SIL-2-Stellantriebe sichern Abluftreinigungsanlage

Einsatz funktional sicherer Stellantriebe bei der BASF

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31.01.2018 Apparate aus GFK sind hoch korrosionsbeständig, reagieren jedoch empfindlich auf Überhitzung. Überhöhte Temperaturen zu vermeiden, ist deshalb in Abluftreinigungsanlagen extrem wichtig.Bei der BASF in Ludwigshafen wird das mit funktional sicheren Stellantrieben erreicht.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Um den Ausfall von Rauchgaswäschern aus GFK sicher zu verhindern, wurde bei der BASF eine Absicherung gegen Übertemperatur installiert.
  • Das System erfüllt SIL 3 – dies wird über eine Kombination von Maßnahmen wie Temperaturüberwachung, Notkühlung und die Installation von Rauchgasklappen erreicht.
  • Die elektrischen Stellantriebe für die Rauchgasklappen erfüllen SIL2 und in Redundanz SIL3.

Die BASF betreibt am Verbundstandort Ludwigshafen eine Verbrennungsanlage, in der feste, pastöse und flüssige Abfälle von BASF-Betrieben am Standort verbrannt werden. Die dabei entstehenden Rauchgase werden über einen mehrstufigen Prozess gereinigt und dabei unter anderem durch Rauchgaswäscher geleitet. Diese Rauchgaswäscher enthalten glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), die nicht überhitzen dürfen. Daher müssen die Rauchgase auf maximal 85 °C abgekühlt werden, um eine Beschädigung der Rauchgaswäscher zu vermeiden.

Anhand einer Risikobewertungsmatrix, in der sowohl die Auftretenswahrscheinlichkeit als auch das mögliche Schadensausmaß berücksichtigt wird, wurde festgestellt, dass eine Absicherung der Rauchgaswäscher gegen Übertemperatur gemäß SIL2 nach IEC 61508 erforderlich ist.

Neben dem Schutz von Menschen und Umwelt war der BASF auch daran gelegen, längere Stillstandzeiten der Verbrennungsanlage zu vermeiden. Daher wurde das Sicherheitssystem so ausgelegt, dass sowohl ein hohes Maß an Sicherheit als auch eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet sind.

Gesamtsystem erfüllt SIL3

In der Umsetzung etablierte die BASF ein Gesamtsystem zur Absicherung des Rauchgaswäschers, das SIL3 erfüllt. Dieses Gesamtsystem besteht unter anderem aus folgenden Komponenten:

  • Sensorik zur Temperaturmessung: Es werden 3 Sensoren in redundanter Konfiguration 2oo3 („two out of three“) eingesetzt. Diese Konfiguration gewährleistet ein hohes Maß an Sicherheit und eine hohe Verfügbarkeit.
  • Notwasserbehälter: Das Wasser soll die Notkühlung sicherstellen. Es steht unter Vordruck, sodass es im Notfall bei Öffnen der Armaturen automatisch in den Rauchgaswäscher gepresst wird, ohne eine Pumpe zu benötigen. Die Armaturen sind in 1oo2 („one out of two“) für redundantes Öffnen ausgeführt.
  • Abschaltung des nachgeschalteten Saugzuges bei Übertemperatur.
  • Drei Rauchgasklappen mit elektrischen Stellantrieben von Auma: Die Rauchgasklappe A1 schließt bei Übertemperatur und stoppt damit die Rauchgaszufuhr in den GFK-Rauchgaswäscher. Die Rauchgasklappen A2 und A3 öffnen bei Übertemperatur einen Notkamin, durch den die Rauchgase abgeführt werden. Die beiden Klappen sind in Reihe angeordnet und werden in 2oo2-Konfiguration („two out of two“) betrieben, das heißt, es müssen beide öffnen, um den Weg durch den Notkamin freizumachen. Dies soll verhindern, dass Rauchgase unbeabsichtigt durch den Notkamin entweichen.
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für die elektrischen Stellantriebe an den Rauchgasklappen.

Temperaturabhängiges Auslösen der Sicherheitsfunktion

Die Sicherheitsfunktion wird ausgelöst, wenn zwei der drei Temperaturfühler im Rauchgaswäscher eine unzulässig hohe Temperatur melden. Bei Sicherheitsanforderung werden die folgenden Notmaßnahmen gleichzeitig eingeleitet:

  • Einschalten der Notkühlung,
  • Abschalten des Saugzuges,
  • Schließen der Rauchgasklappe A1 vor dem Rauchgas­wäscher,
  • Öffnen der Rauchgasklappen A2 und A3 am Notkamin.

Durch die Notabschaltung des Saugzuges und das Schließen der Rauchgasklappe A1 werden die Rauchgaszufuhr in den Rauchgaswäscher gestoppt und die Verbrennungsanlagen abgeschaltet. Durch diese Kombination unterschiedlicher Maßnahmen wird eine diversitär redundante Absicherung des Rauchgaswäschers gegen das Nachströmen heißer Rauchgase erzielt. Die Notkühlung durch den Notwasserbehälter dient in erster Linie dazu, kurzfristig eine Überhitzung der GFK-Bauteile im Rauchgaswäscher zu verhindern, bis die anderen Notmaßnahmen sicher greifen.

Elektrische SIL2-Stellantriebe an einer Sicherheits-SPS

Zur elektrischen Betätigung der Rauchgasklappen werden Stellantriebe eingesetzt, die speziell für höchste Sicherheitsanforderungen entwickelt wurden. Sie sind TÜV-zertifiziert und für sicherheitsbezogene Systeme bis SIL2/SIL3 geeignet (SIL3 bei redundantem Systemaufbau). Aufgrund der erforderlichen hohen Drehmomente kommen Kombinationen aus Stellantrieben SA und Getrieben GS zum Einsatz, jeweils in Verbindung mit einer integrierten Stellantriebssteuerung AC 01.2 in Ausführung SIL.

Die Stellantriebe werden über eine Sicherheits-SPS angesteuert, die bei Sicherheitsanforderung ein Signal auf den ESD-Eingang (Emergency Shutdown) am Stell­antrieb gibt. An der Rauchgasklappe A1 vor dem Rauchgaswäscher ist ein Drehantrieb SA 14.6 mit Schwenkgetriebe GS 250.3 installiert. Dieser Antrieb wird in der Sicherheitsfunktion Sicheres Schliellaßen betrieben, d. h., bei Anforderung der Sicherheitsfunktion fährt der Antrieb die Klappe in die Endlage „Zu“. Die beiden Stellantriebe an den Rauchgasklappen A2 und A3 am Notkamin sind Kombinationen aus Drehantrieben SA 07.6 und Schwenkgetrieben GS 125.3. Diese Antriebe werden in der Sicherheitsfunktion Sicheres Öffnen betrieben, d. h., bei Anforderung der Sicherheitsfunktion fahren sie in die Endlage „Auf“.

Die hohen Sicherheitsanforderungen können dank des sogenannten SIL-Moduls erfüllt werden. Dabei handelt es sich um eine in die Steuerung AC 01.2 SIL eingebaute zusätzliche Platine, die bei einem Notfall die Ausführung der Sicherheitsfunktion sicherstellt. Wird der Stellantrieb zum Beispiel gerade über die Ortssteuerstelle manuell bedient oder steht ein betrieblicher Fahrbefehl der Leittechnik an, so wird dieser Normalbetrieb unterbrochen, und die Sicherheitsfunktion erhält Priorität.

Regelmäßiger Partial Valve Stroke Test

Um die Verfügbarkeit der elektrischen Antriebe an den Rauchgasklappen sicherzustellen, wird einmal pro Monat ein Partial Valve Stroke Test (PVST) an jedem Antrieb durchgeführt. Der PVST wird automatisch über die Leittechnik gestartet, er kann aber auch jederzeit manuell ausgelöst werden. Die drei Antriebe werden nacheinander getestet, um die volle Systemverfügbarkeit auch während des Tests zu gewährleisten.

Beim PVST fährt der Antrieb einen definierten Weg vor und wieder zurück. So wird überprüft, ob sich der Antrieb tatsächlich bewegt. Durch diesen Funktionstest zur vorbeugenden Diagnose lassen sich einige sicherheitsrelevante Fehler ausschließen, und die Ausfallwahrscheinlichkeit des Antriebs bei Anforderung wird reduziert.

Fazit: Durch ein Paket an Schutzmaßnahmen ist es der BASF gelungen, einen wirksamen Übertemperaturschutz zu installieren. Standardisierte und zertifizierte Stellantriebe in Ausführung SIL leisten dazu einen wesentlichen Beitrag. Insgesamt wird durch das Gesamtsystem eine Risikoreduktion gemäß SIL3 erreicht, was die gestellten Sicherheitsanforderungen sogar übertrifft. 1803ct901

Marktübersicht Geräte für PLT-Schutzfunktionen (SIL-Kreise).uftll

Heftausgabe: Januar-Februar/2018

Über den Autor

Dr. Jörg Isenberg ist Produktspezialist Funktionale Sicherheit im Produktmanagement bei Auma Riester
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