Met Industrie 4.0 in de maak nemen de mogelijkheden om alle interne energiegebruik op de voet te volgen alleen maar toe, en hier en daar hebben grotere (en ook kleinere) bedrijven de trend van realtime monitoring al ingezet.  Eén energiebron lijkt echter wat uit het oog verloren: stoom. Via de installatie van stoomdebietmeters op strategische plaatsen in de productiehal kan een bedrijf nochtans heel wat besparingen realiseren, en dan hebben we het niet louter over de kosten van de stoom die via lekken ontsnapt. We bekijken de 'added value' van de meest toegepaste types debietmeters en bestuderen hun werking.

FOCUS OP ENERGIE-EFFICIENTIE

Sinds de Energiebeleidsovereenkomst (EBO) van 2015 worden energie-intensieve bedrijven gestimuleerd om uit te groeien tot toonbeelden van energie-efficiëntie. Mochten de nefaste klimaatgevolgen van een te hoge CO2-uitstoot een bedrijf al niet spontaan aanzetten tot zuiniger omspringen met energie, dan doen de toenemende energieprijzen dat in elk geval wel.

De zoektocht naar energie-efficiëntie dateert evenwel al van een eind vóór de genoemde overeenkomst. Zo worden procescomponenten op een zodanige manier ontworpen dat ze hun warmte-energie optimaal overdragen. Ook zijn bedrijven al langer vertrouwd met de praktijk van warmte-krachtkoppeling en andere technieken om via warmtewisselaars energie te recupereren voor bijvoorbeeld de opwarming van hun gebouwen, proceswater ... Ten slotte worden ook in toenemende mate meetinstrumenten ingeschakeld om elk verbruik (water, gas, elektriciteit) op de voet te volgen en ogenblikkelijk
mogelijk zelfs automatisch
bij te regelen.

Stoom uit de boot?

Wat die metingen betreft, is er echter één energievorm die wat uit de boot lijkt te vallen: stoom. De meeste voedingsbedrijven die, naast water- en gastellers, ook stoomdebietmeters geïnstalleerd hebben, blijken zich te beperken tot één exemplaar, dat gewoonlijk ergens aan het begin van het stoomproductieproces te vinden is. De rest van het stoomleidingennetwerk blijft daarmee ongemonitord.

Een efficiëntiemanoeuvre doorvoeren voor het stoominstallatienetwerk begint bij een studie van het bestaande netwerk, te beginnen met een kostenraming voor de gegenereerde stoom. Daar knelt nu net het schoentje voor vele voedingsbedrijven: de meeste onder hen hebben geen duidelijk zicht op hun stoomverbruik. Terwijl ze alle ingekochte primaire media (olie, water, gas) bij de levering controleren om zeker te zijn dat wat aangeboden werd, overeenstemt met wat gefactureerd is, wordt dat in veel mindere mate gedaan bij stoom, omdat ze die zelf aanmaken. Heel wat bedrijven leiden hun stoomverbruik dan maar af uit de hoeveelheid brandstof (olie, gas) voor de stoomproductie, hoewel er daartussen natuurlijk geen één-op-éénrelatie bestaat en er altijd wel wat verlies optreedt. Op basis van dat veronderstelde verbruik rekenen bedrijven onnodig hogere kosten door in hun eindprijs.

Verliezen opsporen

Wanneer het stoomverbruik niet of onvoldoende wordt gemonitord, mag het niet verwonderen dat er bij energieaudits aanzienlijke verliezen worden opgetekend. Die zijn te wijten aan verborgen gebreken. Zo kan het verbruik op bepaalde punten in het stoomleidingennetwerk onnodig hoog liggen. Lekken bij flenzen, leidingen of condenspotten mogen dan wel worden gespot, in vele gevallen heeft men er dan nog geen idee van hoe groot het lek in kwestie is en hoeveel dit het bedrijf kost. Ook op andere manieren kan er energieverlies optreden, zoals door onvoldoende of falende isolatie, bijvoorbeeld wanneer er regen terechtkomt op isolatiemantels rond de stoomleidingen die buiten van de ene naar de andere hal lopen. Een vochtige isolatie verliest immers gedeeltelijk of volledig haar isolerende eigenschap. In de stoomketel vermindert kalkafzetting op het verbrandingsoppervlakte de warmteoverdracht en dus het rendement van de ketel. Bij gebrekkige condenspotten kan water achterblijven in de lager gelegen punten van het stoomsysteem, bijvoorbeeld ter hoogte van de buizen van warmtewisselaars, waardoor ook daar de warmte-uitwisseling in het gedrang komt. Zo kan het zijn dat een fabrikant geen vat meer heeft op de temperatuur van het productieproces. Wanneer de temperatuur dan buiten de tolerantie valt, moeten volledige productreeksen opnieuw verwerkt worden.

Veiligheid

De gevolgen van het niet opvolgen zijn evenwel mogelijk nog ingrijpender. Tijdens het stoomdistributieproces komt condensaat na de condenspot in een condensaatleiding, waar in het algemeen een lagere druk heerst dan in het stoomnet. Zo ontstaat een mengsel van vloeibaar condensaat en flashstoom. Wanneer er in die leiding van een andere verbruiker onderkoeld condensaat (vloeibaar condensaat met een temperatuur ver onder het kookpunt) wordt toegevoerd, condenseert de aanwezige flashstoom in de leiding, waarbij het volume van die stoom plotsklaps honderden malen kleiner wordt. Door de onderdruk wordt er van alle kanten condensaat aangevoerd, waardoor een hoorbare drukstoot ontstaat. Die 'thermische waterslag' kan flenzen, pakkingen en fittings aan kleppen, en ook buizen van warmtewisselaars, beschadigen. Wanneer er effectief een stuk leiding stukspringt door die thermische waterslag en er zich op dat moment personeel in de buurt bevindt, is de materiële schade echter mogelijk nog de minste van uw zorgen. Medewerkers kunnen hierdoor ernstige verwondingen oplopen.

STOOMDEBIETMETING BIEDT TOEGEVOEGDE WAARDE

Geen nattevingerwerk meer

Debietmeters op strategische plaatsen in het stoomleidingennetwerk helpen om een zicht te houden op het lokale en globale stoomverbruik. Voor bepaalde processen is het nauwkeurig leveren van stoom overigens nodig voor de vooropgestelde productkwaliteit. Bijvoorbeeld bij de pastaproductie zijn welbepaalde hoeveelheden vocht nodig om het eindproduct de gewenste consistentie mee te geven. Als zo'n bedrijf zonder stoomdebietmeters werkt, komt alle kunde terecht op de schouders van de operatoren die het nodige fingerspitzengefühl moeten hebben om te weten hoeveel ze aan de knoppen moeten draaien voor een bepaald meeltype. Maar wat als die ervaren werknemers het bedrijf verlaten? Dankzij stoomdebietmeters kunnen operatoren zoals in het aangehaalde voorbeeld het nattevingerwerk achterwege laten en voor de nodige fijnregeling terugvallen op de gepresenteerde informatie. De stoomdebietmeters worden dan dus in feite gebruikt om de regelkleppen aan te sturen.

Predictief onderhoud

Traditioneel kan de kalibratie van flowmeters al bij al heel wat tijd in beslag nemen, met flink wat productiestilstand tot gevolg. Tegenwoordig bestaat er echter de mogelijkheid om de meters bij elk meetpunt een continue zelfdiagnose te laten uitvoeren, met minder herkalibraties en minder stilstand tot gevolg. Diagnostische meldingen kunnen worden voorzien van precieze onderhoudsinstructies. De testresultaten worden gedocumenteerd en er wordt automatisch een eenvoudige, begeleide testprocedure gegenereerd, conform de geldende wetten en normeringen. Proces- en toesteldata bieden inzicht in trends, wat een predictief onderhoud mogelijk maakt. Gecombineerde proces- en toestelparameters vergemakkelijken de analyse voor een procesoptimalisatie. In combinatie met de waarden op bijvoorbeeld gasmeters helpen stoomdebietmeters om uitsluitsel te geven bij bepaalde vraagstukken. Zo kan een probleem met de boiler aan het licht komen wanneer het gasverbruik toeneemt, zonder een overeenkomstige toename in het stoomverbruik. Zodra de gebreken zijn vastgesteld, kan er worden ingegrepen, zodat verder oplopende kosten worden voorkomen.

Extra functies

Steeds vaker worden er stoomdebietmeters ontwikkeld die meer kunnen dan alleen stoomdebieten meten. Zo zijn er tegenwoordig meters die ook de aanwezigheid van natte stoom in de leiding kunnen detecteren en zo schade aan de installatie (corrosie, waterslag) en producten helpen te voorkomen.

MEETPRINCIPES

Vortex

Het vortexmeetprincipe behoort tot de meest toegepaste voor het meten van stoom in de voedingsindustrie. Bij een stoomdebietmeter veroorzaakt een niet-gestroomlijnd obstakel centraal in de leiding wervelingen of 'vortices' aan beide zijden stroomafwaarts van het obstakel. Zo ontstaan daar hogere- en lageredrukzones. Een mechanische sensor met piëzo-elektrisch kristal registreert nauwkeurig de drukverschillen, corresponderend met de frequentie van de passerende vortices. De afstand tussen twee opeenvolgende vortices komt dan overeen met het gedefinieerde stoomvolume. Voor het totale debiet telt men het aantal passerende vortices. Druk en temperatuur worden nadien gebruikt om het massadebiet van stoom te kunnen berekenen. Vortexflowmeters zijn heel betrouwbaar voor stoomdebietmeting en hebben een langetermijnstabiliteit.

Vortexflowmeters brengen een minimale drukval teweeg en kunnen overweg met grote drukken en temperaturen. Zoals alle technologieën zijn er wel beperkingen waarmee men rekening moet houden bij de keuze van de meetinstrumenten (minimaal meetbaar debiet, relatief lange inbouwafstanden …). Ook hebben de meters een relatief beperkt meetbereik (kleiner dan 15:1). Het meetbereik (turndown ratio) is de verhouding van het maximale ten opzichte van het minimale debiet dat nauwkeurig gemeten kan worden: TR = Q (max)/Q (min).

Het meetbereik van een debietmeter wordt het meest beïnvloed door de signaal-ruisratio (vermogen gewenst signaal/vermogen van de ruis) van het toestel, die bepaald wordt door zowel de dynamiek van het medium (hier stoom) van de debietmeettechnologie als door het type en de kwaliteit van de sensor.

Vortexmeters zijn ook erg gevoelig voor trillingen en waterslagen, en vereisen relatief lange inbouwafstanden om te voorkomen dat obstructies in het leidingwerk de wervelstromen (en daarmee de meetnauwkeurigheid) zouden beïnvloeden. Concreet zijn de inbouwafstanden hier DN 15 à 25 stroomopwaarts van de meter en DN 7 à 10 stroomafwaarts (DN, ofwel Diamètre Nominal, verwijst naar de binnendiameter van de leiding).

Verschildruk

De variabelezonemeter (VA, 'Variable Area') of rotameter bestaat uit een verticaal geplaatste conische buis met onderaan een kleiner gat, en een vrij bewegende vlotter. Wanneer er stoom door de buis stroomt, is de positie van de vlotter in evenwicht met de dynamische opwaartse kracht van de stoom en met de neerwaartse kracht door de stoommassa. Zo is de vlotterpositie (extern op een schaal getoond door middel van een magnetisch mechanisme) een indicatie voor het debiet. Aangezien het ringvormige gebied rond de vlotter toeneemt met de stroom, blijft de differentiaaldruk zo goed als constant. De vlotter heeft een gewicht dat is afgestemd op, en een chemische weerstand tegen de stoom.

Een spring-loaded VA-meter (SLVA) gebruikt een veer om de vlotter spontaan weer richting de originele positie te bewegen. Een target VA-meter (TVA) werkt volgens hetzelfde principe als de SLVA, waarbij de zone van een ringvormig gat continu varieert door een precies gevormde, bewegende kegel. Die kegel kan vrij axiaal bewegen tegen de weerstand van de veer. Deze meters zijn voor de meting niet afhankelijk van de drukvalmeting over de meter. Ze meten de kracht door de uitwijking van de kegel via hoogkwalitatieve spanningsmeters. Hoe groter de stoomstroom, hoe groter de kracht.

VA-meters zijn over het algemeen relatief goedkoop. Basisrotameters hebben echter een beperkt stoomtoepassingsbereik. Vele hebben immers geen outputsignaal en moeten manueel gelezen worden. Bovendien hebben deze een beperkte nauwkeurigheid (± 5 à 10%), wat hen dus ongeschikt maakt voor toepassingen waarbij een hoge nauwkeurigheid vereist is. TVA-meters zijn daarentegen wel geschikt voor toepassingen waarbij een hoge nauwkeurigheid en turndown (50:1) vereist zijn. Bovendien is de inbouwafstand heel laag (DN 6 stroomopwaarts, DN 3 stroomafwaarts), wat bij stoom bv. heel belangrijk is in een kronkelend netwerk met weinig rechte stukken. Ook de SLVA heeft een dergelijke inbouwafstand en zelfs een nog betere turndownratio (100:1).

Ultrasoon

Bij een ultrasone debietmeter wordt de tijd gemeten tussen het versturen en aankomen van een puls tussen twee transducers die onder een hoek zijn gemonteerd op het oppervlak van de stoomleiding.

Elke transducer verstuurt afwisselend een ultrasone puls, waarbij de nodige tijd om de andere transducer te bereiken beïnvloed wordt door de snelheid van de stoom die in de leiding vloeit. Een puls die met de stoomrichting mee wordt verstuurd, zal sneller reizen dan een puls tegen de stroomrichting in. Zo kan het volume- en massadebiet berekend worden.

Enkele technische beperkingen gelden voor 'clamp-on'-modellen van stoomdebietmeters. De snelheid waarmee de geluidsgolf door het metaal reist, kan immers verschillen van de golfsnelheid door de stoom, wat de nauwkeurigheid van het meetresultaat beïnvloedt. Bovendien is de precieze dikte van de leiding niet altijd bekend (het kan ook zijn dat deze met de tijd verandert door afzettingen).

Coriolis

Een coriolismeter heeft een of meerdere meetbuizen die artificieel met een bepaalde frequentie heen en weer bewogen worden. Door de inertie van de stoom treedt er een faseverschil op, dat sensoren aan beide zijden van het midden detecteren. Daaruit wordt het massadebiet berekend. De toepassing van het coriolisprincipe voor stoomdebietmeting komt maar geleidelijk op gang. Een huidige beperking van deze meters is dat ze slechts nauwkeurig werken bij droge stoom. Aangezien stoom makkelijk beïnvloed wordt door spelingen op temperatuur- en drukgebied, veranderen de omstandigheden snel. Voor de verdere ontwikkeling van dit type stoomdebietmeter liggen er dus nog enkele technische uitdagingen voor de boeg.

STIJGENDE VRAAG NAAR STOOMTRAINING

Paradoxaal genoeg blijkt een gebrekkige kennis over stoom de voornaamste reden waarom voedingsbedrijven tot vandaag hun handen lijken af te houden van die 'hete' materie en nog te weinig investeren in stoommonitoring.

Nochtans kunnen stoomdebietmeters besparingen opleveringen van 5 tot 10%, op voorwaarde dat er sprake is van een aangepaste meterkeuze en een adequate opstelling, isolatie, onderhoud en opvolging. Fabrikanten en leveranciers ervaren dan ook een stijgende vraag naar trainingen, waaraan zij natuurlijk graag tegemoetkomen.