Pomiar zużycia gazu ziemnego: alternatywa termiczna dla liczników z kołem turbinowym i kwantometrów

W skrócie: Termiczne przepływomierze masowe firmy CS INSTRUMENTS mierzą zużycie gazu ziemnego bez ruchomych elementów pomiarowych i bezpośrednio wskazują standaryzowany strumień objętościowy – do monitorowania zużycia, rozliczania kosztów oraz zarządzania energią. Modele VA 550 i VA 570 są dostępne, w zależności od wersji, z certyfikacją ATEX/IECEx lub dopuszczeniem DVGW dla gazu ziemnego (do 16 barów).

Kiedy warto zastosować termiczny przepływomierz masowy?

W przemysłowych sieciach gazu ziemnego najczęściej stosuje się liczniki turbinowe, tłokowe i kwantometry; użytkownicy czasami ogólnie nazywają je licznikami łopatkowymi. Jeśli niskie natężenia przepływu nie są wystarczająco rejestrowane, ruchome elementy pomiarowe wymagają konserwacji lub brakuje cyfrowych danych dotyczących zużycia, warto rozważyć zastosowanie termicznego przepływomierza masowego do gazu ziemnego.

Jak działają gazomierze z wirnikiem turbinowym i gazomierze z tłokiem obrotowym – oraz gdzie leżą ich ograniczenia. W gazomierzu z wirnikiem turbinowym strumień gazu uderza w mechanicznie osadzony wirnik turbinowy i wprawia go w ruch; prędkość obrotowa jest proporcjonalna do prędkości przepływu, a poprzez znany przekrój rury – do natężenia przepływu objętościowego. W przypadku gazomierza z tłokami obrotowymi różnica ciśnień napędza wirniki w komorze pomiarowej, z których każdy zamyka dokładnie określoną ilość gazu i przesyła ją do konsumenta. Użyteczny zakres pomiaru mechanicznych gazomierzy zależy w dużym stopniu od typu konstrukcji, wielkości, ciśnienia roboczego i wersji wykonania: proste gazomierze często działają ze znacznie mniejszą dynamiką niż sensor termiczny.

Ograniczenia wynikające z zasad działania obu typów konstrukcji wynikają z obecności ruchomych części: łożyska ulegają zużyciu w wyniku zanieczyszczeń lub tarcia, co powoduje odchylenia pomiarowe; przekroczenie zakresu pomiarowego może spowodować uszkodzenie łożysk; niektóre łożyska wymagają regularnego smarowania – co w praktyce jest często zaniedbywane; w przypadku zanieczyszczonego gazu występują większe odchylenia, a czyszczenie jest praktycznie niemożliwe; w przypadku gazomierza z tłokiem obrotowym dochodzi jeszcze strata ciśnienia wynikająca z konstrukcji.

Rejestracja obciążenia częściowego i wartości szczytowych: modele VA 550 i VA 570 oferują zakres pomiarowy do 1:1000. Decydujące znaczenie mają rzeczywiste minimalne i maksymalne natężenie przepływu (Qmin/Qmax). W przypadku modeli VA 550 i VA 570 zakres pomiaru można dobrać odpowiednio do zastosowania (Low Speed, Standard, Max i High Speed). Kolejnymi zaletami zasady termicznej są znikoma strata ciśnienia oraz możliwość pomiaru najmniejszych konsumpcji: modele VA 550 i VA 570 są bardzo często stosowane w przypadku rur o dużych przekrojach przy niewielkiej konsumpcji gazu, gdzie mechaniczne gazomierze osiągają swoje granice.

Zapobieganie zużyciu wirnika: Zasada działania termicznego opiera się na pomiarze ciepła oddawanego przez podgrzewany sensor – bez łożysk wirnika, przy niewielkiej dodatkowej stratzie ciśnienia. Czujniki (grzałka i czujnik temperatury) zostały zaprojektowane z myślą o trudnych warunkach przemysłowych i zamontowane w cienkiej, wytrzymałej rurce ze stali nierdzewnej: brak łożysk, brak zużycia, łatwy dostęp i proste czyszczenie w razie zabrudzenia. Urządzenia są bardzo wytrzymałe i praktycznie nie wymagają konserwacji.

Bezpośrednie podawanie objętości normalizowanej: Mechaniczne gazomierze są zazwyczaj licznikami objętości roboczej; przeliczenie na objętość normalizowaną odbywa się za pomocą zewnętrznych przeliczników objętości wyposażonych w dodatkowe czujniki ciśnienia i temperatury. Aby osiągnąć wymaganą dokładność, te sensory muszą charakteryzować się wysoką precyzją i być umieszczone w liczniku lub w jego pobliżu – ich błędy pomiarowe sumują się z dokładnością licznika, która jest zazwyczaj podawana w odniesieniu do objętości roboczej. Modele VA 550 i VA 570 rejestrują termiczny przepływ masowy i na tej podstawie, przy odpowiednim ustawieniu parametrów gazu oraz określonych warunkach odniesienia, bezpośrednio podają standaryzowany strumień objętościowy; nie jest do tego potrzebny oddzielny konwerter objętości z dodatkowym pomiarem ciśnienia i temperatury. W celu przeprowadzenia porównań warunki odniesienia muszą być zgodne (np. 0 °C; 1 013,25 mbar (a) zgodnie z normą DIN 1343 – określane również jako m³/Nm³ normalny); w przypadku bilansów kWh dodaje się wartość opałową.

Objętość robocza a objętość normalna: dlaczego różnica ta ma kluczowe znaczenie w przypadku gazu ziemnego

Przy podwyższonym ciśnieniu roboczym objętość normatywna jest większa niż objętość robocza – w stosunku ciśnień absolutnych, dodatkowo skorygowana o temperaturę. Jeśli objętość robocza zostanie błędnie podana jako objętość normatywna lub dalej przetworzona, rzeczywiste zużycie gazu jest systematycznie zaniżane, a bilans kWh odzwierciedla ten błąd w stosunku 1:1, ponieważ zależy liniowo od objętości:

Do tego dochodzi zależność od temperatury: różnica między temperaturą gazu wynoszącą 20 °C a temperaturą odniesienia wynoszącą 0 °C wynosi około 7 %. Wartości te służą do ilustracji w przypadku gazu idealnego; w przypadku rozliczeń lub bardzo dokładnych przeliczeń stanu należy uwzględnić między innymi temperaturę, właściwości gazu i ściśliwość (przepisy DVGW G 685). Najczęstszym źródłem błędów w bilansach energetycznych nie jest precyzja pomiaru, lecz niezauważona nieprawidłowa odniesienie objętościowe.

Gdzie pomiar termiczny gazu ziemnego jest szczególnie opłacalny?

W rurociągach głównych i rozdzielczych punkt pomiarowy stale monitoruje całkowite zużycie gazu w budynku, obszarze lub kotłowni – w przypadku większych istniejących rurociągów interesującym rozwiązaniem jest czujnik zanurzeniowy VA 550, ponieważ nie ma potrzeby montowania kompletnego odcinka pomiarowego w linii o średnicy nominalnej. Bezpośrednio przed poszczególnymi konsumentami (kotły, palniki, urządzenia produkcyjne) widać, który konsument, kiedy i ile gazu ziemnego zużywa – stanowi to podstawę do tworzenia profili obciążenia i ośrodków kosztowych. Najbardziej miarodajne jest połączenie: pomiar główny wraz z podlicznikami pokazuje całkowite zużycie i jego rozkład.

W jaki sposób zmierzone wartości trafiają do systemu zarządzania energią?

W przypadku wielu zainstalowanych mechanicznych liczników istniejącą wartość zużycia jest przekazywana wyłącznie poprzez wyjście impulsowe; nowoczesne liczniki elektroniczne mogą również oferować interfejsy cyfrowe. Modele VA 550 i VA 570 można – w zależności od zamówionej wersji – podłączyć bezpośrednio poprzez protokół Modbus TCP w sieci Ethernet do centralnego systemu sterowania lub oprogramowania do monitorowania energii (przepływ, całkowite zużycie, temperatura gazu); nie jest wymagana bramka RTU/TCP. Opcjonalna technologia zasilania przez Ethernet łączy transmisję danych i zasilanie w jednym kablu sieciowym – co zmniejsza nakłady instalacyjne, zwłaszcza w przypadku wielu punktów pomiarowych. Alternatywnie dostępne są protokoły Modbus RTU, 4…20 mA, impulsy, M-Bus, IO-Link lub HART.

Zalety podczas montażu, konserwacji i rekalibracji

Doposażenie w czujnik zanurzeniowy VA 550: czujnik montuje się poprzez odpowiedni dostęp procesowy lub zawór kulowy. Skala głębokości i zdefiniowane ustawienie zapewniają powtarzalne położenie czujnika. VA 550 jest przystosowany do ciśnienia roboczego do 50 bar (wersja DVGW do 16 bar); montaż i demontaż pod ciśnieniem odbywa się za pomocą zaworu kulowego ½" z pierścieniem osadczym.

VA 570 jako rozwiązanie wbudowane: Podczas czyszczenia lub rekalibracji odcinek pomiarowy pozostaje w rurociągu – wyjmowana jest jedynie jednostka czujnika. W celu rekalibracji sensor należy odesłać; na czas kalibracji można zamontować czujniki zastępcze, dzięki czemu nie dochodzi do przerw w pracy.

Obsługa: W modelach VA 550 i VA 570 optyczne przyciski umożliwiają regulację bez otwierania obudowy – obsługa obu urządzeń jest identyczna. Cyfrowe informacje o urządzeniu i stanie (rejestry Modbus) ułatwiają wykrywanie usterek i sporządzanie dokumentacji przekazania.

Przykład praktyczny: Od wartości zużycia do wskaźnika procesowego

W przypadku zastosowania kotłowego rejestruje się 330 Nm³/h gazu ziemnego i 5 000 kg/h pary. Na podstawie zużycia gazu, wartości opałowej i danych dotyczących pary oblicza się sprawność kotła – w udokumentowanym przykładzie wynosi ona 84%. W ten sposób z samego pomiaru zużycia uzyskuje się wiarygodny wskaźnik służący do oceny sprawności i utrzymania ruchu. (→ Raport z zastosowania kotła parowego)

Który przepływomierz gazu ziemnego nadaje się do tego zastosowania?

Co obowiązuje w przypadku ATEX i instalacji gazowej?

Modele VA 550 i VA 570 są dostępne, w zależności od wariantu, z certyfikacją ATEX/IECEx; oznaczenie Ex tych wariantów zgodnie z kartą katalogową brzmi: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (gaz) oraz II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (pył); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. W wersji Ex dopuszczalna temperatura medium wynosi do 120 °C, a stopień ochrony to IP 65. Certyfikat badania typu UE znajduje się w sekcji plików do pobrania. Sprawdzenie przydatności do konkretnej strefy ochrony przeciwwybuchowej leży w gestii użytkownika. Firma CS INSTRUMENTS udostępnia w tym celu arkusze danych technicznych i certyfikaty Ex, nie pełni jednak funkcji doradczej w zakresie podziału na strefy ani przydatności do konkretnej instalacji.