Verwendung von Durchflussmessern zur Verbesserung der Kesseleffizienz

Sep 14, 2023

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In vielen Chemiefabriken stammt der von der Anlage verbrauchte Strom aus einem Erdgaskraftwerk oder einem Blockheizkraftwerk, das Abgasströme verbrennt. In großen Kesseln (Abbildung 1) führen Kraftwerke Luft und Brennstoff (Erdgas, Abgas, Öl oder Kohle) zur Verbrennung zusammen, wodurch Wärme entsteht. Durch die Hitze kocht das Wasser und es entsteht Dampf. Der Dampf strömt durch eine Turbine, wodurch diese in Drehung versetzt wird und so Strom erzeugt wird.

Die Messung der Strömungsenergie – also Brennstoffströme, die Geld kosten – in diesen Kesselanwendungen ist entscheidend für die Verbesserung der Energieeffizienz, die Identifizierung von Abfällen und die Minimierung der in die Atmosphäre gelangenden Treibhausgase (THG). Nur mit einer genauen Durchflussmessung können Benutzer fundierte Entscheidungen zur Verbesserung der Energieeffizienz treffen.

Wie entscheiden Benutzer, welche Durchflussmessertechnologie am besten zur Messung von Gas, Wasser und Dampf für Kesselanwendungen geeignet ist? Die Auswahl der richtigen Durchflussmesser hängt von der zu messenden Flüssigkeit ab. Bei der Erörterung von Verbesserungen der Kesseleffizienz geht es vor allem um drei Anwendungen:

Die Stromerzeugung erfordert Zuluft und Brennstoff für die Verbrennung. Für eine effiziente Verbrennung in den Kesseln müssen Ingenieure das Luft- und Gasverhältnis genau messen. Zu viel Gas ist verschwenderisch, gefährlich und kostspielig; Zu wenig erzeugt eine unzureichende Flamme, um das Wasser effizient zum Kochen zu bringen.

Blenden- und Turbinenradzähler. Traditionell erfolgt die Überwachung der Brenngaszufuhr zu den Kesseleinheiten mit einer Blende oder einem Turbinenradzähler. Dies sind jedoch nicht die besten Messgeräte für diese Anwendung, da sie anfällig für Ausfälle sind und häufige fachmännische Wartung erfordern, um eine genaue und zuverlässige Messung zu gewährleisten. Auch eingeschränkte Rohrleitungsbedingungen können den Ingenieuren Kopfschmerzen bereiten. Beispielsweise erfordert ein Blendenmessgerät 10 bis 50 Durchmesser vorgeschalteter Rohrleitungen, um die Auswirkungen von Strömungsstörungen zu beseitigen. Da lange gerade Rohrstrecken schwer zu finden sind, werden die meisten Durchflussmesssysteme durch unterschiedliche Strömungsprofile innerhalb des Rohrs beeinträchtigt.

Der größte Grund zur Sorge besteht darin, dass Blenden- und Turbinenradzähler den Volumenstrom messen. Zur Berechnung bzw. Ableitung des Massendurchflusses sind zusätzliche Druck-, Temperatur- und Differenzdrucksensoren sowie ein Durchflussrechner erforderlich (Abbildung 2). Dies verschlechtert nicht nur die Genauigkeit der Durchflussmessung, sondern die Installations- und Wartungskosten bei dieser Art der kompensierten Messung erhöhen auch die Betriebskosten.

Thermische Massendurchflussmesser. Im Gegensatz dazu eignen sich thermische Massendurchflussmesser für die direkte Massendurchflussmessung von Gasen, nicht für den Volumendurchfluss. Da thermische Massendurchflussmesser die Gasmoleküle zählen, sind sie immun gegen Änderungen der Einlasstemperatur und des Einlassdrucks und messen den Massendurchfluss direkt und ohne Kompensation. Bei Ansaugluft- und Gasströmungskesselanwendungen funktionieren thermische Durchflussmesser gut, da das optimale Brennstoff-Luft-Verhältnis für eine effiziente Verbrennung in Kesseln auf Massenbasis und nicht auf Volumenbasis berechnet wird (Abbildung 3).

In der einfachsten Arbeitskonfiguration eines thermischen Durchflussmessers fließt Flüssigkeit an einem beheizten Thermosensor und einem Temperatursensor vorbei. Wenn die Moleküle der Flüssigkeit am beheizten Wärmesensor vorbeiströmen, geht Wärme an die fließende Flüssigkeit verloren. Der Thermosensor kühlt ab, während der Temperatursensor weiterhin die relativ konstante Temperatur der fließenden Flüssigkeit misst. Die Höhe des Wärmeverlusts hängt von den thermischen Eigenschaften des Fluids und seiner Fließgeschwindigkeit ab. Durch Messung der Temperaturdifferenz zwischen Thermo- und Temperatursensor kann die Durchflussmenge ermittelt werden.

Neue Entwicklungen in der Thermotechnologie mit vier Sensoren, gepaart mit stabiler „Dry Sense“-Sensortechnologie sowie fortschrittlichen thermodynamischen Modellierungsalgorithmen, ermöglichen es einigen thermischen Durchflussmessern, eine Ablesegenauigkeit von ±0,5 Prozent zu erreichen und damit mit der Genauigkeit von Coriolis-Durchflussmessern zu geringeren Kosten mitzuhalten. Integrierte Software-Apps ermöglichen außerdem die Möglichkeit der Gasmischung, In-situ-Validierung und Dial-a-Pipe.

Wasser ist außerdem eine teure Strömungsenergie und eine begrenzte Ressource. Bei Kesselanwendungen ist es wichtig, den Speisewasserzufluss zum Kessel genau zu messen, da Benutzer die Effizienz messen müssen, mit der der Kessel dieses Speisewasser in Dampf umwandelt (Abbildung 1).

Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser. Obwohl Benutzer das Einlasswasser mit einem volumetrischen Wirbeldurchflussmesser messen könnten, sind Clamp-on-Ultraschalldurchflussmesser aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und Anwendungsflexibilität ideal für Wasserdurchflussanwendungen. Sie erreichen eine hohe Genauigkeit bei niedrigen und hohen Durchflussmengen, sparen Zeit, ohne dass Rohre geschnitten oder Prozesse abgeschaltet werden müssen, und werden nicht durch externe Geräusche beeinträchtigt. Fortschritte in der Ultraschalltechnologie verfügen nun über integrierte Software und Apps, die die Installation des Messgeräts vereinfachen und ein visuelles Signal dafür liefern, dass die Installation korrekt durchgeführt wurde.

Der Dampf des Kessels muss genau gemessen werden, um festzustellen, ob der Kessel die erwartete Dampfmenge produziert oder auf eine höhere Effizienz abgestimmt werden muss (Abbildung 1). Traditionell wurde der Dampfdurchfluss mit einem Differenzdruckgerät, typischerweise einer Messblende, gemessen.

Bei solchen Geräten handelt es sich jedoch grundsätzlich um volumetrische Durchflussmessungen. Druck- und Temperaturänderungen verändern den Massendurchsatz des Dampfes. Selbst eine „kleine“ Änderung des Dampfdrucks um 10 Prozent führt zu einem Fehler von 10 Prozent beim nicht kompensierten Massenstrom. Das bedeutet, dass in einer typischen Differenzdruckmessanlage der Volumenstrom durch Messung von Temperatur und Druck kompensiert werden muss. Diese drei Messungen (ΔP, T und P) werden in einen Durchflusscomputer integriert, um den Massendurchfluss zu berechnen.

Multivariable Wirbeldurchflussmesser mit Einschub. Multivariable Wirbeldurchflussmesser mit Einschub messen die Dampfproduktion von Kesseln genauer. Ein Einsteckwirbel-Durchflussmesser mit einem Prozessanschluss misst gleichzeitig Massendurchfluss, Temperatur, Druck, Volumendurchfluss und Flüssigkeitsdichte. Die Dichte von gesättigtem Dampf variiert je nach Temperatur oder Druck, während überhitzter Dampf je nach Temperatur und Druck variiert. Daher stellen multivariable Wirbeldurchflussmesser sicher, dass die Dichteberechnungen des Durchflussmessers und damit auch die Messungen des Massendampfdurchflusses korrekt sind.

Gereinigte Terephthalsäure (PTA) ist die Vorstufe von Polyethylenterephthalat (PET), dem allgegenwärtigen Material, das weltweit in Plastikflaschen, Textilien und anderswo verwendet wird. Ein PTA-Chemiewerk in China erzeugt Dampf und Strom aus seinem Kraftwerk vor Ort und nutzt dabei Kohle als Brennstoff. Es gibt auch eine Abwasseraufbereitungsanlage, die Methan produziert, das abgefackelt wurde. Beide Prozesse sind große Treibhausgasemittenten.

Neue staatliche Vorschriften verpflichteten das Unternehmen, seine CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Anlage beschloss, ihre vier Kessel so umzubauen, dass sie sowohl Kohle als auch das zuvor abgefackelte Abgas (Methan) verbrennen, wodurch jedes Jahr etwa 0,5 Millionen US-Dollar an Kohle eingespart werden. In Zusammenarbeit mit einem Komplettanbieter überarbeiteten die Ingenieure die Kesselkonstruktionen und installierten industrielle thermische Durchflussmesser zur Messung der Verbrennungsluft und des Abgasbrennstoffs.

Ein thermischer Durchflussmesser misst den Abgasstrom, während die anderen vier thermischen Durchflussmesser für die Untermessung dieses Gasstroms an jeden Kessel sorgen. Weitere vier Messgeräte messen vorgewärmte (200 °C, 392 °F) Verbrennungsluft zu jedem Kessel, sodass das Kesselsteuerungssystem das Brennstoff-Luft-Verhältnis optimieren kann. Die Durchflussmesser lieferten sowohl präzise Durchflussdaten zur Einhaltung behördlicher Vorschriften als auch halfen dem Unternehmen, Abfall zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz zu steigern.

Weitere potenzielle Messanwendungen werden derzeit geprüft, darunter:

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Scott A. Rouse ist Vizepräsident für Produktmanagement bei Sierra Instruments.