3. La norma ISO 50001 ed il flusso energetico del processo
3.3 Consumi e flussi energetici del processo di produzione
3.3.2 Principi di funzionamento dei misuratori installati
3.3.2.1 Misuratori elettrici
I misuratori elettrici che Sofidel ha deciso di installare nei suoi stabilimenti per il monitoraggio dei consumi di energia elettrica, sono dispositivi che consentono la misura e la visualizzazione di differenti parametri di rete. Tutti i valori misurati sono indicati su un display,
35 da cui l’operatore può verificare anche se ci sono delle anomalie nelle misure dovute al funzionamento o all’installazione. I valori energetici rilevati sono la potenza reattiva, attiva e apparente, oltre che la tensione e la corrente. Inoltre, tali dispositivi consentono una perfetta integrazione col sistema informatico presente in cartiera: una volta integrati i misuratori possono essere messi online e, nel momento richiesto da un dipendente autorizzato, possono essere scaricate le misure necessarie all’analisi. Il ruolo di memorizzazione dei dati è eseguito dal sistema informatico, che spesso nelle cartiere Sofidel è rappresentato dal sistema Historian fornito dalla Valmet.
In un sistema trifase a corrente alternata la potenza elettrica è data da: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 ∗ √3
Dove V, I e φ sono rispettivamente la tensione, la corrente e lo sfasamento tra queste due grandezze. Un misuratore elettrico deve essere, quindi, in grado di misurare i valori di tensione e corrente del sistema. Ciò è reso possibile grazie a dei trasformatori di misura, ovvero strumenti in grado di standardizzare questi valori al secondario. Le correnti e le tensioni nel circuito raggiungono valori incompatibili con qualsiasi misuratore, di un ordine di grandezza che danneggerebbe completamente la strumentazione. Vengono quindi utilizzati dei trasformatori di tensione (TV) e di corrente (TA). Queste macchine elettriche sono in grado di riportare queste grandezze intorno a valori misurabili, riducendoli di una costante moltiplicativa. L’altro elemento fondamentale di un misuratore elettrico è il contatore, il quale registra i valori di tensione e corrente misurati sul secondario (che grazie alla riduzione ottenuta con i trasformatori sono misurabili) e calcola la potenza elettrica moltiplicando per le costanti di riduzione. In questo modo il contatore può integrare la misura nel tempo e registrare un valore di energia elettrica consumata in uno specifico arco temporale (kWh/giorno, kWh/mese, …).
Meritano una menzione i MID, i quali sono misuratori di tipo fiscale che hanno un particolare grado di precisione ed accuratezza.
3.3.2.2 Misuratori gas e vapore
Il principio di funzionamento dei misuratori di gas e di quelli del vapore è lo stesso. Sono strumenti che indicano il volume totale del fluido transitato attraverso la sezione del tubo sul quale sono installati. La misura viene effettuata principalmente con due tipologie di misuratori: quelli a turbina e quelli a flangia tarata. Entrambi sono dotati di un contatore su cui è possibile visualizzare il valore registrato nell’unità di misura desiderata.
Nei misuratori a turbina la misura è resa possibile grazie alla rotazione di una girante a palette elicoidali, libera di ruotare con basso attrito intorno a un asse parallelo al flusso. Il passaggio del gas è garantito comunque anche in caso di blocco della girante. Le piccole
36 portate possono non essere sufficienti a muovere la girante a causa degli attriti presenti nel sistema, è un dispositivo, infatti, adatto ad utenze che presentano elevati consumi. Attraverso la trasmissione del moto della girante ed il conto dei giri effettuati, si può risalire alla portata di fluido transitato in un determinato arco temporale. Infatti, ad un determinato numero di giri corrisponde una specifica velocità del fluido. La formula con cui si può risalire alla portata di fluido transitata è: 𝑚̇ = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐴 in cui ρ è a densità del fluido, v è la velocità del fluido ed A è la sezione del tubo. La densità del fluido ρ è, però, funzione della temperatura T e della pressione p del fluido ρ(T,p). Dato che temperatura e pressione non sono costanti questi misuratori necessitano di una compensazione per ottenere una misura precisa.
Infatti, il fluido viene misurato alle condizioni di temperatura e pressione in cui si trova. Una misura non compensata è corretta per utenze domestiche o industriali alimentate a basse pressioni e con consumi modesti, ma per le cartiere necessita di alcuni accorgimenti. Per poter determinare il valore corretto, infatti, è necessario misurare pressione e temperatura del fluido. Vengono quindi collegati al tubo sensori per il rilevamento di queste grandezze, in grado di inviare un segnale al contatore. Quest’ultimo va, infatti, integrato con un convertitore di volumi. Questa è un’apparecchiatura in grado di convertire i volumi di gas rapportandoli al metro cubo standard, in funzione della temperatura e della pressione, al loro variare nel tempo. I segnali di portata, pressione e temperatura vengono inviati al convertitore, il quale determina il volume di gas corretto, in condizioni standard, espresso in Sm³.
Figura 6: Misuratori di portata con flangia tarata
I misuratori con flangia tarata schematizzati in figura 6 sono, invece, dotati di un elemento che effettua un restringimento della sezione del condotto in modo da incrementare l’energia cinetica del fluido a discapito della sua energia di pressione. Il dispositivo di strozzamento usato è chiamato diaframma ed è costituito da un tratto di tubazione con diametro D in cui è
37 inserita ortogonalmente una piastra sottile (il diaframma appunto) con un foro circolare al centro di diametro d, con precisi requisiti di forma e dimensione. In questi dispositivi si verifica una differenza di pressione fra monte e valle della sezione ristretta, che può essere rilevata attraverso opportune prese di pressione sulle flange. La differenza di pressione Δp costituisce la misura che consente, insieme alle caratteristiche del misuratore e alle proprietà del fluido, di ricavare il valore della portata. Il loro funzionamento si basa essenzialmente sull’applicazione del principio di Bernoulli: vengono eguagliati i contenuti energetici delle sezioni 1 e 2 della figura 6. Si ha infatti:
𝑝1+ 𝜌1𝑔ℎ1+ 1 2𝜌1𝑣1 2+ 𝜌 1𝑢1 = 𝑝2+ 𝜌2𝑔ℎ2+ 1 2𝜌2𝑣2 2+ 𝜌 2𝑢2
Dove g è l’accelerazione gravitazionale e p, ρ, h, v e u sono rispettivamente pressione, densità, altezza, velocità ed energia interna nelle posizioni 1 e 2. Supponendo la tubazione orizzontale (ℎ1= ℎ2), assenza di scambi termici con l’esterno (𝑢1= 𝑢2) e che il fluido sia
incomprimibile (𝜌1= 𝜌2= 𝜌), si ha: 𝑣12− 𝑣22= 2∆𝑝/𝜌. Avendo, quindi, la possibilità di
registrare tramite misuratori di pressione il valore di 𝑝1 e 𝑝2 si può ricavare il valore della
pressione differenziale Δp e la velocità del fluido, mediante la precedente equazione. Dall’equazione di continuità della massa secondo le ipotesi suddette si ha: 𝐴1𝑣1= 𝐴2𝑣2, in
cui 𝐴1 ed 𝐴2 sono le sezioni nei punti 1 e 2. A questo punto, si può sostituire il valore di 𝑣2,
ottenendo: 𝑣2 = √2∆𝑝𝜌 √1 − (𝐴2 𝐴1 ⁄ )2
In modo da tener conto dell’effetto delle ipotesi fatte sul calcolo della velocità, si corregge questo valore moltiplicandolo per un coefficiente correttivo, in funzione della geometria del sistema e della possibile variazione di densità del fluido.
A questo punto si procede come nel caso del misuratore a turbina: la portata viene calcolata tramite l’equazione 𝑚̇ = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐴, in cui ρ, v ed A sono rispettivamente la densità del fluido, la velocità del fluido e la sezione del foro. Anche in questo caso è necessario compensare la misura in temperatura e pressione, come precedentemente illustrato per i misuratori con turbina. [5] [13]
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