Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Výběr průtokoměru podle celkových nákladů

Automa 9/2001

Dr. Ing. Radek Strnad, Product Manager Flow,
Emerson Process Management (Fisher-Rosemount), s. r. o.,
radek.strnad@frco.com

Výběr průtokoměru podle celkových nákladů

Před hlediskem minimálních pořizovacích nákladů se stále častěji dává přednost výběru na základě celkových nákladů, které je třeba vynaložit za celou dobu technického života zařízení. V článku je z tohoto pohledu analyzována oblast průmyslové průtokoměrné techniky. Je naznačen základní postup určení celkových nákladů při měření průtoku vhodný pro inženýrskou praxi. V kostce je popsán přístup firmy Emerson Process Management (Fisher-Rosemount) k řešení úloh měření průtoku a uvedeny firmou doporučované tzv. nejlepší praktiky při měření průtoku.

1. Úvod

Obr. 1.

Při nákupu libovolného přístroje je většinou patrná snaha minimalizovat především náklady na jeho pořízení. Nejinak je tomu při měření průtoku. Většinou se postupuje tak, že uživatel sdělí své požadavky na vlastnosti průtokoměru, který dodavatel poptá u různých výrobců, a z nabídek vybere ten nejlevnější, který ještě splňuje zadání. Uživatel pak ale často zjistí, že při nákupu sice jednorázově ušetřil několik tisíc korun, ale na údržbě, kalibracích, nepřesnosti přístroje apod. prodělává i statisíce korun ročně.

Aby se předešlo podobným překvapením, uplatňuje se stále častěji princip minimalizace nikoliv nákladů na pořízení, ale celkových nákladů na vlastnění přístroje, a to v dlouhém časovém horizontu (Total Cost of Ownership – TCO).

V tomto příspěvku jsou aplikovány principy TCO na výběr průtokoměru pro průmyslové použití. Vychází se přitom z rozdělení provozního života přístroje na následující etapy:

  • počáteční investice,
  • provozní využití,
  • likvidace.

Do počáteční investice patří náklady na nákup, montáž a uvedení do provozu (zaškolení obsluhy) průtokoměru apod. (viz dále).

V kategorii nákladů provázejících provozní využití průtokoměrů jsou v příspěvku uvažovány nejen tradiční náklady na údržbu a kalibraci, ale nově také ekonomické vlivy metrologických vlastností přístrojů a s nimi spjatých nejistot měření (tj. ztráta v důsledku chyby přístroje, nepřesnosti regulace, předávkování, nesplnění požadavku na přesnost měření atp.).

K nákladům na likvidaci průtokoměru se v příspěvku nepřihlíží.

Jako typické příklady z průmyslové praxe jsou navzájem porovnávány hmotnostní průtokoměr využívající Coriolisovy síly, turbínový a vírový průtokoměr a průřezové měřidlo (clona).

Příspěvek si neklade za cíl taxativně stanovit veškeré možné příspěvky k celkovým nákladům na vlastnění průtokoměru, ani jejich absolutní hodnoty. Zaměřuje se především na postupy a poměrné hodnoty pohotově použitelné v inženýrské a investorské praxi.

2. Počáteční investice

Obr. 2.

Má-li být porovnání jednotlivých technik měření průtoku nestranné, musí být do počáteční investice povahy fixních nákladů zahrnuty všechny podstatné dílčí položky. V úvahu je třeba brát náklady na:

  • nákup přístroje;
  • seznámení se s přístrojem;
  • přídavná zařízení, tj. kabeláž, rovné (uklidňovací) úseky potrubí, filtry, odvzdušňovače, napájecí elementy, vytápění, impulzní potrubí, kompenzaci teploty a tlaku (při měření plynů – příslušné prostředky často stojí více než samotný průtokoměr) apod.;
  • instalaci přístroje a jeho uvedení do provozu.

Typicky dostaneme pro počáteční investici výsledek podle obr. 1. Je vidět, že z hlediska samotné počáteční investice je z uvažovaných měřicích technik stále ještě nejvýhodnější průřezové měřidlo (clona).

3. Náklady na provoz

3.1 Údržba
Má-li mít trvale vlastnosti, pro které byl vybrán, vyžaduje každý přístroj určitou údržbu. Obecně platí, že průtokoměry s pohyblivými částmi (turbínové, lopatkové, dávkovací) jsou na údržbu náročnější. Správná kalkulace nákladů na údržbu nutně obsahuje také náklady na údržbu nejen vlastního průtokoměru, ale i ostatních relevantních součástí měřicího řetězce.

Typický výsledek kalkulace nákladů na údržbu přístrojů pro měření průtoku plynu ukazuje obr. 2. Je samozřejmé, že náklady na hodinu práce pracovníka údržby se mohou podnik od podniku lišit, poměry ale zůstávají stejné.

3.2 Kalibrace
Každý přístroj je samozřejmě kalibrován ve výrobním závodě. Stejně samozřejmě je ho však třeba za provozu periodicky kontrolovat následnými kalibracemi. Opět zde obecně platí, podobně jako v případě údržby, že přístroje s pohyblivými částmi jsou náročnější a vyžadují četnější kalibraci. Kalibrovat je nutné všechny části měřicího řetězce.

Doba mezi nejblíže následujícími kalibracemi je dána buď zákonným předpisem (je-li přístroj je určen pro fakturační účely), nebo metrologickým předpisem uživatele. Nejčastěji se požaduje kalibrace každé dva až tři roky.

Obr. 3.

Nepominutelnou součástí úvah o kalibraci je také skutečnost, že některé přístroje (hmotnostní průtokoměry s Coriolisovou silou, vírové průtokoměry) nevyžadují kalibraci v podmínkách co nejbližších skutečným (tj. měřeným médiem za provozních podmínek), zatímco např. turbínové nebo dávkovací snímače ano. Porovnáme-li např. náklady na kalibraci turbínového snímače pro měření průtoku zemního plynu při velkém tlaku v laboratoři Německu s náklady na kalibraci vírového průtokoměru vodou v místní laboratoři nebo náklady na pouhou kontrolou stability nuly bez kalibrace v případě použití hmotnostního Coriolisova průtokoměru Micro Motion firmy Fisher-Rosemount, dostáváme se k nezanedbatelným rozdílům (obr. 3).

3.3 Chyba přístroje
Ve všech prospektech se výrobci průtokoměrů předhánějí v údajích o dosažené odchylce údaje přístroje od skutečné hodnoty průtoku, kterou samozřejmě uvádějí co nejmenší. V aplikacích, kde každou hodinu protéká potrubím médium za statisíce korun, má každá desetinka procenta odchylky rozhodně svůj význam.

Na druhé straně se ale často setkáváme s názorem praktiků, kteří nevolají až tak po co nejmenší odchylce od správné hodnoty, ale především po opakovatelnosti údaje průtokoměru (pro účely regulace).

Je nutné si také uvědomit, že nejistoty měření v laboratoři a v provozu se diametrálně liší. Do výsledné nejistoty měření průtoku se započítávají i nejistoty zapříčiněné ostatními články řetězce (měření tlaku a teploty, přepočítávač).

Celkové metrologické vlastnosti měřicí smyčky je možné významně ovlivnit instalací přístrojů, volbou referenčních podmínek apod., jak ještě ukážeme dále.

3.4 Nepřesnost regulace
Při nastavování regulační smyčky je údaj z průtokoměru pokládán za absolutně správný. Na jeho základě je proces regulován na optimum (výpočetně). Aby byl vyloučen vliv nejistoty měření průtoku, je potom žádaná hodnota nastavena dále od kritického bodu, a tím dochází ke ztrátě ve výrobě.

Jiný přístup je založen na definování pásma nejistoty měření pro optimální řídicí strategii. Je-li např. požadováno pásmo nejistoty měření 0,3 %, bude při použití průtokoměru měřícího s nejistotou 0,2 % tento požadavek splněn po 99,56 % z doby měření. Při měření s nejistotou 0,5 % by to bylo jen 83,84 % doby měření. Tato kalkulace je založena na předpokladu normálního rozdělení chyb přístroje.

Obecně tedy platí, že, pokud je přístroj používán pro regulaci, záleží nejenom na jeho chybě, ale i na opakovatelnosti měření.

3.5 Předávkování
Přesné průtokoměry se často používají pro dávkování tam, kde je předepsáno pouze minimální množství přidávané suroviny (přísady), a co je nad minimální zaručené množství, se poskytuje zdarma. Jako příklad lze uvést aditivaci paliv pro auta, kdy se u 95oktanového benzinu často pracuje s dávkou aditiv větší i o 0,5 % (tzv. předávkováním).

Například průtokoměr dávkuje 1 000 kg s maximální odchylkou 0,5 kg. Má-li být s jistotou vydáno minimálně 1 000 kg aditiva, musí být tedy nastavena dávka 1 000,5 kg s výslednou skutečnou hmotností dávky 1000,5±0,5 kg. Nutný přebytek je tzv. ztráta v důsledku předávkování, kterou lze vyjádřit penězi.

Často je v tomto případě používán nesprávný výpočet podle úvahy: dávkuji 1 000 kg, používám průtokoměr s chybou 0,1 %, chyba je tedy 0,001 × 1 000 = 1 kg.

Obr. 4.

Určit správné předávkování může být obtížné a často je nutné ho stanovit experimentálně. Každý průtokoměr má definovanou závislost nejistoty na velikosti průtoku. Nejistota bude zpravidla větší na dolním a horním konci měřicího rozsahu. Podrobnější pohled nabízí obr. 4.

Příklad: Mějme 5 000 dávek po 100 kg vydaných za rok. Nejméně 99 % všech dávek musí mít hmotnost rovnou zadané hodnotě (100 kg) nebo větší. Cena média je 0,25 USD/kg. Chyby jednotlivých měřicích metod a nastavené žádané hodnoty dávek jsou potom:

  • MiMo 0,1 % (100,6 kg);
  • turbínový průtokoměr 0,2 % (101,2 kg);
  • vírový průtokoměr 0,7 % (104,2 kg);
  • clona 2,5 % (114,9 kg).

Finančně je ztráta vlivem předávkování v závislosti na metodě měření pro uvedený příklad vyjádřena na obr. 5. K výsledkům zde není co dodat.

3.6 Ztráta nesplněním požadavků na přesnost
Existují měření, při kterých je nutné deklarovat určitou přesnost kontrolovanou nezávislým arbitrem. Měří-li se méně přesně, než je požadováno, je nutné zaplatit smluvní penále a dát přístroj do pořádku (např. při měření škodlivin, převozu látek mezi státy apod.). Při výběru vhodného průtokoměru je třeba brát v úvahu nutnost jeho periodického ověřování a dostatečnou rezervu v požadavcích na jeho vlastnosti. Při kalibraci přístroje je nutné přerušit chod procesu, provést kalibraci a znovu proces spustit. Odtud tedy snaha používat co možná nejpřesnější a nejspolehlivější přístroje.

3.7 Ztráta za každé procento nejistoty Ztráta odvozená z velikosti nejistoty se vypočítá poměrně jednoduše. Je znám průtok daným měřicím místem, cena média a nejistota měření: ke každému procentu nejistoty je možné přiřadit odpovídající finanční ztrátu.

Výsledek je v tomto případě velmi podobný výsledku předešlé kapitoly.

4. Celkové náklady na měření průtoku

Obr. 5.

Vezmeme-li např. v úvahu všechny shora diskutované dílčí náklady, pořizovací i provozní, lze závislosti vyjádřit graficky podle obr. 6.

Z grafu založeného na typických hodnotách je patrné, že nejvhodnější je použít hmotnostní průtokoměr, u kterého budou celkové náklady na vlastnění za uvažovanou délku provozního života 10 let nejmenší.

Samozřejmě, že podobným způsobem by, při použití různých hledisek, bylo možné pokračovat do nekonečna, což ovšem není cílem tohoto článku.

Nicméně na doplnění se zmíníme ještě o někdy používané kalkulaci nákladů na tlakovou ztrátu. Tlaková ztráta je ztráta energie, kterou je třeba vynaložit k proudění měřené tekutiny. Ztracenou energii lze vyjádřit v penězích a často se takto kalkuluje jako velmi významná část podmínek pro výběr vhodného průtokoměru.

5. Koncepce Fisher-Rosemount a nejlepší praktiky

Firma Emerson Process Management (Fisher-Rosemount) vlastní jedno z nejrozsáhlejších portfolií přístrojů pro měření a regulaci. Konkrétně v oblasti měření průtoků nabízí téměř úplný sortiment průtokoměrných zařízení. V její nabídce lze nalézt vhodnou měřicí techniku pro velkou většinu aplikací.

Častou praxí v průmyslové automatizaci je, že dodavatel nebo projektant s úzkou vizí jednoho jediného výrobce tvrdohlavě volí takové principy měření mj. průtoku, které nejsou z hlediska koncového uživatele optimální a nebo ho dokonce velmi významně poškozují. Příčinou je orientace na maximalizaci zisku jednoho dodavatele s omezeným sortimentem zboží.

Naproti tomu přichází firma Emerson Process Management (Fisher-Rosemount) s totálně odlišným přístupem. V každé zemi je vyškolen tým odborníků důkladně obeznámených s teoretickými i praktickými aspekty měření průtoku. Ti pak, s použitím metody naznačené v tomto článku a vhodných nástrojů (o jednom z nich se zmíníme dále), analyzují zadané požadavky na měření průtoku a jsou schopni navrhnout i zrealizovat měřicí řetězec optimálně vyhovující potřebám uživatele.

S cílem obecně zpřístupnit získané zkušenosti pak byly pracovníky firmy sestaveny a vydány doporučené postupy, tzv. nejlepší praktiky, pro použití průtokoměrů. Tyto postupy jsou navrženy tak, aby byly minimalizovány negativních faktory jednotlivých měřicích metod a maximalizován provozní zisk uživatele.

Hlavní dosud získané poznatky lze shrnout do několika logických, ale v praxi často opomíjených doporučení:

  • Vyhýbejte se použití impulsních potrubí – dosáhnete zmenšení počtu míst s rizikem úniku média, zjednodušení montáže a údržby a menších nejistot měření. V rámci této snahy nezapomeňte uvážit i přechod k jiné metodě měření, která impulsní potrubí apriori vylučuje.

  • Uvažujte o měření hmotnostního průtoku – zvláště u plynů přináší výrazné zpřesnění měření nejenom tím, že nevyžaduje kompenzaci změn tlaku a teploty – odpadá i potřeba kompenzace změny součinitelů průtoku se změnami podmínek měření.

  • Minimalizujte tlakové ztráty – což je v době rostoucího důrazu na co nejmenší ovlivňování životního prostředí velmi důležitý faktor. Každý kilopascal trvalé tlakové ztráty znamená újmu na životním prostředí, promrhání energie a tím finanční ztrátu.

  • Pro potrubí malého průměru používejte vestavěné (in-line) průtokoměry, pro potrubí velkého průměru zasunovací průtokoměry. Tímto řešením se významně redukují celkové náklady na instalaci přístroje.

Tolik tedy alespoň stručný výběr z nejlepších praktik s upozorněním na některé aspekty, které je vhodné brát v úvahu při volbě průtokoměru. Používáním uvedených metod je možné dosáhnout úspor v provozních nákladech řádu až desetinásobků při současném zvýšení přesnosti měření.

6. Závěr

Obr. 6.

Článek uvádí některé základní ekonomické aspekty důležité při výběru průtokoměru. Rozebírá jednotlivě skladbu pořizovacích i provozních nákladů u vybraných typů průtokoměrů. Vedle tradičních položek provozních nákladů jsou diskutovány i ty méně tradiční, spjaté s metrologickými vlastnostmi měřicích přístrojů.

Výpočty provedené s typickými daty ukazují, že pořizovací náklady nepředstavují oproti provozním u většiny průtokoměrů rozhodující položku, spíše naopak. Uvedené příklady sestav nákladů nejsou ovšem v žádném případě úplné a vždy je nutné posuzovat každý případ individuálně (která položka je a která není adekvátní).

Všechny uvedené příklady a obrázky vznikly pomocí programu Advisor, který je možné zdarma získat u autora článku. Tento program dokáže pro konkrétní aplikaci vybrat vhodnou techniku pro měření průtoku tak, aby celkové náklady na vlastnění přístroje byly minimální.

Literatura:

[1] STRNAD, R.: Celkové náklady na provoz průtokoměrů. In Sborník příspěvků z konference Průtok ´2001. Praha, Techmarket červen 2001.

[2] Advisor, manuál k programu. Emerson Process Management Fisher-Rosemount, 2001.

Článek vychází z příspěvku [1] předneseného na konferenci Průtok ´2001. Je publikován se souhlasem pořadatele, agentury Techmarket Praha.