Turnkey-Prozessanalysentechnik überwacht Korrosivität

Gaschromatograf und Sauerstoffsensorik auf Bohr- und Förderinsel

07.05.2020 Sicherheit und Umweltschutz stehen bei der Ölförderung ganz oben. Dies zeigt ein Blick auf Deutschlands derzeit einzige Offshore-Erdölbohr- und -förderinsel Mittelplate. Dort überwacht ein Analysensystem die Korrosivität des Erdölbegleitgases.

Entscheider-Facts

  • Erdölbegleitgas enthält korrosiv wirkende Gase. Diese können in höherer Konzentration bei Edelstählen zu Spannungsrisskorrosion führen.
  • Auf der Bohr- und Förderinsel Mittelplate wird dieses mit einer maßgeschneiderten Prozessanalyse-Lösung überwacht.
  • Eine isokinetische Messgasentnahmesonde sorgt für eine kontinuierliche und repräsentative Probennahme in der Begleitgasleitung.

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Die Offshore-Erdölbohr- und -förderinsel Mittelplate im Wattenmeer. Bild: Wintershall Dea Deutschland

Seit mehr als 30 Jahren wird auf Mittelplate am südlichen Rand des Nationalparks Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer Erdöl gefördert. Es wurde anfangs mit speziell konstruierten Schiffen zur Küste transportiert, seit 2005 dann durch eine etwa zehn Kilometer lange Feldleitung aus Edelstahl. Der Standort der Förderinsel auf einer Sandbank im Nationalpark hat dafür gesorgt, dass dort strengste Umweltschutz- und Sicherheitsvorschriften gelten. Deren strikte Einhaltung ist auf der Mittelplate von Beginn an gelebter Alltag.

Nahezu kontinuierliches Monitoring zum Schutz vor Spannungsrisskorrosion

Das geförderte Öl-Wasser-Gemisch wird noch auf der Förderinsel in Separatoren getrennt. Das nicht zum Antrieb der dortigen Gasturbine genutzte Gas wird komprimiert und in die Feldleitung zur Landstation injiziert, dort erneut separiert und weitergeleitet. Es enthält über 60 % Methan, rund 25 % leichte Kohlenwasserstoffe (C2-C4) und etwa 6 % Stickstoff, außerdem geringe Anteile korrosiv wirkender Gase wie Kohlendioxid, Sauerstoff sowie schwefelhaltige Gase. Diese können in höherer Konzentration bei Edelstählen zu Spannungsrisskorrosion führen. Leckagen, bei denen Öl und Gas austreten würden, könnten Sicherheit und Umwelt gefährden. Die Überwachung der Rohrleitungen hat deshalb oberste Priorität.

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Der Analysencontainer bei der Anlieferung auf der Mittelplate. Bild: Wintershall Dea Deutschland

Behördliche Auflagen sehen vor, dass das Begleitgas regelmäßig auf seine Korrosivität untersucht wird. Dies geschah bis zum Aufbau des Analysencontainers halbjährlich durch eine manuelle Messung. Das reichte der Wintershall Dea Deutschland als Betreiber nicht. „Die Zusammensetzung des Begleitgases kann sich – abhängig vom Förderregime und den Bedingungen bei der Separation – kurzfristig ändern. Deshalb wollten wir eine engmaschige Überwachung etablieren“, erklärt Fabian Ehlers, Elektroingenieur im Förderbetrieb Holstein der Wintershall Dea Deutschland. „Aufbau einer Analysenmesseinrichtung zur Detektion von edelstahlkorrosionsverantwortlichen Komponenten“ lautete seinerzeit der etwas sperrige Projekttitel.

Schon 2012 wurde ein gasanalytisches System zu diesem Zweck beauftragt und auf der Mittelplate installiert. Diese UV-fotometrische Lösung hat allerdings die Erwartungen an Funktionalität und Zuverlässigkeit nie erfüllen können. 2015 unternahm der Betreiber daher einen zweiten Anlauf. Eine Kombination aus Gaschromatografie und elektrochemischer Sauerstoffmessung sollte die analytische Aufgabe zuverlässig erfüllen. „Es war uns wichtig, eine Komplettlösung aus einer Hand zu erhalten, die alle Anforderungen abdeckt“, beschreibt Ehlers das Ziel.

Passgenaue Lösung musste her

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Analysencontainer und Reserve-Wasserstoffversorgung (links im Anbauschrank) am endgültigen Standort. Bild: Wintershall Dea Deutschland

„Wir kamen damals als einer von mehreren möglichen Anbietern für die Analysenlösung in Betracht“, erinnert sich Werner Worringen, Marketingmanager Analytical Solutions bei Yokogawa. Erste Vorgespräche führten rasch zu einem Vor-Ort-Termin auf der Mittelplate im Sommer 2015. Dort beeindruckte seinen Kollegen Sascha Gölz, Service Engineer Analytical Solutions, zunächst die räumliche Enge. „Mir wurde rasch klar, dass wir einen möglichst kompakten, maßgeschneiderten Container brauchen würden, der zudem rauen Umgebungsbedingungen gewachsen sein müsste“, sagt er. Als dann bereits wenige Wochen später ein detailliertes, auch vom Kostenrahmen her attraktives Gesamtangebot auf dem Tisch lag, war Ehlers zunächst überrascht: „Yokogawa hat eine passgenaue Lösung entwickelt und dabei auch eigene Ideen eingebracht – ein Lieferant, der zuhört und mitdenkt. Das hat uns letztlich überzeugt.“ Gölz betont: „Das war natürlich eine Teamleistung, zu der auch unsere Partnerunternehmen maßgeblich beigetragen haben.“

Noch im gleichen Jahr wurde der Auftrag erteilt, einen Analysencontainer mit einer Grundfläche von nur knapp sechs Quadratmetern zu bauen. Im Mai 2016 wurde dieser per Schiff zur Förderinsel transportiert und aufgestellt. Ein Gaschromatograf des japanischen Unternehmens bildet – zusammen mit dem Sauerstoff-Messgerät und dem vorgeschalteten Kompressor-Messgaskühler – das analytische Herzstück.

„Ganz wesentlich zum Erfolg hat es beigetragen, dass wir – entgegen der ursprünglichen Ausschreibung – den Container nicht aus speziell korrosionsgeschütztem Stahl, sondern aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff bauen ließen“, erklärt Gölz. Damit entfielen komplizierte und teure Schweißarbeiten auf der Mittelplate beim Befestigen des Containerdachs, das aus Platzgründen vor der Installation abgenommen werden musste. „Wir hatten nur wenige Zentimeter Spielraum in der Höhe“, erinnert sich Ehlers. Der Container war leichter als die Stahlvariante und musste nicht aufwendig beschichtet werden. In das Dach des Containers integrierte Plattenwärmeüberträger, die an einen auch für den Schaltraum der Förderinsel genutzten Kühlkreislauf angeschlossen werden konnten, machen eine elektrisch betriebene Klimaanlage unnötig. „Das bringt weitere Kostenvorteile in Anschaffung und Betrieb und erspart Investitionen in den Ex-Schutz“, erläutert Worringen. Zusätzlich sind in dieses Dach ein Heizelement und die Luftzuführungen für die Überdruckbelüftung eingebaut.

Exakte Messwerte im Vier-Minuten-Takt

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Schematische Darstellung des Analysencontainer-Inventars. Bild: Yokogawa Deutschland

Eine isokinetische Messgasentnahmesonde sorgt für eine kontinuierliche und repräsentative Probennahme in der Begleitgasleitung. Das Gas wird über eine beheizte Leitung dem Container zugeführt. Das Analysensystem ging im Oktober 2016 in Betrieb und ist mit dem Leitsystem von Typ Centum VP verbunden, dem zudem eine sicherheitsgerichtete Steuerung Prosafe RS zur Seite steht. Es liefert ungefähr alle vier Minuten exakte Messwerte. Auch im mehrjährigen Betrieb in der küstennahen Offshore-Umgebung hat sich die Analyseneinheit bewährt. Sie wird zweimal jährlich routinemäßig gewartet, was vor allem die Filterelemente der Probenaufbereitung und die elektrolytische Wasserstofferzeugung für den flammenfotometrischen Detektor (FPD) betrifft.

Da letztere nicht redundant ausgelegt ist, stehen in einem Anbauschrank des Containers als Backup-Lösung zwei 50-l-Druckgasflaschen bereit, die einen Weiterbetrieb für jeweils ca. drei Wochen ermöglichen. „Auch dies war ein Vorschlag von Yokogawa. Wegen der damit verbundenen logistischen Anforderungen haben wir ihn zunächst kritisch betrachtet. Er hat sich aber als nützlich erwiesen, wenn der Wasserstoffgenerator tatsächlich einmal ausfällt“, erläutert Ehlers. Im Rahmen der Wartungseinsätze wird außerdem die GC-Messung mit Standard-Gasmischungen rekalibriert. Die eingesetzten gepackten Säulen sind sehr robust und tun schon seit mehr als drei Jahren ihren Dienst. Abseits der Vor-Ort-Einsätze kann Gölz via VPN-Zugang nach Autorisierung auf die Analyseneinheit zugreifen. „So lassen sich kleinere Probleme zusammen mit dem Betriebspersonal rasch und einfach lösen – ohne die aufwendige Anreise“, erklärt er.

Kontinuierlich verbessert und erweitert

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Vorbesprechung zu einem Wartungseinsatz auf der Mittelplate: Sascha Gölz, Fabian Ehlers und Werner Worringen (v.l.). Bild: Dr. Th. Schmidt

„Auch an einem funktionierenden System kann man immer noch etwas verbessern“, räumt Gölz ein. So waren im Bereich der Probenaufbereitung zunächst pneumatische Steuerleitungen aus Teflon installiert, was bei der normalen Betriebstemperatur von 85 °C unproblematisch ist. Allerdings wurden diese Verbindungen inzwischen gegen Metallleitungen ausgetauscht, um auch höhere Temperaturen unbeschadet überstehen und Undichtigkeiten noch zuverlässiger vermeiden zu können. Auch die Temperaturregelung wurde weiter verbessert.

Eher störend war der Geräuschpegel, den die aus Gründen von Arbeitssicherheit und Anlagenschutz erforderliche Überdruckbelüftung im Container verursacht. „Auch wenn – außer mir bei der Wartung – kaum jemand für längere Zeit im Container arbeiten muss, haben wir dafür eine Lösung gefunden“, sagt Gölz. Ein zusätzlicher, in der Luftzuführung installierter Druckminderer wird hier demnächst Abhilfe schaffen.

Kürzlich wurde auf der Mittelplate außerdem ein Kombiverdichter in Betrieb genommen. Dieser kann die Begleitgas-Druckstufen sowohl für den Turbinenbetrieb als auch die Reinjektion in die Feldleitung bereitstellen. Die separate Gasversorgung dieses Strangs soll künftig ebenfalls von dem bewährten Analysensystem überwacht werden. Dazu wurde bereits eine zweite Probennahmevorrichtung installiert, die dann – je nach Betriebszustand – vom Leitsystem aktiviert und gesteuert werden kann. „Das Analysensystem hat uns überzeugt – von der Konzeption bis hin zum inzwischen mehrjährigen Dauerbetrieb. Es ist beeindruckend, wie robust eine derart empfindliche Messanordnung sein kann“, fasst Ehlers seine Erfahrungen zusammen.

Heftausgabe: Mai 2020

Über den Autor

Dr. Thomas Schmidt, Redaktionsbüro für Wirtschaft, Wissenschaft und Technik
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