Differenzdruck-Messung für prozesstaugliche Brennersteuerung

Besonders energieintensiv sind die Teilbranchen Grundstoffchemie und Chemiefaserherstellung mit einem Energieanteil am Umsatz von 6,8 % beziehungsweise 11,5 %. Die chemisch-pharmazeutische Industrie hatte im Jahr 2017 einen Anteil von etwa 20 % am Gesamtverbrauch der deutschen Industrie mit insgesamt 318,3 Mio. t SKE. 31,7 % des gesamten Erdgasverbrauchs in Deutschland flossen in diese Industriesektoren. Allein der energetische Erdgaseinsatz umfasste 103,7 Mio. MWh.

Neben der Erzeugung von Heißwasser und Dampf geht es um Wärme- und Trocknungsaufgaben bis hin zu Aufgaben der Inertisierung. Notwendig ist jeweils die Regelung der meist gasförmigen Betriebsstoffe mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Dafür kommen Massedurchflussregler zum Einsatz. Für diese Aufgabe prinzipiell geeignet sind unterschiedliche Verfahren: thermische Durchflussmesser oder mechanische Zähler wie Turbinen oder Ovalradzähler oder auch Blenden, Venturis und Staudrucksonden.

Jedes dieser Messsysteme hat zum Teil erhebliche Nachteile: Thermische Durchflussmesser zeigen Drift und benötigen kurze Rekalibrierungsintervalle. Die Umstellung auf andere Gase als Luft wie auf das Brenngas Erdgas, Butan, Acetylen etc. ist kompliziert und teuer, weil jeweils neu zu kalibrieren ist. Mechanische Zähler wie Turbinen oder Ovalradzähler kennen Verschleiß, haben keine integrierte Druck- und Temperatur-Kompensation, und sie sind teuer. Vergleichsweise teuer sind auch Blenden, Venturis sowie Staudrucksonden. Sie erfordern außerdem hohen Aufwand bei Installation, Verdrahtung und Auswertung.

Überwachung für dynamische Prozesse

Der kompakte Differenzdruck Massenstrom-Durchflussmesser Deltaflow C, installiert an einer Brenner-Gasleitung. Bilder: Systec Controls

Um diese Nachteile zu überwinden, hat das Unternehmen Systec mit dem Differenzdruck-Durchflussmesser Deltaflow C einen kleinen und schnellen multivariablen Messumformer zur Massenstrommessung von Gasen entwickelt. Er misst Durchfluss, Druck und Temperatur sehr präzise (ab < 2 % vom Messwert) und errechnet daraus den aktuellen Massenstrom. Die Messung ist langzeitstabil und unempfindlich gegen übliche Verschmutzungen wie Rohrabrieb, Ölreste vom Kompressor, Staub und normalen Kondensatanfall.

Auf wenigen cm² sind in dem Messumformer extrem schnelle Sensoren für Differenzdruck, statischen Druck und Temperatur integriert. Die Massenstrommessung erfolgt 2.000-mal in der Sekunde. Auch dynamische Vorgänge wie pulsierende Strömungen oder schnelle Prozesssteuerungen sind zuverlässig messbar, da die Elektronik keine Radizierfehler macht: Dieser Fehler tritt auf, wenn bei pulsierenden Strömungen die Wurzel aus einem gedämpften Differenzdruck-Wert gezogen wird, wie dies bei klassischen dp-Messungen wie Blenden oder Venturis der Fall ist. Mathematisch richtig ist es, erst die Wurzel aus den pulsierenden Messwerten zu ziehen um den pulsierenden Massenstrom zu errechnen, und dann den errechneten Massenstrom zu dämpfen. Ansonsten können Fehler bis zu 20 % v.M. und mehr entstehen. Der Microcontroller der Staudrucksonde verrechnet die Werte zu einem Massenstrom und stellt dem Anwender das Massenstromsignal sowie die Druck- und Temperatursignale zur präzisen Brennersteuerung zur Verfügung. Der breite Messbereich reicht bis 1:25.

Die Montage ist einfach, weil Druck- und Temperaturkompensation nicht separat eingebaut und verrechnet werden müssen. Bei Rohrdurchmessern bis 1,5 Zoll werden die Deltaflow-C-Venturis einfach über Gewindemuffen in die Rohrleitungen eingeschraubt. Für große Durchmesser sind sie als Eintauch-Staudrucksonde verfügbar. Bei normalem Betrieb, ist die Deltaflow C wartungsfrei. Im Regelfall genügt ein Kalibrierintervall von 60 Monaten.

Wirtschaftliche und exakte Brennersteuerung

Die Parametrierung des Massenstrom-Durchflussmessgeräts erfolgt einfach mit DIP-Schaltern.

Das Gerät misst ultrareine, aber auch leicht verschmutzte Medien. Die Messbreite reicht von -60 bis 160 °C, optional bis 210 °C bei Drücken von 0 bis 14 bar. Für Anwendungen bei höheren Drücken und Temperaturen (bis 600 bar und 1.280 °C bei Gasen, Dampf und Flüssigkeiten und starken Verschmutzungen liefert der Hersteller Staudrucksonden mit abgesetzten Transmittern. Diese erfüllen alle notwendigen Atex-Anforderungen und werden nach Druckgeräterichtlinie gefertigt. Zum Preis eines industriellen dp-Transmitters bietet das Messsystem eine komplette Venturi- oder Staudrucksonde mit Differenzdruck-, statischen Druck- und Temperatur-Sensor samt Auswertung. Über die Analogausgänge lassen sich die Durchfluss-, Druck- oder auch die Temperaturwerte übertragen.

Um all diese Vorteile nutzen zu können, kommt es auf die richtige Auswahl und Dimensionierung der Differenzdruck-Durchflussmesseinheit an. Falsch eingebaute und fehlerhaft dimensionierte dp-Messungen führen zu umweltkritischen, in jedem Fall unwirtschaftlichen Verbrennungsprozessen. Erfahrene Projektanten, die Messungen von der Auslegung bis zur Inbetriebsetzung begleiten, sorgen für optimale Brennerregelung. Der kostenlos vom Messtechnik-Anbieter bereitgestellte dfc-Selector vereinfacht hier das Engineering: Das Tool berechnet den Einsatzbereich, den Druckverlust, die zu erwartenden Genauigkeiten und zeigt dem Nutzer die Einstellungen über das Display oder die DIP-Schalter an. Damit ist eine Inbetriebnahme in wenigen Minuten möglich. Das Messystem kann einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Brennereffizienz und damit zur Senkung von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß leisten. Immerhin lagen im Jahr 2015 die CO2-Emissionen aus der Verbrennung von Brennstoffen laut Umweltbundesamt bei 742 Mio. t CO2 (UBA 2017). Dies entsprach 96 % der CO2-Emissionen bzw. 84 % der gesamten deutschen Treibhausgas­-Emissionen.

SPS 2019 Halle 4 – 130