Dampfqualität richtig beurteilen

Techniker und Geschäftsführung interessieren sich gleichermaßen für neue Möglichkeiten, den Produktionsprozess kontinuierlich zu optimieren. Bei der Nutzung von Prozessdampf sind hierfür stabile und sichere Dampfkreisläufe unabdingbar. Im Dampfnetz eines Produktionsstandorts wird der Wirbeldurchflusszähler Prowirl 200 von Endress + Hauser eingesetzt. Neben der eigentlichen Messaufgabe, der Dampfmengenerfassung in den einzelnen Produktionseinheiten, sind die Geräte mit einer speziellen Funktion zur Nassdampfmessung ausgestattet.

Im Dampfnetz gilt es, den Sattdampf effizient zur jeweiligen Verbrauchsstelle zu transportieren und dort – sowie auf dem Weg dorthin – die Entstehung von Nassdampf und den Anfall von Kondensat zu vermeiden. Die Ursachen für die Entstehung von Nassdampf sind meist Wärmeverluste durch fehlende oder schadhafte Isolationen an Teilen der Dampfleitung. Der entstehende Nassdampf verursacht vielfältige Probleme. So kann das in der Dampfleitung entstehende Wasser zu Wasserschlägen und Schwallströmungen führen. Der Wirkungsgrad des Dampfsystems ist reduziert, da Nassdampf weit weniger Energie enthält als trockener Sattdampf. Falls die Bildung von Nassdampf durch das Überschäumen von Kesselwasser zustande kommt, kann dies Spannungsrisskorrosion zur Folge haben. Nassdampf ist aber auch an der Verbrauchsstelle problematisch. Wenn der Kondensatabscheider am Auslass des Kessels nicht funktioniert, kann der Wärmetauscher volllaufen, was den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs dramatisch verschlechtert. Ein weiteres mögliches Problem entsteht, wenn der Abscheider für die Produktion von trockenem Sattdampf nicht richtig funktioniert. Hier kann ebenfalls Nassdampf entstehen und der Wirkungsgrad entsprechend abfallen.

Alle diese Beispiele zeigen: Nassdampf kann überall im Prozessheiz- und Rohrleitungssystem entstehen – auch wenn davon ausgegangen wird, dass Heißdampf produziert wird. In den vergangenen Jahren haben immer mehr Kunden ihre Sorgen zu diesem Problemkreis geäußert. Die häufigste Frage dabei war, wie man herausfinden könne, ob Nassdampf vorliegt oder nicht.

Bereits vor 20 Jahren gab es wissenschaftliche Untersuchungen in den Vereinigten Staaten, welchen Einfluss eine schlechte Dampfqualität auf unterschiedliche Durchflussmessprinzipien hat. Dabei wurde insbesondere eine Auswirkung auf die Messgenauigkeit festgestellt. Alle in dieser Untersuchung angewandten Messprinzipien zeigten einen positiven Fehler, d. h., die Geräte zeigten bei schlechter werdender Dampfqualität einen immer größeren Durchflussmesswert an. Die Höhe der Abweichung war jedoch bei jedem Messprinzip unterschiedlich. Sie lag in der Größenordnung von 4 bis 8 %.

Ursache ist ein verändertes Strömungsprofil im Dampf. Für eine genaue Durchflussmessung benötigt jedes Messgerät ein turbulentes Profil, bei dem sich über den gesamten Rohrquerschnitt der Dampf gleich schnell bewegt. Bei schlechter Dampfqualität fließt aber auch Kondensat durch die Rohrleitung, nur mit einer viel geringeren Geschwindigkeit. Dies verursacht eine Veränderung hin zu einem laminaren Strömungsprofil. Das bedeutet, dass in der Mitte der Rohrleitung der Dampf schneller fließt als am Rand. Der Messwert an den Durchflussmessgeräten wird eben von dieser erhöhten Geschwindigkeit gebildet. Eine Korrektur ist denkbar, da der zusätzliche Messfehler konstant zur Dampfqualität ist. In der Vergangenheit gab es jedoch keine Möglichkeit, während des Betriebs im industriellen Maßstab permanent die Dampfqualität zu messen. Dieses Problem löst nun die Dampfqualitätsmessung im Wirbelzähler. Der Durchflusswert wird um den Strömungsprofileinfluss korrigiert.

Bisher war es üblich, nur die Frequenz der Wirbel für die Durchflussmengenmessung auszuwerten. Mit moderner Elektronik ist heute ausreichend Leistung für umfangreichere Berechnungen vorhanden. Diese ermöglicht eine vollständige Auswertung des Signalverlaufs des Rohsignals im Sensor. Bei dem dem Prowirl 200 zugrundeliegenden kapazitiven Wirbelsensor ergibt sich für die Durchflussmessung im Normalfall eine Sinusform. Wechselt der Dampfzustand von trocken auf nass, wird diese Sinusform in Höhe und Form beeinflusst. Zudem entsteht eine rhythmische Pulsation, die das ursprüngliche Sinussignal überlagert. Nun kann eine Trennung in ein Durchflusssignal und einen zweiten Messwert, der auf die Masse des vorbeifließenden Kondensats zurückzuführen ist, erfolgen. Mittels eines Algorithmus lassen sich weitere Messgrößen berechnen und dem Anwender zur Verfügung stellen. So zum Beispiel der Masseanteil an Kondensat, die Dampfqualität oder jeweils der Energieinhalt von Dampf und Kondensat.

Gemeinsam mit der Fachhochschule Nordwestschweiz in Windisch hat Endress+Hauser in eine Dampftestanlage investiert, um praxistaugliche Innovationen zur Nassdampferkennung und Messung zu entwickeln. Auf dieser Testanlage wurde Dampf mit unterschiedlichem Dampfgehalt hergestellt und die Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts im Dampf auf den Wirbelzähler Proline Prowirl untersucht. Für die Nennweiten DN 25 bis DN 100 ließen sich Dampfgehalte zwischen 70 und 100 % realisieren. Dabei sind Dampfdrücke bis zu 10 bar rel. möglich. Der Nassdampf wurde auf verschiedene Arten erzeugt, indem Wasser als flüssige Strömung, Sprühnebel oder mittels eines Kühlrohrs zugeführt wurde. In allen drei Fällen zeigten die Untersuchungen, dass zunehmend nasser Dampf in horizontal verlaufenden Leitungen zunächst eine kanalartige Strömung am Boden der Leitung bildete, die sich dann in den oberen Bereich der Leitungswände verschmierte. Dieses Verhalten war unabhängig von der Zuführungsart des flüssigen Wassers zu beobachten. 80 % Dampfgehalt bedeutet, dass 20 % der Masse des gesamten Wassergehalts als Wasser vorliegen, das weitaus weniger Energie enthält als gasförmiger Dampf. Daher stehen 20 % weniger Energie zur Verfügung.

Versorgungsnetze müssen 24 h am Tag 365 Tage im Jahr sicher funktionieren. Kommt es zum Ausfall von Komponenten im Dampfnetz, droht häufig ein Produktionsstillstand. Alle in Versorgungsleitungen installierten Messgeräte müssen deswegen besonders langzeitstabil und robust sein und müssen kontinuierlich genau messen. Gerade in Abrechnungsmessungen stellt der Nachweis der Qualität der Messergebnisse den Dampfversorger jedoch häufig vor unlösbare Probleme. Die Prüfung bzw. Rekalibrierung der Geräte ist ohne Ausbau und einen damit verbundenen Anlagenstillstand meist nicht möglich. Auch hier bietet der Prowirl 200 mit der integrierten Heartbeat-Technology und einer detaillierten Prüfung mit einer Prüftiefe 98 % ohne Ausbau neue Möglichkeiten. Die Prüfung auf Knopfdruck, auch aus der Leitwarte heraus, liefert ein dokumentiertes und nachweisbares Prüfergebnis, das auch den ISO9001-Anforderungen standhält. Aufwendige Rekalibrierungen und damit verbundene Anlagenstillstände gehören damit der Vergangenheit an.

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Produktmanager Durchflussmesstechnik, Endress+Hauser