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Wireless Anlagen für Leistungsverbesserung modernisieren

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04.10.2012 Die meisten Anlagen wurden vor Jahren mit der Mindestanzahl an erforderlichen Messinstrumenten zur Anlagenüberwachung und -regelung errichtet. Eine Verbesserung der Anlagenauslastung und der Energieeffizienz, die Senkung von Instandhaltungskosten und von Zwischenfällen in den Bereichen Sicherheit und Umweltschutz erfordern zusätzliche Messpunkte.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Wireless Hart wird eingesetzt, um zusätzliche Messgeräte zur Modernisierung einer Anlage zu installieren, ohne den laufenden Betrieb zu stören.
  • Eine neue Software zur Überwachung von Wärmeübertragern misst die Eintritts- und Austrittstemperaturen der heißen und kalten Flüssigkeit mit kabellosen Einfach- oder Mehrfachsensoren an jedem Wärmeübertrager.
  • Die Rohdaten dieser Messungen werden über ein Wireless Gateway an die Asset Monitoring Software und die Data-Historien der Anlage übertragen und gemeinsam mit dem Durchfluss dazu genutzt, verschiedene Parameter zu berechnen.
  • Die Wireless Pumpenzustandsüberwachung erkennt Probleme an Pumpen und gibt sie an das Bedienpersonal weiter, so dass rechtzeitg eingegriffen werden kann.
  • Mit Wireless-Hart-Messumformern ist es problemlos möglich, diese Pakete zur Überwachung der Anlagenausrüstung im laufenden Betrieb einzusetzen.

Dieser Beitrag zeigt einige allgemeine Anwendungen zur Überwachung der Anlagenausrüstung für die Energieeffizienz, für höhere Verfügbarkeit und geringere Instandhaltungskosten auf, die mit vorinstallierten Paketen erreicht werden und erklärt, wie Wireless Hart eingesetzt wird, um zusätzliche Messgeräte zur Modernisierung einer Anlage zu installieren, ohne den laufenden Betrieb zu stören.

Wichtige Anlagenausrüstung
Kritische Ausrüstung wie teure Kompressoren und große Pumpen wird bereits durch Schutzsysteme überwacht. Aufgrund der hohen Kosten traditioneller Maschinenschutz- und Ausrüstungsüberwachungssysteme wurden wahrscheinlich nicht alle Anlagenkomponenten mit Überwachungssystemen ausgestattet. Viele der nicht überwachten Komponenten sind immer noch zentraler Bestandteil des Betriebes. Diese „Komponenten der zweiten Reihe“ werden in der Regel periodisch und von Hand vor Ort überprüft. Ursprünglich mögen diese Geräte und Maschinen redundant ausgeführt gewesen sein, doch durch späteres Beseitigen von Engpässen und Erweiterungen können ehemalige Ersatzkomponenten in den kontinuierlichen Betrieb übernommen worden sein. Monatliche manuelle Messungen reichen nicht aus, um entstehende Probleme zu erkennen, da die Prozessbedingungen oft zu Gerätestörungen führen. Unerwartete Gerätestörungen haben wiederum Prozessstörungen und möglicherweise unsichere Prozessbedingungen zur Folge. Ein Ausfall kann möglicherweise zu schweren Schäden an der Ausrüstung führen.
Das Überwachen der Ausrüstung erfordert zusätzliche Messungen, die Kosten für die Instrumente hierfür sind jedoch selten in der Original-Anlagenkalkulation enthalten. Das Risiko einer Störung der laufenden Anlage beim Verlegen der Kabel, beim Öffnen der Kabeltrassen und bei der Neuverkabelung der Anschlussklemmen ist hoch; daher werden Verbesserungen nicht in Angriff genommen. Wireless-Hart-Instrumentierung reduziert das Risiko deutlich, da durchgängige Multi-drop-Verbindungen, redundante Kommunikationswege und die Mesh-Topologie alle Kabel überflüssig machen.

Überwachung von Wärmeübertragern
In einer Raffinerie ist die erste Herausforderung für den Betrieb der Rohöl-Einheit, dass sich auf den heißen Flächen vorgeschalteter Wärmeübertrager Asphalte oder Salze ablagern, so dass die Wärmeübertragung leidet. In der Folge muss ein nachgeschaltetes Heizgerät den Wärmebedarf des Prozesses erzeugen; dies führt zu höheren Energiekosten. Erreicht das Heizgerät seine maximale Kapazität, muss der Durchsatz verringert werden, um die geforderte Temperatur zu erreichen; dies hat eine geringere Auslastung der Einheit zur Folge.
Die Reinigung des Wärmeübertragers ist oft nicht praktikabel, da sie in der Regel einen Prozessstillstand erfordert. Ist der Wärmeübertrager stark verschmutzt ist, kann es sogar notwendig sein, ihn mit Hilfe eines Krans auszubauen und ihn zum Entfernen des Kokses aus der Anlage zu entfernen. Daher sollte ein Wärmeübertrager unter Berücksichtigung dieser Faktoren zu einem optimalen Zeitpunkt gereinigt werden. Heute kennen Anlagenbetreiber in der Regel nicht die Verschmutzungsrate für jeden Wärmeübertrager. Manuelle Messungen heißer Flüssigkeiten sind an aufeinander stehenden Wärmeübertragern schwierig und zeitaufwendig durchzuführen. Daher sind sich Anlagenbetreiber der beschleunigten Verschmutzung nicht bewusst. Der Mangel an Informationen verhindert Entscheidungen und Planung sowie eine Wahl zwischen den Kosten für eine Reinigung und den Kosten für zusätzlichen Brennstoff.
Ein zweites Problem in der Praxis ist, dass die Heizflüssigkeit aus dem verschmutzten Wärmeübertrager in den nächsten fließt, allerdings mit einer höheren Temperatur als die, für die der Wärmeübertrager ausgelegt ist. Dies kann zu Schäden führen. Und wenn der Wärmeübertrager stark verschmutzt ist, kann Verstopfung, sogenanntes „Plugging“, die Flüssigkeiten daran hindern durchzufließen.

Kosten werden abgewogen
Das Wartungspersonal benötigt mindestens einmal täglich die Leistungsdaten des Wärmeübertragers, um rechtzeitig Fouling zu analysieren und die Instandhaltung planen zu können. Der einzig praktikable Ansatz ist, die Wachstumsrate des Foulings in jedem einzelnen Wärmeübertrager zu überwachen. Die neue Lösung misst die Eintritts- und Austrittstemperaturen der heißen und kalten Flüssigkeit mit kabellosen Einfach- oder Mehrfachsensoren an jedem Wärmeübertrager. Die Rohdaten dieser Messungen werden über ein Wireless Gateway an die Asset Monitoring Software und die Data-Historien der Anlage übertragen und gemeinsam mit dem Durchfluss dazu genutzt, die Wärmeleistung, die durchschnittliche Wärmeleistung, den Wärmeleistungsfehler, den beobachteten und korrigierten Wärmeübertragungskoeffizienten, den Fouling-Faktor und andere Werte der warmen und der kalten Seite zu berechnen. Die Software ermittelt für alle betrachteten Wärmeübertrager den Rückgang der Wärmeübertragungsleistung über die Zeit.
Die Software trägt diese Informationen noch weiter. Sie informiert, wenn der Wärmeübertrager eine Reinigung benötigt: Sie wägt die Kosten des Brennstoffs für das nachgeschaltete Heizgerät gegen die Kosten für Abschaltung und Reinigung ab.
High-Alarme aus diesen neuen Temperaturmessungen warnen, wenn ein Wärmeübertrager sich seinen Auslegungsgrenzen nähert. Durch das zusätzliche Messen des Druckabfalls auf der warmen und der kalten Seite über den Wärmeübertrager lässt sich frühzeitig erkennen, ob sich eine Verstopfung entwickelt.
Das Überwachen von Wärmeübertragern durch kabellose Messgeräte kann eingesetzt werden, um Aktionen einzuleiten, die Energieverluste reduzieren und verhindern, dass sich der Durchfluss verringert. Stillstandzeiten für die Wartung werden durch ein Optimieren der Reinigungsvorgänge verkürzt. Die Wartung spart durch das Vermeiden unnötiger Reinigungs- und Chemikalienentsorgungskosten. Schäden durch Überhitzung an Wärmeübertragern lassen sich vermeiden. Schwere Verstopfungen können verhindert werden, so dass Kosten für die Entkokung gar nicht erst entstehen.

Überwachung des Pumpenzustands
In einer Anlage können mehr als hundert Pumpen installiert sein, und an jeder Pumpe können zahlreiche Probleme auftreten. Ein erstes Problem der Pumpe verursacht häufig ein zweites und kann dazu führen, dass eine Einheit oder die gesamte Anlage abgeschaltet werden muss.
Ein verstopfter Saugkorb vor der Pumpe erzeugt einen Saugdruckabfall, der Kavitation verursachen kann. Kavitation kann auch durch hohen Förderdruck aufgrund eines fast geschlossenen Ventils im Auslauf auftreten, das einen geringen Durchfluss regelt. Dadurch entsteht ein interner Rückfluss über das Laufrad, der die Prozessflüssigkeit aufheizt. Diese kann möglicherweise verdampfen und Kavitation erzeugen. Vielleicht hat ein Bediener versehentlich den Sollwert auf niedrigen Durchfluss eingestellt, ohne sich bewusst zu sein, dass dies Kavitation verursacht. Kavitation beschädigt das Flügelrad, was wiederum eine Unwucht des Rotors und Vibration zur Folge hat.
Durch Vibration entstehen noch weitere Probleme. Sie kann auch durch falsches Ausrichten der Welle des Pumpenmotors verursacht werden, durch verschlissene Lager aufgrund unzureichender Schmierung, durch gebrochene oder lose Schrauben und aus anderen Gründen. Vibration führt zu übermäßigem Verschleiß der Lager und schließlich zum Ausfall der Pumpe, verursacht dadurch tagelange Instandsetzungsarbeiten, teure Reparaturen und Ausfallzeiten. Vibration erhöht auch die Beanspruchung der Pumpendichtungen; dies hat schließlich das Versagen dieser Dichtungen und den Austritt der Prozessflüssigkeit zur Folge. Aufgrund leckender Dichtungen muss möglicherweise die Produktion unterbrochen werden, es kann zu Emissionen, Säuberungsaktionen und sogar zu Bränden kommen.
Schlechte Schmierung kann in Lagern zu Überhitzung und eventuell zu Versagen führen. Ebenso verursachen ein blockierter Rotor, Überlast, zu hohe Umgebungstemperatur, Spannungsungleichgewichte, zu hohe bzw. zu niedrige Spannung oder eine blockierte Lüftung übermäßige Temperatur der Motorwicklung, die diese dauerhaft beschädigen kann, die Standzeit der Pumpe verkürzt und eine totale Zerstörung der Isolation  und einen Motorausfall zur Folge haben kann. Bei weniger kritischen Pumpen wird die Vibration in der Regel manuell mit einem Vibrationstester im Feld durchgeführt. Allerdings wird die manuelle Kontrolle nicht häufig genug durchgeführt, um drohende Pumpenausfälle zu erfassen. Pumpen im intermittierenden Betrieb werden meist gar nicht überprüft, wenn sie während der Inspektion des Betriebspersonals nicht arbeiten.
Die einzige Möglichkeit ist, die Pumpe und ihre Nebenaggregate automatisch zu überprüfen. Dieser neue Ansatz misst eine Anzahl von Elementen an der Pumpe:
Ein Wireless Vibrationsmessgerät mit zwei Sensoren und Peakvue Vibrationsmessung (Spitzenbeschleunigung) erkennt Schwingungen, die verschiedene Ursachen haben können. Messungen der Gesamtvibration (Geschwindigkeit) erkennen diese Probleme viel später.
Ein Wireless Differenzdruck-Messumformer misst den Druckabfall über die Saugkörbe, wo dies vorgesehen ist.
Bei Druckdichtungen misst ein
Wireless Druckmessumformer den Druck der Sperrflüssigkeit und erkennt unzureichende Druckbeaufschlagung. Bei drucklosen Dichtungen erkennt er Druckanstieg durch die Leckage der Innendichtungen, so dass die Prozessflüssigkeit in ihren Spülbehälter eintritt, wenn die gepumpte Prozessflüssigkeit bei Atmosphärendruck verdampft.
Zwei Wireless-Niveauschalter überwachen den hohen Füllstand der Sperrflüssigkeit in ihrem Behälter und erkennen dadurch Leckagen der Innendichtung. Durch ein niedriges Niveau erkennen sie eine Undichtigkeit in der äußeren Dichtung.
Ein Kohlenwasserstoff-Sensor in der Ölwanne oder in der Umgebung der Pumpe mit einem Wireless Digitaleingang-Messumformer erkennt Kohlenwasserstoff-Leckagen.
Ein Wireless Temperaturmessumformer mit vier Eingängen misst die Temperaturen von Lagern und Motorwicklungen.
Nicht alle Pumpen benötigen alle diese Messpunkte. Pumpenzustandspakete können an jede Pumpe in der Anlage angepasst werden. Die Rohdaten der Messungen aller wesentlichen Pumpen werden über das Wireless Gateway zur Trendsoftware kommuniziert. Die Software trägt diese Informationen noch weiter: Durch sie erfährt das Anlagenpersonal über den nicht ordnungsgemäßen Zustand der Pumpe und stellt die Grundlage für Entscheidungen dar.
So erkennt die Wireless Pumpenzustandsüberwachung die Verstopfung von Saugkörben zu einem frühen Zeitpunkt, so dass das Problem beseitigt werden kann, bevor Saugkavitation einsetzt. Der Alarm muss auch den Bedienern, nicht nur dem Wartungspersonal angezeigt werden. Leckagen der Dichtungen für die Prozessmedien oder die Spülflüssigkeiten werden früh erkannt und können behoben werden. Das frühe Erkennen von Kohlenwasserstoff-Leckagen kann den Umfang der Verunreinigung in Grenzen halten. Die Überhitzung von Motorwicklungen wird erkannt, bevor diese beschädigt werden.

Schlanke Wireless Infrastruktur
Obwohl die neuen Messpunkte in das Leitsystem integriert werden können, geschieht dies oft nicht, weil die Anzahl der Messstellenkennung einen höheren Wert erfordern würde. Statt dessen übernimmt die Asset Monitoring Software die Daten. Diese Software vereint mehrere Messungen für komplexe Analysen. Mit Wireless-Hart-Messumformern ist es problemlos möglich, diese Pakete zur Überwachung der Anlagenausrüstung im laufenden Betrieb einzusetzen, denn es besteht keine Notwendigkeit, Kabel neu zu verlegen, Kabeltrassen zu öffnen oder Anschlussklemmen neu zu verkabeln. Sobald das erste Wireless-Hart-Gateway in Betrieb ist, können Messumformer nach Bedarf hinzugefügt werden, um auch Gebläse, Kompressoren, Kühltürme oder Heizgeräte zu überwachen und in Zukunft Messuhren und andere mechanische Messgeräte ersetzen
Auch ältere Anlagen können modernisiert werden, um mit zusätzlichen kabellosen Messwerten und Informationen die Auslastung der Prozesseinheiten (Stillstände und Verzögerungen reduzieren) und die Energieeffizienz zu verbessern, Wartungskosten zu senken sowie Risiken bei der Sicherheit und im Umweltschutz zu vermeiden.n

 

Heftausgabe: Oktober 2012

Über den Autor

Jonas Berge, Direktor Applied Technology, Emerson Process Management
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