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Auf Betriebs­stö­run­gen schnell und zuver­läs­sig reagieren

1. April 2016
in Anlagen & Komponenten, Chemie, Messtechnik & Analytik
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In vie­len Indus­trie­an­la­gen ent­ste­hen im Zuge che­mi­scher Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen bei An- und Abfahr­vor­gän­gen oder bei Betriebs­stö­run­gen über­schüs­si­ge Gase, die man nicht ohne wei­te­res spei­chern kann. Dabei ist der Treib­haus­ef­fekt vie­ler die­ser Gase deut­lich höher als der des all­seits bekann­ten Treib­haus­ga­ses Koh­len­stoff­di­oxid. Zum Schutz von Mensch und Umwelt wer­den daher dis­kon­ti­nu­ier­lich anfal­len­den „Abfall­ga­se“ in Fackeln defi­niert ver­brannt, mög­lichst ruß­frei und mit hohem Aus­brenn­grad. Das ist nur mit einer zuver­läs­si­gen Mess- und Steue­rungs­lö­sung möglich.

Bei Betriebs­stö­run­gen fal­len in der Regel gro­ße Gas­men­gen an, die über Hoch­fa­ckeln ver­brannt wer­den. Boden­fa­ckeln nutzt man dage­gen, um die bei An- und Abfahr­vor­gän­ge von Anla­gen kon­ti­nu­ier­lich über einen län­ge­ren Zeit­raum anfal­len­den Gase mit hohem Aus­brenn­grad zu verbrennen.

Hochfackel im norwegischen Rafnes (Bild: EET Umwelt- und Gastechnik GmbH)
Hoch­fa­ckel im nor­we­gi­schen Raf­nes (Bild: EET Umwelt- und Gas­tech­nik GmbH)

Hoch­fa­ckeln, Bodenfackeln

Hoch­fa­ckeln kann man sich wie einen zylin­dri­schen, hohen Turm mit einem oder meh­re­ren Bren­nern am obe­ren Ende des Turms samt zuge­hö­ri­ger Zün­dung über Hoch­span­nungs­trans­for­ma­to­ren vor­stel­len. Über ein Geblä­se wird zudem Dampf oder Luft bei­gemischt. Für die ruß­freie Ver­bren­nung von rußen­den hoch­ka­lo­ri­schen Gasen in Hoch­fa­ckeln wer­den dampf- oder luft­be­trie­be­ne Fackel­köp­fe ein­ge­setzt. In dampf­be­trie­be­nen Fackel­köp­fen wird der Dampf den Düsen des Fackel­kop­fes zuge­führt, die durch die Ent­span­nung des Damp­fes gro­ße Luft­men­gen ansau­gen und mit dem Gas mischen, um die ruß­freie Ver­bren­nung zu gewähr­leis­ten. Bei luft­be­trie­be­nen Fackeln wird dem Gas Luft von Geblä­sen zuge­mischt, um die ruß­freie Ver­bren­nung zu erreichen.

Bei Boden­fa­ckeln dage­gen befin­den sich ein oder meh­re­re Bren­ner samt zuge­hö­ri­ger Zün­dung nahe am Boden. Sie bestehen zudem ent­we­der aus einem zylin­dri­schen Turm oder einer qua­der­för­mi­gen Ein­hau­sung. Wei­ter not­wen­dig sind ver­schie­de­ne Rohr­lei­tun­gen, um das zu ver­bren­nen­de Gas und das Pilot­gas zuzu­füh­ren. Sie unter­schei­den sich von Hoch­fa­ckeln dadurch, dass in einem rund­um geschlos­se­nem Raum (Brenn­raum) ohne von außen sicht­ba­re Flam­me das Gas ruß­frei und mit hohem Aus­brenn­grad ver­brannt wird. Die ruß­freie Ver­bren­nung von hoch­ka­lo­ri­schen Gasen erfolgt dabei eben­falls mit Unter­stüt­zung von Dampf, Luft von Geblä­sen, oder durch „Natur­zug“ mit­tels Luft. Nie­der­ka­lo­ri­sche Gase kön­nen in den Boden­fa­ckeln durch Zuga­be von Stütz­gas mit hohem Aus­brenn­grad ver­brannt werden.

Am Fuß der Fackeln ist in einem Bedien­stand („Local-Panel“ genannt) neben den Rohr­lei­tun­gen in einem explo­si­ons­ge­schütz­ten Steu­er­schrank (EEx d) die Mess- und Steue­rungs­tech­nik zum Mes­sen und Regeln von Drü­cken, Durch­flüs­sen, Tem­pe­ra­tu­ren u.v.m. unter­ge­bracht. Erfass­te Mess­wer­te sowie Steu­er­si­gna­le wer­den dann von dort an das über­ge­ord­ne­te Pro­zess­leit­sys­tem in der Leit­war­te über­ge­ben. Das erlaubt eine schnel­le Reak­ti­on auf die jewei­li­ge Situa­ti­on in der Fackel. Damit eine sol­che Anla­ge in der Pra­xis rei­bungs­los funk­tio­niert, müs­sen Anla­gen­bau­er, Stahl­bau­er und Auto­ma­ti­sie­rungs­ex­per­ten eng zusam­men arbeiten.

Bodenfackel im schwedischen Stenungsund (Bild: EET Umwelt- und Gastechnik GmbH)
Boden­fa­ckel im schwe­di­schen Ste­nungsund (Bild: EET Umwelt- und Gas­tech­nik GmbH)

Zuver­läs­sig­keit ist gefragt

Die Auto­ma­ti­sie­rungs­ex­per­ten der Karls­ru­her Rös­berg Engi­nee­ring GmbH haben jahr­zehn­te­lan­ge Erfah­rung bei der Rea­li­sie­rung unter­schied­lichs­ter Pro­jek­te in der Pro­zess­in­dus­trie. Ver­gli­chen mit ande­ren von ihnen umge­setz­ten Pro­jek­ten ist die Steue­rungs­tech­nik für Rauch­gas­fa­ckeln wohl weni­ger kom­plex aber den­noch zeit­auf­wän­dig, weil für die sehr robus­te Tech­nik und die extre­men Umwelt­ein­flüs­se spe­zi­el­le Spe­zi­fi­ka­tio­nen beach­tet wer­den müs­sen. Und letzt­lich ist eine Fackel ein äußerst kri­ti­scher Teil einer Indus­trie­an­la­ge, der mit­hil­fe selbst­über­wach­ter Sys­te­me zuver­läs­sig und aus­fall­si­cher arbei­ten muss. Der rea­le Scha­den und der damit ein­her­ge­hen­de Image­scha­den, der für ein Unter­neh­men ent­ste­hen kann, wenn wegen einer nicht funk­tio­nie­ren­den Fackel Gase direkt in die Atmo­sphä­re ent­las­sen wer­den müss­ten, wären immens. So ist es kein Zufall, dass der Anla­gen­bau­er EET Umwelt- und Gas­tech­nik GmbH aus Kras­tel im Huns­rück beim Bau zwei­er Fackeln – eine im nor­we­gi­schen Raf­nes und eine im schwe­di­schen Ste­nungsund – die Zusam­men­ar­beit mit den Karls­ru­her Auto­ma­ti­sie­rungs­ex­per­ten such­te, denn über die Jah­re hat­ten die Unter­neh­men bereits ähn­li­che Pro­jek­te mit­ein­an­der realisiert.

Auto­ma­ti­sie­ren im Ex-Bereich

Für das Engi­nee­ring erar­bei­te­ten die Karls­ru­her Mess­stel­len­lis­ten, PLT-Stel­len­blät­ter, Spe­zi­fi­ka­tio­nen für die ein­ge­setz­ten Feld­ge­rä­te, EExi-Berech­nun­gen, Funk­ti­ons­plä­ne, Kabel­lis­ten, Auf­bau­plä­ne der Feld­ge­häu­se im Ex–Bereich, Stromlauf‑, Wirkschalt- und Klemm­leis­ten­plä­ne. Zur Doku­men­ta­ti­on wur­de das haus­ei­ge­ne PLT-CAE-Sys­tem Pro­DOK zusam­men mit Auto­CAD ver­wen­det. Bei der Hoch­fa­ckel in Nor­we­gen und bei der Boden­fa­ckel in Schwe­den wur­den je ca. 50 Mess­stel­len rea­li­siert, die sich alle direkt im Ex-Bereich befin­den. Teil der Engi­nee­ring­leis­tung war die Spe­zi­fi­ka­ti­on geeig­ne­ter Feld­ge­rä­te, die bau­lich exakt den Mon­ta­ge­an­for­de­run­gen ent­spra­chen und trotz rau­er Bedin­gun­gen und nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren für den rei­bungs­lo­sen Ablauf in der Anla­ge sor­gen muss­ten. Dazu gehö­ren gere­gel­te Fre­quenz­um­rich­ter, Repa­ra­tur­schal­ter und Tem­pe­ra­tur­über­wa­chungs­re­lais für dreh­zahl­ge­re­gel­te Dreh­strom­mo­to­ren. Um den Durch­fluss exakt regeln und im Pro­blem­fall sofort abstel­len zu kön­nen wer­den Begren­zungs­blen­den, Schwe­be­kör­per­durch­fluss­mess­um­for­mer und selbst­re­gu­lie­ren­de Ven­ti­le ein­ge­setzt. Dane­ben waren ört­li­che Druck­an­zei­gen, Druck­trans­mit­ter, Tem­pe­ra­tur­mess­um­for­mer mit Grenz­wert­ge­ber zur Tem­pe­ra­tur­über­wa­chung in den Pilot­bren­nern und eine motor­elek­trisch betrie­be­ne Lüf­tungs­klap­pe (ex-sicher) Teil des Lie­fer­um­fangs. Um bei den teil­wei­se sehr nied­ri­gen Umge­bungs­tem­pe­ra­tu­ren (bis zu ‑30 °C) ein Ein­frie­ren zu ver­hin­dern, wur­den zudem Begleit­hei­zun­gen mit selbst begren­zen­den Heiz­lei­tun­gen inkl. Rege­lung und Über­wa­chung realisiert.

Ein Flammenwächter überwacht permanent die Farbe und Temperatur der Flamme (Bild: EET Umwelt- und Gastechnik GmbH)
Ein Flam­men­wäch­ter über­wacht per­ma­nent die Far­be und Tem­pe­ra­tur der Flam­me (Bild: EET Umwelt- und Gas­tech­nik GmbH)

Steue­rungs­kon­zept — eine Philosophiefrage

Zu gro­ßen Tei­len ähneln sich die Fackeln in Nor­we­gen und Schwe­den. Den­noch hat jede indi­vi­du­el­le Anfor­de­run­gen einer­seits kon­zep­ti­ons­be­dingt ande­rer­seits wegen unter­schied­li­cher Stan­dards und Nor­men sowie den lan­des­spe­zi­fi­schen Anpas­sun­gen. Im Unter­schied zu Schwe­den wur­de in Nor­we­gen die Ein­spei­sung des Schalt­schranks durch ein erd­frei­es IT-Netz rea­li­siert. Eine Beson­der­heit der schwe­di­schen Boden­fa­ckel war der dort gefor­der­te Flam­men­wäch­ter. Durch Mes­sung der Wel­len­län­ge der Flam­me über­wacht er optisch, ob gene­rell eine Flam­me im Brenn­raum vor­han­den ist. Dar­über hin­aus las­sen sich Flam­men­wäch­ter auch für die Steue­rung der Flam­men­qua­li­tät ein­set­zen, d.h. zur Steue­rung des Damp­fes, der Luft oder des Stütz­ga­ses zum Gas, je nach­dem wel­ches Medi­um für die ruß­freie Ver­bren­nung des ange­fal­le­nen Gases mit hohem Aus­brenn­grad erfor­der­lich ist (Bild 3).

Prin­zi­pi­el­le Unter­schie­de gibt es im Steue­rungs­kon­zept der bei­den Units. Die Anla­ge in Nor­we­gen setzt auf eine kon­ven­tio­nel­le Steue­rung. D.h. die Signa­le wer­den über EExi Mess­um­for­mer mit ent­spre­chen­den Grenz­wer­ten ermit­telt und dann über mehr­drah­ti­ge Kup­fer­lei­tun­gen ans über­ge­ord­ne­ten Pro­zess­leit­sys­tem wei­ter­ge­ge­ben. Die Pro­gram­mier­ar­beit für die Steue­rung der Hoch­fa­ckel rea­li­sier­te der Kun­de in die­sem Fall selbst in sei­nem eige­nen Pro­zess­leit­sys­tem. Bei der schwe­di­schen Fackel dage­gen setz­te man auf eine SPS zum Aus­wer­ten der anfal­len­den Daten und zur Steue­rung der Fackel, somit eine kom­plett aut­ar­ke Ein­heit. Das Pro­gram­mie­ren der Steue­rungs­ein­heit war in die­sem Fall eben­so Teil des Engi­nee­rings. Selbst­ver­ständ­lich ist auch hier die Steue­rung der Fackel mit dem über­ge­ord­ne­ten Leit­sys­tem ver­bun­den. Wegen der gro­ßen Distanz der bei­den Steue­rungs­tei­le setzt man aller­dings auf Licht­wel­len­lei­ter für die Daten­über­tra­gung. Um die not­wen­di­ge Aus­fall­si­cher­heit zu bie­ten, wur­de eine red­un­dan­te Span­nungs­ver­sor­gung realisiert.

Bei­de Vari­an­ten haben dabei ihre Vor­tei­le. Die kon­ven­tio­nel­le Lösung über­zeugt durch den robus­ten Auf­bau und die Aus­fall­si­cher­heit, der sich über Jahr­zehn­te bewährt hat. Aber auch Vari­an­ten mit SPS haben in den ver­gan­ge­nen Jah­ren gezeigt, wie zuver­läs­sig sie arbei­ten und brin­gen zudem höhe­re Fle­xi­bi­li­tät. Ob man die Steue­rungs­soft­ware im eige­nen Haus ent­wi­ckeln oder ihre Ent­wick­lung aus­la­gern will, ist letzt­lich eine Fra­ge der Philosophie.

Das wird in beiden Fällen durch diverse Bedien- und Meldegeräte im Local-Panel in EEx d/e-Ausführung realisiert (Bild: EET Umwelt- und Gastechnik GmbH)
Das wird in bei­den Fäl­len durch diver­se Bedien- und Mel­de­ge­rä­te im Local-Panel in EEx d/e‑Ausführung rea­li­siert (Bild: EET Umwelt- und Gas­tech­nik GmbH)

Bedie­nen vor Ort

Stan­dard­mä­ßig wer­den bei­de Anla­gen von der Leit­war­te aus bedient bzw. gefah­ren. Es gibt aber Aus­nah­me­fäl­le, in denen eine loka­le Bedie­nung gefragt ist, zum Bei­spiel bei War­tung, Instand­hal­tung oder bei Revi­sio­nen. Das wird in bei­den Fäl­len durch diver­se Bedien- und Mel­de­ge­rä­te im Local-Panel (EEx d/e‑Ausführung) realisiert.

Die Fackel in Nor­we­gen hat bereits vor einem Jahr den Betrieb auf­ge­nom­men und seit­her ihre Zuver­läs­sig­keit bewie­sen. Die schwe­di­sche Fackel hat mitt­ler­wei­le den Field Accep­t­ance Test (FAT) auf dem Gelän­de des Anla­gen­bau­ers bestan­den und war­tet nun dar­auf in der eigent­li­chen Anla­ge instal­liert zu wer­den, um dann für einen siche­ren Betrieb zu sorgen.

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