Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Spolehlivé měření průtoku technických plynů pomáhá snižovat energetickou náročnost výroby

Vysoké ceny energií spolu s požadavky na snižování zátěže životního prostředí emisemi a odpady kladou na průmyslové podniky velké požadavky v oblasti spotřeby vody, technických plynů i energie pro výrobu tepla a průmyslové chlazení. Významnou úlohu v identifikaci možných úspor i v jejich realizaci má správné měření průtoku kapalin a plynů. Tento článek seznamuje čtenáře s některými příklady použití měřicích přístrojů firmy Krohne pro měření průtoku technických plynů.

 

Technické plyny se používají téměř ve všech oblastech průmyslu – v hutnictví, chemii, strojírenské výrobě i potravinářském průmyslu. V mnoha případech jsou na kvalitu technických plynů (čistota, obsah nežádoucích příměsí) kladeny velké požadavky. Výroba technických plynů je energeticky velmi náročná a tomu odpovídá také jejich cena. Hospodárné používání technických plynů může proto významně přispět k optimální výsledné ceně výrobku a současně minimalizovat zátěž pro životní prostředí.

Výrobní areál je obvykle vybaven zásobníkem kapalného plynu a odpařovací stanicí, ze které je technický plyn v plynném stavu dopravován potrubím do výrobních hal. Pro sledování spotřeby je nezbytné vhodně umístěné měření průtoku tak, aby bylo možné rozúčtovat celkovou spotřebu technického plynu, fakturovanou dodavatelem technických plynů, na jednotlivé výrobní provozy nebo jednotky, a to i v rámci jedné firmy. Tlak a teplota technického plynu se mohou v závislosti na odběru plynu měnit. Mění se i celková spotřeba plynu v závislosti na spotřebě a vytížení jednotlivých výrobních provozů.

 

Měření spotřeby ochranného plynu pro svařování

Příkladem vhodného technického řešení měření spotřeby plynu dodávaného firmou Messer Technogas pod obchodním názvem Ferroline, který vytváří ochrannou atmosféru při svařování, je použití Coriolisova hmotnostního průtokoměru Krohne Optimass 6400 C. Ferroline je směs argonu a oxidu uhličitého, která má za tlaku p = 101 325 Pa a teploty t = 0 °C (tj. za tzv. normálních podmínek) hustotu 1,7 kg·m–3, provozní tlak je v rozmezí 0,8 až 1,2 MPa (rel.) a teplota je v rozsahu +5 až +25 °C. Z důvodu kolísání tlaku a teploty plynu bylo velmi výhodné použít průtokoměr, který měří hmotnostní průtok a součtové hmotnostní množství spotřebovaného plynu.

Použitý hmotnostní průtokoměr firmy Krohne řady Optimass 6400 C má jmenovitou velikost S08 a je vybaven přírubami z korozivzdorné oceli pro jmenovitou světlost DN15 a tlak PN40. Odběratel požadoval široké měřicí rozpětí, tedy velkou hodnotu poměru maximální a minimální měřené hodnoty.

V tomto konkrétním případě byl požadován měřicí rozsah do 65 kg/h. Minimální měřitelný hmotnostní průtok činí 0,65 kg/h, měřicí rozpětí je tedy 100 : 1. To má velký význam tehdy, když výrobní linka využívá jen menší část své kapacity. Také v tomto případě je však průtok plynu spolehlivě a přesně měřen.

Díky optimalizované konstrukci vnitřní snímací části průtokoměru je i tlaková ztráta průtokoměru, který je vlastně dodatečně vřazen do potrubí, přijatelná. Při průtoku 30 kg/h, což je obvyklá hodnota, činí velikost tlakové ztráty na průtokoměru pouze 30 kPa.

Hmotnostní průtokoměr Optimass je vybaven místním dobře čitelným grafickým ukazatelem, na kterém se zobrazuje okamžitý hmotnostní průtok plynu Ferroline i součtové množství spotřebovaného plynu v kilogramech. Převodník průtokoměru má unifikované výstupní signály, které budou v budoucnu připojeny k systému pro měření spotřeby energií.

Mechanická montáž průtokoměru je snadná a je patrná z obr. 1. Provozovatel požadoval montáž průtokoměru do obtoku tak, aby při demontáži průtokoměru např. z důvodu jeho kalibrace nebyla přerušena dodávka svařovacího plynu. V obtoku je rovněž zařazena záslepka, aby bylo možné během běžného provozu vyřadit průtokoměr z měření spotřeby svařovacího plynu.

 

Měření spotřeby plynného dusíku ve farmaceutické výrobě

V rozlehlých areálech bývá obvykle centrální sklad technických plynů. Jednotliví odběratelé, což mohou být i různé firmy, nakupují od dodavatele technické plyny. V takovém případě je nutné, je-li to technicky možné, použít pro obchodní styk stanovené měřidlo. Pro průmyslové úlohy mimo oblast platnosti směrnice 2004/22/ES je požadováno národní schválení typu měřidla.

V následujících odstavcích je popsáno technické řešení měření spotřeby plynného dusíku používaného ve výrobě farmaceutických substancí. Odběratel je připojen na centrální rozvod technických plynů v průmyslovém areálu. Do areálu je dodáván kapalný dusík o vysoké čistotě, v odpařovací stanici dochází k jeho přeměně v plynný dusík a potrubím je dopravován k jednotlivým odběratelům. Pro měření spotřeby plynného dusíku byl použit hmotnostní průtokoměr Krohne Optimass 6400C S15, který má národní schválení typu měřidla pro měření průtoku plynů v České republice. Plynný dusík je čistý, jeho složení se nemění a je použit Coriolisův hmotnostní průtokoměr. Je možné měřit součtové hmotnostní množství a přímo v průtokoměru je přepočíst na objem za vztažných podmínek bez nutnosti měření tlaku a teploty.

Prvotní ověření i následné ověření se provádějí vodou tak, jak je uvedeno ve schválení typu měřidla. Jsou jednoduchá a snadno proveditelná.

Průtokoměr je namontován v souladu s požadavky na montáže stanovených měřidel. Je v obtoku, aby v případě následného ověření nebyla přerušena dodávka dusíku do nepřetržitého výrobního provozu. Současně musí být zabráněno neoprávněné manipulaci s obtokovými armaturami. V obtoku je zaslepovací clona opatřená plombami montážní organizace. Za průtokoměrem je uzavírací armatura, která umožňuje nastavit nulu průtokoměru při uvedení do provozu. Průtokoměr je napájen ze zdroje zálohovaného proti výpadku.

Rovněž v tomto případě bylo požadováno velké měřicí rozpětí. Měřený dusík má tlak 1 až 1,3 MPa a teplotu +5 až +35 °C. Byl požadován měřicí rozsah do 250 Nm3·h–1, minimální měřitelný průtok je 3,5 Nm3·h–1, minimální požadovaný průtok pro stanovené měřidlo 15 Nm3·h–1. Běžný provozní průtok je v rozsahu 30 až 150 Nm3·h–1. N znamená, že jde o objemový průtoku přepočtený na tzv. normální podmínky (101 325 Pa, 0 °C).

Provedení montáže je patrné z obr. 2. Hmotnostní průtokoměr Krohne Optimass 6400 C je vybaven místním ukazatelem a komunikací Modbus, kterou dodavatel dusíku využívá k měření okamžitého průtoku a spotřeby.

 

Měření průtoku vodíku – malé průtoky

Plynný vodík je často používaný technický plyn v oblasti chemie, výroby čistých barevných kovů, výroby polovodičů nebo jiných pokročilých výrob. Obvykle se dopravuje ke spotřebiteli ve stlačeném stavu pod velmi vysokým tlakem v soupravách tlakových lahví nebo je vyráběn přímo v místě spotřeby štěpením zemního plynu. V tomto případě je k jednotlivým odběratelům rozváděn potrubím s provozním tlakem do 1 MPa.

Většinou je požadováno měření spotřeby vodíku pro jednotlivá odběrná místa. Plynný vodík má i ve stlačeném stavu velmi malou hustotu a při měření je požadováno velké měřicí rozpětí a současně malá tlaková ztráta. Vhodným měřicím přístrojem pro měření průtoku v rozsahu desítek až stovek normalizovaných metrů krychlových za hodinu je termický hmotnostní průtokoměr.

V průmyslovém areálu firma Messer Technogas instalovala měření průtoku a součtového množství plynného dusíku na pěti odběrných místech. Byly použity termické hmotnostní průtokoměry Sierra Instruments typu 780S v přírubovém provedení s vestavěným usměrňovačem průtoku. Tyto průtokoměry jsou po výrobě kalibrovány plynným vodíkem, mají měřicí rozpětí 50 : 1 a jejich tlaková ztráta je typicky méně než 100 Pa.

Vestavěný usměrňovač průtoku minimalizuje požadované přímé úseky před a za průtokoměrem a tím významně usnadňuje mechanickou montáž. Průtokoměry byly dodány s komunikací Modbus pro snadný přenos měřených hodnot do místa vyhodnocení.

V tomto konkrétním případě se průtok plynného vodíku měří za těchto podmínek: teplota vodíku –10 až +30 °C, tlak vodíku 300 kPa, rozsah měřitelného průtoku 5 až 220 Nm3·h–1.

Na obr. 3 je vidět realizace jednoho z měřicích míst pro měření spotřeby vodíku.

 

Měření průtoku vodíku – velké průtoky

Pro měření větších průtoků plynného vodíku o středním tlaku je vhodné použít ultrazvukový průtokoměr, který se vyznačuje zanedbatelnou tlakovou ztrátou, velkým měřicím rozpětím i tím, že měří od téměř nulového průtoku.

Významný výrobce chemických produktů vyrábí plynný vodík štěpením zemního plynu a dopravuje jej potrubím k jednotlivým výrobním jednotkám. Pro měření průtoku plynného vodíku o tlaku 400 až 600 kPa a teplotě +5 až +25 °C byl použit dvoukanálový ultrazvukový průtokoměr Krohne Optisonic 7300 C v přírubovém provedení o jmenovité světlosti DN 100. Má zanedbatelnou tlakovou ztrátu a vy­užitelný měřicí rozsah 20 až 1 300 m3·h–1. Přepočet na standardní podmínky se provádí v řídicím systému provozu s využitím stávajícího měření tlaku a teploty proudícího vodíku.

Při výrobě je průtokoměr kalibrován vzduchem při atmosférickém tlaku. Díky dvoukanálovému provedení činí požadovaný přímý úsek před průtokoměrem pouze 10× DN, jeho montáž je tedy snadná a jednoduchá. Vzhledem k velkému měřicímu rozpětí je možné spotřebu plynného vodíku měřit ve všech provozních režimech výrobny. Průtokoměr je umístěn v prostředí s nebezpečím výbuchu, jeho napájení je v zajištěném provedení a jiskrově bezpečné výstupy jsou připojeny k řídicímu systému výrobny vodíku. Provedení měřicího místa spotřeby plynného vodíku je na obr. 4.

 

Závěr

Cílem příspěvku bylo představit možnosti měření okamžitého průtoku a proteklého množství technických plynů moderními typy průtokoměrů s dodržením požadavků odběratelů na velké měřicí rozpětí a malou tlakovou ztrátu. Jde o přístroje bez pohybujících se částí a bez požadavků na pravidelnou údržbu.

Při výběru správného měřicího principu a konkrétního průtokoměru vždy záleží na fyzikálních parametrech měřeného plynu (tlak, teplota, složení, hustota) a na požadavcích na nejistotu měření a měřicí rozsah.


Petr Komp,
KROHNE CZ, spol. s r. o.

Obr. 1. Měření průtoku a součtového množství svařovacího plynu Coriolisovým hmotnostním průtokoměrem Krohne Optimass 6400 C

Obr. 2. Měření průtoku a součtového množství dusíku Coriolisovým hmotnostním průtokoměrem Krohne Optimass 6400 C

Obr. 3. Měření spotřeby plynného vodíku termickým hmotnostním průtokoměrem Sierra Instruments 780S

Obr. 4. Měření spotřeby vodíku ultrazvukovým průtokoměrem Krohne Optisonic 7300 C