Die Versorgungssicherheit und die Effizienz in Erzeugung, Transport und Nutzung von Dampf gehören mit in den Fokus von Anlagenbetreibern der chemischen Industrie, ebenso wie die Transparenz über die Dampfmenge bis zu den einzelnen Verbrauchern. Quasi ein Standard-Messverfahren in der Dampfmessung sind Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte – und dies bereits seit über 30 Jahren. Um mehr als nur die eigentliche Messaufgabe – die Mengenerfassung in den einzelnen Produktionseinheiten – zu übernehmen, sind moderne Geräte unter anderem mit einer speziellen Funktion zur Nassdampfmessung ausgestattet.

Eine Frage der Dampfqualität

‚Faktor x‘ definiert den Dampfgehalt. Bei x = 0 ist das Wasser vollständig gesättigt. Bei x = 1 ist trockener Sattdampf vorhanden. Bei x = 0,8 befinden sich 80 % der Masse des Wassers im gasförmigen Zustand und 20 % im flüssigen Zustand.

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Sattdampf und überhitzter Dampf sind die gasförmigen Aggregatzustände von Wasser. Alle Wassermoleküle haben die physikalische Eigenschaft eines Gases. Hier liegt eine Dampfqualität von 100 % vor, der Dampf ist für das Auge unsichtbar. Der Ausdruck Sattdampf bezeichnet einen Punkt, bei dem zu einem spezifischen Druckwert eine eindeutige Temperatur gehört – beispielsweise beträgt die zu einem Dampfdruck von 8 bar gehörende Temperatur 170,4 °C. Aus einer Zusammenreihung der Punkte für alle Druckwerte ergibt sich die sogenannte Sattdampfkurve, die die Grenzlinie bildet für den Aggregatzustand von Wasser und Dampf: Bei einem konstanten Druck von 8 bar ist bei einer Temperatur >170,4 °C der Dampf überhitzt, bei niedrigerer Temperatur ist es Nassdampf.

Genau um diesen Bereich unterhalb der Sattdampfkurve, geht es bei der ­Betrachtung der Dampfqualität. Hier beginnt der Dampf durch Energie­verlust auszukondensieren, die Gasmoleküle verbinden sich durch eine Aggregat­zustandsänderung wieder zu Flüssigkeitstropfen. Die Dampfqualität drückt aus, wie viel Prozent der Dampfmasse noch gasförmig und wie viel ­flüssig vorliegen. In Zahlen: Bei ursprünglich 1000 kg Dampf, 8 bar Druck und einer Dampfqualität von 90 % sind dies dann 900 kg Dampf (umgerechnet circa 216 m³) und 100 kg flüssiges Kondensat (umgerechnet circa 0,1 m³).

Energieverluste eliminieren

Das Hauptproblem ist der Energieverlust bei einer Änderung des Aggregat-zustandes. Sattdampf hat bei 8 bar einen Wärme-Inhalt von 2767 kJ/kg. Bei gleichen Bedingungen hat der flüssige Zustand nur 721 kJ/kg. Die Differenz daraus – 2046 kJ/kg – ist die nutzbare Wärme-Energie, die im Dampf steckt und eigentlich an einem Verbraucher wie etwa einem Wärmetauscher genutzt werden soll.

In Zahlen ausgedrückt kann folgendes Beispiel die Bedeutung der Dampfqualität verdeutlichen. Durch eine Dampfleitung mit der Nennweite DN100 werden 4000 kg/h gefördert. 1000 kg Dampf kosten rund 40 Euro. Bei einer Dampfqualität von 90 % gehen durch Auskondensieren 16 Euro pro Stunde verloren. Am Tag sind dies 384 Euro und auf den Monat gerechnet 11.520 Euro!

Das Problem: Da sich Druck und Temperatur bei einem Wechsel des Aggregatzustandes nicht ändern, lässt sich durch Druck- und Temperaturmessung der Zustand in einer Dampfleitung nicht eindeutig bestimmen. Doch industrie-taugliche Technologien zur Messung einer mehrphasigen Strömung in der Rohrleitung gab es bislang nicht.

Im Dampfnetz gilt es, den Sattdampf effizient zur jeweiligen Verbrauchsstelle zu transportieren und dort – sowie auf dem Weg dorthin – die Entstehung von Nassdampf und den Anfall von Kon­densat zu vermeiden. Jeder Tropfen ­entstehendes Kondensat bedeutet Energieverlust und stellt durch mögliche Dampfschläge ein Sicherheitsrisiko für die Anlage und das Betriebspersonal dar.

Ursachen für die Entstehung von Nassdampf sind in der Regel Wärmeverluste, die häufig durch eine fehlende oder schadhafte Isolation an Teilen der Dampfleitungen entstehen. Der Nassdampf verursacht vielfältige Probleme:

• Das in der Dampfleitung entstehende Wasser kann zu Wasserschlägen und Schwallströmungen führen.
• Da Nassdampf weit weniger Energie enthält als trockener Sattdampf, ist der Wirkungsgrad des Dampfsystems reduziert.
• Falls die Bildung von Nassdampf durch das Überschäumen von Kesselwasser zustande kommt, kann dies Spannungsriss-Korrosion zur Folge haben.

Nassdampf ist aber auch an der Verbrauchsstelle problematisch:

• Funktioniert der Kondensat-Abscheider am Auslass des Kessels nicht, kann der Wärmetauscher volllaufen, was den Wirkungsgrad des Wärme-Übergangs dramatisch verschlechtert.
• Funktioniert der Abscheider für die Produktion von trockenem Sattdampf nicht richtig, kann ebenfalls Nassdampf entstehen und der Wirkungsgrad entsprechend abfallen.

Die Beispiele zeigen: Nassdampf kann überall im Prozessheiz- und Rohrleitungssystem entstehen – auch wenn davon ausgegangen wird, dass Heißdampf produziert wird. Elementar daher, herauszufinden, ob Nassdampf vorliegt oder nicht.

Forschungskooperation und Dampfprüfstand

Gemeinsam mit der Fachhochschule Nordwestschweiz in Windisch hat Endress+Hauser deshalb in eine gemeinsame Dampf-Testanlage investiert, um praxistaugliche Innovationen zur Nassdampf-Erkennung und -Messung zu entwickeln. Auf dieser Testanlage wurde Dampf mit unterschiedlichem Dampfgehalt hergestellt und die Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts im Dampf auf den Wirbelzähler ‚Proline Prowirl‘ untersucht. Für die Nennweiten DN25 bis DN100 ließen sich Dampfgehalte zwischen 70 % und 100 % realisieren. Dabei sind Dampfdrücke bis zu 10 bar rel. möglich.

Der Nassdampf wurde erzeugt, indem Wasser entweder als ‚flüssige Strömung‘, als ‚Sprühnebel‘ oder mittels eines Kühlrohrs zugeführt wurde. In allen drei Fällen zeigten die Untersuchungen, dass zunehmend nasser Dampf in horizontal verlaufenden Leitungen zunächst eine ‚kanalartige Strömung‘ am Boden der Leitung bildete, die sich dann in den oberen Bereich der Leitungswände ‚verschmierte‘. Dieses Verhalten war unabhängig von der Zuführungsart des flüssigen Wassers zu beobachten.

Ein Messsignal – zwei ­nutzbare Messwerte

Bisher war es üblich, nur die Frequenz der Wirbel für die Durchflussmengenmessung auszuwerten. Mit modernen Elektroniken ist heute ausreichend Leistung für umfangreichere Berechnungen vorhanden, was eine vollständige Auswertung des Signalverlaufes des Rohsignals vom Sensor ermöglicht:

Mit dem kapazitiven Wirbelsensor ‚Prowirl 200‘ ergibt sich für die Durchflussmessung im Normalfall eine Sinusform. Wechselt der Dampfzustand von ‚trocken‘ auf ‚nass‘, wird diese Sinusform in Höhe und Form ­beeinflusst. Zudem entsteht eine rhythmische Pulsation, die das ursprüng­liche Sinussignal überlagert. Nun ­erfolgt eine Trennung in ein Durchflusssignal und einen zweiten Messwert, der auf die Masse des vorbei­fließenden Kondensats zurückzuführen ist. Mittels eines Algorithmus lassen sich nunmehr weitere Mess­größen ­berechnen und dem Anwender zur ­Verfügung stellen – zum Beispiel der Masse-Anteil an Kondensat, die Dampfqualität oder jeweils der Energie-Inhalt von Dampf und Kondensat.

Bereits vor 20 Jahren gab es wissenschaftliche Untersuchungen in den Vereinigten Staaten zum Einfluss schlechter Dampfqualität auf unterschiedliche Durchfluss-Messprinzipien. Dabei wurde eine Auswirkung auf die Messgenauigkeit festgestellt: Alle in dieser Untersuchung angewandten Messprinzipien zeigen einen positiven Fehler, das heißt, die ­Geräte zeigen bei schlechter werdender Dampfqualität einen immer größeren Durchflussmesswert an. Die Höhe der Abweichung ist jedoch bei jedem Messprinzip unterschiedlich und liegt in der Größenordnung von 4 bis 8 %. Ursache ist ein ver­ändertes Strömungsprofil im Dampf. Für eine genaue Durchflussmessung benötigt jedes Messgerät ein turbu­lentes Profil, bei dem sich über den ­gesamten Rohrquerschnitt der Dampf gleich schnell bewegt.

Bei schlechter Dampfqualität fließt aber auch das Kondensat durch die Rohrleitung, allerdings mit einer viel geringeren Geschwindigkeit. Dies ­verursacht eine Veränderung hin zu ­einem laminaren Strömungsprofil – in der Mitte der Rohrleitung fließt der Dampf schneller als am Rand. Und eben von dieser erhöhten Geschwindigkeit wird der Messwert an den Durchflussmessgeräten gebildet. Eine Korrektur ist denkbar, da der ­zusätzliche Messfehler konstant zur Dampfqualität ist. Bisher gab es jedoch keine Möglichkeit, während des Betriebes im industriellen Maßstab permanent die Dampfqualität zu messen. Dieses Problem löst die Dampfqualitätsmessung im Wirbelzähler, der Durchflusswert wird um den Strömungsprofil-Einfluss korrigiert.

Alarmfunktionen für den sicheren Betrieb

Der ‚Prowirl F 200‘ im Dampfzulauf eines Wärmetauschers.

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Bei der Nutzung des ‚Prowirl F 200‘ mit Massesensor, der einen integrierten Temperaturfühler und Durchflussrechner besitzt, ist eine externe Temperaturmessung überflüssig. Über eine Eingangsfunktion wird zusätzlich ein Druckmesswert im Gerät eingelesen und das Durchflussmessgerät übernimmt die Kalkulation aller relevanten Parameter. In diesem Fall wird die Warnfunktion ‚Nahe Dampfsättigungslinie‘ genannt. Sie löst aus, wenn sich die gemessene Temperatur auf 2 K der Sattdampfkurve genähert oder diese unterschritten hat.

Die Nassdampf-Warnung lässt sich auch mit einer einfachen Vortex- und Differenzdruckmessung umsetzen: Hier gibt es immer eine sepa­rate Druck- und Temperaturmessung sowie einen Durchflussrechner für die Kompensationsberechnung. Das Prinzip der Messung hier ist als ­klassischer Aufbau einer Dampf­messstrecke zu bezeichnen. Charak­teristisch ist, dass die Sensoren nur Grundmesswerte liefern und der Durchflussrechner aus diesen Größen weitere Berechnungen macht – etwa die Prüfung eines Nassdampf-Zustandes. Auch hier wird über einen Temperaturgrenzwert von 2 K über Sattdampfkurve eine Nassdampf-Warnung generiert.

Aber: Nachteil dieser und der zuvor genannten Variante ist das Fehlen von Informationen über Menge und Umfang von vorhandenem Nassdampf. Es bleibt nur der Hinweis, dass Nassdampf auftreten könnte.

Zwei neue Funktionen

Dampfqualität – in der Forschungsanlage sichtbar gemacht – bringt neue Erkenntnisse zu Anlagenproblemen bei Energieverlusten und Dampfschlägen. Im Bild zu sehen ist Dampf mit unterschiedlichen Dampfgehalten (von li. nach re.: 100 %, 95 %, 80 %).

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Der Prowirl F 200 bietet für die ­Nennweiten DN25 bis DN100 zwei neue Funktionen der Nassdampf-Messung, die auf dem messbaren ­Effekt von Nassdampf auf das Sensorsignal der Durchflussmessung basieren. Die erste Funktion ist eine reine Warnfunktion über einen Grenzwert der Dampfqualität, die zweite liefert kontinuierliche Messwerte auch im Nassdampf-Bereich. Die Grenzwertfunktion ist in der Grundeinstellung auf 80 % Dampfqualität eingestellt und generiert bei Erreichen und ­Unterschreiten des Grenzwertes eine Warnmeldung. Somit sind einfache ­sicherheitsgerichtete Überwachungen möglich. Die kontinuierliche Messung hat mehrere zusätzliche Messgrößen, die an ein nachfolgendes System übergeben werden können – zum Beispiel Dampfqualität, Massestrom Kondensat oder Massestrom nur Dampfanteil. Damit können Anwender frei mit den Messwerten arbeiten und eigene Handlungsfunktionen implementieren.

Geräteprüfung ohne Ausbau

Versorgungsnetze müssen 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr sicher funktionieren. Kommt es zum Ausfall von Komponenten im Dampfnetz, droht häufig ein Produktionsstillstand. Aus diesem Grund müssen alle in Versorgungsleitungen installierten Messgeräte langzeitstabil sowie robust sein und kontinuierlich genau messen.

Doch gerade in Abrechnungsmessungen stellt der Nachweis der Qualität der Mess-Ergebnisse den Dampfversorger häufig vor gravierende Probleme: Die Prüfung beziehungsweise Rekalibrierung der Geräte ist ohne Ausbau und einen damit verbundenen Anlagenstillstand zumeist nicht möglich. Auch hier bietet Endress+Hauser mit der integrierten ‚Heartbeat Technology‘ und einer detaillierten Prüfung mit einer Prüftiefe >98 % ohne Ausbau neue Möglichkeiten. Die Prüfung auf Knopfdruck auch aus der Leitwarte heraus liefert ein dokumentiertes und nachweisbares Prüf-Ergebnis, das auch den Anforderungen der ISO 9001 standhält.

Autor:
Kai Weltin ist Marketing-Manager Durchflussmesstechnik bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.