Durchfluss- und Druckregelung in GC- und Analysesystemen für explosionsgefährdete Bereiche
Einleitung und Hintergrund:
In der Ölraffinerie und der petrochemischen Industrie ist die Online-Gaschromatographie (GC) eines der wichtigsten Analyseinstrumente zur kontinuierlichen Prozessoptimierung, zur Sicherung der Produktqualität und zur Gewährleistung der Sicherheit.
GCs werden zur Analyse der Zusammensetzung verschiedener petrochemischer Proben und Produkte in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt, beispielsweise:
- Schwefelgehalt und Dampfdruck zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften
- RON-/Cetanzahlen als Kennzahlen für die Kraftstoffleistung
- Kohlenwasserstoffzusammensetzungen zur Prozessoptimierung
- Erkennung giftiger und gefährlicher Stoffe (H₂S, BTX und brennbare Stoffe)
Im Gegensatz zu Laboranalysen sind diese GCs direkt in die Prozessumgebung integriert, wo sie unter anspruchsvollen Bedingungen kontinuierlich und zuverlässig arbeiten müssen. Eine stabile und präzise Regelung des Gasdurchflusses und des Drucks bestimmt unmittelbar die Genauigkeit der Analyse, die Wiederholbarkeit und die Zuverlässigkeit des Systems.
Werden diese Systeme jedoch in gefährlichen Umgebungen eingesetzt, ist die Auswahl an verfügbaren Messgeräten begrenzt.
Einschränkungen für explosionsgefährdete Bereiche:
Diese Anwendungen werden in ATEX-Zone 0/Zone 1 oder in explosionsgefährdeten Bereichen der Klasse I, Division 1 eingesetzt. Diese Zonen weisen auf ein ständiges oder häufiges Vorhandensein explosiver Gase hin und unterliegen strengen Anforderungen hinsichtlich der Zündschutzmaßnahmen.
In solchen Bereichen installierte Messgeräte müssen eigensicher, wodurch die zur Entzündung brennbarer Stoffe verfügbare elektrische und thermische Energie begrenzt wird. Alternativ müssen explosionsgeschützte Gehäuse oder spezielle Spül- bzw. Druckbeaufschlagungssysteme eingesetzt werden. Diese führen in der Regel zu einem Anstieg der Gesamtkosten, des Platzbedarfs, der Systemkomplexität und des Wartungsaufwands.
Herkömmlicher Ansatz
Mechanische Steuerungssysteme
Um die Sicherheitsstandards zu erfüllen, setzten Kunden in der Vergangenheit auf eine vollständig mechanische Steuerung, die in der Regel aus gepanzerten Durchflussmessern, analogen Manometern und Nadelventilen bestand. Die Einfachheit der mechanischen Messtechnik verringerte die Herausforderungen bei der Erfüllung der Sicherheitsanforderungen.
Bei der Umsetzung mechanischer Lösungen wurden in der Praxis mehrere Einschränkungen festgestellt.
Leistungsschwankungen
- Es war bekannt, dass mechanische Regler im Laufe der Zeit eine Drift aufweisen
- Eine genaue Regelung von Durchfluss und Druck war nur begrenzt möglich
- Die Instabilität mechanischer Komponenten führte zu instabilen GC-Messungen
- Der Luftdruck beeinflusst das Systemverhalten
Manuelle Eingriffe
- Das Bedienpersonal muss die Gefahrenbereiche physisch betreten, um Einstellungen an Reglern und Ventilen vorzunehmen
- Erhöhtes Sicherheitsrisiko und höherer Arbeitsaufwand
Mangelnde Sichtbarkeit
- Eine kontinuierliche Überwachung war nicht möglich
- Fehlende Datenerfassung
- Eine vorbeugende Wartung war aufgrund fehlender Echtzeit-Diagnose nicht möglich.
Systemkomplexität
- Höhere Bauteilanzahl
- Mehrere Leckagewege
- Erhöhter Wartungsaufwand
In der Öl- und Gasindustrie lässt sich der derzeitige Zielkonflikt wie folgt zusammenfassen: Sichere (mechanische) Systeme gehen zu Lasten der Leistung und der Sichtbarkeit, während eine leistungsstarke elektronische Steuerung aufgrund von Sicherheitsauflagen bislang nicht einsetzbar war.
Eigensichere Lösung von Alicat:
Zu den kritischen Einsatzpunkten gehören die folgenden:
- Probeninjektion
- Der IS-Max MFC kann sowohl den Druck regeln als auch den Durchfluss messen und sorgt so für eine präzise Zufuhr von Proben- oder Kalibriergas zum GC.
- Die Zählfunktion ermöglicht die Erfassung des Probenverbrauchs über längere Probenzyklen hinweg
- Der Absolutdrucksensor beseitigt die durch Schwankungen des Luftdrucks verursachte Messunsicherheit
- Trägergas
- Der IS-Max-Regler oder -Messgerät erfasst den Gesamtverbrauch des Trägergases, selbst bei kundenspezifischen Kalibriergemischen
- Die Durchflussüberprüfung verbessert die Kalibrierungssicherheit und die Wiederholbarkeit
- Gegendruckregelung
- IS-Pro-Druckregler können den Gegendruck an den Entlüftungsanschlüssen des Detektors regeln. Dadurch wird die Leistung des Detektors stabilisiert.
- Anstelle eines speziellen Druckreglers können IS-Max-Durchflussregler den Gegendruck regeln und den Massendurchfluss messen
Die Stärke der Alicat-Messtechnik liegt hier in der Möglichkeit, mehrere einzelne mechanische Komponenten durch ein einziges, eigensicheres Gerät zu ersetzen.
Trotz Schwankungen der Betriebsbedingungen innerhalb des Systems kann ein Alicat-Gerät diese Schwankungen automatisch ausgleichen und stets stabile Durchfluss- und Druckwerte liefern, wodurch Abweichungen im Laufe der Zeit vermieden werden.
Die digitale Kommunikation ermöglicht die Fernanpassung von Sollwerten, die kontinuierliche Datenübertragung sowie die Datenerfassung zu Analysezwecken.
Bei gefährlichen GC-Systemen haben Analytiker bisher Leistungseinbußen als Preis für die Sicherheit hingenommen. Eine eigensichere elektronische Steuerung macht diesen Kompromiss überflüssig.
