Anlagenbau: Definition & Aufgaben Großanlagenbau – Basis und Motor der Wirtschaft

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Der Anlagenbau beschäftigt sich mit der Konzipierung, Planung und Umsetzung von industriellen Anlagen. Aufgabe des Industrieanlagenbaues ist, die technischen Voraussetzungen für die Durchführung eines aus mehreren Schritten bestehenden Prozesses zu schaffen. Bei solchen Prozessen werden in der Regel chemische Stoffe, biologische Mittel oder nutzbare Energie aus verfügbaren Rohstoffen oder vorhandenen Energiequellen gewonnen. Darüber hinaus liefert der Anlagenbau der Industrie komplexe automatisierte Produktionssysteme. Im Basiswissen-Artikel werden der Anlagenbau definiert und die einzelnen Teildisziplinen vorgestellt.

Eine Anlage ist ein System aus aufeinander abgestimmten technischen Einrichtungen, die eine Einheit bilden. Grundlage für den Großanlagenbau ist die umfassende Planung. Im Ergebnis der Planung stehen die erforderlichen Genehmigungen und eine umfangreiche Dokumentation für die Bau- und Montagearbeiten zur Verfügung. Die Dokumentation umfasst hauptsächlich technologische Schemen, Montagepläne für Gebäude, Ausrüstungen, Rohrleitungen und Armaturen, Verkabelungs- und Logikpläne für die Steuerung und Regelung der Prozesse, Konstruktionsunterlagen der benötigten Maschinen und Apparate sowie Ablaufpläne und Betriebsanleitungen.

An der Planung sind – wie auch an der späteren Umsetzung – eine große Anzahl unterschiedlicher Gewerke beteiligt. Eine der großen Herausforderungen im Anlagenbau ist deren Koordination. Abgeschlossen wird ein Anlagenbauprojekt mit der Inbetriebnahme, dem Nachweis der geforderten Leistungsparameter und der Übergabe an den Betreiber.

Anlagenplanung

Die Planung einer Anlage erfolgt in mehreren Phasen. Die Basis bildet der Gesamtprozess, der durch verschiedene Randbedingungen näher beschrieben wird. Der Gesamtprozess beruht auf den Ergebnissen fertigungstechnischer, verfahrenstechnischer oder energetischer Grundlagenforschung und auf vorhandenen Erfahrungen. Die Randbedingungen sind vor allem die Teile-, Stoff- oder Energiemengen, die von der Anlage geliefert werden sollen, die geforderten Qualitätsparameter und die gegebene Infrastruktur am vorgesehenen Standort.

Diese Informationen gehen in die Entwurfsplanung (Basic Engineering) ein. In dieser Phase wird ein realisierbares Konzept erstellt, das alle Prozessschritte, die erforderlichen technischen Ausrüstungen, Ver- und Entsorgungseinrichtungen, notwendige Steuer- und Regelungstechnik, Möglichkeiten der Wartung und Instandhaltung, vorzusehende Sicherheitstechnik und Bedarf an Genehmigungen beinhaltet. Dabei sind auch die zu erwartenden Kosten und Einnahmen zu berücksichtigen.

Der Entwurfsplanung folgt die Ausführungsplanung (Detail Engineering). Das Detail Engineering im Anlagenbau umfasst vor allem die Beschaffung aller Genehmigungen, die konkrete Auslegung und Verknüpfung der Komponenten, die Vertragsgestaltung mit Unterauftragnehmern, die Ausarbeitung und Zusammenstellung der Dokumentation und das Erstellen von Ablaufplänen, Betriebsanleitungen und Wartungs- und Instandhaltungsplänen. Besondere Bedeutung in den Betriebsanleitungen haben die Vorgaben für die Inbetriebnahme (Anfahren), die Außerbetriebnahme (Herunterfahren) und das Verhalten bei Störungen. Störungen können durch das Versagen von Anlagenkomponenten oder durch Stromausfall auftreten. Um die Anlage dann geordnet herunterfahren zu können, wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für ausgewählte Antriebe und Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen vorgesehen.

Auf Basis der Ausführungsplanung wird der Vertag mit dem Auftraggeber geschlossen, der die Anlage zukünftig betreiben will.

Zur Unterstützung der Anlagenplanung werden zunehmend IT-Programme genutzt. Anwendungsprogramme sind unter anderem für die Simulation der der Strömungs- und Reaktionsprozesse, für den Entwurf elektrotechnischer Ausrüstungen, für die Konstruktion von Maschinen, Apparaten und Rohrleitungssystemen sowie für das Projektmanagement verfügbar.

Das technische Geschäftsfeld Maschinen- und Anlagenbau

Eine Definition für das technische Geschäftsfeld Maschinen- und Anlagenbau setzt sich aus der Beschreibung der beiden Fachrichtungen zusammen. Der Maschinenbau liefert die Ausrüstungen, die der Anlagenbau zu komplexen Systemen kombiniert. Maschinenbauer sind gleichzeitig Anlagenbauer, wenn sie die in ihrem Unternehmen gefertigte Technik mit der Technik von Zulieferern ergänzen und ihren Kunden komplette Anlagen bereitstellen.

Verfahrenstechnischer Anlagenbau benötigt neben dem Baugewerbe, der Elektrotechnik und der Mess- und Regelungstechnik vor allem den Rohrleitungs- und Armaturenbau, den Apparate- und Behälterbau sowie den Dampfkesselbau. Diese Spezialgebiete haben sich aus dem allgemeinen Maschinenbau heraus entwickelt, weil die in der Verfahrenstechnik eingesetzten Ausrüstungen oft besonderen Beanspruchungen durch hohe Drücke und Temperaturen oder große Mengen gefährlicher Stoffe standhalten müssen. Mit den Beanspruchungen sind beträchtliche Anforderungen an die Sicherheitstechnik verbunden.

Das Geschäftsfeld Maschinen- und Anlagenbau hat sich auf der Grundlage des Chemieanlagenbaus (verfahrenstechnischer Anlagenbau) entwickelt. Im Chemieanlagenbau wurden zuerst die Methoden angewendet, die es ermöglichen, komplexe Produktionssysteme als Einheit zu betreiben. Voraussetzung für diesen Betrieb ist der umfassende Einsatz der Automatisierungstechnik. Anfangs wurden die Maschinen und Armaturen über einzelne Röhren und Relais, später über Halbleiterbauteile gesteuert, die in Schaltzentralen eingebaut und mit den in der Anlage verteilten Messfühlern verkabelt waren. Heute werden die Messwerte digital verarbeitet und die Steuersignale von zentralen Rechnern an die Antriebe der Maschinen und Armaturen weitergegeben. Die Überwachung und Steuerung erfolgen von Leitzentralen oder Messwarten aus.

Voraussetzung für das erfolgreiche Errichten der komplexen Produktionssysteme unter Beteiligung aller benötigten technischen Gewerke ist das Management im Großanlagenbau. Die Industrie nutzt heute die im Anlagenbau der Verfahrenstechnik entwickelten Methoden für die Organisation, die Kommunikation und die digitale Automatisierung beim Bau und Betrieb großer Produktionsanlagen und verwendet dafür die Bezeichnung „Industrie 4.0“.

Verfahrenstechnischer Anlagenbau

Eine verfahrenstechnische Anlage hat den Zweck, Rohstoffe unter Verwendung von Hilfsstoffen und Energie in Endprodukte umzuwandeln. Diese Aufgabe wird im sogenannten Hauptprozess erfüllt. Um den Hauptprozess aufrechtzuerhalten, werden verschiedene Nebenprozesse benötigt. Dazu gehören die Energieversorgung, die Abfallbehandlung und die Anbindung an die Infrastruktur. Im Verlauf des Baus einer Anlage sind in vielen Fällen die Errichtung von Gebäuden und der Bau von Zufahrtsstraßen oder Gleisanlagen notwendig. Der verfahrenstechnische Anlagenbau stellt die Technik her, mit der der Ablauf aller Teilprozesse sichergestellt wird. Fällt eine Funktionseinheit aus, steht die gesamte Anlage still.

Der Hauptprozess

Im Hauptprozess werden Lager für die Roh- und Hilfsstoffe, Hauptausrüstungen für die Stoffumwandlung, Lager für die Endprodukte sowie Rohrleitungssysteme für den Stofftransport benötigt.

Die Gestaltung der Lager hängt von den Aggregatzuständen der beteiligten Stoffe ab. Gase werden in der Regel in Druckbehältern gelagert, Flüssigkeiten in Tankanlagen und Feststoffe in Schüttgutlagern. Die Größe der Lager ist von den beabsichtigten Produktionsmengen abhängig. Stoffmengen, Einsatzbedingungen (Temperatur, Druck) und Stoffeigenschaften bestimmen die in den Lagern – wie auch in der gesamten Anlage – erforderliche Sicherheitstechnik.

Die Roh- und Hilfsstoffe müssen in vielen Fällen für den Einsatz in der Anlage vorbereitet werden. Feststoffe werden häufig auf die benötigte Korngröße zerkleinert und danach in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst. Flüssigkeiten müssen oft gemischt werden. Bei diesen Schritten spielen die Anteile der Stoffe im Gemisch (Konzentrationen) eine entscheidende Rolle. Um die Konzentrationen im vorgesehenen Bereich zu halten, wird Dosiertechnik eingesetzt.

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Die vorbereiteten Stoffe werden über Rohrleitungen zu den Hauptausrüstungen gefördert, in denen die chemischen Reaktionen für die Erzeugung der Endprodukte ablaufen. Viele Endprodukte werden in mehreren Reaktionsstufen hergestellt. Dann sind zwischen den Reaktionsstufen oft die Trennung der Zwischenprodukte aus dem Reaktionsgemisch und manchmal eine Zwischenlagerung notwendig. Entscheidend für den Reaktionsverlauf sind immer die Konzentrationen der beteiligten Stoffe, die herrschende Temperatur und der Druck im Reaktor. Für diese Größen werden Grenzwerte festgelegt.

Der Einsatz von Regelungstechnik bewirkt, dass die tatsächlichen Werte im Bereich zwischen den Grenzwerten bleiben. Die Temperatur wird durch die Zufuhr oder den Entzug von Wärme im vorgesehenen Bereich gehalten. Dafür werden Wärmeträger (Heißwasser, Dampf) oder Kühlmittel (Kaltwasser, Kühlwasser) und Technik für den Wärmeaustausch eingesetzt. Die Einhaltung der Druckwerte erfolgt im Allgemeinen über Regelarmaturen und die Konzentrationen werden mit Hilfe von Dosiertechnik eingestellt.

Das erzeugte Endprodukt fällt meistens im Gemisch mit Reaktionspartnern an und muss dann von diesen getrennt werden, bevor es in das vorgesehene Lager gefördert wird.

Bei besonderen Anforderungen an das Produkt ist eine Konfektionierung erforderlich, bei der durch Portionierung und Verpackung oder Abfüllung die Versandfertigkeit hergestellt wird.

Nebenprozesse

Zur Absicherung und Aufrechterhaltung des Hauptprozesses notwendige Nebenprozesse sind:

• Abfallbehandlung,

• Energieversorgung

• Versorgung mit Roh- und Hilfsstoffen und

• Auslieferung der Endprodukte.

Im Verlauf des Produktionsprozesses fallen oft Abfälle, Abwässer und Abgase an. Die Abfallaufbereitung und die Abwasser- und Abgasreinigung sind primär auf die Rückgewinnung von Roh- und Hilfsstoffen ausgerichtet. Die restlichen Abfälle müssen umweltfreundlich entsorgt werden. Für diese Aufgaben werden häufig zusätzliche komplexe Teilanlagen vorgesehen.

Um den Herstellungsprozess ständig aufrechtzuerhalten, ist die Bereitstellung der benötigten Energie in Form von Wärme, Steuerluft und Elektroenergie sicherzustellen.

Wärme wird dem Prozess meistens mit Hilfe von Dampf zugeführt. Die Dampferzeugung erfolgt in Kesselhäusern. Für den Dampf wird Kesselspeisewasser benötigt. Kesselspeisewasser ist frei von gelösten Feststoffen, die sich beim Verdampfen des Wassers im Kessel abscheiden würden. Deshalb ist eine entsprechende Wasseraufbereitung erforderlich. Die Dampfverteilung wird über Rohrleitungssysteme erreicht. In diese Rohrleitungssysteme sind in festgelegten Abständen Kondensatabscheider eingebaut, in denen das Kesselspeisewasser zurückgewonnen wird.

Der Dampf kann direkt zur Wärmeversorgung der Verbraucher verwendet werden oder zur Erzeugung von Heißwasser, das als Wärmeträger genutzt wird. Die Entscheidung für einen bestimmten Wärmeträger erfolgt auf der Grundlage der benötigten Temperaturunterschiede und des Temperaturniveaus in den Wärmetauschern.

Großanlagenbau

Neue Vorstandsmitglieder in VDMA Arbeitsgemeinschaft Großanlagenbau

Zur Kühlung wird Kaltwasser oder Kühlwasser eingesetzt. Kühlwasser wird im Kreislauf durch Kühltürme geführt, in denen ihm vor allem durch Verdunstung die aufgenommene Wärme entzogen wird. Das Wasser lässt sich dabei nur etwa auf die von der Witterung abhängige Umgebungstemperatur abkühlen. Wird Kaltwasser mit niedrigeren Temperaturen benötigt, werden Kältemaschinen eingesetzt.

Einen wesentlichen Anteil an der Prozesssteuerung haben die in den Rohrleitungen vorhandenen Armaturen, die elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden. Für Armaturen mit pneumatischer Hilfsenergie ist die Erzeugung und Bereitstellung von Steuerluft erforderlich. Dafür werden aus Filtern, Verdichtern, Kondensatabscheidern, Trocknungseinrichtungen und Druckbehältern bestehende Teilanlagen eingesetzt.

Der Antrieb von Pumpen, Verdichtern und Rührwerken erfolgt in der Regel mit Elektroenergie. Bei einem sehr hohen Verbrauch von Elektroenergie wird in die Anlage oft ein eigenes Kraftwerk integriert.

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Zu den Nebenprozessen gehören auch die Anlieferung der Rohstoffe und die Auslieferung der Endprodukte. Zu diesem Zweck werden bei Bedarf Ent- und Verladestationen für Tankfahrzeuge oder Eisenbahn - Kesselwagen betrieben. Ein häufig notwendiger Nebenprozess ist die Wasserversorgung aus Brunnenanlagen oder aus offenen Gewässern und die erforderliche Wasseraufbereitung.

In der Anlagenbau-Industrie eingesetzte Technik

Die im verfahrenstechnischen Anlagenbau eingesetzte Technik lässt sich in die Hauptgruppen

• Lagerungstechnik (zum Beispiel oberirdische und unterirdische Behälter, Druckbehälter, Schüttgutlager),

• Förder- und Dosiertechnik (zum Beispiel Rohrleitungssysteme, Pumpen, Verdichter, Förderschecken, Förderbänder),

• Armaturen (zum Beispiel Absperrarmaturen, Rückschlagklappen, Regelventile),

• Technik zum Mischen von Stoffen (zum Beispiel Rührmaschinen, Strahlpumpen),

• Reaktoren (zum Beispiel Einphasenreaktoren, Mehrphasenreaktoren, Rührkessel, Rohrreaktoren),

• Wärmeerzeugung (zum Beispiel Dampfkessel, Heißwasserkessel),

• Wärmeübertragung (zum Beispiel Rohrbündelwärmetauscher, Heiz-, Kühlschlangen, Heiz- Kühlmäntel, Kühltürme, Regeneratoren) und

• Technik zur Stofftrennung (zum Beispiel Zentrifugen, Separatoren, Kolonnen, Filter, Zyklone, Absetzbecken)

einteilen. Die Maschinen und Apparate müssen für den Anlagenbau so ausgelegt und aufeinander abgestimmt sein, dass ein durchgehender Betrieb möglich ist und dass die Ausfallwahrscheinlichkeit für alle ungefähr gleich gering ist. Die größte Ausfallwahrscheinlichkeit bestimmt den Wartungszyklus. Für Maschinen, die verhältnismäßig schnell ausfallen können, werden Redundanzen vorgesehen. Zum Beispiel werden für Pumpen parallel geschaltete Reservepumpen eingebaut, die den Weiterbetrieb der Anlage während einer Reparatur ermöglichen.

Deutscher Großanlagenbau

Trendwende bei Königsdisziplin in Sicht?

Für den Betrieb der Ausrüstungen sind die Versorgung mit Elektroenergie, die Erfassung der Prozessparameter mit Hilfe von Messtechnik und die Steuerung auf der Grundlage der Automatisierungstechnik erforderlich.

Gebäude, in denen die Anlagenkomponenten aufgestellt werden, müssen den oft erheblichen Belastungen durch große Gewichte der Maschinen und Apparate einschließlich der Stoffe in ihrem Inneren und durch von den Motoren verursachte mechanische Schwingungen standhalten. Daraus ergeben sich vielfältige Informationen, die der Anlagenbau der Industrie, die diese Komponenten liefert, zur Verfügung stellen muss. Die Mitarbeiter im Anlagenbau müssen mit den Eigenheiten und Fachbegriffen praktisch aller technischen Gewerke vertraut sein, um sich verständigen zu können.

Anlagensicherheit

Der Bau und Betrieb von verfahrenstechnischen Anlagen unterliegt einem umfangreichen gesetzlichen Regelwerk. Grundlage sind unter anderem das Produktsicherheitsgesetz, das Bundesimmissionsschutzgesetz, das Chemikaliengesetz und die Verordnungen zu diesen Gesetzen. Von unterschiedlichen Verbänden, zum Beispiel dem Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI), Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik e.V. (VDE) und dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA), werden dem Stand der Technik entsprechende Standards ausgearbeitet, die es ermöglichen, die rechtlichen Vorgaben zu erfüllen. In diesem Zusammenhang werden bestimmte Produktionsbereiche als besonders überwachungsbedürftige Anlagen eingestuft.

Chemieanlagenbau

Handelskrieg bedroht Renaissance der US-Chemie

Das sind:

• Dampfkesselanlagen,

• Druckbehälteranlagen,

• Anlagen zur Abfüllung von verdichteten, verflüssigten oder unter Druck gelösten Gasen,

• Leitungen unter innerem Überdruck für brennbare, ätzende oder giftige Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten,

• Aufzugsanlagen,

• Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen,

• Getränkeschankanlagen und Anlagen zur Herstellung kohlensaurer Getränke,

• Acetylenanlagen und Calciumcarbidlager und

• Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung von brennbaren Flüssigkeiten

Für überwachungsbedürftige Anlagen, einschließlich ihrer Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen gelten Mindestanforderungen an die Beschaffenheit, an die Betriebssicherheit und an regelmäßige Prüfungen. Voraussetzung für den Betrieb von Großanlagen, zu denen meist mehrere überwachungsbedürftige Teilanlagen gehören, sind eine detaillierte Gefährdungsbeurteilung und ein ausgereiftes Risikomanagement.

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