Misurazione del consumo di gas naturale: un’alternativa termica ai contatori a turbina e ai quantometri

In sintesi: i misuratori di portata massica termici di CS INSTRUMENTS rilevano i consumi di gas naturale senza parti mobili e forniscono direttamente la portata in volumi standard – per il monitoraggio dei consumi, la gestione dei centri di costo e la gestione energetica. I modelli VA 550 e VA 570 sono disponibili, a seconda della versione, con certificazione ATEX/IECEx o con certificazione DVGW per il gas naturale (fino a 16 bar).

Quando conviene utilizzare un misuratore di portata massica termico?

Nelle reti industriali di gas naturale vengono utilizzati prevalentemente contatori a turbina, contatori a pistone e quantometri; gli utenti parlano talvolta in generale di contatori a girante. Se le portate basse non vengono rilevate in modo adeguato, se le parti mobili del contatore richiedono manutenzione o se mancano i dati digitali sui consumi, un misuratore di portata massica per il gas naturale rappresenta un’alternativa da prendere in considerazione.

Ecco come funzionano i contatori a turbina e a pistone rotante – e quali sono i loro limiti. Nel contatore a turbina, il flusso di gas incontra una turbina montata su cuscinetti meccanici e la aziona; la velocità di rotazione è proporzionale alla velocità del flusso e, tramite la sezione trasversale nota del tubo, alla portata in volumi. Nel contatore a pistoni rotanti, la differenza di pressione aziona i rotori all’interno di una camera di misura, ciascuno dei quali racchiude una quantità di gas esattamente definita e la convoglia al consumatore. Il range di misura utilizzabile dei misuratori gas meccanici dipende fortemente dal tipo di costruzione, dalle dimensioni, dalla pressione di servizio e dalla versione: i semplici quantometri funzionano spesso con una dinamica notevolmente inferiore rispetto a un sensore termico.

I limiti intrinseci di entrambi i tipi di costruzione sono le parti in movimento: i cuscinetti si deteriorano a causa dello sporco o dell’abrasione e generano scostamenti di misura; il superamento del campo di misura può causare danni ai cuscinetti; alcuni cuscinetti devono essere lubrificati regolarmente – cosa che nella pratica viene facilmente trascurata –; in presenza di gas contaminato si verificano scostamenti maggiori e la pulizia è praticamente impossibile; nel caso del contatore di gas a pistoni rotanti si aggiunge la perdita di pressione intrinseca al tipo di costruzione.

Rilevamento del carico parziale e dei picchi: i modelli VA 550 e VA 570 offrono un campo di misura fino a 1:1000. Restano determinanti la portata minima e massima effettiva (Qmin/Qmax). Con i modelli VA 550 e VA 570 è possibile selezionare il range di misura in base all’applicazione (Low Speed, Standard, Max e High Speed). Ulteriori vantaggi del principio termico sono la perdita di carico trascurabile e la rilevazione dei consumi più minimi: molto spesso i modelli VA 550 e VA 570 vengono impiegati in condotte di grande sezione con consumi di gas ridotti, dove i misuratori gas meccanici raggiungono i propri limiti.

Prevenzione dell’usura del rotore: il principio termico misura l’emissione di calore di un sensore riscaldato – senza cuscinetti del rotore e con una perdita di pressione aggiuntiva minima. I sensori (riscaldatore e sensore di temperatura) sono progettati per l’impiego in condizioni industriali difficili e sono integrati in un tubo sottile e robusto in acciaio inossidabile: nessun cuscinetto, nessuna usura, facilmente accessibili e semplici da pulire in caso di sporcizia. Gli apparecchi sono molto robusti e praticamente esenti da manutenzione.

Emissione diretta del volume normalizzato: i misuratori gas meccanici sono di norma contatori di volume operativo; la conversione in volume normalizzato avviene tramite convertitori di volume esterni dotati di sensori di pressione e di temperatura aggiuntivi. Affinché venga raggiunta la precisione richiesta, questi sensori devono essere altamente precisi e trovarsi all’interno o in prossimità del contatore – i loro errori di misura si sommano alla precisione del contatore, che di norma è indicata in volume operativo. I modelli VA 550 e VA 570 rilevano la portata massica termica e, con una configurazione adeguata dei parametri del gas e condizioni di riferimento definite, forniscono direttamente la portata in volumi standard; non è necessario un convertitore di portata separato con misurazione aggiuntiva di pressione e temperatura. Ai fini del confronto, le condizioni di riferimento devono coincidere (ad es. 0 °C; 1.013,25 mbar (a) secondo la norma DIN 1343 – indicato anche come m³/Nm³ standard); per i bilanci in kWh si aggiunge il potere calorifico.

Volume di esercizio o volume normalizzato: perché la differenza è determinante nel caso del gas naturale

In caso di pressione di servizio elevata, il volume normale è maggiore del volume operativo – in proporzione alle pressioni assolute, con un’ulteriore correzione in base alla temperatura. Se un volume operativo viene erroneamente indicato come volume normalizzato o utilizzato nei calcoli, il consumo effettivo di gas viene sistematicamente sottostimato e il bilancio in kWh riproduce l’errore in modo esatto, poiché dipende linearmente dal volume:

A ciò si aggiunge il riferimento alla temperatura: tra una temperatura del gas di 20 °C e il riferimento standard di 0 °C vi è una differenza di circa il 7 %. I valori servono a scopo illustrativo con un gas ideale; per la fatturazione o per una conversione dello stato altamente precisa occorre tenere conto, tra l’altro, della temperatura, delle caratteristiche del gas e della comprimibilità (normativa DVGW G 685). La fonte di errore più comune nei bilanci energetici non è l’accuratezza della misurazione, bensì un riferimento volumetrico errato e inosservato.

In quali casi la misurazione termica del gas naturale è particolarmente vantaggiosa?

Nelle condotte principali e di distribuzione, un punto di misura monitora continuamente il consumo totale di un edificio, di un’area o di una sala caldaie; nel caso di condotte esistenti di grandi dimensioni, il VA 550 è interessante come sensore ad inserzione, poiché non è necessario installare una sezione di misura in linea completa con diametro nominale. Direttamente a monte dei singoli consumatori (caldaie, bruciatori, impianti di produzione) è possibile vedere quale consumatore richiede quanto gas naturale e in quale momento: questa è la base per i profili di carico e i centri di costo. La soluzione più significativa è la combinazione: la misurazione principale più i contatori secondari mostra il consumo totale e la sua distribuzione.

Come vengono trasferiti i valori misurati al sistema di gestione energetica?

In molti contatori meccanici esistenti già installati, la trasmissione del valore di consumo avviene esclusivamente tramite un’uscita impulsiva; i moderni contatori elettronici possono invece offrire anche interfacce digitali. I modelli VA 550 e VA 570 possono essere integrati – a seconda della versione ordinata – direttamente nel sistema di controllo centrale o in un software di monitoraggio energetico tramite l'interfaccia Modbus TCP su Ethernet (portata, consumo totale, temperatura del gas); non è necessario un gateway RTU/TCP. Il PoE opzionale combina la trasmissione dei dati e l’alimentazione in un unico cavo di rete, riducendo così gli oneri di installazione, in particolare in presenza di più punti di misura. In alternativa sono disponibili Modbus RTU, 4–20 mA, impulsi, M-Bus, IO-Link o HART.

Vantaggi in fase di montaggio, manutenzione e ricalibrazione

Installazione a posteriori del VA 550 come sensore ad inserzione: il sensore viene installato tramite un apposito accesso di processo o una valvola a sfera. La scala di profondità e l’orientamento definito garantiscono una posizione riproducibile del sensore. Il VA 550 è progettato per pressioni di servizio fino a 50 bar (versione DVGW fino a 16 bar); l’installazione e la rimozione sotto pressione avvengono tramite una valvola a sfera da ½" con un anello di sicurezza.

VA 570 come soluzione in linea: durante la pulizia o la ricalibrazione, la sezione di misura rimane nella tubazione – viene rimossa solo l’unità sensore. Per la ricalibrazione il sensore viene inviato al produttore; è possibile installare sensori di ricambio per la durata della ricalibrazione, in modo da evitare interruzioni del funzionamento.

Funzionamento: nei modelli VA 550 e VA 570, i tasti ottici consentono di effettuare le impostazioni senza aprire la custodia; il funzionamento di entrambi i dispositivi è identico. Le informazioni digitali relative al dispositivo e allo stato (registri Modbus) facilitano la ricerca degli errori e la documentazione di consegna.

Esempio pratico: dal valore di consumo al parametro di processo

In un’applicazione con caldaia vengono rilevati 330 Nm³/h di gas naturale e 5.000 kg/h di vapore. Dal consumo di gas, dal potere calorifico e dai dati relativi al vapore si ricava il rendimento della caldaia – nell’esempio documentato pari all’84 %. In questo modo, dalla semplice misura del consumo si ottiene un indicatore affidabile per l’efficienza e la manutenzione. (→ Rapporto applicativo caldaia a vapore)

Quale misuratore di portata del gas naturale è adatto all’applicazione?

Cosa occorre sapere riguardo alle norme ATEX e agli impianti a gas?

I modelli VA 550 e VA 570 sono disponibili, a seconda della variante, con certificazione ATEX/IECEx; la marcatura Ex di queste varianti, secondo la scheda tecnica, è: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (gas) e II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (polvere); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. Nella versione Ex è prevista una temperatura del fluido fino a 120 °C e un grado di protezione IP 65. Il Certificato di esame UE del tipo è disponibile nell’area download. La verifica dell’idoneità per la specifica area di protezione contro le esplosioni spetta al gestore. CS INSTRUMENTS mette a disposizione schede tecniche e certificati Ex a tal fine, ma non svolge alcuna funzione di consulenza in merito alla suddivisione in zone o all’idoneità per un impianto specifico.