Merjenje porabe zemeljskega plina: Toplotna alternativa števcem s turbinskim kolesom in kvantometrom

Na kratko: Toplotni merilniki masnega pretoka podjetja CS INSTRUMENTS merijo porabo zemeljskega plina brez gibljivih merilnih delov in neposredno prikazujejo standardni volumski pretok – za spremljanje porabe, stroškovna mesta in upravljanje z energijo. Modela VA 550 in VA 570 sta glede na izvedbo na voljo z ATEX/IECEx-certifikatom oziroma z DVGW-certifikatom za zemeljski plin (do 16 bar).

Kdaj se splača uporabiti termični senzor masnega pretoka?

V industrijskih omrežjih zemeljskega plina se večinoma uporabljajo turbinski merilniki, batni merilniki plina in kvantometri; uporabniki jih včasih na splošno imenujejo lopatasti merilniki. Če se nizki pretoki nezadostno merijo, če gibljivi merilni deli povzročajo potrebo po vzdrževanju ali če manjkajo digitalni podatki o porabi, je termični senzor masnega pretoka za zemeljski plin alternativa, ki jo je vredno preučiti.

Tako delujejo turbinski in rotacijski plinski merilniki – in kje so njihove omejitve. Pri turbinskem plinskem merilniku plinski tok naleti na mehansko nameščeno turbinsko kolo in ga poganja; število vrtljajev je sorazmerno s hitrostjo pretoka in prek znanega preseka cevi s prostorninskim pretokom. Pri plinskem merilniku z rotacijskimi batki razlika v tlaku poganja rotorje v merilni komori, ki vsak zapirajo natančno določeno količino plina in jo naprej prenašajo do porabnika. Uporabno merilno območje mehanskih merilnikov plina je močno odvisno od konstrukcijske izvedbe, velikosti, delovnega tlaka in izvedbe: preprosti kvantometri pogosto delujejo z znatno manjšo dinamičnostjo kot termični senzor.

Omejitve obeh tipov, ki izhajajo iz samega delovnega principa, so gibljivi deli: ležaji se zaradi umazanije ali obrabe starajo in povzročajo odstopanja pri merjenju, prekoračitve merilnega območja lahko povzročijo poškodbe ležajev, nekateri ležaji morajo biti redno mazani – kar se v praksi pogosto zanemarja –, pri onesnaženem plinu nastanejo večja odstopanja, čiščenje pa je skoraj nemogoče; pri plinskem števcu z vrtljivim batom se k temu doda še izguba tlaka, ki je posledica konstrukcije.

Merilo	Merilnik s turbinskim kolesom / Quantometer	Termični merilnik masnega pretoka
Merjena veličina	običajno delovni volumen	masni pretok, iz katerega se izračuna standardni volumen (npr. po DIN 1343 1013,25 mbar; 0 °C)
Gibljivi deli	da	ne
Majhni pretoki	odvisno od izvedbe	možna visoka dinamičnost (do 1:1000)
Tlačni padec	visok	zanemarljivo majhna
Standardni volumen	Potreben je pretvornik količine + kompenzacija tlaka in temperature	pri pravilni nastavitvi parametrov neposredno
Digitalna integracija	odvisno od naprave	odvisno od izvedbe: Modbus TCP/RTU, M-Bus, IO-Link, HART in drugi
Naknadna vgradnja v velike cevovode	zahtevno	možnost vgradnje vstavnega senzorja

Merjenje delne obremenitve in konic: VA 550 in VA 570 ponujata merilno območje do 1:1000. Odločilna sta dejanski minimalni in maksimalni pretok (Qmin/Qmax). Pri modelih VA 550 in VA 570 je mogoče merilno območje izbrati glede na namembnost (Low Speed, Standard, Max in High Speed). Druge prednosti termičnega načela so zanemarljiva majhna izguba tlaka in merjenje najmanjših porab: modela VA 550 in VA 570 se zelo pogosto uporabljata pri velikih prečnih prerezih cevi z majhno porabo plina, kjer mehanski merilniki plina dosegajo svoje meje.

Preprečevanje obrabe rotorja: Toplotni princip meri na podlagi oddajanja toplote ogrevanega senzorja – brez ležajev rotorja in z majhnim dodatnim padcem tlaka. Senzorji (grelec in temperaturni senzor) so razviti za zahtevno industrijsko uporabo in vgrajeni v tanko, robustno cev iz nerjavečega jekla: brez ležajev, brez obrabe, zlahka dostopni in v primeru onesnaženja enostavni za čiščenje. Naprave so zelo robustne in skoraj brez vzdrževanja.

Neposredno izpisovanje normativnega volumna: Mehanski merilniki plina so praviloma merilniki delovnega volumna; pretvorba v normativni volumen poteka prek zunanjih pretvornikov količine z dodatnimi senzorji tlaka in temperature. Da se doseže zahtevana natančnost, morajo biti ti senzorji izjemno natančni in nameščeni v merilniku ali v njegovi neposredni bližini – njihove merilne napake se prištejejo k natančnosti merilnika, ki je običajno navedena za delovni volumen. VA 550 in VA 570 merita termični masni pretok in na podlagi tega ob ustrezni nastavitvi parametrov plina in določenih referenčnih pogojih neposredno prikazujeta normni volumski pretok; za to ni potreben ločen pretvornik količine z dodatnim merjenjem tlaka in temperature. Za primerjave morajo biti referenčni pogoji enaki (npr. 0 °C; 1.013,25 mbar (a) po standardu DIN 1343 – označeno tudi kot normni m³/Nm³); za bilance v kWh se prišteje še kalorična vrednost.

Delovni volumen ali standardni volumen: zakaj je razlika pri zemeljskem plinu odločilna

Pri povečanem delovnem tlaku je normirani volumen večji od delovnega volumna – v razmerju absolutnih tlakov, dodatno popravljenem glede na temperaturo. Če se obratovalni volumen napačno navede kot normativni volumen ali se na tej podlagi nadalje obdeluje, se dejanska poraba plina sistematično podcenjuje, bilanca v kWh pa sledijo tej napaki ena proti ena, saj je linearno odvisna od volumna:

Delovni nadtlak	Razmerje med normativnim volumnom in delovnim volumnom (idealni plin, brez temperaturnega člena)	Podcenjevanje ob zamenjavi
50 mbar	≈ 1,05	≈ 5 %
100 mbar	≈ 1,10	≈ 10 %
500 mbar	≈ 1,49	≈ 33 %
1 bar	≈ 1,99	≈ 50 %
4 bar	≈ 4,95	≈ 80 %

K temu je treba upoštevati še temperaturo: razlika med temperaturo plina 20 °C in standardno temperaturo 0 °C znaša približno 7 %. Vrednosti so navedene za ponazoritev z idealnim plinom; za obračunavanje ali visoko natančno pretvorbo stanja je treba upoštevati med drugim temperaturo, lastnosti plina in stisljivost (predpisi DVGW G 685). Najpogostejši vir napak v energetskih bilancah ni natančnost merjenja, temveč neopažena napačna volumetrična referenca.

Kje se merjenje toplotnega zemeljskega plina še posebej izplača?

V glavnih in razdelilnih ceveh merilna točka neprekinjeno spremlja skupno porabo stavbe, območja ali kotlovnice – pri večjih obstoječih ceveh je VA 550 zanimiv kot vstavni senzor, saj ni treba vgraditi celotnega merilnega odseka v nominalni premer. Neposredno pred posameznimi porabniki (kotli, gorilniki, proizvodne naprave) je vidno, kateri porabnik kdaj porabi koliko zemeljskega plina – to je podlaga za obremenitvene profile in stroškovna mesta. Najbolj zgovorna je kombinacija: glavno merjenje skupaj s podštevilčniki prikazuje skupno porabo in njeno porazdelitev.

Kako se merilne vrednosti prenesejo v sistem za upravljanje z energijo?

Pri mnogih nameščenih mehanskih merilnikih se vrednost porabe prenaša zgolj prek impulznega izhoda; sodobni elektronski merilniki lahko ponujajo tudi digitalne vmesnike. VA 550 in VA 570 se lahko – odvisno od naročene izvedbe – prek Modbus TCP prek omrežja Ethernet neposredno vključita v centralno krmilno tehnologijo ali programsko opremo za spremljanje porabe energije (pretok, skupna poraba, temperatura plina); RTU/TCP-vmesnik ni potreben. Izbirni PoE združuje prenos podatkov in napajanje v enem omrežnem kablu – to zmanjša obseg inštalacijskih del, zlasti pri več merilnih točkah. Alternativno so na voljo Modbus RTU, 4–20 mA, impulz, M-Bus, IO Link ali HART.

Prednosti pri montaži, vzdrževanju in ponovni kalibraciji

Dodatna oprema VA 550 kot vstavni senzor: senzor se vgradi prek ustreznega procesnega dostopa ali krogelnega ventila. Lestvica globine in določena usmeritev zagotavljata ponovljivo pozicijo senzorja. Senzor VA 550 je zasnovan za delovne tlake do 50 bar (izvedba DVGW do 16 bar), vgradnja in odstranitev pod tlakom potekata prek ½"-krogelnega ventila z varovalnim obročem.

VA 570 kot rešitev v liniji: Pri čiščenju ali ponovni kalibraciji merilni odsek ostane v cevi – odstrani se le senzorska enota. Za ponovno kalibracijo se senzor pošlje v servis; za čas kalibracije je mogoče vgraditi nadomestne senzorje, tako da ne pride do prekinitve delovanja.

Upravljanje: Pri modelih VA 550 in VA 570 omogočajo optični gumbi nastavitve brez odpiranja ohišja – upravljanje obeh naprav je enako. Digitalne informacije o napravi in stanju (Modbus-registri) olajšujejo odkrivanje napak in pripravo dokumentacije za predajo.

Praktični primer: Od vrednosti porabe do procesnega kazalnika

Pri uporabi v kotlu se merita 330 Nm³/h zemeljskega plina in 5.000 kg/h pare. Iz porabe plina, kurilne vrednosti in podatkov o pari se izračuna izkoristek kotla – v dokumentiranem primeru 84 %. Tako se iz čistega merjenja porabe pridobi zanesljiv kazalnik za učinkovitost in vzdrževanje. (→ Poročilo o uporabi parnega kotla)

Kateri merilnik pretoka zemeljskega plina je primeren za to aplikacijo?

Senzor	Razvrstitev
VA 570	Vgrajen z integrirano merilno sekcijo – izvedbe s prirobnico DN 15–80, izvedbe z navojem ½"–2"; delovni tlak 16 bar (posebna izvedba 40 bar); merilna glava se lahko odstrani za kalibracijo, merilni odsek pa ostane v cevi z zapiralnim pokrovčkom; glede na izvedbo ATEX/IECEx oziroma DVGW.
VA 550	Vstavni senzor za večje in obstoječe cevi – še posebej zanimiv za naknadno vgradnjo prek ustreznega merilnega priključka; glede na izvedbo ATEX/IECEx oziroma DVGW.

Kaj velja za ATEX in plinske inštalacije?

VA 550 in VA 570 sta glede na različico na voljo z ATEX/IECEx-odobritvijo; oznaka Ex za te različice je v skladu s tehničnim listom: ATEX II 2G Ex db IIC T4 Gb (plin) ter II 2D Ex tb IIIC T90 °C Db (prah); IECEx Ex db IIC T4 Gb / Ex tb IIIC T90 °C Db. V izvedbi Ex velja temperatura medija do 120 °C in stopnja zaščite IP 65. Potrdilo o preskusu tipa EU je na voljo v rubriki za prenos datotek. Preverjanje primernosti za določeno območje zaščite pred eksplozijami je v pristojnosti upravljavca. CS INSTRUMENTS za to zagotavlja tehnične liste in certifikate Ex, vendar ne prevzema svetovalne vloge glede razvrstitve območij ali primernosti za določeno napravo.

Opomba glede zaščite pred eksplozijami: Za varno merilno mesto so potrebni ustrezna merilna naprava, strokovna namestitev in potrebni pregledi. Pri električnih napravah za zaščito pred eksplozijami je treba upoštevati zlasti veljavni standard DIN EN IEC 60079-14 (VDE 0165-1). Za oceno tveganja, razvrstitev con in dokumentacijo o zaščiti pred eksplozijami je odgovoren delodajalec oziroma upravljavec v okviru svojih zakonskih obveznosti, pri čemer morajo biti ti dokumenti strokovno pripravljeni. Ta prispevek obvešča o lastnostih naprav; ne predstavlja svetovanja in ne nadomešča ocene zaščite pred eksplozijami, ki se nanaša na konkretno napravo. Izbor, uporaba in namestitev merilne tehnike so v odgovornosti upravljavca naprave oziroma kvalificiranih podjetij ali oseb, ki jih je ta pooblastil. Zavezujoče so izvedba naprave, tipska ploščica, navodila za uporabo in pogoji homologacije, vključno s posebnimi pogoji »X«.

Pogosta vprašanja o merjenju zemeljskega plina

Ali so predstavljeni merilniki pretoka primerni za obračun porabe plina?

VA 550 in VA 570 nista ocenjena glede skladnosti kot merilni pripomočki za obračun plina, ki je predmet obvezne merilne kalibracije; namenjena sta merjenju porabe v podjetjih, merjenju procesov in merjenju porabe energije. Za merilne vrednosti v poslovnem prometu veljajo ustrezne zahteve iz zakonov MessEG/MessEV in – če je to ustrezno – direktive MID (plinski števci in pretvorniki količine, MI-002); samo kalibracijsko potrdilo ne zadostuje. Natančnost za merjenja v podjetjih znaša v skladu s tehničnim listom ±1,5 % merjene vrednosti ±0,3 % končne vrednosti (standardna izvedba) oziroma ±1,0 % merjene vrednosti ±0,3 % končne vrednosti (izvedba Precision).

Ali je za termični merilnik pretoka zemeljskega plina potreben pretvornik pretoka?

Ne. Merilnik meri masni pretok in ob ustreznih parametrih plina ter določenih referenčnih pogojih neposredno izračuna standardni volumski pretok; ločenega preračunavanja tlaka in temperature ni potrebno. Pogoj je, da so referenčni pogoji skladni s tistimi iz sistema za upravljanje z energijo.

Kaj velja za H-/L-plin, biometan ali dodatek H₂?

Temperaturno načelo je odvisno od sestave plina. Parametri plina, kalibracijski plin in morebitna uskladitev z dejanskim plinom (opcija ob naročilu) se določijo ob naročilu; sestavo plina in obseg nihanj mora zato navesti upravljavec – zlasti pred prehodom na drug plin.

Ali vsaka merilna točka zemeljskega plina potrebuje izvedbo Ex?

O tem odloča strokovna ocena tveganja naprave, ne le medij – preverjanje primernosti za posamezno območje zaščite pred eksplozijami je v pristojnosti upravljavca.

Zakaj merilnik delovnega volumna podcenjuje porabo zemeljskega plina?

Ker je standardni volumen pri nadtlaku večji od delovnega volumna – v razmerju absolutnih tlakov: pri 100 mbar nadtlaku približno 10 %, pri 1 bar približno dvakrat več. Brez pretvornika količine ali neposrednega izhoda standardnega volumna se ta napaka linearno vključi v bilanco kWh. Poleg tega temperatura plina znatno vpliva na gostoto plina in s tem na volumen.

Ali lahko svoj obstoječi števec zamenjam z enakim?

Ni nujno. Pri zamenjavi v liniji so odločilni dolžina naprave, priključki in položaj vgradnje; pri različici z vstavljanjem se to pogosto lahko obide. Pogoji so čisti plin brez kondenzacije, ustrezna parametrizacija in primerni dovodni in odvodni odseki – kratka skica merilne točke z dolžino dovoda olajša dimenzioniranje.