Povedzme si na úvod, kedy vlastne požiadavky na doplnenie merania prietoku do existujúcich technológií môžu vzniknúť?
Môže to byť z viacerých objektívnych dôvodov. Z našej praxe patria medzi najčastejšie napr. monitorovanie distribúcie a spotreby médií v rámci zásobovania samostatných výrobných celkov, kde technológie prechádzajú postupnými zmenami, pričom toky dodávaných alebo naopak produkovaných médií sa môžu časom meniť. Ďalším prípadom môže byť delenie alebo spájanie priemyselných podnikov alebo ich výrobných jednotiek, kde potreba doplnenia merania prietoku súvisí s monitorovaním vzájomne dodávaných médií. Stretávame sa aj s požiadavkou na meranie prietoku emisných alebo energetických médií ako jedného z podstatných parametrov environmentálneho monitorovania, ktoré je navyše povinnou súčasťou schémy obchodovania s emisiami CO2. A nesmieme zabudnúť aj na chyby v návrhu a inžinieringu nových alebo rekonštruovaných technológií, kde potrebné meranie jednoducho chýba. Dočasné merania majú zase zmysel pri výkonových a garančných skúškach, či už nových, alebo rekonštruovaných technologických zariadení. Typickým príkladom môže byť preukazovanie účinnosti technológií založených na výmenníkoch tepla alebo preukazovanie výkonových parametrov čerpadiel a kompresorov.
V čom je táto problematika netypická?
Absolútna väčšina prístupov a spôsobov inštalácie prístrojov na meranie prietoku kvapalných alebo plynných médií je založená na kompaktných prístrojoch s vlastným „telom“. Tieto prístroje bývajú do potrubia zabudované rôznymi spôsobmi, avšak takmer vždy predstavujú samostatný potrubný element, a teda prerušujú potrubie v celom jeho priereze. Telo prístroja tak v konečnom dôsledku tvorí súčasť potrubia, ktoré po jeho zabudovaní získava nové mechanické vlastnosti. To býva hlavný problém technickej realizovateľnosti dodatočného zabudovania zo strojného pohľadu „štandardného“, povedzme medziprírubového prístroja do existujúcej technológie. Navyše v ťažkom priemysle často ide o potrubia veľkých alebo veľmi veľkých priemerov, kde okrem technického vstupuje do hry aj finančný aspekt takéhoto riešenia. Ďalšie obmedzenia prichádzajú v úvode spomenutých prípadov, keď prevádzku potrubia nie je možné odstaviť, resp. odstavenie je možné len na krátky čas, napr. niekoľko hodín. V neposlednom rade môže byť limitujúcim faktorom charakter a vlastnosti meraného média. Tu by odstaveniu a zásahu do potrubia konvenčnými metódami musela predchádzať náročná, často finančne nákladná príprava. Priamym dôvodom hľadania iných riešení tiež býva hygiena, napr. v potravinárskom priemysle, alebo bezpečnosť pri realizácii, napr. výskyt horľavých, výbušných alebo toxických látok.
Poďme sa teda pozrieť na niektoré z možných riešení, keď treba vytvoriť nové miesto merania.
Na vytvorenie dodatočného miesta merania prietoku možno využiť napr. zásuvné technológie. Ide o riešenia, kde merací element prietokomera vstupuje do existujúceho potrubia prostredníctvom nového postranného portu, najčastejšie návarku, podobne ako to poznáme napríklad pri meraní teploty.
Aké postupy a prvky sa pri montáži zásuvných technológií využívajú?
Typická zostava pomocných strojných komponentov zabezpečujúca inštaláciu zásuvného prístroja sa skladá z už spomenutého portu – návarku, na ktorom sa nachádza ventil s plne priechodným profilom. Na ventile je ďalej inštalovaný upchávkový systém, cez ktorý je následne do potrubia zavedená aktívna časť prietokomera. Keď zvážime, že uvedené strojné prvky sú pomerne bežným materiálom – možno okrem zásuvného mechanizmu, kde každý výrobca uplatňuje vlastné know-kow a niekedy ide o rozmerné viacprvkové zariadenie –, je zrejmé, že najväčšou montážnou výzvou bude inštalovanie samotného portu a uzatváracieho ventilu na potrubie bez prerušenia jeho prevádzky. Na to boli vyvinuté tzv. bezúnikové metódy navŕtavania a následného uzatvárania potrubia (angl. Hot-Tapping). Tieto metódy sú dobre známe a dlhoročne využívané najmä v oblasti plynárenstva. V princípe sa postup bezúnikového osadenia portu (návarku) skladá z niekoľkých krokov: 1. umiestnenie potrubného portu na určené miesto inštalácie prístroja, keď môže ísť o potrubný návarok alebo odbočku s montovanou tesniacou plochou obopínajúcou potrubie; 2. osadenie uzatváracieho ventilu s plne priechodným profilom na port; 3. osadenie vŕtačky spolu s jej upchávkovým mechanizmom a dekompresnou komorou na plne otvorený ventil; 4. vyvŕtanie otvoru do potrubia, vytiahnutie vŕtacej hlavy do polohy nad uzatvárací ventil a uzavretie ventilu. Nakoniec treba ešte vykonať odtlakovanie priestoru nad ventilom a demontovanie vŕtačky. Výsledkom takéhoto postupu je potrubný port s požadovanými dimenziami s namontovaným a uzavretým ventilom. Na ventil sa následne montuje zásuvný mechanizmus konkrétneho zvoleného prístroja – v našom prípade prietokomera. Takáto koncepcia zabudovania prístroja do potrubia má potom okrem primárneho účelu prvotnej inštalácie opodstatnenie aj pri následnej kalibrácii či servise, ktorý rovnako ako montáž nevyžaduje odstavenie dotknutého potrubia.
Jednoduchší prípad vzniká vtedy, keď možno prevádzku alebo jej časť odstaviť a vykonať montáž dodatočného meracieho miesta.
Pokiaľ existuje možnosť alebo naopak potreba, napr. v prípade príliš vysokého tlaku alebo prítomnosti média obmedzujúceho použitie bezúnikového navŕtavania, odstaviť potrubie počas montáže a odtlakovať ho, môžeme montáž portu a ventilu realizovať bez použitia bezúnikového vŕtania, ide o tzv. inštaláciu Cold-Tap potrubného portu. Následná výmena alebo údržba inštalovaného zariadenia je už vďaka použitiu zásuvného mechanizmu prietokomera s upchávkami možná aj počas prevádzky.
Ktoré meracie princípy používané pri meraní prietoku sú vhodnými kandidátmi na zásuvné riešenie spomenuté vyššie?
Jedným z nich je zásuvný vírový prietokomer, ktorý má vo svojej ponuke viacero výrobcov. Typickou aplikáciou vhodnou najmä pre zásuvný vírový prietokomer je meranie prietoku pary. Tu možno naplno využiť potenciál prístroja s meraním a vyhodnocovaním niekoľkých prevádzkových veličín súčasne, napr. prietoku, tlaku a teploty, s možnosťou priameho merania prenášanej energie. Na strane obmedzení tejto technológie treba uviesť, že asi najvýraznejším limitujúcim parametrom je spodná hranica merateľnosti. Často je pritom zásadnou prekážkou nasadenia fakt, že pod hranicou minimálnej hodnoty prietoku prístroj nemeria nič! Prístroje pracujúce na princípe tepelnej vodivosti či ultrazvukové prietokomery pokračujú v meraní až takmer k nule, samozrejme s určitou stratou presnosti a opakovateľnosti výsledkov.
Keď ste už spomenuli prietokomery využívajúce tepelnú vodivosť, aké vlastnosti charakterizujú tieto prístroje?
Prístroje pracujúce na princípe tepelnej vodivosti nie sú vo svete prevádzkových meracích prístrojov tiež žiadnou novinkou. Avšak až v posledných rokoch prišli na trh skutočne špičkové zariadenia vyznačujúce sa veľmi širokým, niekedy až neuveriteľným rozsahom merania – ponúka sa kalibrovaný rozsah merania v pomere 1 : 1 000 a aj viac. Hneď na začiatku treba uviesť, že tento princíp merania je určený výhradne pre plynné médiá. Princíp a z toho vyplývajúca konštrukcia aktívneho snímača – subtílna špička s jednoduchým, väčšinou ihlovým vysielačom a snímačom tepelnej energie – predurčuje tepelnovodivostný prietokomer tiež na použitie vo vyhotovení ako zásuvný prístroj. Takže takéto vyhotovenie nájdeme u takmer každého výrobcu prietokomerov. Tento princíp merania sa tak po technickej aj cenovej stránke stáva takmer neprekonateľnou alternatívou na zásuvné meranie čistých technických plynov, ako sú rozvody O2, Ar, N2 apod. a stlačeného vzduchu. Obmedzením je najmä nevyhnutná jednoznačnosť a nemennosť zloženia meraného média. Požiadavka je v priamej súvislosti s princípom merania založenom na tepelnej vodivosti meraného plynu. Tu platí jednoduchá rovnica: zmena v zložení plynu = zmena v jeho tepelnej vodivosti. Tento fakt zapríčiňuje, že pri aplikáciách, kde sa obsah zložky plynných zmesí s vysokou tepelnou vodivosťou (napr. H2, CO) v priebehu času mení, nie sú tepelnovodivostné prietokomery dobrou voľbou. Typické aplikácie, kde k zmenám zloženia dochádza výrazne, sú merania oceliarskych plynov alebo havarijných a odpadových plynov odchádzajúcich na spálenie v prevádzkových horákoch chemických a petrochemických závodov (tzv. aplikácie FLARE). Na meranie tepelnej vodivosti tiež nepriaznivo vplývajú nečistoty, príp. nečistoty v kombinácii so zvýšenou vlhkosťou média. Aj keď laboratórnu kalibráciu meradla možno vykonať pre takmer akékoľvek podmienky, nečistoty usadzujúce sa na snímači prietokomera menia jeho tepelno-dynamické vlastnosti a nepriaznivo a treba povedať, že trvalo a zásadne ovplyvňujú presnosť merania.
Jednou z často využívaných metód merania prietoku najmä na miestach, kde nemožno vykonať zásah do potrubia, je ultrazvuk. Je aj tento princíp vhodným kandidátom na zásuvné meranie?
Ultrazvukový prietokomer zabudovaný ako zásuvné zariadenie do existujúceho potrubia predstavuje určite technicky a technologicky najnáročnejšie riešenie. Keďže kvalita merania priamo súvisí a koreluje s kvalitou mechanickej inštalácie ultrazvukových meračov, zvládne takúto aplikáciu iba naozaj skúsená a odborne pripravená organizácia. Rovnako na strane výrobcov dokážu tieto zariadenia ponúknuť skutočne „len tí najlepší“. Na meranie prietoku plynov a kvapalín možno v prípade niektorých aplikácií inštalovať ultrazvukové meniče za prevádzky s použitím zásuvného mechanizmu, podobne ako pri predchádzajúcich typoch prístrojov. Základným rozdielom je, že sú potrebné minimálne dva, resp. pri aplikáciách, kde sa požaduje vyššia presnosť a opakovateľnosť merania, aj štyri a viac ultrazvukových meničov, ktoré bývajú do potrubia inštalované pomocou dvoch osobitných portov, a teda aj zásuvných mechanizmov. Pre špecifické prípady merania prietoku Flare plynov sú na trhu k dispozícii aj riešenia, kde sú obidva ultazvukové meniče umiestnené na spoločnej vodiacej konzole, čiže vstupujú do potrubia jedným otvorom. Treba si však uvedomiť, že každá úspora má aj svoje negatíva, a to väčšinou v podobe kvalitatívnych kompromisov. Umiestnenie vstupných portov a tým aj ultrazvukových meničov je volené najmä vo vzťahu k dĺžke meracej dráhy, ktorá vznikne medzi vysielacími plochami ultrazvukových meničov, a dosiahnuteľnému výkonu meničov. Vo všeobecnosti platí, že pri použití jedného páru ultrazvukových meničov je v prípade potrubia s menším a stredným priemerom inštalácia zvyčajne navrhnutá tak, aby meracia dráha prechádzala osou potrubia. Pri veľkých a veľmi veľkých potrubiach, pri ktorých by výkon ultrazvukových meničov nedokázal prekonať potrebnú vzdialenosť, je meracia dráha skracovaná a meniče sa potom inštalujú do polohy s meracou dráhou posunutou mimo osi potrubia. Ďalším faktorom ovplyvňujúcim spôsob a geometrické usporiadanie inštalácie meničov môžu byť priestorové pomery na mieste inštalácie.
Ktoré ďalšie faktory z vašej praxe môžu mať ešte vplyv na presnosť merania?
Zovšeobecnene tu platí, že čím dlhšia ultrazvuková meracia dráha, tým je meranie presnejšie. Platí však aj už uvedený fakt, že s rastúcou dĺžkou meracej dráhy ultrazvukových meničov klesá sila a kvalita vzájomne vymieňaného ultrazvukového signálu – meranie sa tak stáva citlivejšie na nežiaduce vplyvy prostredia a aplikácie.
Aké možnosti z hľadiska montáže, výmeny, kalibrácie či príslušenstva pre zásuvné ultrazvukové prietokomery sú aktuálne na trhu k dispozícii?
Možností usporiadania a vzájomnej polohy ultrazvukových meničov je pomerne široké spektrum a líšia sa od aplikácie k aplikácii. Rovnako tak prvkov umožňujúcich inštaláciu a prípadnú výmenu či kalibráciu je niekoľko skupín. Od jednoduchých držiakov a adaptérov určených najčastejšie na meranie prietoku kvapalín, kde sa vyžaduje krátkodobé vypustenie potrubia počas inštalácie (tzv. inštalácia Cold-Tap), cez zásuvné upchávkové mechanizmy až po sofistikované vysokotlakové hydraulické zásuvné mechanizmy umožňujúce zasunutie ultrazvukových meničov do vysokotlakového potrubia bez prerušenia prevádzky. Špeciálnu kategóriu zariadení a príslušenstva tiež predstavujú ultrazvukové prietokomery na meranie pary. Aj keď v prípade pary je typickým riešením medziprírubový prietokomer, je možná aj realizácia s ultrazvukovými meničmi zasunutými do existujúceho potrubia. Vzhľadom na vysokú teplotu a vysoký tlak sa pri pare takmer vždy prvotná inštalácia vykonáva pri dočasnom odstavení parovodu (inštalácia Cold-Tap).
Možno teda špecifikovať, kedy sa práve pre nejakú aplikáciu hodí ultrazvukové meranie prietoku? Aké výhody ponúka oproti už uvedeným vírovým prietokomerom alebo prietokomerom pracujúcim s meraním tepelnej vodivosti?
Ultrazvuková technológia našla postupne odpovede na mnohé otázky a riešenia na mnohé problémy, s ktorými sa iné princípy merania vyrovnávajú len ťažko. Keď budeme posudzovať ultrazvuk v kontexte riešení na meranie prietoku na existujúcom potrubí a zároveň v kontexte predchádzajúcich dvoch meracích princípov (vírové a tepelná vodivosť), možno uviesť niekoľko výhod a špecifík v prospech ultrazvukového merania. Ide o jediný dostupný zásuvný princíp merania, ktorý pracuje rovnocenne pri zmene smeru prúdenia média. Keďže ultrazvukové prietokomery navyše merajú aj veľmi nízke hodnoty prúdenia (minimálna merateľnosť sa udáva pre rýchlosť prúdenia už okolo 0,03 m/s), môžeme pri zmene smeru prúdenia počítať s takmer plynulým prechodom „cez nulu“. Ultrazvuk je vhodný aj na meranie v extrémnych podmienkach. V súčasnosti existujú prvky umožňujúce inštalovanie ultrazvukovej technológie do existujúcich potrubí pri teplote média od –200 do +600 °C. Z hľadiska rýchlosti prúdenia média možno zase pracovať s hodnotami až do ±120 m/s. Špinavé a vlhké plyny, skôr či neskôr takmer určite, vyradia z prevádzky tepelnovodivostný aj vírový prietokomer, zatiaľ čo ultrazvuková technológia nemá s takýmito podmienkami zásadné problémy. Ďalšou prednosťou ultrazvuku je najmä meranie prietoku kvapalín vo veľmi veľkých potrubiach a jeho neprekonateľný pomer cena/výkon. Zjednodušene možno povedať, že je len minimálny technický aj finančný rozdiel medzi zabudovaným ultrazvukovým prietokomerom na meranie vody na potrubí DN300 a podobným prietokomerom pre potrubie DN2000 či dokonca DN7000! Ultrazvuk je mimoriadne vhodný aj na meranie prietoku plynných zmesí tiež s premenlivým zložením v širokom meracom rozsahu. Ide o kombináciu vlastností, ktorá vylučuje použitie vírového princípu, ako aj prístroja na princípe tepelnej vodivosti – obmedzením je už uvedený faktor zmeny tepelnej vodivosti pri zmene zloženia plynu. Takéto merania sú pritom bežnou a čoraz žiadanejšou aplikáciou na poli environmentálneho monitorovania.
Z pohľadu praxe a používateľov rozhodujúcich sa pre to-ktoré meranie by bolo korektné uviesť aj obmedzenia ultrazvuku na meranie prietoku. Ktoré to sú?
Súhlasím, nebolo by správne opisovať ultrazvukovú technológiu ako bezproblémovú alebo univerzálne použiteľnú. Limity má najmä v ekonomickej efektívnosti pri použití v bežných, jednoduchých aplikáciách. Keď ide o bežný rozvod čistého plynu alebo kvapaliny v potrubiach do DN300-DN500, poskytujú skôr spomenuté a aplikačne jednoduchšie technológie často ekonomicky efektívnejšie riešenia. Pri ultrazvuku ide tiež o výsostne objemové meradlo, pričom snímače tlaku a teploty na účely prepočtu meraných veličín nie je možné priamo strojne kombinovať s ultrazvukovými meničmi. V praxi je preto takmer vždy potrebné doplniť riešenie o osobitne inštalované prevodníky týchto doplnkových veličín, čo napríklad pri riešeniach Hot-Tap znamená ďalšie dve vŕtania a bezúnikové inštalácie.
Druhou skupinou merania prietoku sú tzv. neinvazívne metódy. Ktoré technológie sa v tomto prípadne najčastejšie uplatňujú v praxi?
Problematiku merania prietoku bez akéhokoľvek zásahu do integrity potrubia, hovoríme o tzv. príložnom meraní, riešia v praxi momentálne výhradne ultrazvukové techniky a technológie. Tu je na mieste hneď na začiatku rozdeliť merania v zmysle aplikácie a možností na dve skupiny. Prvou je ultrazvukové príložné meranie prietoku kvapalín, no a tou druhou je meranie plynov a pary. Zatiaľ čo príložné meranie prietoku kvapalín ultrazvukom dnes predstavuje takmer bežnú priemyselnú aplikáciu, ktorú navyše zvláda technológia pomerne veľkého počtu výrobcov, príložné meranie prietoku plynu a pary je doména naozaj úzkej skupiny „vyvolených“. Z hľadiska realizovania inštalácie príložných ultrazvukových prietokomerov pri oboch skupinách ide o umiestnenie požadovaného množstva ultrazvukových meničov na povrch vhodného potrubia, pričom musí byť zabezpečený čo najlepší zvukovo vodivý kontakt medzi meničom a potrubím. Keďže ultrazvukové signály prechádzajú stenou potrubia, resp. sa od neho odrážajú, potrubie sa stáva priamo súčasťou technológie prietokomera. Preto je posúdenie materiálového a konštrukčného stavu potrubia a tým vhodnosti na ultrazvukové meranie jedným z kľúčových faktorov realizovateľnosti merania.
Mohli by ste opäť naznačiť, s ktorými obmedzeniami v súvislosti s príložným meraním pomocou ultrazvuku sa možno v praxi stretnúť?
Existujú viaceré limitujúce parametre a vlastnosti potrubia stanovované pre konkrétne meracie systémy. Z tých minimálnych požiadaviek možno uviesť, že potrubie musí byť vyrobené zo zvukovo vodivého materiálu so známymi akustickými vlastnosťami. Na príložné meranie pomocou ultrazvuku sú preto vhodné potrubia najmä z uhlíkovej ocele, ale aj zo železných či neželezných kovov, skla či niektorých plastov. Povrch potrubia musí byť homogénny, bez veľkých nánosov korózie, farby či izolácie a nakoniec v prípade existencie vnútornej výstelky potrubia musí byť aj tá z materiálu s vhodnými a známymi akustickými vlastnosťami. Na zabezpečenie zvukovo vodivého spojenia medzi ultrazvukovým meničom a povrchom potrubia sa používajú rôzne spojovacie materiály, zvyčajne závislé od typu aplikácie. Od čistého glycerínu v kvapalnej forme na dočasné meranie prietoku kvapalín pri izbovej teplote cez špeciálne hmoty a lepenky tlmiace vplyvy okolia pri meraní prietoku plynov až po tenké fólie vzácnych kovov na permanentné meranie prietoku kvapalín pri extrémnej teplote povrchu potrubia. Pozíciu a geometriu uloženia jednotlivých ultrazvukových meničov zabezpečujú opäť rôzne, viac či menej sofistikované držiaky a upínacie prvky. Príložné ultrazvukové meranie kvapalín, plynov a pary má svoje špecifiká, ktorých spomenutie by bolo asi na ďalší samostatný rozhovor, preto v tejto oblasti radi poradíme so správnym výberom prístroja pre konkrétnu aplikáciu.