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Erste fernbediente, vollautomatisierte Verdichterstation fur Ethylen in Deutschland

Joachim Borner, Rainer Braun und Walter Nieding"

Die Hoechst Aktiengesellschaft betreibt seit 1968 eine Ethylen-Pipeline von Koln nach Frankfurt/M. Die Forder- kapazitat dieser Leitung muI3te von 250 000 t/Jahr auf 350000 t/Jahr gesteigert werden. Dazu wurde 1978 eine ferngesteuerte, vollautomatisierte Ethylen-Zwischenver- dichterstation in Betrieb genommen. Die unbemannte Sta- tion wurde mit den Neben- und Sicherheitsanlagen auf einem neuerschlossenen Gelande errichtet und wird von der etwa 80 km entfernten MeDwarte aus betrieben und uberwacht. Die Verdichtung erfolgt durch 2 parallelgeschaltete Kolben- kompressoren mit je 50% Stationsfordermenge. Besonderer Wert wurde auf das Sicherheitskonzept der Station gelegt. Alle fur die Sicherheit und eine eventuelle Handfahrweise notwendigen Verriegelungen sind in einer festverdrahteten Handebene zusammengefant. Die An- und Abfahrprogramme befinden sich in einer freiprogrammierbaren Steuerung. Derartige Stationen konnen fur unzugangliche Gebiete aus vorgefertigten Einzelelementen hergestellt werden.

First remote-controlled, fully automated ethylene compres- sor plant in Germany. The Hoechst company has been operating an ethylene pipeline between Cologne and Frank- furt-am-Main since 1960. The capacity of this pipeline had to be increased from 250 000 tja to 350 000 t/a, and this is why a remote-controlled fully automated ethylene intermediate compressor came into operation in 1978. The unmanned station was constructed as a grass roots project with ancillary and safety displays and is controlled and monitored from an 80-km distant control desk. Compression is by two piston compressors arranged in parallel, with each one accounting for 50% of the throughput capacity. Particular attention was paid to the safety concept of the station. All interlocking systems necessary and possible manual operations are permanently wired. The start-up and shut-down programs are located in a freely programmable control system. Such stations can be constructed from prefabricated units in inaccessible areas.

1 Aufgabe und Aufbau der Station Nenndruck 64 von Koln nach Frankfurt, s. Abb. 1. Sie wurde ausgelegt fur eine Fordermenge von 31 t/h G 250 000 t/Jahr.

Die Hoechst Aktiengesellschaft betreibt seit 1968 eine 156 km * Ing. J. Borner, Dr. R. B r a i n und Ing. W . ~ i ~ d i ~ ~ , ~~~~h~~

lange Ethylen-Pipeline mit der Nennweite 250 und dem

488

Aktiengesellschaft, Postfach 800 320, 6230 Frankfurt/M. 80.

Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) Nr. 6, S. 488-491 0 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim 1980 0009-286X/80/0606-0488$02.50/0

Die unterkritische Betriebsweise bis 48 bar war dafur die wirtschaftlichste Losung. 1978 muljte die Transportkapazitat auf350000 t/Jahrerhoht werden, da sich die BASF Aktiengesellschaft durch den Bau einer Leitung von Ludwigshafen/Rh. nach Frankfurt/M. an die vorhandene Leitung anschloB.

BRD

F hnfnn

Abb. 1. Erhylen-Pipelines

Diese Transportkapazitatserhohung konnte aufgrund der technischen Daten der Leitung und des kritischen Drucks von Ethylen (50 bar. 1 O T ) nur durch eine Zwischenverdichter- station (ZVS) erreicht werden, die in Ransbach-Baumbach errichtet wurde. Die Zwischenverdichtung des Ethylens von 10 auf 48 bar erfolgt durch zwei parallel arbeitende. olfrei verdichtende, druckfest gekapselte Kolbenkompressoren mit einer Forder- leistung von je 50% der Stationsfordermenge. Die Verdichter arbeiten zweistufig. Gas-Zwischen- und -Nachkuhlung erfol- gen durch Luftkuhler. Elektromotoren von je 1400 kW treiben die Kompressoren an. Die Anlage besteht aus einer geschlossenen Kompressoren- halle und einem separaten Betriebsgebaude, in dem sich die Elektroschaltriiume. MeBwarte. Heizung. Drucklufterzeu- gung, Werkstatt. Ersatzteillager und Sozialraume befinden. Die geschiossene Bauweise wurde gewahlt zum Schutz der hochwertigen Einrichtungen vor Witterungseinflussen und vor Einwirkungen durch Unbefugte. Gleichzeitig wird damit eine gute Schalldiimpfung erzielt. Zusiitzlich wurden die Druckreduzierventile, Antriebsmotoren usw. in schallge- dampfter Ausfihrung gewiihlt. Auch bei den aufierhalb der Gebaude aufgestellten Einrichtungen muBte auf Schalldamp- fung groljer Wert gelegt werden. Die getroffenen Maljnah- men fiihrten zu einem guten Ergebnis. AuBerhalb der Gebaude befinden sich Gas-Zwischen- und -Nachkuhler sowie die Wasserkuhler zur Kuhlung des Kuhlwassers der Kompressoren. die alle Luftkuhler sind. Fur Spulvorgange steht eine Flussigstickstoff-Anlage zur Verfu- gung. Eine Bodenfackel mit 2 t/h Verbrennungsleistung verbrennt rauchfrei das bei betrieblich vorkommenden Entspannungsvorgangen anfallende Ethylen. Darin inte- griert ist eine Brennkammer. die das vor und nach Reparatu- ren in der Anlage befindliche Stickstoff/Ethylen-Gemisch umweltfreundlich verbrennt. Fur Notfaile gibt es ein Notfackelsystem. das beim Anspre- chen von Sicherheitsventilen oder im Not-Aus-Fall bis zu 25 t Ethylen/h verbrennen kann. Da dieses System als reines Notsystem vorgesehen ist, wurde in Kauf genommen. daB die Abgase nicht rauchfrei sind.

2 Fernbedienung und Automation

Eine bediente Station hatte eine Bedienungsmannschaft von 10 Personen erfordert. Die Mehrinvestitionskosten fur eine ferngesteuerte, vollautomatisierte Station gegenuber einer bedienten Station betrugen ca. 700 000 DM bei einer Gesamt- investition von ca. 11,5 Mio DM. Die Rucklaufzeit f i r die Mehrinvestition der Automation betragt ca. 1.5 Jahre. Die Vollautomatisierung der Station sieht vor. daB samtliche An- und Abfahrvorgange. aber auch samtliche sicherheits- und betriebsmaBigen Schaltungen selbsttiitig erfolgen, wobei im Normalfall alle zum Betrieb der Station notwendigen Eingriffe von der Zentrale aus vorgenommen werden. Andererseits werden samtliche betriebswichtigen MeDwerte, Zustandsmeldungen sowie alle Stormeldungen in die Zentra- le zuruckubertragen. Einer der Schwerpunkteder Automatisierung 1st das automa- tische An- und Abfahren der Station.

2.1 Anfahren der Station

Normalerweise wird die Station, s. Abb. 2, nur in Betrieb genommen. wenn beabsichtigt ist, eine groRere Menge zu fordern, als uber die Pipeline ohne ZVS gefordert werden

I I I K I

J 1 stute 2 Stufe

Abb. 2. GrundflieBbild der Ethylen-Zwischenverdichter-Station.

kann. Das fiihrt in der Praxis dam, daB die Station uber Iangere Zeitraume nicht betrieben wird. Dieser Betriebszu- stand ist als ,.Ruhezustand" definiert. Die Station wird dabei unter einem Uberdruck von ca. 8 bar gehalten. Leckverluste werden durch ein fernbedienbares Fiillventil ausgeglichen, das bewuBt nicht automatisiert wurde. sondern manuell bedient werden muB. Hierdurch wird das Bedienungspersonal in der Zentrale gezwungen, die Station auch in diesem Betriebszustand unter Kontrolle zu halten. Verandern sich die Nachfiillintervalle. 1aBt dies auf eine erhohte Leckrate schlieBen. Mit einem Startbefehl wird die Taktkette T 1 ausgelost, die die Station in den sog. ,.Bereitschaftszustand" versetzt (Abb. 3). Dieser Programmteil enthalt das Vorschmieren und -warmen der Verdichter. das Testen der Fackelsysteme sowie ein Anheben des Stationsdruckes auf ca. I3 bar. Der Bereitschaftszustand ist gewissermaBen die Vorstufe fur den Verdichterbetrieb. Dieser Betriebszustand kann unbe- grenzt lange aufrecht erhalten werden. Hierdurch ist dem Dispatcher die Moglichkeit gegeben, die Station rechtzeitig auf den bevorstehenden Forderbetrieb vorzubereiten. Mit einem zweiten Startbefehl wird dann die zweite Taktkette T 2 gestartet. die eine gestaffelte Inbetriebnahme der Verdich- ter vorsieht.

Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) Nr..6, S. 488-491 489

U ber programmgesteuerte Anfahrventile wird der Enddruck der Station langsam so weit angehoben, bis der Pipeline- Druck erreicht ist. Daraufhin offnet sich der Endschieber, und der Stationsumgang in der Pipeline schlieDt sich. Die Station befindet sich somit im Betrieb.

rnit ohne Auffullen

der Pipeline

Verdkhter schrnieren u warmen

Fackel testen

Druck anheben

I

I

c

I rnit ohne Auffullen

der Pipeline

Schieber offnen

Verdichter einschalten I

Urngang schlieilen

T L 45 BETRlEB T 5 1 I T 3 T 6

max L3 bar 1 Norrnales Abfahren Abfahren bet

(Gestuftes Abfahren I Storung

Abb. 3. U bergange.

Betriebszustande der Zwischenverdichter-Station und ihre

Die Station wird in erster Linie in Abhangigkeit von der Gesamtmenge gefahren, wobei diese Menge durch die Verstellung der Umgangsventile um die 1. Stufe geregelt wird. Wahrend des Anfahrbetriebes ist auljerdem die Regelung des Saugdruckes von Bedeutung, da die Verdichter als gekapselte

bar 250000 t / lahr

I S ta t ion

7 0 1 1 I-

0 50 100 krn 156.3

Druckverlauf in der Pipeline.

Entternung

Abb. 4.

Maschinen nur fur einen in der Hohe begrenzten Saugdruck ausgelegt sind. Der Druckverlauf in der Pipeline bildet sich entsprechend Abb. 4 aus. Bei Forderung von 31 t/h, d.h. der groBtmoglichen Menge

ohne ZVS, kommt das Ethylen bei einem Einspeisedruck von 40 bar in Koln mit 14 bar in Frankfurt/M. an. Sol1 nun die Durchsatzkapazitat erhoht werden, muljdie ZVS angefahren werden, und durch grol3ere Fordermengen als 31 t/h in der ZVS wird der Druck im Nordteil der Pipeline bis Koln abgebaut. Nun kann in Koln die Einspeisemenge erhoht werden. Bei Forderung der groljtmoglichen Menge rnit ZVS von 44 t/h bildet sich der Druck in der Pipeline nach diesem Sagezahn aus. Bei 40 bar in Koln hat man 14 bar vor und 40 bar nach der ZVS und 14 bar in Frankfurt/M.

2.2 Abfahren der Station

Beim Abfahren der Station steht im Vordergrund, die Ethylen-Verluste iiber die Fackel moglichst niedrig zu halten. Zwei Umstande werden hierfur genutzt : 1. Durch gestuftes Abfahren der beiden Verdichter kann der

zweite noch laufende Verdichter den bereits abgeschalte- ten leer saugen.

2. Das im Druckniveau abgesenkte Volumen der Pipeline vor der Verdichterstation nimmt einen Teil des auf der Druckseite der Station eingeschlossenen Ethylens auf (Abb. 3).

Mit dem gezielten Abfahrbefehl wird die Station uber eine der Taktketten 3 oder 4. im Storfall iiber die Ketten 5 oder 6. abgefahren. Taktkette 3 macht sich dabei die beiden oben geschilderten Umstande - also gestuftes Abfahren und abgesenktes Druckniveau - zunutze. Taktkette 4 kann nur das gestufte Abfahren beider Verdichter nutzen. Welche Kette durchfahren wird. hangt vom Druck auf der Saugseite ab. Bei stormaBigem Ausfall beider Verdichter steht in Taktkette 5 nur noch das Volumen der Pipeline als Hilfsmittel zur Verfugung. Bei Taktkette 6 liegt dagegen keiner der genannten giinstigen Umstande vor. Die Abfahrautomatik wahlt in jedem Fall die in Frage kommende Abfahrkette selbsttatig aus. Am Ende befindet sich die Station jeweils wieder in dem schon geschilderten .,Bereitschaftszustand". Aufeinen zweiten Anfahrbefehl wird die Station iiber eine siebte Taktkette in den Ruhezustand zuruckversetzt .

2.3 Sicherheit der Station

Ein zweiter ganz wesentlicher Gesichtspunkt des Automatik- Konzeptes ist die allgemeine und betriebsmaljige Sicherheit der Station. Fur eventuelle Storfalle wurden folgende MaBnahmen getroffen : 1. Spannungsausfall : Die Station wird im Normalfall iiber

eine 20 kV/3 M W-Einspeisung hochspannungsmaBig ver- sorgt. Bei AusfaH dieser Einspeisung schaltet das EVU eine Noteinspeisung 20 kV/0,3 M W ein, die die Spannungsver- sorgung der Station rnit Ausnahme der Ethylen-Verdich- ter-Station iibernimmt. Mit Ausfall der Haupteinspeisung wird die Station - soweit in Betrieb - automatisch in den Bereitschaftszustand zuruckgefahren. Sollten beide Ein- speisungen gestort sein, wird die Steuerspannung aus einer gepufferten Batterie bezogen. Diese Batterie reicht bei normaler Auslastung noch fur ca. 6 h.

2. MSR-Luftversorgung : Das MSR-Luftnetz wird iiber 2 getrennte Luftkompressoren versorgt. Ein Windkessel kann bei Ausfall der Kompressor-Anlage den Netzdruck normalerweise noch 15 bis 20 min aufrechterhalten. Bei Storungen an beiden Kompressoren oder langerem Spannungsausfall werden samtliche fur den N otfall wichtigen Ventile und MSR-Einrichtungen von einem aus Flaschenbatterien gespeisten Notluftnetz versorgt.

490 Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) Nr. 6, S. 488-491

3 Storfalle, die das Not-Aus-Programm einleiten

Die Auslosung des Not-Aus-Programms kann von Hand von folgenden Stellen erfolgen : a ) Tor Verdichtergebaude, b) Leitstand Verdichtergebaude, c ) StationsmeBwarte, d ) MeB- warte Kelsterbach uber Fernwirksystem. Automatisch wird das Not-Aus-Programm durch folgende Storungen ausgelost : 1.

2.

3 .

In

- - Feueralarm. In der Verdichterhalle sind acht Ionisations- melder und zwei Strahlungsmelder zujeeiner Signalschlei- fe zusammengefaDt. Bei Ansprechen beider Schleifen (ein oder mehrere Ionisations- bzw. ein oder zwei Strahlungs- melder) wird Not-Aus eingeleitet. Das Betriebsgebaude ist mit sieben Ionisationsmeldern versehen. Das Ansprechen dieser Melder wird nach Kelsterbach ubertragen, bleibt jedoch bei Automatik-Betrieb ohne EinfluD auf den Betriebszustand der Station. Hier wird die Entscheidung der standig besetzten MeDwarte ubertragen. Ethylen-Ausbruch in der Verdichterhalle. In der Verdich- terhalle sind sechs unabhangig voneinander arbeitende Sensoren angebracht, die abhangig von der Gaskonzen- tration Voralarm und Hauptalarm signalisieren. Bei Vorliegen eines Voralarms werden die Raumventilatoren eingeschaltet, die den Luftwechsel der Station erhohen ; gleichzeitig signalisieren Warnlampen an allen Turen diesen Zustand. Bei Vorliegen des Hauptalarmes an zwei MeBstellen wird Not-Aus eingeleitet. Ethylen im Kuhlwasser- oder Warmwasserkreislauf. Die Warmwasser- und Kuhlwasserkreislaufe arbeiten bei niedrigem Betriebsdruck und sind aus Kostengriinden im Nenndruck niedriger als das Ethylen-System ausgelegt. Bei Undichtigkeiten in den Warmeaustauschern bzw. im Kompressor konnte also Ethylen in diese Kreislaufe gelangen. Die Druckabsicherung erfolgt uber Sicherheits- ventile mit nachgeschalteten Signal-Berstscheiben. Beim Ansprechen dieser Signal-Berstscheiben wird die Anlage iiber Not-Aus abgeschaltet. allen Not-Aus-Fallen wird die MeBwarte in FrankfurtiM. I ,

uber ein Fernwirksystem alarmiert, die weitere Schritte einleiten kann. Zusiitzlich zu den MaBnahmen im steuerungstechnischen Bereich sind die einzelnen Drucksysteme iiber mechanisch arbeitende Sicherheitsventile abgesichert. Auch eine Selbst- uberwachung der Steuersysteme ist Bestandteil der Automa- tisierungseinrichtung, so wird die Station z.B. bei Unterbre- chung der Verbindung zur Zentrale selbsttatig abgefahren. Der Aufbau des Automationskomplexes ist so gewahlt. daB fur die An- und Abfahrprograrnme eine freiprogrammierbare Steuerung eingesetzt ist. wahrend alle fur die Sicherheit und eine etwaige Handfahrweise notwendigen Verriegelungen in einer festverdrahteten Handebene zusammengefaBt sind. Die Verbindung zur Zentrale halt ein zeitmultiplexes Fern- wirksystem aufrecht, dessen Ubertragungsumfang 24 Men- werte sowie 120 Meldungen betragt. In der Gegenrichtung sind 20 Befehle absetzbar. Der schwierigen Aufgabenstellung entsprechend. wurde fur die Ausfuhrung moderne, jedoch bewahrte MSR-Technik gewahlt. Hierdurch ist ein sicherer - und wie die Betriebser-

fahrungen zeigen - auch reibungsloser Betriebsablauf garantiert.

4 Betriebserfahrungen

Die Verdichterstation konnte nach zweijahriger Planungs-, Montage- und Inbetriebnahmezeit termingerecht zum 1. Sept.1978 in Betrieb genommen werden (Abb 5) . Bei allen seit

Abb. 5. Innenansicht.

diesem Zeitpunkt erforderlichen Betriebsphasen wurde sie praktisch storungsfrei betrieben. Damit hat sich bis heute schon gezeigt, daB das gewahlte System der Fernbedienung und Vollautomation sich bewahrt und die Erwartungen voll und ganz erfullt hat.

5 Bau von Stationen aus vorgefertigten Eintelelementen

Es ist bekannt, daB der Bau von kompletten Chemieanlagen in bestimmten Landern wesentlich teurer als in Mitteleuropa ist ; z.B. ist bei den Battery limits fur eine Polyethylenanlage nach deutscher Bauart in den USA mit ca. I,3fachen Mehrkosten, in Saudi-Arabien sogar mit fast 2fachen Mehrkosten zu rechnen. Wichtige Faktoren sind dabei die Montage sowie die Qualitats- und Montageuberwachung. Derartige Stationen lassen sich fur Me&, Regel-. Elektrover- teilungen und Nebenaggregate so vorfertigen, daB die Abmessungen den ContainermaBen entsprechen. Somit kann eine aus mehreren Containern bestehende Einheit in kurzer Zeit betriebsfertig montiert sein. Bei groBeren Anlagen konnen die groBen Maschinen-, Apparate-, Stahlbau- und Rohrleitungsteile in so vorgefertigten Einzelelementen an der Baustelle angeliefert werden,daBmit relativ wenig hochquali- fiziertem Fachpersonal die Anlage fertig montiert und in Betrieb genommen werden kann. Die Vollautomation gestattet es. daB auch in unwegsamem Gelande von einer zentralen Meljwarte aus mehrere derartige Stationen von einer kleinen Gruppe )on Fachkraften betrieben und gewartet werden konnen.

Eingegangen am 4. Ma1 1979 [B4339]

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