Sicherheit auf Rädern

Messtechnik für extreme Prozessbedingungen

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18.08.2014 Hier wird mächtig Druck gemacht: Mit ihren Freiförderanlagen auf Rädern hauchen die Spezialisten von Fangmann Energy Services versiegenden Bohrlöchern neues Leben ein – eine Bewährungsprobe auch für die Messtechnik.

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Entscheider-Facts Für Planer

  • Für ein mehrstufiges Verfahren zur Bohrloch-Stimulation kommen auf einer mobilen Anlage verschiedene Mess­prinzipien zum Einsatz.
  • Aufgrund hoher Drücke und widriger Prozessbedingungen werden hohe Anforderungen an die Messtechnik gestellt.
  • Dafür sorgt ein Gerätekonzept in Zweileiter-Technik. Diese ermöglicht eine einheitliche Bedienung der unterschiedlichsten Gerätetypen, vereinfacht die Parametrierung und sichert eine hohe Anlagenverfügbarkeit.

Mit dem Alter kommen die Gebrechen – das ist bei Erdgas-Bohrungen nicht anders. Sie leiden zunehmend an Versalzung, haben zu viel Wasser oder entwickeln Blockaden. Die Quelle droht „totzulaufen“, wie Fachleute sagen: Während die Erdgas-Produktion sinkt, steigt der Aufwand zur Förderung an: Die Kosten wachsen, der Ertrag schwindet – ein Fall für Fangmann Energy Services.

Die Spezialisten für Bohrloch-Stimulation rücken mit ihrer Flotte von Spezialfahrzeugen aus und pumpen verschäumtes Wasser oder Reinigungs?üssigkeiten in die Bohrungen, welche die tief im Gestein vorhandenen Fließwege wieder erschließen. Zur Rückförderung der Behandlungs?üssigkeiten setzten die Spezialisten eine mobile Freiförderanlage ein.

Harte Bedingungen für die eingesetzten Messgeräte
Die neuartige Spezialanlage steht dabei mächtig unter Druck: Mit hoher Energie schießt das Erdgas-Wasser-Gemisch wieder nach oben, wo es einen komplexen Druckreduktions-, Abscheidungs- und Reinigungsprozess durchläuft. Gleichzeitig ermitteln Ingenieure die zu erwartende Förderleistung: Hierbei entscheidet sich, wann die reguläre Förderung wieder aufgenommen werden kann. Für diese Operation am offenen Bohrloch braucht es Messtechnik von herausragender Qualität: Nur so kann der mit Schwallwasser und Schwebstoffen durchsetzte Gasstrom sicher aufbereitet werden. „Man weiß nie genau, wie viel hochkommt“, sagt Florian Edeling, Betriebsingenieur bei Fangmann. „Darum ist entscheidend, dass wir durch kontinuierliche Analyse des Förderstroms und Überwachung des Prozesses jederzeit reagieren können.“

Umweltverträglichkeit wird dabei groß geschrieben: Anders als bei herkömmlichen Anlagen geschieht der gesamte Freiförderprozess in einem geschlossenen System. Die Anlage trennt Wasser, Gas und Feststoffe und bindet umweltschädliche Stoffe chemisch, so dass diese separat abtransportiert und kontrolliert entsorgt werden können.

Vorkonfigurierte Messstellen vereinfachen
den Einbau

Für das mehrstu?ge Verfahren sind auf den einzelnen Modulen insgesamt vier verschiedene Messprinzipien im Einsatz: Zum einen die Füllstandmessung mit Radartechnologie (Levelflex), Druck- und Differenzdruckmessung mit Cerabar S und Deltabar S, Durchflussmessung nach dem Coriolis- und Wirkdruckprinzip sowie verschiedene Temperaturmessgeräte. Außerdem wurden auch spezielle Lösungen realisiert: Die Füllstandmessung wurde als Komplettmessstelle inklusive des mechanischen Bypasses geliefert. Die Messung kommt in zusammengebautem Zustand an und reduziert somit die Montagekosten. Ein weiteres Beispiel ist die Ergasmengenmessung nach dem Zyklonabscheider: Diese wurde als komplett voreingestellte Kompaktmessstelle realisiert. Sie besteht aus einer Staudrucksonde, einem Differenzdruckmessgerät, einem Wärmerechner sowie einer Druck- und Temperatur­kompensation.

Alles aus einer Hand zu beziehen, war für den Kunden besonders wichtig: „Ansonsten hätten wir jetzt ein buntes Instrumente-Patchwork – und umso aufwendiger und teurer wären Handhabung und Wartung geworden“, sagt Steffan Gerdes, Geschäftsführer der Fangmann Group. So aber saßen alle an einem Tisch, haben den aktuellen Stand diskutiert und die jeweils beste Lösung entwickelt. Während herkömmliche Anlagen dieser Art oft  mit analogen Messstellen ausgerüstet sind, die manuell bedient werden, wird der Prozess bei Fangmann vollständig digital überwacht und gesteuert – und dies aus sicherer Distanz.

„Bei uns hält sich niemand mehr im Gefahrenbereich auf“, erklärt Andreas Engelhardt, Leiter Technischer Support bei Fangmann Energy Services. „Sicherheit stand bei der Konzeption der Anlage ganz oben.“  Aufgrund der hohen Anforderung an Verfügbarkeit und Sicherheitsstandards sind viele Messstellen doppelt und dreifach bestückt. Denn nichts wäre am Bohrloch ärgerlicher als Verzögerungen oder gar Stillstand. Dafür sorgt auch neuartige Zweileiter-Technik, die durchgehend zum Einsatz kam. Sie ermöglicht eine einheitliche Bedienung der unterschiedlichsten Gerätetypen.

Sicherheit nach IEC 61508
Die hohen Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen werden durch zertifizierte Geräte in Sicherheitsschaltung nach IEC 61508 erreicht. Die Druckmessung am Eingang der Schwallwasserabscheider sind ein Beispiel für eine 2v3-Sicherheitsschaltung, gefolgt von einer Methanrohgas-Temperaturmessung, für die der Hersteller auch die Schutzrohrberechnung geliefert hat. Am Schwallwasserabscheider wurde ebenfalls eine redundante Füllstandmessung als 1v2-Sicherheitsschaltung realisiert. Die abgeschiedene Durchflussmenge am Schwallwasserabscheider wird mit einem Coriolismessgerät (Promass) erfasst, ebenso wird die Dichte und Temperatur der Flüssigkeit mit ausgegeben. Außerdem wird mit Hilfe einer Staudrucksonde und eines Differenzdrucktransmitters die Methanrohgasmenge einschließlich Druck- und Temperaturkompensation erfasst. Alle Messsignale werden aus Sicherheitsgründen und wegen der höheren Anlagenverfügbarkeit nicht mit einem Bussystem, sondern klassisch über 4…20 mA eingebunden.

Wird im späteren Betrieb eine Messstelle ausgetauscht, entfällt die zeitraubende Wiederinbetriebnahme. „Früher sind dabei oft Daten verlorengegangen“, erklärt Andreas Matschke, Vertriebsingenieur bei Endress+Hauser. „Nun erledigt sich die Parametrierung gleichsam von selbst.“ Alle Einstellungen wie Messbereich, Dämpfung oder die Hüllkurven-Ausblendung werden automatisch im Hintergrund auf einem austauschbaren Speichermodul abgelegt, dem Histo ROM (siehe Textkasten). Nach dem Tausch der Elektronik ist das Messgerät sofort wieder betriebsbereit. „Die Zeit, in der jede Produktgruppe ein eigenes Ersatzteillager brauchte, ist vorbei“, freut sich Andreas Engelhardt. „Da die Bedienung aller Geräte nach demselben einfachen Prinzip funktioniert, können wir sogar ohne Spezialisten zum Einsatz fahren.“

Alle relevanten Dokumente zur Anlage wurden vom Gerätehersteller vorbereitet und bereitgestellt. Ob Kalibrier- oder Materialnachweis, Betriebsanleitung oder SIL-Zerti?kat: Wurden früher ganze Aktenordner mit Papier gefüllt, stellt der Anbieter heute sämtliche Gerätedaten über das internetbasierte W@M-Portal zur Verfügung. Inzwischen hat die neue Freiförderanlage ihre Jungfernfahrt hinter sich und bereits einige Bohrlöcher wieder ?ott gemacht.

Zur Technik
Datenverlust ist Geschichte

Das Histo ROM ist Hauptbestandteil im Datenmanagementkonzept der neuen Zweileiter-Geräte. Der Datenspeicher ist unverlierbar mit dem Transmittergehäuse verbunden und speichert automatisch alle zum Messgerät gehörenden Daten wie Sensor-, Parametrier- und Kalibrierdaten. Alle wichtigen Prozess- und Geräteereignisse werden in einem Ereignis-Logbuch abgelegt. Optional unterstützt das Histo ROM auch die im Gerät integrierte Vierkanal-Linienschreiber-Funktion. Es können bis zu 1.000 Messdaten gespeichert werden.

Alle Daten können einfach mit Hilfe des einheitlichen Bedienwerkzeugs „FieldCare“ gespeichert oder auch über das Geräte-Display auf gleiche Messstellen transferiert werden. Außerdem ist so der einfache Nachweis einer unveränderten Geräteparametrierung in sicherheitsgerichteten Anwendungen möglich. Das erhöht die Sicherheit und vereinfacht die Geräteprüfung. Die automatische Datensicherung ermöglicht darüber hinaus den zeitsparenden Austausch von Elektroniken ohne Neuabgleich. Die automatische Sicherungskopie der Konfigurationsdaten vermeidet Datenverlust und die Vergleichsfunktion sorgt für Sicherheit im Betrieb.

Zur Anwendung
Modular und mobil?

Die mobile Freiförderanlage ist ein Prototyp: Sie dient vorwiegend zum Austragen von Wasser aus Erdgasbohrungen, wird aber auch eingesetzt, um neue Bohrlöcher zu testen. Die Anlage besteht aus fünf ?exibel einsetzbaren Modulen. Sie ist für maximal 10.000 Normkubikmeter Erdgas in der Stunde und 345 bar Druck ausgelegt. Die Mess- und Regeltechnik stammt von Endress+Hauser.

Herzstück der Freiförderanlage ist die Abscheidereinheit  (1): Hier durchläuft  das nach oben strömende Gas-Wasser-Gemisch ein Sicherheitsabsperrventil und eine Druckreduzierung, ehe es in den Schwallwasser-Abscheider geht, wo das Wasser vom Gas getrennt und ausgeschleust wird. Ein Fliehkraft-Abscheider entfernt verbliebene Wasserpartikel. Anschließend kann das Gas noch zur Neutralisation saurer Bestandteile in eine Gaswäsche geleitet werden. Weitere Module sind ein Leitstand  (2), von dem aus die komplette Anlage gesteuert wird, ein Aktivkohlefilter, an den sich weitere Bestandteile anlagern können (3), sowie eine selbstaufrichtende, 20 Meter hohe Fackel (4), die das Erdgas vorübergehend verbrennen kann. Fremdstoffe werden zur Aufbereitung und Entsorgung gesammelt; optional steht ein mobiler Lagertank (5) bereit. Das geförderte und gesäuberte Roh-Erdgas wird direkt in die Versorgungsleitung eingespeist.

Heftausgabe: August 2014

Über den Autor

Alexander Marzahn, Manager Corporate Publishing und Andreas Schmidt, Branchenmanager Öl&Gas, Endress+Hauser
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