Rete gas a bassa pressione sotto controllo con la misurazione continua della pressione

Rete gas a bassa pressione sotto controllo con la misurazione continua della pressione

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Petrolio e gas

Il monitor di processi autonomo dell’azienda AIRVALVE, interconnesso ai sensori di pressione della STS, controlla i punti nevralgici della rete gas della SWK Netze GmbH. Ciò permette sicurezza di pianificazione a fronte di un piccolo sforzo di implementazione.

Per calibrare il suo programma sulla rete di tubazioni, la SWK Netze GmbH effettua numerose misurazioni nella rete gas a bassa pressione. A tal scopo, nell’ambito del progetto “Controllo della rete gas a bassa pressione”, devono essere effettuate misurazioni continue della pressione in quindici punti nevralgici. Accanto alle aspettative di valori di misurazioni più precisi possibili, per la realizzazione del progetto è stato altrettanto decisivo che gli strumenti di misurazione funzionassero in modo affidabile per un lungo periodo di tempo e, contemporaneamente, disponessero di una potenza di segnale sufficientemente elevata, in modo da riuscire a trasmettere regolarmente i valori misurati anche in installazioni sotterranee. Per ridurre al minimo indispensabile gli interventi strutturali e in sotterraneo, bisognava misurare la pressione nelle tubature di ventilazione già esistenti. Per questo l’apparecchiatura di misurazione è stata installata in tombini con chiusini DIN3583 dotati di dispositivo di blocco, misura 3. 

Per adempiere a questo compito la scelta è ricaduta sul monitor di processo,modello LS-42, dell’azienda AIRVALVE. Test accurati, avevano precedentemente dimostrato che i prodotti che fanno parte della serie dei monitor di processo sono gli unici a disporre di un’antenna integrata di elevata potenza che, persino nei tombini, assicura una trasmissione del segnale priva di interferenze. 

Stabilità a lungo termine e facilità d’uso  sono i fattori chiave 

Inoltre, grazie ad una batteria ad alta efficienza sostituibile, lo strumento di misurazione funziona in modo indipendente dalla rete elettrica e telefonica per un periodo di 10 anni e più. Il monitor di processo, facile da installare e configurabile da remoto, assicura una trasmissione sicura dei dati rilevati grazie alla scelta libera della scheda SIM o alla rete multipla con tunnel VPN privato (vedi immagine 1 sulla struttura di un monitor di processi). Per questi motivi è maggiormente adatto per impianti lontani o di difficile accesso, che devono essere monitorati per un lungo periodo di tempo in modo affidabile e senza costosi lavori di manutenzione.

Immagine 1: struttura del monitor di processi (fonte: AIRVALVE)

Naturalmente, i requisiti di durata e prestazioni del prodotto riguardano anche i sensori utilizzati per la misurazione della pressione. AIRVAVLE ha scelto il trasmettitore di pressione ATM.ECO/N della STS. Questo sensore da 100 mbar viene alimentato dalla batteria sostituibile del monitor di processi, dispone di una resistente struttura in acciaio inossidabile e, in un intervallo di temperatura che va da -5 fino a 50°C, fornisce risultati accurati con un errore totale di ≤ ± 0.70%. In termini di stabilità a lungo termine l’ATM.ECO/N registra< 0.5%.

Struttura del sistema di misura nella rete gas a bassa pressione

L’intero sistema di misura per il monitoraggio della rete gas a bassa pressione è stato installato nei tombini (vedi immagine 2).Utilizzando tubature di ventilazione già esistenti è stato possibile eseguire i lavori richiesti senza grandi spese. Per implementare la misurazione della pressione il tappo del tubo di ventilazione è stato sostituito da un riduttore (1). Il connettore di misura può essere chiuso su una valvola a sfera in acciaio inossidabile (2). Una calibrazione del sensore di pressione è resa possibile da un connettore Minimess (3). Il sensore di pressione (4) è collegato al monitor di processo della AIRVALVE (6) tramite una scatola di distribuzione per la compensazione della pressione (5). Il monitor di processo è a sua volta fissato al terreno tramite un sistema di aggancio (7).

Immagine 2: visione d’insieme del sistema di misura (fonte: AIRVALVE)

Le misurazioni vengono eseguite ogni 5 minuti. L’intervallo tra una misurazione e l’altra può essere scelto essenzialmente tra uno e 60 minuti. I valori misurati vengono trasmessi più volte al giorno al centro di controllo. La trasmissione dei valori può avvenire tramite scheda di rete multipla VPN protetta o scheda SIM con abbonamento. La comunicazione è possibile sia con centri di controllo via internet che con sistemi SCADA. Nell’esempio di applicazione presentato la SWK Netze GmbH ha scelto la centralizzazione dei dativi a internet “Web-LS” per gestire i dati rilevati attraverso server ad alta sicurezza.

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Misura della densità nei misuratori di portata di gas

Misura della densità nei misuratori di portata di gas

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Petrolio e gas

Il consumo di gas viene calcolato sul volume di flusso mediante misuratori di portata di gas. Poiché la densità del gas e quindi anche il suo volume dipendono dalla pressione e della temperatura, la quantità misurata può variare a seconda della pressione o della temperatura che si verificano. È possibile descrivere la relazione tra il volume del gas, la pressione e la temperatura con la formula p · V/T=costante,  in cui p sta per pressione, V per volume e T per temperatura.

Se è relativamente facile regolare e monitorare la pressione alla quale il gas scorre attraverso i tubi, ciò non vale per la temperatura. Le differenze di densità che ne derivano influiscono sulla portata misurata. Ciò che può essere trascurabile per i normali consumatori date le quantità in comparazione ridotte, costituisce invece un importante fattore di costi per la grande utenza. 

Con la Measurement Instruments Directive (MID) è stata emanata una direttiva relativa agli strumenti di misura valida per l’Unione Europea allo scopo di stabilire una procedura di approvazione uniforme per tutti gli stati UE e qualche altro stato. Altri scopi della direttiva includono un unico test una tantum per l’approvazione dei dispositivi di misura, nonché un unico regolamento transnazionale per la verifica. Attraverso questo regolamento transnazionale stabilito si ricerca una qualità dei prodotti ancora maggiore e si assicurano pari condizioni di concorrenza. Il MID riguarda 10 tipologie di strumenti di misura nell’ambito della metrologia legale. I requisiti riguardanti i contatori di gas e i convertitori di volumi sono ripartiti nell’allegato MI-002. 

Per calcolare l’esatto volume di gas occorre tener conto della pressione e della temperatura e per farlo i contatori del gas devono essere dotati di appositi sensori. Al posto del volume va indicata la massa del gas, in quanto, considerando la densità variabile, è questo il dato più preciso. Per poterlo rilevare in modo corretto è necessario misurare la pressione e la temperatura e determinare così la densità. 

Elevata accuratezza grazie alla compensazione matematica 

Esistono due modi per collegare i sensori di pressione e di temperatura ai contatori di gas. Nella prima variante il sensore di pressione viene avvitato sul tubo che trasporta il gas e viene collegato al contatore tramite un cavo. Nella seconda variante il sensore viene installato direttamente nell’apparecchio (l’esempio specifico che segue descrive quest’ultima variante). 

I campi di pressione impiegati per il calcolo della quantità di gas sono solitamente compresi tra 0,8 e 3,5 bar (assoluto) o tra 2,5 fino a 10 bar (assoluto). Le esigenze di accuratezza sono elevatissime: è richiesto lo 0,2 percento del valore misurato a temperature che vanno da -20°C a 60°C. Con i sensori di pressione comuni, però, non è possibile raggiungere tale risultato. Per riuscirci bisogna ricorrere alla compensazione matematica. Per questo motivo la STS fornisce sensori di pressione e di temperatura non solo certificati, ma anche parametrizzati (coefficienti per la compensazione polinomiale).

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Prospezione petrolifera sotto il fondale marino

Prospezione petrolifera sotto il fondale marino

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Petrolio e gas

Gli scienziati hanno un quadro più preciso più della superficie di Marte piuttosto che del fondale marino terrestre. È necessario conoscere accuratamente la conformazione e lo stato del fondale sottomarino per una serie di motivi, tra cui la sicurezza del traffico navale, scopi di ricerca (archeologia, oceanografia) e scopi di esplorazione. Rientra tra quest’ultimi anche lo studio dei giacimenti petroliferi giacenti sotto il fondale marino. 

Per identificare possibili giacimenti di petrolio sotto gli oceani bisogna analizzare la conformazione geologica del fondale marino. Dal momento che solitamente si tratta di zone molto profonde difficili da raggiungere, si cartografa il fondale con l’aiuto di onde sonore. Questo metodo è chiamato sismica a riflessione. 

Prospezione petrolifera con il metodo sismico a riflessione 

Con la sismica a riflessione si studiano le onde sismiche generate artificialmente. Queste onde si propagano sott’acqua e vengono in parte rifratte e riflesse, come un raggio di luce ai bordi ottici,non appena colpiscono i bordi di un materiale. La quantità di luce dell’onda riflessa sulla superficie dello strato colpito dipende dalla velocità e dalla differenza di densità tra gli strati contigui. Queste onde riflesse ritornano verso la superficie dell’acqua. Sia l’energia che il tempo impiegato dal moto ondoso vengono registrati da geofoni. Una volta elaborati i dati si vede a quale profondità si trovano i rispettivi bordi dello strato colpito. 

La tecnica più utilizzata della sismica a riflessione è il metodo CMP (dall’inglese Common-Midpoint). Con questo metodo si ottiene una serie di tracce che riflettano dallo stesso punto centrale. Queste tracce vengono poi sovrapposte. Prima però bisogna effettuare una correzione dei tempi di percorrenza, definita Normal Move Out (NMO). Durante questo passaggio si correggono i diversi punti di riflessione delle tracce in modo che compaiano nella sezione finale al momento giusto e nella posizione corretta.

Con il metodo CMP è necessaria una misurazione accurata della pressione 

Nella prassi della prospezione petrolifera si utilizza una nave adeguatamente attrezzata che trascini parecchi cavi di misura, chiamati streamer. Gli streamer possono essere lunghi diversi chilometri. Su questi cavi si trovano, ad intervalli regolari, degli idrofoni per la registrazione delle onde riflesse. Per generare le onde all’inizio dello streamer viene posizionato una sorgente di onde sonore. Per ottenere risultati il più corretti possibile è essenziale conoscere l’esatta posizione (profondità) dell’idrofono, pertanto ogni idrofono viene dotato di una cella di misura della pressione. 

Per la prospezione petrolifera sotto il fondale marino la determinazione della posizione degli idrofoni viene spesso effettuata dalle celle di misura piezoresistive della STS. Poiché questo metodo complesso e ad elevata intensità di calcolo richiede una precisione assoluta, la tecnica di misura impiegata deve soddisfare requisiti elevati. Dato che gli streamer si trovano solo pochi metri sotto il livello dell’acqua, le celle di misura devono poter rappresentare pressioni da 0 a 15 bar. Per via della vicinanza con la superficie dell’acqua il campo di misura effettivo è fino a 2 bar (assoluto). Qui la precisione richiesta è inferiore allo 0,3 percento di errore totale. 

Immagine 1: esempio di cella di misura della pressione per applicazioni di sismica a riflessione

Altre richieste che la STS ha soddisfatto sviluppando celle di misura secondo le esigenze dei clienti sono state le dimensioni ridotte: 12 mm x 13,8 mm. Inoltre, quando la nave si ferma l’idrofono affonda. Per poter reggere alle pressioni che si verificano ad alte profondità e continuare a funzionare, le celle di misura devono sopportare una pressione di sovraccarico di 100 bar. Per realizzare il corpo delle celle di misura della pressione, dato che il loro impiego è nell’acqua salata, è stato utilizzato il titanio.

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Una buona tenuta è sinonimo di sicurezza: misurazione della pressione nelle tubazioni

Una buona tenuta è sinonimo di sicurezza: misurazione della pressione nelle tubazioni

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Prova di tenuta

Sotto i nostri piedi si sviluppa un’infrastruttura largamente ramificata, senza la quale l’economia e la società non funzionerebbero. Milioni di chilometri di tubature trasportano gas naturale, biogas, acque dolci e acque reflue dai fornitori ai consumatori. Soprattutto nel caso di sostanze a rischio di esplosione come il gas, la sicurezza riveste un ruolo importante. Sprechi di risorse e inquinamento ambientale possono essere anche la conseguenza di perdite nelle tubature. UNION Instruments ha appena sviluppato un kit di controllo della pressione, che facilita di gran lunga la prova di tenuta. A tale scopo vengono utilizzate anche le celle di misura della pressione della STS.

Il kit di controllo della pressione PMS3000 della UNION Instruments GmbHè stato progettato per eseguiretutte le operazioni necessarie alla prova di tenuta delle tubazioni con i componenti collegati gli uni agli altri in un unico sistema. 

I campi di applicazione sono molteplici: 

  • fornitura di gas secondo DVGW G469-(A) A2, B2, B3, C3 e D2
  • fornitura di acqua potabile secondo DVGW W400-2, parte 16
  • ingegneria dei processi industriali, industria, tecnologia di processo
  • tubazioni di teleriscaldamento
  • sonde geometriche
  • guaine per cavi
  • fognature

Immagine 1: Kit di controllo della pressione PMS3000 (Fonte: UNION Instruments)

A questo punto vogliamo concentrarci sulla prova di tenuta delle tubazioni di acqua potabile attraverso il cosiddetto processo di contrazione (o controllo della pressione di contrazione). Come mezzo di prova si utilizza l’acqua. 

Processo di contrazione nella fornitura di acqua potabile 

L’acqua potabile spesso scorre attraverso tubi di plastica. Se viene applicata una pressione di prova maggiore, si avrà di conseguenza un aumento del volume. Questa espansione provoca un calo di pressione che rende più difficile la prova di tenuta. Inoltre, occorre accertarsi che il condotto che si sta controllando sia sufficientemente privo di aria. Lo speciale processo di contrazione garantisce che qui possa avvenire un corretto accertamento della tenuta. Gli standard sono stabiliti nella certificazione DVGW foglio W400-2, parte 16. 

Per eseguire il processo di contrazione secondo W400-2, parte 16 oltre al kit di controllo della pressione PMS3000, serve il kit di scarico della pressione DAK2000, in modo da poter rilevare la quantità di acqua di scarico in modo centrale e indipendente dal volume di uscita e di poterla trasmettere al PMS3000. Grazie a questo collegamento diretto si riducono gli interventi manuali e si evitano errori di trasmissione. In aggiunta, serve una pompa per fare aumentare la pressione. Anche per questo scopo l’UNION Instruments ha a disposizione diverse soluzioni fatte su misura per il PMS3000.

Immagine 2: Processo di contrazione secondo W400-2, parte 16 (Fonte: UNION Instruments)

Il processo di contrazione (vedi immagine 2) è relativamente complesso e si sviluppa in più fasi. La prova di tenuta si svolge in un arco di 3 o 4 ore. Con il PMS3000 il processo si suddivide in sette fasi. Nella prima fase, la fase di distensione, vengono misurate la pressione statica dell’acqua e la temperatura della tubazione. Poi inizia la fase in cui si verifica l’aumento della pressione. È necessario raggiungere la pressione di prova, che è circa 4 bar più alta della pressione di esercizio. Questa fase si svolge nell’arco di dieci minuti. La velocità con cui la pressione aumenta può essere osservata con il PMS3000 e questo consente una prima valutazione dell’assenza d’aria.

Una volta raggiunta la pressione di prova, inizia la fase di mantenimento della pressione. Il mantenimento della pressione si ottiene con pompaggio continuo. Nella successiva fase di riposo si osserva un calo della pressione con una conseguente riduzione della pressione in percentuale della pressione di prova: la pressione non può diminuire più del 20 percento.

Dopodiché segue la diminuzione della pressione per controllare l’assenza d’aria. In questa fase viene fatta defluire l’acqua, la quantità di acqua di scarico viene misurata e trasmessa al PMS3000. Defluendo, l’acqua dovrebbe generare un certo calo della pressione. Se questo non si verifica, significa che nella tubazione che si sta controllando c’è troppa aria.

Terminata questa fase, inizia una verifica principale di 30 minuti, in cui viene applicata nuovamente pressione nella tubazione. Nel caso in cui si verifichi un calo della pressione, la verifica principale viene prolungata di 90 minuti. Durante questo periodo di tempo la pressione non può diminuire più di 0,25 bar, altrimenti significa che la tubazione perde.

L’intero svolgimento della prova viene salvata sulla scheda SD del kit di controllo della pressione e, senza bisogno di software di valutazione, è disponibile per l’utente come protocollo PDF.

Per misurare la pressione il PMS3000 è dotato di un sensore di pressione piezoresistivo della STS. Poiché il kit di controllo della pressione è utilizzato in diverse applicazioni, i requisiti della cella di misura sono elevati: deve riuscire a rappresentare un ampio intervallo di pressione che parta da pochi mbar fino ad arrivare a 1000 bar (per es. prova di tenuta in sistemi idraulici) e, allo stesso tempo, funzionare con estrema precisione.Così, le richieste fatte alla STS da parte della UNION Instruments includono una stabilità di 5 mbar per modifiche della temperatura ambientale di 15 Kelvin con pressioni di prova da 20 a 25 bar. Qui trovate maggiori informazioni sull’integrazione delle celle di misura piezoresistive in applicazioni già esistenti.

Le caratteristiche del sistema PMS3000 in sintesi:

  • kit di controllo della pressione robusto, impermeabile e adatto a cantieri edili
  • stampa del protocollo integrata
  • display touch a colori
  • scheda di memoria SD da 32 GB mobile leggibile tramite USB
  • varie porte esterne
  • processo di verifica delle direttiveDVGWG469 (A) : 2010 e W400-2 : 2004 sono memorizzati nel dispositivo
  • linea completa di componenti di collegamento e pompe di prova per l’aumento della pressione a disposizione
  • trasduttore piezoresistivo della STS integrato con un campo di misurazione della pressione da 100 mbar a 1000 bar (curva caratteristica: ≤ ± 0.50 / 0.25 % FS)
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Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

Un motore a idrogeno con iniezione diretta ad alta pressione potrebbe sostituire il turbodiesel?

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Applicazioni dell'idrogeno

Non più benvisto, il motore diesel, una volta leggendario, sembra abbia fatto il suo corso. Persino città come Parigi, che una volta incentivavano l’uso del diesel, ora chiedono agli OEM di fermarne la produzione entro il 2025. Sebbene sia altamente improbabile che questo accada, è un segno di quanto il mondo sia preoccupato per il riscaldamento globale e per l’inquinamento atmosferico in generale.

Per rispettare le norme sempre più severe sulle emissioni, gli OEM stanno studiando nuove forme di propulsione spesso mai provate prima d’ora. Si stanno testando tutti i possibili scenari: dai motori completamente elettrici agli ibridi e persino quelli a celle a combustibile di idrogeno. 

L’idrogeno, in particolare, sta riscuotendo interesse tra i ricercatori di tutto il mondo – viene ritenuto un carburante pulito che potrebbe benissimo diventare il propulsore dei trasporti del futuro. 

La differenza tra l’idrogeno e gli idrocarburi tradizionali sta nel suo ampio campo stechiometrico che va dal 4 al 75 percento del volume di idrogeno in aria e inoltre, in condizioni ideali, la velocità di combustione dell’idrogeno può raggiungere alcune centinaia di metri al secondo. Queste caratteristiche lo rendono altamente efficiente nella combustione di miscele magre con basse emissioni di NOx. 

Quarant’anni di sistemi di iniezione ad idrogeno 

L’iniezione ad idrogeno esiste dagli anni ’70 e consiste nell’iniettare idrogeno in un motore a combustione interna modificato. In questo modo il motore brucia in modo più pulito, con maggiori prestazioni e minori emissioni. 

I precedenti sistemi a bassa pressione, tuttora in uso, iniettavano l’idrogeno nell’aria prima di arrivare nella camera di combustione. Si verificavano, però, diversi problemi poiché l’idrogeno brucia 10 volte più velocemente del diesel e, una volta mescolato al diesel nella camera di combustione, la velocità di combustione aumenta. I problemi principali sono: 

  • Ritorno di fiamma del gas nel collettore
  • Preaccensione e/o autocombustione

Il modo migliore per superare questi problemi è installare un sistema di iniezione diretta ad alta pressione che inietti il carburante in una fase successiva della corsa di combustione. 

Ottimizzare il processo di combustione attraverso la misurazione accurata della pressione 

Per ottimizzare il processo di combustione, l’iniezione deve essere accuratamente mappata sul motore e questo può avvenire soltanto mediante la raccolta dei dati di prova riguardanti la temperatura (collettore, EGT e refrigerante), la pressione (cilindro/sovralimentatore, tubi e iniettore), la turbolenza nel collettore e nella camera di combustione e, infine, la composizione del gas. 

I processi di formazione della miscela, di iniezione e di combustione sono solitamente studiati attraverso due diversi gruppi di esperimenti. Lo scopo del primo esperimento è ottenere informazioni sulla concentrazione altamente transitoria e sulla distribuzione dell’idrogeno durante il processo di iniezione. 

Durante questo test viene impiegata una fluorescenza indotta da laser (LIF: Laser-Induced Fluorescence) sulle molecole traccianti come tecnica primaria di misurazione per studiare il comportamento dell’idrogeno durante la compressione e l’accensione. Utilizzando una camera di combustione a volume costante delle stesse dimensioni del vero motore a combustione interna– ciò significa che il volume della camera di combustione è uguale al volume del cilindro nel punto morto superiore – viene iniettato l’idrogeno pressurizzato nell’aria fredda pressurizzata mediante una valvola a spillo controllata idraulicamente. 

Grazie ai sensori di pressione di alta qualità è possibile studiare l’effetto delle varie pressioni di iniezione sul processo di combustione. Osservando il comportamento e il volume del gas incombusto, si riduce drasticamente il tempo impiegato per ottimizzare la pressione di iniezione per un determinato numero e posizione dei fori dell’ugello dell’iniettore, nonché la direzione di iniezione. 

Grazie all’utilizzo di un software unico nel suo genere è possibile determinare il ritardo di accensione, che dipende dalla temperatura e dalla concentrazione di idrogeno nell’aria ad una data pressione. Anche in questo caso è importante che le letture della pressione siano registrate in modo accurato entro un range di pressioni che varia tra 10 e 30 MPa. 

Inoltre, questo metodo permette di definire le aree del getto di iniezione laddove si verificano le condizioni di autoaccensione. Questo è utile per sviluppare un sistema di iniezione ottimizzato per i motori che devono essere convertiti dal carburante diesel all’idrogeno. 

Negli ultimi test condotti da un OEM marchio premium, il motore ad iniezione ad idrogeno ad alta pressione ottimizzato ha mostrato un promettente aumento della potenza specifica a fronte di una riduzione del consumo di carburante, raggiungendo così il 42% di efficienza. I valori ottenuti corrispondono ai valori dei migliori motori turbodiesel. 

Sulla base delle scoperte sembrerebbe chiaro che il lavoro svolto per ottimizzare la pressione dei sistemi a 30 MPa possa di fatto fornire un’altra fonte di energia pulita per i trasporti del futuro. 

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