Laseroptisches Volumenstromnormal
Vor-Ort-Kalibrierung von Volumenstrommessgeräten ermöglicht Effizienzsteigerung thermischer Kraftwerke
Die derzeitige Unsicherheit der Volumenstrommessung im Kraftwerksbereich ist mit 2 % zu groß. Das liegt zum einen daran, dass es weltweit keine Prüfanlage gibt, mit der Volumenstrommessgeräte unter Kraftwerksbedingungen, also bei Wassertemperaturen von 400 °C und Drücken von 300 bar, kalibriert werden können. Zum anderen beeinflussen Einbauten wie z. B. Ventile oder Krümmer das Geschwindigkeitsprofil in der Rohrleitung und damit die Messung. Daher wurde in der PTB ein kompaktes laseroptisches Volumenstromnormal (LVN) entwickelt, mit dem Messgeräte vor Ort, also im Einbauzustand und unter Prozessbedingungen, mit einer Unsicherheit von nur 0,15 % kalibriert werden können.
Grundlage des Verfahrens ist die Laser-Doppler- Anemometrie (LDA), die auf der Lichtstreuung an minimalen Wasserverunreinigungen basiert. Dabei werden zwei Laserstrahlen unter einem Winkel überlagert. Im Überkreuzungsbereich, dem Messvolumen, entsteht ein Interferenzstreifenmuster. Ein Verunreinigungspartikel, das sich mit der Strömung durch das Messvolumen bewegt, erzeugt ein Streulichtsignal, Verfahdessen Frequenz proportional zur Partikelgeschwindigkeit ist. Mit der LDA werden an mehreren über den Querschnitt der Rohrleitung verteilten Positionen die Fluidgeschwindigkeiten gemessen. Daraus wird das Geschwindigkeitsprofil rekonstruiert und integriert, um den Volumenstrom zu berechnen.
Die Herausforderung für die Entwicklung des LVN lag vor allem darin, die bisherige Messunsicherheit der LDA-Volumenstrommesstechnik von 4,5 % deutlich zu reduzieren. Der größte Unsicherheitsbeitrag lag bisher in der örtlichen Auflösung des Messverfahrens, die der Messvolumenlänge von etwa 2000 μm entspricht. Durch das erweiterte Messverfahren konnte die Ortsauflösung auf 6 μm verbessert werden. Dazu werden zwei Messvolumina mit variierendem Interferenzstreifenabstand überlagert, wodurch die Position, an der die Partikel die Messvolumina durchqueren, genauer bestimmt werden kann. Die Überlagerung der beiden Messvolumina stellt sehr hohe Anforderungen an die Positionierung der Laserstrahlen. An jedem Messort innerhalb des Rohrquerschnittes müssen vier Laserstrahlen mit einem Durchmesser von jeweils 150 μm überlagert werden. Daher wurden Messverfahren entwickelt, mit denen die Lage der Laserstrahlen erstmalig messtechnisch sehr genau erfasst werden kann.
Die Methode liefert eine um mehr als den Faktor 10 auf 0,15 % verbesserte Messunsicherheit. Eine Vergleichsmessung mit der Wärmezählerprüfstrecke, einer gravimetrischen Normalmessanlage zur Darstellung des Volumenstromes bis 90 °C mit einer Unsicherheit von 0,04 %, zeigte eine hervorragende Übereinstimmung.
Ansprechpartner
Markus Juling
Fachbereich 7.5
Wärme und Vakuum
Telefon: (030) 3481-7815
markus.juling(at)ptb.de
Wissenschaftliche Veröffentlichung
M. Juling: Rückgeführte Volumenstrommessung mittels ortsaufgelöster Laser- Doppler-Anemometrie. Dissertation, TU Berlin (2016), doi:10.14279/depositonce- 5170