Úvod

Doplnenie dočasného alebo trvalého merania prietoku plynov, kvapalín alebo pary v rámci už existujúcich priemyselných technológií, je často neľahkou úlohou. Nevhodnou sa stáva veľká časť bežných metód a prístupov, ktoré by boli aplikované pri  novej výstavbe alebo v rámci projektovaných technologických úprav. Ešte väčšou výzvou je riešenie v prípade požiadavky na aplikáciu merania bez možnosti odstavenia, alebo prerušenia prevádzky dotknutého potrubia.

Tak ako sme v dnešných časoch zvyknutí, riešenia existujú – avšak poradiť si s ich výberom a nasadením vyžaduje znalosti, jednoznačnú odbornosť a skúsenosti. Nasledujúci text je zhrnutím teoretických poznatkov a praktických skúseností spoločnosti Intech Control spol. s r.o. z tejto oblasti. Veríme, že čitateľovi prinesie jasnejší pohľad do problematiky a jej možných riešení.

 

Problematika:

Požiadavka na trvalé doplnenie merania prietoku do existujúcej technológie môže vzniknúť z viacerých objektívnych dôvodov. Z našej praxe patria medzi najčastejšie tieto:

• monitorovanie distribúcie a spotreby médií v rámci zásobovania samostatných výrobných celkov (technológie prechádzajú postupnými zmenami, pričom toky dodávaných, alebo naopak produkovaných médií, sa môžu časom meniť),
• delenie, alebo naopak spájanie priemyselných podnikov, alebo ich výrobných jednotiek (potreba doplnenia merania prietoku súvisí s monitorovaním vzájomne dodávaných médií),
• meranie prietoku emisných alebo energetických médií, ako jedného z podstatných parametrov environmentálneho monitorovania (meranie prietoku emisných a spalných plynov je napríklad povinnou súčasťou schémy obchodovania s emisiami CO2),
• chyby v návrhu a inžinieringu nových alebo rekonštruovaných technológií, kde potrebné meranie jednoducho chýba.

Dočasné merania zase nachádzajú svoj zmysel pri výkonových a garančných skúškach, či už nových, alebo rekonštruovaných technologických zariadení. Typickým príkladom môže byť preukazovanie účinnosti technológií založených na výmenníkoch tepla, alebo preukazovanie výkonových parametrov čerpadiel a kompresorov.

V čom je problematika netypická?  Absolútna väčšina prístupov a spôsobov inštalácie prístrojov pre meranie prietoku kvapalných alebo plynných médií je založená na kompaktných prístrojoch s vlastným „telom“. Tieto prístroje bývajú do potrubia zabudované rôznymi spôsobmi, avšak takmer vždy predstavujú samostatný potrubný element a teda prerušujú potrubie v celom jeho priereze. Telo prístroja tak v konečnom dôsledku tvorí súčasť potrubia, ktoré  po jeho zabudovaní získava nové mechanické vlastnosti. Toto býva hlavný problém technickej realizovateľnosti dodatočného zabudovania zo strojného pohľadu „štandardného“ (povedzme medzi-prírubového) prístroja do existujúcej technológie. Navyše, v ťažkom priemysle často  ide o potrubia veľkých alebo veľmi veľkých priemerov, kde okrem technického vstupuje do hry aj finančný efekt takéhoto riešenia. Ďalšie obmedzenia prichádzajú na rad v úvode spomenutých prípadoch, keď prevádzku potrubia nie je možné odstaviť, resp. odstavenie je možné len na krátky  čas (niekoľko hodín).  V neposlednom rade môže byť limitujúcim faktorom charakter a vlastnosti meraného média. Tu by odstaveniu a zásahu do potrubia konvenčnými metódami musela predchádzať náročná (a teda finančne nakladá) príprava. Priamym dôvodom hľadania iných riešení tu tiež býva hygiena (v potravinárstve), alebo bezpečnosť pri realizácii (výskyt horľavých, výbušných alebo toxických látok).

Rôzne problémy si vyžadujú rôzne riešenia – no tak ako to už býva, neštandardné riešenia majú tiež vlastné špecifické prístupy a obmedzenia. Azda spoločným znakom všetkých ďalej popísaných technických riešení bude to, že budú realizované na pôvodnom potrubí bez potreby jeho delenia, či prestavby. V prípadoch, keď je potrebné narušiť mechanickú integritu potrubia, udeje sa tak spôsobmi realizovanými metódami aplikovateľnými bezpečne počas prevádzky, alebo len pri jej krátkych prerušeniach.

Riešenia s prístrojmi zabudovanými do potrubia

V prvej časti sa pozrieme na metódy merania prietoku využívajúce tzv. zásuvné technológie. Ide o riešenia, kde merací element prietokomera vstupuje do existujúceho potrubia prostredníctvom nového postranného portu (najčastejšie návarku) podobne, ako to poznáme napríklad pri meraní teploty.

Strojná montáž: Typická zostava pomocných strojných komponentov zabezpečujúca inštaláciu takéhoto zásuvného prístroja sa skladá z už spomenutého portu (návarku), na ktorom sa nachádza ventil s plne prechodným profilom. Na ventile je ďalej inštalovaný upchávkový systém, cez ktorý je následne do potrubia zavedená aktívna časť prietokomera.

Keď zvážime, že uvedené strojné prvky sú pomerne bežným materiálom (možno okrem zásuvného mechanizmu, kde každý výrobca uplatňuje vlastné know-kow a niekedy ide o robustné viacprvkové zariadenie) je zrejmé, že najväčšou „montážnou výzvou“ bude inštalovanie samotného portu a uzatváracieho ventilu na potrubie bez prerušenia jeho prevádzky.

Pre tento účel boli vyvinuté tzv. bezúnikové metódy navŕtavania a následného uzatvárania potrubia (angl. Hot–Tapping) . Tieto metódy sú dobre známe a dlhoročne využívané najmä v oblasti plynárenstva. V odbornej komunite ja azda najznámejším dodávateľom bezúnikových inštalačných riešení spoločnosť T.D Williamson, ktorá ponúka zariadenia, materiál a služby na skutočne špičkovej úrovni. Pokiaľ by sme chceli siahnuť po jednoduchšom a teda aj finančne menej náročnom riešení, tak pre aplikácie s tlakom do 40 bar možno za osvedčeného dodávateľa Hot-Tap riešení a služieb považovať českého výrobcu FASTRA.

V princípe, postup bezúnikového osadenia portu (návarku) sa skladá z nasledujúcich  6 krokov:

1. Umiestnenie potrubného portu na určené miesto inštalácie prístroja (môže ísť o potrubný návarok, alebo odbočku s montovanou tesniacou plochou obopínajúcou potrubie).
2. Osadenie uzatváracieho ventilu s plne prechodným profilom (Full Bore Valve) na port.
3. Osadenie vŕtačky spolu s jej upchávkovým mechanizmom a de-kompresnou komorou na plne otvorený ventil.
4. Vyvŕtanie otvoru do potrubia.
5. Vytiahnutie vŕtacej hlavy do polohy nad uzatvárací ventil a uzavretie ventilu.
6. Od-tlakovanie priestoru nad ventilom a demontovanie vŕtačky.

Výsledkom takéhoto postupu je potrubný port požadovaných dimenzií s namontovaným a uzavretým ventilom. Na ventil sa následne montuje zásuvný mechanizmus konkrétneho zvoleného prístroja – v našom prípade prietokomera.

Takáto koncepcia zabudovania prístroja do potrubia má potom okrem primárneho účelu prvotnej inštalácie opodstatnenie aj pri následnej kalibrácii či servise, ktorý rovnako ako montáž nevyžaduje odstavenie dotknutého potrubia.

Pokiaľ existuje možnosť, alebo naopak potreba (v prípade príliš vysokých tlakov, alebo prítomnosti média obmedzujúceho použitie bezúnikového navŕtavania) odstaviť potrubie počas montáže a od–tlakovať ho, môžeme montáž portu a ventilu realizovať bez použitia bezúnikového vŕtania (tzv. Cold-Tap inštalácia potrubného portu). Následná výmena, alebo údržba inštalovaného zariadenia, je už vďaka použitiu zásuvného mechanizmu prietokomera s upchávkami možná aj počas prevádzky.

 

Vhodné zásuvné prietokomery:

Vortex

Zásuvný vírový prietokomer (zľudovel anglický názov Vortex) má vo svojej ponuke viacero výrobcov. Ešte pred pár rokmi bol jediným výrobcom a teda aj nositeľom know-how revolučnej zásuvnej technológie vírový prietokomer PanaFlow MV82 výrobcu General Electric (dnes Baker Hughes a GE company, skrátene BHGE) – použijeme ho teda ako vzorový príklad.

PanaFlow MV82 je zásuvný vírový prietokomer určený na meranie prietoku kvapalín, plynov a aj pary s elektronikou, vo forme prevodníka. Elektronika prístroja je vybavená vstavaným prepočítavačom meraných veličín s možnosťou prepočtu meraného objemového prietoku – na normálny objemový prietok (prietok vztiahnutý na normálne stavové podmienky), ako aj prepočtom na hmotnostný prietok, či priamo energiu prenášanú médiom.

Unikátnou (a do dnes neprekonanou) vlastnosťou tohto typu prietokomera je umiestnenie snímača tlaku a snímača teploty priamo na meracom elemente vírového prietokomera. Toto riešenie umožňuje realizovanie prepočtu objemového prietoku na hmotnosť alebo energiu s jediným potrubným portom.

Základné aplikačné parametre prístroja sú uvedené v tabuľke na konci tejto časti. Keďže technológia všetkých vírových prietokomerov je takmer identická, budú aj ich výkonové parametre veľmi podobné pre takmer každý prístroj.

Typickou aplikáciou vhodnou najmä pre zásuvný prietokomer typu Vortex je meranie prietoku pary. Tu je možné naplno využiť potenciál „multivariable“ (súčasné meranie a vyhodnotenie prietoku, tlaku a teploty) prístroja s možnosťou priameho merania prenášanej energie.

Na strane obmedzení tejto technológie je potrebné uviesť, že asi najvýraznejším limitujúcim parametrom pre Vortex je spodná hranica merateľnosti.

Častokrát je pritom zásadnou prekážkou nasadenia fakt, že pod hranicou minimálnej hodnoty prietoku prístroj nemeria nič! Zatiaľ čo napríklad ďalej uvádzané prístroje pracujúce na princípe tepelnej vodivosti, či UZ (ultrazvuk) prietokomery v meraní (s určitou stratou presnosti a opakovateľnosti výsledkov), pokračujú až takmer k nule…

Tepelná vodivosť

Prístroje pracujúce na princípe tepelnej vodivosti nie sú vo svete procesnej inštrumentácie tiež žiadnou novinkou. Avšak, až v posledných rokoch prišli na trh skutočne špičkové zariadenia vyznačujúce sa veľmi širokým (niekedy až neuveriteľným) rozsahom merania – ponúka sa kalibrovaný rozsah merania v pomere 1:1000 a aj viac. Hneď na začiatku treba uviesť, že tento princíp merania je určený výhradne pre plynné médiá.

Princíp a z toho vyplývajúca konštrukcia aktívneho snímača (subtílna špička s jednoduchým, väčšinou ihlovým vysielačom a snímačom tepelnej energie) predurčuje tepelne-vodivostný prietokomer (podobne ako pri vírových prietokomeroch) na použitie v prevedení ako zásuvný prístroj – a tak takéto prevedenie nájdeme u takmer každého výrobcu technológie.

Z našej praxe máme dobré skúsenosti s prístrojmi FCI ST100 alebo Magnetrol TA2. Oba prístroje disponujú pokročilými technológiami s prevodníkmi, s možnosťou všetkých bežných  priemyselných štandardov vstupných a výstupných signálov a komunikácie.

Nespornou výhodou je už spomínaný veľkorysý rozsah merania týchto zariadení, pričom kalibrácia je možná pre veľkú väčšinu priemyselných plynov – ponúkaný rozsah kalibrácie reálne závisí len od laboratórnych možností výrobcu.

Tento princíp merania sa tak stáva takmer neprekonateľnou (technicky aj cenovo) alternatívou pre zásuvné merania čistých technických plynov (rozvody O2, Ar, N2 a iné.) a stlačeného vzduchu. Navyše ide o prístroj, ktorý zo svojho princípu meria priamo hmotnostný prietok, pričom meranie teploty média je nutnou súčasťou základného vybavenia. Inštalovanie jedného zásuvného zariadenia a tak v štandarde, okrem merania hmotnostného prietoku, poskytuje aj meranie teploty média, ďalej prepočet na objemový prietok a tiež objemový prietok vztiahnutý na definované štandardné stavové podmienky (pri tepelne–vodivostných prietokomeroch sa často stretávame so špecifickou odvodenou veličinou vyjadrujúcou štandardnú, alebo tiež normálnu rýchlosť prúdenia média v jednotkách Sm/s alebo Nm/s).

Obmedzením je  najmä nevyhnutná jednoznačnosť a nemennosť zloženia meraného média. Požiadavka je v priamej súvislosti s princípom merania založenom na tepelnej vodivosti meraného plynu. Tu platí jednoduchá rovnica: zmena v zložení plynu = zmena v jeho tepelnej vodivosti. Tento fakt zapríčiňuje, že pri aplikáciách, kde sa obsah zložky plynných zmesí s vysokou tepelnou vodivosťou (napr. H2, CO a pod.) v priebehu času mení, nie sú tepelne-vodivostné prietokomery dobrou voľbou. Typické aplikácie, kde k zmenám zloženia dochádza výrazne, sú merania oceliarskych plynov alebo havarijných a odpadových plynov odchádzajúcich na spálenie v poľných horákoch chemických a petrochemických závodov (tzv. FLARE aplikácie).

Na meranie tepelnej vodivosti tiež nepriaznivo vplývajú nečistoty, príp. nečistoty v kombinácii so zvýšenou vlhkosťou média. Aj keď laboratórnu kalibráciu meradla je možné vykonať pre takmer akékoľvek podmienky, nečistoty usadzujúce sa na snímači prietokomera menia jeho tepelno-dynamické vlastnosti a tak (podobne ako meniace sa zloženie plynu) nepriaznivo a treba povedať, že trvalo a zásadne, ovplyvňujú presnosť merania.

Ultrazvuk

Ultrazvukový prietokomer, zabudovaný ako zásuvné zariadenie do existujúceho potrubia, predstavuje určite technicky a technologicky najnáročnejšie riešenie. Keďže kvalita merania priamo súvisí a koreluje s kvalitou mechanickej inštalácie ultrazvukových meničov, zvládne takúto aplikáciu iba naozaj skúsená a odborne pripravená organizácia. Rovnako na strane výrobcov dokážu tieto zariadenia ponúknuť skutočne „len tí najlepší“. Určite najznámejším a najrenomovanejším výrobcom UZ prietokomerov pre zabudovanie do existujúceho potrubia je spoločnosť General Electric (prístroje v minulosti známe pod značkou Panametrics).

Pre vhodné plynové a kvapalinové aplikácie je UZ systém možné inštalovať za prevádzky s použitím zásuvného mechanizmu, podobne ako pri predchádzajúcich typoch prístrojov . Základným rozdielom je, že sú potrebné minimálne dva (pri aplikáciách, kde sa požaduje vyššia presnosť a opakovateľnosť merania aj štyri a viac…) UZ meniče, ktoré bývajú do potrubia inštalované pomocou dvoch osobitných portov a teda aj zásuvných mechanizmov (pre špecifické prípady merania prietoku „Flare“ plynov sú na trhu k dispozícii aj riešenia, kde sú oba UZ meniče umiestnené na spoločnej vodiacej konzole a teda vstupujú do potrubia jedným otvorom – treba si však uvedomiť, že každá úspora má aj svoje negatíva a to väčšinou v podobe kvalitatívnych kompromisov …).

Umiestnenie vstupných portov a tým aj UZ meničov je volené najmä vo vzťahu k dĺžke meracej dráhy „PATH“ (dráha, ktorá vznikne medzi vysielacími plochami UZ meničov) a dosiahnuteľnému výkonu meničov. Vo všeobecnosti platí, že pri použití jedného páru UZ meničov je pre potrubia menších a stredných priemerov inštalácia zvyčajne navrhnutá tak, aby meracia dráha prechádzala osou potrubia. Pri veľkých a veľmi veľkých potrubiach (tu by výkon UZ meničov nedokázal prekonať potrebnú vzdialenosť) je meracia dráha skracovaná a meniče sa potom inštalujú do polohy s meracou dráhou posunutou mimo os potrubia.

Ďalším faktorom ovplyvňujúcim spôsob a geometrické usporiadanie inštalácie meničov môžu byť priestorové pomery v mieste inštalácie. V neposlednom rade je dôležité zvážiť požiadavky na presnosť merania. Zovšeobecnene tu platí, že čím dlhšia UZ meracia dráha „PATH“, tým je meranie presnejšie. Platí však aj už uvedený fakt, že s rastúcou dĺžkou meracej dráhy UZ meničov klesá sila a kvalita vzájomne vymieňaného UZ signálu – meranie sa tak stáva citlivejšie na nežiadúce vplyvy prostredia a aplikácie.

Možností usporiadania a vzájomnej polohy UZ meničov je teda pomerne široké spektrum a líšia sa od aplikácie k aplikácii. Rovnako tak prvkov, umožňujúcich inštaláciu a prípadnú výmenu, či kalibráciu, je niekoľko skupín. Od jednoduchých držiakov a adaptérov (najčastejšie pre meranie prietoku kvapalín), kde sa vyžaduje krátkodobé vypustenie potrubia počas inštalácie (tzv. Cold-Tap inštalácia), cez zásuvné upchávkové mechanizmy, až po sofistikované vysokotlakové hydraulické zásuvné mechanizmy umožňujúce zasunutie UZ meničov do vysokotlakového potrubia bez prerušenia prevádzky.

Špeciálnu kategóriu zariadení a príslušenstva tiež predstavujú UZ prietokomery pre meranie pary. Aj keď v prípade pary je typickým riešením medzi-prírubový prietokomer, je možná aj realizácia s UZ meničmi zasunutými do existujúceho potrubia. Z dôvodu vysokých teplôt a tlakov sa pri pare takmer vždy prvotná inštalácia vykonáva pri dočasnom odstavení parovodu (Cold-Tap inštalácia).

No a kedy použiť práve UZ meranie?  Táto technológia našla postupne odpovede na mnohé otázky a riešenia na mnohé problémy, s ktorými sa iné princípy merania vyrovnávajú len ťažko. Keď budeme posudzovať „ultrazvuk“ v kontexte riešení pre meranie prietoku na existujúcom potrubí a zároveň v kontexte predchádzajúcich dvoch meracích princípov (Vortex a Tepelná vodivosť), je na mieste menovať tieto aplikačné benefity a špecifiká v prospech UZ merania:

• Obojsmerné meranie: ide o jediný dostupný zásuvný princíp merania, ktorý pracuje rovnocenne pri zmene smeru prúdenia média. Keďže UZ prietokomery navyše merajú aj veľmi nízke hodnoty prúdenia (min. merateľnosť sa udáva pre rýchlosť prúdenia už okolo 0,03m/s), môžeme pri zmene smeru prúdenia počítať s takmer plynulým prechodom „cez nulu“.
• Meranie pri extrémnych podmienkach: v súčasnosti existujú prvky umožňujúce inštalovanie UZ technológie do existujúcich potrubí pri teplotách média od -200 do +600°C. Z pohľadu rýchlosti prúdenia média je zase možné pracovať s hodnotami až do +-120m/s
• Vysoká odolnosť voči nečistotám a vlhkosti plynného média: špinavé a vlhké plyny, skôr či neskôr, ale takmer určite, vyradia z prevádzky tepelne-vodivostný, ako aj vírový prietokomer, zatiaľ čo UZ technológia nemá s takýmito podmienkami zásadné problémy.
• Meranie veľkých a veľmi veľkých potrubí: najmä pri meraní prietoku kvapalín vo veľmi veľkých potrubiach je UZ meranie neprekonateľné v pomere cena/výkon. Zjednodušene je možné povedať, že je len minimálny rozdiel (technický aj finančný) medzi zabudovaným UZ prietokomerom pre meranie vody na potrubí DN300 a podobným prietokomerom pre potrubie DN2000 či dokonca DN7000!
• Meranie prietoku plynných zmesí aj s premenlivým zložením v širokom meracom rozsahu: ide o kombináciu vlastností, ktorá vylučuje použitie Vortex-u (limituje ho už spomínaný rozsah merania najmä v spodnej časti), ako aj prístroja na princípe tepelnej vodivosti (obmedzením je už uvedený faktor zmeny tepelnej vodivosti pri zmene zloženia plynu). Takéto merania sú pritom bežnou a čoraz žiadanejšou aplikáciou na poli environmentálneho monitorovania. UZ meranie tu ponúka plnohodnotné riešenia.

Nebolo by však správne popisovať UZ technológiu ako bezproblémovú, alebo univerzálne použiteľnú.  Svoje limity nachádza najmä v ekonomickej efektívnosti pri použití v bežných (jednoduchých) aplikáciách. V prípade, keď ide o bežný rozvod čistého plynu alebo kvapaliny v potrubiach do DN300-DN500, poskytujú skôr uvedené a aplikačne jednoduchšie technológie často ekonomicky efektívnejšie riešenia. Pri ultrazvuku tiež ide o výsostne objemové meradlo, pričom snímače tlaku a teploty pre účely prepočtu meraných veličín nie je možné priamo strojne kombinovať s UZ meničmi. V praxi je tak (takmer vždy) potrebné doplniť riešenie o osobitne inštalované prevodníky týchto doplnkových veličín, čo napríklad pri Hot-Tap riešeniach znamená ďalšie 2 vŕtania a bezúnikové inštalácie.

Pokračovať na druhú časť článku