Le Cartiere italiane per la Qualità della Produzione sono sempre state il fiore all’occhiello dell’industria italiana: basta farsi un giro in Assocarta per scorrere nomi che hanno fatto e stanno facendo l’Industria della Carta: purtroppo con l’incessante aumento dei costi della materia prima e del trasporto accoppiato ai costi energetici impazziti ogni Responsabile di Produzione ha l’ingrato compito di far quadrare i conti senza possibilmente scaricare sul Cliente finale l’incremento di spesa degli ultimi tempi. L’industria della Carta infatti è considerata una industria energivora che sempre Assocarta ne condensa i suoi consumi in 3 numeri [anno 2020]:
- 7 Miliardi di kWh elettricità
- 2.4 Miliardi di m3 gas
- 197 milioni di m3 acqua
Non devono stupire quindi la grande quantità di investimenti per rendere più efficiente il Processo di Produzione attraverso ad esempio la Cogenerazione per produrre contemporaneamente energia termica ed energia elettrica ( CHP – Combined Heat and Power) oppure attraverso la sostituzione di caldaie obsolete con impianti più moderni a ridotto impatto ambientale.
La Cartiera e i suoi Requisiti
Nel solco di una maggiore sostenibilità sia produttiva che ambientale si è mossa una delle realtà italiane più importanti operando un intervento radicale nella produzione e consumo utilities con l’installazione di una Cogenerazione dove turbina a gas, caldaia, turbina a vapore saranno in grado di conferire vapore saturo e corrente elettrica al Processo. In particolare per lo scarico turbina nasce l’esigenza di inserire una misura del vapore in cartiera da circa 68,000 kg/hr che presenta delle singolarità interessanti:
- Essendo Vapore saturo è prevedibile una presenza variabile di condensato
- Turn-Down cioè rapporto portata max / min 5:1
- Accuratezza su tutto il turn-down migliore del 2% secondo quadro normativo
- Nulla o minima perdita di pressione cioè di energia
- Manutenzione richiesta poco o nulla
- Diametro della linea da 22″ con poco spazio per l’installazione
Dopo aver provato ad ingegnerizzare delle soluzioni standard senza successo TECNOVA HT è stata interpellata per risolvere questa applicazione utilizzando la misura di portata brevettata per vapore saturo e surriscaldato denominata V-Cone® originale di McCrometer, Ca, USA.
Perchè in Cartiera il V-Cone® funziona con il vapore saturo indipendentemente dalla presenza di condensato?
Come sappiamo acqua, gas metano e vapore sono fluidi omogenei monofasici, pertanto qualunque misuratore di portata è in grado di misurarli con ovviamente il principio di misura adatto. Nella realtà invece abbiamo acqua con presenza di bolle oppure di particolato, gas metano umido per la presenza di acqua oppure vapore saturo ricco di condensato: tutte fasi eterogenee che disturbano o rendono impossibili le misure di portata, ad esempio da un separatore trifase la fase gas pur a valle di demister può presentare condensato in % non trascurabile rendendo fallimentare la tentata installazione di vortex o ultrasuoni fase gas.
Nel V-Cone® invece il condensato, le bolle o il particolato non influenzano il primario perchè scivolano ai lati del cono senza quindi sacrificare l’accuratezza. Nel filmato vediamo un test applicativo con un tubo trasparente con servizio azoto e 5% di condensato: è ben visibile il passaggio imperturbato dell’acqua senza impattare il cono.
Come la Cartiera è sicura dell’accuratezza e del turn-down del V-Cone® ?
Per ogni singola applicazione viene prodotta una simulazione che contempla tutti i principali parametri di processo ( fluido, portata, pressione, temperatura…) e di design meccanico ( diametro tubo, flangiatura, beta…) : scopo del lavoro è, per approssimazioni successive, trovare una configurazione del misuratore di portata vapore che soddisfi i requisiti del cliente. Come operiamo? A differenza della flangia tarata con la tecnologia V-Cone® è possibile variare l’ampiezza del cono dentro il tronchetto con prestazioni migliorate e cucite come un abito su misura per ogni Cliente. In questo caso si è provveduto a ridurre il misuratore a 18″ per ridurre i costi mantenendo gli obbiettivi di accuratezza.
Lo strumento dimensionato per la misura del vapore in cartiera ha dunque queste caratteristiche:
- Portata misurabile da 68,000 a 13,600 kg/hr con Turn-Down 5:1 in modo da garantire l’accuratezza alle basse portate in caso di meno richiesta dal Processo
- Fondo scala 205 mbar con 2 importanti conseguenza: 7.8 mbar di DP alla minima portata che garantisce una stabilità assoluta della misura anche con produzione vapore al minimo e una spettacolare perdita di carico permanente alla massima portata di 68,000 kg/hr di soli 100 mbar
- Beta pari a 0.65 < 0.7 fondamentale per la necessità o meno di diametri monte valle, rappresenta grossomodo l’angolo di apertura del cono
- Cd coefficiente di scarico 0.83, è il legame fra portata e DP prodotto dallo strumento
- Variazione del Numero di Reynolds tra 655,800 [portata minima] e 3,279,000 [portata massima]
D’accordo, ma come viene garantita l’accuratezza dello 0.5% o dell’ 1% in lettura non a fondo scala per questa misura del vapore in cartiera? Ogni V-Cone® originale di McCrometer a differenza di soluzioni similari dopo essere costruito viene sempre calibrato nei nostri circuiti certificati ISO 17025 ben diversi dalla semplice ISO 9001 : viene fatta passare una portata di acqua tale da riprodurre gli stessi numeri di Reynolds che lo strumento genererà nel reale impianto di processo attraverso molteplici punti di controllo ( run#1, run#2…run#n) ciascuno ripetuto x volte per una maggior accuratezza. Il passaggio dell’ acqua genera infatti come da Bernoulli un DP1, DP2…DPn che accoppiato alla portata fiscale Q1, Q2…Qn di acqua misurata grazie ai master-meters installati, permette per ogni punto di calibrazione di calcolare a ritroso i coefficienti Cd1, Cd2…Cdn che legano Q con DP: essi vengono utilizzati come input negli algortimi proprietari di McCrometer generando un Cd finale proprio di ogni V-Cone® come se fosse la sua carta di identità o meglio il suo DNA. La differenza fra lo 0.5% e l’ 1% di accuratezza è quindi solo dipendente dalla accuratezza e numero di punti della calibrazione che il Cliente richiede, meccanicamente l’oggetto è il medesimo. Questa la reale calibrazione con il vero Cd, non quello del foglio di calcolo preliminare, e questo è il valore che lega realmente DP a Q e questo è il valore che viene inserito nei flow computer locale o a DCS per l’integrazione della formula della portata massica compensata del V-Cone.
Ecco quindi perchè la calibrazione di ogni singolo V-Cone® è necessaria ed indispensabile: il Cd preliminare era 0.83 mentre quello reale è 0.8422 e questa differenza si riflette immediatamente nel Foglio di Calcolo Finale Costruttivo
Con 68,000 kg/hr di Fondo Scala in fase di studio preliminare avevamo 205 mbar mentre ora lo strumento vero genera 80.65 inWC cioè 201 mbar: sembrano poco 4 mbar di differenza? Senza calibrazione avremmo avuto una lettura errata in difetto perchè con il DP che avesse segnato 201 mbar avremmo letto e quindi contabilizzato diverse tonnellate all’ora in meno per tutta la vita utile della nuova cogenerazione.
Retrofit (im)possibile per mancanza dei diametri monte valle? Questa misura del vapore in cartiera funziona!
Ovviamente come la maggior parte delle installazioni italiane si tratta di impianti magari nati già nel dopoguerra allora in aree libere ora invece compressi fra le mura delle città e pertanto senza magari possibilità di ulteriori consumo di suolo: la maggior parte degli interventi avvengono quindi su suolo industriale già utilizzato e pertanto con superfici e volumi già definiti. Detto questo la società di Ingegneria che segue il progetto dovrà porre particolare attenzione allo sviluppo del layout dell’impianto per poter garantire la funzionalità del medesimo e i rendimenti promessi: in particolare la classica criticità che ogni model review che si rispetti prima o poi incontra è la necessità secondo normativa di diametri monte valle per l’installazione delle misure di portata in particolare di quelle del vettore vapore prodotto in quanto sono imprescindibili per eseguire un classico bilancio acqua demi + gas metano a dare corrente + vapore + perdite…
Questo il layout degli anni ’90, fra 2 pilastri la nuvoletta rossa identifica un tratto rettilineo da solo 4,076 mm per un tubo DN 22″ . Essendo 22″ pari a circa 558 mm il Cliente ha a disposizione 4,076/558 = 7.3 diametri da poter usare per incastonare questa misura della portata di vapore saturo…ma quale? Flange tarate, boccagli, vortex…al di là dei limiti tecnici classici necessitano di adeguati diametri monte valle e quindi non sono installabili in questa configurazione pena perdita di accuratezza e ripetibilità. Vediamo invece cosa possiamo fare con la tecnologia V-Cone®.
Osserviamo dal foglio di calcolo preliminare visto sopra i seguenti dati
- Beta 0.65
- Max Numero di Reynolds alla max portata 3,269,000 [adimensionale come detto]
Utilizziamo le tabelle originali di McCrometer sviluppate assieme al CEESI americano in occasione del brevetto ed in particolare quella per numero di Reynolds > 200,000 : grazie alla scelta sapiente del Beta < 0.7 non è necessario aggiungere ulteriori diametri monte e valle allo strumento, quindi avremo:
Cioè occorre solamente 1 x DN a monte ed 1 x DN a valle di tubo dritto senza fitting, valvole o altro nel caso di curva a gomito, doppia curva disassata o tee. Ora controlliamo le dimensioni flangia flangia del V-Cone da 18″ flangiato Slip-On rating 150#
Le dimensioni flangia – flangia sono 813 mm.
Vediamo allora l’ingombro minimo del V-Cone da 18″ fra 2 curve a 90°:
Curva 90° – 1 x DN – V-Cone – 1 x DN – Curva 90°
Curva 90° – 517 mm – 813 mm – 517 mm – Curva 90°
Curva 90° – 1847 mm – Curva 90°
quindi diamo questa misura di portata accurata & minima perdita di carico permanente & grande turn-down & nessun problema con il condensato in < 2 metri…
Ecco la situazione di partenza del Cliente:
Ecco la situazione di arrivo del Cliente e la misura del vapore in cartiera è risolta!
Qui un filmato esplicativo che mostra le differenze enormi fra una flangia tarata ed un V-Cone ed il perchè il V-Cone è uno dei pochi misuratori che si installa senza i soliti diametri monte valle: le perturbazioni up/down stream generate da questi elementi di misura sono ben visibili a tutti e rendono giustizia alle caratteristiche uniche del misuratore di portata di McCrometer, Ca, USA.
