Messtechnik mit Mehrwert

Hans-Jürgen Huber

In der chemischen Industrie arbeitet heute bereits ein Großteil der elektronischen Durchflussmessgeräte nach dem Coriolis-Messprinzip. Kein Wunder, es eignet sich praktisch für jede Art von Medium, ob gasförmig, flüssig oder pastös, leitend oder nicht leitend, und kann sogar bei aggressiven Säuren und Laugen eingesetzt werden. Ein weiteres großes Plus dieser Technologie: Die Geräte liefern selbst bei Temperatur- oder Druckschwankungen stabile Ergebnisse.

Das multivariable Gerät liefert kontinuierlich Masse- und Volumendurchfluss, Dichte, Konzentration und Temperatur unterschiedlicher Stoffe. Ob Abfüllen, Dosieren oder Qualitätskontrolle, aus der Chemie sind Coriolis-Geräte wie der Sitrans FC von Siemens kaum mehr wegzudenken. Gerade in dieser Branche gibt es im Herstellungsprozess viele Zwischenprodukte, die ständig auf ihre Qualität hin überprüft werden müssen, so z. B. am Ausgang eines Reaktorbehälters. Oftmals eignet sich als Parameter für eine Qualitätsprüfung die Dichte. Bewegt sich diese aus einem definierten Bereich, können frühzeitig Maßnahmen getroffen werden, um den Prozess zu korrigieren. Ein weiterer Vorteil von Coriolis: Die Inline-Dichtemessung ermöglicht es dem Anwender, die Qualität seiner Produkte direkt im Prozess zu überprüfen, ohne zusätzliches Dichtemessgerät und ohne zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand.

In der chemischen Industrie besteht das zu messende Produkt häufig aus zwei verschiedenen Stoffen. In diesem Fall ist es für den Anwender besonders interessant, eine Aussage über die prozentualen Anteile der beiden Stoffströme zu erhalten. So lässt sich z. B. überprüfen, wie hoch der Wasseranteil bei der Paraffinherstellung ist. Ermöglicht wird dies durch eine Fraktionsmessung, die bereits im Gerät integriert ist. Die clevere Zusatzfunktion erlaubt es, Anlagen näher am Optimum zu fahren.

Wie die Fraktionsmessung eines 2-Komponentengemisches aus Wasser und Ammoniak die Wirtschaftlichkeit von Anlagen steigern kann, zeigt das Beispiel Geothermiekraftwerk Unterhaching.

Das Geothermiekraftwerk Unterhaching erzeugt Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien – nachhaltig und ressourcenschonend. Der Strom wird aus einer Dampfturbine produziert. Allerdings ist die Thermalwasserquelle nicht heiß genug, um einen herkömmlichen Wasser-Dampf-Kreislauf zu betreiben. Deshalb kommt hier ein spezielles Verfahren zum Einsatz, das nach seinem russischen Erfinder Kalina-Prozess heißt. Der Trick dabei: Anstelle von Thermalwasser setzt man ein Gemisch aus Ammoniak und destilliertem Wasser ein, das bereits bei 50 °C siedet. Der Ammoniak verdampft bei wesentlich niedrigeren Temperaturen und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers steigt. Vor allem bei Niedertemperaturquellen wie in Unterhaching lässt sich mit dem Ammoniak-Wasser-Gemisch in Dampfturbinen-Kleinkraftwerken eine deutlich höhere Stromausbeute erzielen.

Das Herzstück der Anlage ist die Turbine, die den Generator zur Stromerzeugung antreibt. Für einen optimalen Betrieb muss das Ammoniak-Wasser-Gemisch zum einen eine möglichst hohe Temperatur und zum anderen einen möglichst hohen Druck aufweisen. Das 122 °C heiße Thermalwasser erwärmt das Gemisch im Verdampfer von 55 auf 115 °C. Den notwendigen Druck baut eine Pumpe auf. Sie erhöht den Druck des Arbeitsmediums auf rund 20 bar. Eventuell noch vorhandene Restflüssigkeit wird in einem Hochdruck-Separator ausgeschieden.

Das so komprimierte und erhitzte Dampfgemisch leitet man nun durch die Turbine. Das Arbeitsmittel verlässt die Turbine mit ca. 7 bar, immer noch in Form von Dampf, und wird an einem kleineren Wärmetauscher abgekühlt. Ein Niederdruck-Separator fängt die verbliebene Restflüssigkeit auf, ein Kühlwassersystem senkt die Temperatur des Dampfes, bis er sich wieder verflüssigt. Nach einem Kondensatbehälter wird das Gemisch erneut auf 20 bar komprimiert und am kleineren Wärmetauscher auf 55°C vorgewärmt, bevor man es wieder in den Verdampfer einleitet.

Abweichungen vom Mischungsverhältnis des Ammoniak-Wasser-Gemisches, wirken sich direkt auf die Effizienz und somit auf die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage aus. Um bei eventuellen Abweichungen schnell und zielgerichtet reagieren zu können, müssen die Daten in Echtzeit erfasst werden. Dies bedeutet aber auch, dass das dafür zuständige Messgerät in das Prozessleitsystem der Anlage – in diesem Fall Simatic PCS7 – eingebunden werden muss. Die Überwachung des Mischungsverhältnisses ist also elementar.

Aber wie lässt sich das Mischungsverhältnis zweier Flüssigkeiten in einem Druckkreislauf überhaupt messen – am besten noch mit einem einzigen Messinstrument? Außerdem wünschten sich die Betreiber eine kostengünstige, zuverlässige, genaue und nicht zuletzt wartungsarme Lösung. Die Antwort war schnell gefunden: eine Massedurchflussmessung nach dem Coriolis-Prinzip.

Bei dieser Methode werden die Messaufnehmer durch einen elektromechanischen Erregerkreis angesteuert, der eine Rohrleitung in ihrer Eigenfrequenz zu Schwingungen anregt. Dabei sind zwei Sensoren symmetrisch auf beiden Seiten des Erregers angeordnet. Strömt Flüssigkeit oder Gas durch den Messaufnehmer, wirkt die Coriolis-Kraft, die jeden Körper beeinflusst, dessen Bewegung in einem rotierenden Bezugssystem beschrieben wird, auf das Messrohr. Sie verursacht eine Auslenkung des Rohrs, die sich als eine zur Massedurchflussrate proportionale Phasenverschiebung an den beiden Sensoren messen lässt.

Zusätzlich zu den Sensorsignalen werden Temperaturmesswert und Erregerfrequenz in den Messumformer gespeist. Das Durchflussmessgerät Sitrans FC liefert Werte für Dichte, Masse, Volumen, Temperatur sowie Fraktion.

In Unterhaching kommt es also darauf an, den Wasseranteil im Ammoniak zuverlässig zu messen. Da der Massedurchflussmesser erstens das Gewicht und zweitens die Dichte des Ammoniak-Wasser-Gemisches bestimmen kann, lassen sich die jeweiligen Massenanteile der einzelnen Bestandteile aus den Werten des Gemisches rechnerisch ermitteln. Dabei greift der Messumformer Sitrans FC auf eine ganz spezielle Funktion zurück: die Fraktionsmessung.

Dazu müssen von beiden Medien die spezifischen Dichten innerhalb des zu erwartenden Temperaturmessbereiches bekannt sein. Für eine hohe Zuverlässigkeit des errechneten Ergebnisses gibt man mindestens fünf verschiedene Dichtewerte für Ammoniak und Wasser in ein spezielles Berechnungsprogramm ein. Mit diesen Daten wird dann werksintern eine fünffache Polynomberechnung durchgeführt, deren Ergebnis als Softwarefunktion im Messumformer hinterlegt wird. Die im Messumformer eingebauten Pt1000-Temperatursensoren messen die genaue Temperatur des Gemisches und bilden die Grundlage für die Temperaturkompensation zur exakten Berechnung der jeweiligen Dichten und Massen. Durch geschickte Nutzung der beschriebenen Funktionen lässt sich mit der Baureihe Massflow Mass 2100 DI3–40 für Ammoniak und destilliertes Wasser für Dichte und Masse eine Genauigkeit von 0,15 % erreichen.

Die Vorteile für den Kunden liegen klar auf Hand: Statt einem Gerät für die Temperatur-, einem Gerät für die Dichte- und einem Gerät für die Durchflussmessung benötigt er nur ein einziges Messinstrument. Der Coriolis-Durchflussmesser bietet erhebliche Kostenvorteile bei der Anschaffung und auch bei der Wartung. Typische Verschleißteile? Fehlanzeige. Zudem ist der Installations- und Engineeringaufwand wesentlich geringer, da nur ein einziges Gerät in die Rohrleitung integriert werden muss. Das spart Verkabelungsaufwand und viel Zeit bei der Inbetriebnahme. Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Messwerte sorgen für einen effizienten Betrieb der Turbine und erhöhen damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage deutlich.

Online-Info www.cav.de/1210400