Energiemehrkosten sparen

Dipl.-Ing. Hans Peter Vogt

Die Dampfdurchflußmessung spielt bei der Überwachung von Produktion und Verteilung von Dampfströmen eine wichtige Rolle. Die Zahl der Meßstellen ist abhängig von der jeweiligen Anlage und dem prozeßspezifischen Überwachungsbedarf. Damit wird auch deutlich, daß die folgende Betrachtung nicht auf eine einzelne Meßstelle bezogen werden darf, sondern das gesamte Einsparungspotential in der Summe der Druckverluste aller Meßstellen liegt.

Beim Einsatz z.B. eines Wirbeldurchflußmessers und – noch stärker – bei einer Meßblende kommt es zu Druckverlusten. Zwar bleibt die in dem Dampfstrom enthaltene Energie konstant, es werden jedoch Exergieanteile in Anergie umgewandelt. Diese Umwandlung von unbeschränkt umwandelbarer Energieform in nicht umwandelbare Energieform bedeutet letztlich Verlust von Exergie, die proportional zur erzeugten Entropie ist. Daraus wiederum resultiert eine Minderleistung an mechanischer Energie, wenn sich die Meßblende vor dem Turbineneintritt in der Frischdampfleitung befindet. Um diese Minderleistung auszugleichen, ist eine erhöhte Energiezufuhr erforderlich, die ihrerseits wiederum Kosten verursacht (siehe unten).

In Dampfleitungen mitgeführtes Kondenswasser ist immer wieder Ursache für Anlagenstörungen oder gar für die Beschädigung von Rohren. Wasserschläge können beispielsweise Meßblenden beschädigen oder zumindest große Meßfehler hervorrufen. Um unerwünschte Kondensation zu verhindern, müssen konstante Parameter bezüglich Druck und Temperatur eingehalten werden. Bisher eingesetzte Meßverfahren wie Blenden oder Wirbeldurchflußmesser aber reduzieren den Druck und führen – sofern kein entsprechender Ausgleich über die Anlagensteuerung erfolgt – zu den genannten Problemen, ganz abgesehen von dem für diesen Ausgleich erforderlichen Energie-Mehraufwand. Die standardmäßig aus Edelstahl, auf Wunsch aus Titan gefertigten Meßköpfe widerstehen den aggressiven Anteilen, die im Dampf enthalten sein können. Verschleiß oder abnutzungsbedingte Nachkalibrierung kennt das Ultraschall-Meßverfahren nicht. Wie bei allen Ultraschall-Durchflußmessern gibt es keine beweglichen Teile, die verschleißen oder zusetzen können.

Die druckverlustfreien Dampf-Durchflußmesser basieren auf der sogenannten Bundle Waveguide Technology (BWT), die zunächst für Gas- und Flüssikeits-Durchflußmesser konzipiert worden war. Gleich ob in Gasen oder in Flüssigkeiten, lassen sich mit diesem System Durchflußvolumina in Medien bei Temperaturen bis zu 600 °C zuverlässig und genau messen. Das BWT-System bündelt in besonderer Weise die Schallstrahlen, so daß sich ganz gezielt eine ausreichend große Schallenergie einleiten läßt, um auch bei langen Schallwegen oder starker Dämpfung ein sicher auswertbares Meßsignal zu erhalten. Die hohe Übertragungsfrequenz und ein sehr stark fokussiertes Signal ermöglichen jetzt auch unter Extrembedingungen eine genaue Messung.

Das BWT-System eignet sich in idealer Weise für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken sowie stark schwankenden Durchflüssen, wie dies bei Messungen von Dampf gegeben ist. Aufgrund der sehr hohen Signalschärfe und der patentierten Korrelationstechnik können die Meßsignale sicher ausgewertet werden.

Zweiter wesentlicher Schritt zur druckverlustfreien Dampfdurchflußmessung war die Entwicklung speziell für diese Anwendung konzipierter Ultraschall-Durchflußmeßgeräte.

Das Dampfdurchflußmeßgerät GS868 kann standardmäßig an Rohrnennweiten von 50 bis 1200 mm bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,03 und 46 m/s eingesetzt werden. Die Standard-Meßköpfe verkraften Temperaturen von mehr als 200 °C. Mit den explosionsgeschützten (EEx d IIC T4/T6) BWT-Meßköpfen lassen sich Temperaturen von 500 °C und mehr bewältigen. Der Druckbereich erstreckt sich unter Einsatz der BWT-Technology auf bis zu 240 bar.

Das BWT-Ultraschallverfahren überzeugt auch durch seinen großen dynamischen Bereich von 150:1. Durch diesen breiten dynamischen Bereich der Ultraschall-Durchflußmessung genügt eine einzige Meßstrecke, sowohl für den Schwach- als auch für den Voll-Lastbereich. So haben Wirbeldurchflußmesser einen dynamischen Bereich von nur 50:1, die Blende sogar nur 25:1. Auch der Vorteil, daß für unterschiedliche Belastungszustände nunmehr ein einziges Meßgerät erforderlich ist, sollten bei der meßtechnischen Auslegung von Dampfsystemen in die Kostenüberlegung mit eingehen.

Ein idealisiertes, aber durchaus realistisches Beispiel soll die Kosten, die durch Druckverlust an einer Meßstelle entstehen, transparent machen. Wasserdampf wird dabei als ideales Gas betrachtet, was im überhitzten Bereich, also dort wo Isothermen und Isothalpen zusammenfallen, zulässig ist. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß die spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfes während des Drosselvorgangs konstant bleibt, ebenso die Temperatur T und die spezifische Enthalpie vor und nach der Blende.

Weitere Parameter für die Berechnung sind:

• Dampftemperatur vor und nach der Blende: t1 = t2 = 530 °C,

• Druck: p1 = 180 bar (vor der Blende) und p2 = 179,8 bar (nach der Blende)

• Gaskonstante des Wasserdampfs: RH2O = 0,461KJ/kg K

• Dampfmassenstrom: mD = 250 t/h

• Umgebungstemperatur: TU = 25 °C

• Verrechnungspreis für elektrische Energie: 0,06 DM/kWh (variable Größe)

• jährliche Betriebsstunden des Kraftwerks: 6500 h/a (variable Größe). Der spezifische Energieverlust läßt sich damit wie folgt berechnen:

Dieser Wert entspricht unter den genannten Annahmen der resultierenden Minderleistung an mechanischer bzw. erzeugter elektrischer Energie.

Unter der genannten Voraussetzung von 0,06 kWh und 6500 Kraftwerks-Betriebsstunden ergibt sich, nur durch diese eine (einen geringfügigen Druckverlust von 0,2 bar verursachende) Meßstelle, folgender in DM ausgedrückter Energieverlust pro Jahr:

10,6 kW x 6500 h/a x 0,06 DM/kWhel = 4134 DM/a

Die durch Druckverluste hervorgerufenen Auswirkungen sind in einer Anlage an mehreren Meßstellen gegeben. Die Addition aller Einzel-Meßstellenverluste zum Gesamtverlust kann, wie dargestellt, erhebliche Größenordnungen erreichen. Ultraschall-Dampfdurchflußmeß-Systeme amortisieren sich aus zwei Gründen recht schnell. Einmal gibt es bei diesem Meßverfahren keine teuer auszugleichenden Druckverluste und zum anderen belasten keinerlei bewegliche Teile durch Verschleiß das Instandhaltungsbudget.

Halle 10, Stand C26

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