Die wichtigsten globalen Standards für die Risikominimierung sind die Norm IEC 61511 der International Electrotechnical Commission, die die besten Sicherheitsverfahren für die Implementierung eines modernen Überfüllsicherungssystems (Overfill Prevention System, OPS) in der Prozessindustrie beinhaltet, und die API 2350 des American Petroleum Institute, die bewährte Sicherheitsverfahren für nicht druckbeaufschlagte, überirdische große Erdöllagertanks enthält. Sowohl IEC 61511 als auch API 2350 geben vor, dass verschiedene unabhängige Schutzebenen zum Einsatz kommen müssen, um das Risiko von Überflutungen und Leckagen zu minimieren. Die erste dieser Ebenen, das Prozessleitsystem, überwacht und steuert die Produktionsprozesse. Wenn das Prozessleitsystem ordnungsgemäß funktioniert, müssen keine weiteren Schutzebenen aktiv werden. Sollte es jedoch zu einem Ausfall oder Problemen mit dem Prozessleitsystem kommen, muss das Überfüllsicherungssystem, die zweite Schutzebene, eine Überfüllung verhindern. Um Redundanz zu gewährleisten, sollte das Überfüllsicherungssystem separat und unabhängig vom Prozessleitsystem agieren.
Für den Fall, dass die beiden ersten Schutzebenen nicht verhindern können, dass eine Überfüllung Überflutungen verursacht oder Tankschäden zu einer Leckage führen, wird eine dritte Schutzebene bereitgestellt. Dabei handelt es sich um einen Containment-Bereich, dessen Zweck darin besteht, die Folgen des Vorfalls zu minimieren. Dieser Containment-Bereich ist in der Regel ein unterirdischer Graben oder Deich, der den Tank umgibt und Raum bietet, in dem sich verschüttete Flüssigkeiten ansammeln können. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Flüssigkeit weiter ausbreitet. Im äußerst unwahrscheinlichen Fall, dass alle drei Schutzebenen eine Überfüllung bzw. Überflutungen nicht verhindern oder eindämmen können, besteht die vierte und letzte Schutzebene darin, die Folgen des Vorfalls durch Alarmierung der Rettungsdienste zu mindern.
Containment-Bereiche überwachen
Containment-Bereiche wurden in der Vergangenheit bei manuellen Inspektionen visuell überwacht. Diese Methode ist jedoch nicht nur zeitaufwendig ist, sondern zwingt Mitarbeiter zudem, in Ex-Bereichen einer Anlage zu arbeiten. Darüber hinaus können Überflutungen oder Leckagen für einige Zeit unbemerkt bleiben, was nicht nur notwendige Reparaturen und Aufräumarbeiten verzögern kann, sondern auch das Risiko birgt, dass sich eine Dampfwolke über dem Standort ausbreitet und entzündet.
Die Normen IEC 61511 und API 2350 decken Überfüllsicherungsmaßnahmen in Lagertanks ab. Wenn es jedoch um Containment-Bereiche außerhalb des Tanks geht, verfügen Länder und lokale Behörden oft über eigene Vorschriften. Die genauen Bedingungen können variieren, erfordern jedoch normalerweise, dass ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen eingedämmt wird, und geben die Materialien vor, aus denen die entsprechenden Containment-Bereiche bestehen sollten.
Die Behörden schreiben die kontinuierliche Überwachung von Containment-Bereichen mit Füllstandmessgeräten zwar nicht vor, es gibt jedoch Unternehmen, die die Überwachung als interne Anforderung behandeln.
Messtechnik im Terminal Antwerpen
Ein global tätiges Petrochemieunternehmen wollte in seinem Werk in Antwerpen, Belgien, kontinuierliche Füllstandüberwachungstechnologie in Containment-Bereichen rund um Kohlenwasserstoff-Lagertanks einsetzen, um potenzielle Folgen von Leckagen zu minimieren. Die Lösung sollte zuverlässig sein und sehr schnell eine Leckage oder Verschüttung erkennen.
Die spezifischen Eigenschaften der Anwendung beeinflussten die Wahl der Messtechnologie. Da die Containment-Bereiche den Elementen ausgesetzt sind, können sich dort Regenwasser und Kohlenwasserstoffe ansammeln. Reguläre Füllstanddetektoren können nicht zwischen den beiden Flüssigkeiten unterscheiden und sind daher für diese Anwendung ungeeignet. Die Lösung muss in der Lage sein, den gesamten Containment-Bereich sowie eine Trennschicht zwischen Öl und Wasser zu messen und Kohlenwasserstoffe bei einer Stärke der Schicht von 60 mm zu erkennen. Außerdem dürfen Witterungseinflüsse die Lösung nicht beeinträchtigen und sie muss zuverlässig arbeiten – unabhängig davon, ob der Bereich trocken ist, nur eine Flüssigkeit (entweder Wasser oder Kohlenwasserstoff) oder zwei Flüssigkeiten (Wasser und Kohlenwasserstoff, die sowohl Füllstand- als auch Trennschichtmessungen erfordern) enthält.
Das Unternehmen installierte zunächst Sensoren zur Kohlenwasserstofferkennung, stellte jedoch fest, dass diese Sonden nicht robust genug für die Anwendung waren, da regelmäßige Kurzschlüsse zu falschen Brandalarmen führten. Daher kontaktierte das Unternehmen mehrere Anbieter von Automatisierungstechnologien, um eine geeignetere Überwachungstechnologie zu finden. Man entschied sich für die von Emerson vorgeschlagene Lösung und erwarb über vierzig Stück der Rosemount-5300-Füllstandmessumformer mit dem Messprinzip der geführten Mikrowelle (Guided Wave Radar, GWR), um alle Containment-Bereiche des Werks zu überwachen. Die Installation umfasste zudem ein neues Wireless-Hart-Netzwerk, wobei jeder Bereich mit einem Emerson Wireless 1410D Gateway mit 781 Field-Link-Antenne ausgestattet wurde. Auf diese Weise kann das Signal von den Messpunkten direkt in das bestehende Prozessleitsystem des Standorts übertragen werden.
Vorteile der geführten Mikrowelle
Die GWR-Technologie wird aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Genauigkeit sowohl für Prozessleitsysteme als auch für Überfüllsicherungssysteme weit verbreitet eingesetzt. In Füllstandmessumformern mit GWR-Technologie werden Niedrigenergie-Mikrowellenimpulse durch eine eingetauchte Sonde geführt. Wenn die Mikrowellen von der Oberfläche zum Messumformer reflektiert werden, kann der Füllstand gemessen werden. Da ein Teil des abgegebenen Impulses von der Sonde nach unten geleitet wird, kann auch eine Trennschicht erkannt werden, die es der Technologie ermöglicht, das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen sowie Wasser in Containment-Bereichen zu ermitteln.
Ein wesentlicher Vorteil von GWR-Füllstandmessumformern ist ihre benutzerfreundliche Bedienung. Sie lassen sich sehr einfach installieren und es ist keine Kompensation für Änderungen der Dichte oder Leitfähigkeit der Flüssigkeit erforderlich. Diese Geräte bleiben von Ablagerungen praktisch unberührt, was bedeutet, dass keine Neukalibrierung erforderlich ist. Die Wartungsanforderungen sind extrem niedrig, sodass die Betriebskosten minimiert werden können. Geräte mit erweiterten Diagnosefunktionen stellen zudem sicher, dass Bediener schnell auf eine Verschlechterung der Leistung hingewiesen werden.
Ein wichtiger Aspekt dieser Anwendung ist die Fähigkeit, eine sehr kleine Menge Kohlenwasserstoff auf einer potenziell größeren Menge an Regenwasser zu erkennen. Wenn GWR-Messumformer in Anwendungen wie dieser zur Trennschichtmessung verwendet werden, musste die obere Flüssigkeitsschicht (abhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit und der Antennenauswahl) bislang zwischen 50 und 200 mm dick sein, damit das Gerät zwischen den von den verschiedenen Flüssigkeiten reflektierten Signalen unterscheiden konnte. Da die Containment-Bereiche sehr groß sind, wäre eine erhebliche Menge an Kohlenwasserstoff durchgesickert, bevor sie vom Gerät erkannt worden wäre.
Der Rosemount 5300 verfügt jedoch über eine erweiterte Funktionalität, die eine minimale erkennbare Dicke der oberen Flüssigkeitsschicht von nur 25 mm ermöglicht. Dies wird durch den Peak-in-Peak-Trennschichtalgorithmus von Emerson erreicht, mit dem der Messumformer Signalspitzen erkennen kann, die näher beieinander liegen, ohne die Signalbandbreite verringern zu müssen, was die hohe Empfindlichkeit des Messumformers reduzieren würde. Dies war ein wichtiger Faktor für den Auftraggeber, da Kohlenwasserstoffe in Containment-Bereichen viel früher als bisher erkannt werden kann.
Große Koaxialsonde
Wie bereits erwähnt, sind Containment-Bereiche den Elementen ausgesetzt, sodass auch unerwünschte Materialien wie Blätter oder Schmutz eindringen können. Dies kann zu Ablagerungen führen, die schließlich an der Sonde des Messumformers haften bleiben und die Messkonsistenz beeinflussen. Um dies zu verhindern, nutzen die Rosemount-5300-Messumformer eine große Koaxialsonde ohne interne Distanzstücke, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Verstopfungen zu erhöhen. Die Sonde bietet außerdem Schutz vor Regenwasser, das die Signalstärke des Messumformers beeinträchtigen und die Robustheit der Messung reduzieren kann.
Eine Totzone ganz unten an der Sonde begrenzt für gewöhnlich den Messbereich von GWR-Messumformern. Kohlenwasserstoffe im Containment-Bereich müssen bei dieser Anwendung jedoch auch erkannt werden, wenn der Flüssigkeitsstand das untere Ende der Sonde noch nicht erreicht hat. Die Ingenieure von Emerson konnten das Problem durch eine Umgestaltung der Zentrierscheibe der großen Koaxialsonde lösen. Sie reduzierten damit die untere Totzone des Rosemount 5300 auf nur 20 mm für Wasser und 50 mm für Kohlenwasserstoffe, was eine Reduzierung um 50 % gegenüber den bisherigen Lösungen darstellt.
Viele Vorteile für den Anwender
Durch die automatische kontinuierliche Überwachung von Containment-Bereichen als Teil des bestehenden Überfüllsicherungssystems profitiert das Petrochemieunter-
nehmen nun von einer noch besseren Sichtbarkeit potenzieller Leckagen. Die Fähigkeit, eine sehr dünne Kohlenwasserstoffschicht im Containment-Bereich zu erkennen, bedeutet, dass Leckagen schneller erkannt und folglich notwendige Reparaturen und Reinigungsarbeiten rascher durchgeführt werden können. Dies reduziert Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, minimiert das Risiko von Boden- und Wasserverschmutzung und senkt die Wahrscheinlichkeit der Bildung und Verbreitung einer Dampfwolke in der Einrichtung. Die automatisierte Überwachungslösung erhöht darüber hinaus die Effizienz und Sicherheit von Mitarbeitern, die keine visuellen Inspektionen mehr in Ex-Bereichen durchführen müssen.
Da sich die Lösung im Terminal Antwerpen als Erfolg erwiesen hat, suchen das Unternehmen und Emerson nun nach Möglichkeiten, an weiteren Standorten weltweit eine kontinuierliche Füllstandüberwachung in Containment-Bereichen einzuführen.
Emerson Process Management GmbH, Langenfeld
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