Gaz Akışı Ölçüm Cihazları

👤S. Emre Erensoy, Ürün Yöneticisi - Endress+Hauser
Gazlar, bugün endüstrinin bütün alanlarında kullanılmaktadırlar. Gazların çoğu, özellikle yardımcı ünitelerde kullanılanlar, her zaman ucuz bir enerji kaynağı olarak görülmüş ve buna göre işleme alınmışlardır. Basınçlı hava ve buhar gibi yardımcı ünite gazları, tesis enerji tüketiminin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Basınçlı hava üretmek için kompresörlerin harcadığı elektrik ve buhar elde etmek için kullanılan yakıtlar, özellikle ülkemizdeki enerji maliyetleri düşünüldüğünde toplam işletme giderlerinin üçte birine yakınını oluşturmaktadır. Son yıllarda hızla yükselen enerji maliyetleri, yardımcı tesislerde kullanılan bu gazların potansiyel tasarruf için en önemli noktalardan biri haline gelmesine neden olmuştur. Enerji sabit bir gider değildir-değişkendir; bu nedenle de gerekli tesis iyileştirmelerini gerçekleştirmek için öncelikle mevcut sistemin enerji ölçümünü yapmak gerekir. Herhangi bir ölçüm yapmadan, kontrol ve geliştirme yapmaktan söz etmek de mümkün değildir. Endress+Hauser, gaz akışının hassas ölçümü için farklı teknolojilerdeki akış ölçerleri ve sistem bileşenleri ile güvenilir ve kolay çözümler sunmaktadır. Gaz Nedir? Günlük hayatta maddenin üç hali gözlenebilmektedir. Ortam koşullarında: • Tahta ve çelik, katı halde • Su ve yağ, sıvı halde • Hava ve oksijen gaz halde bulunmaktadır. “Gazlar” oda sıcaklığı ve atmosferik basınçta gaz fazında bulunan, yoğunluğu düşük, akışkanlığı fazla maddelerdir. “Su buharı” ve “buharlar” yukarıda açıklanan koşullarda sıvı olmalarına rağmen, termodinamik olarak gazlara benzer özelliklere sahiptirler. Gazlar neden kütle veya düzeltilmiş hacim cinsinden ölçülür? Gazların önemli fiziksel özelliklerinden biri sıkıştırılabilir olmalarıdır (Sıvılar için genellikle sıkıştırılamaz kabulü yapılmaktadır). Bununla birlikte gazlar, sıcaklık artışı ile genleşerek aynı miktar gaz için daha büyük bir hacim kaplarlar. Gazlar en temel şekliyle, “İdeal Gaz Kanunu” ile tanımlanmıştır. P.V=m.R.T (P=basınç, V=hacim, m=kütle, R=gaz sabiti, T=sıcaklık) Bu denkleme bakarak gaz kütlesi sabit tutulduğunda hacminin, basınç ve sıcaklıkla nasıl değiştiği görülebilir. Gaz hacmi basınçla ters, sıcaklıkla ise doğru orantılı olarak değişmektedir. Bunun yanında gaz kütlesi, sıcaklık ve basınçtan bağımsız olarak kütle korunumu yasasına göre sabit kalmaktadır. Bu nedenle gaz ölçümlerini kütle cinsinden yapmak ya da sıcaklık ve basınç için referans bir noktaya göre akışı hesaplamak çok daha uygundur. Bu nedenle doğal gaz veya sıkıştırılmış hava gibi gazlar çoğunlukla “düzeltilmiş hacim” cinsinden ölçülürler. Örn: Scf veya Nm3. Bu birimler ilk bakıldığında hacimsel veriler olarak gözükseler de, düzeltilmiş hacmin tanımına bakıldığında öyle olmadıkları anlaşılmaktadır. Düzeltilmiş hacim, referans koşullarındaki (Örn: 0°C ve 1013.25 mbar) özkütle değeri kullanılarak hesaplanmış hacimdir. Benzer özelliklere sahip Scf (standart cubic feet), ve Sm3’de aynı şekilde sabit bir sıcaklık ve basınç referansına vurgu yaptığından, hacimden çok kütleye karşılık gelen bir terim olarak düşünülebilir. Doğrudan kütle ölçümü Endress+Hauser gazlar için herhangi bir kompanzasyona gerek olmadan doğrudan kütleyi ölçebilen iki ayrı ölçüm prensibi sunmaktadır: Termal kütlesel debimetreler termal dispersiyon prensibine dayanan ve sabit kompozisyonlu kuru, temiz gazların ölçümünde yüzde 1.5’a kadar hassasiyet ile kullanılan cihazlardır. 100:1 gibi yüksek bir ayarlanabilirlikleri vardır; bu sayede çok düşük akış değerlerini bile ölçebilirler. Coriolis kütlesel debimetreler de ölçüm tüplerine uygulanan frekansın faz kaymasından yola çıkarak doğrudan kütlesel akışı ölçmektedir. Bu debimetreler ile girişte ve çıkışta düz boru ihtiyacı olmaksızın yüzde 0.35’e kadar hassasiyetlere ulaşılabilmektedir. Yukarıda bahsedilen iki debimetre, kütlesel akışa ek olarak sıcaklık için de ayrı bir çıkış sinyali sağlamaktadırlar. Böylece proseste ayrıca bir sıcaklık transmitteri kullanılmadığı için hem zamandan hem de paradan kazanç sağlanmış olur. Ayrıca iki debimetreden de, ölçülecek gazın referans özkütlesini programlayarak, düzeltilmiş hacim değeri çıkış olarak alınabilir. Hacimsel akıştan kütleye geçiş Fark basınç prensibi ile çalışan debimetreler bir engel üzerinde oluşan basınç farkını ölçmektedir. Ölçülen bu basınç farkı değerini baz alarak ve sıcaklık ve basıncın sabit olduğu varsayımı yapılarak, bu cihazlardan hacimsel akış, kütlesel akış ve düzeltilmiş hacimsel akış çıkışları alınabilir. Vorteks debimetreleri de vorteks frekansından hacimsel akışı ölçmektedir. Ayrıca yine sıcaklık ve basıncı sabit kabul ederek kütlesel akış ve düzeltilmiş hacimsel akış çıkışları da alınabilmektedir. Hem fark basınç prensibi ile çalışan debimetrelerin hem de vorteks debimetrelerin gaz ölçümünde kullanılması halinde sıcaklık ve basınç kompanzasyonu yapılması oldukça önemlidir. Sıcaklık ve basınç değerlerinin değişken olduğu uygulamalarda kütlesel akış ölçülmek isteniyorsa, sabit basınç ve sıcaklık kabulü büyük hatalara neden olacaktır. Örneğin; 7 bar 20°C’de basınçlı havanın düzeltilmiş hacimsel akışını kompanzasyon yapmadan bir vorteks debimetre ile ölçtüğümüzü düşünelim. Eğer basınç ve sıcaklık sabit kalmayıp, basınç 6.5 bar-7.5 bar arasında ve sıcaklık da -15°C ve 30°C arasında değişirse, elde ettiğimiz akış değerindeki hata yüzde 20’den fazla olur. Böyle bir durumda, entegre sıcaklık sensörüne sahip bir Prowirl vorteks debimetresi kullanıldığında, gerekli sıcaklık kompanzasyonu cihazın içerisinde yapılabilecektir. Ayrıca cihazın içinde bulunan akış bilgisayarı sayesinde, başka bir hesaplayıcı ya da PLC’ye ihtiyaç duyulmadan düzeltilmiş hacim değeri de hesaplanabilir. Bu şekilde yapılacak yüzde 10’luk bir iyileştirme, yıllık gaz maliyeti 100.000 dolar olan bir uygulamada, yaklaşık 12.000 dolarlık bir kazanç sağlayarak yatırımınızın en kısa sürede geri alınmasını sağlar. Bu çözüm basıncın nispeten sabit kaldığı ama sıcaklığın değişkenlik gösterdiği uygulamalar için ideal bir çözümdür. Ölçüm tek bir cihaz ile yapılıp harici başka bir cihaza olan gereksinim ortadan kalkmıştır. Ölçülen kütlesel akış değerinde yüzde 2-3’lere varan hassasiyetler ise hem basınç hem de sıcaklık kompanzasyonu yapılan bir çözümde elde edilebilir. Bunun için üç farklı metot kullanılabilir: • Sıcaklık sensörü entegre edilmiş bir vorteks debimetreye harici bir basınç transmiteri ile ölçülen değer Hart veya diğer bus protokolleri (Profibus Pa ya da Foundation Fieldbus) aracılığıyla okutulur. • Standart bir vorteks debimetre veya fark basınç hücresi, bir sıcaklık ve bir de basınç sensöründen alınan değerlerin harici bir akış bilgisayarına taşındığı bir çözüm kullanılır. • Standart bir vorteks debimetre veya fark basınç hücresi, bir sıcaklık ve bir de basınç sensöründen gelen bilgiler doğrultusunda kompanzasyonun DCS veya PLC’de yapıldığı bir sistem kullanılır. Burada doğru denklemlerin kullanılması çok önemlidir, zira araştırmalar göstermiştir ki böyle bir yanlışlık ölçümde yüzde 10-30 arasında bir hataya sebebiyet vermektedir. Bu da bizim örneğimizde 10.000-30.000 dolara denk düşmektedir. Örneğimizdeki yıllık 100,000 dolarlık gaz maliyeti olan uygulamada bu iyileştirilmiş hassasiyet (yüzde 2-3 kompanzasyon yapılmayan yüzde 20 hassasiyetindeki çözümle karşılaştırıldığında) yıllık 17,000 dolara eşittir. Böylece daha hassas olan sistemi kurarak daha hızlı bir geri kazanım sağlanabilir.Hangi debimetre seçilmeli? Gaz akışını ölçmek için kusursuz bir debimetre yoktur. Yukarıda bahsettiğimiz hassasiyet konusuna ek olarak her debimetrenin kendine özgü avantajları ama aynı zamanda dezavantajları da vardır. Termal kütlesel debimetreler Bu debimetreler doğrudan kütle ölçümü için uygun fiyatlı cihazlardır. Bu prensip ile çalışan cihazlarda ayarlanabilirlik (cihazla ölçülebilecek maksimum akış ve minimum akış arasındaki ilişki) 100:1’dir. Bu yüksek ayarlanabilirlik oranı, diğer prensiplerle çalışan cihazlar ile karşılaştırıldığında termal debimetrelerin daha ekonomik olduğu anlamına gelmektedir. Bir fark basınç hücresi ile benzer sonuçlar elde edebilmek için en azından iki ayrı fark basınç hücresi içeren bir montaj düzeneği gerekmektedir. Termal debimetreler çok düşük akışları ölçebildikleri için, kaçak tespitinde çok yaygın olarak kullanılırlar. Akışı minimum basınç kaybıyla (2 milibar’dan düşük) ölçerler, böylece pompalama ve kompresyon kaynaklı elektrik maliyetinde önemli bir tasarruf sağlanır. Ancak bu cihazların montaj yeri öncesinde uzun düz boru mesafeleri gerekmektedir. Bu mesafeler cihazın bir akış düzenleyicisi ile kalibre edilerek sipariş edilmesi durumunda basınç kaybında bir miktar artışla 5 çapa kadar düşürülebilir. Termal debimetreler güçlü basınç dalgalanmalarının olduğu uygulamalarda (örn: 2 bardan 10 bara), nemli gaz uygulamalarında, kompozisyonu değişen gazlarda ve IEC 61508’e göre SIL uygulamalarında önerilmemektedir. Termal dağılma prensibine göre ölçüm yapan bu cihazlar belirli gazların uygulamalarında kullanılabilmektedir. (Ör. Hidrojen, oksijen, karbondioksit, karbonmonoksit, doğalgaz, hava vb) Coriolis kütlesel debimetreler: Coriolis debimetreler yüksek hassasiyetleri ve tekrarlanabilirlikleri ile tanınmaktadır. Boruya herhangi bir destek veya girişte düz boru gereksinimi olmadığından kurulumları kolay ve zaman ve paradan tasarruf sağlayan kurulumlardır. Güvenlik gerektiren uygulamalar için SIL2 dereceli modeller mevcuttur. Ancak bu debimetreler nemli gazlar için uygun değildir ve termal debimetrelerle karşılaştırıldığında daha büyük basınç kayıplarına neden olur. Fark basınç prensibi ile çalışan debimetreler Fark basınç cihazları 1929 yılında akış ölçümü için bir standart haline gelmiştir ve günümüzde genellikle gaz ölçümlerinde kullanılmaktadırlar. Fark basınç hücreleri ve orifis plakaları proses basıncı altında değiştirilebilir ve yeniden kalibre edilebilirler. Malzeme, hat çapı ve basınç değerindeki çeşitliliğin en geniş olduğu akış ölçerler bu cihazlardır. Pitot tüpler, orifis plakaları ile karşılaştırıldıklarında, daha düşük basınç kayıpları yaratırlar ve aşınmaya daha az maruz kalırlar (Orifis plakasının sivri köşesinde oluşan aşınma, ölçümde fazladan yüzde 1-10 arasında bir hata payına sebebiyet verir). Endress+Hauser fark basınç hücreleri SIL2’ye (IEC 61511) göre geliştirilmiştir. Fark basınçlarda ayarlanabilirlik sınırlıdır (3:1 veya 6:1). Bu değer daha önce de bahsedildiği üzere akış bilgisayarının “bölmeli aralık” fonksiyonundan faydalanarak arttırılabilir. Buna ek olarak, böyle bir akış bilgisayarı proses şartlarına göre orifis karakterini sürekli yeniden hesapladığı için daha hassas ölçüm değerleri elde edilmesini de sağlar. Ancak fark basınç debimetrelerde kaçak emisyon riski çok yüksektir ve uzun süreli kullanımlarda cihazın kararlılığı aşınmadan etkilenebilir. Bu debimetreler de vorteks ve termal debimetreler gibi giriş ve çıkışta uzun düz boru mesafelerine gereksinim duyarlar. Vorteks debimetreler Endress+Hauser vorteks debimetreler titreşimlere, sıcaklık değişimlerine ve buhar hatlarındaki su çekiçlerine dayanıklıdır. Ölçüm prensibi sayesinde tanecikli gazlarda ve hatta hacimce yüzde 5’e kadar nem içeren gazlarda kullanılabilir. Vorteks debimetreler tekrarlanabilirlikleri yüksek, düşük basınç kayıpları yaratan ve korozif ve aşındırıcı olmayan sıvılarda uygulama ömrü süresince tekrar bir kalibrasyona ihtiyaç duymayan cihazlardır. Diğer çoğu geleneksel ölçüm teknikleri ile karşılaştırıldığında vorteks debimetrelerin siparişleri, kurulumları ve devreye alımları daha kolaydır ve böylece zamandan ve paradan tasarruf sağlar. Endress+Hauser vorteks debimetreler SIL2 sertifikasına sahiptir. Bir vorteks debimetreyi boyutlandırırken cihazın ölçebileceği minimum akış değerinin ve giriş ve çıkıştaki düz boru mesafelerinin uygunluğu kontrol edilmelidir. Girişte gerekli olan düz boru mesafesi akış düzenleyici kullanılarak kısaltılabilir. Gaz kalibrasyonunda yeterlilik Endress+Hauser’in İsviçre’de bulunan hava kalibrasyon tesisinde tamamen yeni kavramlara ve tekniklere dayanan standartlar belirlenmiştir. Revolver üzerinde, değişik boyutlardaki adaptörler sayesinde DN 15’ten DN 100’e kadar olan cihazlar hızlı ve güvenilir bir şekilde test edilir. 10,000 kg/h’e kadar olan akışlar ölçülebilir. Burada özel bir kontrol sistemi ile kalibrasyon odasındaki havanın sıcaklığı gece ve gündüz tam 21°C’de tutulmaktadır. Bütün kullanılan yöntemler ile bu kalibrasyon tesisi dünyada hava akış ölçümünün en hassas yapıldığı yerlerden biridir. Prosesi gözlemleme ve değerlendirme Sadece gaz ölçümü yaparak tasarruf etmek mümkün değil. Bunun yanında elde edilen data gözlemlenmeli, değerlendirilmeli ve analiz edilmelidir. Endress+Hauser yıllardır kullanılan ve kendini kanıtlamış komple yazılım paketleri (Control Care, P-view, Fieldcare, ToF Tool, Fieldtool gibi) sunmaktadır. Bunlar ile: • Bütün ölçüm noktalarını ve ölçümü yapılan değişkenleri kurulum planı üzerinde görebilir, • Saatlik, günlük, aylık ve yıllık raporlamalar yapabilir, • Son tüketim değerlerini maliyet merkezine gönderebilir, • Verimlilik karşılaştırması yapabilirsiniz (sağlanan enerji vs tüketim).