Modernisierung von Füllstandmessungen

Das erste Beispiel beschreibt die Ausrüstung einer Füllstandmessung/Überfüllsicherung von giftigem und saurem Wasser: Ein internationaler Hersteller von organischen Chemikalien produziert an einem seiner tschechischen Standorte Rohstoffe wie Anilin sowie verschiedene Chemikalien, die auf der Verbindung Hexylamin basieren. Als notwendiges Vorprodukt für die Anilinherstellung verwendet der Spezialchemie-Hersteller Nitrobenzol, das durch Nitrierung von Benzol mit Nitriersäure hergestellt wird. Bei diesem Prozess fällt saures Wasser an, das noch Reste des giftigen und brennbaren Nitrobenzols enthält. Um die Umwelt zu schützen, muss das flüssige Abfallprodukt anschließend einer chemischen Abwasseraufbereitungsanlage zugeführt werden. Vor der Reinigung wird das saure Wasser in verschiedenen, bis zu 6 m hohen Tanks bei atmosphärischem Druck gelagert.

Einsatz in einer PLT-Schutzfunktion unter Nutzung vorhandener Infrastruktur
Da bereits kleine Mengen Nitrobenzol in den Tanks eine explosionsfähige Atmosphäre bilden, muss der Füllstand des 50 °C warmen Abwassers kontinuierlich überwacht werden. Sobald dieser einen bestimmten Maximalwert übersteigt, muss ein Alarm ausgelöst werden, um eine Überfüllung sowie Folgeschäden zu verhindern. Hierfür setzte der Betreiber bereits berührungslose Radar-Füllstandmessgeräte ein, die jedoch veraltet waren und für die keine Ersatzteile mehr beschafft werden konnten. Neben der notwendigen Zulassung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und der Möglichkeit, das Gerät in einem PLT-Schutzkreis einzusetzen, legte der Anwender großen Wert darauf, dass beim Einsatz des Messinstruments die vorhandene Infrastruktur genutzt werden konnte, um Installationskosten zu sparen.

Krohne empfahl für diese Anwendung das Radargerät Optiwave 5200 C, ein Füllstandmessgerät, das speziell für die Anforderungen der chemischen Industrie entwickelt wurde. Das berührungslose 2-Leiter-FMCW-Radar-Füllstandmessgerät kann in sicherheitsgerichteten Systemen (SIL 2) gemäß IEC 61508 verwendet werden und entspricht den Namur-Empfehlungen NE 21, 43, 107 sowie 53. Retrofitting stand hier bereits bei der Entwicklung im Lastenheft: Das Gerät ist z. B. abwärtskompatibel mit allen BM70x-Flanschanschlüssen und Antennen sowie allen gängigen Prozessanschlüssen (Bild 1).

Für die konkrete Anwendung wurde das Gerät mit der „Wave Hornantenne“ mit DN50-Flanschanschluss ausgerüstet, die aufgrund ihrer Konstruktion ohne zusätzliche O-Ring-Dichtung auskommt: Das Chemieunternehmen zeigt sich zufrieden mit den stabilen und zuverlässigen Messwerten der kontinuierlichen Messung. Sobald das saure Wasser einen vorgegebenen Füllstand im Tank erreicht, löst das Radargerät zusätzlich einen Alarm im PLT-Schutzkreis aus. Auf diese Weise kann der Prozess rechtzeitig gestoppt und eine Überfüllung des Tanks zuverlässig verhindert werden. Damit wird stets ein hohes Maß an Sicherheit für die gesamte Anlage gewährleistet. Schrittweise werden nun alle Messstellen in dem Unternehmen mit den neuen Füllstandmessgeräten modernisiert, da diese nahtlos an die vorhandene Infrastruktur angeschlossen und einfach in Betrieb genommen werden können (Bild 2 und 3).

Diversitär redundante Standmessung im Bypass
Das zweite Beispiel wirkt zunächst etwas ungewöhnlich, da hier Anlagen durch den Einsatz vermeintlich „alter“ Schwimmer-Messtechnik modernisiert werden. Die Überwachung des Tankinhaltes über Schwimmer-Bypass-Systeme ist eine der ältesten Methoden der kontinuierlichen Füllstandmessung. Klassisch wird dabei ein Schwimmer in einem Bezugsgefäß (kommunizierendes Gefäß) eingesetzt, welches seitlich am Tank angebracht ist. Der Höhenstand des Schwimmers wird über eine Magnetkupplung auf eine Magnetklappen- oder Rollenanzeige übertragen, die entsprechend den Messwert auf einer Skala anzeigt. Dieses rein mechanische System wird aufgrund der weithin gut ablesbaren Anzeigen sehr geschätzt. Für eine Anbindung an ein Leitsystem kann z. B. eine Reed-Kette oder ein magnetostriktiver Abgriff eingesetzt werden, welche den Höhenstand des Schwimmers in ein 4…20-mA- oder Feldbussignal umsetzen.

Diese Art der Füllstandmessung ist in der chemischen und petrochemischen Industrie für alle Arten von aggressiven Flüssigkeiten sowie für Kohlenwasserstoffe weit verbreitet. Nach außen hin ist das System komplett metallisch geschlossen, was die weite Verbreitung auch in explosionsgefährdeten Bereichen erklärt und aufwendige Sicherungen durch z. B. Schnellschlussventile überflüssig macht. In Kraftwerken werden die Systeme darüber hinaus aufgrund ihrer hohen Belastbarkeit geschätzt: bei der Überwachung von Kondensatbehältern halten sie Temperaturen von 340 °C bei einem Druck von 170 bar aus.

Der geschlossene Aufbau ist vor dem Hintergrund heutiger Sicherheitsüberlegungen nicht unproblematisch: Sollte z. B. ein Schwimmer verklemmen oder undicht werden und untergehen, so werden diese Fehler weder von den Messgeräten erkannt noch sind sie von außen sichtbar. Der Füllstand wird falsch angezeigt und fernübertragen. Wie kann ein solches System an aktuelle Anforderungen angepasst werden ohne die eingangs genannten Vorteile zu schmälern?

Aufgrund der Sicherheitsbedenken wünschen sich viele Anwender für die Bypass-Messung zwei redundante, unabhängige Messungen. Die Lösung besteht darin, die Schwimmer-Bypass-Systeme redundant,
d. h. mit einer zusätzlichen und unabhängig arbeitenden Füllstandmessung, auszurüsten. Das Bezugsgefäß ist für diese Anwendungen als Doppelkammer-Rohr ausgelegt: Sollte der Schwimmer in der einen Kammer verklemmen, läuft die TDR- oder Radar-Füllstandmessung in der zweiten Kammer unabhängig weiter (Bild 4). Da alle Komponenten vom Hersteller selbst produziert werden und nicht zugekauft werden müssen, können die Systeme preisgünstig angeboten werden. Zum Anschluss reichen die zwei seitlichen Stutzen eines Bypass-Gefäßes aus, behälterseitig müssen keine zusätzlichen Stutzen installiert werden.
Redundante Messsysteme sind nicht zu verwechseln mit solchen, die zwei Messungen einsetzen, welche aber voneinander abhängig sind (z. B. ein Freistrahlradar misst von oben auf den Schwimmer). Diese bieten nicht die gleiche Sicherheit.

Krohne verwendet als Basis die seit über 50 Jahren bewährten BM-26-Schwimmer-Bypass-Messsysteme und kombiniert sie mit der aktuellen Generation von Optiflex- (TDR) bzw. Optiwave- (FMCW) Füllstandmessgeräten. Die Systeme werden komplett aus einer Hand gefertigt, dabei sind Sonderwerkstoffe oder Varianten für hohe Druck- und Temperaturanforderungen als standardmäßige Optionen verfügbar – ein Ergebnis aus jahrzehntelanger Zusammenarbeit mit Anwendern aus Chemie und Petrochemie. Dieses Gesamtpaket überzeugte zuletzt einen namhaften Anlagenausrüster, der über 100 Stück redundant ausgelegte Bypass-Messsysteme für chemische Anwendungen bestellte und diese inzwischen standardmäßig einsetzt.

Fazit: Die Modernisierung von Füllstandmessstellen geschieht unter der Maxime der Sicherheit von Mensch und Umwelt in Verbindung mit Anlagenverfügbarkeit sowie Service- und Wartungsfreundlichkeit. Aktuelle Messgeräte, die entsprechend aktuellen gesetzlichen und Anwender-Anforderungen (z.B. Ex, SIL, Namur) entwickelt wurden, können dank typischer Bauformen und Prozessanschlüsse nahtlos alte Messstellen in bestehenden Infrastrukturen ersetzen und bieten damit eine kostenoptimierte Möglichkeit der Modernisierung. Auch Bypass-Messungen können diese Anforderungen erfüllen, indem ein redundantes Messsystem unter Nutzung der vorhandenen Anschlüsse installiert wird.

Zur Technik
Mit neuem Messumformer zum SIL-Gerät
Wird für eine bestehende Füllstandmessung nachträglich eine SIL-Zertifzierung gefordert, steht üblicherweise der Austausch des Messgerätes an. Damit einhergehend muss der Behälter drucklos gemacht und meist entleert werden. Für die Radargeräte der BM70x-Reihe sowie für geführte Mikrowellen der BM10x-Reihe bietet Krohne eine besondere Alternative: Es besteht die Möglichkeit, die Messstelle nachträglich zu „SILen“. Dazu wird nur der alte Messumformer gegen einen SIL2-Messumformer neuster Bauart ausgetauscht, Prozessanschluss und Antenne bzw. Sonde können unverändert beibehalten werden und müssen nicht ausgebaut bzw. ausgetauscht werden. Dieses Vorgehen lohnt sich praktisch immer, wenn die alte Sonde nicht beschädigt ist, jedoch besonders, wenn z. B. große Flansche oder speziell angepasste Prozessanschlüsse beibehalten werden können; vor allem aber wenn Prozessanschlüsse, Antenne oder Sonde aus einem teuren Werkstoff wie Hastelloy, Tantal oder anderen Sonderwerkstoffen gefertigt wurden. Durch die Aufrüstung entsteht kein Mehraufwand an Dokumentation im Vergleich zur Einrichtung einer „normalen“ SIL-Messstelle. Mit einem Listenpreis unter 1.000 EUR für den neuen SIL2-Messumformer mitsamt Anschlussadapter ist der Anwender auch beim Einkauf deutlich im Vorteil gegenüber dem Kauf eines neuen SIL-Komplettgerätes.