Coriolis-Durchflussmessgerät Neues Coriolis-Durchflussmessgerät für die Öl- und Gasindustrie

Wenn es um eich- und verrechnungspflichtige Anwendungen geht, ist die Öl- und Gasindustrie auf exakte Massedurchflussmesswerte angewiesen – auch bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten. Krohne stellt nun eine Lösung vor.

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Mitte der 80er Jahre versuchten viele der in der Durchflussmesstechnik aktiven Unternehmen – aber auch einige Neueinsteiger – zukunftsträchtige Coriolis-Geräte zu entwickeln. Aber nur einige der damals eingeführten Marken überlebten, andere wurden in größere Gesellschaften eingegliedert und wiederum andere verschwanden ganz. Anfangs standen die Coriolis-Massedurchflussmesser nur in kleinen Größen von üblicherweise ½ bis 2 Zoll (Nennweite DN 15 bis DN 50) zur Verfügung und wurden fast ausschließlich für die Messungen von Flüssigkeiten oder verflüssigten Gasen eingesetzt. In den Jahren danach galt das Augenmerk der Entwicklung von kleineren Größen, insbesondere ein bis sechs Millimeter, die angesichts der kontinuierlichen Schaffung und Weiterentwicklung von neuen Märkten auch heute noch andauert.

In den letzten Jahren sind zwei neue Tendenzen nicht zu übersehen: Mehr und mehr wird diese Technologie auch für Gasmessungen eingesetzt und die Nachfrage nach Coriolis-Geräten mit größeren Nennweiten für die Erfassung sehr großer Durchflussmengen steigt zunehmend. Antrieb für die Herstellung von Größen von 6 bis 10 Zoll (DN 150 bis DN 250) sind die Anforderungen und die immer größere Verbreitung dieser Technologie in der Erdöl- und Gasindustrie, insbesondere für die Massengutbeförderung von Erdölprodukten.

Erdöl- und Gasraffinerien stellen nach der chemischen und petrochemischen Industrie den zweitgrößten Einsatzbereich für Coriolis-Durchflussmessgeräte dar. Neben den Herstellern, die diesen Markt bereits vor einigen Jahren eroberten, kündigten vor kurzem zwei weitere Unternehmen die Einführung von zwei Durchflussmessgeräten mit großen Nennweiten an. Diesen neuen Produkten folgt nun Krohne mit Optimass 2000 in drei Nennweiten – S100 (DN 100/150), S150 (DN 150/200) und S250 (DN 250/300).

Die Herausforderungen

Die auf dem Markt bekannten Durchflussmessgeräte mit großer Nennweite waren meist sperrig und platzraubend und erforderten in der Regel eine teure, kostenaufwändige Installation. Die Geräte standen in U-, Omega- oder V-förmiger Messrohrform zur Verfügung und dieses Design erforderte natürlich bei den großen Nennweiten einen großen Platzbedarf. In der Entwicklungsphase des Optimass 2000 wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen den industriellen Anforderungen der potenziellen Nutzer entsprechen. Dabei stellte sich heraus, dass die Größe und das Gewicht wichtige Faktoren für die Kunden sind, insbesondere für Hersteller und Zulieferanten von Messvorrichtungen für die Erdöl- und Gasindustrie. Das ideale Messgerät soll Bestandteil der Erdöl- und Gas-Pipelines sein. Krohne nahm diese Herausforderung an und entwickelte auf der Grundlage seiner langjährigen Erfahrung und Führungsrolle in der Geradrohrtechnologie nun ein Coriolis-Durchflussmessgerät mit großer Nennweite.

Der Optimass 2000 zeichnet sich durch ein Doppelgeradrohr-Design aus, bei dem die Länge der Rohre optimiert wurde, um ein stabiles Coriolis-Signal und damit auch bei niedrigen Durchflussmengen eine hohe Messgenauigkeit und Nullpunktstabilität zu sichern. Dies ist besonders bei der Messung von Kohlenwasserstoffen wichtig, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit wegen der Gefahr statischer Aufladungen einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf. Auch bei eichpflichtigen Messungen wird für viele Anwendungen eine gute Messspanne gefordert.

Alles aus Edelstahl

Die Anforderungen der NACE (National Association of Corrosion Engineers) wurden ebenfalls berücksichtigt. Da bei der Messung von schwefelhaltigem Erdöl aufgrund von Sulfideinwirkung Risse im Metall auftreten können, werden von NACE nur bestimmte Materialien und Schweißverfahren für diese Anwendungen zugelassen. Zu diesem Zweck werden alle Messrohre sowie Strömungsteiler und Flansche aus Duplex-Edelstahl (UNS S31803 / DIN 1.4462) hergestellt. Eine weitere Anforderung der Erdöl- und Gasindustrie ist eine Druckbeständigkeit von bis zu 150 bar. Das Design des Optimass 2000 erfüllt diese Anforderung gemäß der DGRL (Druckgeräterichtlinie 97/23/EG). Auf diese Weise ist bei hohen Betriebsdrücken ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet. Außerdem kann das Durchflussmessgerät auch mit Hochdruckflanschen bis PN 160 oder ASME 1500lb und einer Größe bis DN 300 oder 12 Zoll ausgerüstet werden.

Das Durchflussmessgerät ist darüber hinaus mit einem komplett aus Edelstahl gefertigten Außenzylinder mit einem Berstdruck von mehr als 100 bar ausgestattet. So wird sichergestellt, dass das Produkt bei einem – wenn auch unwahrscheinlichen – Rohrausfall im druckfesten Gehäuse verbleibt und nicht unmittelbar austreten kann. Wenn der Betriebsdruck den Berstdruck übersteigt, wird eine Berstscheibe im druckfesten Gehäuse eingesetzt, um eine hohe Sicherheit zu gewährleisten.

Um den Druckverlust möglichst gering zu halten und Kavitationen bei hohen Durchflussmengen zu vermeiden, wurde viel in die Optimierung des Strömungsteilers investiert. Dass dieses Ziel erreicht wurde, zeigt beispielsweise das Durchflussmessgerät der Größe 250, das Durchflussmengen bis zu 2300 Tonnen/Stunde ermöglicht.

Interne Druckkompensation

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Coriolis-Messgeräten ist die Auswahl und Spezifikation geeigneter Messrohre. Einerseits müssen die Wandstärken der Messrohre für hohe Drücke geeignet sein, aber andererseits dünn genug, um ein zuverlässiges Coriolis-Signal mit großer Auflösung zu liefern. Auch die Länge und die Sensor-Rohrform spielen hierbei eine wichtige Rolle. Ein weiteres Problem besteht in der Reduzierung des Druckeinflusses auf die Messeigenschaften des Gerätes. Bei Coriolis-Geräten mit gebogenen Messrohren ist der „Bourdon-Effekt“ zu berücksichtigen: Ein unter Druck stehendes Rohr versucht sich gerade zu biegen – dieser Effekt wird beispielsweise bei Röhrenfeder-Manometern zur Druckmessung genutzt. Aber auch bei Geradrohrgeräten großer Nennweiten ändert sich bei großen Betriebsdrücken die Steifigkeit des Messrohres. Die Hersteller haben bisher auf eine externe Druckmessung zur Kompensation dieser Druckauswirkungen zurückgegriffen oder der Betriebsdruck wurde für die Korrektur einfach als Festwert in die Elektronik eingegeben – dieses zweite Verfahren arbeitet aber nur bei konstanten Betriebsdrücken.

Krohne entwickelte ein neues, patentiertes Verfahren für die Korrektur der Druckauswirkungen auf die Dichtemessung. Erreicht wird dies durch die Anbringung eines Dehnungsmessstreifens quer (radial) auf dem Messrohr, der die durch den Druck verursachten Änderungen der Rohrsteifigkeit erfasst. Über diesen Wert wird anschließend die Dichtemessung korrigiert. Da Massegeräte den Volumendurchfluss aus Masse und Dichte berechnen, wird auf diese Weise auch eine stabile Volumenmessung unter variablen Prozessbedingungen sichergestellt.

Elektronik

Krohne hat das vielfach getestete und bewährte System der „zweigeteilten Elektronik-Architektur“ beibehalten, das seit 2002 erfolgreich bei allen Krohne Coriolis-Sensoren eingesetzt wird. Dadurch wird die doppelte Redundanz aller Kalibrierdaten sichergestellt, die einmal in der grundsätzlich in den Sensor integrierten Sensorelektronik und darüber hinaus auch in der eigentlichen Umformerelektronik des MFC300 abgespeichert werden. Die Verarbeitung aller analogen Sensorsignale erfolgt in der Sensorelektronik, wo diese dann digitalisiert, die Messdaten berechnet und diese anschließend über ein Kommunikationsprotokoll (Modbus RTU) zur MFC300-Elektronik gesendet werden.

Der MFC300 ist mit allen programmierbaren Optionen ausgestattet, die die Anwender von einem leistungsstarken Coriolis-Produkt erwarten. Darüber hinaus kann der Coriolis-Sensor auch ohne die MFC300-Elektronik eingesetzt werden. Diese kosten- und gewichtssparende Ausführung ist vor allem für OEM-Kunden und bei Offshore-Anwendungen interessant, da hier das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt. Bei dieser Ausführung wird das Signal von der Sensorelektronik direkt über Modbus RTU an das Prozessleitsystem (SPS) oder an einen PC weitergeleitet. Auch diese Version bietet dem Anwender alle Optionen, die der MFC300 bereitstellt.

Fazit: Der Optimass 2000 ist ein weiterer Baustein der Familie der Coriolis-Masse-Durchflussmessgeräte von Krohne, der mit Sicherheit neue Einsatzbereiche erschließen wird.

Nachgefragt: „Der Trend geht zu anwendungsbezogenen Coriolisgeräten“

Die beiden Produktmanager Frank Grunert und Eddie Bridges stellen exklusiv für PROCESS die Alleinstellungsmerkmale des neuen Optimass 2000 in einem hart umkämpften Markt heraus und stecken Ziele für weitere Entwicklungen in Sachen Coriolis ab.

PROCESS: Coriolis-Messgeräte zählen bekanntlich nicht gerade zu den billigen Durchflussmessern. Mit dem Optimass 1000 hat Krohne zuletzt bewusst ein Gerät auch für den „kleineren Geldbeutel“ auf den Markt gebracht. Wo ist das neue Optimass 2000 anzusiedeln?

Grunert: Die Serien Optimass 1000 und Optimass 2000 folgen dem gleichen grundlegenden Design. Allerdings wurden die Geräte für unterschiedliche Märkte entwickelt. Der Optimass 2000 ist für hochgenaue eich- und verrechnungspflichtige Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie gedacht, für die spezielle Anforderungen gelten. Beispielsweise ist bei der Messung von Kohlenwasserstoffen zu berücksichtigen, dass hier keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten erlaubt werden. Deshalb bieten die Geräte auch bei Strömungsgeschwindigkeiten unter 10 m/s noch eine Messspanne von 20:1 und das mit einer sehr guten Auflösung. Das wurde nur durch die sehr gute Nullpunktstabilität möglich.

Bridges: Die Optimass-1000-Geräte sind als preisgünstige Standardgeräte zur Prozesssteuerung und -regelung entwickelt worden, wie sie etwa die Namur-Gruppe im Sinn hatte. Bereits heute erfüllt die Serie viele der Standardgeräteanforderungen. Damit ist der Optimass 1000 vor allem für kontinuierliche Durchflussmessungen geeignet, wie wir sie z.B. in der Chemieindustrie oft antreffen.

PROCESS: Was kann das Optimass 2000, was vergleichbare Geräte nicht können?

Bridges: Wir bieten mit einem Betriebsdruck von 150 bar die höchste Druckstufe als Standard im Marktsegment Öl- und Gas. Durch die sehr gute Nullpunktstabilität erreichen wir bei kleinen Durchflussraten eine bessere Messgenauigkeit als unsere Wettbewerber und damit auch eine größere Messspanne. Das wurde uns auch von unabhängiger Seite bei externen Messungen bestätigt.

Grunert: Die meisten Öl- und Gasanwendungen im Nahen und Mittleren Osten und in Amerika folgen den Regelungen und Bestimmungen des American Petroleum Institutes. Die bestimmende Messgröße ist dort der Volumendurchfluss. Durch unsere direkte Druckkompensation erreichen wir eine hoch genaue Dichtemessung – und damit auch exakte Ergebnisse beim Volumendurchfluss, der aus Massedurchfluss und Dichte berechnet wird.

PROCESS: Wie ordnet sich das neue Gerät in die bisherige Produktlinie ein?

Grunert: Als wir im Jahre 2002 mit dem Optimass 7000 und 3000 auf den Markt kamen, war das die Geburt einer neuen Produktfamilie. Wir sind damals mit dem Anspruch angetreten, diese Familie kontinuierlich auszubauen. Fast jedes Jahr wurde ein neues Produkt freigegeben – die hochgenauen Geradrohrgeräte Optimass 7000, den Optimass 3000 für kleine Durchflussmengen, die Hochtemperaturgeräte Optimass 8000/9000 und das Gerät für Basisanwendungen Optimass 1000. Und mit dem Optimass 2000 schließen wir nun auch die Lücke bei den großen Geräten. Mit der neuen Serie können wir für Coriolis-Geräte relativ neue Märkte – wie Öl und Gas – gezielt angehen. Wir waren dort zwar vorher schon aktiv, doch jetzt sind für uns völlig neue Anwendungen offen. Damit ist der Optimass 2000 die logische Ergänzung für die Optimass Familie – und ich verspreche, es wird nicht die letzte sein.

Bridges: Wir haben festgestellt, dass der Trend hin zu anwendungsbezogenen Coriolisgeräten geht. Diesen Weg sind wir mit dem neuen Gerät gegangen und werden wir auch mit unserer zukünftigen Produktstrategie folgen. Unser Ziel ist es, unsere Marktposition auf diesem derzeit stark umkämpften Markt weiter auszubauen. Auch unsere Haupt-Wettbewerber investieren ständig in neue Technologien. Und das ist eine absolute Notwendigkeit, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Wir sehen heute, das selbst bei großen, international aufgestellten Unternehmen die Coriolis-Geräte auf dem Markt an Bedeutung verlieren, wenn nicht kontinuierlich in die Weiterentwicklung dieser Produkte investiert wird. Das führt dazu, dass eine Konzentration auf nur noch wenige Hersteller stattfindet, die in allen Märkten und weltweit auftreten. Kleinere Firmen verschwinden entweder ganz oder sind nur noch in Nischenanwendungen oder in ausgewählten Regionen aktiv. Und das ist unser Anspruch: die zukünftigen Entwicklungsrichtungen bei der Coriolis-Technologie entscheidend mitzubestimmen.

E. Bridges ist Global Product Manager Mass Flow und F. Grunert ist International Product Manager bei Krohne, Wellingborough/UK.

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