Die präzise und zuverlässige Messung des LNG-Füllstands in Sicherheitsbehältern ist für die Lagerverwaltung und Sicherheit entscheidend. Erdem Böcekli, Produktmanager Füllstand bei Emerson, erklärt, wie modernste berührungslose Messgeräte die verschiedenen Herausforderungen dieser Anwendung erfüllen.
Flüssigerdgas wird in kryogenen oder gekühlten Sicherheitsbehältern und einem üblichen Fassungsvermögen von 30.000 bis 200.000 cm³ gelagert. Diese großen, komplexen Behälter bestehen aus einem inneren Stahltank als Flüssigkeitsbehälter, einem Außentank aus Beton oder Stahl, der als zweiter Sicherheitsbehälter dient, und einer Wärmeisolierung zwischen den beiden Tanks, um die Flüssigkeitsverdampfung während der Lagerung zu minimieren.
Da diese Behälter technisch sehr ausgefeilt sind, erfordern Planung, Auslegung und Konstruktion erhebliche Investitionen seitens der Tankterminal-Betreiber, und eine Kapitalrendite (ROI) stellt sich möglicherweise erst nach langer Zeit ein. Die Implementierung eines präzisen und zuverlässigen Tankmesssystems, das die Lagerkapazität und den Durchsatz steigert, sowie die Betriebs- und Wartungskosten minimiert, kann dazu beitragen, dass sich die Investition schneller auszahlt.
Diese Techniken stellen einen wesentlichen Teil von diesen Tankmesssystemen dar. Zuverlässige und präzise Messungen im Tank sind entscheidend für die Lagerverwaltung und den eichpflichtigen Verkehr und maximieren die Wirtschaftlichkeit. Diese Messungen werden auch im Rahmen eines sicherheitstechnischen Systems (Safety Instrumented System/SIS) vorgenommen, so dass ein Überfüllen des Tanks verhindert wird. Zudem ist die Überwachung im Isolierungsbereich eine Methode, um Tanklecks zu identifizieren, wodurch teure Produktverluste und mögliche Sicherheitsvorfälle vermieden werden. Eine Überlaufsicherung und Leckfrüherkennung sind auch äußerst wichtig für die Einhaltung umweltrechtlicher Vorgaben.
Herausforderungen bei der Messung
Die Feststellung des Füllstands und der Temperatur von Flüssigerdgas in Sicherheitsbehältern stellt Betreiber vor diverse Herausforderungen. Die enorme Größe dieser Tanks bedeutet, dass oft Geräte mit Messbereichen von mehr als 40 m (131 Fuß) benötigt werden, was die Genauigkeitsanzeige erschwert. Zudem werden diese Tanks während des Betriebs nicht geöffnet, und auf Messgeräte kann während der gesamten Lebensdauer zu Wartungs- und Kalibrierungszwecken normalerweise nicht zugegriffen werden. Daher ist es äußerst wichtig, dass die Messtechnik zuverlässig ist; redundante Messungen sind jedoch bei diesen Anwendungen oft unerlässlich. Die Struktur im Inneren der Tanks stellt eine weitere Herausforderung für die Messung dar. Während ein Standardlagertank nur einen Dampfraum hat, haben Sicherheitsbehälter zwei – einen außerhalb des Festdachs des Tanks und einen weiteren im Inneren. Diese beiden Dampfräume haben unterschiedliche Temperaturen, was für Lagerungszwecke bei der Berechnung des Flüssigkeitsäquivalents innerhalb der Räume berücksichtigt werden muss.
Herkömmliche Verfahren
Füllstandsmessungen in LNG-Anwendungen wurden bisher entweder mit Schwimmer und Seil oder mithilfe der Servotechnologie durchgeführt. Bei der ersten Methode werden ein großer Schwimmer im Tank an einen Federmotor und eine mechanische, numerische Anzeige am unteren Ende außerhalb des Tanks über ein Seilzugsystem angeschlossen. Für die Fernüberwachung kann der Schwimmer mit einem Messumformer ausgestattet werden, der Tankfüllstandswerte an die Leitwarte überträgt. Bei der Servomethode wird der Schwimmer durch einen kleinen Verdränger ersetzt, der Auftrieb hat, aber nicht auf der Flüssigkeit schwimmt. Der Verdränger hängt an einem dünnen Draht, der an das Servomessgerät oben auf dem Tank angeschlossen wird. Ein Wiegesystem im Servomessgerät misst den Zug des Drahtes. Signale des Wiegemechanismus steuern einen elektrischen Motor in der Servoeinheit und bewirken, dass der Verdränger den Bewegungen des Flüssigkeitsfüllstands folgt. Ein elektronischer Messumformer sendet die Informationen über eine digitale Kommunikationsmöglichkeit an die Leitwarte.
Auch wenn diese Verfahren immer noch weit verbreitet sind, weisen sie große Defizite hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf. Die Genauigkeit eines Messsystems mit Schwimmer beispielsweise ist oft mangelhaft. Zu den Fehlerquellen gehören Auftriebsdifferenzen, Totband, Schwimmerspiel und Hysterese in den Mechanismen. Wenn bezüglich Schwimmer, Seil oder Führungsdraht etwas falsch läuft, sind Wartungsarbeiten im Tank erforderlich, wofür dieser außer Betrieb genommen werden muss, was wiederum Auswirkungen auf den Durchsatz und die Rentabilität hat. Obwohl der Schwimmer eine relativ einfache Vorrichtung ist, verfügt er über viele bewegliche Teile, die über die Lebensdauer gewartet werden müssen, was ebenfalls die Tankverfügbarkeit beeinflusst. Servomessgeräte sind in der Regel leistungsstärker als Systeme mit Schwimmer, aber auch sie haben viele bewegliche Teile. Da der Verdränger und der Draht mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, erfordern Servomessgeräte mehr Aufwand hinsichtlich Kalibrierung, routinemäßige Wartung und Reparatur, was nur möglich ist, wenn der Tank außer Betrieb genommen wird.
Berührungslose Radartechnologie
Für zuverlässigere und präzisere Messungen werden bei einem modernen Ansatz berührungslose Radarmessgeräte eingesetzt, die von oben nach unten messen. Diese Geräte nutzen Mikrowellensignale, die in Richtung Oberfläche der Flüssigkeit ausgesendet werden und dann zurück an den Messumformer reflektiert werden, wodurch sehr genau und zuverlässig gemessen werden kann. Für kontinuierliche Messungen in einem Sicherheitsbehälter benötigt ein Radarmessgerät ein ausreichend starkes, reflektiertes Signal von der Flüssigerdgasoberfläche, das auch als Echo bezeichnet wird. Die Empfindlichkeit der Messgeräte, die auf der frequenzmodulierten Dauerstrichradartechnologie (Frequency Modulated Continuous Wave/FMCW) beruhen, ist 30mal größer als bei der Impulsmodulation. Somit wird die Signalstärke maximiert, und FMCW-Geräte bieten eine größere Messgenauigkeit und ‑zuverlässigkeit.
Um die Signalstärke von berührungslosen Messgeräten in diesen Anwendungen weiter zu erhöhen, wird das Radarsignal durch ein Beruhigungsrohr geführt, was ein starkes, ungestörtes Echo von der Oberfläche bewirkt. Somit ermöglichen diese Geräte hochgenaue Messungen über Distanzen von mehr als 55 m (180 Fuß) – die während des Tankbetriebs überprüft werden können –, und die Volumenunsicherheit wird gegenüber herkömmlichen Verfahren um bis zu 180 % reduziert.
Aufgrund der extremen Temperaturen in kryogenen Tanks wird eine spezielle Antennenoption für den Einsatz des Flüssigerdgases verwendet, damit das Messgerät korrekt funktioniert. Die Elektronik ist im Messumformerkopf untergebracht, der sich außerhalb des Tanks befindet und bei Bedarf zugänglich ist. Berührungslose Radarmessgeräte steigern die Zuverlässigkeit erheblich, da die mittlere Betriebsdauer zwischen aufeinander folgenden Ausfällen kritischer Teile in Jahrzehnten gemessen wird. Zudem weisen sie keine beweglichen oder medienberührten Teile auf, wodurch die Wartungsanforderungen minimal sind.
Temperaturüberwachung
Berührungslose Geräte zur Messung werden in Hochleistungsmesssysteme für Tanks integriert, die auch LTD-Geräte (Füllstand/Temperatur/Dichte) zur Überwachung der Tanktemperatur und Dichteprofile enthalten. Diese Messungen ermöglichen die Erkennung einer Schichtenbildung, die auftritt, wenn sich zwei getrennte Schichten von Flüssigerdgas in einem Tank bilden. Dies kann zu einer gefährlichen Freisetzung von Dämpfen und einem Druckaufbau führen, die wiederum einen Überschlag verursachen können. Zur Unterstützung der Lagerverwaltung sind Temperatursensoren, die auch ein Online-Temperaturprofil als Backup für die LTD-Geräte liefern, an mehreren Stellen installiert. Die Temperatursensoren sind entlang der inneren Tankwand und am Tankboden (zur Beobachtung des Abkühlvorgangs) und innerhalb des Isolierungsraums zwischen den inneren und äußeren Tankwänden (zur Unterstützung der Erkennung von Leckagen) verteilt.
Trennung durch unterschiedliche oder identische Technologien
Die Sicherheitsfunktionen der Tankmesstechnologie sind in diesen Anwendungen entscheidend. Bei Sicherheitsbehältern ist die Installation von drei Messgeräten üblich – das erste und das zweite Messgerät unterstützen das BPCS und das dritte liefert Informationen für das SIS, wobei Alarme nach einem Zwei-aus-Drei-Schema ausgelöst werden.
Es ist ein Irrglaube, dass in Normen gefordert wird, dass die für das SIS verwendete Technologie eine andere sein muss als die für das BPCS verwendete Technologie – z. B. Radar- und Servotechnologie. Dies wird in der Regel „Diverse Separation“ (Trennung mit unterschiedlichen Technologien) genannt. Jedoch wird in der Norm IEC 61511–2, die die besten Sicherheitsstandards für die Umsetzung eines modernen SIS definiert, bestätigt, dass die Verwendung derselben Technologie für beides zulässig ist. Dies wird als „Identical Separation“ (Trennung mit identischen Technologien) bezeichnet, und in der IEC 61511–2 wird angegeben, dass diese Methode einige Vorteile bei der Auslegung und Wartung haben kann, da sie die Wahrscheinlichkeit für Wartungsfehler reduziert.
Sowohl die Trennung mit unterschiedlichen als auch mit identischen Technologien ist eine gültige Option. Unterschiedliche Technologien sorgen jedoch für zusätzliche Komplexität und erhöhen die Wahrscheinlichkeit für menschliche Fehler, da das Personal mit der Installation, Konfiguration und wiederkehrenden Prüfung zweier verschiedener Technologien vertraut sein muss. Es wird immer deutlicher, dass die Reduzierung von Wartungs- und ähnlichen Bedienungsfehlern entscheidend ist – laut Schätzungen sind 75 % der Industrieunfälle auf organisatorische und menschliche Faktoren zurückzuführen. In diesem Zusammenhang ist der Brand des Buncefield Öllager-Terminals im Jahr 2005 im Vereinigten Königreich ein typisches Beispiel. Buncefield verfügte über redundante und unterschiedliche Technologien für die Überfüllsicherung, aber der Alarm für hohen Füllstand war aufgrund von menschlichem Versagen nicht betriebsbereit. Er wurde für Tests ausgeschaltet und anschließend nicht wieder in Betrieb genommen, war also nicht funktionsfähig.
Wiederkehrende Prüfung aus der Ferne
Die im Rahmen eines SIS eingesetzten Geräte müssen regelmäßig einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie bei einer Sicherheitsanforderung korrekt funktionieren. Umfassende wiederkehrende Prüfungen des SIS, die jährlich erforderlich sind, werden von Technikern im Feld durchgeführt und von einem Mitarbeiter in der Leitwarte überprüft. Dabei muss das Personal auf den Tank steigen, um sich Zugriff zu den Instrumenten zu verschaffen, wobei es großen Gefahren ausgesetzt ist. Außerdem ist dies zeitaufwändig, und der Prozess ist möglicherweise über einen längeren Zeitraum offline, was sich auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Teilwiederkehrende Prüfungen, die die umfassenden Prüfungen ergänzen, dienen der Erkennung möglicher Probleme der Füllstandsmessgeräte. Diese Prüfungen sind weniger umfangreich als umfassenden Prüfungen und werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass ein einzelnes Gerät keine internen Fehler aufweist, und um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls bei Anforderung (Probability of Failure on Demand/PFD) auf einen prozentualen Anteil des ursprünglichen Levels zurückzubringen. Da bei einer teilwiederkehrenden Prüfung nur ein prozentualer Anteil potentieller Ausfälle erkannt wird, muss nach einem bestimmten Zeitintervall eine umfassende Prüfung durchgeführt werden, um das Gerät wieder auf seine ursprüngliche PFD zurückzusetzen. Jedoch können teilwiederkehrende Prüfungen eine Verlängerung des Zeitintervalls zwischen umfassenden Prüfungen begründen, wobei die behördlichen Anforderungen eingehalten werden. Somit ist es Unternehmen möglich, Prüfungen zusammen mit geplanten Abschaltungen zu planen, was erhebliche Betriebskosteneinsparungen bringt.
Die teilwiederkehrende Prüfung von Füllstandsmessgeräten wurde deutlich vereinfacht, da sie aus der Ferne durchgeführt werden kann. Die neuesten Geräte haben eine Funktion, bei der nur eine Reihe einfacher Einstellungen und Befehle über eine Schnittstelle in der Leitwarte eingegeben werden muss. Somit erübrigt es sich, dass Mitarbeiter auf Tanks steigen müssen bzw. Tankinhalten ausgesetzt werden, und es ergeben sich erhebliche Vorteile in Bezug auf Risikominderung, Zeiteinsparung und Effizienzsteigerung.
Fazit
Durch die Verfügbarkeit von FMCW-Radarmessgeräten mit der Funktion der wiederkehrenden Prüfung aus der Ferne werden Zuverlässigkeit, Effizienz und Genauigkeit von LNG-Füllstandmessungen in Sicherheitsbehältern verbessert. Aufgrund der Reduzierung von Wartungsanforderungen und der Verbesserung der Überfüllsicherung gewährleisten diese Technologien zudem die Sicherheit und erzielen aufgrund der Minimierung von Betriebs- und Wartungskosten schneller einen ROI.
