Flussmesser zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit, keinen Druckverlust, ein hohes Messbereichsverhältnis sowie eine einfache Installation aus (kein Bohren oder Schweißen in den Rohren erforderlich). Sie eignen sich für komplexe Betriebsbedingungen wie verschmutzte Gase, gasförmige Stoffe mit hohem Feuchtigkeitsgehalt, korrosive Gase sowie Gemischgase und ermöglichen außerdem die Messung in beide Richtungen. Aufgrund der unterschiedlichen technischen Leistungen der einzelnen Marken sind die aktuellen Preise so hoch, dass dies die Anwendung direkt einschränkt. Im Vergleich weisen Wärmemassenstrommesser bei der Messung des Gasflusses durch Stadtgas deutliche Vorteile auf. (1) Installation: Bei der Messung des Gasflusses sind bei Durchflussmessern vom Typ Ableitungsmesser (einschließlich Volumenstrommessrohren) Temperatur- und Druckkompensation erforderlich. Die Montage erfordert viel Arbeit, und die Montagekosten sind hoch – insbesondere bei großen Rohrdurchmessern. Aufgrund der vielen montierten Anbauteile entstehen leicht Probleme mit Leckagen, was die tägliche Wartungsarbeit erhöht. Bei Wärmemassenstrommessern ist für die Messung des Gasflusses keine Temperatur- und Druckkompensation erforderlich; der gemessene Wert stellt den Massenstrom dar, **was die Anforderungen an Kompensationsmechanismen zur Stabilisierung des Drucks bei der Messung von Gas mit anderen Typen von Strommessern verringert.** Durch die Senkung der Installierungskosten werden außerdem Leckstellen und Fehlerquellen reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit des Instruments bei längerer Nutzung gewährleistet wird. Bei den Sensorkomponenten gibt es praktisch keinen Druckverlust; es entstehen keine hygienischen Blindstellen oder Verstopfungen, die die Erfassung des Sensorsignals beeinträchtigen könnten. Es sind speziell konstruierte Edelstahl-Komponenten für die Anschlüsse im Prozessverlauf erhältlich. Diese Anschlüsse sind so konzipiert, dass das Messgerät bei mehrfachem Entfernen aus den Rohrleitungen nicht beschädigt wird. Es ist möglich, den Durchflussmesser online und ohne Unterbrechung zu demontieren, was die Verwaltung und Steuerung der Produktionsprozesse für die Nutzer erheblich erleichtert. Außerdem kann bei der Messung des Gasflusses in Medien mit korrosiver Wirkung ein thermischer Gasstrommesser mit Sensoren aus Materialien verwendet werden, die äußerst korrosionsbeständig sind. Für die Überwachung des Gasflusses, der Teer enthält, gibt es bei den thermischen Durchflussmessern zwei mögliche Lösungen: Die erste Lösung besteht darin, einen axialen Sensor zu verwenden (derzeit gibt es bereits Produkte auf dem Markt, siehe Abbildung). Um es den Kunden zu erleichtern, den schmutzigen Schmutz regelmäßig zu entfernen, werden außerdem Modelle zur thermischen Reinigung sowie Bohrwerkzeuge eingesetzt. Durch geeignete Methoden kann sichergestellt werden, dass der thermische Gasflussmesser im Falle von Verunreinigungen an der Sensoreinheit diese online und ohne Unterbrechung des Gasflusses reinigen kann. Die zweite Lösung besteht darin, die Sensoren der thermischen Gasstrommessgeräte speziell zu behandeln, um die Zeit zu verlängern, über die sich Teerablagerungen an den Sensoren festsetzen können. Zudem soll dadurch die Reinigung der Sensoren erleichtert werden (siehe Abbildung). 2) Messbereich: Der thermische Gasflussmesser kann Gasflussraten von einem Mindestwert von 0,05 Nm/s bis zu einem Höchstwert von 100 Nm/s messen. Das Messbereichsverhältnis kann 1:1000 betragen. Gas-Ultraschall-Flussmesser können Flussraten im Bereich von 0,01 m/s bis 25 m/s messen. Diese beiden Durchflussmesser können große Schwankungen des Durchflusses, die durch unterschiedliche Gaslasten entstehen, bewältigen – das ist der herausragendste Vorteil der thermischen Gasdurchflussmesser gegenüber anderen Durchflussmessern. Differentialdruck-Massenmessgeräte weisen aufgrund des quadratischen Zusammenhangs zwischen dem Messsignal (Differentialdruck) und der Durchflussmenge in der Regel nur ein Messbereichsverhältnis von 3:1–4:1 auf. Durch die Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technik sowie den Einsatz von Elektronenrechnern sind Differenzdruck-Transmitter mit einem weiten Messbereich entstanden. Dadurch konnte das Messbereichsverhältnis von Differenzdruck-Durchflussmessgeräten erheblich verbessert werden. Heutzutage kann das Messbereichsverhältnis bei solchen Geräten 1:10 betragen. Doch dieses Verhältnis reicht für viele Anwendungen, bei denen die Durchflusswerte stark schwanken, immer noch nicht aus. (3) Genauigkeit: Die thermischen Massenstrommessgeräte haben sich über einen Zeitraum von mehr als vierzig Jahren weiterentwickelt, wodurch in allen relevanten Technologien erhebliche Fortschritte erzielt wurden. Moderne thermische Massenstrommessgeräte erreichen bei der Messung von Gasen mit einem einzigen Medium eine Gesamtgenauigkeit von ±1,0 % FS (im Messbereich von 1:100). Die Wiederholgenauigkeit liegt bei ±0,25 % FS – das ist eine durchaus hohe Genauigkeit im Bereich der Gasmessung. Da die Bestandteile des Gases jedoch ein Gemisch aus verschiedenen Stoffen sind (ähnlich wie bei der Untersuchung anderer Gemische, siehe dazu Referenzen), führen Veränderungen in den Bestandteilen des Gemisches zu Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Gases. Was das Problem betrifft, dass Veränderungen in den Bestandteilen des zu messenden Gases die Ausgangssignale des Durchflussmessers beeinflussen, so verfügen die meisten Durchflussmesser nicht über geeignete Methoden, um dies zu bewältigen. Der thermische Massendurchflussmesser nutzt hingegen Algorithmen zur Kompensation der Bestandteile sowie Algorithmen zur Temperaturkompensation. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass bei Veränderungen in den Bestandteilen des Gases oder bei Temperaturänderungen die durch diese Veränderungen entstehenden Fehler beseitigt werden können. Nach einer einmaligen Kalibrierung – wobei in der Regel Luft als Kalibriermedium verwendet wird – kann das Gerät unter verschiedenen Zusammensetzungen und Temperaturen eingesetzt werden. Dadurch werden die Aufwand und Kosten für eine erneute Kalibrierung erspart. Die Einführung und Verbreitung von thermischen Massenstrommessern legte die technische Grundlage und gewährleistete deren Einsatz. Angesichts der guten Linearität und Wiederholgenauigkeit der thermischen Massenstrommessgeräte sind diese bei der Messung des Gasflusses zweifellos die beste Wahl – insbesondere dann, wenn es nicht um Handelsmessungen geht, sondern nur um Anwendungen im Rahmen der Prozesssteuerung. Aus Sicht des Kosten-Nutzen-Verhältnisses sind thermische Strommessgeräte somit die optimale Lösung. Differenzdruckstrommessgeräte sind stark von verschiedenen Faktoren beeinflusst; bei Problemen in jedem Schritt – von der Konstruktion über die Fertigung bis zur Installation – können erhebliche Fehler entstehen. Insbesondere bei der Messung von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ist der entstehende Druckunterschied besonders gering – manchmal beträgt er nur einige Dutzend Pascal oder sogar nur wenige Pascal. Bei einem so geringen Differenzdruck ist er stark von Störungen beeinflusst – bereits ein winziger Wassertropfen, ein Schmutzkorn oder etwas Öl reichen aus, um den Differenzdruck auszugleichen. Daher ist es bei Durchflussmessern, die auf dem Prinzip des Druckunterschieds beruhen, nicht möglich, eine sehr hohe Gesamtgenauigkeit bei der Messung von Gas zu erreichen. Außerdem sind Druckdifferenzstrommessgeräte aus Gründen der Stabilität und der einfachen Wartung den thermischen Strommessgeräten unterlegen. Die Vorteile von Ultraschall-Massenmessern für Gase sind unbestreitbar, doch die Anschaffungskosten dieser Geräte sind recht hoch. Derzeit werden sie hauptsächlich bei der Abrechnung im Handel eingesetzt. (4) Druckverlust: Da bei Ultraschall-Flussmessern für Gase die Sensoren außerhalb der Rohrleitung angebracht werden, entsteht kein Druckverlust. Aufgrund ihrer Konstruktion weisen Wärmestrommessgeräte einen sehr geringen Betriebsdruckverlust auf. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und großen Rohrdurchmessern kann der Druckverlust vernachlässigt werden. Bei Differenzdruck-Durchflussmessern ist das anders: Der hohe Druckverlust ist einer der Hauptnachteile von Differenzdruck-Durchflussmessern. Der Druckverlust ist eine der wichtigsten Herausforderungen und Hindernisse bei der Energieeinsparung. Bei der langstreckigen Übertragung von Gas sind die Anforderungen an den Druckverlust noch höher; andernfalls kommt es zu einem erheblichen Anstieg des Stromverbrauchs sowie zu weiteren Kosten. Daher ist die Verwendung von Differenzdruck-Messgeräten in Systemen zur Messung des Gasflusses aus langfristiger Sicht sowie unter Berücksichtigung der Kriterien für Energieeinsparung und -reduzierung keine optimale Wahl. Im Folgenden finden Sie einen Vergleich verschiedener Durchflussmesser:
Druckdifferenz-Durchflussmesser, Konstantgeschwindigkeits-Rohrdurchflussmesser, Ultraschall-Durchflussmesser für Gase, thermische Massedurchflussmesser für Gase.
Druckverlust: hoch, gering, keiner, sehr gering.
Messung von Zweirichtungsströmungen: nein, nein, ja, ja.
Wiederholgenauigkeit: 0,1 %, 0,5 %, 0,15 %, 0,2 %.
Anforderungen an die Installation: anspruchsvoll, normal, normal, normal.
Eigenschaften bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten: schlecht, schlecht, gut, gut.
Messbereichsverhältnis: 10:1, 10:1, 50:1, 100:1.
Lebensdauer: kurz, länger, lang, lang.
Wartungsaufwand: hoch, hoch, regelmäßige Wartung, regelmäßige Wartung.
Sicherheitsleistung: gering, hoch, sehr hoch, sehr hoch.
Preis: niedrig, normal, sehr hoch; der Preis steht in umgekehrtem Verhältnis zum Rohrdurchmesser