Coriolis-Durchflussmessung: Größe zählt

Gerade beim Transport von Kohlenwasserstoffen kommt noch ein weiterer Aspekt hinzu: Mit steigender Strömungsgeschwindigkeit entstehen elektrostatische Ladungen die aufgrund ihres Zündpotenzials vermieden werden sollen. Während die meisten Coriolis-Durchflussmessgeräte durchaus in der Lage sind, Flüssigkeitsströme mit Geschwindigkeiten bis 10m/s zu messen, limitieren die Betreiber petrochemischer Anlagen die Strömungsgeschwindigkeiten auf Werte zwischen zwei und drei Metern pro Sekunde. Entsprechend wichtig ist es, dass die eingesetzten Geräte über eine ausreichend hohe Messbereichsspreizung (Turndown) verfügen und auch im unteren Bereich noch genau arbeiten.

Nullpunktstabilität entscheidend

Beim Vergleich verschiedener Messsysteme unterschiedlicher Hersteller lohnt es sich für Betreiber und Projektingenieure genau hinzuschauen: Bezieht sich die angegebene Genauigkeit eines Gerätes auf den Messbereichsendwert, den Messwert oder aber den gesamten spezifizierten Messbereich? Gilt die Messgenauigkeit z.B. für einen Nenndurchfluss, macht sich unterhalb dieses Nenndurchflusses zusätzlich die Nullpunktstabilität bemerkbar. Ein Beispiel verdeutlicht dies: Hat das Gerät bei einem Massestrom von 2000t/h eine Genauigkeit von 0,1%, muss unterhalb dieses Durchflusses noch der Einfluss der Nullpunktstabilität – z.B. 150kg/h – addiert werden: Bei einer Messbereichsspreizung von 1:20 liegt der untere Wert bei 100t/h – die durch die Nullpunkt-Stabilität entstehende Ungenauigkeit beträgt dann 0,15%, die Genauigkeit 0,1% + 0,15% = 0,2%.

Alternativ zu mechanischen Zählern werden in Anwendungen mit großen Nennweiten auch Ultraschallgeräte eingesetzt. Allerdings erfordern diese Messgeräte Ein- und Auslaufstrecken, die mindestens fünf bzw. drei Durchmesser betragen. In den meisten fest installierten Anlagen sollte dies kein Problem darstellen. Anders ist die Situation allerdings bei den immer beliebter werdenden vorkonfigurierten und -montierten Skids. Bei diesen ist die komplette Messanordnung für Verrechungsmessungen vom Hersteller im Standard-Containerformat installiert, was dem Anlagenbetreiber echtes „Plug and Play“ verspricht. Coriolis-Systeme kommen prinzipbedingt ohne spezielle Ein- und Auslaufstrecken aus.

Druckkompensation per Geometrie oder Sensor

Die genannten Aspekte haben einige Anbieter von Massemessern dazu bewogen, auch für hohe Ströme und Nennweiten Geräte zu entwickeln. Mit dem Promass F in Nennweite DN 250 hat Endress+Hauser für solche Anwendungen bereits Anfang 2005 ein Masse-Durchflussmessgerät vorgestellt, das über den typischen Messbereich eine Genauigkeit von 0,1% des Messwertes (Flüssigkeiten) erreicht (siehe CT 6/2005, Bericht abrufbar unter www.chemietechnik.de). Die hohe Genauigkeit und Nullpunktstabilität wird laut Hersteller durch die spezielle Geometrie erreicht: Das Edelstahl-Messrohr ist leicht gebogen und besitzt eine definierte Vorspannung. „Dadurch werden thermische Ausdehnungen besser aufgefangen als bei einem Geradrohr und das Messrohr kann gut zu den erforderlichen Schwingungen angeregt werden“, beschreibt Udo Bosch, Produktmanager bei Endress+Hauser, das Messsystem.

Das Gerät, auch eichfähig mit Pipelinezulassung erhältlich, kann Durchflüsse bis 2200 t/h messen und zeichnet sich bei schwierigen Applikationen mit einer erweiterten Diagnose (zum z.B. Erkennen von Gasblasen (Out-of-Spec-Erkennung nach NE 107))seit dem Jahr 2005 aus. Zu den Weiterentwicklungen der letzten Jahre zählen die hohen Prozessstabilitäten bei Druck- und Temperaturschwankungen sowie eine optionale Messgenauigkeit von 0,05 % über den Messbereich. „Möglich wurde dies durch die akkreditierte Rückführbarkeit der Produktionskalibrieranlage nach ISO/EN17025. Die Schweizer Akkreditierungsbehörde Metas hat der Kalibrieranlage eine Gesamtmessunsicherheit von 0,015 % zertifiziert“, erklärt Udo Bosch. „Doch erst die Temperatur- und Druckstabilität und die Kompensation von Rohrleitungsverspannungen sorgt dafür, dass die Genauigkeit auch in der Praxis erreicht wird“, erläutert Bosch die Bedeutung der Geometrie. Das Sensorschutzgehäuse leitet Rohrleitungsverspannungen ab und eine hohe Schwingfrequenz sowie die schnelle Signalerfassung sorgen für Prozessstabilität.

Diagnose gewinnt an Bedeutung

Mit dem Elite HC3 hat Emerson im März im europäischen Markt ebenfalls ein Coriolissystem für hohe Massenströme (bis 2250t/h) in den Nennweiten DN 250 und DN 300 vorgestellt. „Der Schwerpunkt liegt darauf, die bei der Verladung von großen Rohölmengen oder anderen Kohlenwasserstoffen eingesetzten mechanischen Zähler zu ersetzen“, beschreibt Klaus Brockmann, Produkt-Marketingmanager Durchflussmessgeräte bei Emerson Process Management, den Zielmarkt. Brockmann: „Auch beim Bunkern von Schiffsöl werden mehr und mehr Coriolisgeräte eingesetzt, um die Verrechnung von Lufteinschlüssen zu vermeiden.“ Die Genauigkeit beträgt über den spezifizierten Messbereich des Gerätes 0,1% vom Messwert (Flüssigkeiten). Das Gerät erfüllt die Standards des American Petroleum Institute API, der International Organisation of Legal Metrology, OIML, sowie des NMi (meteorologisches Institut der Niederlande) und verfügt über lokale Zulassungen für den eichamtlichen Transfer.

Das Messrohr ist in klassischer U-Form ausgeführt; eine Besonderheit des Messsystems ist die „Meter Verification“, ein Diagnosesystem, welches das Gerät auf strukturelle Integrität überprüft. So werden Veränderungen des Messrohrs – wie sie beispielsweise durch Korrosion und Erosion entstehen können – erkannt, um Einflüssen auf die Genauigkeit vorzubeugen. Zu den Eigenschaften der bisherigen Gerätebaureihe siehe CT 8/2006 (www.chemietechnik.de „Emerson“).
Der von Krohne im April vorgestellte Optimass 2000 ist das jüngste Mitglied der Kingsize-Coriolisfamilie: Als Doppel-Geradrohrgerät mit Duplex-Edelstal-Messrohr ausgeführt, ist der Massemesser für Durchflussmengen bis 2300t/h geeignet und hat eine Genauigkeit von 0,1% vom Messwert (Flüssigkeiten). Die Nullpunktstabilität wird mit weniger als 50kg/h angegeben. Der Sensor hält Betriebsdrücken bis 150bar stand. Um den Druckverlust im Sensor zu minimieren, wurde die Geometrie des Strömungsteilers optimiert. „In den vergangenen Jahren wurden immer häufiger große Coriolisgeräte spezifiziert“, begründet Eddie Bridges, der bei Krohne weltweit für die Produktgruppe Massendurchflussmessung zuständig ist, die Entwicklung. Bridges: „Wir versprechen uns viele neue Anwendungen, auch außerhalb der Öl- und Gasindustrie“. Großes Potenzial sieht der Anbieter in der Ausrüstung von Mess-Skids, die der Hersteller im niederländischen Breda fertigt.
Auch Krohne hat sich der Beherrschung von Druckschwankungen intensiv angenommen: „Unter Druck kann sich das Messrohr versteifen, wodurch sich die Resonanzfrequenz und damit die Genauigkeit der Dichtemessung ändern kann“, beschreibt Bridges das Phänomen. Mit einem auf dem Messrohr angebrachten Dehnungsmessstreifen wird dies geräteintern erfasst und kompensiert. Auch für Krohne ist das Thema Kalibrierung von zentraler Bedeutung: „Ohne eigene Kalibriereinrichtungen kann man im Markt für eichpflichtige Messungen nicht mehr mitspielen“, verdeutlicht Eddie Bridges. Der Hersteller baut derzeit im Rotterdamer Hafen eine neue Kalibrieranlage für Kohlenwasserstoffe (Euroloop), die zukünftig vom NMi betrieben werden soll und in der sich Geräte bis zu einer Nennweite von 24“ kalibrieren lassen können. Die Einrichtung soll zum Jahresende eröffnet werden.
In einer etwas anderen Liga spielt der von Yokogawa Anfang des Jahres vorgestellte Rotamass XR, der Masseströme bis 600t/h (DN 200) erfasst. Auch hier wird die Genauigkeit für Flüssigkeiten mit 0,1% vom Messwert angegeben. Der im U-Rohr-Design gestaltete Sensor liefert auch Temperaturwerte mit einer Genauigkeit von 0,5K. Die Geräte werden mit einer High-Power-Option angeboten, mit der es möglich ist, Durchflüsse mit einem höheren Gasanteil (Zweiphasenströmungen) zu messen. Dem Problem liegt das Messprinzip zugrunde: Durch Gaseinschlüsse wird der Flüssigkeitsstrom von der Wand des Messrohrs entkoppelt, die Messrohrschwingung wird dadurch gedämpft und der Erregerstrom steigt an. Eine weitere Besonderheit des Gerätes sind dessen Diagnosefunktionen: Neben der Detektion von Lufteinschlüssen sind dies Korrosions- und Leerrohr-Erkennung.

Fazit: Die jüngsten Entwicklungen zeigen, dass immer mehr Hersteller von Coriolisgeräten ihr Angebot zu großen Nennweiten hin erweitern. Aufgrund steigender Rohstoff- und Produktpreise kommt der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung eine hohe Bedeutung zu. Daneben gehören die Aspekte Sensorüberwachung und Gerätediagnose zu den Feldern, auf denen weitere Entwicklungen zu beobachten sind.

„In den vergangenen Jahren wurden immer häufiger große Coriolisgeräte spezifiziert“
Eddie Bridges ist bei Krohne für die Produktgruppe Massendurchflussmessung zuständig
„Erst die Temperatur- und Druckstabilität sorgen dafür, dass die Genauigkeit auch in der Praxis erreicht wird“
Udo Bosch ist Produktmanager bei Endress+Hauser
„Mechanische Zähler durch Coriolisgeräte ersetzen“
Klaus Brockmann ist Produkt-Marketingmanager Durchflussmessgeräte bei Emerson Process Management