Heizen ohne Knalleffekt

Sperrgas-Heizsystem mit Begrenzer-Kaskade

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08.06.2013 Kleiner Funke – große Wirkung. Das gilt nicht nur (aber hier besonders) für die Öl- und Gasindustrie. Für solche Anwendungsfälle hat Elmess Thermosystemtechnik ein modulares System von Schutz-Temperatur-Begrenzern für regelungstechnische Anlagen der Prozessindustrie entwickelt, das unter anderem den Anforderungen der Atex-Richtlinie 94/9/EG entspricht.

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Entscheider-Facts


Für Betreibe
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  • Die Schutz-Temperatur-Begrenzer erfüllen die Anforderungen der Atex-Richtlinie 94/9/EG und eignen sich zum Überwachen von Heizungen in gas- oder staub-explosionsgefährdeten Bereichen.
  • Die Kaskadenregelung ermöglicht das Messen, Überwachen und Regeln der Temperatur an ihrem Entstehungspunkt.
  • Der Begrenzer dient als direkte Schnittstelle zu eigensicheren Stromkreisen, zusätzliche Barrieren oder Trennverstärker sind dadurch obsolet.

Den Begrenzer der Modellreihe EBR6000 können Anwender in elektrischen Betriebseinrichtungen zur Temperaturüberwachung einsetzen, beispielsweise zum Überwachen von Heizungen in gas- oder staubexplosionsgefährdeten Bereichen, aber auch von nichtelektrischen Betriebsmitteln. Das Gerät selbst ist dabei im sicheren Bereich installiert, lediglich die Messleitungen befinden sich im explosionsgefährdeten Bereich.

Heizen im Ex-Bereich
Betreiber von Sperrgassystemen für Turbomaschinen sind auf eine besonders präzise temperaturgeregelte Sperrgasaufbereitung angewiesen, um die empfindlichen und komplexen Wellendurchführungssysteme zuverlässig und mit hoher Standzeit betreiben zu können. Da der Hersteller des Begrenzers die hierfür benötigten Beheizungssysteme ebenfalls produziert, kann das Unternehmen komplett aufeinander abgestimmte Systeme entwickeln und fertigen. Beim Betrieb dieser Systeme in explosionsgefährdeten Bereichen kommt es dabei zusätzlich auf ein zuverlässiges Absichern gegenüber bestehender Zündgefahren an, die das System selbst erzeugt. Die Lösungen des Herstellers erfüllen diese Anforderungen: Die Begrenzungstemperatur orientiert sich an einem vom Betreiber vorgegebenen Wert  und ist bei Auslieferung fest eingestellt. Damit stellt sie eine manipulationssichere Kenngröße für den Betrieb dar. Eine Besonderheit der Modellreihe ist der Einsatz eines optionalen, integrierten Temperaturreglers innerhalb einer Kaskadenregelung – bei gleichbleibenden Geräteabmessungen gegenüber der Begrenzer-Variante. Die Option für die Temperaturregelung speist derselbe Messfühler-Eingang wie der Temperaturbegrenzer, das heißt, Begrenzung und Regelung erfolgen effektiv auf dieselbe Messstelle. In der Kaskadenregelung arbeitet das Gerät als Folgeregler und wird in seiner Remote-Betriebsart durch den Stellgrad eines vorgeschalteten Führungsreglers ferngesteuert, der sich im selben Leistungs- und Temperaturregelungssystem befindet und mit einem zusätzlichen, räumlich getrennten Prozesstemperaturfühler verbunden ist. Diesen installiert der Betreiber des Kompressors direkt an der Sperrgasdichtung. Dadurch ist die Gesamtregelstrecke in kleinere, besser regelbare Teilstrecken untergliedert. Vorteil der Kaskadenregelung ist, dass das Messen, Überwachen und Regeln der Temperatur am Entstehungspunkt der Wärme erfolgt. Zusätzlich regelt das System Wärmeverluste zwischen der Heizung und dem Prozesstemperaturfühler aus. Auch ein Standby-Betrieb der Heizung, zum Vermeiden von kaltem Sperrgas im Anfahrbetrieb, ist durch diese Betriebsart möglich. Mit der Kaskadenregelung, die hier als Begrenzer-Kaskade ausgeführt ist, kann der Betreiber einen präzisen, auf die jeweilige Anforderung abgestimmten Temperaturverlauf realisieren. Dabei läuft er niemals Gefahr, dass der Schutz-Temperatur-Begrenzer das zu überwachende „Equipment under control“ (EUC) unkontrolliert herunterfährt. Stattdessen hält das Gerät die Anlage bereits vor der Auslöseschwelle in einem stabilen Regelungszustand. Für den Anwender resultiert dies in einer hohen Anlagenverfügbarkeit sowie Standzeit der Sperrgasdichtung.

Alles-in-einem-Lösung
In einem konkreten Fall forderte ein Kunde, der Kompressoranlagen für die Öl- und Gasindustrie konstruiert, die Instrumentierung des Heizsystems entsprechend der Zündschutzart Eigensicherheit nach EN 60079 11 (Ex ib) auszuführen. Da der Anwender den Schutz-Temperatur-Begrenzer auch direkt als Schnittstelle zu eigensicheren Stromkreisen einsetzen kann, ist er nicht mehr auf zusätzliche Barrieren oder Trennverstärker angewiesen. Speziell im Hinblick auf diese Zündschutzart erleichtert ein mitgelieferter Ex-I-Adapter dabei die Leitungsführung zum Gerät. Auch die Spannungsversorgung des in der Heizung befindlichen Messumformers übernimmt der Begrenzer. Damit wurde der Einsatz einer zusätzlichen Spannungsquelle für das Versorgen der 4…20-mA-Messschleife überflüssig, was insgesamt letztlich Kosten spart, Fehlerquellen minimiert und die Verlustleistungsbilanz der Leistungs- und Temperaturregelung begünstigt. Auf das zusätzliche Überwachen der Messschleife konnte der Hersteller verzichten, da der Begrenzer dies ebenfalls leistet – unabhängig davon, ob er wie im beschriebenen Anwendungsfall eine Stromschleife oder direkt ein Pt100-Widerstandsthermometer oder Thermoelemente auswertet.

Überlistungssicheres Safety Feature
Darüber hinaus kam die im selben Projekt seitens des Kunden angestellte Risikobewertung zu dem Schluss, dass das Abschalten der Heizung im Fehlerfall nach SIL2 qualifiziert erfolgen muss. Beim Auslegen der Leistungs- und Temperaturregelung sowie der Instrumentierung der Heizung war dies zu berücksichtigen. Den zentral eingesetzten Schutz-Temperatur-Begrenzer hingegen konnte das Unternehmen ohne weitere Änderungen einsetzen, da er die Anforderung der EN 61508 1 erfüllt. Sollte es im Fehlerfall zu einem kritischen Überhitzen des Systems kommen, das die Temperaturregelung nicht mehr ausgleichen kann, wird die Sperrgaserhitzung heruntergefahren und dem Prozessleitsystem des Betreibers gemeldet. Gemäß der Atex-Richtlinie 94/9/EG bleibt dieser Shut-down-Zustand dauerhaft bestehen; erst nach einem signifikanten Abkühlen des Heizsystems und einer bewussten und autorisierten Handlung kann der Betreiber diese wieder aufgeben. Das Steuerungssystem speichert dieses Ereignis und ist insofern „überlistungssicher“, da auch ein komplettes Aus- und Wiedereinschalten der Anlage oder ein präventiver Rücksetzbefehl diesen Zustand nicht aufhebt. Um das Potenzial des Heizsystems mit der Begrenzer-Kaskadenregelung voll auszunutzen und den prozesstechnischen Bedingungen anzupassen, leistete der Hersteller beim Endkunden vor Ort auch eine Inbetriebnahme und Optimierung.

Zur Website des Herstellers gelangen Sie hier. Um mehr Beiträge über Explosionsschutz zu finden, klicken Sie hier.

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Heftausgabe: Juli 2013

Über den Autor

Lars Grimme, Electrical Engineer, Elmess
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