Öltank

(Bild: VTU Engineering)

  • Ziel eines Projektes im Emsland ist es, die bestehende Erdöl-Aufbereitungsanlage an die zukünftigen Produktionserfordernisse anzupassen und die Funktionstüchtigkeit langfristig sicherzustellen.
  • Zur Unterstützung bedarf es neuester Technik, wie beispielsweise modernes CFD-basiertes 3D-Design, das VTU Engineering auch bei diesem Projekt einsetzt.
  • Auf Grundlage dieser Planungen wurde mit der Errichtung zweier neuer Edelstahltanks begonnen, die Anlage soll ab Mitte 2022 ihren Dienst leisten.

Auf einem Betriebsplatz des Explorations- und Produktionsunternehmens Neptune Energy im Landkreis Emsland, wird kontinuierlich ein Erdöl-Wasser-Gemisch, bestehend aus rund 3 % Erdöl und 97 % Wasser sowie Erdölbegleitgas, gefördert. Das Ziel des Modernisierungsprojektes in Zusammenarbeit mit dem Anlagenplaner VTU war es, die bestehende Erdölaufbereitungsanlage an die zukünftigen Produktionserfordernisse anzupassen und die Funktionstüchtigkeit langfristig sicherzustellen. Das Herzstück bei diesem Projekt sind zwei neue Doppelwand-Edelstahltanks mit einem Nutzvolumen von 1.400 beziehungsweise 3.900 m³.

Die Planungsphase

Der geringe Ölgehalt im Rohöl macht eine mehrstufige Separation mit hoher Verweilzeit für die Abscheidung erforderlich. Mithilfe der Software Aspen Hysis wurde für die Gesamtanlage ein Prozesssimulationsmodell erstellt. Dazu wurden zunächst alle wesentlichen Komponenten – unter anderem Pumpen, Wärmeübertrager, Separatoren, Lager- und Verweiltanks – in einem Anlagenmodell abgebildet. Nach erfolgreicher Validierung erfolgte im nächsten Schritt die Simulation von verschiedenen Lastfällen. Der Fokus lag hierbei auf dem Einfluss von jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankungen und auf einer sich stetig verändernden Zusammensetzung des Rohöls.

Der Aufbereitungsprozess sieht vor, dass im ersten Schritt in bestehenden Dreiphasenseparatoren Erdöl, Begleitgas und Lagerstättenwasser voneinander getrennt werden. Das Erdölbegleitgas wird dabei im Separatordom erfasst und abgeführt, das Rohöl erhält in einer Auslaufstrecke Zeit, um aufzusteigen und separat erfasst zu werden. Das Lagerstättenwasser wird am Separatorboden abgezogen.

Das im Dreiphasenseparator abgetrennte Rohöl weist noch einen geringen Wasseranteil und gelöstes Gas auf. Um dieses abzutrennen, wird es einem der erwähnten Tanks zugeführt. Ein ausreichendes Tankvolumen ist dabei entscheidend, denn nur so kann die benötigte Verweildauer zur weiteren Phasentrennung erreicht werden. Nach gleichem Prinzip, wenngleich mit anderen Dimensionen und Mengenverhältnissen, wird das zuvor im Dreiphasenseparator abgetrennte Lagerstättenwasser behandelt.

Einsatz von CFD-basiertem 3D-Design

Verschiedene Designs der Einlaufverteiler im Verweiltank
Verschiedene Designs der Einlaufverteiler im Verweiltank. (Bild: VTU Engineering)

Genau hier setzt die Computational-Fluid-Dynamics-Simulation (CFD) an. Mithilfe der Strömungssimulation lassen sich Bauteile entwerfen, die es ermöglichen, die Verweilzeit des Phasengemischs im Tank zu maximieren. Das Wasser-Öl-Gemisch aus dem Separator wird dem zweiten Tank, dem Lagerstättenwassertank, zugeführt. Es wird dabei schonend über zwei um 180° versetzte Einlaufverteiler eingeleitet. Diese Verteiler zielen darauf ab, möglichst laminare Strömungsverhältnisse einzustellen, um Turbulenzen und daraus resultierende Kurzschlussströme im Tank zu vermeiden. Das Ziel ist, sich bestmöglich der maximal möglichen Verweilzeit anzunähern.

Geschwindigkeitsprofile und Stromlinien für unterschiedliche Designs der Einlaufverteiler
Geschwindigkeitsprofile und Stromlinien für unterschiedliche Designs der Einlaufverteiler. (Bild: VTU Engineering)

Die Einlaufverteiler sind für den Tank optimal ausgelegt, wodurch errechnete Verweilzeiten von bis zu zwei Tagen erreicht werden können. Dies reicht aus, um das im Wasser noch enthaltene Rohöl aufsteigen zu lassen, welches dann ebenfalls an der Flüssigkeitsoberfläche über starre Überlaufrinnen abgezogen wird. Das Lagerstättenwasser wird wieder zurück in die Lagerstätte gepumpt. Ein Teil des Gases wird als sogenanntes Liftgas verwertet und in die Fördersonden als tertiäres Hilfsmittel für die Rohölförderung zurück injiziert. Der andere Teil des Gases wird zur Energiegewinnung in einem Blockheizkraftwerk als Brenngas genutzt.

Innenansicht der Doppelwand in der Planung und nach der Errichtung
Innenansicht der Doppelwand in der Planung und nach der Errichtung. (Bild: VTU Engineering)

VTU Engineering beschäftigt sich schon seit Längerem mit der CFD-optimierten Planung von Prozessanlagen im 3D-Design. Dies betrifft sowohl einzelne Bauteile, wie hier die Tanks, als auch ganze Anlagen mitsamt 3D-Rohrführungsverläufen. In einer virtuellen Begehung – etwa mithilfe von VR-Brillen – können so einfach und schnell Problemstellen identifiziert und beseitigt werden. Auch in diesem Projekt wurde so vorgegangen. Zusätzlich zum positiven Effekt der Visualisierung können die 3D-Modelle auch für Iterationen der CFD-Simulationen herangezogen werden.

Beide Tanks werden vollständig aus Edelstahl gefertigt und als Behälter mit begehbarem Doppelmantel ausgeführt, welcher das zum sicheren Betrieb erforderliche Auffangvolumen zur Verfügung stellt. Insgesamt wurden im Öltank rund 90 t, im Lagerstättenwassertank über 190 t Edelstahl verbaut. Davon besteht jeweils mehr als die Hälfte aus korrosionsbeständigem Duplex-Edelstahl. Die Tanks inklusive des verzinkten Begehungsstahlbaus wurden zeitgleich innerhalb von etwa zehn Monaten errichtet. Da der Tank und die Verrohrung als 3D-Modell vorlagen, konnte das Design bereits frühzeitig mit dem gesamten Fachpersonal angepasst und optimiert werden.

Die Errichtungsphase

 Bewehrung des Ringfundaments des Lagerstättenwassertanks
Bewehrung des Ringfundaments des Lagerstättenwassertanks (Fundament-Außendurchmesser 23,6 m). (Bild: VTU Engineering)

Im April 2020 wurde mit der Errichtung der beiden Tanks begonnen. Dazu musste zunächst ein Fundament von circa 210 m³ beziehungsweise 130 m³ Stahlbeton je Tank errichtet werden, auf welche im Anschluss die Tanks gesetzt wurden. Die Komponenten der Tanks, in Österreich vorgefertigt, wurden einzeln transportiert und schließlich vor Ort montiert und verschweißt. Bei der Ausführung fiel die Entscheidung zugunsten von Edelstahl aus, welcher zwar eine finanziell höhere Belastung als Schwarzstahl mit anschließender Beschichtung darstellt, jedoch eine deutlich vereinfachte Wartung erlaubt. Nach einer Planungs- und Bauzeit von etwa zwei Jahren kann die Anlage voraussichtlich ab Mitte 2022 ihren Dienst leisten.

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