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Ex-Schutz

Explosionsgeschützte Ausrüstung für den maritimen Öl- und Gas-Sektor

| Redakteur: Sonja Beyer

An einem Soft Yoke Mooring System (SYMS) macht im Gelben Meer eine der größten FPSO-Plattformen (Floating Production, Storage, and Offloading) der Welt fest. (Bild: R. Stahl)
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An einem Soft Yoke Mooring System (SYMS) macht im Gelben Meer eine der größten FPSO-Plattformen (Floating Production, Storage, and Offloading) der Welt fest. (Bild: R. Stahl)

Die Öl- und Gasförderung aus Lagerstätten unter Wasser ist auf ein großes Spektrum explosionsgeschützter Komponenten, Systeme und Lösungen auf See und an der Küste angewiesen. Sie dienen ganz unterschiedlichen Aufgaben, die von der Förderung und Separation fossiler Brennstoffe bis hin zu Produktion und Lagerung transportfähiger Erzeugnisse reichen.

Die Vielfalt der Anforderungen, die typische Anwendungen und Anlagen in der Öl- und Gas-Industrie stellen, lässt sich an einer Reihe konkreter technischer Lösungen veranschaulichen, die auch unterschiedliche Besonderheiten und Lösungsansätze im Explosionsschutz deutlich machen. Neben Steuerungen für ein Mehrphasenpumpensystem, einer Separatorsteuerung zur Medienaufbereitung, einer Kransteuerung sowie der Energieverteilung einer Rohrbegleitheizung stellt der folgende Rundblick umfangreiche Schaltschrankaufbauten vor, die Motorsteuerungen und weitere elektrische Ausrüstung für das Anlegersystem einer der weltweit größten schwimmenden Produktionsplattformen (FPSO) im Gelben Meer beinhalten.

Steuerungsgehäuse für Pumpensystem

Zu den typischen Offshore-Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie gehört die Hochdruckförderung von Mehrphasenmedien. Ein Gemisch aus Gas oder Öl, Wasser, Sand- und Schlammanteilen wird mit speziell ausgelegten Pumpensystemen gefördert, deren Steuerungen auf eine sowohl Ex-geschützte als auch dem maritimen Klima gegenüber unempfindliche Oberfläche angewiesen sind. Dies kann neben geeigneter Materialbeschaffenheit oft auch eine besondere Gehäusebeschichtung erfordern. Um unter Berücksichtigung von Spezifikation und Einbauten eine optimale Gesamtlösung zu erreichen, kann R. Stahl z.B. in Form der CUBEx-Serie auf eine breit aufgestellte Gehäusebaureihe zurückgreifen.

Mit dieser Baureihe lassen sich Ex d-Gehäusekonfigurationen für Gasgruppe IIB (bedarfsweise auch IIB + H2) mit nahezu beliebigen geometrischen Formen und Abmessungen gestalten. In einer eigenen Pulverbeschichtungsanlage können die jeweiligen Gehäuse außerdem mit einer spezifisch auf den Einsatzort abgestimmten Oberfläche versehen werden. Durch so genannte d-d-Verbinder lassen sich die Druckräume mit offenen Durchgängen koppeln. Dies erleichtert erheblich die Querverdrahtung der Einbauteile untereinander sowie die Verdrahtung der Zu- und Abgangskabeladern über mehrere Gehäuse hinweg. Durch die Montage von Ex d-Bedien- und Meldegeräten direkt im Druckraumdeckel ist kein separater Ex e-Raum erforderlich, um eine vergleichbare Funktionalität zu realisieren. Auch Leistungsschalter und Sicherungsautomaten werden auf diese Art bedient und können fallweise komfortabel zurückgesetzt werden, ohne den Deckel der Steuerung öffnen zu müssen. Auf Wunsch stehen ergänzend passende Ex e-Anschlussraumgehäuse zur Verfügung. Zur einfachen Handhabung können alle Gehäuse mit Standtragrahmen ausgestattet werden, die mit abnehmbaren Transportösen versehen sind.

Ex-geschützte Separatorsteuerung

Geförderte Gemische z.B. aus Öl, Wasser und Feststoffen müssen sauber getrennt werden – erstens um wertvolle Stoffe von unbrauchbaren Substanzen zu scheiden, zweitens um Umweltschutzanforderungen zu erfüllen. Dazu werden je nach Medienmenge und -konsistenz Pumpen und Separatoren ganz unterschiedlicher Leistungsstufen eingesetzt. Ausrüster, die für die erforderliche Elektrotechnik den Explosionsschutz sicherstellen, sollten dem Anlagenbauer ein umfassendes Produkt-, Lösungs- und Dienstleistungsspektrum anbieten können. Das hier abgebildete Fallbeispiel ist eine Ex de-Gehäusekombination ebenfalls für die Gasgruppe IIB, die u.a. eine Betriebsstundenanzeige hinter einer Schauscheibe im Druckraum beinhaltet sowie ein kompaktes Bedienterminal integriert. Dieses ist hinter einer klappbaren Scheibe montiert, die bei den rauen Betriebsbedingungen für zusätzlichen mechanischen Schutz sorgt.

Das System steuert eine Pumpe und einen Separatorantrieb. Die Druckraumgehäuse und angeflanschten Anschlussräume sind einheitlich aus Edelstahl gefertigt. Neben oder anstelle von Edelstahlgehäusen lassen sich gegebenenfalls auch pulverbeschichtete CUBEx-Gehäuse einsetzen, da für die Fertigung eine nahezu kupferfreie Aluminiumlegierung verwendet wird. Zur Anpassung der Maschinensteuerung und -fahrweise an verschiedene Betriebsarten und Medienkonsistenzen ist im gezeigten Beispiel ein einfaches HMI-Terminal verbaut, das einen komfortablen Direktzugriff auf alle wesentlichen Parameter ermöglicht. Außerdem sind per MPI-Schnittstelle Messwerte und qualitätsrelevante Daten einer S7-Steuerung vor Ort zugänglich.

Bei der Projektierung und Gestaltung dieser Ex-Lösung stand die funktionale Gliederung im Mittelpunkt. Die senkrechte Aufteilung setzt Haupt- und Steuerstromkreise, die Ebene der Bedien- und Beobachtungselemente und schließlich die Anschlussraumgehäuse bedienerfreundlich voneinander ab. Auch in der Waagrechten ist das System klar strukturiert: Es trennt Einspeisung (links) sowie Laststeuerung (Mitte) von der S7-Steuerung (rechts) mit zugehörigen Trennstufen und Ex i-Anschlussklemmen.

Energieverteilung für Rohrbegleitheizung

Um den reibungslosen Transport von Öl und Gas über eine Pipeline zu gewährleisten, ist in vielen Fällen eine Begleitheizung erforderlich, um im Rohr eine günstige Temperatur zu halten oder herzustellen. Zur Versorgung solcher Heizungen werden Transformatoren an einer Ringleitung betrieben, die an fast jeder Stelle in der Anlage hohe Kurzschlussströme liefern. Genau diese bringen für den Explosionsschutz der Energieverteilungen besondere Anforderungen mit sich, da sich die Systeme bei diesen hohen Belastungen stark erwärmen. Die hier vorgestellte Lösung ermöglicht eine Kombination aus Gehäusen in den Schutzarten Ex e und Ex d. Zur Messung der Eingangsströme werden Stromwandler in einem druckfesten Gehäuse eingesetzt. Über Schalter wird der Messstromkreis nur eines Wandlers auf einem Strommesser angezeigt.

Die Schalterfunktion muss auf die Anforderungen der Stromwandler angepasst sein. Jeder Wandler muss kurzgeschlossen betrieben werden, da er andernfalls durch hohe auftretende Spannungen zerstört werden könnte. Die Spannungsmessung der Außenleiter und des Neutralleiters erfolgt über einen weiteren Schalter, der über entsprechende Vorsicherungen direkt verbunden wird. Auch hierzu sind die Messgeräte in Ex e-Technik ausgeführt. Eine eingebaute und geregelte Gehäuseheizung sorgt dafür, dass sich trotz hoher Luftfeuchtigkeit bis 100 Prozent kein Kondensat bilden kann. Werden druckfeste Gehäuse verwendet, kann die Heizung aus Komponenten für handelsübliche Schaltschrank-Heizungen zusammengestellt werden. Für die Gehäuse der Erhöhten Sicherheit wird ein selbstregelndes entsprechend zugelassenes Heizband eingebaut.

Ex-Schaltschranksysteme für Plattform-Anleger

Bei einem Soft Yoke Mooring System (SYMS) – dem Anlegersystem für eine schwimmende Produktions- und Verladeplattform – stellt der sehr exponierte Installationsort im Norden Chinas besonders anspruchsvolle Anforderungen an die Auslegung Ex-geschützter Schaltschranksysteme. In der Bohai-Bucht im Gelben Meer macht eine der weltweit größten FPSO-Plattformen (Floating Production, Storage and Offloading) mit Speicherplatz für 1,8 Millionen Barrel Öl an einem im Meeresgrund verankerten Anlegerturm fest.

Der unbemannte Turm, die FPSO-Insel und die Soft Yoke, d.h. der Verbindungsbügel zwischen beiden, sind mit einer Reihe elektrischer Komponenten und Systemen ausgestattet. Zu diesen zählen vor allem Motorsteuerungen, Energieverteilungen und Transformatoren. Eine geeignete Lösung zu deren explosionsgeschützter Unterbringung realisierte die R. Stahl-Tochtergesellschaft Electromach für den chinesischen Öl-Riesen CNOOC mit Schranksystemen auf Basis modularer Gehäuse der CUBEx-Baureihe. Begehbare Kabinette mit erheblichem Platzbedarf waren nicht erforderlich – alle erforderliche Steuerungs-, Versorgungs- und Sicherheitstechnik ließ sich in jeweils einen Schaltschrank für jeden der drei Installationsplätze integrieren. Vor allem für den Schrank auf dem Anlegerturm waren die kompakten Abmessungen angesichts der räumlichen Gegebenheiten wichtig. Zum Schutz vor der aggressiven Umgebungsatmosphäre ist der Außenschrank komplett aus Edelstahl gefertigt. Das gewährleistet eine lange mechanische Standzeit des Systems. Im Inneren befinden sich eine Reihe an Gehäusen in der Schutzart Ex d, diverse Edelstahl-Klemmenkästen in Erhöhter Sicherheit (Ex e) und Energieverteilungen als Zündschutzartenkombination (Ex de). Bestückt sind die Schränke außerdem mit einer Ex-Heizung und einer explosionsgeschützten Beleuchtung.

Fazit: Technische Anlagen in der Öl- und Gasförderung vor der Küste und auf See sind auf Ex-geschützte Steuerungssysteme, Energieverteilungen etc. angewiesen, die von sachkundigen Branchenspezialisten ausgelegt, projektiert und geliefert werden sollten. Anwendungsgerechte Lösungen setzen ein umfassendes und flexibles Sortiment passender elektrischer Komponenten, ein möglichst modulares Gehäuse-Programm, tiefgehendes Ex-Schutz-Know-how sowie Vertrautheit mit der jeweiligen Branche voraus, um eine sowohl sichere als auch funktional durchdachte Anordnung kombinierter Systemgehäuse sicherzustellen.

* Der Autor ist Vertriebsspezialist für Systemlösungen bei der R. Stahl Schaltgeräte GmbH, Waldenburg.

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