Heavy Duty Rotating Equipment: Vom Konzept bis zum Betrieb - ein Praxisleitfaden 3658422718, 9783658422714, 9783658422721

Citation preview

Axel Sperber

Heavy Duty Rotating Equipment Vom Konzept bis zum Betrieb - ein Praxisleitfaden

Heavy Duty Rotating Equipment

Axel Sperber

Heavy Duty Rotating Equipment Vom Konzept bis zum Betrieb - ein Praxisleitfaden

Dr.-Ing. Axel Sperber Ludwigshafen, Deutschland

ISBN 978-3-658-42271-4 ISBN 978-3-658-42272-1  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Eric Blaschke Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Das Papier dieses Produkts ist recyclebar.

Vorwort

Unter „Rotating Equipment“ versteht man generell durch Rotation angetriebene Arbeitsmaschinen wie Pumpen und Verdichter sowie deren Antriebsmaschinen, meist Turbinen und Elektromotoren. Das Prädikat „Heavy Duty“ erhalten sie dann, wenn sie als Hochleistungsmaschinen spezifisch für den Einsatz in kritischen Anlagen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit vorgesehen sind. Die Auswahl und Beschaffung wie auch Betrieb und Instandhaltung solcher Maschinen für den Einsatz in Produktionsanlagen der chemischen und Prozessindustrie sind ausgesprochen interdisziplinär ausgerichtet. Ein guter Überblick über eine Vielzahl von Disziplinen entscheidet dabei über den Projekterfolg: von mechanischen, elektrischen, werkstofftechnischen und regelungstechnischen Kenntnissen über Strömungsmechanik, Thermodynamik und Festigkeitslehre bis hin zu Projektmanagement und Qualitätssicherung. Dies fällt für projektierende und ausführende Ingenieure und Ingenieurinnen umso mehr ins Gewicht, als in der Vergangenheit Fachpersonal sowohl bei Herstellern, Betreibern als auch Anlagenbaufirmen deutlich reduziert worden ist. Fehlendes fachliches Verständnis führt leicht zu Fehlauslegungen und in der Folge zu hohen Betriebsund Instandhaltungskosten. In diesem Buch werden die einzelnen für das Gelingen eines Projekts wesentlichen Schritte, mitsamt ihren Grundentscheidungen und Fallstricken, entlang der zeitlichen Ablaufkette dargestellt. Gelingen heißt hier: die Beschaffung von Dampfturbinen und Verdichtersträngen, die von ihrer Bauart hochkomplex sind, und von denen erwartet wird, dass sie über viele Jahre zuverlässig verfügbar sind und sicher und effizient betrieben werden können. Damit füllt dieses Buch eine bestehende Literaturlücke aus. Für die genannten einzelnen Fachthemen existiert detaillierte Literatur. Jedoch ist dem Autor keine Publikation bekannt, die dezidiert als Leitfaden durch die Gesamtschau der wichtigen Themen und Fragestellungen dienen kann, die im Projektverlauf entstehen und gelöst werden müssen. Das Buch richtet sich an Spezialisten wie auch an Ingenieure, die nur gelegentlich Maschinen im Rahmen von „Heavy Duty Rotating Equipment“ zu projektieren haben. Ebenso können sich Studierende ein Bild über die vielfältigen und herausfordernden V

VI

Vorwort

Aufgaben innerhalb solcher Projekte machen, aber auch diejenigen, die im Projektmanagement mit solchen Maschinen zu tun haben. In technischer Hinsicht liegt der Schwerpunkt auf großen Maschinensträngen mit Leistungsbedarfen von 100 kW bis in den Bereich von 100 MW. Sie sind dementsprechend kostspielig in der Anschaffung und im Betrieb. Wegen ihrer hohen Investitionskosten werden sie häufig einsträngig betrieben. Damit spielt der Aspekt der Verfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Auf der anderen Seite verdient beim Umgang mit gefährlichen und giftigen Medien in Maschinen mit bewegten und rotierenden Teilen auch der Aspekt der Sicherheit im Sinne von Maschinen-, Anlagen- und Arbeitssicherheit besonderes Augenmerk. Jede Entscheidung im Rahmen der Beschaffung hat große finanzielle Konsequenzen und sollte mit großer Sorgfalt getroffen werden. Da jeder dieser Maschinenstränge ein Unikat ist, kann es sich bei diesem Buch nicht um ein Rezeptbuch handeln. Die Tätigkeiten, Überlegungen und Erfahrungen während der Konzeption, Beschaffung und Inbetriebnahme gelten jedoch allgemein. Deshalb ist es das Anliegen dieses Buches, eine methodisch und inhaltlich systematische Vorgehensweise aufzuzeigen, und zwar im Zusammenhang mit der Planung und Ausführung einer gesamten verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Beispiele, Abbildungen und Checklisten liefern praktische Hinweise, erheben aber keinen Anspruch auf Allgemeingültigkeit und Vollständigkeit. Die Darstellung erfolgt vor allem aus Sicht des Betreibers einer Anlage, dessen Interesse in Verfügbarkeit, Sicherheit, günstigen Bedingungen für die Instandhaltung verbunden mit einem günstigen Verhältnis von Investitions- und Betriebskosten liegt. Die beschriebene Vorgehensweise hat sich in vielen durchgeführten und begleitend unterstützten Projekten als zielführend und sinnvoll herausgestellt. Besonders dankbar bin ich für die Unterstützung durch einige Fachkollegen, die mir viele fachliche Anregungen gegeben und mich ermutigt haben, dieses Buch zu Ende zu führen. Mein Dank geht auch an die in den Abbildungen genannten Firmen, die mich mit Bildmaterial und auch fachlicher Diskussion versorgt haben. Auch dem Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit und das intensive Lektorat. Ludwigshafen im Juni 2023

Dr.-Ing. Axel Sperber

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

Die Phasen eines Anlagenbauprojekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Voruntersuchungen (Grundlagenermittlung). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Konzeptphase (Conceptual Engineering). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Entwurfsplanung (Basic Engineering). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Ausführungsplanung („Detailed Engineering“). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5 Beschaffungsphase (Procurement). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.6 Bau- und Montagephase (Construction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7 Inbetriebnahmevorbereitung (Pre-Commissioning). . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.8 Inbetriebnahme (Commissioning). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.9 Gewährleistungsphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.10 Betriebsphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.11 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3

Entwicklung eines Maschinenkonzepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1 Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung. . . . . . . 19 3.1.1 Ventilatoren, Gebläse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.1.2 Turboverdichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.1.3 Schraubenverdichter für Prozessgase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.4 Hubkolbenverdichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.1.5 Membranverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1.6 Weitere Verdichtertypen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Betriebsverhalten und Regelung von Turboverdichtern. . . . . . . . . . . . . 35 3.2.1 Kennfelder von Turboverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Bypassregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.3 Saugdrosselregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.4 Drehzahlregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.5 Eintrittsleitschaufel-Regelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.6 Nachleitschaufel-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

3.3

Betriebsverhalten und Regelung von Hubkolbenverdichtern . . . . . . . . 40 3.3.1 Saugdrosselregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.2 Bypass-Regelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.3 Drehzahlregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.4 Regelung durch Schadraum-Zuschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.5 Regelung durch Ventilabschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.6 Regelung durch stufenlose Saugventilabhebung. . . . . . . . . . 42 3.3.7 Drücke und Temperaturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4 Konzepte für die Wellenabdichtung rotierender Maschinen. . . . . . . . . 42 3.4.1 Funktionsprinzipien für Wellenabdichtungen . . . . . . . . . . . . 43 3.4.2 Weiterführende Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5 Antriebe für Verdichterstränge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.1 Industrie-Dampfturbinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.2 Elektrische Antriebe und Generatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.5.3 Gasentspannungsturbinen (Expander). . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5.4 Industrie-Gasturbinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6 Komponenten der Kraftübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.1 Übersetzungsgetriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.2 Überlagerungsgetriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.3 Kupplungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.7 Verfügbarkeitsanforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.8 Budgetkostenanfrage an Maschinenhersteller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.9 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4

Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1 Der Erfahrungsschatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2 Auditierung von Maschinenherstellern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3 Überlegungen zur Kritikalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3.1 Kritikalität des verfahrenstechnischen Prozesses. . . . . . . . . . 76 4.3.2 Kritikalität der Maschineneinheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.3.3 Kritikalität der Projektpartner und Lieferanten. . . . . . . . . . . 77 4.4 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5

Auswahl des Abwicklungskonzepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1 Abwicklungsmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.1 Eigenabwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.2 Abwicklung mit einem Engineering-Partner. . . . . . . . . . . . . 81 5.1.3 Fremdabwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.1.4 Fremdabwicklung mit „Proprietary Equipment“. . . . . . . . . . 82 5.2 Angebotsprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 Terminüberwachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Inhaltsverzeichnis

IX

5.4 Qualitätssicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Aufgabenteilung zwischen den Vertragspartnern. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.6 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6

Maschinenspezifikation im Detail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.1 Anzuwendende Regelwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.1.1 Rechtsvorschriften, behördliche Regelungen. . . . . . . . . . . . . 93 6.1.2 Öffentliche technische Regelwerke, Best Practice. . . . . . . . . 95 6.1.3 Betreiber- und herstellerspezifische Regelwerke. . . . . . . . . . 98 6.1.4 Umgang mit technischen Regelwerken. . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 Technische Spezifikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.2.1 Allgemeiner Teil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.2.2 Spezifikation von Verdichtern und Dampfturbinen. . . . . . . . 106 6.2.3 Spezifikation von Versorgungssystemen für Öl und Sperrgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.2.4 Spezifikation zugehöriger Apparate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.5 Elektrische Antriebssysteme für Verdichter. . . . . . . . . . . . . . 124 6.2.6 Spezifikation von Wellenkupplungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.2.7 Spezifikation von Übersetzungsgetrieben. . . . . . . . . . . . . . . 128 6.3 Disziplinübergreifende Detailklärungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.3.1 Prozess- und Verfahrenstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.3.2 Thermodynamik und Fluidmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6.3.3 Grundsätzliche Designvorgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.3.4 Werkstoffauswahl und Einsatzgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.3.5 Mechanik und Rotordynamik bei Turbomaschinen. . . . . . . . 137 6.3.6 Massenkräfte und Pulsationen bei oszillierenden Maschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.3.7 Rohrleitungen und Anschlüsse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.8 Aufstellungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.9 Instandhaltungskonzepte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.3.10 Ersatzteilkonzept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3.11 Schutz vor Lärmbelastungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.3.12 Prozessleittechnik (PLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.3.13 Zustandsüberwachung, Maschinen-Monitoring. . . . . . . . . . . 166 6.3.14 Betriebskonzept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.3.15 Gewährleistung und Garantien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.3.16 Weitere vertragliche Überlegungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.4 Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.4.1 Materialinspektionen und Prüfbescheinigungen. . . . . . . . . . 178 6.4.2 Materialinspektion für Gussgehäuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.4.3 Geschweißte Bauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 6.4.4 Fertige Gehäuse, Druck- und Dichtheitsprüfung. . . . . . . . . . 182

X

Inhaltsverzeichnis

6.4.5 Welle und Läufer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.4.6 Wellenabdichtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.4.7 Getriebe und Kupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.4.8 Druckbehälter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.4.9 Hilfs- und Versorgungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.4.10 Mechanischer und thermodynamischer Werks-Probelauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.4.11 Testen von Ersatzläufern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.4.12 Testen elektrischer Antriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7

Vom Angebot zur Bestellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1 Anfragen an Hersteller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 7.2 Inhalt verbindlicher Anfragen und Angebote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.3 Prüfung und Anpassung technischer Angebote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.4 Abwicklung mit den Maschinenherstellern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.4.1 Kommunikationswege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.4.2 Terminplanung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 7.4.3 Mitzuliefernde Unterlagen und Dokumente . . . . . . . . . . . . . 201 7.4.4 Änderungen des Bestellumfangs und Eskalation. . . . . . . . . . 203 7.4.5 Qualitätskontrollen und Abnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 7.4.6 Weitere Vereinbarungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 7.4.7 Serviceleistungen zu Montage und Inbetriebnahme . . . . . . . 207 7.5 Erstellung des Angebotsvergleichs und Herstellerauswahl. . . . . . . . . . 208 7.6 Anpassung und Fixierung der Bestellspezifikation. . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.6.1 Technische und kaufmännische Meilensteine. . . . . . . . . . . . 209 7.7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

8

Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.1 Bestellung und Auftragsbestätigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 8.2 Projektorganisation und Kick-Off-Meeting (KOM) . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.2.1 Formaler Teil des KOM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.2.2 Technischer Teil des KOM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 8.3 Fortschrittsberichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.4 Terminüberwachung (Expediting). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.5 Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.5.1 Technische Datenblätter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 8.5.2 Aufstellungszeichnung und Fundamentplan. . . . . . . . . . . . . 222 8.5.3 R&I-Fließbilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 8.5.4 Betriebsmittel und rechnerische Nachweise . . . . . . . . . . . . . 224 8.5.5 Zeichnungen für den Maschinenstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.5.6 Apparate, Druckbehälter und Rohrleitungen. . . . . . . . . . . . . 229 8.5.7 Versorgungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Inhaltsverzeichnis

XI

8.5.8 Instrumentierung und Maschinensteuerung. . . . . . . . . . . . . . 231 8.5.9 Weitere Dokumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 8.6 Besprechungs-Meilensteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.6.1 Konstruktionsbesprechung (Design-Review-Meeting). . . . . 233 8.6.2 Sicherheitsbetrachtung (Safety-Review-Meeting). . . . . . . . . 234 8.6.3 Pre-Inspection-Meeting (PIM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9

Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.1 Terminüberwachung (Expediting). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2 Dokumentenprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2.1 Lateralschwingungen und Laufstabilität. . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.2.2 Torsionsschwingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.2.3 Pulsationsstudie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2.4 Fundament- und Stutzenbelastungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.2.5 Steuerung und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.3 Qualitätsüberwachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.3.1 Material- und Bauteilprüfungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.4 Fertigungskontrollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.4.1 Hydrostatischer Test drucktragender Komponenten . . . . . . . 255 9.4.2 Leckagetest drucktragender Komponenten. . . . . . . . . . . . . . 256 9.4.3 Visuelle Inspektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.4.4 Reparaturen an drucktragenden Guss-Komponenten. . . . . . . 258 9.4.5 Auswuchten von Rotorkomponenten und Rotoren . . . . . . . . 259 9.4.6 Überdrehzahltest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.7 Run-out-Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.8 Maßprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.4.9 Spielekontrolle (Einbautest). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.4.10 Nullmessungen für Rohrbündel-Wärmeübertrager. . . . . . . . 264 9.4.11 Öl- und fettfreie Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 9.5 Funktionstests und Probeläufe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 9.5.1 Mechanischer Probelauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 9.5.2 Thermodynamischer Probelauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 9.5.3 Mechanische Nachkontrolle (Post-Test-Inspection) . . . . . . . 268 9.5.4 Weitere Funktionstests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 9.5.5 Testen elektrischer und elektronischer Systeme . . . . . . . . . . 272 9.5.6 Endmontage der Maschineneinheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 9.5.7 Endkontrolle und Transportvorbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . 273 9.6 Betriebs- und Instandhaltungsanleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 9.7 Ersatzteillisten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 9.8 Enddokumentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.9 Montagevorbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

XII

Inhaltsverzeichnis

9.10 Erfahrungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 9.11 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 10 Maschinenmontage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 10.1 Verantwortlichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 10.2 Qualitätssichernde Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 10.2.1 Montage-Checkliste (ITP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 10.2.2 Klärungs- und Mängelliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 10.2.3 Tagesprotokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 10.2.4 Montagebesprechung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 10.3 Warenannahme und Lagerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 10.4 Fundamentvorbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 10.5 Maschinenplatzierung und Grobausrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 10.6 Montage von Behältern und Versorgungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . 297 10.7 Maschinenstrang-Feinausrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 10.8 Rohrleitungsinstallation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 10.9 Entlüftungen, Entwässerungen, Sicherheitsarmaturen . . . . . . . . . . . . . 302 10.10 Isolierung und Begleitbeheizung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 10.10.1 Berührungsschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 10.10.2 Isolierung von Rohrleitungen und Apparaten . . . . . . . . . . . . 302 10.10.3 Isolierung von Dampfturbinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 10.11 Elektroinstallation, Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 10.12 Schallschutz und Luftfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 10.12.1 Schallschutzhauben und Luftfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 10.12.2 Rohreinbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 10.13 Begehbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 10.14 Versorgungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 10.14.1 Ölversorgungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 10.14.2 Sperrgassysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 10.14.3 Andere Versorgungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 10.15 Weitere Funktionstests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 10.15.1 Motor-Solo-Run. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 10.15.2 Drehvorrichtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 10.15.3 Turbine-Solo-Run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 10.16 Kupplungsmontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 10.17 Mechanische Fertigstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 10.18 Erfahrungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 10.19 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 11 Erst-Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 11.1 Kalt-Inbetriebnahme (Pre-Commissioning). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 11.1.1 Personalschulung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 11.1.2 Hubkolbenverdichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

Inhaltsverzeichnis

XIII

11.1.3 Turbo- und Schraubenverdichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 11.1.4 Ausblasen von Frischdampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 11.1.5 EG-Konformitätserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 11.2 Anzeige der Betriebsbereitschaft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 11.3 Vorbereitungsarbeiten für Start-Up. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 11.4 Heiß-Inbetriebnahme (Commissioning) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 11.5 Garantieläufe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 11.6 Abnahme und Restpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 11.7 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 12 Betrieb und Instandhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12.1 Instandhaltungsstrategie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12.2 Der laufende Maschinenstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 12.3 Maschinenüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 12.3.1 Messwerte der Maschinenüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . 334 12.3.2 Zustandsüberwachungssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 12.4 Wartung & Inspektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 12.4.1 Auswertung von Maschinenschwingungen. . . . . . . . . . . . . . 337 12.4.2 Maßnahmen im laufenden Betrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 12.4.3 Maßnahmen im Stillstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 12.5 Revisionen am Maschinenstrang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 12.5.1 Technische Revisionsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 12.5.2 Revisionsmanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 12.5.3 Ersatzteilvorhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 12.5.4 Materialien und Werkzeuge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 12.5.5 Vorbereitende Maßnahmen für die Revision. . . . . . . . . . . . . 346 12.5.6 Zerlegen und Reinigen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 12.5.7 Inspektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 12.5.8 Reparaturen und Nacharbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 12.5.9 Überwachungsbedürftige Anlagenteile . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 12.5.10 Verbesserungsmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 12.5.11 Wieder-Zusammenbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 12.5.12 Wieder-Inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 12.5.13 Dokumentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 12.6 Fragestellungen zu Garantie und Gewährleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . 351 12.7 Kapazitätserweiterungen und „Revamp“. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 12.8 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 13 Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 13.1 Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen . . . . . . . 355 13.1.1 Thermodynamik des Verdichtungsvorgangs . . . . . . . . . . . . . 356 13.1.2 Thermodynamische Kennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 13.1.3 Berechnungs-Erfahrungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

XIV

Inhaltsverzeichnis

13.1.4 Weitere Fragestellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 13.1.5 Dimensionslose Kennzahlen von Radialverdichtern. . . . . . . 362 13.2 Abkürzungsverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 13.2.1 Allgemeine Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 13.2.2 Einheiten und Formelzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 13.3 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Sachwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

1

Einführung

Der Schwerpunkt dieses Buches liegt auf den Aktivitäten zur Konzeption, Beschaffung und zum Betrieb von großen Maschinensträngen, die der Verdichtung oder Expansion von Prozessgasen in verfahrenstechnischen Produktionsanlagen sowie deren Antrieb dienen. Ihre Leistungsbedarfe gehen von etwa 100 kW bis in den Bereich von 100 MW, in bestimmten Fällen auch darunter oder darüber. Eine klare Abgrenzung gibt es hierzu nicht. Diese Maschinenstränge fallen unter den Begriff „Heavy Duty Rotating Equipment“, abgekürzt „HDRE“. Ihre Auslegung und Fertigung erfolgt auf ihren speziellen Einzelfall bezogen. Sie sind dementsprechend kostspielig in Anschaffung und im Betrieb. Wegen ihrer hohen Investitionskosten werden sie häufig einsträngig betrieben. Damit spielt der Aspekt der Verfügbarkeit eine entscheidende Rolle. Auf der anderen Seite ist beim Umgang mit häufig gefährlichen und giftigen Medien in Maschinen mit bewegten und rotierenden Teilen der Aspekt der Sicherheit wesentlich. Dies gilt im Sinne von Maschinensicherheit wie auch von Anlagen- und Arbeitssicherheit. Jede Entscheidung im Rahmen der Konzeption und Beschaffung hat große finanzielle Konsequenzen für den späteren Betrieb und sollte deshalb mit großer Sorgfalt und mit Fachwissen getroffen werden. Der Begriff Maschinenstrang umfasst Antriebsmaschine, Kupplung(en), Getriebe, Arbeitsmaschine. Zum Betrieb eines Maschinenstrangs werden Hilfsanlagen wie Ölsystem und Sperrgassystem benötigt. Deswegen wird auch der Begriff der Maschineneinheit benutzt. Dieser umfasst den Maschinenstrang mit seinen Hilfsanlagen und Versorgungssystemen, aber auch weitere zugehörige Komponenten wie Wärmeübertrager, Flüssigkeitsabscheider, Dampfkondensatoren, Pulsationsdämpfer, Schalldämpfer, Luftfilter, Maschinenschutz- und -überwachungssysteme sowie Schallschutzhauben. Bezüglich der geförderten Medien beschäftigt sich dieses Buch mit gas- und dampfförmigen Medien, nicht jedoch mit Flüssigkeiten (Pumpen). © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_1

1

2

1 Einführung

Ebenfalls nicht betrachtet werden Kältemaschinen und die Drucklufterzeugung. Für diese existiert ebenfalls einschlägige Literatur, z. B. Ruppelt (2002)1 für die Drucklufterzeugung. Auch solche Maschinen sind nicht im Fokus, die direkt über einen Herstellerkatalog beschafft werden können. In diesem Buch betrachtet werden auf den jeweiligen verfahrenstechnischen Prozess in einer Anlage optimierte Einzelanfertigungen. Sie stammen in der Regel aus Baukastensystemen der Maschinenhersteller mit an den Einzelfall angepassten Auslegungen und Komponenten, die auch beim Maschinenhersteller einen erheblichen Engineering-Aufwand erfordern. Das vorliegende Buch soll eine Brücke schlagen zwischen der Fachliteratur, die sich speziell mit Projektmanagement befasst, derjenigen, die die technischen Details der Maschinentechnik zum Inhalt hat und weiterhin derjenigen, die sich auf Qualitätssicherung bezieht. Die Buchkapitel lehnen sich in ihrer technischen Detailtiefe an die zeitliche Ablaufkette eines Anlagenbauprojekts an, und zwar an den Teil, der sich mit den für das Anlagenbauprojekt erforderlichen HDRE-Maschinen befasst. Kap. 2 gibt einen Überblick über die verschiedenen Phasen eines Projekts zur Errichtung einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage bis hin zu deren Betrieb. Hier werden im Überblick die Aufgaben und Rollen beschrieben, die ein „HDRE-Engineer“ als Fachingenieur in der Rolle als Maschinenplaner und -beschaffer während der einzelnen Projektphasen ausfüllt. Er vertritt dabei seine Rolle im Sinne des Eigentümers bzw. Betreibers der Produktionsanlage. Kap. 3 beschreibt die Vorgehensweisen und Elemente, die zur Erarbeitung eines Maschinenkonzepts notwendig sind. Der Leser erhält einen Überblick über die gängigen HDRE-Maschinentypen mit ihrem Betriebsverhalten und ihren Regelungskonzepten, sowie weiteren technischen Komponenten der Kraftübertragung im Antriebsstrang. Dargestellt werden ihre wesentlichen technischen Einzelheiten. Kap. 4 beschreibt, wie auf Basis eines erstellten Maschinenkonzepts eine Auswahl von potenziellen Maschinenherstellern ermittelt wird. Wesentlich in diesem Zusammenhang ist die Bedeutung einer Maschineneinheit im Produktionsprozess. Hilfreich sind auch bisherige Erfahrungen der Hersteller und deren Referenzen. Kap. 5 beschreibt Vor- und Nachteile verschiedener Abwicklungskonzepte für die Beschaffung einer Maschineneinheit, sowie wesentliche Elemente der Angebotsprüfung, Terminüberwachung und Qualitätssicherung im Beschaffungskonzept. Kap. 6 beschreibt die Vorgehensweise zur technischen Spezifikation einer Maschineneinheit. Diese findet meist bereits während der Entwurfsplanungsphase des Anlagenbauprojekts statt. Detailliert wird auf die Verwendung technischer Regelwerke und Standards hingewiesen. Die notwendigen Elemente der technischen Spezifikation für alle Komponenten innerhalb einer Maschineneinheit werden dargestellt. Daneben erhält

1 Ruppelt

E (ed) (2002) Druckluft-Handbuch, 4. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen

1 Einführung

3

der Leser Informationen über die Details, die übergreifend über die verschiedenen Fachdisziplinen geklärt werden müssen, von der Bautechnik bis zur Prozessleittechnik. Kap. 7 beschreibt die Vorgehensweise von der Angebotsanfrage an potenzielle Maschinenhersteller über Abwicklungsmodelle und vertragliche Konstellationen, die Durchführung von Angebotsvergleichen bis hin zur Bestellreife von Ausschreibung und Angebot. Kap. 8 beschreibt den ersten Teil der Abwicklungsphase mit dem ausgewählten Maschinenlieferanten bzw. Hersteller. In dieser Phase, der Engineering-Phase des Herstellers, plant dieser die technischen Einzelheiten der bestellten Maschineneinheit. Es wird über Projektorganisation, Kontrolle der vom Hersteller erstellten Dokumente, Berechnungen und Zeichnungen gesprochen, insgesamt über den Weg bis zum „Einfrieren“ der Dokumente vor der tatsächlichen Fertigung. Der Leser erhält Informationen zu den Inhalten wichtiger Besprechungs-Meilensteine wie Konstruktionsbesprechung, Sicherheitsbesprechung und „Pre Inspection Meeting“. Kap. 9 beschreibt den zweiten Teil der Abwicklungsphase, in welcher die Fertigung einer Maschineneinheit tatsächlich erfolgt. Auch in dieser Phase werden wichtige Dokumente geprüft. Der Fokus liegt jedoch auf Qualitätssicherung, Fertigungskontrollen, Funktionstests und Probeläufen, bis hin zu einer Werks-Endkontrolle. Bedeutsam in dieser Phase ist ebenfalls die Erstellung und Prüfung von Betriebs- und Instandhaltungsvorschriften sowie die Planung von Ersatzteilen. Kap. 10 beschreibt die Montagephase einer Maschineneinheit. Es werden zunächst für diese Phase wichtige qualitätssichernde Maßnahmen besprochen. Es folgen die erforderlichen Einzelschritte während der Montage bis hin zur mechanischen Fertigstellung. Diese umfasst in der Regel die Inbetriebnahme der Hilfsanlagen und Versorgungssysteme, Funktionstests der Instrumentierung und Maschinensteuerungen sowie Funktionstests von mechanischen und elektrischen Einzelkomponenten. Kap. 11 beschreibt die Inbetriebnahmephase einer Maschineneinheit. Sie beginnt nach der mechanischen Fertigstellung und umfasst meist einen „kalten“ und einen „heißen“ Teil. Der „kalte“ Teil endet mit der Bereitschaft der Maschineneinheit für den Produktionsbetrieb, ggf. im Kreislaufbetrieb eines Verdichters. Während des „heißen“ Teils nach dem Anfahren erfolgt die Einbindung in den Produktionsprozess. In diesem Rahmen finden auch Garantieläufe und die Übergabe der Maschineneinheit an die Betreiberorganisation statt. Kap. 12 beschreibt die Betriebsphase einer Maschineneinheit. Themen hierbei sind einerseits Maschinenüberwachung, Wartung und Inspektion. Das Kapitel führt andererseits die wesentlichen Maßnahmen zur Planung und Durchführung von Maschinenrevisionen auf. Am Schluss wird noch auf Maßnahmen zu Kapazitätserweiterungen und Schwachstellenbeseitigung eingegangen. Im abschliessenden Kap. 13 wird noch detailliert auf die Thermodynamik des polytropen Verdichtungsprozesses eingegangen. Es wird eine Berechnungsmethodik beschrieben und auf die wichtigsten Kennwerte für Turboverdichter eingegangen. Es folgen Abkürzungsverzeichnis und Glossar.

4

1 Einführung

Um eine flüssige Lesbarkeit des Buches zu gewährleisten, wird für die Bezeichnung von Rollen und Verantwortlichkeiten jeweils das generische Maskulinum verwendet. So kann mit „HDRE-Engineer“ sowohl eine Funktionseinheit als auch eine oder mehrere Personen jedes Geschlechts gemeint sein. Da Funktionen und Rollen erheblich von der Vertragskonstellation eines Anlagenbau-, Betreiber- oder Instandhaltungsvertrags abhängig sind, wird zur Vereinheitlichung der Darstellung begrifflich von Folgendem ausgegangen: • Die Konzeptplanung erfolgt durch den Endkunden als Maschinen- oder Anlagenbetreiber, der gleichzeitig auch Investor und Eigentümer der Anlage ist und auch die fachlichen Kompetenzen und personellen Kapazitäten für die Durchführung eines Anlagenbauprojekts hat. Bezeichnet wird er in diesem Buch während der Projektabwicklung als Endkunde, nach Abnahme als Betreiber. Es kann auch andere Konstellationen geben, in denen noch ein externer Investor im Spiel ist oder der Betrieb der Anlage einer anderen Organisation übertragen wird. Der HDRE-Engineer vertritt damit den Betreiber als Endkunden in allen technischen Fragestellungen, die eine Maschineneinheit betreffen. • Verfahrensträger für die geplante verfahrenstechnische Anlage kann der Betreiber selbst sein, wie auch eine andere Organisation unter Vergabe einer Lizenz an den Betreiber. • Engineering, Beschaffung und Montage der Produktionsanlage bzw. der Maschineneinheit kann entweder in Eigenabwicklung des Betreibers, oder auch durch einen oder mehrere Kontraktoren auf Basis von technischen Unterlagen des Betreibers erfolgen. Die Prüfung und Genehmigung von Detail-Unterlagen erfolgt dann auch meist durch den Betreiber. Qualitätssicherungsmaßnahmen werden entweder durch den HDREEngineer selbst oder durch den zuständigen Kontraktor durchgeführt, dies nach Möglichkeit unter Beteiligung und Aufsicht des Betreibers. • Zur Durchführung eines Anlagenbauprojekts wird eine Projektorganisation aufgebaut, die aus Vertretern aller erforderlichen Fachdisziplinen besteht und ein in diesem Buch so bezeichnetes Projektteam bildet. Der HDRE-Engineer ist derjenige Teil dieses Projektteams, der sich um alle Belange kümmert, die sich mit der Planung und Beschaffung der für das Projekt erforderlichen HDRE-Maschinenstränge kümmert. • Erfolgt die Projektabwicklung oder Teile davon nicht durch den Endkunden bzw. Betreiber selbst, sondern durch einen Kontraktor, so wird eine im Wesentlichen spiegelbildliche Projektorganisation aufgebaut. D. h. auch der Kontraktor stellt einen HDRE-Engineer auf, der mit dem HDRE-Engineer des Betreibers zusammenarbeitet. • Die Bestellung einer Maschineneinheit erfolgt in Form eines Liefervertrages bei einem Maschinenlieferanten, entweder durch den Anlagenbetreiber selbst oder durch den von ihm für die Maschineneinheit oder die Produktionsanlage beauftragten Kontraktor. Im folgenden Text wird der direkte Vertragspartner des Maschinenlieferanten auch „Käufer“ genannt.

1 Einführung

5

• Der Maschinenlieferant ist im Regelfall der Strangverantwortliche für die bestellte Maschineneinheit, bestehend aus Maschinenstrang und dem kompletten, mitbestellten Lieferumfang aus Engineering-Leistungen, technischen Komponenten, Neben- und Versorgungsanlagen und ihrer Dokumentation. Üblicherweise handelt es sich dabei um den Originalhersteller (Maschinenlieferant) mindestens einer Hauptkomponente des Maschinenstrangs. Als Bezeichnung wird im Buch der Begriff „Maschinenlieferant“ in diesem Sinne benutzt2.

2 In

einigen Fällen werden Antriebsmotoren für einen Maschinenstrang aus dem Lieferumfang des Maschinenlieferanten und damit aus der Maschineneinheit herausgenommen und separat beschafft.

2

Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

Bei einem Projekt für den Bau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage kann es sich um eine Neuanlage auf einem neuen Standort („Greenfield-Projekt“) oder ein Ersatz- oder Erweiterungsprojekt auf einem bestehenden Standort („BrownfieldProjekt“) handeln. Meist wird dabei „Rotating Equipment“ wie Pumpen, Kälteanlagen, Ventilatoren benötigt, in einigen Fällen auch „Heavy Duty Rotating Equipment“ (HDRE), z. B. in Form von Maschineneinheiten, die Verdichter und Turbinen umfassen. „Heavy Duty Rotating Equipment“ (HDRE) ist in der Regel „Long Lead Equipment“ (LLE), denn die Lieferzeiten bewegen sich im Rahmen von ein bis drei Jahren. Zudem ist im Rahmen der Konzeption und Beschaffung eine sehr detaillierte, zeitaufwendige Planung und Spezifikation notwendig. Deswegen ist eine möglichst frühe Einbindung ins Anlagenbauprojekt sinnvoll, wenn möglich schon in der Konzeptphase während der Grundlagenermittlung. Erfahrungsgemäß erfolgt die Einbindung aber oft sehr spät und lässt damit eine Optimierung des Maschinenkonzepts nur unter Zeitdruck zu. Abb. 2.1 zeigt das Phasendiagramm eines Anlagenbauprojekts. Die einzelnen Phasen werden vom Betreiber oder Investor meist einzeln genehmigt und in Auftrag gegeben. Teilweise sind Überschneidungen möglich, die parallel abgewickelt werden. Dies entspricht im allgemeinen der Realität, um Zeit und damit verbundene Kosten so weit wie möglich zu reduzieren. Damit erhöht sich jedoch auch die Komplexität des Projekts. Bei zeitkritischen Projekten kann bereits vor dessen endgültiger Genehmigung zur Ausführung eine Bestellung von LLE erforderlich werden. In diesem Fall ist eine Vorab-Genehmigung durch den Projekt-Lenkungsausschuss bzw. den Investor notwendig. Um eine solche zu erhalten, sollten zuvor für den Fall eines späteren Projektabbruchs geeignete Ausstiegsszenarien erarbeitet werden, die die Kosten begrenzen. Eine Möglichkeit ist, dass der Lieferant einer Maschineneinheit zunächst nur mit seinem „Detailed Engineering“ beauftragt wird.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_2

7

8

2  Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

Abb. 2.1   Phasenmodell für Planung und Realisierung verfahrenstechnischer Anlagen. (Aus: Weber (2016), S. 4, Abb. 1.2)

In den folgenden Abschnitten wird skizziert, welche Hauptaufgaben sich insbesondere für den HDRE-Engineer in der Rolle als Maschinenplaner und Maschinenbeschaffer während der einzelnen Projektphasen stellen. „HDRE-Engineer“ bezeichnet hier den Fachingenieur für „Heavy Duty Rotating Equipment“, der auf Seite des Anlagenbetreibers für das Maschinenkonzept und dessen Umsetzung verantwortlich ist. Idealerweise wird sich seine Tätigkeit durch den gesamten Prozess von der Konzeptphase über die Beschaffung, Montage und Inbetriebnahme bis hin zum Ende der Gewährleistungsphase hindurch ziehen. Der HDRE-Engineer ist die verantwortliche Schnittstelle zwischen Betreiber, Maschinenlieferant, Projektteam, Instandhaltungsorganisation und ggf. dem HDRE-Engineer des für das Projekt verantwortlichen (EPC-) Kontraktors oder Engineering-Partners. Idealerweise besitzt er detaillierte technische Kenntnisse über diese Maschinen, kann Leitungsfunktionen in interdisziplinären, oft auch internationalen Teams ausüben, hat Erfahrung im Umgang mit HDREMaschinenherstellern und EPC-Kontraktoren und im Projektmanagement. Im Projekt-Organigramm steht der HDRE-Engineer entweder in der Funktion des „HDRE Lead Engineer“ oder als „HDRE-Engineer“ im Team des „Mechanical Lead Engineer“. Im Falle von Projekten, welche ganz oder teilweise von einem EngineeringKontraktor bearbeitet werden, wird in dessen Organigramm ebenfalls ein HDREEngineer als direkter Ansprechpartner zu finden sein.

2.2  Konzeptphase (Conceptual Engineering)

9

Als vertiefende Literatur zum Thema Planung verfahrenstechnischer Anlagen und Projektmanagement wird an dieser Stelle auf Weber (2016)1 und Malwitz (2016)2 verwiesen.

2.1 Voruntersuchungen (Grundlagenermittlung) Am Anfang eines Anlagenbauprojekts steht meist eine Machbarkeitsstudie („Feasibility Study“), in der Kosten und Nutzen grob geschätzt werden. Dabei werden unterschiedliche Anlagenkonzepte miteinander verglichen und deren technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit, auch unter Aspekten geeigneter Standorte, betrachtet. Ein grobes Lastenheft wird erstellt. In dieser Phase wird allenfalls grundsätzlich über Maschinentechnik gesprochen, falls diese einen essenziellen Anteil der Anlage ausmacht. Erforderliche HDRE-Maschinen könnten jedoch zu diesem Zeitpunkt bereits bekannt sein, vor allem dann, wenn es sich um eine zu einer existierenden „ähnliche“ Anlage handelt.

2.2 Konzeptphase (Conceptual Engineering) Die Konzeptphase wird auch als Projektvorbereitungsphase oder Vorplanungsphase bezeichnet. Die Durchführung obliegt dem Investor, Verfahrensträger oder Betreiber. In der Konzeptphase geht es im Wesentlichen um die Erarbeitung technischer Lösungsalternativen sowie die Auswahl des endgültigen Anlagenkonzepts. Disziplinspezifische Konzepte werden erstellt. Dazu gehört die Ermittlung des technischen Anlagenumfangs einschließlich einer Liste der Hauptausrüstungen, in der auch eine vorläufige Maschinenliste enthalten ist. Die mögliche Genauigkeit für die Kostenermittlung wird dabei nicht besser als ± 25 % sein. In dieser Phase wird entschieden, ob der Verfahrensträger oder Betreiber neben der Finanzierung ausreichend Personalressourcen für die Weiterführung des Projekts unter eigener Verantwortung zur Verfügung stellen kann. Andernfalls wird das Basic Engineering als nächste Phase entweder an einen Kontraktor ausgeschrieben, oder Fachpersonal wird über einen Engineering-Partner zur Verfügung gestellt. Festgelegt und dokumentiert wird auch, welche der Maschinenstränge aus der Maschinenliste zu den kritischen Anlagenteilen gehören und als HDRE klassifiziert werden, und welche davon aufgrund ihre langen Lieferzeiten zum „Long Lead

1 Weber,

K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, 2. Auflage, Springer, Dresden et al. (2016) Projektmanagement im Anlagenbau, Springer Vieweg, Wiesbaden

2 Malwitz, A

10

2  Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

­ quipment“ (LLE) gehören. Diese betragen meist zwischen 15 und 24 Monate, bei E größerer Maschineneinheiten je nach Auslastung der Maschinenhersteller auch mehr. Der HDRE-Engineer erhält neben dieser Klassifikation die Aufgabe, für die komplexeren Maschinenstränge Schätzkosten zu ermitteln. Werden häufig ähnliche Maschinen beschafft, können hierfür Tabellen für Schätzkosten bereits beschaffter Maschinen nützlich sein. Deren Aussagefähigkeit ist aufgrund der Komplexität von Verdichtern und Turbinen jedoch beschränkt. Eigene Berechnungswerkzeuge auf Basis der Thermodynamik sind nützlich, um den Leistungsbedarf und damit auch die Betriebskosten abzuschätzen. Manche Verdichterhersteller bieten auch selbst internetbasierte Tools an, mit denen eine Vorauswahl aus ihrem eigenen Maschinensortiment getroffen werden kann. Siemens Energy bietet hierfür z. B. die „Rotating Equipment Selector“ App3 an. In der Regel wird man jedoch mit einem oder mehreren potenziellen Herstellern direkten Kontakt aufnehmen, um eine grobe Kostenschätzung vorzunehmen. Diese kann umso genauer sein, je detaillierter die Vorstellung vom gewünschten Liefer- und Leistungsumfang bereits ist. Denn einen wesentlichen Anteil der Investitionskosten machen die erforderlichen Hilfs- und Versorgungssysteme aus. Im Rahmen der Kostenschätzung zu beachten ist, dass eine Abschätzung der reinen Investitionskosten der Maschineneinheit nicht ausreichend ist. Nach Erfahrungen des Autors sind bei Neubauprojekten Installationskosten in Höhe von 70 … 100 % der Investitionskosten hinzuzurechnen, je nach Aufwand der Einbindung in die Gesamtanlage. Zusätzlich kann man Ersatzteilkosten in Höhe von 25 % erwarten. In der Konzeptphase ist es auch oft noch möglich und sinnvoll, Einfluss auf die Verfahrenstechnik der Anlage zu nehmen. PRAXISBEISPIEL – ÄNDERUNG VERFAHRENSTECHNISCHER PARAMETER

Eine geringfügige Verringerung der gewünschten Verdichtungs-Enddrücke unter leichter Anpassung der Verfahrenstechnik könnte dazu führen, Kostensprünge aufgrund einer Erhöhung der erforderlichen Stufenzahl zu vermeiden.

2.3 Entwurfsplanung (Basic Engineering) In der Phase der Entwurfsplanung wird ein verbindlicher Gesamtentwurf für die künftige Produktionsanlage unter Auslegung des Verfahrens und Festlegung der erforderlichen technischen Ausstattung erstellt. Weiterhin wird die Art der weiteren Abwicklung

3 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.SiemensEnergy.RotatingEquipmentSelector& hl=de&gl=US

2.3  Entwurfsplanung (Basic Engineering)

11

festgelegt. Diese Planungsphase wird auch mit Pre-FEED, FEED4 oder auch FEL5 bezeichnet. In dieser Phase werden diejenigen Dokumente erstellt, auf deren Basis eine Investitionsentscheidung getroffen und das behördliche Genehmigungsverfahren durchgeführt werden kann. Die hier erstellten technischen Planungsunterlagen müssen die Durchführung des „Detailed Engineering“ und die Bestellung terminkritischer Ausrüstung ermöglichen. Für die geplante Anlage werden unter anderem vorläufige Pläne für Aufstellung, wesentliche technische Ausrüstungen und Termine sowie eine Kostenschätzung durchgeführt. Wenn möglich, erfolgt die Durchführung komplett durch den Betreiber selbst, oder mit Unterstützung durch Engineering-Partner. Für die Maschinenplanung relevante Dokumente aus dieser Phase sind • Projektumfang, • Verfahrensgrundlagen (Design-Basis), • Lageplan und Aufstellungspläne, • Verfahrensfließschema mit Mengenströmen (PFDs) und R&I-Fließbildern, • disziplinspezifische Anforderungen für Hoch- und Tiefbau, Prozessleittechnik, Elektrotechnik, Schallschutz, • verbindliche Rohr-, Dichtungs- und Armaturenklassen, • Anforderungen an die Werkstoffauswahl, • ein Konzept für Gesundheits-, Anlagen- und Umweltschutz, • Bedienungs-, Wartungs- und Instandhaltungskonzepte, • Ersatzteilkonzept bezüglich Umfang und Lagerung, • Beschaffungskonzept einschließlich Bau, Montage und Inbetriebnahme, • Unterlagen für die interne Projektgenehmigung, • Unterlagen für die Behördengenehmigung, • Kostenermittlung mit einer erforderlichen Genauigkeit von meist ± 10  %. Eine detaillierte Darstellung dieser Phase findet sich bei Weber (2016)6, sowie eine Übersicht der erstellten Dokumente dort auf S. 415, Tabelle 4.43. Die Lieferung von HDRE-Maschinensträngen ist in der Regel terminkritisch und bildet in manchen Fällen sogar den kritischen Pfad in einem Anlagenbauprojekt. Wegen der hohen Kosten von HDRE-Maschinen sollte auch bereits ein belastbares Angebot vorliegen, um eine ausreichende Genauigkeit der Kostenschätzung für die Genehmigung des Detail Engineering zu erhalten. Dies bedeutet, dass der HDRE-Engineer vielfach bereits

4 FEED = Front

End Engineering Design End Loading 6 Weber, K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, Kap. 4: Entwurfsplanung, 2. Auflage, Springer, Dresden 5 FEL = Front

12

2  Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

zum Ende der Phase des Basic Engineering bestellreife Unterlagen ausarbeiten muss, unter Nutzung aller bis dahin bekannten Informationen. Konkret bedeutet dies: die erforderlichen technischen Datenblätter sind bis dahin fertiggestellt, detaillierte Angebote seitens der infrage kommenden Maschinenlieferanten liegen vor. Mit Maschinenherstellern und Vertretern der Fachdisziplinen sind ausführliche technische Durchsprachen erfolgt. Technische Randbedingungen und andere Details sind geklärt, damit spätere substanzielle Änderungen am Bestellumfang mit der Folge kostspieliger Change-Orders nach Möglichkeit vermieden werden können. Gegebenenfalls konnte auch eine „Shortlist“ der möglichen Maschinenlieferanten aufgestellt werden, um den Aufwand an Anfragen und Durchsprachen mit den Maschinenlieferanten in der nächsten Phase im Rahmen zu halten. In dieser Phase wird auch entschieden, ob der Verfahrensträger bzw. Betreiber ausreichend Ressourcen für die Weiterführung des Projekts unter eigener Verantwortung zur Verfügung stellen kann. Andernfalls wird das „Detailed Engineering“ als nächste Phase extern ausgeschrieben. In vielen Fällen erfolgt eine Vergabe an einen EPCKontraktor, der nach der Beschaffungsphase auch für Bau und Montage verantwortlich ist. Wenn ein Verfahrensträger im Spiel ist, wird auch dieser Aufgaben übernehmen und Anforderungen definieren. Mit welchen Inhalten die Verträge mit Kontraktor und Verfahrensträger abgeschlossen werden, ist entscheidend für den Einfluss des betreiberseitigen HDRE-Engineer auf die qualitative Ausführung der späteren Maschinenbestellungen.

2.4 Ausführungsplanung („Detailed Engineering“) In der Phase der Ausführungsplanung werden die bereits vorhandenen, vorläufigen Dokumente in ihren Einzelheiten spezifiziert und bestellreif finalisiert. Die Projektrisiken werden ermittelt. Behördengenehmigungen für die Beschaffung der Anlage werden eingeholt. Bedingt durch den gegenüber dem Basic Engineering deutlich erhöhten Aufwand muss für das „Detailed Engineering“ bereits eine diesbezügliche Genehmigung vorliegen. Eine detaillierte Darstellung dieser Phase mit den Aufgaben der verschiedenen Fachdisziplinen für den Bau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage findet sich bei Weber (2016)7. Für die kritischen HDRE-Maschineneinheiten und anderes „Long Lead Equipment“, z. B. große Kolonnen, müssen die Bestellungen oft gleich zu Beginn dieser Phase ausgelöst werden. Hierzu bedarf es einer Vorab-Genehmigung. Damit beginnt für „Long

7 Weber,

K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, Kap. 7: Ausführungsplanung, 2. Auflage, Springer, Dresden

2.6  Bau- und Montagephase (Construction)

13

Lead Equipment“ bereits die unten beschriebene Beschaffungsphase. Dies stellt ein gewisses Kostenrisiko für das Projekt dar. Erhebliche Mehrkosten im Sinne von Change-Orders können dadurch entstehen, dass noch nicht alle kostenrelevanten Informationen vorliegen und unter anderem eine detaillierte Sicherheitsdurchsprache noch nicht erfolgen konnte. Einige Informationen hierzu werden erst während der Ausführungsplanungsphase erarbeitet.

2.5 Beschaffungsphase (Procurement) Die Beschaffungsphase erstreckt sich vom Zeitpunkt der Bestellung bis zur Lieferung auf der Baustelle. Sie umfaßt die Detailplanung des Maschinenlieferanten bis zur endgültigen Festlegung der Einzelkomponenten, Fertigung und Beschaffung seitens des Maschinenlieferanten sowie Zusammenbau und Tests. In dieser Phase ist eine sehr intensive Zusammenarbeit zwischen HDRE-Engineer, Betreiber, Kontraktoren und Maschinenlieferanten erforderlich. Dokumente und Zeichnungen müssen geprüft werden, Zeitpläne überwacht, qualitätssichernde Maßnahmen getroffen, Prüfungen und Funktionstests durchgeführt und bewertet werden. Der Transport der HDRE-Maschinen vom Herstellerwerk des Maschinenlieferanten zur Baustelle wird unterschiedlich gehandhabt. Der Hersteller kann vertraglich verpflichtet werden, das Equipment zu einem bestimmten Termin zur Montagestelle zu bringen. Alternativ holt der Betreiber oder der Kontraktor das Equipment selbst vom Hersteller ab. Der Gefahrenübergang muss vertraglich festgelegt werden, in den meisten Fällen gemäß INCOTERMS®8.

2.6 Bau- und Montagephase (Construction) Die Bau- und Montagephase umfasst die Summe aller Tätigkeiten, die zur physischen Errichtung der Produktionsanlage auf der Baustelle durchgeführt werden müssen. Im Sinne dieses Buches beschreibt sie den Abschnitt zwischen Anlieferung der Maschine auf der Baustelle und mechanischer Fertigstellung (MC, „Mechanical Completion“). Die Maschinenstränge müssen dann fest auf ihrem Fundament montiert sein, ebenso alle zugehörigen Hilfs- und Versorgungsanlagen. Die gesamte Verrohrung ist erfolgt und befestigt sowie spannungsfrei ausgerichtet. Verkabelung und Instrumentierung ist komplettiert und im Rahmen von sogenannten Loop-Checks

8  Weltweit

anerkannte, einheitliche Vertrags- und Lieferbedingungen, die den Parteien eines Kaufvertrages eine standardisierte Abwicklung im internationalen, aber auch nationalen, Handelsgeschäft ermöglichen. Die Incoterms® haben die Aufgabe, die Kostenverteilung, die Risikoverteilung und die Sorgfaltspflichten zwischen den Vertragspartnern festzulegen.

14

2  Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

getestet. Je nach Vertragsgestaltung und Möglichkeiten auf der Baustelle können bereits Teile der Inbetriebnahmevorbereitung in diese Phase hineingelegt werden. Diese Phase schließt mit einem Zertifikat und einer Auflistung der danach noch abzuarbeitenden Mängel („Punch List“) ab.

2.7 Inbetriebnahmevorbereitung (Pre-Commissioning) Durchführung und Abschluss der Inbetriebnahmevorbereitung sind die Voraussetzungen dafür, dass der HDRE-Maschinenstrang bereit für den vorgesehenen Einsatz in der Produktionsanlage ist. Voraussetzung für den Abschluss dieser Phase ist, dass alle dafür erforderlichen Betriebsmittel, Instrumentenluft, Stickstoff, usw. freigegeben sind. Zur Inbetriebnahmevorbereitung gehören in der Regel die Aktivitäten • • • • •

Reinigen und Befüllen des Öltanks, Reinigen und Testen des Ölsystems unter Umgehung der Lager, Reinigen und Testen des Sperrgassystems, Befüllen der Prozessleitungen mit Stickstoff (wenn erforderlich), Durchführen und Dokumentieren von Loop-Tests bezüglich Maschinenüberwachung, Regelung und Steuerung, • Durchführen eines Probelaufes einer HDRE-Verdichtereinheit „im Kreis“ mit Stickstoff mit Funktionstests der Maschinenregelung. Die grundsätzliche Verantwortlichkeit sollte mindestens bis zum Ende dieser Phase beim Maschinenlieferanten liegen, so weit es seinen Lieferumfang betrifft. Diese Phase schließt wiederum mit einem Zertifikat („Ready for Startup“) und einer Auflistung der danach noch abzuarbeitenden Mängel („Punch List“) ab.

2.8 Inbetriebnahme (Commissioning) In der Inbetriebnahmephase wird die Produktionsanlage bzw. die HDRE-Maschineneinheit in den Dauerbetrieb überführt. Die Vorgehensweise während der Inbetriebnahme der Maschineneinheit hängt sehr davon ab, wie weit die Fertigstellung der Gesamtanlage gediehen ist. Notwendig ist die Verfügbarkeit von Betriebsstoffen und Prozessgas. Im Anschluss an die Inbetriebnahme sollte auch ein Leistungstest unter Betriebsbedingungen erfolgen. Dabei ist für einen Verdichter zu klären, ob er die vertraglich vereinbarten und garantierten Mengen und Drücke erreicht, wenn dies wegen abweichender Gase und Testbedingungen bei den im Herstellerwerk erfolgten Leistungstests nur rechnerisch nachgewiesen werden kann. Auch im Falle von Dampfturbinen ist aus ähnlichen Gründen erst hier ein Leistungstest möglich.

2.10 Betriebsphase

15

Im europäischen Raum muss bis zu diesem Zeitpunkt die Vergabe des CE-Kennzeichens für die Maschineneinheit erfolgen. Normalerweise wird dies durch den Lieferanten der HDRE-Maschineneinheit geschehen, der die Erfahrung des In-VerkehrBringens besitzt. Allerdings sind hier enge Absprachen mit dem Betreiber unabdingbar, denn dieser stellt die Prozessmedien zur Verfügung und trägt damit einen Teil der Verantwortung für den sicheren Betrieb.

2.9 Gewährleistungsphase Während der Gewährleistungsphase, die sich oft über 5 Jahre erstreckt, ist eine enge Abstimmung zwischen Betreiber und Lieferant erforderlich. Ohne Zustimmung des Lieferanten dürfen keine Maßnahmen durchgeführt werden, wenn die Gewährleistung erhalten bleiben soll. Während dieser Phase kann der HDRE-Engineer ein wertvolles Bindeglied zwischen Betreiber und Maschinenlieferant sein. Bei komplexeren Anlagen wird es erst eine Zeit nach der Inbetriebnahme möglich sein, unter Volllast bzw. den definierten Betriebspunkten zu fahren und damit einen Leistungstest zu ermöglichen. Eine entsprechende Handlungsweise sollte auch mit dem Maschinenlieferanten vertraglich festgelegt sein.

2.10 Betriebsphase In der anschließenden Betriebsphase trägt der Betreiber die komplette Verantwortung für Anlage und Maschinen. Zuvor sollte geklärt sein, welche Aufgaben der Maschinenlieferant bezüglich Ersatzteilverfügbarkeit und Instandhaltungsunterstützung übernimmt. Es kann sich dabei um Zuarbeit für die Instandhaltungsorganisation des Betreibers handeln wie auch um die Komplettabwicklung von Maßnahmen zur Störungsbehebung und Instandhaltungsaktivitäten. Wesentliche Aufgaben liegen in den Anlagen- und Maschinenrevisionen. Nach Inbetriebnahme einer verfahrenstechnischen Anlage werden in der Regel Schwachstellenanalysen und Engpass-Studien durchgeführt, um die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen und spätere Kapazitätserweiterungen auszuloten. In dieser Phase sind Tätigkeiten des HDRE-Engineer in der Regel nicht erforderlich, wenn er nicht gleichzeitig die Funktion eines für die Maschineneinheit zuständigen Betriebsingenieurs oder „Reliability Engineer“ ausübt. Im Falle von Gewährleistungsansprüchen sollte er jedoch wegen seiner Kenntnis im Umgang mit dem Maschinenlieferanten involviert sein. Meist besitzen die Maschinenstränge ausreichende Reserven für kleinere Änderungen im Prozess, z. B. geringfügige Mengenänderungen oder Änderungen in der Gaszusammensetzung.

16

2  Die Phasen eines Anlagenbauprojekts

Der HDRE-Engineer kommt dann wieder ins Spiel, wenn es um Anpassungen an den HDRE-Maschinensträngen geht, wie z. B. eine gewünschte Kapazitätserhöhung um 10 % oder mehr. Die Auswirkung auf den Leistungsbedarf kann durch eine thermodynamische Berechnung ermittelt werden. Eine Kapazitätserhöhung hat jedoch auch einen Einfluss auf die mechanische Struktur des Maschinenstrangs. In diesem Fall muss der gesamte Strang untersucht werden. In den meisten Fällen wird der Maschinenlieferant für die Erstellung einer entsprechenden Engineering-Studie erforderlich sein.

2.11 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden der Phasenverlauf eines Anlagenbauprojekts beschrieben und die Aufgaben skizziert, die den HDRE-Engineer im Zusammenhang mit der Beschaffung eines oder mehrerer HDRE-Maschinenstränge betreffen. Ein solches Projekt beginnt mit einer Geschäftsidee, die mit dem Bau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage verbunden ist. Zu Anfang wird eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, in der in manchen Fällen bereits konzeptmäßige maschinenspezifische Untersuchungen stattfinden. Fällt die Machbarkeitsstudie positiv aus, so kann die Konzeptphase genehmigt werden. In dieser findet eine Grobauslegung der Produktionsanlage statt. Sind HDREMaschinenstränge enthalten, bei denen es sich um „Long Lead Equipment“ handelt, muss in dieser Phase nicht nur ein Maschinenkonzept in Budgetangebots-Qualität erstellt werden, sondern die erforderlichen Maschineneinheiten müssen bis zur Bestellreife spezifiziert sein. Auch die Auswahl des Maschinenlieferanten muss erfolgt, detaillierte Festangebote müssen vorhanden und ein Angebotsvergleich durchgeführt sein. Während im Anlagenbauprojekt im Anschluss und nach erneuter Genehmigung die detaillierte Ausführungsplanung erfolgt, erfolgt der Beschaffungsprozess der Maschineneinheiten in Form der detaillierten Planung beim Maschinenlieferanten und der anschließenden Fertigung des benötigten Lieferumfangs. Wesentlich für den HDREEngineer sind in dieser Phase Detailabstimmungen zwischen Maschinenlieferant und der Projektorganisation, sowie die Qualitätssicherung bei der Fertigung der Maschineneinheit. In der Montagephase der Anlage erfolgt bei termingerechter Lieferung der Aufbau und der Anschluss der Maschineneinheiten bis hin zur mechanischen Fertigstellung. Entsprechende Fundamente und evtl. Gebäude müssen hierfür vorhanden sein. Wenn möglich, kann in dieser Phase auch schon die Inbetriebnahmevorbereitung der Maschineneinheiten erfolgen. Ist die Produktionsanlage bereit zur Inbetriebnahme, dann kann auch die Inbetriebnahme der Maschineneinheiten mit der Übergabe an den Betrieb und der Durchführung von Leistungstests erfolgen.

2.11 Zusammenfassung

17

Sind die Maschineneinheiten im laufenden Betrieb, finden dann die erforderlichen Überwachungs-, Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen an den Maschineneinheiten statt, einschließlich ihrer periodischen Revisionen. In den folgenden Kapiteln werden die im Laufe eines Projekts erforderlichen Spezifikationen und Entscheidungen sowie die Aufgaben, Tätigkeiten und Vorgehensweisen des HDRE-Engineer des Betreibers im Detail dargestellt.

3

Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Wie in Kap. 2 beschrieben, wird das Maschinenkonzept für eine geplante verfahrenstechnische Anlage bereits in der Konzeptphase des Anlagenbauprojekts entwickelt. Dieses Konzept umfasst zunächst die Auswahl der an den verfahrenstechnischen Prozess angepassten optimalen Bauart des HDRE-Maschinenstrangs oder der Maschinenstränge. In diesem Kapitel werden die gängigen Bauarten von Prozessgas-Verdichtern und ihrer Antriebe gegenübergestellt und beschrieben. Weiterhin wird ihr Betriebsverhalten und ihre Regelung untersucht und miteinander verglichen. Auch Abdichtungskonzepte für die rotierenden Wellen sowie die Komponenten für die Kraftübertragung wie Kupplungen und Getriebe werden beschrieben. Für die Entwicklung des Maschinenkonzepts ist der HDRE-Engineer in enger Abstimmung mit dem Verfahrensträger, dem Betreiber und möglicherweise auch Maschinenlieferanten verantwortlich. Im Falle einer größeren Anzahl von Maschinensträngen kann es sinnvoll sein, seine Aufgabe auf mehrere Personen zu verteilen. Das ausgearbeitete Maschinenkonzept enthält dann für die ausgewählten HDREMaschinenstränge eine Abschätzung der Leistungsbedarfe, der Kosten, der Randbedingungen für die Aufstellung und des Platzbedarfs. Ebenso kann es Regelungsart und das Wellenabdichtungskonzept enthalten.

3.1 Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung Die Bauart eines Prozessgas-Verdichters richtet sich im Wesentlichen nach den erforderlichen Prozessdaten wie

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_3

19

20

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

• Gaseigenschaften (Zusammensetzung, Molekulargewicht und Gaskonstante), • Ansaug-Volumenstrom oder Massenstrom, • Ansaugdruck und Ansaugtemperatur, • Verdichtungsenddruck. Eine grundsätzliche Unterscheidung liegt darin, ob es sich um eine Verdrängermaschine oder um eine Strömungsmaschine handelt. Bei Verdränger- oder Kolbenverdichtern wird das Prozessgas zyklisch zunächst in einen abgedichteten Arbeitsraum geleitet. Dieser Arbeitsraum verkleinert sich kontinuierlich, wobei Druck und Temperatur des Gases sich entsprechend erhöhen. Dieses verdichtete Gas wird dann in die druckseitige Leitung ausgestoßen. Die Verdichtung auf den benötigten Enddruck erfolgt über eine oder mehrere Stufen, zwischen denen das Gas gekühlt wird. Durch die Kühlung wird der Temperaturanstieg begrenzt und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert. Das zulässige Druckverhältnis der einzelnen Stufen richtet sich nach den zulässigen Maximaltemperaturen von Prozessgas und Verdichterwerkstoffen sowie den mechanisch zulässigen Belastungen. Bei der Untersuchung sollte versucht werden, die erforderliche Verdichtungsarbeit zu minimieren. Ein Kreiselrad- oder Turboverdichter überträgt dagegen kinetische Energie in den Gasstrom, indem er die Geschwindigkeit des Gases mittels eines rotierenden Elementes erhöht, und wandelt diese kinetische Energie dann in potenzielle Energie in Form von Druck um. Weil der Strömungsvorgang durch den gesamten Strömungsquerschnitt kontinuierlich ist, sind Turboverdichter besonders für relativ große Volumenströme prädestiniert. Allerdings ist die je Stufe übertragbare Arbeit kleiner als bei Verdrängermaschinen, sodass letztere eher bei niedrigen Molmassen des Prozessgases sowie hohen Enddrücken eingesetzt werden. Einen schnellen ersten Überblick über die verschiedenen Bauarten von Verdichtern findet man in Wikipedia1. Ausführlicher beschrieben werden sie bei Dubbel (2020)2 in Kap. 3 (Kolbenverdichter) und 12 (Turboverdichter). Eine Zusammenfassung der gängigsten Ventilatoren- und Verdichterbauarten zeigt Tab. 3.1. Abb. 3.1 gibt einen Überblick über eine Maschinenauswahl, basierend auf AnsaugVolumenströmen und Drücken. Abweichungen sind herstellerabhängig und je nach Einsatzfall möglich. Man findet Bereiche, die für eine Bauart spezifisch sind, aber auch Bereiche, in denen je nach Anwendung verschiedene Bauarten infrage kommen. Verdichter für kleinere

1 https://de.wikipedia.org/wiki/verdichter. 2  Bender

B, Göhlich, D (Hrsg.) (2020) Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, Band 3: Maschinen und Systeme, Springer, Berlin.

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

21

Tab. 3.1  Übersicht über gängige Verdichterbauarten Verdichter

Hubkolbenverdichter

Kolbenverdichter Membranverdichter

Umlaufkolbenverdichter

Drehkolbengebläse Schraubenverdichter Flüssigkeitsringverdichter

Kreiselradverdichter

Radiale Bauart

Radialventilator Einwellen-Turboverdichter Getriebe-Turboverdichter

Axiale Bauart

Axialventilator Axialverdichter

Andere Verdichterbauarten z. B. Strahlverdichter, Scrollverdichter

Abb. 3.1   Einsatzbereiche verschiedener Verdichterbauarten

Volumenströme wurden hier nicht berücksichtigt, ebenfalls nicht Verdichter für Spezialanwendungen (z. B. Hyper-Verdichter für Drücke bis 3500 bar). Ein wichtiger Vorteil von rotierenden Verdichtern ist die in der Regel hohe Verfügbarkeit von 99 % und besser. Bei geeignetem Design werden Revisionsabstellungen

22

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

erst nach 5 Jahren erforderlich, sodass hier in der Regel Einstranganlagen auch für den kontinuierlichen Dauerbetrieb geeignet sind. Schwierig ist der Einsatz von Turboverdichtern im Zusammenhang mit extrem leichten Gasen wie Wasserstoff wegen einer hohen erforderlichen Stufenzahl. Hubkolbenverdichter weisen aufgrund ihrer oszillierenden Massen und mechanischen Reibungseffekte eine niedrigere Verfügbarkeit aus. In der Regel ist mindestens jährlich eine Revision zur Wartung und Inspektion und zum Austausch von Verschleißteilen erforderlich. In der Folge werden die wesentlichen Eigenarten gängiger Verdichterbauarten besprochen.

3.1.1 Ventilatoren, Gebläse Nach VDI-RL 20443, ISO 58014 und ISO 133495 sind Ventilatoren definiert als „Strömungsmaschinen zur Förderung eines gasförmigen Mediums mit einem Druckverhältnis von p2/p1≤ 1,3“. In ISO 13349 erfolgt die Definition über eine maximale polytrope Förderhöhe Hp von 25 kJ/kg. Beide Definitionen korrespondieren für Luft als gefördertes Medium. Die sogenannte „Spezifische Verdichtungsarbeit“ ist dabei so gering, dass keine nennenswerten Dichte- und Temperaturänderungen auftreten. Die Begriffe „Ventilator“ und „Gebläse“ sind in etwa gleichbedeutend. Sie entsprechen den englischsprachigen Bezeichnungen „Fans“ und „Blowers“. Einen ersten Überblick über die verschiedenen Bauformen von Ventilatoren findet man in Wikipedia6. Die im Wesentlichen in verfahrenstechnischen Anlagen für Prozessgase verwendeten Ventilatoren sind Strömungsmaschinen mit radial durchströmtem Laufrad. Die Hauptströmungsrichtung verläuft somit radial von innen nach außen. Axialventilatoren werden bei großen Massenströmen für Luft verwendet. Radialventilatoren sind robust und meist ein- oder zweistufig. Axialventilatoren benötigen meist eine Vielzahl von Reihen von Leit- und Laufschaufeln. Axialventilatoren sind damit komplexer aufgebaut und auch gegen „Pumpen“ deutlich empfindlicher.

3  VDI

2044:2018, Abnahme- und Leistungstests an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln); Acceptance and performance tests on fans (VDI Code of Practice for Fans), Beuth, Berlin. 4 DIN EN ISO 5801:2017 (D), Erscheinungsdatum: 2018-04, Ventilatoren – Leistungsmessung auf genormten Prüfständen (ISO 5801:2017); Deutsche Fassung EN ISO 5801:2017, Beuth, Berlin. 5 ISO 13349:2010 Fans – Vocabulary and definitions of categories; Deutsche Fassung EN ISO 13349:2010, Erscheinungsdatum 2012-07, Beuth, Berlin. 6 https://de.wikipedia.org/wiki/Ventilator.

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

a

23

b

Abb. 3.2   a Rotoren eines zweiflügeligen Roots-Gebläses, b Wirkprinzip eines dreiflügeligen Roots-Gebläses. (a: Mit freundlicher Genehmigung von © Aerzener Maschinenfabrik GmbH 2023. All Rights reserved; b: Quelle: Dubbel (2020), 26. Aufl. Band 3, S. 54, Abb. 3.26, Springer Vieweg, Berlin)

Bei niedrigen Druckniveaus werden die Gehäuse als relativ dünnwandige Blechkonstruktionen hergestellt. Um ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten, sollten für Prozessgase 5 mm Blechstärke nicht unterschritten werden. Druckfeste Ausführungen von Radialventilatoren können bei entsprechenden Wandstärken der Gehäuse bis etwa 40 bar ausgelegt werden. Die Mengenregelung erfolgt in der Regel mittels Drehzahländerung oder verstellbarem Eintrittsleitapparat. Für Ventilatoren gibt es aufgrund ihrer relativ einfachen Konstruktion eine Vielzahl von Herstellern. Deshalb sollte man bei der Auswahl besonders auf ihre Referenzen für die konkrete Anwendung achten. Sehr wenige Hersteller (z. B. FIMA Maschinenbau) stellen Ventilatoren in Ex-Zone 0 her. Eine spezielle weitere Form von Ventilatoren sind die Roots-Gebläse oder Drehkolbengebläse. Hierbei handelt es sich um rotierende Verdrängermaschinen, die ohne innere Verdichtung arbeiten. Abb. 3.2a zeigt die Rotoren eines zweiflügeligen RootsGebläses, Abb. 3.2b zeigt ihr Wirkprinzip. Eine Animation in einem Artikel in Wikipedia vom 18.09.20217 verdeutlicht das Funktionsprinzip der zwei- oder dreiflügeligen Läufer. Die Verdichtung geschieht erst am Austritt des Gases. Die erreichbaren Drücke liegen aus konstruktiven Gründen in der Regel unterhalb von 1,5 bar abs. Wegen der ungleichförmigen Verdichtung bilden sich Druckpulsationen, verbunden mit hohen Schallemissionen, die über oft sehr große saug- und druckseitige Dämpfungsbehälter ausgeglichen werden müssen. Bedeutende Hersteller für Prozessgas-Drehkolbengebläse sind die Aerzener Maschinenfabrik und Howden HR Blowers.

7 https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Roots-Gebläse&stableid=215685078.

24

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.3   Aufbau eines Einwellen-Radialverdichters mit 3 Laufrädern in einer Prozessstufe, mit horizontal geteiltem Gussgehäuse. (Mit freundlicher Genehmigung von © Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation (MCO) 2021. All Rights reserved)

3.1.2 Turboverdichter Oberhalb eines Druckverhältnisses von p2/p1 > 1,3 spricht man von Turboverdichtern. Als technische Ausführungsformen werden Radialverdichter und Axialverdichter unterschieden. Es existieren auch Zwischenformen, Diagonal- und Mixed Flow-Verdichter. Der Energieübertragung auf das Prozessgas dienen beschaufelte, kontinuierlich durchströmte Laufräder. Die Einströmung ins Laufrad erfolgt jeweils in axialer Richtung. Nach Verlassen des Laufrads sind Druck, Temperatur und Geschwindigkeit größer als am Eintritt. Das dem Laufrad nachgeschaltete Leitteil (Leitschaufeln beim Axialverdichter, Diffusor, Umlenkung und Rückführung beim Radialverdichter) sorgt für die weitere Druck- und Temperaturerhöhung durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit. Das Leitteil nach jedem Laufrad eines Radialverdichters sorgt für die axiale Einströmung in das nächste Laufrad. Der Radialverdichter ist die am häufigsten eingesetzte Verdichterbauart in verfahrenstechnischen Anlagen der Chemie- und Erdölindustrie, weil er zuverlässig und robust ist und einen erheblichen Druck- und Mengenbereich abdeckt. Er findet in Einwellenbauart Anwendung, immer häufiger aber auch als Getriebe-Turboverdichter.

3.1.2.1 Einwellen-Radialverdichter Die Anwendung von Einwellen-Radialverdichtern ist für sehr viele unterschiedliche Gase und Gasgemische möglich. Abb. 3.3 und 3.4 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines Einwellen-Radialverdichters mit den Hauptkomponenten und den grundsätzlich möglichen Gehäuseteilungen.

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

25

Abb. 3.4   Aufbau eines Einwellen-Radialverdichters mit 8 Laufrädern in einer Prozessstufe, mit vertikal geteiltem Gussgehäuse („Topfbauweise“). (Mit freundlicher Genehmigung von © Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation (MCO) 2021. All Rights reserved)

Eine horizontale Gehäuseteilung wie in Abb. 3.3 erfordert die Anordnung der Saugund Druckstutzen am unteren Gehäuseteil. Dies begrenzt die Anzahl von Stutzen und damit die mögliche Anzahl von Prozess-Stufen in einem Gehäuse. Ein Ausbau der Welle erfolgt durch Anheben des oberen Gehäuseteils. Dichtungs- und Lagerwechsel ist in der Regel ohne Abnehmen des Gehäuseoberteils möglich. Die Abdichtung der Teilfuge kann problematisch sein, insbesondere bei hoch korrosiven Gasen wie z. B. Chlorwasserstoff (HCl) oder bei Betriebsdrücken deutlich oberhalb von 10 bar. Die vertikale Gehäuseteilung wie in Abb. 3.4 wird bei höheren Drücken und niedrigen Molmassen bevorzugt. Ein Ausbau der kompletten Welle erfolgt in axialer Richtung, zusammen mit dem Bündel der Gehäuse-Innenteile. Hierzu sind Spezialwerkzeuge wie auch ein Abstelltisch für das Bündel erforderlich, um beim Ein- und Ausbau Beschädigungen von Gehäuse und Dichtringen zu vermeiden. Entsprechender Platzbedarf ist vorzusehen. Die Anordnung der Saug- und Druckstutzen kann in radialer Richtung beliebig erfolgen. Die gängigsten Gehäuse sind Gusskonstruktionen. Bei besonders großen Gehäusen sind auch Schweißkonstruktionen im Einsatz. Ein Verdichterstrang kann mehrere gekoppelte Verdichtergehäuse enthalten, ggf. auch mit Zwischengetriebe. Der Synthesegas-Strang einer Ammoniakanlage z. B. ist zusammengesetzt aus Antriebsmotor (oder Dampfturbine) und jeweils einem Verdichtergehäuse für Niederdruckstufe, Mitteldruckstufe und Hochdruckstufe. Niederdruck- und Mitteldruckstufe erhalten horizontale Gehäuseteilung, die Hochdruckstufe am Ende des Strangs erhält eine vertikale Gehäuseteilung. Abb. 3.5 zeigt unterschiedliche Anordnungen, die für einen Einwellen-Verdichter mit mehreren Laufrädern möglich sind: mit oder ohne Zwischenkühlung, mit oder ohne Zuund Abführungen von Seitenströmen. Zur Steuerung des Axialschubs kann eine Back-toBack-Anordnung gewählt werden, die dann auch bei Bedarf einen Eintrittsleitapparat zur Mengenregelung an jedem der beiden Enden ermöglicht.

26

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.5   Unterschiedliche Laufradanordnungen in einem einhäusigen Einwellen-Verdichter. (Mit freundlicher Genehmigung von © Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation (MCO) 2021. All Rights reserved)

Aktuelle Laufräder werden je nach Anwendung in verschiedenen Bauarten hergestellt, s. Dubbel (2020), Abschn. 12.28. Sie erreichen Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 400 m/s. Der Drehzahlbereich der Rotoren bewegt sich meist zwischen 5000 und 10.000 rpm. Zwischen Antriebsmaschine und Verdichter wird meist ein Getriebe vorgesehen. Als Wellenabdichtung kommen Labyrinthdichtungen, Kohleringdichtungen, gasgeschmierte Gleitringdichtungen, in Sonderfällen auch ölgeschmierte Gleitringdichtungen in Betracht. Die Mengenregelung erfolgt über Saugdruck, Drehzahl oder verstellbare Eintrittsleitschaufeln. Bedeutende Hersteller von Einwellen-Verdichtern sind Siemens Energy, MAN Energy Solutions, MHI Compressor, Baker Hughes, Atlas Copco Gas and Process, Elliott, ShaanGu. Für Sonderanwendungen hier noch ein Hinweis auf zwei spezielle Bauarten von Einwellen-Verdichtern: • Isotherm-Verdichter: MAN bietet als Sonderbaureihe für weniger kritische Anwendungen, z. B. zur Lufttrennung, einen im Verdichtergehäuse integrierten Wärmeübertrager an, der den Leistungsbedarf reduziert. • Hermetisch dichter Einwellen-Verdichter: Die MAN Baureihen MOPICO® und HOFIM® arbeiten mit elektrischem Antrieb emissionsfrei und benötigen aufgrund ihrer magnetischen Lagerung kein Schmierölsystem. Dies ist interessant z. B. für Anwendungen im Pipelinebereich und dort, wo keine Emissionen zulässig sind. Der HOFIM® ist komplett gekapselt und eignet sich deswegen auch für Unterwasseranwendungen. Eine ähnliche Anwendung hat auch Baker Hughes im Programm.

8 Bender,

B., Göhlich, D. (Hrsg.) (2020), Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, Band 3, Maschinen und Systeme, S. 272 ff., Springer, Berlin.

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

27

Abb. 3.6   Explosionszeichnung eines Getriebe-Turboverdichters. (Mit freundlicher Genehmigung von © Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation (MCO) 2021. All Rights reserved)

3.1.2.2 Getriebe-Turboverdichter Im Gegensatz zum Einwellen-Verdichter sind beim Getriebe-Turboverdichter einzelne Laufräder um ein Getriebe herum angeordnet. Abb.  3.6 zeigt die wesentlichen Komponenten in einer Explosionszeichnung. Auf der Antriebswelle sitzt das GetriebeGroßrad. Um dieses Großrad sind bis zu 4 oder 5 schnell laufende Ritzelwellen mit unterschiedlichen Drehzahlen, oft deutlich höher als 10.000 rpm, gruppiert. Auf jedem Ende dieser Ritzelwellen kann mittels Hirth-Stirnverzahnung und Dehnschraube ein, meist offenes, Laufrad montiert werden. Die direkt am Getriebe angebrachten Spiralgehäuse führen das Prozessgas dem Laufrad in axialer Richtung zu, der Austrittsstutzen ist tangential angebracht. Vorteile gegenüber dem Einwellen-Turboverdichter: • Der Leistungsbedarf ist aus verschiedenen Gründen geringer. Jede Ritzelwelle erhält eine optimale Drehzahl und jedes Laufrad einen optimalen, stark abgestuften Durchmesser. Starke Umlenkungen wie im Diffusor und Rückführkanal zwischen den Laufrädern sind nicht erforderlich, und der Nabendurchmesser ist geringer. Beim Einwellen-Turboverdichter begrenzen zudem Gehäuse- und Wellendurchmesser die Drehzahl. Eine Abstufung der Laufraddurchmesser ist dort nur in geringerem Maße möglich. • Die Laufräder können höhere Umfangsgeschwindigkeiten (teilweise bis zu 500 m/s) und größere Förderhöhen (normal 50–70 kJ/kg) erreichen.

28

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

• Potenziell kann jede Stufe für sich separat mithilfe von verstellbaren Eintrittsschaufeln vor der axialen Einströmung geregelt werden. Nachteile gegenüber dem Einwellen-Turboverdichter: • Es ist ein höherer Instandhaltungsaufwand anzusetzen, da zur Revision die Prozessleitungen abgebaut werden müssen. • Für jede Verdichtungsstufe ist eine separate Wellenabdichtung erforderlich, damit sind es ab 3 Stufen mehr als beim Einwellen-Turboverdichter. Damit können insbesondere bei hohen Drücken höhere Leckageraten und erhöhtes Ausfallrisiko einhergehen. • In der Regel werden kleinere Spiele angewendet. Damit sind die Getriebe-Turboverdichter empfindlicher gegenüber verschmutztem Gas und verspannten Prozessgasleitungen. Als Wellenabdichtung kommen Labyrinthdichtungen, Kohle-Schwimmringdichtungen und gasgeschmierte Gleitringdichtungen in Betracht. Als weiterführende Literatur wird Alevizos E, Sidiropoulos, G (2009)9 empfohlen. Bedeutende Hersteller von Getriebe-Turboverdichtern sind Siemens Energy, MAN Energy Solutions, MHI Compressor, Kobelco Compressor, Atlas Copco Gas and Process, weiterhin Borsig ZM.

3.1.2.3 Axialverdichter Bei einem Axialverdichter strömt das zu verdichtende Gas in axialer Richtung, parallel zum Rotor, durch den Verdichter. Der Druckaufbau geschieht allein durch die Umlenkung des Gases in den Lauf- und Leitschaufelreihen, der beim Radialverdichter zusätzliche Einfluß der Fliehkraft entfällt demnach. Die offenen Querschnitte können sehr groß sein. Der Einsatz von Axialverdichtern bietet sich deshalb bei sehr hohen Volumenströmen und kleiner Druckerhöhung an. Die Förderhöhe je Schaufelreihe bewegt sich bei 10–15 kJ/kg, maximale Enddrücke liegen um die 10 bar. Die Mengenregelung erfolgt über Drehzahländerungen und synchron verstellbare Vorleitgitter an jeder Stufe. Auch Kombinationen, z. B. Axialverdichter mit radialer Endstufe, sind gängig. Abb. 3.7 zeigt das Schema eines Axialverdichters mit 11-stufiger Beschaufelung. Industrielle Axialverdichter werden unter anderem von MAN Energy Solutions, Baker Hughes, Elliott und ShaanGu angeboten.

9  Alevizos,

E, Sidiropoulos, G (2009) Der Getriebe-Turboverdichter. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 19 Nr. 160. VDI-Verlag, Düsseldorf.

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

29

Abb. 3.7   Aufbau eines Axialverdichters. 1: Axialer Eintrittsstutzen; 2: 11stufige Beschaufelung; 3: Diffusor; 4: axial geteiltes Gehäuse; 5: Lagergehäuse; 6: Austrittsstutzen (hier: vertikal nach unten gerichtet). (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

3.1.3 Schraubenverdichter für Prozessgase Schraubenverdichter sind rotierende Maschinen mit zwei, selten auch drei gegenläufigen Rotoren sehr spezifischer, herstellerabhängiger Geometrie in einem Gehäuse. Das Prozessgas wird in axialer Richtung von der Einlass-Seite zur Auslass-Seite gefördert. Die Geometrie der Rotoren ist so konstruiert, dass sich das zur Verfügung stehende Volumen kontinuierlich immer weiter verkleinert, bis das verdichtete Gas schließlich am Rotorende ausgestoßen wird. Somit arbeitet diese Verdichterbauart nach dem Verdrängerprinzip. Die Rotoren sind waagerecht angeordnet, die Förderrichtung ist meist von oben nach unten. Da das Ausstoßen aufgrund der Geometrie nicht völlig kontinuierlich, sondern zyklisch erfolgt, entstehen Druckpulsationen, die meist durch Pulsationsdämpfer unterschiedlicher Bauart auf Saug- und Druckseite gedämpft werden. Man unterscheidet öleingespritzte und trocken wirkende Schraubenverdichter. Kontinuierlich eingespritztes Öl dient bei einem öleingespritztem Schraubenverdichter zur Vermeidung von metallischem Kontakt zwischen den beiden Rotoren, aber auch zur Kühlung. Die Ölmenge kann durch einen nachgeschalteten Ölabscheider minimiert und zurückgeführt werden. Dabei ist die Endtemperatur des Gases auf etwa 100 °C begrenzt, Das Druckverhältnis kann bis zu 20 betragen, der Enddruck bis etwa 35 bar.

30

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.8   Schnittbild mit Ansichten von der Seite und von oben eines trocken wirkenden Schraubenverdichters des Typs „SKUEL“ von MAN Energy Solutions. Verdichtungsverlauf von links oben nach rechts unten. (Mit freundlicher Genehmigung von © MAN Energy Solutions SE 2022. All Rights reserved)

Bei vielen Prozessen sind aber auch geringe im Prozessgas verbleibende Ölmengen nicht akzeptabel, sodass trocken wirkende Schraubenverdichter zum Einsatz kommen (s. Schnittbild in Abb. 3.8). Bei diesen wird der metallische Kontakt durch die Verwendung von speziellen hochpräzisen Koppelgetrieben (in Abb. 3.8 links im Bild) verhindert. Maximale Endtemperaturen liegen bei 240 °C, maximale Enddrücke können bis etwa 50 bar betragen. Um die durch den Verdichtungsprozess entstehende Wärme zu reduzieren und damit das mögliche Druckverhältnis einer Stufe zu erhöhen, kann in trocken wirkende

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

31

Abb. 3.9   Bauformen von Hubkolbenverdichtern: (a) stehende Reihenmaschine; (b) Fächermaschine (90°-V); (c) stehend/liegende Maschine; (d) Fächermaschine (60°-W); (e) liegende Boxermaschine. (aus: Eiffler (2009) Küttner Kolbenmaschinen, Bild 3–8, Vieweg + Teubner)

Schraubenverdichter saugseitig Wasser eingespritzt werden, welches während des Verdichtungsprozesses verdampft und im Prozessgas verbleibt. Die Wellenabdichtung erfolgt meist über Kohle-Schwimmringdichtungen. Die Mengenregelung erfolgt beim trockenen Schraubenverdichter über die Drehzahl von etwa 50 … 100 % oder/und einen Bypass von der Druck- zur Saugseite. Die Fördermenge ist etwa proportional zur Drehzahl. Beim öleingespritzten Schraubenverdichter erfolgt die Mengenregelung von 10 … 100 % über einen Steuerschieber, der eine veränderliche Rückströmöffnung schafft. Schraubenverdichter sind in der Regel einstufig. Hintereinander geschaltet oder parallel über ein Verzweigungsgetriebe können sie auch zweistufig mit einer Zwischenkühlung aufgebaut sein. Mehr als zwei Stufen für einen Verdichter sind nicht gängig, da sie regelungstechnisch, mechanisch und teilweise auch werkstofftechnisch Probleme bereiten. Letzteres gilt besonders bei Verdichtern, die stark verschmutzte Umgebungsluft ansaugen. Bedeutende Hersteller von Prozess-Schraubenverdichtern sind MAN Energy Solutions, Kobelco Compressor, Aerzen. Neben der Verdichtung von Prozessgasen sind Schraubenverdichter im Einsatz für Druckluft sehr weit verbreitet. Da es sich hierbei meist um fertig konfektionierte Maschinen handelt und eine sehr große Zahl von Herstellern existiert, wird hierauf nicht näher eingegangen.

32

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

3.1.4 Hubkolbenverdichter Hubkolbenverdichter saugen das Prozessgas in einem Zylinder von einem geradlinig zwischen zwei Totlagen hin- und hergehenden Kolben in einen gekühlten Arbeitsraum an. In diesem wird es verdichtet und dann wieder ausgestoßen. Sie arbeiten zyklisch und haben relativ geringe Volumenströme, aber hohe Druckverhältnisse. Die Folge der ungleichförmigen Bewegung sind zyklisch auftretende Massenkräfte und intermittierend arbeitende Ventile. Um die Ungleichförmigkeit zu reduzieren, ist im Antriebsstrang ein Schwungrad integriert. Der Antrieb selbst erfolgt mittels eines Schubkurbelgetriebes im Kurbelgehäuse, welches auch als Schmieröltank fungiert. Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Bauformen. Anordnungen in horizontaler oder vertikaler Richtung sind typisch für größere Prozessgasverdichter. Abb. 3.9 zeigt ein weites Spektrum an Bauformen. Abb. 3.10 stellt die wesentlichen Komponenten am Beispiel eines horizontalen Zylinders dar. Die Ansaug- und Auslassventile können von unterschiedlicher Bauart sein und arbeiten automatisch. Es gibt Plattenventile, Ringventile und andere Bauarten, die ihre Vor- und Nachteile für bestimmte Verdichtungsaufgaben haben.

Abb. 3.10   Hauptkomponenten eines Hubkolbenverdichters. (Mit freundlicher Genehmigung von © Burckhardt Compression AG 2022. All Rights reserved)

3.1  Auswahl der Maschinenbauart für die Prozessgasverdichtung

33

Das Kurbelgehäuse ist immer ölgeschmiert, für den Bereich der Zylinder unterscheidet man ölgeschmierte und ölfreie Hubkolbenverdichter. Hauptnachteil der klassischen, ölgeschmierten Hubkolbenverdichter ist das in den Verdichtungsstufen anfallende Schmieröl, welches meist nach dem Verdichteraustritt aufwendig wieder entfernt werden muss. Nachteil des trocken laufenden Hubkolbenverdichters ist dagegen, dass die Leckgasmenge über die Kolbenstangenabdichtung in die Umgebung größer ist, und dass Abrieb von Kolben und Kolbenstangenabdichtung in das Gas gelangen kann. Aufgrund der zyklischen Verdichtung entstehen an jeder Verdichtungsstufe hohe Druck- und Volumenstrompulsationen. Deswegen werden grundsätzlich sowohl saug- als auch druckseitig Pulsationsdämpfer benötigt, die teilweise auch saugseitig als Flüssigkeitsabscheider konstruiert sind, um Flüssigkeitseintrag in die Verdichtungsstufen sicher auszuschließen. Die Auslegung der erforderlichen Maßnahmen erfolgt über die Berechnung der Pulsationsfrequenzen des von der Geometrie des Rohrleitungssystems, den Drehzahlen und der Gaszusammensetzung abhängigen Gesamtsystems. Anregungsfrequenzen dürfen nicht mit Eigenfrequenzen im Fluidsystem und im mechanischen System zusammenfallen. Die Berechnung ist sehr aufwendig, aber in den meisten Fällen unerlässlich, um Schäden an der Verdichtereinheit und dem Rohrleitungssystems zu vermeiden. Wegen der starken Beeinflussung durch die Drehzahlen ist eine Drehzahlregelung für Hubkolbenverdichter nur in Ausnahmefällen möglich. Die Mengenregelung erfolgt deshalb meist über stufenweise oder stufenlose Ventilabhebung sowie über Rückführungen über einen oder mehrere Bypässe. Eine Sonderform sind die ölfreien, vertikal angeordneten Labyrinthverdichter der Firma Burckhardt Compression, dargestellt in Abb. 3.11. Im Unterschied zu den anderen Bauarten berührt der vertikal wirkende Kolben bzw. andere Teile nicht die Zylinderinnenwand, sodass der Verschleiß bedeutend geringer ist und damit weniger Abstellungen zur Wartung erforderlich sind. Zum Einsatz kommt er wegen der Labyrinthverluste bei eher hohen Molmassen. Der Durchsatz kann wegen der höheren zulässigen Kolbengeschwindigkeiten deutlich höher sein als bei anderen Bauarten. Bekannte Hersteller für Hubkolbenverdichter im deutschsprachigen Raum sind Neuman&Esser, Burckhardt Compression, Siemens Energy, LMF, Borsig ZM. Als weiterführende Literatur wird Eifler et al. (2009)10 empfohlen.

3.1.5 Membranverdichter Die Funktionsweise eines Membranverdichters ist ähnlich der eines Hubkolbenverdichters. Kolben und Verdichtungsraum sind jedoch durch eine metallische Membran

10 Eifler,

W. et al. (2009), Küttner Kolbenmaschinen. Vieweg + Teubner, 7. Auflage, Wiesbaden.

34

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.11   Hauptkomponenten eines Labyrinthverdichters. (Mit freundlicher Genehmigung von © Burckhardt Compression AG 2022. All Rights reserved)

Abb. 3.12   Hauptkomponenten eines Membranverdichters. (Mit freundlicher Genehmigung von © NEUMAN & ESSER GROUP 2022. All Rights reserved)

hermetisch getrennt. Diese wird durch pulsierenden Hydraulikdruck betätigt. Damit ist eine ölfreie Verdichtung möglich und damit auch die Nutzung bei Gasen wie Sauerstoff und Chlor. Abb. 3.12 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Membranverdichters.

3.2  Betriebsverhalten und Regelung von Turboverdichtern

35

Die metallische Membran ist mehrlagig aufgebaut, um die Überwachung ihrer Integrität zu gewährleisten und bei Membranbruch noch ohne Vermischung von Gasund Ölseite abschalten zu können. Der Einsatz von Membranverdichtern beschränkt sich auf relativ kleine Volumenströme, dabei können je Stufe aber relativ hohe Druckverhältnisse erzielt werden. Die Mengenregelung erfolgt über Drehzahländerung und Bypässe. Hersteller sind z. B. Hofer Hochdrucktechnik, Burton Corblin, Sera.

3.1.6 Weitere Verdichtertypen Größere Bedeutung hat noch der Flüssigkeitsringverdichter mit einer Ansaugmenge von 20 m3/h bis 15.000 m3/h und einem Enddruck bis zu etwa 10 bar. Er wird häufig im Vakuumbereich verwendet und kann bei verschmutzten Gasen auch als Wäscher eingesetzt werden. Weitere Verdichtertypen, auf die hier wegen ihrer seltenen Anwendung im Bereich von HDRE-Maschinen nicht weiter eingegangen wird, sind Rotationsverdichter, Drehzahnverdichter und Scrollverdichter.

3.2 Betriebsverhalten und Regelung von Turboverdichtern Verdichter werden in der Regel nicht immer in dem für sie vorgesehenen Auslegungspunkt betrieben. Speziell gilt das auch für das An- und Abfahren. Deshalb ist es wichtig, sich mit deren Betriebsverhalten unter geänderten Bedingungen zu befassen. Hilfreich hierzu ist die Betrachtung von Kennlinien und Kennfeldern.

3.2.1 Kennfelder von Turboverdichtern Die Kennlinie eines Turboverdichters stellt die Änderung der spezifischen Arbeit oder das Druckverhältnis in Abhängigkeit des Volumen- oder Massenstroms einer spezifischen Verdichterkonstruktion bei konstanter Drehzahl, unveränderter Geometrie und unverändertem Prozessgas dar. Bei Veränderung der Drehzahl oder Anströmrichtung entstehen weitere Kennlinien, die in ihrer Gesamtheit ein Kennfeld bilden. Abb. 3.13 zeigt ein Beispiel für ein solches Kennfeld. Kennfelder werden zunächst für jede Einzelstufe separat erstellt. Für den gesamten Verdichter ergibt sich durch Überlagerung ein Gesamt-Verdichterkennfeld. Das Kennfeld wird nach links, zu niedrigen Volumenströmen hin, also im Teillastbetrieb, begrenzt durch die sogenannte Pumpgrenzlinie. Auf deren linker Seite ist das Verhalten des Turboverdichters durch Strömungsabrisse instabil. Dadurch sinkt

36

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.13   Kennfeld eines Getriebe-Turboverdichters mit verstellbaren Eintrittsleitschaufeln

der Enddruck ab, wodurch sich eine Rückströmung bildet. Hierdurch bildet sich ein periodischen Verhalten (Druck steigt an, Druck fällt ab), das als „Pumpen“ bezeichnet wird. Dessen Frequenz hängt sehr stark von den Volumina in der Anlage stromauf und stromab des Verdichters ab. Damit verändert sich der Axialschub des Verdichters periodisch, was zu hohen Belastungen des Axiallagers und zu dessen Beschädigung führen kann. Auch Beschädigungen an Komponenten der Gesamtanlage sind möglich. In vielen Fällen kann man das Pumpen hören oder durch eine Druckmessung nachvollziehen. Hieraus ergeben sich für die Regelung eines Verdichters die zwei Hauptaufgaben • Pumpgrenzregelung (Bypassregelung, zum Schutz von Maschine und Anlage) sowie • Druck- oder Fördermengenregelung (zur Prozessregelung).

3.2.2 Bypassregelung Zur Absicherung der Pumpgrenze wird eine Bypassregelung eingesetzt. Damit wird die komplette Menge Prozessgas bzw. eine Teilmenge davon vom Druckstutzen des Verdichters über eine Druckreduzierung wieder zur Saugseite zurückgeleitet. Diese gewährleistet zu jedem Zeitpunkt, dass sich der aktuelle Betriebspunkt des Verdichters innerhalb des erlaubten Bereichs des Kennfeldes befindet.

3.2  Betriebsverhalten und Regelung von Turboverdichtern

37

Abb. 3.14   Reduktion des Volumenstroms im Kennfeld eines Getriebe-Turboverdichters mit verstellbaren Eintrittsleitschaufeln und Bypass

Meist wird ein der Druckreduzierung nachgeschalteter Bypasskühler benötigt, um die Eintrittstemperatur in einem zulässigen Bereich zu halten. Zur Auslegung des Bypasskühlers ist der Joule–Thomson-Effekt der Druckreduzierung zu berücksichtigen. Speziell für An- und Abfahren von Turboverdichtern sowie zur Vermeidung von Betriebspunkten außerhalb des Verdichterkennfeldes ist eine solche Bypassregelung grundsätzlich erforderlich. Abb. 3.14 zeigt am fiktiven Beispiel, dass eine Reduktion des Volumenstroms auf etwa 70 % des Auslegungswertes über eine Verstellung von Eintrittsleitschaufeln (hierzu s. Abschn. 3.2.5) möglich ist. Eine weitere Reduktion auf 30 % kann aber nur durch Umblasen der Differenz realisiert werden. Die Bypassregelung kann auch zur Fördermengenregelung genutzt werden. Damit wird eine Mengenreduzierung unter Beibehaltung des Auslegungspunktes erreicht. Bei einer Reduktion der Menge auf 55 % müssen somit die übrigen 45 % der Menge am Auslegungspunkt (100 %) wieder zur Saugseite zurückgeführt werden. Da diese Regelungsmethode allein auf Energie-Dissipation beruht, bleibt der Leistungsbedarf des Verdichters konstant. Der Wirkungsgrad des Verdichters im Teillastbereich ist damit stark reduziert. In Fällen von Prozessgasen sehr unterschiedlicher Molmassen oder hoher Druckverhältnisse in den Stufen kann es zusätzlich erforderlich sein, einen weiteren Bypass um einzelne Stufen vorzusehen.

38

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Bei Verdichtern, die Umgebungsluft ansaugen, kann an Stelle einer Bypassregelung eine Abblaseregelung eingesetzt werden, die die überschüssige Luft über eine Druckreduzierarmatur und einen Schalldämpfer wieder in die Umgebung zurück abbläst.

3.2.3 Saugdrosselregelung Wird vor den Verdichtereintritt eine Drosselarmatur gesetzt, reduziert diese je nach Einstellung den Saugdruck des Verdichters und damit auch dessen Enddruck, Volumenstrom und Leistung. Typische Merkmale, wie in Abb. 3.15a dargestellt, sind niedrige Wirkungsgrade bei Teillast, aufgrund der in der Drosselarmatur dissipierten Energie. Diese Regelung wirkt auf alle Stufen des Verdichters. Die Investitionskosten sind relativ niedrig, die spezifischen Betriebskosten steigen jedoch im Teillastbereich stark an.

3.2.4 Drehzahlregelung Eine Drehzahlregelung wirkt sich auf alle Laufräder aus, wobei die Teillast-Wirkungsgrade relativ hoch sind, s. Abb. 3.15b. Für kompressible Medien und bei gleicher Geometrie gelten näherungsweise die folgenden Ähnlichkeitsbeziehungen gemäß dem Strömungsmaschinengesetz11 („Fan Affinity Laws“): • Der Volumenstrom verhält sich proportional zur Drehzahl. • Die polytrope Arbeit verhält sich proportional zum Quadrat der Drehzahl. • Der Leistungsbedarf verhält sich proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Der Einsatz ist besonders dann vorteilhaft, wenn Erhöhungen der Fördermenge auch zur Erhöhung des Enddrucks führen sollen. Als Antriebsmaschinen sind Dampf- und Gasturbinen geeignet sowie drehzahlgeregelte Mittelspannungs-Motoren. Als weitere Möglichkeit können Überlagerungsgetriebe eingesetzt werden (s. Abschn. 3.6.2). Dies gilt insbesondere für elektrisch angetriebene Verdichter mit hoher Leistung.

11 The

Engineering Toolbox, https://www.engineeringtoolbox.com/fan-affinity-laws-d_196.html.

3.2  Betriebsverhalten und Regelung von Turboverdichtern

39

Abb. 3.15   Typische Einzelstufenkennfelder für verschiedene Regelungsmethoden im Vergleich, mit dem Betriebspunkt AP, der Pumpgrenze PG und eingetragenen Wirkungsgradkurven η/η0. (a) Saugdrosselregelung, ps/ps0 – Druckverhältnis an Saugklappe. (b) Drehzahlregelung, N/N0 – Drehzahlverhältnis. (c) Eintrittsleitschaufelregelung, α1 – Leitschaufelwinkel

3.2.5 Eintrittsleitschaufel-Regelung Durch den Einbau verstellbarer Leitschaufeln vor dem ersten Laufrad kann positiver oder negativer Vordrall erzeugt werden. Damit wird gemäß der Euler-Gleichungen der Strömungsmechanik12 die Umfangskomponente der Anströmgeschwindigkeit des

12 S.

wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Euler-Gleichungen_(Strömungsmechanik).

40

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

­ aufrades verändert, wodurch sich entsprechend auch die polytrope Arbeit verändert (s. L Abb. 3.15c). Die vorgeschalteten, während des Betriebs verstellbaren Leitschaufeln mit ihrem Gehäuse werden oft als Eintrittsleitapparate bezeichnet. Eintrittsleitapparate werden häufig eingesetzt und eignen sich besonders, wenn bei Veränderung der Fördermenge der Enddruck nicht wesentlich geändert wird, sowie für steile Anlagenkennlinien. Insbesondere Getriebe-Turboverdichter sind prädestiniert für diese Art der Regelung, weil diese im Prinzip vor jeder Laufradstufe eingesetzt werden kann und damit ein relativ weites Kennfeld ermöglicht.

3.2.6 Nachleitschaufel-Regelung Der Vollständigkeit halber sei hier noch die Regelung mittels einer verstellbaren Schaufelreihe im Diffusor (Verdichteraustritt) erwähnt, die den Druckrückgewinn in diesem Bereich beeinflusst. In der Praxis ist es so, dass der Verstellmechanismus dieser Schaufelreihe verschmutzungsanfällig ist und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit hoch. Der Autor empfiehlt den Einsatz grundsätzlich nicht, obwohl der Regelungsbereich relativ hoch ist bei nur geringem Einfluss auf den Wirkungsgrad. Manche Verdichter erhalten am Austritt jedoch eine Schaufelreihe im Diffusor, die bei Inbetriebnahme fest eingestellt und im Betrieb nicht verstellt wird. Dagegen ergeben sich aus Sicht des Autors keine Einwände.

3.3 Betriebsverhalten und Regelung von Hubkolbenverdichtern Auch für Verdrängerverdichter wie Hubkolbenverdichter gibt es verschiedene Regelungsprinzipien, die in diesem Abschnitt vorgestellt werden. Teilweise entsprechen sie den für Turboverdichter möglichen Regelungsprinzipien (s. Abschn. 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3), teilweise gelten sie spezifisch für Hubkolbenverdichter (s. Abschn. 3.3.4, 3.3.5, 3.3.6).

3.3.1 Saugdrosselregelung Durch Drosseln der Saugleitung vermindern sich Druck und Dichte des angesaugten Gases. Da sich hierdurch bei festgehaltenem Enddruck das Gesamtdruckverhältnis erhöht, nimmt allerdings auch die Verdichtungsendtemperatur zu.

3.3  Betriebsverhalten und Regelung von Hubkolbenverdichtern

41

3.3.2 Bypass-Regelung Über einen geeignet dimensionierten gekühlten Bypass von der Druckseite der letzten Stufe zur Saugseite der ersten Stufe ist eine Fördermengenregelung von 0 … 100 % möglich. Allerdings ergibt sich wie beim Turboverdichter hierdurch keine Energieeinsparung. Zudem verschieben sich die Drücke zwischen den einzelnen Stufen. Varianten sind hier auch möglich, wie zum Beispiel ein Bypass nur um die 1. Stufe. Meist ist ein Bypass auch bei Hubkolbenverdichtern zum An- und Abfahren ohnehin erforderlich, sodass die zusätzlichen Investitionskosten gering sind.

3.3.3 Drehzahlregelung Bei rotierenden Verdrängerverdichtern, z. B. Schraubenverdichtern, ist eine energiesparende Drehzahlregelung im Bereich von 100 % herunter bis etwa 50 % möglich. Bei Hubkolbenverdichtern ist die Drehzahlregelung meist nicht sinnvoll. Grund hierfür ist das Vorliegen einer großen Anzahl verschiedener Eigenfrequenzen der Schwingungen der Gassäule (Druck- und Volumenpulsationen), die zu mechanischen Resonanzschwingungen und zu hoher dynamischer Beanspruchung von Verdichter und angeschlossenen Rohrleitungen führt. Zum anderen steigt bei Reduzierung der Drehzahl der Ungleichförmigkeitsgrad an. Eine Kompensation ist durch Erhöhung der Schwungradmasse möglich, was wiederum das zum Anfahren erforderliche Drehmoment erhöht.

3.3.4 Regelung durch Schadraum-Zuschaltung Unter dem Schadraum oder Totraum versteht man das Volumen im Zylinder eines Hubkolbenverdichters zwischen Zylinderdeckel und Kolben im Totpunkt. Durch die wiederholte Rückexpansion des verdichteten Gases verringert sich der Massenstrom und damit auch der Wirkungsgrad der Verdichtung. Mittels eines pneumatischen Ventils wird der Totraum mit einem Zuschaltraum verbunden. Dadurch verlaufen Verdichtung und Expansion flacher. Konsequenz ist eine Absenkung des Ansaugvolumens. Mit geeigneter technischer Ausführung kann eine stufenlose Regelung ermöglicht werden.

3.3.5 Regelung durch Ventilabschaltung In Zusammenhang mit einer Ventilabschaltung an einzelnen Stufen kann die Bypassregelung dennoch wirtschaftlich sein. Wenn z. B. zwei parallele Eintrittsventile vor-

42

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

handen sind, kann eines durch einen geeigneten Mechanismus dauerhaft geöffnet bleiben, sodass sich Durchfluß und Energiebedarf halbieren.

3.3.6 Regelung durch stufenlose Saugventilabhebung Vielfach als Regelungsmethode eingesetzt wird die Saugventilabhebung, welche die Fördermenge stufenlos in einem weiten Bereich von 30 … 100 % und mit nur geringen Energieverlusten regelt. Über eine hydraulische oder in jüngerer Zeit auch elektrische Ansteuerung wird gezielt und stufenlos die Öffnung der Eintrittsventile verzögert. Die Regelung erfolgt schnell und präzise ohne wesentliche Leistungsverluste. Eine Erhöhung der Ventiltemperaturen bei Teillastbetrieb ist zu beachten. Vielfach im Einsatz ist das System HydroCOM der Fa. Hoerbiger.

3.3.7 Drücke und Temperaturen Im Teillastbereich weichen Zwischendrücke und Zwischentemperaturen von den Werten bei Volllast ab. Insofern sollten diese Werte in den Angeboten der Maschinenhersteller mindestens bei 25, 50 und 75 % mit angegeben werden.

3.4 Konzepte für die Wellenabdichtung rotierender Maschinen Die Wellendurchtritte zwischen Verdichtungsraum und Atmosphäre müssen sicher gegen Leckagen abgedichtet werden. Bei Turboverdichtern, Schraubenverdichtern und Dampfturbinen ergibt sich dabei eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der schnell rotierenden Welle und dem stationären Gehäuse. Wegen der deshalb erforderlichen Berührungsfreiheit der Oberflächen sind geringe Leckagen nicht zu vermeiden, müssen aber minimiert werden. Dies geschieht mithilfe von zugeführtem Sperrgas, in der Regel je nach Fördermedium Instrumentenluft oder Stickstoff. Zur Auswahl eines geeigneten Dichtungskonzepts ist jeweils als Alternative zu untersuchen, ob aus prozesstechnischen Gründen zugeführtes Sperrgas im Prozessgas aufgenommen werden kann, was die Gaszusammensetzung leicht ändert, oder ob Prozessgas im Außenbereich aufgefangen und z. B. in einer Fackel verbrannt werden kann, was zu Produktverlust führt. Die vorgestellten Wellenabdichtungssysteme erfordern je nach ihrer Art ein spezielles Sperrgas-Versorgungssystem, das während des "Detailed Engineering" definiert wird.

3.4  Konzepte für die Wellenabdichtung rotierender Maschinen

43

3.4.1 Funktionsprinzipien für Wellenabdichtungen Die wesentlichen Funktionsprinzipien für Wellenabdichtungen sind Labyrinthdichtungen, Kohleringdichtungen und öl- oder gasgeschmierte Gleitringdichtungen. Je nach Anforderung bezüglich Gassperrung und Entlüftung werden Ein- und Mehrkammersysteme eingesetzt. Mehrkammersysteme enthalten mehrere Anschlussstutzen für Entlüftung und Sperrgaszufuhr. Einkammersysteme sind einfach aufgebaut, halten aber bis auf wenige Ausnahmen, z. B. bei Ventilatoren im Einsatz bei Luft, sicherheitstechnischen Anforderungen nicht stand. Selbst bei Ventilatoren empfiehlt es sich, zumindest einen Sperrgasanschluss mit Absperrarmatur vorzusehen, der bei Bedarf zur Zuführung von Sperrgas verwendet werden kann. Details zur Konfiguration des Wellenabdichtungssystems werden während des „Detailed Engineering“ spezifiziert. Das robusteste System mit den niedrigsten Anschaffungskosten sind Labyrinthdichtungen, die konstruktiv unterschiedlich aufgebaut sein können. Kohleringdichtungen wiederum haben deutlich geringere Leckagen (Faktor 5 bis 10), und gasgeschmierte Gleitringdichtungen senken die Restleckage nochmals um die Größenordnung 10.

3.4.1.1 Labyrinthdichtungen Die Labyrinthdichtung ist eine robuste berührungsfreie Wellendichtung. Die Abdichtung erfolgt über schmale Spalte zwischen Gehäuse und Welle mit Umlenkungen durch Formelemente, welche hohe Strömungswiderstände durch den Spalt und damit relativ geringe Leckageverluste zur Folge haben. Gängige Bauarten für Labyrinthe sind Durchblicklabyrinth, Stolperbundlabyrinth und Stufenlabyrinth, wie in Abb. 3.16a, b und c dargestellt. Bei hohen Druckgefällen werden auch Doppellabyrinthe mit Dichtstreifen auf Rotor und Stator eingesetzt. Durch enge Spaltmaße und scharfkantig ausgeführte Drosselelemente werden die verbleibenden Leckageströme minimiert. Fertigungs- und Einbautoleranzen, Wärmedehnungen und Schwingungen bedingen jedoch Mindestspaltmaße und führen auch zu Randbedingungen bei den axialen Abständen zwischen Labyrinthspitzen. Die Dichtspalte betragen Zehntel eines Millimeters, die Strömung hindurch ist turbulent. Wellenseitig bestehen sie aus rotierenden Metallspitzen, die entweder eingestemmt werden oder direkt am Rotor angedreht sind. Gehäuseseitig werden sie feststehend ausgeführt. Es gibt auch Ausführungen, die mit Federn vorgespannt sind, um beim Anstreifen nachgeben zu können. Für Dampfturbinen werden generell Labyrinthdichtungen mit Sperrdampf eingesetzt. Häufig werden sie aus Wirtschaftlichkeitsgründen auch für die Verdichtung von Luft verwendet, wegen ihrer Robustheit vielfach auch für kritische Gase. 3.4.1.2 Kohleschwimmringdichtungen Gasgeschmierte Kohleschwimmringdichtungen werden auch nach dem Firmengründer „Espey-Dichtungen“ genannt. Die Abdichtung erfolgt über schwimmend gelagerte, meist

44

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

a

c

b

Abb. 3.16a   a Durchblicklabyrinth, b Stolperbundlabyrinth mit eingestemmten Dichtspitzen C und Stemmring D, c Stufenlabyrinth. (Aus Wiesche (2018) Handbuch Dampfturbinen, Kap. 11 Dichtungen und Schubausgleich, Abb. 11.1)

segmentierte Hartkohleringe. Diese werden durch eine Feder zusammengehalten und können somit den radialen Wellenauslenkungen folgen. Sie werden durch Stifte gegen Verdrehen gesichert. Durch den gegenüber der Labyrinthdichtung bedeutend geringeren Betriebsspalt sind die Leckageverluste sehr gering. Die Dichtspalte betragen hier Hundertstel eines Millimeters, die Strömung hindurch ist laminar. Da bei fehlerbedingtem Anstreifen Schäden an der Welle entstehen können, wird die Verwendung einer auf die Welle geschobenen, austauschbaren Wellenschutzhülse aus geeignetem Material empfohlen. Der Einbau von Kohleschwimmringdichtungen erfolgt in der Regel in Form einer Kartusche mit mehreren austauschbaren Kohleringen, wie im Beispiel einer Dichtungsvariante von EagleBurgmann mit drei Kohleringen und einem Sperrgasanschluss in Abb. 3.17. Kohleschwimmringdichtungen werden häufig für Turbo- und Schrauben-Verdichter eingesetzt.

3.4.1.3 Gasgeschmierte Gleitringdichtungen Gasgeschmierte Gleitringdichtungen werden auch als Trockengasdichtungen oder „Dry Gas Seals“ (DGS) bezeichnet. Die Hauptkomponenten einer Gleitringdichtung sind ein

3.4  Konzepte für die Wellenabdichtung rotierender Maschinen

45

Abb. 3.17    Variante einer Kohleschwimmringdichtung. (Espey® WD200 mit Zwischeneinspeisung und 3 Dichtringen. Mit freundlicher Genehmigung von © EagleBurgmann Germany. All Rights reserved)

Abb. 3.18   Drehrichtungsabhängige und drehrichtungsunabhängige Nutenstruktur einer gasgeschmierten Gleitringdichtung. (Mit freundlicher Genehmigung von © JohnCrane Germany. All Rights reserved)

Abb. 3.19    Konstruktionsschemata gasgeschmierter Gleitringdichtungen in verschiedenen Anordnungen als Einfachdichtung, Doppeldichtung und Tandemdichtung. (Mit freundlicher Genehmigung von © JohnCrane Germany. All Rights reserved)

mit Spiralfeder versehener Gleitring und dessen Gegenring. Der Gleitring ist stationär mit dem Gehäuse verbunden, der Gegenring rotiert mit der Welle (s. Abb. 3.19). Die Dichtfläche des Gegenrings einer gasgeschmierten Gleitringdichtung weist eine drehrichtungsabhängige oder drehrichtungsunabhängige Nutenstruktur auf, s. Abb. 3.18. Wegen der bei Rotation in diesen Nuten auftretenden aerodynamischen Kräfte drückt der Gleitring gegen die Federkraft der Spiralfeder und hebt ab einer bestimmten

46

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

­ elativgeschwindigkeit ab. Damit bildet sich ein minimaler Spalt mit sehr geringfügigen R Leckagen. Die Spaltweite vergrößert sich mit zunehmender Drehzahl nur leicht. Die „Abhebedrehzahl“ ist bei drehrichtungsunabhängiger Nutenstruktur etwas höher, verkraftet aber auch eventuelles Rückwärtsdrehen der Welle beim Auslaufen und wird deswegen grundsätzlich empfohlen. Die Dichtspalte betragen hier Tausendstel eines Millimeters. Je nach Anwendung werden Einfach-, Doppel- oder Tandemdichtungen eingesetzt, die als Kartusche geliefert und eingebaut werden. Einfachdichtungen sind nur für ungefährliche Gase wie Luft zulässig. Abb. 3.19 zeigt diese Anordnungen im Vergleich. Wegen des nur minimalen Spalts reagiert dieser Dichtungstyp sehr empfindlich auf Verschmutzungen fester und flüssiger Art. Deshalb muss das Gas vor dem Durchgang durch die Dichtung bis auf einen Partikeldurchmesser von maximal 3 μm gefiltert werden. Ebenso muss Kondensation ggf. mittels einer Heizung vermieden werden, welche unter allen Betriebsbedingungen einen Minimalabstand von 20 K zum Taupunkt gewährleistet. Da die Gleitringe im Betrieb nur oberhalb einer bestimmten Drehzahl abheben, ist die Dichtheit unterhalb eines bestimmten, durch die Spiralfeder vorgegebenen Drucks auch im Stillstand gewährleistet, im Gegensatz zu Labyrinthdichtungen und Kohleringdichtungen. Wären die Druckdifferenzen zwischen den jeweiligen Ein- und Auslässen zu hoch, könnten sogenannte, ins Sperrgassystem integrierte, „Seal Gas Booster“-Systeme zur Gewährleistung eines ausreichenden Sperrgasdrucks eingesetzt werden, insbesondere bei transienten Fahrweisen wie An- und Abfahren. Den prinzipiellen Aufbau einer gasgeschmierten Gleitringdichtung mit ihren Sperrgas-Zu- und Abführungen zeigt Abb. 3.20a am Beispiel einer Tandemdichtung mit Zwischenlabyrinth (Abb. 3.20b). Eine ausführliche Darstellung und Erklärung der verschiedenen möglichen Ausführungen zeigt der API STD 692, Part 2 (2018)13. Dessen „Annex D“ stellt Kriterien für die Auswahl vor. Diese scheinen dem Autor allerdings sehr restriktiv, so sind auch verlässliche Anwendungen von Doppeldichtungen bei höheren Drücken um 20 bar bekannt. Führende Hersteller für gasgeschmierte Gleitringdichtungen sind EagleBurgmann, JohnCrane und Flowserve.

3.4.1.4 Ölgeschmierte Gleitringdichtungen In speziellen Fällen und vor allem bei älteren Einwellen-Turboverdichtern oder bei Schraubenverdichtern werden auch ölgeschmierte Gleitringdichtungen verwendet. Deren Anordnung ist ähnlich wie die von gasgeschmierten Dichtungen. Allerdings geht deren

13 API STD 692 (2018), 1st edition. Dry Gas Sealing Systems for Axial, Centrifugal, Rotary Screw Compressors and Expanders. American Petroleum Institute, Washington.

3.4  Konzepte für die Wellenabdichtung rotierender Maschinen

a

47

b

Abb. 3.20   a Tandemdichtung mit Zwischenlabyrinth (links: Prozess-Seite, rechts: Ölseite). Zuführungen: A: Prozessgas, C: Spülgas (N2), D: Sperrgas (N2); B: Mischgas zur Fackel; S: N2 zu „Safe Location“, b Kartusche einer gasgeschmierten Gleitringdichtung. (Mit freundlicher Genehmigung von © EagleBurgmann Germany. All Rights reserved; Mit freundlicher Genehmigung von © EagleBurgmann Germany. All Rights reserved)

Verwendung stark zurück, und vielfach werden sie durch gasgeschmierte Dichtungen ersetzt. Erhältlich sind sie bei Flowserve und EagleBurgmann.

3.4.1.5 Verschaltung von Wellenabdichtungen Die Funktion einer Wellenabdichtung besteht in der Trennung einerseits zwischen Prozessgas und Umgebung, andererseits zwischen Prozessgas und Schmieröl. Dies wird am Beispiel der Tandemdichtung mit Zwischenlabyrinth der Abb. 3.20a beschrieben. Da eine vollständige Abdichtung ohne Leckage wegen der gegeneinander rotierenden Bauteile nicht möglich ist, gibt es zwei Möglichkeiten. a) Durch den Anschluss A wird aus dem Prozess entnommenes, fein gefiltertes und ggf. über die Temperatur des Taupunkts hinaus erwärmtes Prozessgas geleitet. Die Leckage wird prozessseitig über eine Labyrinthdichtung in den Prozess zurückgeführt. Die Labyrinthdichtung dient dabei zur Vermeidung von Verschmutzungen aus dem Prozessgas zurück in die Dichtung. Durch den Anschluss C wird Inertgas (Stickstoff) als Spülgas eingeführt. Durch den Anschluss B wird ein Gemisch aus Prozessgas und Spülgas abgeführt und verbrannt oder gereinigt. Im Bereich rechts wird durch den Anschluss D inertes Sperrgas zugeführt, welches zwischen Prozessgasbereich und Ölbereich abdichtet. Durch den Anschluss S wird im normalen Betriebszustand nur sauberes Inertgas zu einer „Safe Location“ abgeführt.

48

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

b) Für den Fall, dass dem Prozessgas aus verfahrenstechnischen Gründen kleine Mengen an Stickstoff hinzugefügt werden können, kann vereinfachend auch im Anschluss A Inertgas zugeführt werden. Die Verhältnisse können auch auf andere Dichtungsbauarten und Anordnungen übertragen werden. Bei der Verdichtung von Luft sind auch einfachere Konfigurationen möglich. Die in Abb. 3.17 dargestellte Espey-Kohleschwimmringdichtung z. B. verfügt nur über einen Sperrgasanschluss. Es ist somit für jeden Verdichtungsprozess separat zu untersuchen und mit dem Verdichterhersteller abzustimmen, welche Dichtungsbauart in welcher Konfiguration optimal ist. Hierfür ist außer dem Normalbetrieb auch das An- und Abfahren, der Maschinenausfall und auch alle möglichen Schadensszenarien der Wellenabdichtung selbst zu berücksichtigen. Hierauf wird bei der Beschreibung der SperrgasVersorgungssysteme im späteren Abschn. 6.2.3, näher eingegangen.

3.4.2 Weiterführende Literatur Als weiterführende Literatur zu Wellenabdichtungen, zum Teil auch zur Berechnung der Spaltströmungen, wird empfohlen: • • • •

für Dichtungen allgemein: Flitney (2014)14, für Labyrinthdichtungen: Traupel (1966)15, Wiesche (2018)16, für Gleitringdichtungen: Tietze (2003)17, für „Dry Gas Seals“: Stahley (2005)18.

14 Flitney,

R (2014) Seals and Sealing Handbook, 6th edition, Elsevier. W (1966) Wellendichtungen und Schubausgleich. In: Thermische Strömungsmaschinen. Springer, Berlin, Heidelberg. 16  Wiesche, S (2018) Handbuch Dampfturbinen – Grundlagen, Konstruktion, Betrieb, Kap. 11 Dichtungen; Springer Vieweg, Wiesbaden. 17  Tietze, W (2003) Kap. 5, Gleitringdichtungen. In: Handbuch Dichtungspraxis, 3. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen. 18 Stahley, J (2005) Dry Gas Seals Handbook, Pennwell, Tulsa OK. 15 Traupel,

3.5  Antriebe für Verdichterstränge

49

3.5 Antriebe für Verdichterstränge Bei Vorhandensein oder Überschuss von Dampf in einer Anlage werden IndustrieDampfturbinen in Ausführung als Kondensations- oder Gegendruckturbine als Antrieb von Turboverdichtern verwendet, besonders bei drehzahlgeregelten Anwendungen. Der Begriff „Industrie-Dampfturbine“ versteht sich als Gegensatz zur „Kraftwerks-Dampfturbine“. Bis zu einer Antriebsleistung um die 30 MW werden häufig elektrische Antriebe in Form von Asynchronmotoren und Synchronmotoren eingesetzt. Seltener dienen auch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen als Antriebsmaschinen, z. B. im Schiffseinsatz oder bei Pipeline-Verdichtern.

3.5.1 Industrie-Dampfturbinen Der übliche Leistungsbereich von Industrie-Dampfturbinen liegt bei 1 bis etwa 100 MW. Eine detaillierte Beschreibung von Grundlagen, Funktionsweise, Verschaltungen und Bauarten findet man bei Bloch, Singh (2008)19 und bei Wiesche (2018)20. In drehzahlkonstanter und drehzahlveränderlicher Form dienen sie zum einen als Antrieb für Verdichterstränge. Bei Dampfüberschuss finden sie auch im Generator-Set ihren Einsatz zur Stromerzeugung. Ausführungen und Schaltungen von Dampfturbinen sind je nach Einsatz sehr unterschiedlich, so können sie z. B. eine oder mehrere Zwischenentnahmen bei bestimmten Drücken enthalten.

3.5.1.1 Impuls- und Reaktions-Turbinen Die beiden wesentlichen Grundtypen von Dampfturbinen sind Impulsturbinen und Reaktionsturbinen. In beiden Fällen wechseln sich in axialer Durchströmungsrichtung Reihen rotierender Laufschaufeln und stationärer Leitschaufeln ab. Bei der Impulsturbine findet die Expansion des Dampfes in den Leitschaufelreihen bei hohem Druckabfall pro Reihe statt, bei der Reaktionsturbine dagegen kontinuierlich bei niedrigerem Druckabfall, was zu einer höheren Zahl an Schaufelreihen führt. Impulsturbinen sind tendenziell weniger kritisch bezüglich der Größe der Schaufelspiele als Reaktionsturbinen und können wegen dieser weiteren Spiele schneller

19 Bloch, H.-P., Singh, M.P. (2008), Steam Turbines: Design, Application and Re-Rating, 2nd ed, McGraw-Hill, New York. 20  Wiesche, S., Joos, F. (Hrsg.) (2018), Handbuch Dampfturbinen: Grundlagen, Konstruktion, Betrieb, Springer Vieweg, Wiesbaden.

50

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

gestartet werden. Ebenso sind deren stationäre Schaufeln weniger gefährdet als die von Reaktionsturbinen.

3.5.1.2 Kondensations- und Gegendruck-Dampfturbinen Bei einer Gegendruckturbine bleibt der Abdampf immer dampfförmig im überhitzten Bereich, um ihn dann als Prozessdampf zu nutzen. Bei einer Kondensationsturbine erfolgt die Entspannung dagegen bis zum Sattdampf bzw. ins Nassdampfgebiet in den Unterdruckbereich hinein. Die Abdampf-Volumenströme werden sehr hoch, sodass die Schaufellängen in den letzten Schaufelreihen sehr groß werden. Ein Anteil von deutlich mehr als 10 % an Dampfnässe muss hier vermieden werden, da sonst Tropfenerosion zu erwarten ist. Eine härtende Oberflächenbehandlung der Schaufeln ist erforderlich. Im Vergleich zur Kondensationsturbine hat die Endstufe einer Gegendruckturbine eine deutlich geringere Schaufellänge. Dies führt zu einer kompakteren und damit kostengünstigeren Bauweise. 3.5.1.3 Schaltung von Dampfturbinen Dampfturbinen werden je nach Anwendungsgebiet in verschiedenen Verschaltungsvarianten betrieben. Die möglichen Varianten hängen unter anderem auch ab von den verfügbaren Frischdampfdrücken. An größeren Produktionsstandorten ist es aus verfahrenstechnischen Gründen üblich, Dampf für verschiedene Anwendungsbereiche auf mehreren Druck- und damit Temperaturniveaus bereitzustellen, so z. B. einer Hochdruckschiene von 100 bar, einer Mitteldruckschiene bei 40 bar und/oder 16 bar und einer Niederdruckschiene von 4 bar, jeweils bei Temperaturen etwas oberhalb der Sattdampftemperatur. Eine einfache Schaltungsvariante ist die Kondensationsturbine mit einer Frischdampfzuführung als „Rein-Raus-Maschine“. Sie wird entweder in einem Generator-Set zur Stromerzeugung genutzt oder dient als mechanischer Antrieb. Eine weitere einfache Schaltungsvariante ist die Gegendruckturbine mit einer Frischdampfzuführung und einer Abdampfabführung, ebenfalls als „Rein-Raus-Maschine“. Dabei wird Dampf aus einer Dampfschiene mit höherem Druckniveau entweder auf ein für einen Prozess benötigten Druck entspannt oder aber auf den Druck in einer Dampfschiene mit niedrigerem Druckniveau, um den Dampfbedarf in mehreren Schienen auszugleichen und nebenher Strom zu erzeugen. Auch hier kann die entstehende Rotationsenergie wiederum alternativ als mechanischer Antrieb genutzt werden. Komplexere Verschaltungen mit Ausführung als Kondensations- oder Gegendruckturbine besitzen neben der Frischdampfzuführung eine weitere Dampfzuführung auf niedrigerem Druckniveau (Zudampf-Turbine). Andere Verschaltungen beinhalten zusätzlich eine oder mehrere geregelte Entnahmen auf Zwischendrücken. Da die Tendenz aus Klimaschutzgründen zu immer mehr elektrisch angetriebenen Verdichtersträngen geht, kommen innerhalb eines Produktionsbetriebs Dampfturbinen meist dann zum Einsatz als mechanischer Antrieb, wenn in einer verfahrenstechnischen Anlage Dampfüberschuss herrscht.

3.5  Antriebe für Verdichterstränge

51

3.5.1.4 Leistungsregelung von Dampfturbinen Die Regelung der Dampfmengen je nach erforderlicher Leistung der angetriebenen Arbeitsmaschine erfolgt eintrittsseitig an mehreren Drosselventilen, s. Abb. 3.21. Durch meist kegelförmige Drosselventile am Eintritt in die Maschine wird der Druck vor der ersten Schaufelreihe kontinuierlich herabgesetzt, womit gleichzeitig Massenstrom und Druckgefälle und dementsprechend auch die Leistung der Turbine vermindert wird. Dies kann an jeder einzelnen Düsengruppe separat geschehen. Die Drehzahl der Antriebsturbine selbst wird von der Arbeitsmaschine bestimmt und kann insofern nicht für die Leistungsregelung eingesetzt werden.

3.5.2 Elektrische Antriebe und Generatoren Ein Großteil der Verdichter, Pumpen und anderer Arbeitsmaschinen wird elektrisch angetrieben. Referenzen für elektrische Verdichterantriebe sind aktuell mit Antriebsleistungen bis etwas oberhalb von 30 MW vorhanden. Als Einzelstücke für besondere Anwendungen, z. B. Prüfstände, werden derzeit Motoren bis etwa 60 MW gebaut. Weitere Spezialanfertigungen gehen bis oberhalb von 100 MW. Im Bereich der Wechselspannung werden folgende elektrische Spannungsebenen definiert: • Low Voltage (LV) oder Niederspannung bis 1000 V, • Medium Voltage (MV) oder Mittelspannung zwischen 1000 V und 30.000 V, • High Voltage (HV) oder Hochspannung oberhalb von 30.000 V. In anderem Sprachgebrauch werden Spannungen bereits oberhalb von 1000 V als Hochspannung (High Voltage, HV) bezeichnet. Diese Bezeichnung wird hier nicht verwendet.

Abb. 3.21   Regelung der Dampfmenge über Düsengruppe mit 4 Segmenten. (Quelle: Wiesche S (2018) Handbuch Dampfturbinen, Abb. 21.26, Springer)

52

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Verdichterantriebe sind bis auf die Ausnahme kleiner Verdichter und Ventilatoren im Mittelspannungsbereich angesiedelt. Die Motoren werden geometrisch, elektrisch und mechanisch projekt- und kundenspezifisch ausgelegt und sind somit nicht einfach austauschbar. Darauf ist bei der Erarbeitung des Ersatzteilkonzepts zu achten. Die Wirkungsgrade von elektrischen Antriebsmotoren sind mit 96 … 99 % sehr hoch. Bereits an dieser Stelle ist eine Überlegung zum Ersatzteilkonzept sinnvoll. MVMotoren sind Einzelanfertigungen, ausgelegt auf den jeweiligen konkreten Einsatzfall. Deshalb haben sie Lieferzeiten von einigen Monaten bis zu einem Jahr. Die Investitionskosten sind einerseits bedeutend niedriger als die eines Verdichters oder einer Dampfturbine. Die Wahrscheinlichkeit eines Totalausfalls ist andererseits sehr gering. Somit muss sich der Anlagenbetreiber überlegen, ob der Ausfall seiner Anlage im unwahrscheinlichen Fall über einige Monate akzeptabel ist oder ob ein Ersatzmotor mit beschafft wird, der den Ausfall dann auf wenige Tage reduziert. Sind mehrere Verdichterstränge innerhalb einer Neuanlage oder eines neuen Standortes zu beschaffen, kann über die Anschaffung eines gemeinsamen Ersatzmotors nachgedacht werden. Die Achshöhe aller Motoren und deren Anschlüsse werden in diesem Fall auf den Motor mit der höchsten Leistung abgestimmt. Die elektrotechnischen Eigenschaften sowie die Leistung des einen gemeinsamen Ersatzmotors werden auf den Verdichterstrang mit dem höchsten Leistungsbedarf angepasst.

3.5.2.1 Niederspannungs-Motoren Bis zu etwa 200 kW Leistungsbedarf und einer Achshöhe von 315 mm werden Niederspannungs-Normmotoren, in der Regel mit einer Spannung von 230/400 V oder 690 V, eingesetzt. Diese sind bezüglich elektrischer Eigenschaften und geometrischer Anschlussmaße standardisiert und deshalb leicht austauschbar. Dies betrifft z. B. Antriebsmotoren für Ölpumpen. Darüber beginnt der Bereich der Transnorm-Motoren, die bis zu einer Leistung von maximal 5,3  MW gehen können. Auch ihr Kennzeichen ist eine gewisse Standardisierung. 3.5.2.2 Asynchronmotoren Die größte Zahl von Verdichtern wird durch Asynchronmotoren angetrieben, bis zu einem Leistungsbedarf von knapp 20 MW, wo sie an ihre Grenzen stoßen. Die Nenndrehzahl eines Asynchronmotors ist mit der jeweiligen Netzfrequenz verknüpft. Sie beträgt bei 2 magnetischen Polpaaren und 50 Hz Netzfrequenz 1500 rpm, bei 60 Hz 1800 rpm. Aufgrund des prinzipbedingten Schlupfes liegt die tatsächliche Drehzahl um 1 … 5 % darunter, je nach Bauart und Belastung. Deshalb ist bis auf Ausnahmen ein Getriebe zur Übersetzung auf die deutlich höhere Drehzahl der angeschlossenen Arbeitsmaschine erforderlich. Durch eine Änderung der Anzahl der Polpaare eines Asynchronmotors sind auch angepasste Drehzahlen gemäß Tab 3.2 möglich.

3.5  Antriebe für Verdichterstränge

53

Tab. 3.2  Drehzahl von Asynchronmotoren unterschiedlicher Polpaarzahl Anzahl Polpaare

1

2

3

4

6

8

10

12

Drehzahl bei 3000 50 Hz (rpm)

1500 1000 750

500

375

300

250

Drehzahl bei 3600 60 Hz (rpm)

1800 1200 900

600

450

360

300

Beispielsweise können Ventilatoren somit ohne zwischengeschaltetes Getriebe mit einer Drehzahl von 3000 bzw. 3600 rpm betrieben werden. Auch Hubkolbenverdichter, die mit geringeren Drehzahlen arbeiten, können direkt am Asynchronmotor betrieben werden. Die Auslegung von Hub und Kolbendurchmesser muss an die entsprechenden Drehzahlen angepaßt werden. Bei einem Betrieb am Frequenzumrichter ist dagegen eine stufenlose Änderung der Drehzahlen unterhalb von etwa 120 % der Nenndrehzahl möglich. Asynchronmotoren besitzen einen hohen Einschaltstrom, der entsprechend dem Anlaufmoment durchaus das Achtfache des Nennstroms betragen kann. Deshalb ist frühzeitig zu klären, ob Zusatzmaßnahmen für den Start erforderlich werden. Abb. 3.22 und 3.23 zeigen typische Anfahr-Lastkurven.

Abb. 3.22   Typische Anfahrkennlinie eines Asynchronmotors (Nennmoment MN, max. Anfahrmoment MK, Nenndrehzahl nN)

54

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.23   Beispielhafte Lastkurve eines MV-Asynchronmotors während des Anfahrens eines Turboverdichters. Bei geringerer Spannung nimmt die Zeit zum Hochfahren und damit auch die thermische Belastung des Motors deutlich zu

Viele Details zur Antriebstechnik bei Asynchronmotoren sind bei Binder (2017)21 zu finden.

3.5.2.3 Synchronmotoren Für Leistungsbedarfe von 15 MW und mehr bis hin zu derzeit etwa 35 MW bieten sich Synchronmotoren an. Bei Synchronmotoren läuft der Läufer im Gegensatz zum Asynchronmotor synchron mit dem magnetischen Drehfeld. Da prinzipbedingt aber nicht automatisch ein Erregerfeld entsteht, benötigen Synchronmotoren eine zusätzliche Erregung, die entweder über eine Erregerwicklung oder Permanentmagnete erfolgt. Das Anfahren erfolgt über eine Fremderregung drehzahlgesteuert. Die genauen Bedingungen und Anforderungen sind kostenrelevant und werden in der "Detailed Engineering“-Phase definiert. 21 Binder, A. (2017) Elektrische Maschinen und Antriebe, Kap. 7, S. 403 Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine, Springer Vieweg, Wiesbaden.

3.5  Antriebe für Verdichterstränge

55

3.5.2.4 Sanft-Anlauf Anfahr-Frequenzumrichter, auch als Softstarter bekannt, ermöglichen über eine Phasenanschnittsteuerung eine kontrollierte Reduzierung des Einschaltstroms und des Anlaufmomentes in bestimmten Grenzen. Somit wird der Motor zunächst mit niedriger Frequenz angefahren, wodurch der im Läufer induzierte Strom geringer ist. Erst wenn der Motor sich nach Erreichen des Losbrechmomentes dreht, steigert der Softstarter allmählich dessen Drehzahl bis hin zur Nenndrehzahl. 3.5.2.5 Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern Für eine Drehzahlregelung im Dauerbetrieb eignen sich Frequenzumrichter, die es in unterschiedlichen Technologien auch für Antriebe mit hohem Leistungsbedarf gibt. Dabei ist mit dem Hersteller zu prüfen, welche Technologie sich für den Einzelfall am besten eignet. Ein Problem beim Betrieb von Frequenzumrichtern ist, dass sie eine negative Rückwirkung im Sinne einer Destabilisierung auf das Stromnetz ausüben. Deswegen muss frühzeitig mit dem Netzbetreiber geprüft werden, in welcher Höhe Netzrückwirkungen gerade noch zulässig sind. Um diese Rückwirkungen zu verringern, kann die Pulszahl erhöht werden, oder es können elektronische Filter verschiedener Art eingebracht werden. Solche Maßnahmen können zu hohen Zusatzkosten und hohem Platzbedarf führen und zusätzlich durch die größere Anzahl der elektronischen Bauteile einen negativen Einfluss auf Verfügbarkeit und Wirkungsgrad haben. Für Verdichterstränge mit hohem Leistungsbedarf ist überdies der Platzbedarf für die Umrichtertechnik größer als für den Verdichterstrang selbst. Allgemeine Anforderungen an Antriebssysteme mit Drehzahlregelung finden sich in der IEC 61800–122 und in deren folgenden Blättern. 3.5.2.6 Generatoren für Generator-Sets Elektrische Motoren werden auch umgekehrt mit technischen Modifikationen als Generatoren verwendet, die mechanische Rotation in elektrische Leistung umsetzen, in Verbindung mit Dampfturbinen und Gasentspannungsturbinen. 3.5.2.7 Auslegung, Literatur und Hersteller Für eine Grobauslegung von MV-Motoren bietet Siemens eine internetbasierte, detaillierte Konfiguration für ihren Angebotsumfang an23.

22  IEC 61800-1:2021  Adjustable speed electrical power drive systems – Part 1: General requirements – Rating specifications for low voltage adjustable speed DC power drive system. 23 https://hv-easy.azurewebsites.net.

56

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Zu den elektrischen Antrieben findet sich eine Reihe weiterführender Literatur: Fischer (2021)24, Giersch (2021)25, Fritsche (2011)26, Binder (2017)27. Es gibt eine große Zahl von Herstellern für Antriebsmotoren und Frequenzumrichter, deren Zahl sich mit zunehmender Antriebsleistung jedoch erheblich reduziert. Weltweit agierende Hersteller für sehr große Verdichterantriebe sind ABB, Siemens, TMEIC und VEM.

3.5.3 Gasentspannungsturbinen (Expander) Eine Sonderform von Turbomaschinen sind Gasentspannungsturbinen, auch Expander genannt. Eine Gasentspannungsturbine wandelt Druckenergie von Gasen direkt in mechanische Energie um und ist damit verwandt mit der Dampfturbine. Sie kann mit dem Getriebe eines Getriebe-Turboverdichters verbunden sein. Auf einer oder mehreren Ritzelwellen sind dann Verdichterstufen angebracht, auf einer weiteren eine Entspannungsstufe mit radialer Einströmung und axialer Abströmung. In dieser Kombination spricht man auch von einem Kompander. Die Gasentspannungsturbine kann aber auch gemeinsam im Strang mit Einwellenverdichtern liegen. Der Aufbau ist dann vergleichbar dem einer Gegendruck-Dampfturbine. Ein typischer Maschinenstrang für Salpetersäureanlagen enthält einen Axial- und einen Radialverdichter sowie einen Axialexpander zur Nutzung von Restgasen und zur Unterstützung des Dampfturbinenantriebs. Ein Beispiel hierfür ist das getriebelose NAMAX-Konzept von MAN Energy Solutions28. Zur Stromerzeugung werden Expander im Generator-Set eingesetzt, z. B. bei der Druckreduzierung in Erdgasverteilstationen.

24 Fischer, R., Nolle, E. (2021) Elektrische Maschinen. Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten. Hanser Fachbuchverlag. 25 Giersch, H-U., et al. (2021), Elektrische Maschinen: Leistungselektronik, Elektrische Antriebe. Europa-Lehrmittel. 26 Fritsche, H. et al. (2011), Fachwissen Betriebs-, Maschinen- und Antriebstechnik. Europa-Lehrmittel. 27 Binder, A. (2017), Elektrische Maschinen und Antriebe. Grundlagen, Betriebsverhalten. 2. Aufl, Springer, Berlin, Heidelberg. 28 NAMAX-Konzept für einen Salpetersäurestrang, © MAN Energy Solutions. Link vom 05.01.2023.

3.5  Antriebe für Verdichterstränge

57

Abb. 3.24   SGT-800 Gasturbinen-Package. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

3.5.4 Industrie-Gasturbinen Ein Gasturbinenstrang besteht aus einer Turbine, einem Verdichter und einer Brennkammer. Im Verdichter wird Verbrennungsluft auf hohen Druck gebracht, welche dann in die mit Brenngas (z. B. Erdgas) angereicherte Brennkammer strömt. Aufgrund der durch die Verbrennung erzeugten Gasexpansion wird die Turbine angetrieben. Industrie-Gasturbinen werden bisher wegen der Unabhängigkeit vom Stromnetz neben der Stromgewinnung häufig zum Antrieb von Pipeline-Verdichtern eingesetzt, weil hier das in der Pipeline geförderte Gas auch zur Versorgung der Gasturbine genutzt werden kann. Meist sind sie abgeleitet von Flugzeugantrieben. Der Trend geht jedoch auch bei Pipeline-Verdichtern dahin, mehr und mehr Elektroantriebe einzusetzen, unter anderem um den CO2-Ausstoß zu verringern. Abb. 3.24 zeigt eine Gasturbinen-Kompletteinheit. Da Gasturbinen im industriellen Sektor, abgesehen von Pipeline-Verdichterantrieben, nicht häufig zum Einsatz kommen und auch oft durch Elektroantriebe ersetzt werden, wird hier nicht weiter darauf eingegangen. Als weiterführende Literatur bietet sich an: Brun, K., Kurz, R. (2019)29. Bedeutende Hersteller von Industrie-Gasturbinen sind Siemens Energy, Solar Turbines, Mitsubishi Hitachi Power Systems, MTU Aero Engines.

29  Brun, K., Kurz, R. (2019), Introduction to Gas Turbine Theory, 3rd ed, © Solar Turbines Incorporated, San Diego – All rights reserved.

58

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

3.6 Komponenten der Kraftübertragung In der bisherigen Diskussion wurden Verdichter und ihre Antriebsmaschinen betrachtet. In den meisten Fällen, besonders beim Antrieb durch MV-Motoren, können die Drehzahlen beider Komponenten erheblich unterschiedlich sein, sodass Übersetzungsgetriebe zwischen ihnen erforderlich sind. Für die Übertragung von Kräften und Drehmomenten müssen die Einzelkomponenten mittels Kupplungen verbunden werden. Auch über diese sollte man sich bereits in der Konzeptphase Gedanken machen. Deshalb werden sie in den folgenden Abschnitten skizziert.

3.6.1 Übersetzungsgetriebe Um die unterschiedlichen Drehzahlen von Antrieb (z. B. Asynchronmotor mit 2 Polpaaren bei 50/60 Hz mit 1500/1800 rpm) und Verdichter (Einwellen-Turboverdichter in der Regel oberhalb von 5000 rpm, Getriebe-Turboverdichter bis zu ca. 18.000 rpm) zu ermöglichen, werden Übersetzungsgetriebe eingesetzt. Bekannte Getriebehersteller für die Antriebsstränge aller gängigen Leistungs- und Drehzahlbereiche und verschiedener Bauarten bezüglich der Verteilung von Gleitlagern für Hersteller von HDRE-Verdichtern im deutschsprachigen Raum sind Renk und Flender. Die gängigsten Getriebe sind einstufige, einfach oder doppelt schrägverzahnte Stirnradgetriebe mit paralleler Antriebs- und Abtriebswelle. Für verschiedene Einsatzfälle eignen sich auch epizyklische Getriebe (Planetengetriebe) mit fluchtender Antriebs- und Abtriebswelle. Einer ihrer Vorteile ist der schlankere Aufbau des Maschinenstrangs. Abb. 3.25 zeigt beispielhaft ein Getriebe mit Doppel-Schrägverzahnung sowie Gleitlagern auf beiden Getriebeseiten. Abb. 3.26 zeigt das Schema eines Planetengetriebes der Firma RENK (2022)30.

3.6.2 Überlagerungsgetriebe Überlagerungsgetriebe werden in Sonderfällen eingesetzt, in denen eine mechanische Drehzahlregelung sinnvoll ist. Sie beinhalten ein Planetengetriebe, bei dem neben An- und Abtriebswelle eine dritte Welle vorhanden ist. Ein hydrodynamischer Drehmomentwandler oder elektronisch geregelte Servomotoren verändern die Drehzahl im Überlagerungszweig des Getriebes bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine und ermöglichen so die Drehzahlregelung der Abtriebswelle.

30  RENK (2022), Turbo Gearboxes and its applications https://www.renk-group.com/fileadmin/ Produkte_und_Service/Produkte/Dokumente/Turbogetriebe/RENK_MAAG_Turbo_Gearboxes. pdf.

3.6  Komponenten der Kraftübertragung

59

Abb. 3.25   Getriebeanordnung mit Doppel-Schrägverzahnung, links Antriebsmotor, rechts Verdichter. (Mit freundlicher Genehmigung von © RENK Group. All Rights reserved)

Abb. 3.26   Schema für eine Planetengetriebe-Übersetzung, links Abtrieb, rechts Antrieb. (Mit freundlicher Genehmigung von © RENK Group. All Rights reserved)

Der Vorecon der Firma Voith ist in Abb. 3.27 in einer Ausführung und in Abb. 3.28 in einem Schnittbild dargestellt. Die hydrodynamische Leistungsübertragung durch das Arbeitsöl ermöglicht über variable Leitschaufeln die kontinuierliche Drehzahländerung ohne mechanisches Schalten im Getriebe. Der VECO-Drive der Firma Voith arbeitet dagegen mit einer elektronischen Drehzahlüberlagerung, s. Abb. 3.29 und  3.30. Das Funktionsprinzip ist Folgendes: In einem Planetenumlaufgetriebe gibt es drei rotierende Elemente, nämlich das Hohlrad, das Sonnenrad und den Planetenträger mit den Planeten. In Abb. 3.31 werden die Drehzahlen der drei Elemente grafisch über ein Vektordiagramm (Kutzbachplan) ermittelt. Das Hohlrad ist mit dem Antriebsmotor gekoppelt und wird mit konstanter Drehzahl angetrieben. Der Planetenträger ist beim Vorecon mit einen Drehmomentwandler gekoppelt. Auf diese Weise kann Leistung zu- oder abgeführt und die Abtriebsdrehzahl aus dem Sonnenrad erhöht oder reduziert werden. Gleichermaßen erhöht oder reduziert sich die Übersetzung und damit die Drehzahl des Abtriebs. Im Umkehrpunkt steht der Planetenträger still.

60

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.27   Drehzahlregelbares Planetengetriebe Vorecon, unterhalb der Öltank. (Mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

Abb. 3.28   Drehzahlregelbares Planetengetriebe Vorecon, Schnittbild mit hydrodynamischem Drehmomentwandler und Planetenumlaufgetriebe. (Mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

Durch das Überlagerungsprinzip wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, da je nach Regelbereich nur ca. 25 % der Leistung zur Drehzahlregelung benötigt und ca. 75 % direkt auf das Planetengetriebe übertragen werden (Abb. 3.32). Der Gesamtwirkungsgrad wird allerdings beim Vorecon dadurch deutlich beeinträchtigt, dass die Hydraulikpumpe große Mengen an Öl transportieren muss. Ein drehzahlregelbares Planetengetriebe führt weiterhin zu einer Verringerung des Anfahrlastmomentes bis auf etwa 40 %, mit zusätzlichen Komponenten ist eine weitere Verringerung möglich.

3.6  Komponenten der Kraftübertragung

61

Abb. 3.29   Drehzahlregelbares Planetengetriebe VECO-Drive, Einbausituation. (mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

Das Ölsystem kann als Schmierölsystem für den gesamten Maschinenstrang erweitert werden. PRAXISBEISPIEL – DREHZAHLGEREGELTE ANTRIEBE

Eine neu zu errichtende chemische Anlage wurde mit mehreren großen, drehzahlgeregelten Strängen von Einwellen-Verdichtern geplant. Am betreffenden Standort war der Bau einer zusätzlichen Anlage zur Dampferzeugung nicht möglich. Deshalb sollten zwei der Verdichterstränge elektrisch angetrieben werden. Für den Antrieb waren Synchronmotoren mit 25 MW und 35 MW Leistung erforderlich. Die Anlage sollte einen Dauerbetrieb bis zu 5 Jahren ermöglichen und eine Verfügbarkeit von mindestens 99,5 % aufweisen. Zur Drehzahlregelung wurden nun zwei Alternativen geprüft: 1. Einsatz von Frequenzumrichtern. Um aufgrund ihrer hohen Leistung eine Rückwirkung auf das Stromnetz im vertretbaren Rahmen zu halten, war ein hoher Aufwand und Platzbedarf an elektronischer Filtertechnik erforderlich. 2. Einsatz des hydraulisch drehzahlregelbaren Planetengetriebes Vorecon der Firma Voith. Untersucht wurden nun detailliert Investitions- und Betriebskosten, Verluste sowie Verfügbarkeit für beide Optionen. Sieger im Sinne der Verfügbarkeit mit weit über 40 Jahren MTBF (Mittlere Betriebsdauer zwischen ungeplanten Stillständen) wurde der VORECON, gegenüber etwa 12 Jahren beim Frequenzumrichter.

62

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.30   Drehzahlregelbares Planetengetriebe VECO-Drive, Schnittbild mit Servomotoren, Planetenumlaufgetriebe und Anfahrschaltmöglichkeit. (Mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

Die mittlere Zeitdauer für eine Reparatur (MTTR) betrug „wenige Tage“ im Falle des Frequenzumrichters bei umfassender Ersatzteilhaltung, „eine Woche“ im Falle des Planetengetriebes bei Existenz eines Ersatzgetriebes mit 35 MW Leistung. Bezüglich der Gesamtverluste im Antriebsstrang zeigte sich in der Untersuchung der Frequenzumrichter leicht im Vorteil. Unter Berücksichtigung von Kosten und Platzbedarf fiel in diesem Einzelfall die Entscheidung aus der Perspektive Total Cost of Ownership (TCO) auf das drehzahlregelbare Planetengetriebe, u. a. wegen der hohen Kosten bei einem Anlagenstillstand.

3.6  Komponenten der Kraftübertragung

63

Abb. 3.31   Drehzahldiagramme (Kutzbachplan) eines Planetenumlaufgetriebes, links: minimale, rechts maximale Abtriebsdrehzahl. (Mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

Abb. 3.32    Leistungsverzweigung in einem Planetenumlaufgetriebe Eingangsleistung PE, Übrelagerungsleistung PÜ, Ausgangsleistung PA.. (Mit freundlicher Genehmigung von © Voith Group. All Rights reserved)

3.6.3 Kupplungen Kupplungen verbinden die verschiedenen Komponenten im Maschinenstrang, wie Antriebsmotor, Getriebe, Arbeitsmaschine, miteinander. Die wesentliche Aufgabe einer Kupplung ist die verlustarme Übertragung des Drehmomentes.

64

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Für langsam laufende, direkt angetriebene Kolbenverdichter werden starre Flanschkupplungen zwischen Antriebsmotor und Kurbelwelle bevorzugt, aber auch elastische Kupplungen kommen infrage. Für schnell laufende rotierende Maschinen sind elastische Kupplungen erforderlich, siehe hierzu Peeken, Troeder (1986)31. Elastische Kupplungen mindern stoßartige Belastungen und Schwingungen, sichern gegen Überlastung in Form einer Sollbruchstelle und gleichen in einem bestimmten Rahmen axiale, radiale und winklige Wellenverlagerungen aus.

3.6.3.1 Lamellenkupplung Die meisten Hersteller von Turboverdichtern schlagen derzeit Lamellenkupplungen („Multidisc Coupling“) vor. Lamellenkupplungen sind spielfrei und benötigen keine Schmierung. Nachteil ist, dass Versagen sich nicht ankündigt, sondern plötzlich auftritt und damit zum Ausfall des Maschinenstrangs führt. Ein Austausch der Lamellenpakete sollte für einen ausfallarmen Betrieb somit regelmäßig bei Stillstandswartung erfolgen, möglichst nach einem oder zwei Jahren Dauerbetrieb. Manche Hersteller geben einen längeren Dauerbetrieb an, dies erhöht jedoch das Risiko für einen spontanen Ausfall. Die ausgetauschten Lamellenpakete können dann durch den Hersteller begutachtet und ggf. instand gesetzt werden. Abb. 3.33 zeigt als Beispiel eine Lamellenkupplung von RENK32. 3.6.3.2 Membrankupplung Eine etwas kostspieligere Alternative zu Lamellenkupplungen sind Membrankupplungen („Diaphragm Coupling“). Sie sind ebenfalls spielfrei und benötigen keine Schmierung. Die erreichbare Wuchtgüte ist wie bei Lamellenkupplungen sehr hoch. Die Montage ist wegen weniger Einzelteile und relativ geringem Gewicht einfach. Die Lebensdauer ist sehr hoch, ein Ausfall ist unwahrscheinlich. Abb. 3.34 zeigt als Beispiel für eine ausgeführte Membrankupplung die Baureihe TwinTors, Typ MKB der Fa. VOITH BHS33. 3.6.3.3 Bogenzahnkupplung Eine weitere Alternative ist die Bogenzahnkupplung („Gear Coupling“). Sie benötigt wegen ihrer mechanischen Berührungen eine Druckölschmierung. Sie wird von den Herstellern nur auf konkrete Anfrage hin angeboten. Es gibt Betreiber, die sie

31  Peeken, H., Troeder, C. (1986), Elastische Kupplungen – Ausführungen, Eigenschaften, Berechnungen. Konstruktionsbücher Band 33, Springer. 32  RENK (2022) Kupplungslösungen. Technischer Auslegungskatalog https://www.renkgroup.com/fileadmin/Produkte_und_Service/Produkte/Dokumente/Kupplungen/RENK_ Kupplungsloesungen_de.pdf. 33 VOITH BHS (2022) Turbogetriebe und Komponenten.

3.6  Komponenten der Kraftübertragung

65

Abb. 3.33   Aufbau einer Lamellenkupplung (Typ DTR). (Mit freundlicher Genehmigung von © RENK Group. All Rights reserved)

Abb. 3.34   Aufbau einer Membrankupplung (VOITH BHS, Typ Twintors). (Quelle: VOITH BHS)

b­evorzugen, da sich ein Versagen bei geeigneter Überwachung bereits frühzeitig ankündigt. Allerdings ist für die Überwachung Spezialwissen erforderlich, und auch die Montage ist zeitaufwendig und verlangt Fachkräfte. Wegen des Drucköls kann auch die Abdichtung des Kupplungsschutzes ein Problem darstellen. Abb. 3.35 zeigt als Beispiel eine Bogenzahnkupplung von RENK34.

34  RENK

(2022) Kupplungslösungen. Technischer Auslegungskatalog https://www.renkgroup.com/fileadmin/Produkte_und_Service/Produkte/Dokumente/Kupplungen/RENK_ Kupplungsloesungen_de.pdf.

66

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

Abb. 3.35   Aufbau einer Bogenzahnkupplung (Typ ZTKH). (Mit freundlicher Genehmigung von © RENK Group. All Rights reserved)

3.6.3.4 Torsionskupplung Für Schraubenverdichter werden häufig Torsionskupplungen („Quill Shaft Coupling“) eingesetzt. Es handelt sich dabei um einen schlanken, langen Schaft, der sich wie eine Torsionsfeder verhält und eine Entkopplung der auftretenden, teils erheblichen, Torsionsschwingungen bewirkt. Ein Beispiel für eine solche schlanke Torsionskupplung zeigt Abb. 3.3635. 3.6.3.5 Kupplungsschutz Bei allen Kupplungstypen ist auf die konstruktive Ausführung des aus Sicherheitsgründen erforderlichen Kupplungsschutzes besonders zu achten. Gesichtspunkte sind hier der Schutz vor Berührung, Funkenfreiheit des Materials insbesondere in Ex-Zonen, sowie Minimierung von Ventilationsverlusten, die zu unzulässiger Aufheizung führen können.

35  Feng,

S., Yang, B., Geng, H., Yu, L. (2018). Rotordynamics of a High Speed Quill Shaft Coupling. In: Wang, S., Price, M., Lim, M., Jin, Y., Luo, Y., Chen, R. (eds) Recent Advances in Intelligent Manufacturing. ICSEE IMIOT 2018 2018. Communications in Computer and Information Science, vol 923. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-13-2396-6_49.

3.7 Verfügbarkeitsanforderungen

67

Abb. 3.36   Beispiel einer schlanken Torsionskupplung (Quill Shaft Coupling)

3.7 Verfügbarkeitsanforderungen Einen wesentlichen Einfluß auf die Investitionskosten und auch auf das Maschinenkonzept nimmt die vom Betreiber geforderte Verfügbarkeit. Turbo- und Schraubenverdichter sowie Dampfturbinen werden in der Regel aus Platzund Kostengründen einsträngig ausgeführt. Sie erreichen mit geeigneten Maßnahmen eine Verfügbarkeit deutlich oberhalb von 99 % im Dauerbetrieb. Stillstände zur Revision dieser Maschinen finden oft erst nach 5 oder 6 Jahren statt. Für die Versorgung mit Stickstoff, Instrumentenluft und anderen Betriebsmitteln („Utilities“) in Werksnetzen liegen die Verfügbarkeitsanforderungen oft noch höher. Andererseits werden hierfür gerne Verdichter mit einfacheren Standards eingesetzt. In einem solchen Fall werden redundante Systeme auch im Falle von Turboverdichtern eingesetzt, z. B. Verdichter für 2 × 100 % (A/B-Verdichter) oder 3 × 50  % (A/B/C-Verdichter) der benötigten Gesamtmenge. Kolbenverdichter für Prozessgase bedürfen in der Regel einer jährlichen Abstellung von einer bis zwei Wochen, um eine Revision durchzuführen und Verschleißteile auszutauschen. Wenn der Prozess, in dem sie eingesetzt sind, keinen jährlichen Stillstand dieser Größenordnung erlaubt, ist auch hier die Installation einer während des Betriebs umschaltbaren A/B-Anordnung erforderlich. Alternativ kann geprüft werden, ob aus Kostengründen statt eines Kolbenverdichters auch ein einsträngiger Schraubenverdichter mit höherer Verfügbarkeit eingesetzt werden kann. Soll die Anlage im Dauerbetrieb über 3 bis 6 Jahre stillstandsfrei betrieben werden, so ist darauf zu achten, dass Instrumentierung, Maschinensteuerung, Sicherheitseinrichtungen und Komponenten der Hilfs- und Versorgungssysteme hochverfügbar und damit entsprechend redundant aufgebaut sind.

68

3  Entwicklung eines Maschinenkonzepts

3.8 Budgetkostenanfrage an Maschinenhersteller Zur Festlegung eines Maschinenkonzepts gehört in der Regel auch die Klärung der Machbarkeit in Bezug auf die Maschinenbeschaffung. Hierzu wird eine erste Budgetkostenanfrage an einen oder zwei Maschinenlieferanten gestellt, von denen bekannt ist, dass sie den erforderlichen Lieferumfang abbilden können. Die Anfrage eines Budgets an Maschinenhersteller wird vom HDRE-Engineer initiiert. Einfache Anfragen mit geringem Detaillierungsgrad werden in der Regel direkt gestellt. Sind sie bereits auf ein bestehendes Projekt bezogen und stärker ausgearbeitet, so wird in den meisten Organisationen dabei der technische Einkauf mit eingebunden, zumindest informiert. Detaillierte Anfragen werden oft auch unter Verwendung der Unterlagen des HDRE-Engineer vom technischen Einkauf selbst durchgeführt. Für eine in der Konzeptphase ausreichende Genauigkeit von ± 25 % sind in der Regel folgende Angaben zur Erstellung eines Budgetangebots erforderlich: • Einsatzort, • Betriebsdaten (Ein- und Austrittsdruck, Eintrittstemperatur, Massen- oder Volumenstrom), • Gasdaten (Zusammensetzung, Molgewicht), • Angaben über den Maschinenstrang (Antrieb, Arbeitsmaschine), • Regelungsart (Mengenbereich), • Anforderungen an die Maschinenüberwachung, • ungefährer Lieferumfang. Normalerweise wird man ein einfaches, unverbindliches Budgetangebot innerhalb weniger Tage oder Wochen erhalten können. Budgetangebote können in mehreren Stufen bei Maschinenlieferanten angefragt werden. Der Aufwand für die Anfrage, den Maschinenlieferanten und in der Konsequenz die Genauigkeit des Angebotes hängt dabei wesentlich vom Detaillierungsgrad ab. Für die Anfrage ist es erforderlich, dass ein geeignetes Maschinenkonzept bereits vorhanden ist. Im Laufe der in den nächsten Kapiteln dargestellten Überlegungen werden dann auch weitere, verfeinerte Budgetkostenanfragen an mehrere Maschinenlieferanten gestellt, bis nach ausreichender Klärung von technischen und projektspezifischen Details dann verbindliche Anfragen an eine bereits getroffene Vorauswahl weniger Lieferanten gestellt werden. Mit diesen erfolgen dann auch detaillierte technische Durchsprachen bis hin zur Auftragsvergabe, näher beschrieben in Kap. 7. Für eine verfeinerte Budgetkostenanfrage im Rahmen von ca. ± 10 % sollten bereits technische Datenblätter vorliegen.

3.9 Zusammenfassung

69

3.9 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde der Baukasten der Elemente vorgestellt, die zur Entwicklung eines Verdichtungs- und Maschinenkonzepts benötigt werden. Im Detail wurde auf die Spezifika der verschiedenen Verdichterbauarten eingegangen und ihre typischen Anwendungsbereiche, ihr Betriebsverhalten und ihre Regelungsmethoden beschrieben. Weiterhin wurden die typischerweise eingesetzten Wellenabdichtungskonzepte – Labyrinthdichtungen, Kohleringdichtungen und Gleitringdichtungen – beschrieben und voneinander abgegrenzt. Als Antriebe für Verdichterstränge kommen im wesentlichen Hochspannungsmotoren und Gas- oder Dampfturbinen infrage. Ihre typischen Vertreter sind je nach Leistungsbedarf Asynchron- und Synchronmotoren sowie Kondensations- und GegendruckDampfturbinen. Es wurde weiter kurz auf Generatoren und Gasentspannungsturbinen eingegangen. Wichtige Komponenten der Kraftübertragung in einem aus Antrieb und Verdichter oder Dampfturbine und Generator bestehenden Maschinenstrang sind Getriebe und Kupplungen. Es wurde auf Stirnrad-Übersetzungsgetriebe sowie Überlagerungsgetriebe eingegangen, ebenso auf die Möglichkeit der Drehzahlregelung über Überlagerungsgetriebe. Als Kupplungen werden meist elastische Lamellen- oder Membrankupplungen eingesetzt, in manchen Fällen auch Bogenzahn- und Torsionskupplungen. Zuletzt wurde auf die Notwendigkeit hingewiesen, frühzeitig Budgetangebote seitens eines oder mehrerer Maschinenhersteller anzufordern, um die technische Realisierbarkeit eines Maschinenkonzepts kennenzulernen und ihre Kosten abzuschätzen. Nicht immer wird es eine klare, eindeutige Lösung geben, was Antrieb, Verschaltung und auch Maschinenbauart angeht. In manchen Fällen müssen verschiedene Lösungskonzepte weiter detailliert und zu einer projektspezifischen Entscheidung geführt werden.

4

Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten

In den vorigen Kapiteln dieses Buches wurde dargestellt, in welchen Phasen sich ein Anlagenbauprojekt abspielt, und welche Aufgaben in ihrer jeweiligen Detailtiefe der für die Beschaffung von HDRE-Maschinen beim Betreiber zuständige HDRE-Engineer besitzt (Kap. 2). In Kap. 3 wurde der Baukasten der Elemente vorgestellt, die zur Entwicklung eines Verdichtungs- und Maschinenkonzepts benötigt werden, angefangen von Verdichtertypen und ihren typischen Antriebsmaschinen wie Hochspannungsmotoren und Dampf- und Gasturbinen. Auch auf die Komponenten der Kraftübertragung wie Getriebe und Kupplungen wurde eingegangen. Hieraus konnte abgeleitet werden, welche Art von HDRE-Maschinen für das Anlagenbauprojekt zum Einsatz kommen kann. Ein entsprechendes Maschinenkonzept für Arbeitsmaschinen und zugehörige Antriebe wurde damit erarbeitet. In diesem Kap. 4 wird nun untersucht, welche Maschinenlieferanten für die im Anlagenbauprojekt erforderlichen Maschinenstränge infrage kommen, und an wen die entsprechenden Angebotsanfragen gerichtet werden sollen. Dies ist in erster Linie eine Frage der entsprechenden Expertise und Erfahrung der Fachorganisation des Betreibers mit seinem HDRE-Engineer und vor allem auch der Maschinenlieferanten. In den letzten Jahren und Jahrzehnten gab es eine große Anzahl von Zusammenschlüssen und Übernahmen verschiedener Maschinenhersteller, insbesondere im Bereich von Turbinen und Turboverdichtern. Somit wurde der Wettbewerb in der eigenen Region erheblich eingeschränkt, und in der Folge wurde immer mehr Wert gelegt auf eine globale Beschaffung von HDRE-Maschinen. In Europa sind die entsprechenden „Platzhirsche“ Siemens Energy, MAN Energy Solutions, GE Oil&Gas (Baker Hughes), zum Teil auch Atlas Copco Energas. Aus Japan kommen Mitsubishi Heavy Industries und Kobelco und aus Nordamerika Elliott hinzu, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_4

71

72

4  Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten

Eine Auswahl von Herstellern für Turboverdichter ist in TMI (2021)1 zu finden. Bekannte Hersteller von Kolbenverdichtern für die Prozessgasverdichtung – wegen ihrer deutlich größeren Zahl ohne Anspruch auf Vollständigkeit – sind Neuman&Esser, Burckhardt Compression, Borsig ZM, SIAD, Howden. Auch wurde immer mehr von Betreibern und technischen Einkäufern die Frage nach Einsparmaßnahmen durch Hinzunahme von Herstellern aus sogenannten „Best Cost Countries“ gestellt. Hier spielen inzwischen Indien, vor allem aber China, eine wachsende Rolle. Große Hersteller von Prozessgasverdichtern dort sind ShaanGu aus XiAn und Shenyang Blower Works (SBW). Ob aus der Beschaffung von Prozessgasverdichtern aus „Best Cost Countries“ ein erheblicher wirtschaftlicher Nutzen erzielt wird, kann sich nur im detailliert betrachteten Einzelfall ergeben. Zu überprüfen sind hier die Möglichkeiten zur Qualitätssicherung, für die in der Regel ein deutlich größerer Aufwand betrieben werden muss. Aufgrund der Transportwege ergeben sich möglicherweise größere Auswirkungen auf die Lieferzeiten. oft wird in diesen Ländern mit älterer Technik gearbeitet, sodass die Wirkungsgrade geringer sein können und damit sich die Betriebskosten erhöhen. Ganz wesentlich ist die Verfügbarkeit von geschultem Personal, Ersatzteilen und Werkstätten in kurzer Entfernung zum Betriebsort, wenn Revisionen erforderlich sind, oder bei Maschinenausfällen. Teilweise findet auch seitens europäischer Hersteller eine Verlagerung der Fertigung statt. Manche Hubkolbenverdichter von Neuman&Esser werden in Indien gefertigt. Burckhardt Compression hat im Jahr 2016 eine Mehrheitsbeteiligung an dem chinesischen Kolbenmaschinen-Hersteller Shenyang Yuanda Compressor übernommen, die restlichen 40 % wurden 2021 erworben. Sowohl Siemens als auch MAN betreiben große Werkstätten zur Komponentenherstellung in China. Einige wichtige Kriterien zur Lieferantenauswahl werden in den folgenden Abschnitten besprochen.

4.1 Der Erfahrungsschatz Bei den betrachteten HDRE-Maschinen handelt es sich um hochkomplexe technische Systeme, die detailliertes individuelles Engineering in verschiedenen Fachdisziplinen benötigen, außerdem ein hohes Maß an Präzision und Qualität bei den Herstellungsprozessen der Einzelkomponenten, qualifizierte und zuverlässige Zulieferer und anspruchsvolles Projektmanagement. Damit spielt es eine große Rolle, dass der gewählte Maschinenlieferant einschlägige Erfahrungen mit Fertigung und Betrieb von Maschinen

1  Robb,

D (Nov/Dec 2021), In: Turbomachinery International Magazine (TMI) https://www. turbomachinerymag.com/view/centrifugal-compressors-in-oil-gas.

4.2  Auditierung von Maschinenherstellern

73

mit vergleichbaren Anforderungen hat und ausreichend viel in eigene Forschung und Entwicklung investiert. Wenn gefährliche oder schmutzige Gase oder Gasmischungen verdichtet werden, liegt das Know-How über Betriebssicherheit und die Werkstoffauswahl oft näher am Betreiber als am Maschinenhersteller. Die Betreiber z. B. von Sauerstoff-, Chlor- oder Acetylenverdichtern haben gemeinsame Erfahrungsaustausche, die in speziellen technischen Regeln münden. Oft sind Betreiber ähnlicher, im Einsatz befindlicher Maschinen auch bereit, sich über ihre Erfahrungen bei Beschaffung und Betrieb, vor allem aber auch über Verfügbarkeit und spontane Ausfälle, auszutauschen. Eine weitere wichtige Informationsquelle sind Referenzlisten der Maschinenlieferanten für die konkret benötigte Maschine. Diese sollten bei jeder Angebotsanfrage mit angefordert werden und umfassen mindestens die Parameter • Betreiber und Ort der Aufstellung, • Art der Anlage, • Inbetriebnahmezeitpunkt, • Betriebszeit, • Fördermenge und Zusammensetzung des Prozessgases, • Ein- und Austrittsdrücke, • erforderlicher Leistungsbedarf. Ein großer Erfahrungsschatz kann auch bei Betreibern (oder auch Kontraktoren) vorliegen, die häufig Umgang mit Maschinenherstellern haben und HDRE-Maschinen für bestimmte Einsatzfälle beschaffen.

4.2 Auditierung von Maschinenherstellern Ziel einer Vorauswahl potenzieller Maschinenlieferanten (in der Regel diejenigen, die mindestens eine Hauptkomponente wie Verdichter oder Turbine selbst herstellen) für HDRE ist es, wesentliche Risiken bei der Beschaffung von Maschinen zu vermeiden und damit die Zielerreichung eines Anlagenbauprojekts zu gewährleisten. Folgende Aspekte sind aus kaufmännischer und technischer Sicht wesentlich: • Qualitätsgerechte Lieferung: Der Maschinenlieferant ist in der Lage und willens, eine Maschine mit den angeforderten Qualitätsmerkmalen zu liefern. • Termingerechte Lieferung: Der Maschinenlieferant hat nicht zu viele Aufträge angenommen. • Preisgünstige Lieferung: Der Maschinenlieferant hat eine günstige Kostenstruktur. • Erfüllung des Liefervertrages: Der Maschinenlieferant befindet sich nicht in wirtschaftlichen Schwierigkeiten.

74

4  Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten

• Ausgeprägtes Interesse: Der Maschinenlieferant ist an einer konstruktiven Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber und dem späteren Betreiber interessiert. Die Beschaffung hochkomplexer Maschinen ist vielfach Vertrauenssache. Anlagenbetreiber haben vielfach langjährige Erfahrung im Umgang mit verschiedenen Maschinenlieferanten. Wenn keine langjährige Erfahrung mit einem potenziellen Maschinenlieferanten besteht oder von diesem Anwendungen benötigt werden, die sich von den bisherigen deutlich unterscheiden, wird ein Herstelleraudit sinnvoll. Die Durchführung sollte gemeinsam mit dem technischen Einkauf und den technischen Fachstellen, in diesem Falle der für HDRE, im Vorfeld eines Projekts erfolgen. Neben allgemeinen Kriterien sollten hier auch projektbezogene Kriterien geprüft werden. Zu klären ist zunächst der Umfang eines solchen Audits: • Handelt es sich um einen komplett unbekannten Hersteller? • Soll das Audit nur einen speziellen Maschinentyp oder das gesamte Lieferprogramm betreffen? • Soll das Audit eine neue Fertigungsstätte eines bekannten Herstellers betreffen, wenn z. B. die Fertigung in eine anderes Land mit erhöhten Qualitätsrisiken verlagert wird? • Handelt es sich um ein Erst-Audit oder ein Wiederholungsaudit? Zu einer möglichst objektiven Bewertung eines solchen Audits, das möglicherweise auch parallel bei verschiedenen Herstellern geführt wird, ist es sinnvoll, vorab eine detaillierte Kriterienliste aufzustellen. Diese können in einer Art Notensystem mit Punkten bewertet und danach gemäß ihrer Bedeutung miteinander gewichtet werden, unterlegt durch Kommentare und Fotos. Auch Checklisten können hier unterstützen. Aus diesen Elementen erfolgt dann abschließend dann eine Risikobewertung. z. B. in 5 Stufen. Bei der Gewichtung spielt für die komplexen Maschinen neben den Herstellprozessen selbst insbesondere das Engineering mit seinen Berechnungsmethoden, dem HerstellerKnow-How bezüglich Technologie und Weiterentwicklung, sowie der Zeichnungs- und Dokumentenerstellung, eine maßgebliche Rolle. Verschiedene wichtige Fragestellungen lassen sich bereits vorab über einen schriftlichen Fragebogen abdecken, wie z. B. • allgemeine Herstellerangaben mit Name, Anschrift, Gründungsjahr, Rechtsform, Standort von Verwaltung und Fertigungsstätten, • Finanzsituation, regionale und globale Marktanteile, • Ansprechpartner, • Organisationsstruktur, Anzahl der Mitarbeiter in Verwaltung, Forschung und Entwicklung, Engineering, Werkstatt, Qualitätssicherung, Anzahl qualifizierter Schweißer, • internationale Zertifizierungen und Referenzen wie ISO 9000ff. und ISO 14001, • genutzte Codes & Standards wie API, EN, ASME, GB,

4.2  Auditierung von Maschinenherstellern

75

• Produktionsprogramm, • benutzte Technologien für Fertigung und Qualitätssicherung. Falls sich aus den Ergebnissen dieser Befragung heraus nicht bereits K.O.-Kriterien ergeben, kann anschließend eine Betriebsbesichtigung mit Auditierung erfolgen. Neben der detaillierten Diskussion bezüglich der bereits abgefragten Informationen und unter Teilnahme der zuständigen Fachleute kommen weitere Fragestellungen in den Fokus wie • internationale Projekterfahrungen, Sprachkenntnisse, Kenntnisse der Regelungen am Aufstellungsort, • freie Produktionskapazitäten, • Unterstützungsmöglichkeiten für Montage und Inbetriebnahme, • Konzepte für die Herstellung, Beschaffung und Lagerung von Ersatzteilen, • Unterstützungsmöglichkeiten für „Trouble Shooting“ und Instandhaltung am Aufstellungsort, • Bereitschaft und Fähigkeit, auf spezielle technische Anforderungen und Wünsche des Betreibers einzugehen, • Engineering- und Innovationsfähigkeit, verwendete Tools, Auslegungsmethoden, CAD-Zeichnungserstellung, • Terminplanung und -kontrolle, auch bei deren Unterlieferanten, • Konzepte zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle, • Nachvollziehbarkeit der Arbeitsprozesse, Nachverfolgung von Werkstoffen, • Arbeitssicherheit und generelle Sauberkeit, • Qualifizierung und Qualitätskontrolle von Unterlieferanten, • Lagerung von Halbzeug, Trennung von Materialien, • Herstellprozesse wie Schweißen, Gießen, Maschinenbearbeitung, Beschichtung, Wärme­ behandlung, • Technik und Zustand der Werkzeugmaschinen, • Qualität und Umfang der Warenbegleitdokumente auf dem Weg eines Bauteiles entlang der einzelnen Produktions- und Überwachungsschritte, eindeutige Zuordnung zum Bauteil (Stempelung), • Situation bei Zusammenbau und Montage, • Inspektions- und Testaktivitäten, • Dokumentationsstandards. Interessante Aspekte, auch quantitativ, im Zusammenhang mit einer Lieferantenbewertung findet man bei Hofbauer (2016)2.

2 Hofbauer,

G., Glazunova, A., Hecht, D. (2016), Strategische Lieferantenauswahl, Arbeitspapier der Technischen Hochschule Ingolstadt, Heft Nr. 36, ISSN 1612–6483.

76

4  Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten

4.3 Überlegungen zur Kritikalität Eine Untersuchung der Kritikalität des Gesamtsystems liefert wichtige Erkenntnisse und ist ein wichtiges Werkzeug zur Ermittlung und Optimierung des erforderlichen Aufwands für eine risikobasierte Qualitätssicherung. Dazu ist die Situation aus verschiedenen Blickwinkel zu beleuchten: zum einen der Blick auf den zu Grunde liegenden verfahrenstechnischen Prozess, zum anderen auf die Komplexität der Maschinen selbst, und zuletzt auf die Qualifikation und Zuverlässigkeit aller Projektbeteiligten einschließlich des Maschinenlieferanten. Neben Aufschluss auf die Herstellerauswahl ergeben sich hier Erkenntnisse über den zu erwartenden Aufwand zur Qualitätssicherung des Beschaffungsprozesses und der erforderlichen Qualifikation der Beteiligten. Wesentliche Fragestellungen einer solchen risikobasierten Qualitätssicherung sind: • Welche Qualifikation benötigen die an der Projektausführung Beteiligten? Dies betrifft alle Parteien einschließlich der Maschinenlieferanten. • Welchen Umfang und welche Tiefe benötigt die eingesetzte technische Expertise? • In welchem Umfang sind qualitätssichernde Maßnahmen erforderlich? • Welche Engineering-Partner oder/und Kontraktoren können in die Beschaffung der erforderlichen Maschineneinheit einbezogen werden? • Welche Lieferanten können für die Beschaffung der Maschinen berücksichtigt werden? • Welche Verteilung von Rollen und Verantwortlichkeiten ergeben sich daraus? Die Ergebnisse dieser Überlegungen münden in Kritikalitätslisten, die z. B. einer Punktebewertung unterzogen, gewichtet und zusammengefasst werden können. Hieraus wird dann der projekt- und herstellerspezifische Umfang qualitätssichernder Maßnahmen sowie Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten festgelegt.

4.3.1 Kritikalität des verfahrenstechnischen Prozesses Festzustellen ist hier, wie kritisch die Funktion des Maschinenstrangs innerhalb des verfahrenstechnischen Prozesses ist. Hilfreiche Fragen hierzu sind: • Handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess oder einen Batch-Prozess? • Handelt es sich um eine einsträngige Anlage, oder sind Redundanzen vorgesehen oder müssen vorgesehen werden? • Welche Folgen bezüglich Produktion und Anlagensicherheit treten bei Ausfall auf? Kann die Produktionsanlage eine kurze Unterbrechung ertragen? • Wie hoch sind die Wieder-Anfahrzeiten der Anlage nach einem Ausfall? Welche Kosten treten auf?

4.3  Überlegungen zur Kritikalität

• • • •

77

Ist eine Gefährdung durch Produkt- oder Prozessgasaustritt denkbar? Welche weiteren Gefährdungen bezüglich Personen und Umwelt können auftreten? Wie vertraulich ist der Prozess aufgrund von Lizenzen und Patenten? Gibt es erhöhte Anforderungen, z. B. durch „Good Manufacturing Practice“ (GMP)?

4.3.2 Kritikalität der Maschineneinheit Hier richtet sich der Blick auf die Maschineneinheit selbst. • Ist ein eigener hoher Engineering-Aufwand seitens des HDRE-Engineer im Rahmen von Spezifikation und Beschaffung zu erwarten? • Wie viel Aufwand ist für das Engineering seitens des Herstellers zu erwarten? Inwieweit sind hier Absprachen erforderlich? • Liegt eine hohe Schnittstellen-Komplexität mit Abstimmungsbedarf vieler Fachdisziplinen vor? • Wie komplex sind Bedienung und Instandhaltung der Maschineneinheit? • Welche Anforderungen stellt das Prozessgas aufgrund von Gefährlichkeit und Korrosivität an die Werkstoffe und Komponenten? • Gibt es spezielle Anforderungen an die Maschineneinheit zur Auslegung wegen Verschmutzungsanfälligkeit? • Liegen die Auslegungsparameter der Maschineneinheit deutlich innerhalb bekannter Grenzen, auch der verwendeten Materialien, oder gehen sie darüber hinaus? • Ist ununterbrochener Betrieb der Maschineneinheit für mehrere Jahre erforderlich? • Wie komplex sind Steuerung, Instrumentierung, Regelung und Maschinenüberwachung?

4.3.3 Kritikalität der Projektpartner und Lieferanten Nur wenn alle beteiligten Projektpartner zuverlässig und qualifiziert sind und der Wille zur intensiven Zusammenarbeit besteht, ist auch ein gutes Projektergebnis zu erwarten. • Welche Kontraktoren und Engineering-Partner sind eingebunden? Wie ist deren Qualifikation, Erfahrungsschatz und Motivation? Verfügen sie über ausreichende und stabile Personalressourcen, oder wird deren Personal häufig ausgetauscht? • Handelt es sich um ausgewiesene Fachleute, die vergleichbare Projekte bereits erfolgreich umgesetzt haben? Oft wechselt das Personal von Engineering-Partnern und Kontraktoren sehr häufig. • Sind alle Partner bereit, sich intensiv miteinander auszutauschen und damit auch für den Betreiber optimale Projektergebnisse zu erzielen?

78

4  Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten

• Hat der HDRE-Maschinenlieferant die erforderlichen Maschineneinheiten bereits mit vergleichbaren Anforderungen hergestellt? Wie ist seine Referenzsituation? • Welches Ergebnis hat ein Herstelleraudit ergeben? Ist dieses noch aktuell? • Wie viel Unterstützung kann der Maschinenlieferant im Falle von Störungen und Gewährleistungsfragen anbieten, und wie sieht seine Bereitschaft dazu aus? • Inwieweit ist der Maschinenlieferant in der Lage und bereit, am Aufstellungsort Ersatzteile zu liefern und bei Bedarf auch kurzfristig Instandhaltungs- und Reparaturmaßnahmen auszuführen? Die Antworten auf diese Fragen können zu generellen Zulassungen oder Ablehnungen wie auch Bonus-/Malus-Bewertungen einzelner Maschinenlieferanten bei Angebotsvergleichen führen.

4.4 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde untersucht, welche Maschinenlieferanten für die im Anlagenbauprojekt erforderlichen Maschinenstränge bzw. Maschineneinheiten infrage kommen, und an wen die entsprechenden Angebotsanfragen gerichtet werden sollen. Generell ist diese Herstellerauswahl eine gemeinsame Aufgabe von technischem Einkauf, dem HDRE-Engineer sowie ggf. weiteren betrieblichen Organisationen für die Qualitätssicherung. Eine solche Lieferantenauswahl soll das Risiko bei der Beschaffung der erforderlichen Maschineneinheiten gering halten. Generell sollten nur Maschinenlieferanten angesprochen werden, die das grundsätzliche Vertrauen des Anlagenbetreibers genießen. Je mehr einschlägige Erfahrungen aus Vorprojekten existieren, desto günstiger. Betreiber und ggf. Kontraktoren sollten eine Bewertung der potenziellen Lieferanten durchführen, die auf Referenzen ähnlicher Maschineneinheiten und auf im Herstellerwerk durchgeführten Audits beruhen. Neben dem Audit wurde eine Analyse der Kritikalität von Prozess, Maschineneinheit und beteiligten Projektpartnern empfohlen. Als Ergebnis dieser Überlegungen kann man eine Liste von infrage kommenden Herstellern mit den bereits erwähnten Anforderungen an die erforderlichen Quali­täts­si­ cherungsmaßnahmen erhalten. Diese sollen dazu dienen, Risiken bei der Beschaffung möglichst gering zu halten und ausreichende Qualität zu gewährleisten. Mit dem Maschinenkonzept aus Kap. 3 und der Liste potenzieller Maschinenlieferanten aus Kap. 4 kann nun die nächste Projektphase angegangen werden, in der die auf der Liste befindlichen Maschinenlieferanten zur Abgabe von technischen und kaufmännischen Angeboten aufgefordert werden.

5

Auswahl des Abwicklungskonzepts

In den vorigen Kapiteln wurden die Aufgaben eines HDRE-Engineer im Laufe der Phasen eines Anlagenbauprojekts beschrieben (Kap. 2), ein Konzept für alle im Projekt enthaltenen HDRE-Maschinenstränge entwickelt (Kap. 3) sowie eine Liste geeigneter Maschinenlieferanten erstellt (Kap. 4). In diesem Kapitel wird nun überlegt, wie ein sinnvolles Abwicklungs- und Beschaffungskonzept aussehen kann. Eine Festlegung erfolgt in der Regel während der Basic Engineering-Phase des Anlagenbauprojekts. Hierfür gibt es eine Reihe verschiedener Konzepte, die sich in erheblicher Weise auf die Art der Beschaffung und vor allem auf den Einfluß, den ein Betreiber auf die Ausführung der Maschinenstränge nehmen kann, auswirken. Wenn das Projekt eine gesamte verfahrenstechnische Anlage umfaßt, ist die Beschaffung der HDRE-Maschinenstränge darin enthalten. Damit ist das Beschaffungskonzept für die Maschinen eng mit dem Abwicklungskonzept für die Anlage verknüpft. Wird die gesamte Anlage von einem Verfahrensträger oder über einen EngineeringKontraktor beschafft, dann wird dieser in der Regel auch die Maschinenstränge mitliefern. Insbesondere bei LSTK-Verträgen („Lump Sum Turn Key“), bei denen der Kontraktor eine schlüsselfertige Anlage zu einem vereinbarten Termin zum Festpreis liefert, ist je nach Vertragsgestaltung der Einfluss des späteren Betreibers nur gering. Dies betrifft besonders das Instandhaltungskonzept, die Anlagenverfügbarkeit und die Optimierung der Maschinenstränge selbst. Dies kann entscheidenden Einfluß auf die laufenden Betriebskosten haben. Bei Vertragsabschluss sollte deswegen auch speziell bezüglich der HDRE-Maschinenstränge darauf geachtet werden, dass die Interessen des Betreibers ausreichend berücksichtigt werden. Dessen Einfluß kann durch ausführlich konkretisierte Spezifikationen und eigene technische Regelwerke des Betreibers erhöht werden, die in den Vertrag mit einfließen, aber auch die Teilnahme an technischen Durchsprachen und an der Qualitätssicherung. © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_5

79

80

5  Auswahl des Abwicklungskonzepts

Wenn seitens des Betreibers auf HDRE-Maschinenstränge spezialisierte Personalressourcen vorhanden sind, sollte überlegt werden, ob für diese Maschinenstränge gesonderte Vertragsbedingungen gelten und sie z. B. als „Proprietary Equipment“ deklariert werden. In diesem Fall kann der Betreiber die technischen Anforderungen sowie das Konzept für die Qualitätssicherung selbst gestalten und auch das Ersatzteilund Instandhaltungskonzept selbst festlegen. Hat der Betreiber das notwendige technische Know-How, so sollte er auch über die technische Detailspezifikation (u. a. das technische Datenblatt) mitbestimmen, bei den einschlägigen Durchsprachen mit den HDRE-Maschinenlieferanten beteiligt werden sowie die Qualitätskontrollen während der Fertigung begleiten. Gegebenenfalls kann der Betreiber auch externe Berater einbeziehen.

5.1 Abwicklungsmodelle In diesem Abschnitt werden unterschiedliche Abwicklungsmodelle näher betrachtet, die sich hier konkret auf die Beschaffung der HDRE-Maschineneinheiten beziehen. Welches der möglichen Abwicklungsmodelle gewählt wird, hängt wesentlich von den Fähigkeiten und Ressourcen des Betreibers ab, aber auch den Möglichkeiten der Vertragsgestaltung im Rahmen des Anlagenbauprojekts. Nur die gängigsten Abwicklungsmodelle werden vorgestellt, von der Eigenabwicklung bis zu unterschiedlichen Formen der Fremdabwicklung. Es ist nicht das Ziel dieses Abschnittes, eine umfassende Darstellung aller möglichen Vertragskonstellationen zu geben, sondern Ideen zu liefern, welche Überlegungen im Vorfeld eines Vertragsabschlusses angestellt werden sollten. Die Verträge mit Kontraktoren werden ohnehin im Zusammenhang mit dem Anlagenbauprojekt geschlossen. Eine umfassendere Darstellung verschiedener Abwicklungsmodelle mit Bezug auf verfahrenstechnische Anlagen findet sich bei Weber (2016)1 in Abschn. 2.5.

5.1.1 Eigenabwicklung Das Konzept der Eigenabwicklung von HDRE-Maschinen bedeutet, dass der Beschaffungsprozess bis zur Inbetriebnahme komplett in Fachstellen des Anlagenbetreibers angesiedelt ist. Nur die Schnittstellen zum Gesamtprojekt werden gemeinsam bearbeitet. Hierfür sind sowohl das notwendige fachliche Know-How als auch aus-

1 Weber,

K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, 2. Auflage, Abschn. 2.5 Vertragsmodelle für Engineeringleistungen. Springer, Dresden

5.1 Abwicklungsmodelle

81

reichende personelle Kapazitäten erforderlich, sowohl im Engineering als auch im technischen Einkauf. Die Erfahrung zeigt, dass je nach Größe einer HDRE-Maschineneinheit für den HDRE-Engineer um die 1000 Arbeitsstunden für eine Komplettabwicklung vorgehalten werden sollten2. Hinzu kommen die Arbeitsstunden der anderen Fachdisziplinen. Vorteil der Eigenabwicklung ist, dass die Interessen des Betreibers maximal berücksichtigt werden können und wenig Abhängigkeit von Fähigkeiten und eingesetzter Zeit eines Engineering-Kontraktors bestehen. Der Betreiber und dessen HDRE-Engineer sind dann auch zu direkten Verhandlungen mit den Maschinenlieferanten befugt, was dem Erreichen der Unternehmensziele dient und bei Änderungsbedarf und Qualitätsproblemen zu schnellen Reaktionen führen kann.

5.1.2 Abwicklung mit einem Engineering-Partner Sind die personellen Kapazitäten in Bezug auf Know-How und Ressourcen begrenzt, so kann auf die Unterstützung eines Engineering-Partners zurückgegriffen werden. Hierfür wird ein Dienst- oder Werkvertrag mit einem Engineering-Kontraktor geschlossen. Das von diesem zur Verfügung gestellte Fachpersonal arbeitet dann wie Mitarbeiter der Fachstellen des Betreibers. Auf eine gute Qualifikation ist hier zu achten. Der HDREEngineer des Betreibers erhält so Unterstützung bezüglich der Schnittstellen zu anderen Disziplinen und der Erstellung von Dokumenten und kann Teilaufgaben aus seinem Bereich delegieren. Der Auftraggeber, für den er tätig ist und der in der Regel auch weisungsbefugt ist, hat weiterhin die volle Verantwortung für den Projekterfolg. Es können hier unterschiedliche Leistungen eingekauft werden, die spezifisch für das Projekt nützlich sind. Dabei kann es sich um Planungsleistungen, Unterstützung der Beschaffung (Procurement), Leistungen von Unterstützung bis hin zur Leitung im Bereich Bau und Montage oder auch bei Inbetriebnahme handeln.

5.1.3 Fremdabwicklung Das Konzept der Fremdabwicklung bedeutet, dass Teile des Projektumfangs bis hin zur Lieferung einer schlüsselfertigen Anlage an Engineering-Kontraktoren vergeben werden. Oft sind dies sogenannte EPC-Verträge, die Ausführungsplanung (Engineering), Fertigung und Lieferung der Komponenten zur Baustelle (Procurement) sowie Bau und Montage (Construction) umfassen.

2 Für

kleinere, weniger komplexe Verdichter ab etwa 400 h, bis zu 1800 h, z. B. bei mehreren Maschinensträngen

82

5  Auswahl des Abwicklungskonzepts

Je mehr der erforderlichen Leistungen an Kontraktoren vergeben werden, desto geringer ist der Einfluß des späteren Betreibers. Dies kann zu Problemen in der Qualität sowie der späteren Instandhaltungsstrategie führen. Häufig wird es, vertragsbedingt, nicht im obersten Interesse eines Kontraktors liegen, eine hohe Verfügbarkeit bzw. einfache Instandhaltung für die Maschinenstränge zu gewährleisten oder aber einen Mehrpreis für mögliche Effizienzsteigerungen zu zahlen. Gegebenenfalls ist vertraglich zumindest eine Verfügbarkeitsgarantie für die Gesamtanlage enthalten. Besonders gilt dies für LSTK-Verträge („Lump Sum Turn Key“), bei denen der Schwerpunkt auf der rechtzeitigen Fertigstellung und einer für den Kontraktor günstigen Kostenstruktur liegt. Dessen Verantwortlichkeit endet oft mit Inbetriebnahme und Garantieläufen, für die Instandhaltungs- und Betriebskosten während des Dauerbetriebs ist dann allein der Betreiber verantwortlich. Der Betreiber sollte sich die vertragliche Möglichkeit vorbehalten, zumindest gegen Change-Order sinnvolle Änderungswünsche umzusetzen. Bei solchen Verträgen ist besonders auf die Mitwirkungs- und Einflussmöglichkeiten des Auftraggebers Wert zu legen. Ein gutes Betriebs- und Instandhaltungskonzept ist für den Kontraktor ein nicht unerheblicher Kostenfaktor. Ist der HDRE-Engineer des Betreibers in Spezifikation, die technischen Durchsprachen und in der Abwicklungsphase auch in die Qualitätssicherung eingebunden, entstehen für ihn ein zeitlicher Aufwand, der erfahrungsgemäß 50 … 70 % des Aufwands der Komplettabwicklung beträgt.

5.1.4 Fremdabwicklung mit „Proprietary Equipment“ Insbesondere wenn der Betreiber auch Verfahrens- und Know-How-Träger ist, kann es sinnvoll sein, dass er bestimmte für ihn wichtige Ausrüstungskomponenten aus der Vergabe ausschließt, selbst beschafft und dem Kontraktor beistellt. Man nennt die entsprechenden Ausrüstungskomponenten „Proprietary Equipment“. Dabei handelt es sich oft um verfahrens- und lizenztechnisch wichtige Komponenten wie große Kolonnen oder HDRE-Maschinenstränge. Auf diese Weise bleibt das verfahrenstechnische Know-How des Betreibers geschützt, und er kann wesentlich über Betriebs- und Instandhaltungsphilosophien selbst entscheiden. Die Beschaffung der Maschinenstränge erfolgt dann in Form einer Eigenabwicklung. Dann obliegt es jedoch dem Betreiber, mit dem Kontraktor die entsprechenden Schnittstellenvereinbarungen zu treffen und die Verantwortung für das montagegerechte und rechtzeitige Bereitstellen von Informationen, Dokumenten und Ausrüstung zu übernehmen.

5.2 Angebotsprüfung

83

5.2 Angebotsprüfung Liegen detaillierte Angebote seitens der angefragten Maschinenlieferanten vor, so sollte, unabhängig vom gewählten Abwicklungskonzept, sicher gestellt sein, dass der HDREEngineer des Betreibers an den dann folgenden (zumindest technischen) Angebotsprüfungen und Angebotsdurchsprachen teilnehmen und auch Änderungswünsche einbringen kann. Der Fokus bei der Auswahl von Herstellerangeboten liegt zunächst darauf, dass die technischen Anforderungen aus der Spezifikation, zusammen mit den mitgeltenden technischen Regelwerken und allen relevanten gesetzlichen und behördlichen Anforderungen erfüllt werden. Die technischen Angebote werden, zunächst losgelöst vom Preis, daraufhin geprüft, ob sie „technisch akzeptabel“ sind, d. h. alle technischen, quantitativen und qualitativen Anforderungen erfüllen. Dazu gehören meist auch Angaben aus den kaufmännischen Angeboten wie z. B. enthaltene Gewährleistungen. Sinnvoll ist die Prüfung anhand eines unbepreisten kaufmännischen Angebotes. Um eine gleiche Chance für alle Herstellerangebote zu bieten, wird oft ein kaufmännisches „Sealed Bid“-Verfahren genutzt. Hierbei werden nach der technischen Prüfung die Betriebskosten ermittelt. In vielen Fällen werden zusätzlich Risiken sowie der je nach Maschinenlieferant möglicherweise unterschiedliche Betreiberaufwand für Maßnahmen für Qualitätssicherung, Montage und Inbetriebnahme monetär bewertet. Dies erfolgt anhand der technischen Angebote ohne Kenntnis der Investitionskosten. Erst danach erfolgt die Öffnung des kaufmännischen Angebots, welches die Investitionskosten enthält. Zum Vergleich zwischen Angeboten sind indirekte, zusätzlich erforderliche Investitionskosten nur dann von Belang, wenn sie sich wesentlich von anderen Angeboten im Angebotsumfang und in den Kosten für die Einbindung in die Gesamtanlage unterscheiden. Dies kann der Fall sein, wenn z. B. Schallschutzhauben, Zwischenkühler oder Rohrleitungen von einem der Lieferanten nicht mit angeboten werden. Da im Laufe ihres Lebenszyklus bei HDRE-Maschinensträngen die Betriebskosten die Investitionskosten bei weitem übersteigen, sind diese eine wesentliche Größe für einen Angebotsvergleich. Zu den Betriebskosten zählen hier hauptsächlich Energiekosten für den Antrieb der Arbeitsmaschine, meist Stromkosten, bei Dampfturbinenantrieb die Kosten für die benötigten Dampfmengen. Spezifische Stromkosten muss der Betreiber zur Verfügung stellen, Dampfkosten dann, wenn dieser nicht in der geplanten Anlage selbst erzeugt wird. Ebenfalls zu berücksichtigen, aber in der Regel quantitativ weniger bedeutend, sind die Kosten für Betriebsmittel wie Sperrgas, Instrumentenluft und Kühlmedien. In eine ganzheitliche Betrachtung über den Lebenszyklus sollten weiterhin die Kosten für Maschinenrevisionen eingehen, wie sie für Turbomaschinen in der Regel nach 5 bzw. 10 Jahren, für Kolbenmaschinen nach 1 oder spätestens 2 Jahren durchgeführt werden.

84

5  Auswahl des Abwicklungskonzepts

Hier gehen die Kosten für die erforderlichen Ersatzteile ein, sowie der maschinenabhängige Zeit- und Personalaufwand für die Revision. Die Revision eines mehrstufigen Getriebe-Turboverdichters erfordert aufgrund des erforderlichen Ab- und Wiederanbaus der Prozessleitungen einen größeren Zeitbedarf ein als die eines Einwellen-Verdichters. Es ist eine Frage der Philosophie des Betreibers, wie viele Betriebsjahre zur Bestimmung der Lebenszykluskosten herangezogen werden. Ein sinnvoller Wert kann hier die Zeit von 10 Jahren unter Einschluss der Kosten für eine erste Großrevision sein. Viele Betreiber verwenden als Bewertungsverfahren zum Vergleich verschiedener Angebote den TCO, „Total Cost of Ownership“, oder das verwandte „Life Cycle Costing“ (Geißdörfer 2009)3. Diese Modelle beeindrucken zunächst durch einen objektiven Anspruch, weil sich damit Angebote sehr leicht kaufmännisch vergleichen lassen. Für HDRE-Maschineneinheiten wesentliche Kostenarten zur Berechnung der Lebenszykluskosten werden hier vorgestellt: • Direkte Investitionskosten der Bestellung: Diese finden sich im Angebot des Maschinenlieferanten und umfassen auch Ersatzteile und optionale Komponenten. • Montage- und Inbetriebnahmekosten: Sie werden ebenfalls dem Angebot des Maschinenlieferanten entnommen, falls angefragt. • Indirekte Investitionskosten: Es handelt sich um Kosten für Komponenten, die nicht im Angebot der Maschinenlieferanten enthalten sind, aber zusätzlich benötigt werden. Für den Angebotsvergleich sind sie nur dann relevant, wenn die Angebote sich hier deutlich voneinander unterscheiden. • Stromkosten für elektrische Antriebe bzw. bei Stromerzeugung von Generator-Sets: Spezifische Stromkosten und angesetzte Betriebsjahre zur Berechnung müssen vom Betreiber zur Verfügung gestellt werden. Ggf. wird auch der Stromverbrauch von Hilfs- und Versorgungssystemen einbezogen. • Dampf- bzw. Brenngaskosten für Dampf- oder Gasturbinenantriebe: Spezifische Dampf- oder Brenngaskosten und angesetzte Betriebsjahre zur Berechnung müssen vom Betreiber zur Verfügung gestellt werden. • Kosten für Betriebsmittel wie Sperrgas, Kühlmedien und Instrumentenluft: Diese sind für die Lieferantenauswahl meist nur dann relevant, wenn deutlich unterschiedliche Wellenabdichtungssysteme angeboten werden. • Kosten für laufende Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen: Deren Ermittlung erfolgt aus betrieblichen Erfahrungen, z. B. in Abhängigkeit von Maschinentyp und prozentual zu den Ersatzteilkosten.

3 Geißdörfer,

K (2009), Total Cost of Ownership (TCO) und Life Cycle Costing (LCC): Einsatz und Modelle; LIT Verlag, Berlin

5.2 Angebotsprüfung

85

• Kosten für Revisionen: Die Anzahl der berücksichtigten Revisionen ist abhängig von der Berechnungsdauer (z. B. die erste Großrevision für Turboverdichter nach 10 Jahren Betriebszeit). Deren Ermittlung erfolgt aus betrieblichen Erfahrungen, z. B. in Abhängigkeit von Maschinentyp und prozentual zu den Ersatzteilkosten. • Erhöhter Engineering-Aufwand seitens der Fachstellen des Betreibers: Hiermit kann ein neuer Maschinenlieferant berücksichtigt werden, der bisher keine Erfahrung mit dem bestellten Maschinenstrang hat. • Erhöhter Qualitätssicherungs-Aufwand: Hiermit können z. B. zusätzliche Reisekosten und zusätzlicher Zeitbedarf bei Anbietern aus Übersee berücksichtigt werden, oder wenn eine größere Zahl von Besuchen im Herstellerwerk erforderlich ist. • Sonstige Boni oder Mali. Die Anwendung des (meist verwendeten) TCO-Verfahrens kann insbesondere dazu führen, dass es über die Zeit gesehen wesentlich günstiger sein kann, höhere Investitionskosten in Kauf zu nehmen und dafür eine Maschine mit besserem Wirkungsgrad oder geringerem Instandhaltungsaufwand zu betreiben. Am Schluss des „Sealed Bid“-Verfahrens werden dann zusätzlich zu den technischen die kaufmännischen Angebote geöffnet und damit die direkten Investitionskosten hinzugefügt. Im allgemeinen erhält dann der Maschinenlieferant mit den geringsten Gesamtkosten den Zuschlag. Das TCO-Verfahren liefert zunächst durch die rein monetäre Quantifizierung objektive Ergebnisse. Allerdings soll hier auch auf die offensichtlichen Schwächen des reinen TCO-Verfahrens hingewiesen werden. • Nicht monetär quantifizierbare Aspekte können nicht bewertet werden und fließen damit nicht ein. PRAXISBEISPIEL – QUALITATIVE BEWERTUNG

Im Beispiel eines Einwellen-Verdichters mit horizontaler Teilung wurde vom beauftragten EPC-Kontraktor aufgrund des niedrigeren Platzbedarfs und bei beengter Aufstellungsmöglichkeit der preisgünstigste Hersteller ausgewählt. Dieser erfüllte formal alle technischen Kriterien, bot aber ein deutlich weniger steifes Gehäuse als der nächst günstigere Anbieter an. Mit dem Wunsch nach einem steiferen Gehäuse konnte sich der Auftraggeber gegenüber dem EPCKontraktor wegen der Vertragslage nicht durchsetzen. Während der Montagephase zeigte es sich jedoch, dass nachträglich kostspielige und vor allem zeitaufwendige Änderungen am Gehäuse erforderlich wurden, um die Dichtheit der Teilfuge zu gewährleisten.

86

5  Auswahl des Abwicklungskonzepts

• Bei einer neuen Anlage sind oft die tatsächlichen Betriebsszenarien oft nicht ausreichend bekannt. Deshalb kann für eine TCO-Berechnung einer Maschineneinheit nur eine Annahme zu Betriebszeit und Betriebspunkt getroffen werden. Im Betrieb kann sich dies unterschiedlich darstellen, z. B. wenn häufig im ungünstigeren Teillastbereich gefahren wird. In diesem neuen Betriebspunkt könnte ein anderes Angebot günstiger sein. • Die Schätzung der Energie-, Ersatzteil- und Instandhaltungskosten wird umso ungenauer, je länger die Periode der TCO-Berechnung verläuft. • Der tatsächliche Leistungsbedarf einer Maschineneinheit im Betrieb kann entscheidend sein, aber zum Zeitpunkt der Bestellung ist dieser nicht bekannt. Die Maschinenlieferanten geben in ihrem Angebot zum berechneten auch einen garantierten Leistungsbedarf mit einem Zuschlag von 3 %, 4 % oder 5 % an. Zur TCO-Berechnung wird im allgemeinen der garantierte Wert angenommen. Manche Maschinenlieferanten sind bei der Angabe der Garantiewerte sehr konservativ. Andere hingegen geben sehr niedrige Garantiewerte an und nehmen dafür spätere Vertragsstrafen in Kauf. Diese erreichen jedoch bei weitem nicht die Größenordnung des Schadens, die dem Betreiber durch erhöhten Energiebedarf im Laufe der Zeit entstehen. Eine sinnvolle Ergänzung dieses Verfahrens könnte eine anschließende Endbewertung durch den Projektlenkungsausschuss sein, in der auch nicht-monetäre Kriterien mit einbezogen werden. In einem LSTK-Vertrag, in dem eine TCO-Auswertung vereinbart wurde, entscheidet über die Vergabe jedoch der Kontraktor, der in der Regel den Anbieter mit dem günstigsten Preis bevorzugen wird.

5.3 Terminüberwachung Ein wichtiges Element der Qualitätssicherung nach der Bestellung eines HDREMaschinenstrangs bzw. einer HDRE-Maschineneinheit ist die Terminüberwachung, auch als Expediting bezeichnet. Ziel des Expediting ist, dass die bestellte Anlagenausrüstung gemäß einem nachvollziehbaren Projekt-Terminplan rechtzeitig zum Montageort geliefert wird. Verzögerungen sind aufgrund von Unwägbarkeiten im Projektablauf, in der Technik oder bei den Herstellungsprozessen nicht immer vermeidbar. Oft sind sie auch in der Arbeitsteilung und einer zu optimistischen Planung begründet. Deswegen sind bereits bei der Planung Risiken bezüglich Qualität und Liefertermin zu berücksichtigen, und es sollte regelmäßig beim Maschinenlieferanten geprüft werden, ob sich in dessen Zeitplan Verschiebungen ergeben. Wenn eine Verzögerung frühzeitig erkannt wird, kann mit dem Maschinenlieferanten geprüft werden, ob und mit welchen Maßnahmen ein Lieferverzug vermieden werden

5.4 Qualitätssicherung

87

kann. Hier ist eine vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern wichtig. Wenn ein Aufholen nicht möglich ist, ist zusammen mit dem Projektteam zu untersuchen, wie sich eine derartige Verzögerung auf Montage und Inbetriebnahme auswirken wird. Gegebenenfalls sind hier Änderungen bei Montage und Inbetriebnahme frühzeitig zu planen. Größere Unternehmen haben eigene Abteilungen, die das Expediting über die gesamte Anlage durchführen. Bei der Beschaffung von HDRE-Maschinen ist es aufgrund seiner Fachkenntnisse günstig, wenn der HDRE-Engineer des Betreibers die Aufgabe des Expediting zusammen mit der Qualitätskontrolle versieht. Bei einer Abwicklung durch einen EPC-Kontraktor ist dieser zunächst für die erforderlichen Maßnahmen verantwortlich. Das Thema Terminüberwachung wird in späteren Kapiteln noch eingehender behandelt, hier ist es hauptsächlich unter dem Aspekt der Aufgabenteilung zu sehen.

5.4 Qualitätssicherung Grundsätzlich sollte eine Maschinenbeschaffung nur bei einem Hersteller erfolgen, der ein nach den beiden Normenreihen ISO 9000 und ISO 14000 gestaltetes Qualitätsmanagementsystem nutzt. Die Qualitätssicherung ist ein besonders wichtiger Aspekt bei der Beschaffung der hochkomplexen HDRE-Maschinen. Sie bezieht sich zum einen auf die Qualität der benötigten Dokumente und Nachweise, zum anderen direkt auch auf den Herstellprozeß der Maschine. Bei ausreichender Personalverfügbarkeit und Qualifikation liegt ein deutlicher Projektnutzen darin, wenn Terminüberwachung und Qualitätssicherung von der gleichen Person übernommen werden kann, und wenn diese eine häufige Präsenz im Herstellerwerk zeigen kann. Werden die Aufgaben verteilt oder übergibt man die Qualitätssicherung an ein externes Unternehmen, so fehlen grundsätzlich die Querverbindungen. Auftragsabhängig werden nur ganz bestimmte Leistungen untersucht (wie z. B. eine Druckprüfung). Wichtige Zusatzinformationen, die bei Gesprächen oder Rundgängen ganzheitliche Probleme bei der Abwicklung aufdecken, bleiben dabei unberücksichtigt. Bei Kontraktorabwicklungen muss dabei darauf geachtet werden, dass bei Qualitätskontrollen durch den Betreiber beim Maschinenlieferanten auch ein Vertreter des Kontraktors anwesend ist, um auch vertraglich relevante Abmachungen treffen zu können. In erster Linie ist natürlich der Kontraktor verpflichtet, eine umfassende Qualitätssicherung vorzunehmen. Auch dieses Thema wird in späteren Kapiteln umfassend behandelt.

88

5  Auswahl des Abwicklungskonzepts

Tab 5.1  Beispiel für die Aufgabenverteilung zwischen Betreiber und Kontraktor bei Maschinenbeschaffung durch einen EPC-Kontraktor

5.5 Aufgabenteilung zwischen den Vertragspartnern Werden Teile des Anlagenbauprojekts oder das gesamte Projekt an einen Kontraktor vergeben, muss eine genaue Aufteilung der Aufgaben und Verantwortlichkeiten der Vertragspartner vorgenommen und die Ansprechpartner bestimmt werden. Dies geschieht in unterschiedlicher Detailtiefe im Zuge der Vertragsklärung. Ein sinnvolles Beispiel bei der Beschaffung einer HDRE-Maschineneinheit durch einen EPC-Kontraktor zeigt Tab. 5.1. In diesem Beispiel werden die technischen Spezifikationen zunächst durch den Betreiber erstellt, der auch die Angebotsanfragen an verschiedene Maschinenlieferanten richtet. Der EPC-Kontraktor bearbeitet die Angebote, veranlasst die technischen und kaufmännischen Durchsprachen und bereitet den Angebotsvergleich nach Maßgabe des Betreibers vor. Die endgültige Herstellerauswahl und die Genehmigung der endgültigen Bestelldokumente erfolgt durch den Betreiber. Für die Umsetzung bis hin zur Inbetriebnahme ist wiederum der EPC-Kontraktor ver-

5.6 Zusammenfassung

89

antwortlich. Der Betreiber mit seinem HDRE-Engineer ist in dieser Phase beratend und begutachtend tätig, teilweise vor Ort („onshore“) und teilweise vom Büro aus („offshore“). Damit ist ihm der direkte Zugriff auf den Maschinenhersteller zunächst verwehrt. Ein vertrauensvolles Vertragsverhältnis zwischen Betreiber und EPC-Kontraktor zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass bei technischen Fragen auch direkte Kontakte (unter Information des EPC-Kontraktors) zwischen HDRE-Engineer und Maschinenlieferant möglich sind. Insbesondere bei Besprechungen und Prüfungen beim Hersteller, aber auch zu bestimmten Aktivitäten während Montage und Inbetriebnahme, werden Besuche des HDRE-Engineer, zusammen mit einem Vertreter des EPC-Kontraktors, im Herstellerwerk und am Montageort empfohlen. Inzwischen werden jedoch auch immer mehr Methoden entwickelt, um mittels Web-Konferenzen und Videoübertragung Reisen reduzieren zu können.

5.6 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden grundsätzliche Überlegungen zu den verschiedenen möglichen Abwicklungskonzepten für die Beschaffung von HDRE-Maschinensträngen im Rahmen eines Anlagenbauprojekts angestellt. Sie gehen von der Eigenabwicklung seitens des Betreibers über Konzepte, in denen die Beschaffung über Kontraktoren erfolgt, bis hin zur Beschaffung einer schlüsselfertigen Anlage zum Festpreis. Je nach gewähltem Konzept ergeben sich für den Betreiber unterschiedliche Möglichkeiten der Einflussnahme auf technische Spezifikationen und Qualität der Ausführung. Als wichtige Aspekte hierzu werden die genaue Prüfung von Lieferantenangeboten und weiterhin die Terminüberwachung und Qualitätssicherung während der Abwicklung angesehen. In diesem Zusammenhang sollte in Kontraktorprojekten die Aufgabenteilung zwischen Betreiber und Kontraktor genau geklärt werden. Hierfür wurde ein vom Autor als positiv angesehenes Beispiel dargestellt. Die Erfahrungen des Autors mit unterschiedlichen Abwicklungskonzepten sind sehr vielfältig. Nicht immer verläuft ein LSTK-Projekt ungünstig für den Betreiber. Wesentlicher Erfolgsfaktor ist in allen Fällen eine gute eigene Expertise auf Betreiberseite, aber dann auch eine vertrauensvolle Zusammenarbeit mit dem Kontraktor, wie sie in vielen Fällen auch möglich ist und gewünscht wird. Ungünstige Projektverläufe können damit verbunden sein, dass Kontakte zwischen Betreiber und Maschinenlieferanten (auch im Beisein des Kontraktors) als nicht zulässig angesehen werden. In manchen Fällen sind auch die Personalressourcen des Kontraktors zu gering, um ausreichende Kommunikation zwischen Kontraktor und Maschinenlieferanten selbst zu gewährleisten und damit sich während der Abwicklung ergebende Fragen ausführlich genug zu behandeln.

6

Maschinenspezifikation im Detail

Ungeachtet des gewählten Abwicklungskonzepts (Kap. 5) muss das bereits erstellte Maschinenkonzept (Kap. 3) im nächsten Schritt detailliert werden, um eine verbindliche Angebotsanfrage bei möglichst mehreren Maschinenlieferanten stellen zu können. Dazu wurde bereits eine Liste infrage kommender Maschinenlieferanten erstellt (Kap. 4). Eine oder mehrere Budgetangebote sollten bereits vorliegen. Diese Detaillierung findet in der Regel frühzeitig in der Phase des Basic Engineering des Anlagenbauprojekts statt. Zu beachten ist, dass oft während dieser Phase auch alle notwendigen technischen und kaufmännischen Durchsprachen mit den Maschinenlieferanten und die Lieferantenauswahl selbst erfolgen müssen, um am Ende dieser Phase bestellreif zu sein. Die Ausarbeitung der detaillierten Spezifikationen der erforderlichen Maschinenstränge bzw. Maschineneinheiten (unter Einbeziehung aller Hilfs- und Versorgungssysteme und weiterer Komponenten) obliegt dem zuständigen HDRE-Engineer. Bei Eigenabwicklung bzw. bei „Proprietary Equipment“ ist es der HDRE-Engineer des Betreibers. Bei Projektabwicklung durch einen Kontraktor ist es dessen HDRE-Engineer, der im Idealfall eng mit dem Betreiber als Endkunden zusammenarbeitet und dessen Dokumente auch vom HDRE-Engineer des Betreibers kontrolliert und freigegeben werden. Immer ist es erforderlich, die Schnittstellen zu anderen Fachdisziplinen genau zu betrachten und mit deren Vertretern im Projekt eng zusammenzuarbeiten, um die Anfragedokumente korrekt erstellen zu können. Diese Erfordernis erkennt man auch daran, dass viele der für die Anfrage benötigten Dokumente über die hinausgehen, die die Maschineneinheiten selbst beschreiben, nämlich

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_6

91

92

6  Maschinenspezifikation im Detail

• eine ausreichend genaue Beschreibung der verfahrenstechnischen Anwendung mit geplanten Fahrweisen, Mengen- und Stoffbilanzen (u. a. PFDs), • die gesetzlichen und behördlichen Vorschriften zu Anlage und Standort, • die mitgeltenden öffentlichen technischen Regelwerke sowie Regelwerke des Betreibers, • anlagen- und standortbezogene Randbedingungen, klimatische Bedingungen, vorhandene Energien, Hilfsenergien und Betriebsstoffe, • die sicherheits- und werkstofftechnischen Anforderungen von Fördermedium und Maschinenumgebung mit Ex-Zonen-Einteilung, • die technischen Datenblätter, Beschreibungen und Spezifikationen der HDREMaschinenstränge selbst, • die technischen Datenblätter für Hilfs- und Versorgungssysteme und Anlagenkomponenten, • … In diesem Kapitel wird im Detail auf die wesentlichen Inhalte der Anfrageunterlagen und die in diesem Zusammenhang erforderlichen Absprachen und Entscheidungen eingegangen.

6.1 Anzuwendende Regelwerke Zunächst muss festgelegt werden, in welchem Maß Vorschriften und allgemeine Regeln für die Entwicklung, den Bau und den Betrieb einer verfahrenstechnischen Anlage gelten und deswegen im Projektverlauf berücksichtigt werden müssen. Hierbei geht es um übergreifende Vorschriften für die verfahrenstechnischen Anlage oder einer Maschine. Es kann sich dabei um rechtsverbindliche Vorschriften handeln (z. B. Verordnungen und Gesetze), aber auch allgemein anerkannte Regeln für technische Umsetzungen (z. B. DIN- und ISO-Normen) im Rahmen zu „Best Practice“-Lösungen. Hinzu kommen projekt- und betreiberspezifische Anforderungen, die zur Vereinheitlichung dienen (z. B. Reduzierung der Ersatzteilbevorratung) oder Betreibererfahrungen (z. B. Optimierung von Verfügbarkeit und Instandhaltung) abbilden. Solche „allgemeinen“ Regelwerke sind erforderlich und sinnvoll, denn gerade in einer für Maschinenstränge sinnvollen „funktionalen Ausschreibung“ können nicht alle Details im Voraus geklärt und festgelegt werden. Der Konstrukteur muss hierfür ausreichend Freiheiten behalten, sich aber an allgemein für seine Konstruktion geltende Richtlinien halten. In den folgenden Abschnitten wird detaillierter auf solche Regelwerke eingegangen.

6.1  Anzuwendende Regelwerke

93

6.1.1 Rechtsvorschriften, behördliche Regelungen Im Rahmen von Anlagenbauprojekten sind alle jeweils für Projekt und Standort zutreffenden gültigen Gesetze und Rechtsvorschriften, evtl. auch weitere behördliche Regelungen, in ihren jeweils aktuellen Ausgaben zu ermitteln und anzuwenden. In diesem Buch kann nur auszugsweise auf einige in Europa und Deutschland gültigen Vorschriften eingegangen werden. Besonders wesentlich für das Inverkehrbringen und die Inbetriebnahme von Maschinen im europäischen Wirtschaftsraum ist die Maschinenrichtlinie (MRL)1, die grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen an vollständige wie unvollständige Maschinen stellt. In der MRL, Artikel 2, bezeichnen die Ausdrücke • „Maschine“ eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines beweglich ist und die für eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind; • „unvollständige Maschine“ eine Gesamtheit, die fast eine Maschine bildet, für sich genommen aber keine bestimmte Funktion erfüllen kann. Ein Antriebssystem stellt eine unvollständige Maschine dar. Eine unvollständige Maschine ist nur dazu bestimmt, in andere Maschinen oder in andere unvollständige Maschinen oder Ausrüstungen eingebaut oder mit ihnen zusammengefügt zu werden, um zusammen mit ihnen eine Maschine im Sinne dieser Richtlinie zu bilden. Der Ausdruck „Maschine“ umfasst demnach einen kompletten Maschinenstrang mit allen erforderlichen Komponenten und Hilfs- und Versorgungssysteme, in diesem Sinne eine Maschineneinheit. Der Lieferant einer solchen Maschineneinheit kann damit auch die in der MRL geforderte Konformitätserklärung für seinen Lieferumfang abgeben. Der Lieferant einer unvollständigen Maschine kann dagegen lediglich eine Einbauerklärung (früher Herstellererklärung) abgeben, die nach Zusammensetzung zu einer vollständigen Maschine zur Erteilung der Konformitätserklärung erweitert wird. Die MRL unterliegt derzeit einer Revision und soll als Maschinenverordnung mit einem Übergangszeitraum von 30 Monaten verabschiedet werden. Am 12.07.2022 wurde ein neuer Entwurf veröffentlicht2, welcher ursprünglich noch in 2022, inzwischen verschoben auf 2023, in Kraft gesetzt werden soll.

1  Richtlinie

2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG. 2 https://ec.europa.eu/docsroom/documents/45508?locale=de.

94

6  Maschinenspezifikation im Detail

Weitere innerhalb von Deutschland bzw. der EU anwendbare Rechtsvorschriften, die im Bereich von Beschaffung und Betrieb von HDRE-Maschinen wichtig sind, werden hier nur beispielhaft genannt: • Druckgeräte-Richtlinie (DGRL)3: Sie regelt die technischen Anforderungen an Druckgeräte und deren Abnahme. Sie ist relevant für Wärmeübertrager, Abscheider, Filter u. a., nicht jedoch für die Kernmaschine. • ATEX-Betriebsrichtlinie4: Sie enthält Regeln zur Verhinderung von und zum Schutz gegen Explosionen (u. a. Zoneneinteilung von explosionsgefährdeten Bereichen). • Wasserhaushaltsgesetz (WHG)5: Es dient der nachhaltigen Gewässerbewirtschaftung und ist u. a. relevant für Steuer- und Schmierölsysteme. • EMV-Richtlinie6: Sie enthält Regeln zur elektromagnetischen Verträglichkeit. • Bundes-Immissionschutzgesetz (BImSchG)7: Es enthält Regeln zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen. • Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV)8: Sie beschreibt Regeln zur Gewährleistung von Sicherheit und Gesundheitsschutz von Beschäftigten bei der Verwendung von Arbeitsmitteln. Abb. 6.1 zeigt einen Ausschnitt deutscher Rechtsvorschriften als Papierversion. Eine ausführliche Darstellung dieser und weiterer Rechtsvorschriften mit Bezug auf verfahrenstechnische Anlagen findet sich bei Weber (2016)9 in Abschn. 2.3. Diese Vorschriften beziehen sich im Wesentlichen nicht auf technische Anforderungen und Funktionalitäten, sondern auf Erfordernisse für Sicherheit, Gesundheit und Umweltschutz.

3  Richtlinie

2014/68/EU (Druckgeräte-Richtlinie) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15.05.2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über die Bereitstellung von Druckgeräten auf dem Markt. 4 Richtlinie 1999/92/EG (ATEX-Betriebsrichtlinie) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16.12.1999 über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können. 5 Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhaushaltsgesetz – WHG) vom 31.07.2009. 6 Richtlinie 2014/30/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die elektromagnetische Verträglichkeit (Neufassung). 7  Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge Bundes-Immissionsschutzgesetz – BImSchG) vom 26.09.2002. 8  Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln (Betriebssicherheitsverordnung – BetrSichV) vom 03.02.2015. 9 Weber, K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, 2. Auflage, Abschn. 2.3 Planungsrelevante Rechtsvorschriften der EU und BRD. Springer, Dresden.

6.1  Anzuwendende Regelwerke

95

Abb. 6.1   Einige deutsche Rechtsvorschriften

Im einzelnen sind alle Auswirkungen länder- und standortspezifisch gültiger Regelwerke in den jeweiligen Projekten zu prüfen, festzuhalten und durch Auflistung der gültigen Regelwerke in die jeweiligen Engineering- und Beschaffungsverträge aufzunehmen. Mit den Inhalten sind die Maschinenlieferanten vertraut, soweit sie Erfahrungen in der Region haben, in der die Maschine betrieben werden soll. Es empfiehlt sich aber eine frühzeitige Klärung, wie genau z. B. die Erteilung der Konformitätserklärung im europäischen Wirtschaftsraum erfolgt und welche Vertragspartei für die Durchführung verantwortlich ist.

6.1.2 Öffentliche technische Regelwerke, Best Practice Die der Öffentlichkeit zugänglichen technischen Regelwerke und Standards geben einen guten Überblick über die wesentlichen technischen Anforderungen an die in diesem Buch betrachteten Maschinentypen.

96

6  Maschinenspezifikation im Detail

Tab. 6.1  Relevante API-Standards für HDRE-Maschinen API STD No.

Titel

Anwendung

API STD 611 (ISO 10436)

General-purpose Steam Turbines for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services

Dampfturbinen im „weniger kritischen“ Einsatz, z. B. bei niedrigen Anforderungen oder/und redundanter Aufstellung

API STD 612 (ISO 10437)

Petroleum, Petrochemical, and Natural Gas Industries – Steam Turbines – Special-purpose Applications

Dampfturbinen in „kritischem“ Einsatz, z. B. einsträngig mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit

API STD 616

Gas Turbines for the Petroleum, Gasturbinen, z. B. als Antrieb für Chemical, and Gas Industry Services Prozess- und Transportverdichter

API STD 617 (ISO 10439)

Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors

Turboverdichter und -expander in „kritischem“ Einsatz, z. B. einsträngig mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit

API STD 618

Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services

Kolbenverdichter im Prozessgasbetrieb in „kritischem“ Einsatz, z. B. mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit

API STD 619 (ISO 10440)

Rotary-type Positive Displacement Compressors for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries

Schraubenverdichter in „kritischem“ Einsatz, z. B. einsträngig mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit

API STD 672 (ISO 10442)

Packaged, Integrally Geared Centrifugal Air Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services

Turboverdichter im „weniger kritischen“ Einsatz bei Luft, z. B. bei niedrigen Anforderungen an die Verfügbarkeit oder/und redundanter Aufstellung

API STD 673

Centrifugal Fans for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services

In der Regel nur als Referenz verwendet, da sie vielfach zu überdimensionierten und unflexiblen technischen Lösungen führt

Im Wesentlichen werden als Auslegungsbasis für die betrachteten Maschinentypen verschiedene Standards des American Petroleum Institute10 als „Best Practice“ genutzt, die von einschlägigen Fachleuten zusammengestellt und regelmäßig überarbeitet werden. Tab. 6.1 listet diese auf und beschreibt ihren Anwendungsbereich. Sie sind ein Ausschnitt der API-Standards (API STD) im Bereich „Refining“11.

10 American

Petroleum Institute Standards, https://www.api.org/products-and-services/standards. Petroleum Institute, https://www.api.org/-/media/Files/Publications/2022-Catalog/ Refining-2022.pdf?la=en&hash=EC03F375892D1E2010AC6B0CD01EE3519FD48A19. 11  American

6.1  Anzuwendende Regelwerke

97

Tab. 6.2  Relevante API-Standards für Hilfs- und Versorgungssysteme und Komponenten des Antriebsstrangs API STD No.

Titel

Anwendung

API STD 613

Special Purpose Gear Units for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services

Getriebe für Maschinen nach API STD 612, 617, 619

API STD 614 (ISO 10438)

Lubrication, Shaft-sealing and Oilcontrol Systems and Auxiliaries

Hilfssysteme für Maschinen nach API STD 612, 617, 619 (die aktuelle Ausgabe 2022 gilt nicht mehr für Versorgungssysteme gasgesperrter Gleitringdichtungen)

API STD 671 (ISO 10441)

Special Purpose Couplings for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services

Kupplungen für Maschinen nach API STD 612, 617, 619

API STD 677

General-Purpose Gear Units for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services

Getriebe für Maschinen nach API STD 611, 672

API STD 692

Dry Gas Sealing Systems for Axial, Centrifugal, Rotary Screw Compressos and Expanders

Gasgesperrte Gleitringdichtungen und deren Versorgungssysteme für Maschinen nach API STD 617, 619

Außer der Maschine selbst spielen die zugehörigen Hilfs- und Versorgungssysteme wie Sperrgas- und Ölsystem, genauso auch Getriebe und Kupplungen als Komponenten des Antriebsstrangs, eine große Rolle. Deshalb werden zusätzlich die in Tab. 6.2 beschriebenen Regelwerke genutzt. Weitere für die Spezifikation von HDRE-Maschinensträngen nützliche technische Regelwerke aus dieser Reihe sind in Tab. 6.3 aufgelistet. Diese Regelwerke stehen öffentlich zur Verfügung und sind eine wesentliche Hilfe, sowohl bei der Spezifikation als auch in Rahmen der Qualitätssicherung. Sie sind auch Basis für die Auslegung und Konstruktion der Maschinen seitens ihrer Hersteller. Die genannten API-Standards umfassen ebenfalls technische Datenblätter, mit denen diese Maschinen detailliert spezifiziert werden können. Die Angaben in den technischen Datenblättern beziehen sich auf die entsprechenden Abschnitte der Standards und können außer in Papierform teilweise auch als elektronisch bearbeitbare Tabellen erworben und genutzt werden. Neben diesen, vom American Petroleum Institute (API) veröffentlichten technischen Regelwerken sollten auch die für die jeweilige erforderliche technische Ausrüstung gültigen, einschlägigen Standards anderer nationaler und internationaler Standardisierungs- und Normungsinstitute genutzt und in die vertraglichen Vereinbarungen aufgenommen werden. Beispiele hierfür sind

98

6  Maschinenspezifikation im Detail

Tab. 6.3  Weitere empfohlene API-Standards (STD) und „Recommended Practices“ (RP) im Rahmen der HDRE-Maschinenplanung API STD No.

Titel

Anwendung

API STD 670

Machinery Protection Systems

Maschinenüberwachung und Maschinenschutz, speziell bei Maschinen nach API STD 611, 612, 617, 619, 672, in Sonderfällen auch 618

API RP 686

Recommended Practice for Machinery Installation and Installation Design

Empfehlungen für die Maschinenmontage

API RP 687

Rotor Repair

Empfehlungen für die Reparatur von Rotoren

API RP 684

Informationen zu Berechnung und Rotordynamic Tutorial: Lateral Tests bezüglich der Rotordynamik Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing

API RP 941

Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants

Empfehlungen für die Verwendung von Stählen bei hohen Drücken und Temperaturen in Anwesenheit von Wasserstoff

API STD 541

Squirrel-Cage Induction Motors – 500 hp and larger

Asynchron-Antriebsmotoren sowie Asynchron-Generatoren

API STD 546

Brushless Synchronous Machines – 500 kVA and Larger

Synchron-Antriebsmotoren

• Richtlinien von VDI und VDE, VDMA und VGB, • DIN-, EN-, ISO-, IEC-Normen, • ASME- und ASTM-Standards für Nordamerika, teilweise auch Südamerika und Asien, jedoch selten in Europa eingesetzt, • JIS-Standards für Japan, • GB-Standards für China. Auf einige davon wird in den folgenden Abschnitten und Kapiteln themenorientiert hingewiesen.

6.1.3 Betreiber- und herstellerspezifische Regelwerke Über die genannten öffentlich zugänglichen technischen Regelwerke hinaus haben Maschinenlieferanten, Engineering-Kontraktoren und Anlagenbetreiber aus ihren eigenen Erfahrungen aus Konstruktion, Beschaffung und Betrieb heraus eigene Anforderungen zusammengestellt, die zusätzlich berücksichtigt werden.

6.1  Anzuwendende Regelwerke

99

6.1.3.1 Anforderungen durch gasspezifische Gefährdungen Neben den grundsätzlichen maschinenspezifischen Anforderungen der API-Standards können weitere Anforderungen gelten, die sich auf deren Einsatz unter Prozessbedingungen beziehen. Als Beispiel dient hier der Betrieb mit gefährlichen Gasen, bei denen es zu gasspezifischen Gefährdungen für Arbeits- und Anlagensicherheit sowie Umwelt kommen kann. Für die Behandlung und Verdichtung von Acetylen gilt die TRAC (Technische Regeln für Acetylenanlagen und Calciumcarbidlager)12, aufgestellt vom Deutschen Acetylenausschuss (DAcA). Gemäß TRAC dürfen, z. B. Drücke von 30 bar nicht überschritten werden, zur Vermeidung von Explosionen und Detonationen in Rohrleitungen mit Ausbreitungsgeschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit des Prozessgases; die Prozessgasleitungen werden in bestimmten Fällen mit Röhrchen geringen Durchmessers aufgefüllt, und es werden Flammensperren eingesetzt. Für die Behandlung und Verdichtung von Chlorgas gibt Eurochlor13, ein Zusammenschluss der Chlorproduzenten in Europa und ein Teil des „World Chlorine Council“, Richtlinien für Verdichter14 und Anforderungen an Materialien15 heraus. Hier geht es z. B. um die Verwendung bestimmter Materialien und um Vermeidung von Temperaturen, oberhalb derer Chlor-Eisen-Brand auftreten und einen Verdichter komplett zerstören kann. Alle produktberührenden Oberflächen sind mittels bestimmter Methoden öl- und fettfrei zu machen und zu prüfen. Für die Behandlung und Verdichtung von Sauerstoff gibt EIGA (European Industrial Gases Association) Regelwerke heraus16, ebenso die BG RCI (Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie). Um den hin und wieder vorkommenden Sauerstoffbrand mit der Folge der totalen Zerstörung der Verdichteranlage zu vermeiden, kommen weitere Maßnahmen zu den zur Chlorverdichtung genannten hinzu. Es dürfen nur für den Gebrauch mit Sauerstoff-Verdichtern zertifizierte Schmiermittel und Fette verwendet werden dürfen. Zwischen dem ölfreien Verdichtungsbereich und dem ölgeschmierten Antriebsbereich muss eine Brandschutzwand installiert werden. Die hier dargestellten Maßnahmen bilden lediglich einen Teil der technischen Anforderungen ab. Ein genaueres Bild ergibt die Lektüre der genannten Regelwerke.

12 https://www.umwelt-online.de/recht/t_regeln/trac/0/trac_s.htm. 13 Euro

Chlor, https://www.eurochlor.org. 10/361 (2012) Dry Chlorine Gas Compressor, EuroChlor, Brüssel 15 GEST 79/82 (2012) Materials of Construction for Use in Contact with Chlorine, 10th edition, EuroChlor, Brüssel. 16 IGC Doc 27/01/E (2001) Centrifugal Compressors for Oxygen Service, EIGA, Brüssel. 14 GEST

100

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.1.3.2 Anforderungen und Standards von Maschinenherstellern Auch die Maschinenhersteller haben auf Basis von konstruktiven Anforderungen, Standardisierung und eigenem Know-How eigene interne Standards, die in Teilen von den API-Standards abweichen. Diese werden in der Regel bei Angeboten als Liste mit Abweichungen von den einschlägigen API-Standards geführt und müssen während der Angebotsklärung abgestimmt werden. 6.1.3.3 Anforderungen des Betreibers Beim Betreiber oder Lizenzgeber für eine Anlage selbst liegen oft auch einschlägige Erfahrungen aus dem Betrieb vergleichbarer Maschinen vor, insbesondere bezüglich Verfügbarkeit, interner Standardisierung und Instandhaltung. Diese sind in der Regel als interne Anforderungsliste schriftlich festgehalten und mit den jeweiligen Instandhaltungsorganisationen abgestimmt. Wenn sie ebenfalls auf den einschlägigen APIStandards (API STD) basieren und Abweichungen davon zum Inhalt haben, ist eine relativ einfache Vergleichbarkeit mit anderen Anforderungslisten gegeben. Listen mit „Positiv-Anforderungen“, die nicht als Abweichungen von anderen Standards dargestellt werden, können in Fällen sinnvoll sein, in denen z. B. die Anforderungen aus den öffentlichen Standards sehr viel höher sind als erforderlich (wie bei Ventilatoren oft der Fall), oder wenn kein passender öffentlicher Standard existiert. Da erhöhte Anforderungen über den „Hersteller-Standard“ hinaus in der Regel mit zusätzlichen Kosten verbunden sind, sollte für die Anforderungen des Betreibers von Zeit zu Zeit oder auch projektspezifisch eine Kosten-Nutzen-Betrachtung angestellt werden. Dies betrifft • über das rechtlich erforderliche Maß hinaus erhöhte Anforderungen für die Anlagenund Arbeitssicherheit, • Verringerung der Ersatzteilhaltung, z. B. durch Standardisierung von E&I-Geräten, • Erhöhung der Verfügbarkeit und Betriebszeiten zwischen Abstellungen, • Verringerung des Instandhaltungsaufwands, • Verbesserung der Bedienbarkeit und Erhöhung des Automatisierungsgrads.

6.1.3.4 Projektspezifische Regelwerke Verdichter und Turbine im Maschinenstrang und deren Hilfs- und Versorgungssysteme sind Teil einer Gesamtanlage und eines Betriebsstandortes. Deshalb müssen ebenfalls standort- bzw. projektspezifische Anforderungen beachtet werden, die Teil einer Design-Basis darstellen, z. B. • elektrische Spannungsniveaus für Antriebsmotoren, Hilfsmotoren und PLT-Systeme, • standortspezifische Begrenzungen aufgrund des Mittelspannungsnetzes, insbesondere zum Anfahren eines Asynchronmotors und für den Einsatz von Frequenzumrichtern, • Mengenverfügbarkeit sowie Druck- und Temperaturniveaus bei Kühlwasser, Stickstoff und Instrumentenluft,

6.1  Anzuwendende Regelwerke

101

• standortweite Standardisierung z. B. von PLT-Einrichtungen zur Begrenzung der Ersatzteilhaltung, • klimatische und geologische Bedingungen am Standort, • Limitierung von Schallemissionen, • standortspezifische behördliche Auflagen.

6.1.4 Umgang mit technischen Regelwerken Technische Regelwerke, seien sie für alle Vertragspartner verbindlich einzuhalten wie behördliche Vorschriften und Rechtsvorschriften oder auch bestimmte verpflichtende Regelwerke des Betreibers, oder seien sie zunächst als „Best Practice“ anzusehen wie öffentliche Normen und Standards und auch die betreiberspezifischen Regelwerke, sind wesentlicher Bestandteil einer Bestellung und einer Projektabwicklung. Neben den technischen Datenblättern und weiteren Auftragsspezifikationen erhalten die mitgeltenden technischen Regelwerke mit ihren, gemeinsam zwischen den Vertragspartnern abgestimmten, Abweichungen Vertragsrelevanz. Hier ist eine genaue Durchsprache zwischen den Vertragsparteien erforderlich, um Unklarheiten und damit auch Unstimmigkeiten während Abwicklung und späterer Montage weitestgehend zu vermeiden. Deshalb sollte ein angefragter Maschinenlieferant in seinem Angebot neben den technischen Unterlagen zu seiner Maschine bzw. seiner Maschineneinheit auch schriftlich die von ihm gewünschten Änderungen an den mitgeltenden technischen Regelwerken mitteilen und diese begründen. Für die mitgeltenden API-Standards gibt es hier eine Besonderheit. Die Maschinenhersteller liefern mit ihrem Angebot eine Abweichungsliste mit, die sich am jeweils geltenden API STD orientieren. Ähnlich sieht es oft bei Betreiber-Regelwerken aus, die in ähnlicher Weise aufgestellt wurden. Liegen nun unterschiedliche solcher Abweichungslisten vor oder sind die darin genannten Anforderungen auf verschiedene Dokumente verteilt, so sind Widersprüchlichkeiten kaum zu vermeiden. Es wird gerne versucht, diesen mit Formulierungen zu begegnen wie: „Liegen widersprüchliche Anforderungen vor, so ist die schärfere von ihnen gültig“. Dies ist oft kaum durchsetzbar, zumal wenn bereits Konstruktionen erfolgt sind, die einer dieser Anforderungen genügen. Hier ist zusätzlich zu bedenken, dass Spezifikationen und Regelwerke auch an Unterlieferanten weitergegeben werden, die nicht den kompletten Vertragstext erhalten. Es ist darauf zu achten, dass Anforderungen möglichst konkret gestellt werden und damit einen möglichst geringen Interpretationsspielraum aufweisen. Dies wird erschwert dadurch, dass gerade bei HDRE-Maschinen die Anforderungen funktional gestellt werden, um dem Hersteller einen Spielraum für seine Konstruktion zu lassen. Überdies ergeben sich einige Details ohnehin erst während des „Detailed Engineering“ seitens des Maschinenlieferanten.

102

6  Maschinenspezifikation im Detail

Das Vorliegen mehrerer Listen erschwert auch die Kontrolle über die Einhaltung der Anforderungen. Um Widersprüchlichkeiten während der Projektabwicklung durch das Nebeneinander unterschiedlicher Listen zu vermeiden und eine gute Übersicht über die Anforderungen zu erhalten, empfiehlt der Autor, die Anforderungen aller Beteiligten während des Vergabeprozesses in einer gemeinsamen editierbaren Tabelle festzuhalten und miteinander abzustimmen. Dies gilt insbesondere für Abweichungslisten auf Basis eines der APIStandards. Für eine Anforderungs- bzw. Abweichungsliste auf Basis eines API-Standards können die Spalten S einer solchermaßen erstellten Tabelle folgende Inhalte enthalten: • • • •

S1: die Nummer der betreffenden API STD-Anforderung, S2: das Thema bzw. der Abschnitt des API STD, S3: der Hauptinhalt der API STD-Anforderung in Kurzform, S4: die Art der abweichenden Anforderung mit den Möglichkeiten – DEL  = Deletion: der komplette Paragraph des API STD gilt als gelöscht, – ADD  =  Addition: es handelt sich um eine zusätzliche Anforderung, die über denText des API STD hinausgeht, – SUB  = Substitution: die Anforderung des API STD wird durch eine andere ersetzt, – DEC  = Decision: eine bestimmte Option des API STD wird ausgewählt, – NEW  = eine zusätzliche Anforderung, wenn hierzu keine Anforderung aus dem API STD existiert, • S5: der Text der abweichenden oder neuen Anforderung, die z. B. seitens des Betreibers besteht, nach Möglichkeit mit Begründung, • S6: die Akzeptanz durch den Hersteller mit den 3 Möglichkeiten – A  = Acceptance: der Maschinenlieferant akzeptiert die Abweichung des Betreibers, – C  = Clarification: der Maschinenlieferant möchte die Anforderung konkretisieren, – E  = Exception: der Maschinenlieferant wünscht eine Ausnahme, • S7: die Konkretisierung der Exception oder der Clarification, mit Begründung, • S8: das vertragsrelevante Ergebnis der technischen Durchsprache. Die Formulierung in englischer Sprache bietet sich an, denn zum einen sind die APIStandards in englischer Sprache verfasst, zum anderen wird in der Regel international ausgeschrieben. Abb. 6.2 zeigt ein Beispiel, wie eine solche Tabelle aussehen kann. Eine analoge, leicht veränderte Darstellung kann auch gewählt werden, wenn kein Bezug auf einen API STD vorliegt (z. B. durch Wegfall der Spalten S3 und S4). Zu beachten ist, dass in der Regel die jeweils gültige Revision aller relevanten Regelwerke zum Zeitpunkt des Vertragsabschlusses gültig ist. Da die Anpassung interner Regelwerke etwas Zeit benötigt, kann es im Einzelfall sinnvoll sein, sich bei technischen Regelwerken auf die vorherige Revision eines API STD zu beziehen.

6.2  Technische Spezifikation

103

Abb. 6.2   Beispiel für eine Abweichungstabelle, bezogen auf einen API STD (hier: API STD 617)

Während der langen Laufzeit eines Anlagenbauprojekts können Revisionen interner wie externer Regelwerke erfolgen. Wegen möglicher Kostenerhöhungen und Terminverschiebungen sind Anpassungen meist nur sinnvoll, wenn diese Revisionen keinen empfehlenden, sondern verpflichtenden Inhalt haben. Sind diese Punkte nicht vor der Auftragsvergabe eindeutig geklärt, sind während der Projektabwicklung Probleme zu erwarten, die kosten-, qualitäts- und terminrelevant sind.

6.2 Technische Spezifikation Die technischen Spezifikationen enthalten sowohl die allgemeinen Anforderungen aus den technischen Regelwerken als auch die Details für eine Maschinenbestellung. Wegen der Komplexität der HDRE-Maschinen sollte die Spezifikation im Wesentlichen in funktionaler Beschreibungsform aufgestellt werden, um dem Maschinenlieferanten ausreichende Freiheiten bei ihrer Maschinenkonstruktion selbst sowie bei Konstruktionsdetails und Fließbildern zu geben. Eine technische Spezifikation, die zur Ausarbeitung von detaillierten Festpreisangeboten führt, benötigt intensive Vorbereitung und Absprachen mit verschiedenen Fachgewerken, auch wenn sie für HDRE-Maschinen eher funktional erfolgt. Dafür ist ein Zeitaufwand von einigen Wochen anzusetzen, auch wenn bereits detaillierte Budgetangebote vorliegen. Die technische Spezifikation besteht aus verschiedenen Teilen, die sich nicht nur um den reinen Maschinenstrang bewegen. Sie erfolgt in Form von Prosa-Text sowie tabellarisch in Form von technischen Datenblättern. Erstellt wird sie vom HDRE-Engineer des Betreibers oder von einem Kontraktor in dessen Auftrag. Der Umfang einer technischen Spezifikation für HDRE-Maschineneinheiten wird im Folgenden näher beschrieben.

104

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.2.1 Allgemeiner Teil Der allgemeine Teil einer Maschinenspezifikation enthält mindestens die folgenden Themen, die über Prosa-Texte oder technische Datenblätter tabellarisch beschrieben werden:

6.2.1.1 Informationen zum Projektrahmen Wichtige Informationen zum Projektrahmen sind • allgemeine Angaben, z. B. Projekttitel, Ansprechpartner, Aufstellort, Sprache für Dokumente und Abwicklung, • eine Beschreibung des verfahrenstechnischen Prozesses, soweit für die Auslegung einer Maschineneinheit erforderlich, • das verwendete Maßeinheiten-System, z.  B. SI-Einheiten, abweichend davon Temperaturen in °C und Druck in MPa, • Darstellungssymbole für die R&I-Fließbilder, • verpflichtend anzuwendende Codes und Standards, • die Kommunikationswege bei Unklarheiten, • Schnittstellenbeschreibungen, z.  B. für Infrastruktur, Bau, Rohrleitungstechnik, Elektrotechnik, Instrumentierung, • detaillierter Lieferumfang und Abgrenzung der technischen Ausrüstung („Scope of Supply“), ggf. auch Liste „Out of Scope“, • Lieferumfang für Ersatzteile („Scope of Spare Parts“), • Aufgabenumfang („Scope of Work“) und Verantwortlichkeiten des Maschinenlieferanten, • durchzuführende Berechnungen, wie z. B. Festigkeitsberechnungen, Torsionsanalyse, Pulsationsberechnungen, • Herstellergarantien für Leistung, technische Verfügbarkeit, Schallpegel und anderes, • Umfang und Anforderungen an Qualitätssicherung, Tests und Prüfungen, • Art, Umfang, Qualität und Termine der Herstellerdokumentation, • erforderliche Prüfungen für Druckbehälter, • Anforderungen an Verpackung, Konservierung und Versand, • Anforderungen an den Schallschutz (Schallschutzhaube, Schalldämpfer), Immissionsund Emissionsgrenzen, • Anforderungen an die Beschichtung, z. B. bei aggressiver Atmosphäre, • Aufstellungspläne, • Liste bevorzugter Unter-Lieferanten, • die Standard-Geräteliste des Betreibers.

6.2.1.2 Strangverantwortlichkeit Unabhängig von der Art der Projektabwicklung ist es sinnvoll, einem Maschinenlieferanten die komplette Strangverantwortlichkeit für die Lieferung einer M ­ aschineneinheit zu

6.2  Technische Spezifikation

105

ü­bertragen. Im allgemeinen wird es der Maschinenlieferant der Arbeitsmaschine (Verdichter) sein, der in diesem Rahmen die Koordination des gesamtem Lieferumfangs übernimmt: also auch der Antriebsmaschine, von Kupplung und Getriebe, Öl- und Wellenabdichtungssystemen, meist auch der Prozessgasverrohrung einschließlich Wärmeübertrager. Im Falle eines Industrie-Generatorsets wird es der Lieferant der Dampfturbine sein, der dann den Generator mitliefert. Mit dieser Vorgehensweise können Schnittstellenprobleme und unklare Verantwortlichkeiten wegen fehlender oder falscher Informationen vermieden werden. Wichtig ist, dass die Übernahme der Strangverantwortlichkeit in den Vertragsverhandlungen eindeutig herausgearbeitet wird. Ausgenommen wird unter Umständen das elektrische Antriebssystem bzw. der Generator. Wenn diese separat bestellt werden, können sie entweder ins Herstellerwerk des Maschinenlieferanten oder direkt zum Montageort geliefert werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass sehr viele Informationen zwischen dem strangverantwortlichen Maschinenlieferanten und dem Antriebslieferanten koordiniert werden müssen, und die elektrischen Komponenten ebenfalls lange Lieferzeiten haben. Bei Projekten, die von EPC-Kontraktoren ausgeführt werden, werden oft auch Prozessrohrleitungen und Wärmeübertrager von diesen beigestellt und nicht beim Maschinenlieferanten mitbestellt. Zwischenverrohrungen von separat aufgestellten Öl- und Wellenabdichtungssystemen, die zur Maschineneinheit gehören, werden wegen der im frühen Stadium nicht genau möglichen Festlegung der exakten Leitungsführung oft vom Montagekontraktor verlegt. In manchen Fällen wird der Maschinenlieferant hierfür vorgefertigte Leitungsstücke liefern, die vor Ort nach Erfordernis gekürzt und verschweißt werden.

6.2.1.3 Lebensdauer und Revisionsperioden In der Regel wird die Lebensdauer eines kompletten HDRE-Maschinenstrangs einschließlich seiner Einzelkomponenten und Hilfs- und Versorgungssysteme vertraglich auf mindestens 20 Jahre Betriebszeit vereinbart. Die tatsächliche Lebensdauer des Maschinenstrangs kann jedoch wesentlich höher sein. In diesem festgelegten Zeitraum müssen dann auch alle Ersatzteile lieferbar sein. Sonderregelungen kann es im Rahmen von elektronischen Bauteilen geben, die oft einen kürzeren Lebenszyklus haben. Für die Zeitdauer eines ununterbrochenen Betriebs ohne Stillstandswartung werden 5 Jahre angesetzt, in manchen Fällen auch 6 Jahre. Wenn aus anderen Gründen die Notwendigkeit einer häufigeren Abstellung besteht, können es auch 3 Jahre sein. Die 5 Jahre ergeben sich oft aufgrund der dann notwendigen Überprüfungen der Druckbehälter. Vereinbart werden sollte, dass auch sämtliche im Lieferumfang der Maschineneinheit befindlichen Unter-Komponenten diesen Ansprüchen genügen, oder dass zumindest solche Redundanzen bestehen, dass sie ohne die Notwendigkeit einer Maschinenabstellung austauschbar sind. Es kann jedoch sein, dass sicherheitstechnische Komponenten von Z-Schaltungen häufiger geprüft werden müssen.

106

6  Maschinenspezifikation im Detail

Beides schlägt sich auch in den Anforderungen der zugehörigen API-Standards nieder und muss ggf. in den technischen Datenblättern angepasst werden.

6.2.2 Spezifikation von Verdichtern und Dampfturbinen Die maschinenspezifischen Spezifikationen werden sinnvollerweise in Form von technischen Datenblättern erstellt, und zwar auf Basis von Tabellen, die analog zu dem betreffenden API-Standard aufgebaut sind. Diese haben den Vorteil, dass alle wesentlichen Details enthalten sind und Kontraktoren und Maschinenlieferanten mit ihnen vertraut sind. Der Erwerb solcher Datenblätter, wie auch der API-Standards selbst, ist z. B. über IHS17 möglich. Vorlagen sind als Anlagen in den API-Standards enthalten und auch in Form von Spreadsheets erhältlich. In diesen Datenblättern ist auch markiert, welche Partei im allgemeinen welche Angaben einfügt. Die Bearbeitung dieser technischen Datenblätter verläuft mehrstufig. Zunächst werden seitens des HDRE-Engineer oder dem beauftragten Kontraktor nur die für die Anfrage grundlegenden Spezifikationen eintragen. Der Maschinenlieferant wird sie entsprechend seiner Angebotsdaten ergänzen. Die weitere Vervollständigung für eine Bestellung erfolgt dann bis zum Termin der Vergabe anhand der Ergebnisse der technischen Durchsprachen. Im Laufe der Projektabwicklung erfolgen weitere Ergänzungen der Spezifikation, die schließlich in einen „AS BUILT“-Zustand münden. Es folgen Beispiele für die Spezifikation eines Turboverdichters, eines Kolbenverdichters und einer Dampfturbine. Diese sind in allgemeiner Form gehalten, Einzelheiten werden in späteren Kapiteln besprochen.

6.2.2.1 Beispiel: Turboverdichter nach API STD 617 oder API STD 672 Im Folgenden werden die wesentlichen Angaben und Entscheidungen zur Spezifikation im technischen Datenblatt beschrieben: • Betriebsbedingungen für alle Fahrfälle einschließlich Anfahren mit Randbedingungen: Mengen, Drücke und Eintrittstemperatur, maximale Verdichtungstemperatur, Gaszusammensetzung (unter Berücksichtigung auch kleiner Mengen an Schadstoffen), grundlegende Werkstoffanforderungen aufgrund des Prozessgases und der Umgebungsbedingungen, • Art des Antriebssystems: MV-Elektromotor oder Dampfturbine, • Regelungskonzept für Mengen und Pumpschutz: Regelbereich, Art der Regelung,

17 IHS

Market Standards Store, https://global.ihs.com/.

6.2  Technische Spezifikation

107

• Bedingungen am Ort der Aufstellung: z. B. Installation ungeheizt unter Dach, korrosive Atmosphäre, elektrische Klassifizierung (Ex-Schutz), mechanischer ExSchutz, • Wellenabdichtungssystem: z. B. Auswahl und Konfiguration von Labyrinthen, Kohleringen oder Dry Gas Seals, • Maschinenüberwachung: Art und Anzahl der Axialstands-, Schwingungs-, Temperaturmessungen, Keyphasor, Alarme und Abschaltungen, • Rohrleitungen: Anschlussgeometrien für Prozessgasleitungen und Hilfssysteme, soweit schon bekannt, • Hilfssysteme und Kupplungen: nur Basisanforderungen, für Details werden separate Datenblätter angelegt, • Utilities und Betriebsstoffe: Daten zu Dampf, Instrumentenluft, Stickstoff, Kühlwasser, elektrische Spannungsniveaus, • Schnittstelle Maschine – Bau: Aufstellung und Befestigung, Fundament, • durchzuführende Inspektionen und Tests: Art, Anzahl und Beteiligung aller Vertragsparteien, • weitere Entscheidungen, die in API STD 617 bzw. API STD 672 zu treffen sind. Das Angebot des Maschinenlieferanten beinhaltet dann ein technisches Datenblatt, in dem alle bereits bekannten Daten nachgetragen sind: • Anlagendetails: Gewichte der Hauptkomponenten und im Gesamten, Platzbedarf für Aufstellung und Instandhaltung, Systemaufbau (z. B. auf gemeinsamem Grundrahmen); Daten zu Zwischen-, End- und Bypasskühlern sowie ggf. erforderlichen Abscheidern, • Betriebsbedingungen: Eintrag der thermodynamischen Daten aus der Berechnung des Herstellers, separat für jede Prozess-Stufe, • Maschinendetails: Drehzahlen, Leistungsbedarf, Hauptabmessungen, Materialien der Einzelkomponenten, • Konstruktionsdetails: Laufradgeometrien, Herstellungsart, Welle, Wellenabdichtungen, Art und Fertigung des Verdichtergehäuses, Axial- und Radiallager, Druckstufe und Größe der Rohrleitungsanschlüsse. Neben dem weitgehend ausgefüllten technischen Datenblatt sollte der Maschinenlieferant auch für alle dort angegebenen Betriebsbedingungen die zugehörigen Verdichterkennfelder sowohl als Gesamtkennfeld als auch als Einzelstufenkennfelder zur Verfügung stellen. Die jeweiligen Auftragungsformen sollten zuvor gemeinsam abgestimmt worden sein, mindestens • als Abszisse: Massen- oder Volumenstrom, • als Ordinate Kennfeld 1: Enddruck oder Druckverhältnis oder Förderhöhe, • als Ordinate Kennfeld 2: Wirkungsgrad oder Leistungsbedarf.

108

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.2.2.2 Beispiel: Kolbenverdichter nach API STD 618 Im technischen Datenblatt für Kolbenverdichter nach API STD 618 werden bereits auch die Anforderungen an die zugehörigen Apparate und Hilfs- und Versorgungssysteme mit angegeben. Im Folgenden werden die wesentlichen Angaben und Entscheidungen zur Spezifikation im technischen Datenblatt beschrieben: • Betriebsbedingungen für alle Fahrfälle einschließlich Anfahren mit Randbedingungen: Mengen, Drücke und Eintrittstemperatur, maximale Verdichtungstemperatur, Gaszusammensetzung (unter Berücksichtigung auch kleiner Mengen an Schadstoffen), grundlegende Werkstoffanforderungen aufgrund des Prozessgases und der Umgebungsbedingungen, • Art des Antriebssystems: In der Regel starr gekuppelter MV-Elektromotor, bei kleinen Maschinen evtl. Riemenantrieb, • Regelungskonzept: Regelbereich, Art der Regelung, • Bedingungen am Ort der Aufstellung: z. B. im Freien, korrosive Atmosphäre, elektrische Klassifizierung (Ex-Schutz), mechanischer Ex-Schutz, • Lieferumfang: auch der Hilfs- und Versorgungssysteme, Anforderungen an eine Pulsationsstudie, • Maschinenüberwachung: Art und Anzahl der Instrumentierung, Alarme und Abschaltungen, • Rohrleitungen: Anschlussgeometrien für Prozessgasleitungen und Hilfssysteme, maximal zulässige Kräfte und Momente an den Prozessgasstutzen, • Utilities: Daten zu Instrumentenluft, Stickstoff, Kühlwasser, elektrische Spannungsniveaus, • Schnittstelle Maschine – Bau: Aufstellung und Befestigung, Fundament, • durchzuführende Inspektionen und Tests: Art, Anzahl und Beteiligung aller Vertragsparteien, • Art des Distanzstücks und der Zylinderpackungen sowie der Zylinderschmierung, • Anforderungen an Schmierölsystem, Zylinderkühlsystem, Pulsationsdämpfer, Abscheider, Zwischen- und Nachkühler, Instrumentierung, • weitere Entscheidungen, die in API STD 618 zu treffen sind. Das Angebot des Maschinenlieferanten beinhaltet dann ein technisches Datenblatt, in dem alle bereits bekannten Daten nachgetragen sind: • Anlagendetails: Gewichte der Hauptkomponenten und im Gesamten, Platzbedarf für Aufstellung und Instandhaltung, Systemaufbau (z. B. auf gemeinsamem Grundrahmen), Daten zu Zwischen-, End- und Bypasskühlern, Pulsationsdämpfern sowie ggf. erforderlichen Abscheidern, Aufbau des Zylinder-Kühlsystems, • Betriebsbedingungen: Eintrag der thermodynamischen Daten aus der Berechnung des Herstellers, separat für jede Prozess-Stufe,

6.2  Technische Spezifikation

109

• Maschinendetails: Leistungsbedarf, Hauptabmessungen, Konstruktionsmaterialien aller Komponenten, • Konstruktionsdetails: Drehzahl, Kolbengeschwindigkeit, Kolbenstangenbelastung, Zylinderbelastung, Aufbau der Ein- und Austrittsventile, Druckstufe und Größe der Rohrleitungsanschlüsse.

6.2.2.3 Beispiel: Dampfturbine nach API STD 612 oder API STD 611 Im Folgenden werden die wesentlichen Angaben und Entscheidungen zur Spezifikation im technischen Datenblatt beschrieben: • Turbinentyp: Kondensations- oder Gegendruckturbine, gewünschte Zwischeneinspeisungen, Extraktion, • Art des angetriebenen Systems: Verdichter oder Generator, ggf. Pumpe, • Betriebsbedingungen: Mengen, Eintrittsdrücke und -temperaturen des Dampfes, ggf. auch Mengen und Drücke für Zwischeneinspeisungen und Extraktion, bei Gegendruckturbinen auch Austrittsdruck, mit Maximal-, Normal- und Minimalwerten für alle Fahrfälle, Dampfqualität, ggf. Leistungsbedarf einer angetriebenen Maschine, • Bedingungen am Ort der Aufstellung: z. B. überdacht, korrosive Atmosphäre, elektrische Klassifizierung (Ex-Schutz), mechanischer Ex-Schutz, • Utilities: Daten zu Instrumentenluft, Kühlwasser, elektrische Spannungsniveaus, • Wellenabdichtung und Zwischendichtungen: in der Regel Labyrinthe, • Maschinenüberwachung: Art und Anzahl der Axialstands-, Schwingungs-, Temperaturmessungen, Keyphasor, Alarme und Abschaltungen, • Maschinenschutz: Anforderungen an Auslöse- und Drosselventile (Trip & Throttle Valves (TTV)), Drehzahlregler und -begrenzer (Governor), Überdrehzahlschutz, • Stillstands-Drehvorrichtung: Beim Abstellen der Dampfturbine bildet sich im noch heißen Gehäuse eine Temperaturschichtung, die zur Verkrümmung von Läufer und Gehäuse führen kann; deshalb muss der Läufer mit geringer Drehzahl kontinuierlich langsam weiter gedreht werden. Falls ein über Dry Gas Seals (DGS) abgedichteter Verdichter angeschlossen ist, ist die Drehzahl auf die dort erlaubten Drehzahlen abzustimmen, • Rohrleitungen: Anschlussgeometrien für Frisch- und Abdampfleitungen, Kondensat und Hilfssysteme, maximal zulässige Kräfte und Momente an den Dampfstutzen, • Möglichkeiten zum Aufheizen der Dampfleitungen sollten so nah wie möglich am Dampfeinlassventil vorgesehen werden. Für Entnahmeleitungen sollten zusätzlich Entleerungseinrichtungen vorgesehen werden, • Hilfssysteme und Kupplungen: nur Basisanforderungen, für Details werden separate Datenblätter angelegt, • Schnittstelle Maschine – Bau: Aufstellung und Befestigung, Fundament, • durchzuführende Inspektionen und Tests: Art, Anzahl und Beteiligung aller Vertragsparteien, • weitere Entscheidungen, die in API STD 612 bzw. API STD 611 zu treffen sind.

110

6  Maschinenspezifikation im Detail

Das Angebot des Maschinenlieferanten beinhaltet dann ein technisches Datenblatt, in dem alle bereits bekannten Daten nachgetragen sind: • Anlagendetails: Gewichte der Hauptkomponenten und im Gesamten, Platzbedarf für Aufstellung und Instandhaltung, Systemaufbau (z. B. auf gemeinsamem Grundrahmen), Daten zu erforderlichen Abscheidern und Kondensatoren, • Betriebsbedingungen: Eintrag der thermodynamischen Daten aus der Berechnung des Herstellers, • Maschinendetails: Drehzahlen, Leistung, Hauptabmessungen, Materialien der Einzelkomponenten, • Konstruktionsdetails: Laufradgeometrien, Herstellungsart, Welle, Wellenabdichtungen, Art und Fertigung des Verdichtergehäuses, Axial- und Radiallager, Druckstufe und Größe der Rohrleitungsanschlüsse, • Wellenabdichtungssystem: Leckdampfmengen und zugehöriges Vakuumsystem, • Öffnungen für Endoskopie: um die Außen- und Innengehäuse einer Dampfturbine visuell, z. B. auf Beläge zu untersuchen.

6.2.3 Spezifikation von Versorgungssystemen für Öl und Sperrgas Bisher wurde im Wesentlichen auf den Maschinenstrang selbst eingegangen. Um diesen betreiben zu können, sind weitere Hilfsanlagen (auch „Ancillaries“ oder „Auxiliaries“ genannt) erforderlich. In diesem Abschnitt werden die zugehörigen Versorgungssysteme beschrieben. Zum einen handelt es sich um Ölversorgungssysteme, die zur Schmierung der gegeneinander bewegten Teile wie Axial- und Radiallager, zur Versorgung der Wellenabdichtung im Falle von Ölsperrung, sowie bei Turbinen auch zur Versorgung der Steuerung benötigt werden. Zum anderen handelt es sich um Versorgungssysteme für Sperrgas für die Wellenabdichtungen. Zunächst aber wird auf die Schmierstoffe selbst eingegangen.

6.2.3.1 Schmierstoffe für HDRE-Maschinen Schmierstoffe sind unabdingbar, um Reibung, Verschleiß und Korrosion an gegeneinander bewegten berührenden Teilen zu reduzieren, und um eine ausreichende Wärmeabfuhr zu gewährleisten. In diesem Kapitel wird auf die für die Maschinenbeschaffung essenziellen Anforderungen für Schmierstoffe hingewiesen. Für eine detaillierte Darstellung von Schmierstoffen und deren Nutzung wird auf Möller, Nassar (2002)18 verwiesen.

18 Möller,

U.J., Nassar, J., Schmierstoffe im Betrieb. Springer VDI-Buch, 2. Aufl. 2002.

6.2  Technische Spezifikation

111

Eine Industrienorm, welche speziell für HDRE-Maschinen wichtig ist, ist die DIN 5151519. Es wird nach mineralölbasierten und synthetischen Turbinen- und Verdichterölen unterschieden, möglicherweise kommen zukünftig auch Schmierstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen in Betracht. Für die Schmierung von HDRE-Maschinensträngen werden bislang meist Mineralöle genutzt. Um bestimmte geforderte Eigenschaften in Bezug auf Korrosion und die sogenannte Schadenskraftstufe zu erhalten, werden Additive zugesetzt. Diese können jedoch auch zu Ablagerungen an den Lagerschalen führen. Bis zu einer Schadenskraftstufe von etwa 6 sind Additive nicht erforderlich, Maschinenhersteller fordern aber oft eine höhere Schadenskraftstufe von 8. Die Verwendung von Schmierölen ist damit Gegenstand einer technischen Durchsprache zwischen Betreiber und Maschinenlieferant und sollte auch mit den jeweiligen Instandhaltungsorganisationen besprochen werden. Der Hersteller liefert dazu eine Liste mit den von ihm freigegebenen Ölsorten verschiedener Lieferanten. Für Turbomaschinen kommen meist Schmierstoffe der Viskositätsklasse ISO VG 46 in Betracht, in Nordamerika oft ISO VG 32. Für Kolbenverdichter werden oft höher viskose Schmierstoffe z. B. der Viskositätsklasse ISO VG 68 eingesetzt. Generell zu beachten ist, dass aus Umweltschutzgründen das Eindringen von Schmierstoffen in das Erdreich ausgeschlossen werden muß, z. B. mittels einer dichten Betonwanne, die die gesamte Ölmenge aufnehmen kann. Ebenso besteht besonders bei Dampfturbinen mit ihren heißen Oberflächen Brandgefahr bei Undichtigkeiten im Ölsystem. Hier sind entsprechende konstruktive Maßnahmen durchzuführen, ebenso ist eine Feuerlöschanlage vorzusehen.

6.2.3.2 Versorgungssysteme für Schmieröl, Steueröl und Sperröl Um Lager und Getriebe der Maschinenstränge, das Steuersystem von Dampfmaschinen und ölgesperrte Wellenabdichtungen mit Öl zu versorgen, wird ein spezielles Versorgungssystem benötigt, in der Regel für jeden Maschinenstrang separat, und auch oft nach den Funktionen getrennt. Im Falle eines elektrischen Antriebs mit hydrodynamischer Lagerung soll auch diese vom gemeinsamen Ölsystem versorgt werden. Ihre Hauptkomponenten und deren wesentliche Anforderungen sind: a) Öltank:Die Größe des Tanks und die Füllmenge sollten so bemessen werden, dass eine Verweilzeit von etwa 8 min im Tank gewährleistet wird. Dies dient einer ausreichenden Gasabscheidung.

19 DIN

51515-1 (2018) Schmierstoffe und Reglerflüssigkeiten für Turbinen, Teil 1: Turbinenöle TD für normale thermische Beanspruchungen, und Teil 2: Turbinenöle TG für erhöhte thermische Beanspruchungen, Beuth, Berlin.

112

6  Maschinenspezifikation im Detail

Zur Erwärmung des Öls auf eine Mindest-Betriebstemperatur wird eine meist elektrisch betriebene Heizung verwendet. Deren Dimensionierung hängt ab von der lokalen Umgebungstemperatur und der erforderlichen Aufheizzeit. Sie sollte so konstruiert sein, dass ein Ersatz der Heizstäbe während des Betriebs möglich ist, und sie sollte eine Übertemperaturabsicherung besitzen. Eine Standmessung mit Abschaltung bei zu niedrigem Ölstand ist erforderlich. API STD 614 verlangt eine Ausführung in Edelstahl. Je nach Aufstellungsort kann eine Ausführung in Schwarzstahl jedoch ausreichend sein. Eine Reinigung des Öltanks sollte konstruktiv ermöglicht werden. Überdruck im Öltank wird vermieden, indem eine oben angeflanschte Öffnung angebracht wird. Um den Austritt von Öldämpfen zu vermeiden, wird dort die Anordnung eines Öldunstabsauggebläses mit Rückführung in den Öltank empfohlen. Grundsätzlich sollten an Öltanks nur geflanschte Rohrverbindungen zugelassen werden, um spätere Leckagen an Schraubverbindungen zu verhindern. Zusätzliche Anschlussflansche zur Entnahme und zum Befüllen sollten vorgesehen werden, um Ölreinigung und Aufbereitung während des laufenden Betriebs zu ermöglichen. b) Ölpumpen: Erforderlich ist aus Verfügbarkeits- und Sicherheitsgründen eine Hauptölpumpe und eine Hilfsölpumpe, jeweils für 100 % Ölbedarf und für Dauerbetrieb ausgelegt. Bei kleineren Anlagen ist die Hauptölpumpe eine mechanisch angetriebene, am Getriebe angeflanschte Schraubenspindelpumpe. Durch eine Umsteuerung kann hier auch bei einem Rückwärtslauf die Ölversorgung ermöglicht werden. Die Hilfsölpumpe ist eine elektrisch angetriebene Zahnradpumpe, oft als Tauchpumpe oben auf dem Tank angeordnet. Sie wird zum Anfahren eines Verdichters benötigt und schaltet bei Druckabfall automatisch zu. Bei sehr großen Ölsystemen können auch seitlich angebrachte Kreiselpumpen zum Einsatz kommen, die Hauptölpumpe ggf. auch mit Dampfturbinenantrieb. Bei Turbinen und anderen Systemen, bei denen ein Stromausfall mit der Folge des Ausfalls der Ölpumpen zu Schäden an der Maschine selbst führt, werden zusätzlich Notölpumpen eingesetzt. Diese werden über eine von den Stromnetzen unabhängige, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) gespeist, meist über Gleichstrom. c) Ölverrohrung: API STD 614 verlangt geflanschte, geschweißte Verrohrung des gesamten Ölsystems in Edelstahlausführung. Vor dem Ölfilter könnte aber auch Schwarzstahl eingesetzt werden, denn etwa sich lösende Partikel werden dort aufgefangen. Vermieden werden sollten grundsätzlich verschraubte Verbindungen. d) Ölkühler: Zum Temperieren des Öls werden meist Rohrbündel-Wärmeübertrager eingesetzt, auch der Einsatz von Platten-Wärmeübertragern ist möglich. Um deren Wartung während des Betriebs des Maschinenstrangs zu ermöglichen, werden, abgesehen von Ausnahmefällen, zwei Wärmeübertrager parallel und mithilfe von 3-Wege-Armaturen während des Betriebes umschaltbar eingesetzt. Meist wird mithilfe eines Umgangs um die Ölkühler eine Temperaturregelung realisiert.

6.2  Technische Spezifikation

113

Zur Vermeidung von Lagerschäden an den Maschinen sollte der Eintritt von Kühlwasser ins Öl verhindert werden. Dies kann dadurch geschehen, dass der Kühlwasserdruck während des Betriebs immer niedriger ist als der Öldruck, dann ist eine Leckageerkennung im abgeführten Kühlwasser erforderlich. Zur Vermeidung von Öleintritt ins Kühlwasser können alternativ z. B. Doppelrohr-Wärmeübertrager oder Sicherheits-Platten-Wärmeübertrager mit jeweils zwei Membranen zwischen der Wasser- und Ölseite, ebenfalls mit Leckageerkennung, verwendet werden. Diese Fragen müssen projektspezifisch und in Abhängigkeit von der Kühlwasserqualität geklärt werden. e) Redundante Ölfilter: Diese werden parallel angeordnet und schützen die geschmierten Teile vor Verschmutzungen durch Partikel. Sie müssen während des Betriebs mittels Drei-Wege-Ventile umschaltbar sein, damit bei einer „Differenzdruck hoch“-Anzeige ab z. B. 0,8 bar die Filterelemente gewechselt werden können. Gängig ist eine Feinheit der Filterelemente von 10 μm. Auch der nicht betriebene Filter sollte ständig geringfügig durchströmt werden. f) Akkumulator: Ein Akkumulator in der Ausführung als Blasenspeicher kann benötigt werden, um größere Druckschwankungen zu vermeiden, wie sie z. B. beim Zuschalten der Hilfsölpumpe oder bei Regelvorgängen des Steueröls bei Dampfturbinen entstehen können. Eine Testmöglichkeit während des Dauerbetriebs sollte vorgesehen werden. g) Hochbehälter: Hochbehälter mit einer entsprechenden Dimensionierung können erforderlich sein, um bei einem Maschinenausfall während der gesamten Auslaufzeit, die mehrere Minuten betragen kann, eine ausreichende Ölzufuhr zu den geschmierten Teilen zu gewährleisten. h) Temperatur-, Druck- und Mengenregelung, Sicherheitsarmaturen: Zur Rückführung zu hoher Ölmengen in den Öltank kann ein Überströmventil eingesetzt werden. Für die Druckabsicherung im Ölbereich sollten keine Vollhubventile, sondern gedämpfte Proportionalventile eingesetzt werden, um hohe Beanspruchungen durch periodisches Auf- und Zufahren zu vermeiden. Alle ölführenden Ableitungen sollten in den Öltank zurückgeführt werden. Entlüftungsventile an Hochpunkten und Tiefpunktentleerungen sollten vorgesehen werden. Bei Kolbenmaschinen ist das Ölsystem etwas einfacher aufgebaut und generell im Kurbelgehäuse integriert. Die Beschreibung und Spezifikation der Anforderungen erfolgt in API STD 618 und dem zugehörigen technischen Datenblatt. Für Turboverdichter nach API STD 617, Schraubenverdichter nach API STD 619 und Dampfturbinen nach API STD 612 sind die wesentlichen Anforderungen im API STD 614, part 2: Special-Purpose oil systems, festgehalten. Für Luftverdichter nach API STD 672 und Dampfturbinen nach API STD 611 gelten die niedrigeren Anforderungen aus API STD 614, part 3: General-Purpose oil systems.

114

6  Maschinenspezifikation im Detail

Die Einzelheiten der Spezifikation werden wiederum von Betreiber und Maschinenlieferant in den entsprechenden technischen Datenblättern (Annex A des API STD 614) festgehalten. Eine detaillierte Festlegung von Aufbau und Instrumentierung gelingt am besten anhand einer technischen Durchsprache, auf Basis eines vom Maschinenlieferanten erstellten R&I-Fließbildes und einer Aufstellungszeichnung. Beispiele für Aufbau, Verschaltungen und Instrumentierung sind jeweils in Annex B des API STD 614 enthalten. Separat aufgestellte Systeme können einen oder in Einzelfällen auch mehrere Maschinenstränge versorgen. Sie können auch mit dem Steuerölsystem bzw. dem Sperrölsystem kombiniert werden. Solche kombinierten Ölsysteme erfordern jedoch für jeden Maschinenstrang und jede Funktion eine separate Druckregelung, um zu vermeiden, dass eine Über- bzw. Unterversorgung auftritt. Bei sogenannten Kompaktanlagen kann der Öltank auch bereits im Grundrahmen integriert sein, um den Platzbedarf und die Länge der Verbindungsrohrleitungen zu minimieren. Hier ist das Augenmerk darauf zu richten, dass dennoch eine gute Zugänglichkeit zu Wartungs- und Instandhaltungszwecken zu Pumpen und Ölkühlern gegeben ist. Das Ziehen der Rohrbündel und besonders das Auswechseln der Ölfiltereinsätze müssen leicht möglich sein. Die ölführenden Leitungen müssen zumindest ab den Ölfiltern bis zurück in den Öltank aus Edelstahl gefertigt sein, vor den Filtern kann auch die Verwendung von Schwarzstahl erwogen werden. Ölkühler, Ölfilter, Akkumulatoren und gegebenenfalls auch Hochbehälter werden als Druckbehälter betrachtet. Beim Betreiber sollte eine mobile Anlage zur Ölreinigung vorhanden sein, durch welche von Zeit zu Zeit während des Maschinenbetriebs Öl aus dem Öltank gepumpt, von festen Verunreinigungen gereinigt und nach Abscheidung von Wasser wieder in den Tank zurückgeführt wird.

6.2.3.3 Versorgungssysteme für Sperrgas Auch die Betrachtung des Sperrgas-Versorgungssystems verdient hohe Aufmerksamkeit, weil deren korrekte Auslegung einen wesentlichen Baustein für einen störungsfreien Betrieb darstellt. Insbesondere bei Verwendung von gasgesperrten Gleitringdichtungen (Dry Gas Seals, DGS) für Turboverdichter ist eine hohe Zahl von Maschinenschäden bekannt, die auf eine nicht korrekte Auslegung dieser Systeme zurückgeführt werden können. Die Anforderungen des bisher benutzten API STD 614, part 4: Self-acting gas seal support systems20, sind hierfür definitiv nicht ausreichend. Dieser Teil des API STD 614 wurde

20  API STD 614 (2008), 5th edition, Lubrication, Shaft-sealing and Oil-control Systems and Auxiliaries, Identical to ISO 10438:2007, American Petroleum Institute.

6.2  Technische Spezifikation

115

Abb. 6.3   Komplexes Sperrgassystem für vielstufige Verdichtung. (Mit freundlicher Genehmigung von © JohnCrane Germany. All Rights reserved)

Anfang 2022 zurückgezogen und durch den API STD 69221 ersetzt. Dieser Standard bietet die Grundlage für die Auslegung von DGS und deren Versorgungssysteme. Im Gegensatz zum API STD 614 ist der API STD 692 jedoch sehr strikt, weshalb in einigen Punkten Abweichungen möglich werden, die zwischen den Vertragspartnern im einzelnen besprochen und festgelegt werden müssen. Die Komplexität der erforderlichen Sperrgas-Versorgungssysteme ist abhängig von der gewählten Dichtungsbauart sowie deren Konfiguration. Abb. 6.3 zeigt ein Versorgungssystem für einen vielstufigen Verdichter. Wesentliche Anforderungen an das Versorgungssystem und seine Hauptkomponenten sind: a) Allgemeine Anforderungen: Das Versorgungssystem muss alle denkbaren normalen und außergewöhnlichen, stationären und transienten Verdichterfahrweisen abdecken können. Unkontrolliertes Ausströmen von Prozessgas in die Atmosphäre darf auch bei größtmöglichen Dichtungsschäden nicht erfolgen. Hierzu sollte eine genaue Analyse erfolgen. Die Instrumentierung ist so zu gestalten, dass eine Schadensursache möglichst genau lokalisiert werden kann. Zu diesem Zwecke müssen die vom Maschinenlieferanten 21 API STD 692 (2018), 1st edition, Dry Gas Sealing Systems for Axial, Centrifugal, and Rotary Screw Compressors and Expanders, American Petroleum Institute.

116

6  Maschinenspezifikation im Detail

bereitgestellten R&I-Fließbilder in der Regel durch zusätzliche Messeinrichtungen erweitert werden. b) Kühler und Abscheider: Sie können in Einzelfällen bei DGS erforderlich sein, um schädliche Flüssigkeits- und Feststoffanteile zu eliminieren. Als Abscheider sollten Zyklonabscheider gewählt werden. c) Sperrgas-Booster: Booster dienen zur Druckerhöhung auf den erforderlichen Druck, falls ausreichender Druck nicht unterbrechungsfrei garantiert werden kann. Das gilt insbesondere in An- und Abfahrsituationen und im Stand-by bei stehendem Verdichter. Sie sollten automatisch zu- und abschalten und aus Verfügbarkeitsgründen redundant ausgeführt sein. d) Sperrgas-Heizung: Heizungen dienen zur Erhöhung der Gastemperatur, um Kondensation zu verhindern. Die Auslegung erfolgt so, dass an den Dichtungselementen selbst eine Temperatur vorliegt, die mindestens 20 K oberhalb des jeweiligen Taupunktes liegt. Diese Bedingung muss auch im Falle erhöhter Sperrgasmengen aufgrund von Dichtungsschäden erfüllt werden. Allgemein wird hier ein Faktor 3 gegenüber den normalen Mengen angenommen. e) Gasfilter: Gasfilter dienen im Falle von DGS zur Vermeidung von Schädigung der Dichtungselemente durch feste Partikel. Es werden redundante Koaleszenzfilter mit einem Feinheitsgrad von 3 μm bei einem Wirkungsgrad von 99,9 % verwendet. Der API STD 692 macht sogar eine Vorgabe von 1 μm22. Zum Wechsel der Filterkartuschen während des Betriebs ist eine umschaltbare Duplex-Anordnung erforderlich. f) Leitungssystem: Ausführung der Rohrleitungen und Armaturen in Edelstahl, geflanscht und geschweißt. Bei kleineren Rohrleitungen können auch Klemmringverschraubungen (z. B. Hoke Gyrolok®, Swagelok®) in Betracht kommen. Die Verwendung von verschraubten Verbindungen wird generell nicht empfohlen. Eine Dimensionierung der Leitungen soll derart erfolgen, dass im Normalfall die Strömungsgeschwindigkeit 10 m/s nicht überschreitet. Im transienten Fall sollen 40 m/s nicht überschritten werden. Zur Begrenzung der Durchflussmenge werden meist Blenden eingesetzt. Alternativ können einstellbare Nadelventile eingesetzt werden. Fehlbedienung während des Betriebs sollte durch geeignete Maßnahmen verhindert werden („Locked Position“, LP). Die Instrumentierung darf die Durchflussmenge nicht begrenzen und soll so ausgelegt sein, dass in allen Strömungsfällen die Ablesbarkeit gewährleistet ist. Mengenmessgeräte sollten einen hierfür ausreichenden Mess- und Ablesebereich haben, teilweise von 1:100. g) Fackelleitungen: Abgeführte Luft und abgeführter Stickstoff können zu einer „Safe Location“ geführt werden. Ist das Vorhandensein von Prozessgas in der Abführleitung

22 API

STD 692 (2018), Part 3 Seal Gas Support Systems, Pos. 7.6.1.

6.2  Technische Spezifikation

117

zu erwarten oder möglich, so wird das abzuführende Gasgemisch in der Regel zu einer Fackel oder zu einer Gaswäsche geleitet. Bei der Dimensionierung der Fackelleitung ist darauf zu achten, dass die Abführung auch im Falle einer kompletten Zerstörung der Gasdichtung erfolgen kann. Zurückströmen sollte durch Rückschlagarmaturen verhindert werden. Eine Messung der Durchflussmenge in die Fackelleitung sollte vorhanden sein. Es wird hier auch auf den Nutzen der technischen Datenblätter gemäß des API STD 692 sowohl für die Wellenabdichtung (für DGS) als auch für die Versorgungssysteme hingewiesen. Da die Beschaffung von Wellenabdichtung und Versorgungssystem in der Regel durch den Maschinenlieferanten erfolgt, wird dieser die technischen Datenblätter unter Rücksprache mit dem Betreiber detailliert ausfüllen und seinem ausgewählten Unter-Lieferanten zur Verfügung stellen. Für eine betriebssichere Auslegung von Sperrgas-Versorgungssystemen ist besonders bei der Verwendung gasgesperrter Gleitringdichtungen großer Wert auf eine detaillierte Berechnung der verschiedenen Fahrfälle sowie Betrachtung einzelner und kombinierter Schadensszenarien erforderlich. Hierfür ist außer dem Normalbetrieb auch das An- und Abfahren, der Maschinenausfall und auch alle möglichen Schadensszenarien der Wellenabdichtung selbst zu berücksichtigen. Der Maschinenhersteller sollte hierfür transparente Daten zur Verfügung stellen, z. B. in Form von Tabellen, die die Berechnungsergebnisse für jeden Leitungsabschnitt im einzelnen darstellen, zusammenfassend auch im R&IFließbild unter Angabe der jeweiligen Durchflussmengen für jeden Fahrfall. Wenn verfahrenstechnische Simulationssoftware wie z. B. ASPEN PLUS® zur Verfügung steht, so können Berechnungen solcher Systeme auch damit durchgeführt werden. Dabei muss die Leitungsgeometrie im Detail berücksichtigt werden. Um die Verschaltung gemäß R&I-Fließbild nachzustellen und zu simulieren, sind im Wesentlichen Modelle für folgende Komponenten notwendig: Rohrleitung, Krümmer, T-Stücke, Ventile, Regelventile, feste und einstellbare Blenden, elektrische Heizung, Filter, Abscheider. In speziellen Fällen können noch Booster, Kühler, Berstscheiben und Sicherheitsventile dazu kommen. Es wird ferner ein einfaches Verdichtermodell benötigt. Für Labyrinthdichtungen (s. Traupel (2001), S. 560 ff.23 oder Matthias (2007)24) und Kohleringdichtungen kann die erforderliche Beziehung Druckverlust als Funktion von Leckagemenge, Dichtungsgeometrie und Drehzahl näherungsweise über einfache Berechnungsmodelle ermittelt werden. Bei DGS kann der Dichtungshersteller entsprechende Kurvenscharen liefern, die auf einen bestimmten Durchmesser und einen bestimmtes Medium bezogen sind. Ein Beispiel für eine entsprechende Kurvenschar zeigt Abb. 6.4. 23  Traupel W (2001), Thermische Strömungsmaschinen. Erster Band: Thermodynamischströmungstechnische Berechnung, 4. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg. 24  Matthias A (2007), Das Durchflussverhalten von Labyrinthdichtungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Dissertation, TU Wien.

118

6  Maschinenspezifikation im Detail

Abb. 6.4   Sperrgas-Verbrauchskurve für ein Dry Gas Seal in Abhängigkeit von Druck (Abszisse) und Drehzahl (Kurvenschar). Die Berechnung ist jeweils gültig für ein bestimmtes Gas und einen bestimmten Durchmesser. (Mit freundlicher Genehmigung von © JohnCrane Germany. All Rights reserved)

6.2.4 Spezifikation zugehöriger Apparate Um einen Maschinenstrang betreiben zu können, sind neben diesem selbst und dessen Versorgungssystemen weitere Komponenten und Apparate im Prozessgasstrom erforderlich: • Prozessgas- bzw. Dampfleitungen, • Zwischen- und Nachkühler, Bypasskühler, • Flüssigkeitsabscheider, wenn die Möglichkeit einer Kondensation nicht ausgeschlossen werden kann, • Pulsationsdämpfer bei Kolbenverdichtern, Roots-Gebläsen und Schraubenverdichtern, • Schalldämpfer zur Einhaltung der Schallvorgaben im Leitungssystem, • Luft-Ansaugfilter für die Verdichtung von Umgebungsluft, • Kondensatoren für Kondensations-Dampfturbinen.

6.2.4.1 Prozessgas- und Dampfleitungen Bei der Betrachtung der Prozessgasleitungen sind neben der korrekten Auslegung der Leitung selbst folgende Kriterien wichtig: • Festpunkte für die Halterungen müssen so gelegt werden, dass sie nicht zu einer Verspannung der Maschinen führen. Insbesondere ist bei Heißdampf auf ausreichende Flexibilität zu achten. • Die zulässige Stutzenbelastung von z. B. Behältern, Wärmetauschern, liegt üblicherweise wesentlich höher als die von HDRE-Maschinen. Da eine nachträgliche Reduzierung der Stutzenbelastung durch eine Umplanung der Leitungsführung, mit

6.2  Technische Spezifikation

119

oft großen Leitungsdurchmessern, nur mit erheblichem Aufwand möglich ist, ist eine frühzeitige Abstimmung mit der Fachdisziplin Rohrleitungstechnik erforderlich. • Die Verwendung von Faltenbalg-Kompensatoren für Prozessverdichter zum Ausgleich von Lateral- und Axialverschiebungen sollte im Rahmen der Rohrleitungs-Auslegung weitgehend vermieden werden. Sie bilden eine Schwachstelle im Leitungssystem. Falls doch erforderlich, sollten die Ausführung mehrlagig aus Edelstahl mit Leitrohr sein. Wenn im Stillstand oder im Betriebszustand die Möglichkeit von Kondensation besteht, sollten sie möglichst in vertikalen Rohrstücken montiert sein, um Kondensatreste und Korrosion der Faltenbälge zu vermeiden. Bei Ventilatoren können dagegen oft auch Kompensatoren aus prozessgasbeständigen Weichmaterialien verwendet werden. • Vor den Eintritt in die erste Verdichtungsstufe sollte in einem demontierbaren Zwischenstück („Spool Piece“) zumindest vor der Erst-Inbetriebnahme ein meist kegelförmig konstruiertes Hutsieb eingebaut werden (s. Abb. 6.5). Damit wird vermieden, dass größere Partikel wie Schweißperlen oder andere zurückgelassene Teile die VerdichterLaufräder beschädigen. Ein solches „Anfahrsieb“ besteht aus einem Trägermaterial aus Edelstahl-Lochblech (Lochdurchmesser 2 … 3 mm), welches mit einem Drahtgewebe mit kleiner Maschenweite überzogen ist. Die Anströmung erfolgt von außen nach innen, damit Schmutzpartikel sich am Aussenrand der Strömung sammeln. Das Anfahrsieb ersetzt in keinem Falle eine Innenreinigung der Rohrleitungen vor der Montage. Die Überwachung erfolgt über eine Differenzdruckmessung. Für die Konstruktion des Hutsiebs ist es entscheidend, ob das Hutsieb vor Inbetriebnahme mit Prozessgas wieder ausgebaut wird, um Druckverluste zu vermeiden, oder ob es zum Schutz des Verdichters weiterhin eingebaut bleiben soll.

Abb. 6.5   Anfahrsieb vor der Saugseite einer Verdichterstufe, Durchströmung von außen nach innen (von links nach rechts)

120

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.2.4.2 Zwischen- und Nachkühler, Bypasskühler Zwischenkühler zwischen den einzelnen Prozess-Stufen einer Verdichtung sowie Nachkühler werden eingesetzt, um den Eintritts-Volumenstrom in der nächsten Stufe und in der Druckleitung zu reduzieren und Überschreitungen der maximal zulässigen Temperaturen zu vermeiden. Die Auslegung erfolgt entsprechend nach den maximalen Volumenströmen, den zulässigen Verdichter-Eintrittstemperaturen und den maximalen Kühlwassertemperaturen. Bypasskühler reduzieren die Temperatur der zur Saugseite zurück geführten Gasströmung auf die zulässigen Eintrittstemperaturen in die Verdichtung. Bei ihrer Auslegung ist der Joule–Thomson-Effekt zu berücksichtigen, um Kondensation auszuschließen. Meist werden Rohrbündel-Wärmeübertrager unterschiedlicher Bauformen mit ziehbaren und nicht-ziehbaren Rohrbündeln eingesetzt. Diese Bauformen sind in TEMA (2019)25 klassifiziert und mit 3 Buchstaben gekennzeichnet. Wesentlich für die Betriebssicherheit ist die Ausführung der Verbindung zwischen Rohren und Rohrboden und die Auswahl des geeigneten Materials in Bezug auf Korrosion und Schwingungsbeanspruchung. Um die Anforderungen an Rohr-Rohrboden-Verbindungen in Bezug auf geometrische Abmessungen, Fertigung, Prüfung und Fertigungskontrollen festzulegen, stellen sich folgende Fragen: • Ist die Beanspruchung eher statischer Natur (kontinuierliche Betriebsweise, z. B. bei Wärmeübertragern im Ölsystem), oder ist eine Schwingbeanspruchung wesentlich, wie im Falle von pulsierenden Strömungen bei Kolbenverdichtern? • Welchen Verfügbarkeitsanforderungen unterliegt der Wärmeübertrager? Bei nicht redundanter Anordnung sollte eine Auslegung auf mehrjährigen Dauerbetrieb erfolgen. TEMA (2019)26 definiert drei Anforderungsklassen für Rohrbündel-Wärmeübertrager. TEMA Class C ist im Zusammenhang mit HDRE-Maschinen wegen zu geringer Anforderungen nicht anwendbar. Für Ölkühler kommt TEMA Class B infrage. Für die meisten Anwendungen, insbesondere für kritische Prozessgase und schwingungsbeanspruchte Wärmeübertrager, ist TEMA Class R relevant. Um kritische Kontamination von Kühlmedium und Prozessgas auszuschließen, können weiterhin Doppelrohrkonstruktionen mit Leckageerkennung im Zwischenrohrbereich eingesetzt werden.

25  Tubular Exchanger Manufacturers Association (2019), Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, 10th edition, www.tema.org. 26  Tubular Exchanger Manufacturers Association, (2019), Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, Section 5, 10th edition, www.tema.org.

6.2  Technische Spezifikation

121

Sind Verschmutzungen innerhalb der Rohre möglich, so kann eine Reinigungsanlage vorgesehen werden, in der Schwammgummikugeln oder Bürsten regelmäßig und automatisiert durch die Rohre geführt werden.

6.2.4.3 Flüssigkeits-Abscheider Flüssigkeitsabscheider werden dann benötigt, wenn das Ausfallen von Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Verdichtungsstufen möglich ist. Insbesondere für Kolbenverdichterstufen führen bereits geringe Flüssigkeitsanteile zu Schäden. Oft handelt es sich um Wasseranteile, in anderen Fällen aber auch um Anteile an höheren Kohlenwasserstoffen im Prozessgas. Für den saugseitigen Einsatz an Verdichtern werden meist Zyklonabscheider mit zusätzlichem Demister genutzt. Deren erforderlicher Abscheidegrad bzw. die maximal zulässige Tröpfchengröße sollte vom Verdichterhersteller spezifiziert werden. Um Gewährleistungsansprüche aufrechtzuerhalten, wird auch empfohlen, entsprechende Apparate in den Liefer- und Leistungsumfang des Maschinenlieferanten mit aufzunehmen. API STD 618 (2016, Clause 7.8.2.3) definiert für Kolbenverdichter den erforderlichen Abscheidegrad auf 99 % für eine Tröpfchengröße ab 10 μm. 6.2.4.4 Pulsationsdämpfer Pulsationsdämpfer sind erforderlich für Saug- und Druckseite jeder Verdichtungsstufe für Kolbenverdichter, Schraubenverdichter, aber auch für Roots-Gebläse. Meist werden leere Behälter mit einem bestimmten Volumen und bestimmten Längen und Querschnitten verwendet. Es gibt auch andere Konstruktionen, die anlagenspezifisch mit bestimmten Einbauten ausgelegt werden. Auf diese Details wird hier nicht näher eingegangen. Für die Auslegung der Pulsationsdämpfer sind verschiedene Kriterien entscheidend. Zum einen sind es Frequenz und Amplitude der Pulsationsanregung durch die Maschine selbst. Weiterhin wird die zulässige Peak-to-peak-Pulsationsamplitude am Austritt der Pulsationsdämpfer vorgegeben. In der Regel beträgt sie maximal 2 % des mittleren Absolutdrucks. API STD 618 (2016, Clause 7.9.4.2.5.2.2) errechnet für Kolbenverdichter die zulässigen Werte unter Einbeziehung der Schallgeschwindigkeit des Prozessgases, des Leitungsdurchmessers, des mittleren Absolutdrucks und der jeweiligen Anregungsfrequenz. Eine computergestützte Pulsationsstudie gibt zusätzlich den Verlauf der Pulsationsamplituden über die Prozessgasleitung wieder. Je nach Anordnung kann das Maximum der Amplituden aufgrund von Fluid-Resonanzen auch an entfernteren Stellen liegen und z. B. durch eine Übereinstimmung mit den mechanischen Eigenfrequenzen des Rohrleitungssystems auch mittels hoher Schwingungsamplituden zu Beschädigungen führen. Die Qualität der Ergebnisse einer Pulsationsstudie, die zwar aufwendig ist, aber grundsätzlich für Kolbenverdichter angefertigt werden sollte, ist stark abhängig von

122

6  Maschinenspezifikation im Detail

der Kenntnis von Längen und Krümmern sowie geometrischen Daten der gasführenden Rohrleitungen, ebenso auch der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit des Gases, die wiederum abhängig ist von der jeweiligen Gastemperatur. Mit einer solchen Pulsationsstudie können neben der Auslegung der Pulsationsdämpfer selbst auch Sekundärmaßnahmen zur Reduktion der Pulsationen bestimmt werden, z. B. der pulsationsdämpfende Einfluss von speziellen Ein- und Mehrlochblenden. Deshalb wird grundsätzlich empfohlen, zwischen allen prozessseitigen Flanschen der Pulsationsdämpfer einen Ring vorzusehen, der bei oder nach Inbetriebnahme ausgetauscht werden kann gegen Blenden, die zur weiteren Reduktion von Pulsationen bedarfsgerecht ausgelegt werden können. Die saugseitigen Pulsationsdämpfer können mit einem Abscheider kombiniert werden.

6.2.4.5 Schalldämpfer Zur Minderung der insbesondere von Turbo- und Schraubenverdichtern induzierten Strömungsgeräusche sind häufig sowohl saugseitig als auch druckseitig Schalldämpfer erforderlich. Diese können ein beachtlicher Kostenfaktor sein. Verwendet werden meist Absorptionsschalldämpfer in Kulissenbauweise. Die Kulissen bestehen aus einem Stahlrahmen mit einer Füllung aus Mineralwolle oder Edelstahlgeflecht je nach Spezifikation. Die Füllung muss kompatibel zum Prozessgas sein und möglichst gut vor Abrieb und Eintrag in das Prozessgas geschützt werden, z. B. durch Edelstahl-Lochbleche oder Glasvlies. Mehrere Kulissen werden parallel in ein auf den Leitungsdruck ausgelegtes Gehäuse eingesteckt. Zum Ein- und Ausbau der Kulissen ist das Schalldämpfergehäuse als einzeln demontierbares Zwischenstück („Spool Piece“) konstruiert. Die Halterungen sind auf der Innenseite am Gehäuse angeschweißt. Bei der Konstruktion sowie besonders auch der Qualitätssicherung ist sicherzustellen, dass speziell auf der Saugseite des Verdichters keine Schweißperlen oder sich lösende Teile aus den Schalldämpfern in das Laufrad geraten und dieses beschädigen können. Besonders muss deshalb auf die Qualität der Schweißnähte geachtet werden, was den Herstellern solcher Schalldämpfer nicht immer ausreichend bewusst ist. Schweißnähte sollten generell durchgehend gestaltet sein. Als Maßnahme gegen Körperschall können auch Rohrschalldämpfer mit Dämpfung im Außenmantel oder in Einzelfällen auch ein um die Rohrleitung gelegter Sandmantel dienen. 6.2.4.6 Luft-Ansaugfilter Für Verdichter, die Umgebungsluft ansaugen, sowie Gasturbinen sind Ansaugfiltersysteme erforderlich. Dabei können Schadstoffe in der Ansaugluft zu Fouling, Korrosion und reduzierten Wirkungsgraden führen. Die erwartete chemische Zusammensetzung sowie die

6.2  Technische Spezifikation

123

Umgebungsbedingungen sollten im Detail beschrieben werden. Deshalb sollte auch die Position der Ansaugung so gewählt werden, dass möglichst wenig Verunreinigungen durch korrosive Gaskomponenten und Partikel in die Verdichteransaugung kommen. In der Regel wird die Ansaugung deswegen nicht in Bodennähe stattfinden und selbstverständlich schon gar nicht an Stellen, an denen eine Ansammlung brennbarer Gase möglich ist. Vorkehrungen gegen das Eindringen größerer Objekte sollten ebenfalls getroffen werden. Abb. 6.6 zeigt ein Beispiel für einen Gasturbinen-Luftansaugfilter. Ausfallende Luftfeuchte kann über einen Demister abgeschieden werden. Ebenso kann das Eindringen von Regenwasser oder Schnee durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden, z. B. durch einen Wetterschutz. Dieser besteht aus manuell oder elektrisch zu betätigenden Lamellen. Zur Vermeidung korrosiver Angriffe sollte die Auslegung von Rohren in Edelstahlausführung erfolgen. Bleche aus Schwarzstahl für Gehäuse und Kulissen sollten mindestens galvanisiert sein. Die Ansaugfilter-Elemente arbeiten in der Regel mehrstufig. Sie sollten einen möglichst geringen Druckverlust aufweisen, der über eine Druckdifferenzmessung überwacht wird. Redundant angeordnete Elemente sollten eine Reinigung bzw. einen Austausch während des Betriebs ermöglichen. Hierfür ist die Zugänglichkeit zu gewährleisten und zu überwachen. Die Filterelemente sollten so druckfest gestaltet werden, dass sie einem Pumpen des Verdichters standhalten können. Schweißnähte an Luftfiltern sollten generell durchgehend gestaltet sein.

Abb. 6.6   Ansaug-Luftfilter für einen Verdichterstrang. Ansaugung hier schräg von unten. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

124

6  Maschinenspezifikation im Detail

Um die Laufräder nicht zu beschädigen, ist eine Filterfeinheit von 99,5 % für Partikel ab 2 μm Durchmesser erforderlich, falls der Maschinenhersteller nicht andere Vorgaben macht. Im API STD 616 (2011)27, Clause 5.6.2, werden Anforderungen an Luftansaugfilter im Kontext von Gasturbinen beschrieben. Das meiste ist auch allgemein anwendbar. Annex A enthält typische zugehörige technische Datenblätter.

6.2.4.7 Kondensatoren für Dampfturbinen Kondensatoren für Industrie-Dampfturbinen werden im allgemeinen als wassergekühlte Rohrbündel-Wärmeübertrager konzipiert. Meist werden sie unter dem Abdampfstutzen der Dampfturbine angeordnet. Sie können fest mit ihrer Grundplatte verbunden sein und enthalten dann in der Abdampfleitung einen Kompensator zur Aufnahme der Wärmedehnungen. Sowohl Fundamenttisch der Dampfturbine als auch Grundplatte des Kondensators müssen in der Lage sein, zusätzlich zum Gewicht die im Betrieb auftretenden Vakuum-Zugbelastungen zu ertragen. Gängig sind deshalb auch Anordnungen, bei denen der Kondensator federnd gelagert ist oder ohne weitere Abstützung direkt an die Turbine gehängt wird.

6.2.5 Elektrische Antriebssysteme für Verdichter Sehr häufig werden Ventilatoren und Verdichter, in Abhängigkeit von ihrem Leistungsbedarf, durch MV-Asynchronmotoren oder MV-Synchronmotoren angetrieben. Dies gilt genauso für ihre Hilfssysteme wie Ölpumpen, bei denen es sich jedoch im Gegensatz zu den Antriebsmotoren in der Regel um hier nicht weiter betrachtete Norm-Motoren im Niederspannungsbereich bis 690 V handelt. Zum elektrischen Antriebssystem zählen auch Frequenzumrichter verschiedener Bauarten für Sanftanlauf und zur Drehzahlregelung. Die Beschaffung erfolgt entweder durch den Maschinenlieferanten oder aber in manchen Fällen separat durch Kontraktor oder Betreiber selbst. Im ersten Fall ist der Maschinenlieferant selbst für die Abstimmung zwischen Antrieb und Verdichter verantwortlich, im zweiten Fall kann die zusätzliche Schnittstelle eine terminliche und abstimmungsmäßige Herausforderung bedeuten. Bei hoher elektrischer Leistung muss zusätzlich oft ein auf den Antrieb ausgelegter Block-Transformator beschafft werden.

6.2.5.1 Spezifikation von Asynchron- und Synchronmotoren Zur Spezifikation der MV-Elektromotoren für den Antrieb eines Verdichterstrangs können eigene technische Datenblätter verwendet oder diejenigen in Annex A des API 27 API

STD 616 (2011) Gas Turbines for the Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services, 5th edition, American Petroleum Institute.

6.2  Technische Spezifikation

125

STD 541 (Asynchronmotoren) bzw. API STD 546 (Synchronmotoren) zugrunde gelegt werden. Viele Details über die Auslegung sind dort zu finden, die hier nicht ausführlich besprochen werden. Dem Autor wesentlich erscheinende Angaben und Entscheidungen, die im technischen Datenblatt teils vom Ersteller des technischen Datenblattes (HDREEngineer oder Kontraktor), teils vom Antriebshersteller spezifiziert werden müssen, sind: • Basis- und standortspezifische Daten: Zu diesen Angaben zählen Spannungsniveau, Drehzahl und sich daraus ergebende Polpaarzahl der Wicklung, anwendbare Regelwerke, Standortbedingungen, Aufstellungsort, Ex-Schutz-Zone, Art der Motorkühlung. • Auslegungsleistung des Antriebsmotors: Diese sollte um 10 … 15 % höher liegen als der maximale Leistungsbedarf des angeschlossenen Strangs, um Toleranzen in Verdichterauslegung und Fahrweise ausgleichen zu können. Um eine optimale Effizienz des Antriebsmotors im Normalbetrieb zu erreichen, sollte die Auslegungsleistung auch nicht höher sein. • Design und Isolation der Statorwicklungen: Um thermische Überlastungen an den Wicklungen auch langfristig zu vermeiden, sollten alle Teile des Wicklungsisolationssystems des Motors der Klasse F gemäß IEC 60034-128 entsprechen, mit einem maximalen Temperaturanstieg der Klasse B bei Nennlast. Die Motorwicklungen müssen einem externen dreiphasigen Kurzschluss bei Volllast, Nennspannung und an den Motorklemmen standhalten. Grundsätzlich sind Typ-Prüfungen erforderlich. • Anforderungen an wassergekühlte Motoren: Die Ausführung und Redundanz der Kühler richtet sich nach den betriebsspezifischen Gegebenheiten. Bei Undichtigkeiten an Wärmeübertragerrohren sollte aus dem Kühler austretendes Wasser oder Kondenswasser gesammelt werden und aus der Maschine abfliessen, ohne auf die Wicklungen zu tropfen. Ein System zur Leckageerkennung wird darüber hinaus empfohlen. • Anforderungen an die Lagerung des Rotors: Die Radiallager werden über das für den gesamten Maschinenstrang vorgesehene Ölsystem mitversorgt. Üblicherweise werden hydrodynamische, drehrichtungsunabhängige Gleitlager mit Ölringschmierung eingesetzt. Der notwendige Öldruck richtet sich nach Lagerart und Drehzahl. Meist sind bei Ölringschmierung nur geringe Überdrücke erforderlich. Fettgeschmierte Wälzlager kommen nur in Ausnahmefällen und bei Antriebsleistungen deutlich unterhalb von 1 MW in Betracht. • Verrohrung und Instrumentierung der Ölversorgung: Die Ölverrohrung des Antriebsmotors sollte wie beim Verdichterstrang komplett geflanscht sein und zur Vermeidung von Undichtigkeiten keine verschraubten Verbindungen enthalten. Dies wird von den

28 DIN

EN 60034-1 (2011) Drehende Elektrische Maschinen, Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten. Beuth-Verlag, Berlin.

126

6  Maschinenspezifikation im Detail

gängigen Motorherstellern serienmäßig nicht angeboten und ist separat zu fordern. Die gemeinsame Zuführungsleitung enthält einen Druckminderer und eine Druckanzeige. Nach Verzweigung zu jedem der beiden Radiallager folgt je ein Durchflussmessgerät mit Ventil zur individuellen Einstellung. Die Lager erhalten je einen Standmesser im Ölsumpf. Im Ölabfluss sollten vor der gemeinsamen, ausreichend groß dimensionieren Rückflussleitung ins Ölsystem Schaugläser installiert sein. • Terminal-Boxen: Sowohl Klemmenkasten als auch Sternpunktkasten für die Statorwicklung sollen vorhanden und gegenüberliegend angeordnet sein. Die Berstsicherheit der Klemmenkästen sollte bis zum maximalen Kurzschlussstrom abgesichert sein. Dies wird durch eine auf der Rückseite des Anschlusskastens angeordnete Druckentlastungsklappe oder Entlastungsmembran erreicht. • Betrieb in explosionsgefährdeten Zonen: Ein Spülluft-System ist in der Regel erforderlich, welches pneumatisch arbeitet, überwacht wird und bereits vor dem Start durch das Spülen und einen Überdruck zwischen 2,5 und 7,5 bar das Vorhandensein einer explosiven Atmosphäre verhindert. Es soll auch bei kurzzeitigen Abschaltungen weiterhin den Überdruck absichern, um langwierige Wartezeiten zu vermeiden. • Stillstandsheizung: Die Ausstattung von Motoren mit einer Stillstandsheizung mit separater Terminal-Box stellt sicher, dass der Motor jederzeit, auch nach längeren Stillstandszeiten, ohne vorherige Trocknung startbereit ist. • Wahl der Start- und Betriebsmethode: – Um eine Erst- oder Wiederinbetriebnahme nicht zu verzögern, sollten in der Regel mindestens 3 Kaltstarts und 2 Warmstarts aus dem Stillstand heraus ohne Wartezeit möglich sein. – Ein „Direct On Line“ (DOL) Start sollte bei mindestens 85 % der Nennspannung möglich sein (der API STD 54629 gibt für Synchronmotoren in Clause 2.2.4.1 sogar 80 % vor), je nach Bedarf unter Voll- oder Teillast. Die maximale Stromaufnahme soll 650 % des Volllast-Stromes nicht überschreiten, ist jedoch für den spezifischen Fall zwischen Betreiber und Hersteller abzustimmen. Ggf. ist ein Anfahr-Umrichter („Sanft-Anlauf“) vorzusehen. – Bei drehzahlveränderlichen Antrieben mit Frequenzumrichtern ist eine gesonderte Abstimmung erforderlich. • Eine Berücksichtigung von Drehzahlschwankungen z. B. im Betrieb mit Kolbenverdichter ist zwischen Verdichter- und Motorlieferant abzustimmen. • Eine Berücksichtigung von kurzzeitigen Unterbrechungen der Spannungsversorgung ist zwischen Motorlieferant und Betreiber abzustimmen.

29  API

STD 546 (2008) 3rd edition, Brushless Synchronous Machines – 500 kVA and Larger, American Petroleum Institute.

6.2  Technische Spezifikation

127

• Als Erreger-System bei Synchronmotoren kommen verschiedene Bauarten in Betracht, deren Auswahl je nach Anforderung erfolgt (s. auch DIN EN 60034-1630). Bei der permanent-erregten Synchronmaschine für kleinere Leistungen sind am Läufer Dauermagneten angebracht. Weiterhin sind die bürstenlose Erregung mit einem Haupterreger und einem rotierenden Gleichrichter oder ein Pilot-Erreger mit Dauermagnet gängig.

6.2.5.2 Spezifikation von Frequenzumrichtern Der Einsatz von Frequenzumrichtern bedarf jeweils einer detaillierten Klärung zwischen Antriebshersteller und Betreiber, insbesondere wegen ihrer Netzrückwirkungen. Werden Anfahr-Umrichter für drehzahlkonstante Antriebe eingesetzt, so kann geprüft werden, ob für jeden Maschinenstrang ein solcher benötigt wird, oder ob durch versetztes Anfahren der Maschinenstränge ein gemeinsamer, umschaltbarer Umrichter ausreicht. Nach Anfahren eines Strangs wird dann jeweils ein Direct-On-Line-Bypass geschaltet und der Anfahr-Umrichter auf den nächsten Strang geschaltet. Für Frequenzumrichter für große Antriebsleistungen gibt es zwei unterschiedliche Technologien: den schon lange bekannten, nur für Synchronmotoren einsetzbare „Load Commutated Inverter“ (LCI) und den moderneren „Voltage Source Inverter“ (VSI), der auch für Asynchronmotoren eingesetzt werden kann. Unterschiede ergeben sich unter anderem in den geringeren Netzrückwirkungen, dem höheren Leistungsfaktor (Quotient aus Wirkleistung zu Scheinleistung) und einer höheren Verfügbarkeit beim VSI. Eine Beschreibung der Unterschiede der beiden Technologien findet sich bei Vander Meulen and Maurin (2014)31. Hingewiesen sei noch auf die Harmonischen Verzerrungen besonders bei der LCITechnik, die zu erheblichen Netzrückwirkungen führen und durch teils aufwendige elektronische Filtertechnik unter das zulässige Maß verringert werden müssen.

6.2.6 Spezifikation von Wellenkupplungen Konzeptentscheidungen zur Kupplungsauswahl sollten gemeinsam mit dem Maschinenlieferanten als Strangverantwortlichen und der Instandhaltungsorganisation des Betreibers getroffen werden. Für Turboverdichter nach API STD 617, Schraubenverdichter nach API STD 619, Hubkolbenverdichter nach API STD 618 und Dampfturbinen nach API STD 612 sind die

30  DIN

EN 60034-16-1:2011-10 (VDE 0530-16:2011-10) Drehende elektrische Maschinen – Teil 16-1: Erregersysteme für Synchronmaschinen – Begriffe (IEC 60034-16-1:2011); Deutsche Fassung EN 60034-16-1:2011. Beuth Verlag, Berlin. 31 Vander Meulen A, Maurin, J (2014) Current source inverter vs. Voltage source inverter topology, White Paper WP020001EN, Eaton, Cleveland.

128

6  Maschinenspezifikation im Detail

wesentlichen Anforderungen im API STD 671 festgehalten. Eine Nutzung für Luftverdichter nach API STD 672 und Dampfturbinen nach API STD 611 ist möglich. Das detaillierte Ausfüllen der zugehörigen technischen Datenblätter obliegt nach Konzeptklärung dem Strangverantwortlichen. Im Antriebsstrang von Hubkolbenverdichtern werden häufig starre Flanschkupplungen eingesetzt. Eine aus Sicht des Autors wesentliche Sicherheitsanforderung an Lamellenkupplungen ist die in API STD 671 (2010)32, Clause 8.1.6 beschriebene Forderung, dass nach Versagen eines Lamellenpakets dieses durch konstruktive Maßnahmen in annähernd normaler Position zurückgehalten wird.

6.2.7 Spezifikation von Übersetzungsgetrieben Konzeptentscheidungen zur Getriebeauswahl sollten auch hier gemeinsam mit dem Maschinenlieferanten als Strangverantwortlichen und der Instandhaltungsorganisation des Betreibers getroffen werden. Für Turboverdichter nach API STD 617, Schraubenverdichter nach API STD 619 und Dampfturbinen nach API STD 612 sind die wesentlichen Anforderungen im API STD 613 festgehalten. Für Luftverdichter nach API STD 672 und Dampfturbinen nach API STD 611 gelten die niedrigeren Anforderungen aus API STD 677. Meist handelt es sich um gekapselte, einstufige, ein- und doppelschrägverzahnte Präzisionsgetriebe zur Drehzahlerhöhung in einer Ausführung mit paralleler Antriebsund Abtriebswelle. Im Falle von epizyklischen Getrieben (Planetengetriebe) mit fluchtender Antriebsund Abtriebswelle sind diese Standards nicht direkt anwendbar. Jedoch sollte darauf geachtet werden, dass die Sicherheitsmargen ähnlich sind und Referenzen vorliegen. Das Ausfüllen der zugehörigen technischen Datenblätter obliegt nach Konzeptklärung auch hier dem Strangverantwortlichen.

6.3 Disziplinübergreifende Detailklärungen Viele Festlegungen für die Spezifikation der HDRE-Maschinen bedürfen einer fachübergreifenden Abstimmung. Hierzu sind die unterschiedlichen am Projekt beteiligten Fachdisziplinen erforderlich, aber auch Betreiber, ggf. Verfahrensträger, Kontraktor und Maschinenlieferant. Einige der wesentlichen technischen Klärungsthemen werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

32 API STD 671 (2010) Special Purpose Couplings for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services, 5th edition, American Petroleum Institute.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

129

6.3.1 Prozess- und Verfahrenstechnik Für die erforderlichen verfahrenstechnischen Prozesse werden in der Regel stationäre und manchmal auch transiente Simulationen der gesamten verfahrenstechnischen Anlage durchgeführt. Dabei werden sogenannte PFDs („Process Flow Diagrams“) erstellt, welche für verschiedene betriebliche Szenarien die jeweiligen Mengen- und Stoffbilanzen beinhalten. Dabei wird auch eine Verdichtung bzw. Expansion in vereinfachter Form mitbetrachtet. Die erforderliche Stufenzahl bei der Verdichtung sowie der Leistungsbedarf werden abgeschätzt, ebenso die erforderlichen Betriebspunkte für verschiedene Szenarien im geplanten Betrieb. Aus diesen Daten kann meist bereits ein Maschinenkonzept erarbeitet werden. Für die Entwicklung einer Maschinenspezifikation sind jedoch weitere Detailbetrachtungen erforderlich. Hierzu ist es wichtig, dass der HDRE-Engineer ein tiefes Verständnis für den verfahrenstechnischen Prozess entwickeln kann. Wichtige Fragestellungen in Hinsicht auf Prozess- und Verfahrenstechnik sind Folgende: • Gibt es kostspielige Anforderungen, die hinterfragt werden sollten? Beispiele hierfür sind: Ist eine ölfreie Verdichtung erforderlich, oder verträgt der Prozess kleine eingetragene Ölmengen? Können die Randbedingungen bezüglich erforderlichem Druckverhältnis geändert werden, um Verdichtungsstufen einzusparen? • Welche Fahrpunkte sind wirklich erforderlich? Wird ein „breites“ Kennfeld benötigt? Gibt es Mengenszenarien für eine Verdichtung, die Hinweise darauf geben, welcher Fahrpunkt auf den besten Wirkungsgrad ausgelegt werden soll? • Welche sicherheitstechnischen Fragen an die Maschine ergeben sich aus dem verfahrenstechnischen Prozess und der Gaszusammensetzung? Können spontane Abschaltungen des Maschinenstrangs zu Fragen bezüglich der Anlagensicherheit führen? • Welche Anforderungen ergeben sich aus Prozess- und Verfügbarkeitsgründen für die Wellenabdichtung? Darf Inertgas in den Prozess eingeführt werden? Wie sieht die Behandlung von abzuführenden Prozessgasanteilen aus, sowohl im Normalbetrieb, beim An- und Abfahren und bei Schadensszenarien? • In welchem Bereich liegt der Ausgleichsdruck („Settle Out Pressure“, SOP)33? Die Kenntnis ist wesentlich für die Auslegung der Wellenabdichtung und auch der Prozessgas-Rohrleitungen.

33 Nach

einer Verdichterabschaltung wird das Gas eingeschlossen und der Druck gleicht sich auf einem bestimmten Niveau aus. Dieser ausgeglichene Druck im gesamten Verdichterkreislauf wird als Ausgleichsdruck oder „Settle Out Pressure“ bezeichnet.

130

6  Maschinenspezifikation im Detail

PRAXISBEISPIEL – ZUSAMMENFASSUNG VON VERDICHTUNGSAUFGABEN

Eine neu zu errichtende chemische Anlage wird, so wie ihre Vorgängeranlage, mit zwei separaten, zweistufigen Getriebe-Turboverdichtern für Umgebungsluft und Kreisgas mit jeweils etwa 7 MW Leistungsbedarf und konstanter Drehzahl für Umgebungsluft und Kreisgas geplant. Während des stationären Anlagenbetriebes sind beide Verdichter in Betrieb. Beim Anfahren wird zunächst nur der Luftverdichter benötigt, in einem anderen, nur gelegentlich auftretenden Fahrfall wird nur der Kreisgasverdichter benötigt. Außerdem soll der Luftverdichter vor dem Erstbetrieb zur Reinigung der Prozessrohrleitungen in der Produktionsanlage genutzt werden. Bei der Diskussion des verfahrenstechnischen Konzepts wurde die Frage aufgeworfen, ob es eine wirtschaftliche Alternative wäre, die 2 × 2 Verdichtungsstufen in einem einzigen Getriebe-Turboverdichter mit 12 MW Leistungsbedarf zu integrieren. Vorteile des geänderten Konzepts: • Es ist nur ein Verdichtergebäude mit einem Maschinenstrang erforderlich. • Investitionskosten und Platzbedarf sind niedriger. • Auch die Ersatzteilhaltung bei gleicher Verfügbarkeit ist niedriger. Es werden nicht mehrere Ersatzmotoren und Getrieberadsätze benötigt, und auch die Menge der anderen Ersatzteile ist geringer. Nachteile des geänderten Konzepts: • Für die Fahrfälle mit nur einem der Verdichter läuft der andere immer mit, was in diesem Fall zu erhöhten Betriebskosten führt. • Die Störung eines Verdichters führt immer zum Ausfall beider Verdichtungsaufgaben, was gewisse Änderungen im verfahrenstechnischen Prozess als Konsequenz hat. Unter Annahme einer Betriebsweise wie bei der bestehenden Anlage und mit Unterstützung des Verdichterherstellers wurde ein deutliches Einsparpotenzial erkannt und die Entscheidung für das geänderte Konzept getroffen.

6.3.2 Thermodynamik und Fluidmechanik Einen wesentlichen Einfluss auf Auslegung und Betriebseigenschaften der HDREMaschinen haben die Eigenschaften des Prozessgases im Verdichtungs- oder Expansionsprozess.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

131

Dabei ist zwischen Thermodynamik und Fluidmechanik zu unterscheiden. Die Berechnung beider führt zu den wesentlichen Geometrien der Laufräder und Umlenkungen sowie den erforderlichen Drehzahlen. Thermodynamik und Fluidmechanik bestimmen Volumenstrom, polytrope Arbeit, Wirkungsgrad und den Betriebsbereich einer Turbomaschine. Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Auslegung eines Radialverdichters wird bei Dubbel (2020)34 in Abschn. 12.5 in einem Beispiel ausgeführt.

6.3.2.1 Thermodynamik des Verdichtungsprozesses Die Thermodynamik eines Verdichtungs- oder Expansionsprozesses läßt sich in der Regel gut über isentrope Zustandsänderungen bei Dampfturbinen und polytrope Zustandsänderungen bei Turboverdichtern, näherungsweise auch bei Kolben- und Schraubenverdichtern bestimmen. Bei der Verdichtung ist meist Realgasverhalten des Prozessgases anzunehmen. Neben den Berechnungen, die die Maschinenlieferanten auf Basis der gewünschten Betriebsdaten anstellen, kann auch der HDRE-Engineer oder ein Prozessingenieur des Betreibers selbst hierzu Berechnungen durchführen. Algorithmen mit relativ einfachen thermodynamischen Stoffmodellen zur Berechnung der thermodynamischen Kenngrößen können in einer Tabellenkalkulation aufgebaut werden. Dies gilt auch für mehrere Verdichtungsstufen und hilft, Verdichtungskonzepte zu entwickeln, die Situation beim Anfahren sowie im Betrieb unter veränderten Betriebsbedingungen im Zusammenhang mit Gasänderungen und Kapazitätserhöhungen zu ermitteln und die Plausibilität von Herstellerberechnungen zu prüfen. Als Eingabewerte benötigt man die Gaszusammensetzung, Eintritts- und Austrittsdrücke und entweder Austrittstemperatur oder einen abgeschätzten polytropen Wirkungsgrad. Berechnungsergebnisse daraus sind die erforderliche Antriebsleistung, der Bedarf an Nachkühlung sowie einige Kennzahlen zur Verdichtung. Diese Ergebnisse sind in der Regel ausreichend zur Beurteilung der Herstellerangebote und meist auch später bei der Abschätzung von Betriebspunkten mit anderen Gaszusammensetzungen. Die Berechnungsmethodik wird anwendungsorientiert in Abschn. 13.1, „Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen“, dargestellt.

34 Bender B, Göhlich, D (Hrsg.) (2020) Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 3: Maschinen und Systeme, Abschn. 12.5, S. 285–288, Springer, Berlin.

132

6  Maschinenspezifikation im Detail

Verwiesen wird auch auf die Darstellung vergleichbarer Berechnungsmethodiken in ASME PTC 10 (1997)35, ISO 5389 (2005)36 und VDI 2045 (1993)37. Da für die Anwendung in einer Tabellenkalkulation relativ einfache thermodynamische Stoffmodelle genutzt werden, ist es in Einzelfällen deswegen möglich, dass die Ergebnisse dieser Algorithmen ungenau sind. Dies gilt z. B. bei einigen höheren Kohlenwasserstoffen in der Nähe der Phasengrenzen. Hier ist die Zusammenarbeit mit der Prozess- und Verfahrenstechnik und der Thermodynamik erforderlich. Ebenso sind bei Hubkolbenverdichtern die Zylinderkühlung und in den Ventilen auftretende Temperatureffekte nicht berücksichtigt. Mit den Ergebnissen solcher Rechnungen lassen sich bereits verschiedene Fragestellungen angehen und beurteilen, z. B.: • Welche Kupplungsleistung Pk wird benötigt? • Welche Wärmemenge Q muss ggf. im Zwischen- und Nachkühler abgeführt werden? • Liegt die polytrope Förderhöhe hpol für einen Turboverdichter in realistischer Größenordnung (zwischen 40 und 70 kJ/kg)? • Sind die Endtemperaturen aus Sicht der Werkstofftechnik und des Prozessgases ausreichend niedrig? • Ist die vom Maschinenlieferanten durchgeführte thermodynamische Berechnung plausibel? Bei verschiedenen Prozessgasen, z. B. Flüssiggasen, Kohlendioxid, Chlor ist eine Betrachtung der Taupunkte insbesondere auf der Saugseite erforderlich: • Liegen die Eintrittstemperaturen in jeder Stufe deutlich oberhalb des Taupunktes des Prozessgases? In der Regel sollte der Abstand mindestens 15 K betragen. • Wird ein System zur Flüssigkeitsabscheidung benötigt, um das Auftreffen von Tröpfchen am Laufrad zu vermeiden? • Wie weit darf eine Zwischenkühlung die Gastemperatur reduzieren?

6.3.2.2 Fluid- oder Aerodynamik Die Fluid- oder Aerodynamik der Strömungsmaschinen ist stark geprägt von geometrischen Details sowie Spalt- und Grenzschicht-Einflüssen. Insofern ist hier

35  ASME

PTC 10 (1997) Performance Test Code on Compressors and Exhausters, Re-affirmed 2014. American Society of Mechanical Engineers, New York. 36 ISO 5389 (2005) Turbocompressors-Performance Test Code, 2nd ed. International Organization for Standardization, Genf. 37  VDI 2045 (1993) Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln), Blatt 1: Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Blatt 2: Grundlagen und Beispiele. Überarbeitung geplant für 2023/2025. Beuth, Berlin.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

133

wesentlich die Erfahrung der Maschinenlieferanten erforderlich. Da bisher die Vorausberechnung für den Einzelfall über CFD-Methoden aufwendig ist, wird diese Berechnungsmethodik nur in Sonderfällen oder zur Betrachtung einer Laufradbaureihe genutzt. Vielmehr greifen die Maschinenlieferanten auf ihre empirischen Erfahrung mit bereits realisierten Projekten zurück. Deshalb ist mit den potenziellen Maschinenlieferanten zu prüfen, ob die betriebsseitigen Anforderungen an die Prozessdaten zu Laufrädern führt, die innerhalb bekannter Bereiche liegen. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Auswahl der Laufräder durch den Hersteller zu einem optimalen Ergebnis führt. Erfahrungen zeigen jedoch, dass Extrapolationen aus den bekannten Bereichen heraus sehr schnell zu Fehlauslegungen führen können. Zum Beispiel kann dies der Fall sein, wenn ein über die Referenzen hinaus gehender höherer Enddruck erforderlich ist. Ein solcher kann unter anderem über Drehzahlerhöhungen der Laufräder erreicht werden. In diesem Fall verändern sich jedoch auch weitere Kennzahlen. Eine Erhöhung der Maschinen-Machzahl über ein bestimmtes Maß hinaus führt zu höheren Verlusten in den Grenzschichten. Diese wiederum können die mögliche Druckerhöhung im Laufrad erheblich absenken mit der Konsequenz, dass spezifizierte Enddrücke und Fördermengen nicht erreicht werden. PRAXISBEISPIEL – EXTRAPOLATION BEI ERHÖHUNG DES ENDDRUCKS

Ein Einwellen-Turboverdichter mit 4 Laufrädern sollte auf einen höheren Enddruck ausgelegt werden als im Erfahrungsschatz und in den Referenzen des Verdichterherstellers enthalten. Der Hersteller extrapolierte daher seine Auslegung bezüglich Laufradauswahl und mittels Drehzahlerhöhung. Im Laufe der Fertigung wurde kein Leistungstest mit Vergleichsgas durchgeführt, sondern nur stufenweise Tests mit Luft. In der Folge wurde erst im Laufe der Inbetriebnahme festgestellt, dass sowohl geforderte Druckerhöhung wie auch Durchsatz nicht erreicht wurden. Als Konsequenz wurde der Verdichter innen komplett umgebaut und aufwendige Leistungstests im Herstellerwerk wurden durchgeführt. Termine waren bei weitem nicht mehr einhaltbar.

6.3.2.3 Dimensionslose Kennzahlen für Radialverdichter Zur Beurteilung der thermodynamischen und fluiddynamischen Eigenschaften dienen dimensionslose Kennzahlen. Die wichtigsten dieser thermo- und aerodynamischen Kennzahlen sind in Tab. 6.4 beschrieben. Ihre Definition und Berechnung über thermodynamische Daten und die geometrische Ausführung der Laufräder wird in Abschn. 13.1, „Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen“, ausführlich dargestellt.

134

6  Maschinenspezifikation im Detail

Tab. 6.4  Dimensionslose thermo- und aerodynamische Kennzahlen für Radialverdichter Polytroper Wirkungsgrad

Beschreibt den Grad der Energieumsetzung bei der Verdichtung

ηpol

0,7 … 0,85

Mechanischer Wirkungsgrad

Berücksichtigt mechanische Verluste im Verdichterstrang

ηmech

Um 0,95

Volumenstromzahl

Dimensionsloser AnsaugVolumenstrom

φ

0,01 … 0,15 (ηpol optimal bei 0,09)

Polytrope Druckzahl

Dimensionslose spezifische totale ψpol polytrope Arbeit

0,8 … 1,1

Arbeitszahl

Dimensionslose spezifische tatsächliche Enthalpiedifferenz

s

0,55 … 0,7

Umfangs-Machzahl

Maßzahl für die Kompressibilität

Mau2

0,2 … 1 (…1,2)

Reynoldszahl

Maßzahl für die Wandreibung

Reu2

105 … 108

6.3.2.4 Beurteilung und Grobauslegung eines Radialverdichters Mit Hilfe der zuvor und im Anhang Thermodynamik vorgestellten Berechnungsverfahren und der Nutzung der dimensionslosen thermodynamischen und aerodynamischen Kennzahlen (Berechnungsformeln aus dem Anhang Thermodynamik) kann z. B. eine Grobauslegung eines Turboverdichters nach Anzahl der Stufen, Laufraddurchmesser, Drehzahl und Antriebsleistung durchgeführt werden oder aber eine Beurteilung eines Angebotes erfolgen. Die einzelnen Schritte ergeben sich wie folgt: • Zunächst wird die maximale mechanisch zulässige Umfangsgeschwindigkeit u2 festgelegt. Sie ist werkstoffabhängig und beträgt in der Regel 280 m/s für Prozessgase, 320 m/s für Luft. • Die Zulässigkeit der Umfangsgeschwindigkeit wird nach der Maschinen-Machzahl Mau2 beurteilt. Diese sollte möglichst hoch, nur in Ausnahmefällen aber deutlich höher als 1 gewählt werden. • Laufrad-Durchmesser D2 wird aus Volumenstrom V, Umfangsgeschwindigkeit u2 und Volumenstromzahl Φ bestimmt. • Die Drehzahl N wird aus Umfangsgeschwindigkeit u2 und Laufrad-Durchmesser D2 bestimmt. • Die polytrope Förderhöhe hpol, die erforderliche innere Leistung Pi und die Verdichtungs-Endtemperatur T2 werden bestimmt. • Die erforderliche Stufenanzahl wird aus hpol, Umfangsgeschwindigkeit u2 und polytroper Druckzahl ψpol festgelegt. Annahme ist, dass hpol aller Stufen gleich ist. • Abschließend erfolgt eine iterative Korrektur der Umfangsgeschwindigkeit u2, der Volumenstromzahl Φ, des polytropen Wirkungsgrades hpol, der Endtemperatur T2 etc. für jedes Laufrad. Anzahl und Art von Zwischenkühlungen werden ermittelt.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

135

6.3.2.5 Thermodynamik von Dampfturbinen Für die Berechnung der Expansion in einer Dampfturbine kann die Zustandsänderung als isentrop angesehen werden. Auch hier sind Berechnungsverfahren ähnlich wie bei der Verdichtung möglich. Diese stützt sich dabei auf Dampftafeln38, die entweder als Tabelle, Zeichnung oder aber als Software-Tool für Excel vorliegen39. Mit den Eingabegrößen • Frischdampfdruck p1, • Frischdampftemperatur T1, • Massenstrom ṁ1, • ggf. Dampf-/Flüssigkeitsanteil x1, • ggf. Drücke und Massenströme in Zwischenentnahmen bzw. Einspeisungen, • Abdampfdruck nach Turbine p2, • Isentroper Wirkungsgrad ηi, z. B. 84 % werden mithilfe der entsprechenden Dampfdaten die innere Leistung der Dampfturbine Pi ·

Pi = ηmech m (h1 − h2 ) und die Endnässe x2 der Austrittsströme bestimmt, ebenso die benötigten Kühlwassermengen für einen nachfolgenden Dampfkondensator.

6.3.3 Grundsätzliche Designvorgaben Basisüberlegung für das Design einer HDRE-Maschine ist ihre in Abschn. 4.3, behandelte Kritikalität innerhalb des verfahrenstechnischen Prozess, zusammen mit der Frage des Einsatzes: zeitweiliger Betrieb oder Dauerbetrieb, Periode zwischen zwei Abstellungen, Ein- oder Mehrstranganlage im alternativen Einsatz. Nur für unkritischen Einsatz oder bei Ventilatoren wird man nicht die entsprechenden API-Standards anwenden, zusammen mit betreiberspezifischen Regelwerken. Betriebspunkte und Kennfelder sollten nach Möglichkeit so ausgelegt werden, dass der optimale Wirkungsgrad am Betriebspunkt mit der häufigsten Fahrweise liegt, andererseits eine gute „Elastizität“ gegenüber Bauspielen und geänderten Fahrweisen vorliegt. Nicht immer kann der hauptsächlich gefahrene Betriebspunkt bei der Spezifikation des HDRE-Maschinenstrangs genau vorhergesagt werden.

38 Wagner, W, Kretzschmar, HJ (2006): International Steam Tables – Properties of Water and Steam Based on the Industrial Standard IAPWS-IF97; Springer, Berlin. 39 FluidEXC_LibF97 (2007), https://f-m.hszg.de/f-m/thermodynamik/prof-dr-ing-habil-hansjoachim-kretzschmar/stoffwert-bibliotheken/excel-fluidexl/fluidexl-libif97.

136

6  Maschinenspezifikation im Detail

Bei Turbomaschinen kann es bei Abschaltungen und Trips, also spontanen Maschinenausfällen, je nach Anordnung und Leitungsführung zum zeitweiligen Rückwärtslauf kommen, möglicherweise auch im Minutenbereich und bei höheren Drehzahlen. Rückflussverhinderer in Form von Rückschlagklappen werden zwar in der Regel auf der Druckseite eines Verdichters vorgesehen, sind aber oftmals nicht dicht (und werden in Sicherheitsdurchsprachen deshalb auch nicht berücksichtigt). Deshalb sollten Lagerungen und Wellenabdichtungen möglichst bidirektional ausgeführt werden, damit sie bei einem solchen Rückwärtslauf keinen Schaden erleiden.

6.3.4 Werkstoffauswahl und Einsatzgrenzen In der Regel obliegt dem Maschinenlieferanten die Auswahl der verwendeten Werkstoffe auf Basis der Angaben, die er in der Spezifikation erhält. Deshalb ist neben den Hauptkomponenten des Prozessgases auch eine Angabe von Spurenstoffen notwendig, auch dann, wenn sie thermodynamisch keinen Einfluss auf die Auslegung haben. Sie geben jedoch einen deutlichen Hinweis auf Korrosivität und können damit die Werkstoffauswahl bestimmen. Besonderes Augenmerk ist z. B. auf Spuren von Schwefelwasserstoff (H2S) oder Chloriden zu legen. Bei Mischgasen und speziellen Gaszusammensetzungen in chemischen Prozessen sind die spezifischen Referenzen der Maschinenlieferanten möglicherweise lückenhaft. Hier liegt das Know-How über anwendbare Werkstoffe eher aufseiten der Betreiber und Verfahrensträger. Gaszusammensetzungen können hochkorrosiv sein oder auch giftig oder explosiv. Nach Möglichkeit sollten dann Werkstoffspezialisten in die Prüfung der Anfragen und Angebote einbezogen werden, um gemeinsam bestimmte Konstruktionswerkstoffe und möglicherweise im Verlauf der Fertigung zusätzlich erforderliche Werkstoffprüfungen und Werkstoffzertifizierungen festzulegen. Der Maschinenlieferant sollte generell die Verantwortung für die Eignung der verwendeten Materialien tragen. In sehr speziellen Fällen kann es allerdings sein, dass ihm bezüglich der Korrosionseigenschaften in Verbindung mit dem Prozessgas keine Informationen vorliegen und er die Verantwortung im Falle von Korrosion ablehnt. Im Folgenden werden einige dem Autor wichtig erscheinende Überlegungen zur Werkstoffauswahl dargestellt. Grundsätzlich sind Werkstoffqualitäten nach internationalen Standards mit entsprechender Materialprüfung und Zertifizierung zu verwenden. Maximal zulässige Endtemperaturen verdichteter Prozessgase für die gängigen metallischen Werkstoffe liegen um die 200  °C. Höhere Temperaturen können konstruktive Sondermaßnahmen erfordern. Die Eigenschaften der Prozessgase können die maximale Endtemperatur weiter einschränken. Für Kohlenwasserstoffe, CO oder CO2 liegen sie bei etwa 120 °C, je nach Druck auch niedriger. Teilweise bilden sich bei höheren Temperaturen auch Zerfallsprodukte und Ablagerungen. Auch negative Auswirkungen auf Elastomerdichtungen bis

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

137

hin zu ihrer Zerstörung können auftreten, wie im Falle der explosiven Dekompression bei CO2. Dies ist im Einzelfall zu prüfen. Die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen sollte zumindest bei korrosiven Prozessgasen vermieden werden. Starke Säuren wie Salpetersäure können interkristalline Korrosion verursachen. Hier sind spezielle Materialien und auch spezielle Materialprüfungen erforderlich. Hinweise hierzu gibt DIN EN ISO 3651-1 (1998)40. Die Verwendung von Grauguss für drucktragende Teile wie Gehäuse oder Zylinder wird wegen seiner Sprödigkeit nur unterhalb von 25 bar und auch dann nur bei unkritischen Medien wie Luft empfohlen. Auch für kleinere Bauteile wie Ölpumpen sollte zur Vermeidung von Schäden zumindest Gusseisen mit Kugelgraphit (Sphäroguss) verwendet werden. Bei Einsatz im Tieftemperaturbereich unterhalb von –10 °C ist die Versprödungsneigung der verwendeten Materialien zu berücksichtigen. Hinweise auf die Verwendung von Sphäroguss im Tieftemperaturbereich wie auch im Hochtemperaturbereich, bei Dampfturbinen bis ca. 550 °C, gibt DIN EN 13445-6 (2021)41.

6.3.5 Mechanik und Rotordynamik bei Turbomaschinen Neben der Werkstoffauswahl für Maschinenbauteile wie Wellen und Gehäuse wegen chemischer und korrosiver Beanspruchung spielen die mechanischen Eigenschaften wegen ihrer hohen Belastung durch Druck und Dynamik eine wesentliche Rolle. Deswegen wird in diesem und dem nächsten Abschnitt speziell auf diese Problematik eingegangen.

6.3.5.1 Mechanische Auslegung von Verdichter- und Turbinengehäusen Um Verluste zu begrenzen, werden die Spiele zwischen rotierenden und statischen Komponenten möglichst gering gehalten. Deshalb muss das Gehäuse eines Verdichters oder einer Turbine, ob gegossen oder geschweißt, formstabil und steif ausgeführt werden. Dies führt zu hohen Wandstärken und damit auch hohen Massen und

40 ISO 3651-1:1998-05 Ermittlung der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen interkristalline Korrosion – Teil 1: Nichtrostende austenitische und ferritisch-austenitische (Duplex)-Stähle; Korrosionsversuch in Salpetersäure durch Messung des Massenverlustes (Huey-Test) (ISO 36511:1998). Beuth-Verlag, Berlin. 41  DIN EN 13445-6:2021-12 Unbefeuerte Druckbehälter – Teil  6: Anforderungen an die Konstruktion und Herstellung von Druckbehältern und Druckbehälterteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit; Deutsche Fassung EN 13445-6:2021. Beuth-Verlag, Berlin.

138

6  Maschinenspezifikation im Detail

hoher Kostenrelevanz. Dieses Auslegungskriterium ist der wesentliche Grund dafür, dass auch eine unter Druck arbeitende Maschine nicht als Druckbehälter angesehen wird. Liegen somit Herstellerangebote mit sehr verschiedenen Gehäusemassen für die gleiche Anwendung vor, kann dies unter Umständen ein Qualitätskriterium sein. Besonders bei horizontaler Gehäuseteilung muss eine Aufwölbung der Teilfuge unter Betriebsdruck vermieden werden, um die Dichtheit der sehr glatten, metallisch dichtenden Oberflächen zu gewährleisten. Wenn der erforderliche Betriebsdruck der Maschine an oder über die Referenzen des Herstellers hinaus geht oder aber die Wandstärken deutlich niedriger sind als bei Vergleichsangeboten, sollte die Auslegung hinterfragt werden, um spätere Leckagen und damit möglicherweise einher gehende Korrosionsschäden zu vermeiden. Ein höherer Anpressdruck kann durch Hydraulik-Verschraubungen oder auch die zusätzliche Abdichtung über Dichtmassen und Dichtschnüre mit oder ohne Nut zwischen den Dichtflächen ermöglicht werden. Eine erforderliche Nachbearbeitung nach Erstmontage ist jedoch sehr kosten- und zeitintensiv. Bei der mechanischen Auslegung ist das grundsätzliche Werkstoffverhalten bei hohen oder tiefen Betriebstemperaturen in Betracht zu ziehen. Bei einem Topf-Verdichter mit vertikaler Gehäuseteilung wird das Gehäuse-Innenteil gegen das Verdichtergehäuse gewöhnlich mit einem statischen O-Ring aus Elastomerwerkstoff abgedichtet. Wird dieser O-Ring nicht einwandfrei eingebaut oder wird er nach längerer Betriebszeit porös, so ist es nicht ausgeschlossen, dass kleine Mengen an Prozessgasen austreten. Dies kann durch eine Sonderkonstruktion mit zwei O-Ringen vermieden werden, zumal wenn zwischen diesen ein Stutzen am Gehäuse angebracht wird, mit dessen Hilfe eine Leckage erkannt werden kann. Bei Turboverdichtern mit Eintrittsleitapparat-Regelung erfordert der mechanische Aufbau eine Durchführung zwischen Prozessgasbereich und Verdichterumgebung, die mittels einer Stopfbuchse abgedichtet wird. Durch anhaftende Verschmutzungen kann es zum einen vorkommen, dass die mechanisch wirkende Regelung nach längerem Betrieb ohne Lageänderung nicht mehr gängig ist. Zum anderen können minimale Leckströme je nach Drucksituation von innen nach außen oder von außen nach innen gelangen. Ist das aufgrund der Gaseigenschaften nicht zulässig, könnte in beiden Fällen geprüft werden, ob ein kleiner Spülstrom eines mit dem Prozessgas kompatiblen Gases kontinuierlich zugeführt werden kann. Für Dampfturbinen mit ihren hohen Oberflächentemperaturen wird eine ölbeständige, eng anliegende, für Inspektionszwecke abnehmbare und wiedermontierbare MattenIsolierung mit einer Oberflächentemperatur von nicht mehr als 60 °C (als Berührungsund Brandschutz) empfohlen. Hiermit werden beim Abkühlen Dampfleckagen an Teilfugen vermieden.

6.3.5.2 Mechanische Auslegung der rotierenden Bauteile Zu den rotierenden Bauteilen gehören Verdichterlaufräder, Turbinenschaufeln, die Welle selbst, aber auch mitrotierende Teile von Kupplungen, Wellenabdichtungen und

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

139

Lagerungen. Die Gesamtheit der zusammengebauten rotierenden Teile wird dann als Rotor oder Läufer bezeichnet. Die Berechnung der Belastungen, Eigenformen und Eigenfrequenzen erfolgt dabei über Finite-Element-Methoden (FEM). Die Dauerfestigkeit kann z. B. in einem Dauerfestigkeitsdiagramm nach Haigh und Smith dargestellt werden. Empfohlene konservative Auslegungen für die Umfangsgeschwindigkeiten von Laufrädern von Einwellen-Turboverdichtern für Prozessgase liegen zwischen 200 m/s und 300 m/s. Bei Luft und ähnlichen Medien und auch bei Getriebe-Turboverdichtern können die Umfangsgeschwindigkeiten höher liegen. Es werden offene und geschlossene Laufräder verwendet, meist „3D“ mit räumlich verwundenen Schaufeln. Geschlossene Laufräder, also solche mit Deckscheibe, werden für Einwellen-Turboverdichter eingesetzt. Für Getriebe-Turboverdichter werden häufig auch offene Laufräder eingesetzt, um hohe Umfangsgeschwindigkeiten bei fliegender Lagerung zu ermöglichen. Die Fertigung der Laufräder wie auch von Turbinenschaufeln erfolgt meist über 5-achsige Fräsmaschinen aus dem Vollen. Die Deckscheiben für Verdichterlaufräder werden häufig auch separat gefertigt und aufgeschweißt. Bei schmalen Laufrädern werden wegen schlechter Zugänglichkeit auch Hochtemperatur-Lötverfahren unter Vakuum angewendet. Die Lötstellen unterliegen je nach Gaszusammensetzung jedoch Korrosionsangriffen. Insbesondere werden gelötete Deckscheiben für die Verdichtung von Umgebungsluft nicht empfohlen, da hier über die Zeit Erosions- und Korrosionsschäden erwartet werden. 3D-Druckverfahren zur Fertigung von Laufrädern werden zurzeit von allen großen Herstellern untersucht, sind aber bislang noch nicht Praxis. Für kleinere Dampfturbinenschaufeln wird diese Herstellungsmethode bereits eingesetzt. Besonders für die Ersatzteilversorgung wäre diese Fertigungsmethode ein großer Gewinn. Eine Verdichterwelle wird normalerweise ebenfalls aus dem Vollen hergestellt. Die Laufräder werden in der Regel auf die Welle aufgeschrumpft. Bei der Auslegung der Schrumpfverbindung ist zu beachten, dass Verdrehungen auch im mikroskopischen Bereich während des Betriebs, und auch bei Überdrehzahl, ausgeschlossen werden. Die Belastung durch Zentrifugalkräfte sollte nur so hoch sein, dass ein ausreichender Abstand zur Streckgrenze des Materials besteht. Als Anhaltswerte hierfür könnten 15 … 20 % gelten. Dampfturbinenläufer erhalten zur Befestigung der Schaufeln unterschiedlich konstruierte Nuten am Umfang. Neben der Fertigung des Läufers aus dem Vollen kommen auch Scheibenläufer zum Einsatz, bei denen jede Scheibe eine Schaufelreihe enthält. Wesentlich für die Auswahl ist dabei die Fachkenntnis des Herstellers. Gängiges Prinzip für die gegen Verdrehung gesicherte Verbindung von Laufrad und Welle bei Getriebe-Turboverdichtern ist die nach seinem Erfinder benannte HirthStirnverzahnung mit Dehnschraube. Diese Art der Verbindung ist verdrehsicher und hat damit den Vorteil, dass ein erneutes Auswuchten nach Re-Montage des Rotors nicht notwendig ist.

140

6  Maschinenspezifikation im Detail

Interessant kann hier der seitens des Maschinenherstellers für die Hirth-Verzahnung verwendete Sicherheitsfaktor sein, der mit mindestens 3 anzusetzen ist. Manche Hersteller verwenden dagegen einen Sicherheitsfaktor von 5. Dies kann sich in der späteren Betriebsphase als günstig erweisen, wenn über Kapazitätserhöhungen durch Erhöhung der Drehzahl nachgedacht wird.

6.3.5.3 Rotordynamik Der Begriff „Rotor“ oder „Läufer“ bezeichnet die rotierende Welle mit ihren montierten Laufrädern und anderen rotierenden Komponenten einschließlich Radial- und Axiallager sowie Wellenabdichtungen. Die Rotordynamik hat einen wesentlichen Einfluss auf die Auslegung und Grenzen von Rotoren mitsamt ihren Laufrädern. Kritisch sind besonders schlanke und lange Rotoren. Eine rotordynamische Analyse umfasst Lateralschwingungen und Torsionsschwingungen mit ihren zugehörigen Eigenfrequenzen und Schwingungsformen. Simulationsmodelle in guter Detailtiefe gehören standardmäßig zur Auslegung durch die Maschinenlieferanten. Einen erheblichen Einfluss auf die Modellierung und damit auf die Bestimmung der Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen hat die Art und Auslegung der Radialund Axiallager. Sind Eigenfrequenzen und Eigenformen berechnet, so werden die möglichen Anregungsmechanismen mit ihren jeweiligen Frequenzen bestimmt. Hauptsächlich betrachtet werden Unwuchtschwingungen, die eine drehfrequente Lateralschwingung hervorrufen, aber auch aerodynamische Belastungen des Laufrads, fehlerhaft ausgerichtete Kupplungen und Lager, und Reibung zwischen rotierenden und stationären Komponenten. Da man nicht in allen Fällen den Eigenfrequenzen komplett aus dem Weg gehen kann, folgt einer ungedämpften eine gedämpfte Lateralanalyse, um die Auswirkungen der Dämpfung mit zu berücksichtigen. Die minimal erforderlichen Spiele werden sich auf Basis dieser Berechnungen ergeben, aber auch Gütekriterien für das spätere Auswuchten. Für eine Analyse der Torsionsschwingungen muss der komplette Antriebsstrang untersucht werden, auch wieder auf seine Eigenfrequenzen und Dämpfungseigenschaften. Als ein wichtiger Anregungsmechanismus sei hier ein mehrphasiger Kurzschluss bei Asynchronmotoren genannt. Die torsionskritischen Drehzahlbereiche werden mittels eines Campbell-Diagramms veranschaulicht, welches die Eigenfrequenzen als Funktion der Drehzahl darstellt.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

141

Zur Vertiefung der Kenntnisse zur Rotordynamik, speziell in Bezug auf rotierende HDRE-Maschinen, eignet sich gut die ausführliche Beschreibung in API RP 684-1 (2019)42.

6.3.6 Massenkräfte und Pulsationen bei oszillierenden Maschinen Durch die periodisch oszillierende Bewegung von Kolben und Kurbel bei Kolbenverdichtern entstehen oszillierende Kräfte, die an die Umgebung, insbesondere die Kurbelwelle, übertragen werden. Nur ein Teil dieser Kräfte kann durch eine gegenläufige Anordnung der Kolben ausgeglichen werden. Für jeden Betriebsfall werden die aus Massenkräften und Gaskräften kombinierten Stangenlasten vom Maschinenlieferanten berechnet und im technischen Datenblatt dargestellt. Sie werden auf der Grundlage des Sollwertes des Druckbegrenzungsventils jeder Stufe und des niedrigsten spezifizierten Saugdrucks entsprechend jeder Betriebsbedingung berechnet. Die kombinierte Stangenbelastung sollte 90 % der maximal zulässigen kombinierten Stangenbelastung des Herstellers nicht überschreiten. Um eine möglichst hohe Standzeit des Verdichters zwischen zwei Abstellungen zu erreichen, werden keine höheren mittleren Kolbengeschwindigkeiten als 3 m/s für trocken laufende Ringverdichter, 3,5 m/s für ölgeschmierte Ringverdichter und 4,5 m/s für Labyrinthverdichter empfohlen. Kritisch sind hier zum einen Reibungseffekte bei Kolben- und Führungsringen, zum anderen die Belastung der Saug- und Druckventile. Aufgrund der periodisch oszillierenden Kräfte ergeben sich periodische Drehzahlschwankungen, die mithilfe eines Schwungrades minimiert werden. Der verbleibende Ungleichförmigkeitsgrad (Differenz der maximalen und minimalen Drehzahl, bezogen auf deren Mittelwert) sollte 1:100 nicht überschreiten. Ebenfalls aufgrund der periodisch oszillierenden Kräfte werden in den Maschinenkomponenten und Prozessleitungen Druckpulsationen induziert, die negative Auswirkungen auf Rohrleitungskräfte, Schwingungen, Wirkungsgrad, Mengenmessungen und die Betriebssicherheit haben. Um diese in ihren zulässigen Grenzen zu halten, werden bei der Systemauslegung teilweise aufwendige rechnerische Pulsationsstudien durchgeführt, in die die Anregungen durch den Verdichter, die Eigenschaften des Prozessgases sowie die Geometrien von Pulsationsdämpfern und Rohrleitungen mit ihren Halterungen eingehen.

42 API

RP 684-1 (2019) API-Standard Paragraphs Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute, Washington.

142

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.3.7 Rohrleitungen und Anschlüsse Aufgrund der engen Toleranzen zwischen statischen und rotierenden Teilen können Turbomaschinen an den Prozessgasflanschen nur sehr geringe Kräfte und Momente aufnehmen. Speziell bei großen und steifen Anschlussleitungen sind diese Bedingungen nicht leicht einzuhalten. Es ist eine sehr enge Kooperation zwischen Maschinenlieferant und Rohrleitungsplaner notwendig, um geeignete Fixpunkte zu definieren und Rohrleitungshalterungen zu spezifizieren. Die Wärmeausdehnung zwischen Stillstand (kalt) und Betriebszustand (heiß) ist zu berücksichtigen. Heißgehende Frischdampfleitungen für Dampfturbinen müssen z. B. aus diesen Gründen sehr elastisch ausgelegt werden. Bei Kolbenmaschinen ist die Lage und Ausführung der Rohrleitungshalterungen auch über die Durchführung einer Pulsationsstudie zu ermitteln. Aus Gründen der Arbeitssicherheit ist zu prüfen, ob es für spätere Instandhaltungsmaßnahmen sinnvoll ist, die Maschine über Double-Block-and-BleedArmaturen vom Prozess entkoppeln zu können. Damit kann vor dem Öffnen der Maschine bzw. der Rohrleitungen der Spülvorgang zum Inertisieren auf die Maschineneinheit begrenzt und damit Zeit gewonnen werden. Alternativ können auch Steckscheiben eingesetzt werden. Oft haben die Gehäuseanschlüsse von HDRE-Maschinen ANSI-Abmessungen. Wenn die angeschlossenen Rohrleitungen nach DIN EN gefertigt werden, wird ein Gegenflansch als Anschweißflansch für die Rohrleitungen benötigt, der meist vom Maschinenlieferanten zur Verfügung gestellt wird, wenn dieser nicht auch die Rohrleitungen für die Zwischenverrohrung liefert. Auch auf korrekte Lieferung von Schrauben und Dichtungen ist dabei zu achten. Vor den einzelnen Prozess-Stufen eines Verdichters, mindestens aber vor der ersten Stufe, sollten konische Anfahrsiebe vorgesehen werden, wie in Abschn. 6.2.4.1 beschrieben. Ziel ist, Schäden durch Montagereste und Schmutz beim Anfahren zu vermeiden. Gegebenenfalls bleiben die Anfahrsiebe auch während des weiteren Betriebs eingebaut. Generell sollten alle Anschlüsse an das Maschinengehäuse geflanscht und geschweißt werden. Um Abriss durch mechanische Fehlbeanspruchung zu vermeiden, sollten Mindest-Durchmesser vorgeschrieben werden, z. B. DN50. Dies gilt auch innerhalb der Hilfs- und Versorgungssysteme. Geschraubte Anschlüsse sind wegen der Gefahr von Leckagen zu vermeiden, auch weil eine Reparatur im Betrieb nicht möglich ist. Ausnahmen sollten nur dann gelten, wenn es die Abmessungen nicht zulassen, sowie für Impuls- und Messleitungen, die mit Klemmringverschraubungen ausgeführt werden.

6.3.8 Aufstellungsplanung Aufstellung und Instandhaltungskonzept von HDRE-Maschinensträngen sind bezüglich erforderlichem Platzbedarf oft Grund für lange Diskussionen mit HDRE-Engineer und

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

143

Instandhaltern innerhalb eines Projektteams. Viele Faktoren nehmen hierauf Einfluß. Die Instandhaltungsorganisationen wünschen tendenziell viel Platz auch für die Ablage von Teilen innerhalb eines möglichst geschlossenen Gebäudes mit Hallenkran, um ihre späteren Aufgaben optimal durchführen zu können. Das Projektteam ist dagegen eher an platzsparenden Optionen mit geringen Investitionskosten interessiert.

6.3.8.1 Platzverhältnisse Bei einem „Greenfield“-Projekt, dem Neubau einer Produktionsanlage auf einer unbebauten Fläche, sind die Platzverhältnisse meist ausreichend. Während der Konzeptphase kann bereits anhand von Aufstellungszeichnungen ähnlicher Maschinen aus Budgetangeboten abgeschätzt werden, welcher Flächenbedarf besteht und wo die Maschine sinnvollerweise angeordnet werden kann. In einem „Brownfield“-Projekt, bei einem Ersatzprojekt für einen auszutauschenden Maschinenstrang oder auch bei Kapazitätserweiterungen innerhalb eines Maschinenstrangs ist die Situation komplizierter. Vor allem gilt dies in Fällen, bei denen der kontinuierliche Weiterbetrieb von Teilanlagen während Demontage-, Fundament- und Montagearbeiten bis hin zur Inbetriebnahme des neuen Maschinenstrangs möglichst wenig in Mitleidenschaft gezogen werden soll. Mitbetrachtet werden muss auch der Platzbedarf, an dem die später gelieferten Ersatzteile sicher, ausreichend konserviert und leicht zugänglich untergebracht werden. Eine Auslagerung an den Maschinenlieferanten oder Drittfirmen, die hierfür geeignete Flächen zur Verfügung stellen, ist in einigen Fällen auch möglich. 6.3.8.2 Aufstellungsplanung Bei der Aufstellungsplanung wird zum einen aus Gründen der Minimierung von Kosten und Druckverlusten auf geringen Platzbedarf und kurze Prozessrohrleitungen geachtet, ebenso auf kurze Zeiträume für die Montage und Inbetriebnahme. Zum anderen muss das Augenmerk auf gute Zugänglichkeit, ausreichenden Ablageplatz und Verfügbarkeit von Hebemitteln gelegt werden, damit Anlagenabstellungen, Revisionen und Trouble-Shooting in möglichst kurzer Zeit vonstatten gehen können. HDRE-Maschinenstränge sollten möglichst bodennah aufgestellt werden, um die hohen Gewichte aufzunehmen und Schwingungsbeanspruchungen nicht in die übrige Gebäudestruktur der Produktionsanlage zu übertragen. Grundsätzlich geht es dabei um einen Kompromiss, denn Platz ist in der Regel knapp, und die Investitionen für eine Kompaktanlage mit integriertem Ölsystem und engen Schallschutzhauben sind geringer als die für eine Maschineneinheit mit optimaler Zugänglichkeit, die in der Regel ein eigenes Gebäude mit fest montierter Laufkatze vorsieht. Ebenso ist der Platzbedarf für Schalldämpfer, Bypassleitungen, Kühler, Pulsationsdämpfer und Absperrarmaturen zu berücksichtigen. Besonders bei RohrbündelWärmeübertragern ist Platz zum Ziehen der Rohrbündel vorzusehen.

144

6  Maschinenspezifikation im Detail

Abb. 6.7 zeigt eine moderne Anwendung zur Energiespeicherung mittels verdichteter Druckluft ohne Darstellung der Verkabelung und Versorgungsleitungen. Die Aufstellung der einzelnen Maschinenkomponenten erfolgt auf separaten Tischfundamenten. Über die verschieden hohen Fundamente werden die Achshöhen der Einzelkomponenten angepaßt. Besonderheit ist der MV-Antriebsmotor mit zwei Wellenenden. Hochdruckverdichter und Antriebsmotor sind auf eigenen Grundplatten montiert. Das Gehäuseinnenteil des vertikal geteilten Einwellen-Verdichters kann horizontal nach links herausgezogen werden, mit ausreichend Platz für Revisionsarbeiten.

6.3.8.3 Grundrahmenmontage Um Montagezeit und größere Schweißarbeiten vor Ort auf ein Minimum zu reduzieren, können Verdichter und Turbinen bereits herstellerseitig auf geschweißten Grundrahmen („Skid“) aus Schwarz- oder Edelstahl geliefert werden. Je nach Größe können diese separat für Antrieb, Getriebe, Arbeitsmaschine und Hilfsanlagen sein, aber auch den kompletten Maschinenstrang umfassen. In diesem Fall spricht man von sogenannten „Single-Lift“-Anlagen, die mit einem einzigen oder wenigen Kranaktionen auf ihr vorbereitetes Fundament eingebracht werden können. Bei Kolbenmaschinen ist hierbei der Maschinenstrang zusammen mit Abscheidern, Pulsationsdämpfern, Zwischen- und Nachkühlern auf dem Grundrahmen montiert. Bei kleineren Einwellen-Turboverdichtern kann der Maschinenstrang auf einem Oberdeck montiert sein, auf einem verbundenen Unterdeck befinden sich dann das Ölsystem und die Kühler.

Abb. 6.7   CAES (Compressed Air Energy Storage) Verdichtungsstrang (v. r. n. l.) Lufteinlassfilter, 5-stufiger Getriebe-Turboverdichter mit Zwischenkühlung, Getriebe, Antriebsmotor mit 2 Wellenenden, Getriebe, Einwellenverdichter. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

145

Abb. 6.8 zeigt eine Wärmepumpen-Anwendung. Abgebildet ist die komplette Maschineneinheit mit elektrischem Antrieb, Sperrgas- und Ölsystem auf separaten Grundrahmen.

6.3.8.4 Fundamentplanung Nach Möglichkeit werden Verdichter und Turbinen auf bodennahem Fundament oder auf Tischfundament installiert. Die Fundamente werden von ihrer Umgebung entkoppelt errichtet, um Schwingungsübertragung zu vermeiden. Da erforderliche Pfählungen und der Betonbau bereits in einer frühzeitigen Projektphase erfolgen, müssen in den Boden eingeleitete statische und dynamische Kräfte und Momenten sowie deren Frequenzen bereits dann abgeschätzt werden. Besonders bei vertikal arbeitenden Hubkolbenverdichtern nimmt das Fundament hohe vertikale dynamische Kräfte auf. Für große Maschinenstränge, insbesondere bei Dampfturbinenantrieb, werden oft Tischfundamente verwendet, um die vertikal angeordneten Prozessgas- bzw. Abdampfleitungen nach unten abzuführen. Ungünstiger wird die Situation, wenn die Maschinen in speziellen Fällen auf einem Gebäudedach oder in einem Stahlgerüst bodenfern eingebaut werden sollen. Für kleinere Ventilatoren ist dies üblich. Hier ist eine Schwingungsisolierung unter Verwendung von Gummipuffern oft ausreichend.

Abb. 6.8   Grundrahmenmontierter, elektrisch angetriebener Heatpump-Verdichter. Versorgungssysteme auf separaten Grundrahmen. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

146

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.3.9 Instandhaltungskonzepte Für HDRE-Maschinenstränge kommen in der Regel keine ausfallorientierten Instandhaltungsstrategien infrage, da dies inakzeptable längere Produktionsausfälle zur Folge hat. Meist wird eine gemischte Strategie aus zeitbasierter und zustandsorientierter Instandhaltung angewendet. Als zeitbasierte Elemente kommen infrage • Die jährliche Überprüfung von Sicherheitseinrichtungen: Dazu sollten vorzugsweise Vorgehensweisen ermittelt werden, die eine Abschaltung vermeiden. • Der jährliche Austausch von Verschleißteilen bei Kolbenmaschinen: Hierzu ist ein Maschinenstillstand von etwa einer Woche erforderlich. Wenn das für die Anlage nicht gewünscht wird, ist eine A/B-Anordnung der entsprechenden Maschinen erforderlich. Bei Labyrinthverdichtern ist eine Periode von 2 Jahren denkbar, für Membranverdichter oder schnell laufende Hubkolbenverdichter können 2 Stillstände pro Jahr erforderlich sein. • Die vorgeschriebenen Druckbehälterprüfungen im Zyklus von 5 Jahren: Hierzu ist ein kompletter Anlagenstillstand erforderlich. Die Auslegung kontinuierlich betriebener Turbomaschinen erfolgt in der Regel auf 5 Jahre, sodass dann eine mehrwöchige Revision und Reinigung der Innenteile erforderlich wird und z. B. Lager und Dichtungen ersetzt werden. Zustandsbasierte und vorausschauende Elemente werden durch Zustandsüberwachung („Condition Monitoring“) auf Basis von Messwertverläufen von Maschine und Prozess ermittelt. Unter Berücksichtigung von Messwertänderungen können Maßnahmen geplant und nach Möglichkeit innerhalb ohnehin geplanter Abstellungszeiträume durchgeführt werden. Zumindest kann damit versucht werden, unkontrollierte Abstellungen zu vermeiden. Da auch ungeplante Ausfälle eines Maschinenstrangs möglich sind, sollten für solche Vorkehrungen getroffen werden. Insbesondere sollte geschultes Personal vorgehalten werden und die wesentlichen Ersatzteile vorhanden sein. Notfallverträge mit dem jeweiligen Maschinenlieferanten sollten ebenfalls abgeschlossen werden. Um einen Ausfall des Maschinenstrangs aufgrund des Ausfalls kleinerer Komponenten wie Ölpumpe oder Ölfilter zu vermeiden, sollte auf geeignete Redundanzen, z. B. doppelte umschaltbare Ölfilter, geachtet werden. Dies gilt auch für die Belüftung einer Schallschutzhaube mittels redundant angeordneter Ventilatoren. Von der Unternehmensphilosophie und dem zur Verfügung stehenden Fachpersonal hängt es ab, welche Maßnahmen mit eigenem Personal durchgeführt werden können und für welche Maßnahmen Verträge mit Maschinenlieferanten oder spezialisierte Drittfirmen geschlossen werden. Die Montage und Erstinbetriebnahme wie auch eine Maschinenrevision sollte vom Maschinenlieferanten beaufsichtigt und verantwortet werden.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

147

6.3.10 Ersatzteilkonzept Ein gutes Instandhaltungskonzept kann nur dann funktionieren, wenn im Bedarfsfall neben geeignetem Personal und vorhandenen Werkstattkapazitäten alle wesentlichen Ersatzteile funktionsfähig zur Verfügung stehen. Die Herstellungs- und Lieferzeiten von Ersatzteilen betragen in einigen Fällen mehr als 6 Monate. Die Beschaffungskosten bei Nachbestellungen sind zudem erheblich höher als zu Projektbeginn. Deshalb sollte Wert darauf gelegt werden, dass gleich bei Maschinenbestellung auch die wesentlichen Ersatzteile mitbestellt werden oder zumindest eine Option besteht, sie rechtzeitig vor der geplanten Inbetriebnahme nachzubestellen. Um sich gegen nachträgliche Preiserhöhungen abzusichern oder solche abzufedern, können bereits vor Bestellung von Maschine oder Maschinenstrang Ersatzteilpreise für die Zeit nach Inbetriebnahme mit einer zeitlichen Eskalationsklausel mit dem Maschinenlieferanten vereinbart werden. Für die Maschinendokumentation sollte eine tabellenbasierte Liste für die Ersatzteile vereinbart werden, in der später auch die eigene Ersatzteilhaltung dokumentiert wird und einfach Nachbestellungen ausgelöst werden können. Empfehlungen für die zu beschaffende Anzahl sollten in diese vom Maschinenlieferanten eingetragen werden. Für vom Maschinenlieferanten zugekaufte Teile sollten auch die Ersatzteilbezeichnungen des Originalherstellers mitgeteilt werden. Eine vielfach eingesetzte Form ist die E-SPIR-Liste43. Es handelt sich hier um ein elektronisches Formular, das von Shell Global Solutions erhältlich ist. Es enthält Informationen zu allen Ersatzteilen und Verbrauchsmaterialien für Geräte zur Nutzung in „AS BUILT“-Dokumentenablagen, in Materiallisten für Wartungsarbeiten, zur Ermittlung der Ersatzteilbevorratung und für Vorgaben zur Ersatzteilbeschaffung. Unterschieden wird zwischen Inbetriebnahme-Ersatzteilen („Startup&Commissioning Spares“), regelmäßig erforderlichen Ersatzteilen und Verschleißteilen („Normal Operating Spares“) und kritischen Ersatzteilen („Capital Spares“). Die Auflistungen im folgenden Text erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern sollen Überlegungen unterstützen, auf was geachtet werden muss. Im Einzelfall und auch gemäß Unternehmensphilosophie sind Ergänzungen und Abweichungen erforderlich.

6.3.10.1 Kritische Ersatzteile („Capital Spares“) Als kritische Ersatzteile („Capital Spare“) werden wichtige und kostspielige Ausrüstungsteile mit gewöhnlich langer Lebenserwartung bezeichnet, die im Falle eines unvorhergesehenen Ausfalls nicht kurzfristig von Lieferanten verfügbar sind und deren Fehlen ein inakzeptables Risiko für die Produktion darstellt. Beispiele sind eine

43 https://www.espir.shell.com.

148

6  Maschinenspezifikation im Detail

komplette Baugruppe eines Turbinenläufers, ein komplettes Wärmeübertrager-Bündel oder eine komplette Pumpe. In vielen Fällen wird eine Wertgrenze zur Definition von kritischen Ersatzteilen gewählt oder die Pflicht, diese wie auch andere Ausrüstungsgegenstände abzuschreiben. Die Lagerhaltung muss derart erfolgen, dass sich jedes dieser Ersatzteile in einem voll funktionsfähigen und direkt verwendbaren Zustand befindet. Als Capital Spares für Turbomaschinen werden im Allgemeinen die folgenden Komponenten bezeichnet: • ein Ersatzrotor mit Laufrädern, ausgewuchtet und mechanisch getestet44, • ein Satz interne Labyrinthe, • ein (nur in Spezialfällen erforderliches) Ersatzgehäuse45, • ein ausgewuchteter und konservierter Radsatz (bei Stirnradgetrieben), • ein komplettes Ersatzgetriebe (bei Planetengetrieben wegen der aufwendigen Montage), • ein Satz Ersatzkupplungen für den Maschinenstrang, • ein Eintrittsleitapparat mit Aktuator, • ein Satz Axial- und Radial-Lager mit bereits eingebauten Pt100-Temperaturaufnehmern, • ein Satz Wellenabdichtungen, • ein Satz Kompensatoren, • eine Bypass-Armatur mit Antrieb (für Verdichter), • ein Satz Leitschaufelträger (für Dampfturbinen), • ein Satz Ersatzteile für Sicherheits- und Steuerarmaturen mit Aktuatoren (für Turbinen und Expander). Als Capital Spares für Kolbenmaschinen werden im Allgemeinen die folgenden Komponenten bezeichnet: • • • •

ein Satz Hauptlager der Kurbelwelle, ein Satz Kolben- und Führungsringe, ein Satz Saug- und Druckventile, ggf. auch Kolben, Kolbenstange, Kurbelwelle.

44 Lange

Rotoren werden vertikal, konserviert und in klimakonditionierter Atmosphäre gelagert, um Durchbiegungen und Korrosionsschäden zu vermeiden. Kleinere Rotoren sollten in einer dafür geeigneten Box unter Stickstoffatmosphäre gelagert werden. 45 Es ist zu erwarten, dass aufgrund von Gusstoleranzen bei einer späteren Nutzung maschinelle Anpassungen erforderlich werden. Auch sind große Schäden an Gehäusen selten, die nicht durch Reparatur beseitigt werden können.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

149

6.3.10.2 Ersatzmotoren für Verdichterantriebe Totalschäden an MV-Antriebsmotoren treten sehr selten auf. Andererseits liegen die Lieferzeiten für einen neuen MV-Antriebsmotor im Bereich eines Jahres. Je nach Firmenphilosophie, Kritikalität der Arbeitsmaschine und Verfügbarkeitsanforderungen werden deshalb Motor-Ersatzteile oder ein kompletter Ersatzmotor beschafft. Bei mehreren Maschinensträngen mit ähnlichem Leistungsbedarf kann das Konzept eines gemeinsamen Ersatzmotors genutzt werden, vorausgesetzt, elektrische und geometrische Randbedingungen („Footprint“) wurden zuvor angepasst. Sollte der Ersatzmotor auf den höchsten Leistungsbedarf ausgelegt sein, ist dann für den Betrieb mit einem Verdichter ein geringfügig kleinerer Wirkungsgrad zu erwarten. Im anderen Fall würde der Verdichter mit dem höchsten Leistungsbedarf zumindest im Teillastbetrieb genutzt werden können. PRAXISBEISPIEL – GEMEINSAMER MV-ERSATZMOTOR

Beim Neubau zweier verfahrenstechnischer Anlagen an einem Standort wurden für Verdichterantriebe 2 MV-Motoren mit jeweils 7 MW Leistung und ein weiterer mit 9,5 MW Leistung benötigt. Es wurde aus Gründen einer maximalen Anlagenverfügbarkeit entschieden, einen gemeinsamen Ersatzmotor mit 9,5 MW Leistung zu beschaffen. Hierzu wurden Achshöhe, Footprint und Anschlussmaße des größeren Motors für die beiden kleineren Motoren bei geringen Zusatzkosten übernommen. Die elektrische Auslegung der 7 MW-Motoren wurde dabei nicht verändert. Die jetzt insgesamt 4 Motoren wurden gemeinsam beschafft und den Verdichterherstellern beigestellt.

Um Kondensation und Korrosion während der Lagerung zu vermeiden, sollte der Ersatzmotor in einem klimatisierten Raum aufgestellt und eine elektrische Stillstandsheizung ständig betrieben werden.

6.3.10.3 Verschleißteile („Normal Operating Spares“) Bei der Auswahl der normalen Betriebsersatzteile wird eine mehrjährige Betriebsdauer in Verbindung mit einer Bewertung der erwarteten Ausfallrate und der geschätzten Lieferzeit des Ersatzteils zu Grunde gelegt. Eine entsprechende Vorschlagsliste des Maschinenlieferanten mit Anzahl und Lieferzeit sollte vorgelegt und verabschiedet werden. Beispiele hierfür ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind • statische Dichtungen: Da statische Dichtungen bei einer Re-Montage meist nicht wieder verwendet werden, sollte ein kompletter Satz von ihnen lagerhaltig sein. Besonders O-Ringe unterliegen zusätzlich einem Alterungsprozess und müssen regelmäßig ausgetauscht werden.

150

6  Maschinenspezifikation im Detail

• Instrumentierungskomponenten: Alle Instrumentierungskomponenten, die nicht bereits serienmäßig lagerhaltig sind. Die erforderliche Anzahl richtet sich nach Anzahl der eingebauten Instrumente, Ausfallwahrscheinlichkeit (z.  B. MTBF, „Mean Time Between Failures“), Prozessbedingungen und Lieferzeit. Je Typ sollte zumindest eines sofort verfügbar sein. Hierzu gehören unter anderem alle Messaufnehmer (Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand), Kabel, Lampen, Schalter, alle Regelarmaturen und Reparatur-Sets. • Elektronik-Bauteile, deren Ausfall zum Ausfall des Maschinenstrangs führt, z. B. für die Maschinensteuerung, • Aktuatoren mitsamt ihrer Antriebe, • Sicherheitsventile, • Einbauten, z. B. für Flüssigkeitsabscheider und Heizungen.

6.3.10.4 Ersatzteile für Hilfs- und Versorgungssysteme und elektrische Antriebskomponenten Prinzipiell sollte die Auswahl der Ersatzteile für die Hilfs- und Versorgungssysteme so erfolgen, dass der Maschinenstrang beim Ausfall von deren Einzelkomponenten nach Möglichkeit keinen Stillstand erfährt. Wenn dies nicht erreichbar ist, sollte der Ausfall in der Regel nicht länger als 2 Tage betragen. Beispiele hierfür sind • ein Satz Ölpumpen, ggf. mit Antriebsmotor, • mehrere Sets Filtereinsätze, speziell für Ölfilter für Schmier- und Steueröl sowie Öldunstabscheider, Gasfilter im Sperrgassystem, • ein Satz elektronische Bauteile für Frequenzumrichter.

6.3.10.5 Inbetriebnahme-Ersatzteile („Installation & Startup Spares“) Die Inbetriebnahme-Ersatzteile werden im Wesentlichen vom HDRE-Maschinenhersteller definiert. Dieser ist in der Regel während der Montage- und Inbetriebnahmephase vor der Übernahme durch den Anlagenbetreiber für die von ihm gelieferten Maschinen verantwortlich. Es handelt sich dabei um Teile, die während der Installations- und Inbetriebnahmephase häufig ersetzt werden müssen. Die Menge der Ersatzteile ist von den Montagebedingungen und Verfügbarkeiten am Aufstellungsort abhängig. Beispiele hierfür sind • Ersatzkartuschen für Öl- und Sperrluftfilter, • statische Dichtungen für die mitgelieferten Rohrleitungen, • Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben.

6.3.10.6 Schmierstoffe („Consumables“) Die Lieferung des Bestellumfangs zum Aufstellungsort erfolgt mit vertraglich vereinbarten Verpackungs- und Konservierungsmaßnahmen, aber ohne Schmierstoffe oder Kältemittel. Diese werden für die Inbetriebnahme und auch für den späteren Ersatz

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

151

separat beschafft. Deshalb ist bereits vor Inbetriebnahme zu klären, welche Schmierstoffe oder Kältemittel in welcher Menge beschafft werden müssen, und welche Vertragspartei sich hierum kümmert. Empfohlen wird, eine mobile Ölaufbereitungsanlage vorzuhalten, um während der Inbetriebnahme des Ölsystems sowie auch während des laufenden Maschinenbetriebs Feuchtigkeit und Gasgehalt sowie Verschmutzungen reduzieren zu können.

6.3.10.7 Montagehilfsmittel („Special Tools“) Für Maschineninstallation, Instandhaltung und Instandsetzung sind oft Spezialwerkzeuge erforderlich, die nicht standardmäßig beim Instandhalter vorhanden sind. Diese sollten vom Hersteller definiert werden und Bestandteil der Bestellung sein. Beispiele hierfür sind • Hilfsmittel zum Heben, Demontieren und Montieren von Rotoren, Kolbenstangen, Wellenabdichtungen, Instrumenten, • Zentrierwerkzeuge für die Maschinenausrichtung, • eine Handpumpe zum Vorspannen von Schrauben, • ein Satz Schraubenschlüssel, wenn z. B. Schrauben und Muttern in USC („United States Customary Units“) in einem ansonsten metrischen System geliefert werden.

6.3.10.8 Lagerung und Konservierung von Ersatzteilen Optimal ist die Lagerung von Ersatzteilen in einem klimatisierten Gebäude. Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die Konservierung und Verpackung derart ist, dass keine Schäden während der Lagerung auftreten können, und dass sie kurzfristig zur Verfügung stehen. Wenn vorgesehen ist, die Instandhaltung an einen externen Dienstleister zu vergeben, kann die Lagerung auch dort erfolgen. Für große Bauteile wie Turbinenläufer bieten oft die Maschinenlieferanten und andere Dienstleister Einlagerung und Prüfung vor Verwendung in geeigneten klimatisierten Räumen an. Manche Maschinenlieferanten bieten die Lieferung von Ersatzteilen und Werkzeugsätzen in eigens dafür hergestellten Metallboxen an, die bei Revisionen und anderen größeren Reparatur- und Instandhaltungsmaßnahmen neben dem zugehörigen Maschinenstrang aufgestellt werden können und schnellen, übersichtlichen und einfachen Zugriff auf die benötigten Teile zulassen.

6.3.11 Schutz vor Lärmbelastungen Um Personen und Umwelt vor schädlichen Lärmbelastungen zu schützen, muss das Maschinendesign den Lärmschutzvorgaben des Betreibers im Rahmen der behördlichen Verwaltungsvorschriften entsprechen. Hohe Schallemissionen, die von einer Anlage aus-

152

6  Maschinenspezifikation im Detail

gehen, sind in vielen Fällen gesundheitsschädigend, aber gewöhnlich nicht sicherheitsrelevant. Seitens des Betreibers bzw. seines Projektteams werden hierzu in der Regel schalltechnische Gutachten erstellt oder bei Fachfirmen beauftragt, welche für die behördliche Genehmigung der Anlage erforderlich sind. Besonders bei großen Industriestandorten in der Nähe von Wohngebieten können zusätzlich zu den bereits bestehenden Schallemittenten nur noch sehr geringe zusätzliche Schallemissionen zulässig sein. Für die Erstellung und die anschließende Umsetzung eines schalltechnischen Gutachtens sind frühzeitig Informationen zur Schallemission seitens der Maschinenlieferanten erforderlich. Der Maschinenlieferant ermittelt dazu sowohl den A-bewerteten Schall-Leistungspegel Lw,A, der in der Regel 85 dBA nicht überschreiten darf, als auch den Schalldruckpegel Lp,A in 1 m Abstand. Über den erwarteten Wert wird er einen garantierten Wert angeben, der meist um 3 dBA über dem erwarteten Wert liegt. Dieser Garantiewert wird dann vertragsrelevant. Dies gilt zum einen für die Maschine selbst, zum anderen auch für die angeschlossenen Rohrleitungen. Wichtige Normen in diesem Zusammenhang sind die DIN EN ISO 487146, DIN EN ISO 374447, DIN EN ISO 374648, DIN EN ISO 961449. Besonders im Falle von Schrauben- oder Drehkolbenverdichtern ist eine sehr hohe Schallemission zu erwarten. Auch die Aufstellung spielt eine große Rolle, z. B. wenn ein Gebläse auf einem Gebäudedach angeordnet werden soll. Bei Hubkolbenverdichtern kann es dagegen sein, dass auf zusätzliche Maßnahmen zur Schalldämmung verzichtet werden kann. Schallschutzmaßnahmen können sehr kostenintensiv und sowohl technisch als auch vom Platzbedarf her anspruchsvoll sein. Günstig ist hier und auch für Instandhaltungszwecke die Aufstellung der Maschine innerhalb eines geschlossenen Gebäudes mit ausreichend Platzangebot, was in vielen Projekten aus Platz- und Kostengründen nicht realisierbar ist.

46 DIN

EN ISO 4871:2009-11 Akustik – Angabe und Nachprüfung von Geräuschemissionswerten von Maschinen und Geräten (ISO 4871:1996); Deutsche Fassung EN ISO 4871:2009. 47 DIN EN ISO 3744:2011-02 Akustik – Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Hüllflächenverfahren der Genauigkeitsklasse 2 für ein im Wesentlichen freies Schallfeld über einer reflektierenden Ebene (ISO 3744:2010); Deutsche Fassung EN ISO 3744:2010. 48 DIN EN ISO 3746:2011-03 Akustik – Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Hüllflächenverfahren der Genauigkeitsklasse 3 über einer reflektierenden Ebene (ISO 3746:2010); Deutsche Fassung EN ISO 3746:2010. 49 DIN EN ISO 9614-1:2009–11 Akustik – Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen aus Schallintensitätsmessungen – Teil 1: Messungen an diskreten Punkten (ISO 96141:1993); Deutsche Fassung EN ISO 9614-1:2009.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

153

6.3.11.1 Schallschutzhauben Eine übliche Maßnahme zur Reduktion des Körperschalls ist die Konstruktion einer Schallschutzhaube oder eines Schallschutzhauses. Sie reduziert die Körperschallemission des Maschinenstrangs bei geeigneter Auslegung auf die zulässigen Werte. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um Schallschutzmatten handeln, die direkt an den relevanten Maschinenkomponenten angebracht werden. Ist der Zugang zur Maschine im laufenden Betrieb erforderlich, so kommt alternativ zu einem Maschinenhaus eine begehbare Schallschutzhaube in wetterfester Ausführung mit einer ausreichenden Durchgangsbreite, die in der Regel mindestens 0,8 m beträgt, und mehreren zum Teil doppelflutigen Türen zur Sicherstellung von Flucht- und Transportwegen infrage. Die Schallschutzhaube sollte im Allgemeinen rundum geschlossen oder direkt auf der Bodenplatte aufgebaut sein, um eine gute Schallreduktion zu erlauben. In manchen Fällen ist bei Maschinenaufstellung auf einem Säulenfundament mit nach unten abgeführten Prozessgasleitungen jedoch auch eine Einhausung des Maschinenstrangs selbst ausreichend. Beim Design einer Schallschutzhaube sollte darauf geachtet werden, dass die Zugänglichkeit zum Zwecke der regelmäßigen Begehung (falls erforderlich und zulässig), Wartung, Inspektion und auch für Revisionen gewährleistet ist. Dies kann durch selbsttragende Bauweise mit leicht entfernbaren Dach- und Wandelementen erfolgen. Bei Einbau einer Laufkatze zum Herausheben von Komponenten des Maschinenstrangs ist die notwendige Statik der tragenden Teile zu berücksichtigen. Eine Schallschutzhaube benötigt eine geeignete Be- und Entlüftung, um Wärme abzuführen und einen ausreichenden Luftaustausch zu gewährleisten. Zur Auslegung der Lüfterventilatoren ist deshalb die erforderliche Luftumwälzung zu berücksichtigen. Eine Redundanz der Lüfter ist dann erforderlich, wenn der Maschinenstrang nur bei ausreichendem Luftaustausch betrieben werden darf, oder dann, wenn ohne Belüftung zulässige Temperaturen überschritten werden. Für die Beschaffung ist es sinnvoll, geeignete technische Datenblätter zu benutzen, in denen die Details beschrieben werden. Weiterhin sind ausreichende Beleuchtung, notwendige Brandschutzmaßnahmen und die Erfordernis von Gasdetektoren zu berücksichtigen. In der Regel werden diese gemeinsam für die gesamte Produktionsanlage über das Projektteam oder den Anlagenkontraktor beschafft und sind nicht Teil des Lieferumfangs von Schallschutzhauben. 6.3.11.2 Schalldämpfer Zur Minderung von Strömungsgeräuschen von Turbomaschinen, die sich als Schallemission über die Oberfläche der Prozessgasleitungen bemerkbar machen, werden sowohl saug- als auch druckseitig Schalldämpfer, meist in Kassettenbauweise, eingesetzt.

154

6  Maschinenspezifikation im Detail

Bei Konstruktion und Qualitätssicherung solcher Schalldämpfer ist sicherzustellen, dass z. B. auf der Saugseite keine Teile von Kassetten oder Schweißperlen aus den Schalldämpfern in das Laufrad geraten und dieses beschädigen. Verwendete Materialien für Schalldämpfer sind nicht brennbar und abriebfest auszuführen, und sie müssen kompatibel mit dem Prozessgas sein. Teilweise werden für Schraubenverdichter wegen ihrer zusätzlichen Pulsationsanregung spezielle herstellerspezifische Konstruktionen verwendet. Auch die Halterungen für Rohrleitungen mit Strömungsgeräuschen müssen zur Vermeidung von Körperschallausbreitung entkoppelt werden.

6.3.11.3 Beschaffung von Schallschutzmaßnahmen Der Autor empfiehlt, dass die erforderlichen Schallschutzmaßnahmen aus einer Hand durch den Maschinenlieferanten beschafft oder zumindest ausgelegt werden. Andernfalls entsteht eine unübersichtliche weitere Schnittstelle. Falls bei der Schallmessung bei Inbetriebnahme Garantiewerte nicht eingehalten werden, kann nur schwierig geklärt werden, ob Maschinenlieferant oder der Lieferant der Schallschutzmaßnahmen für eine Nachbesserung verantwortlich ist.

6.3.12 Prozessleittechnik (PLT) Unter Prozessleittechnik (PLT) als übergreifende Fachdisziplin werden meist alle Disziplinen verstanden, die elektrischen Strom unterschiedlicher Spannungsebenen benutzen. Dazu gehören Mess-, Steuer- und Regelungstechnik einschließlich Prozessleitsystem, Elektrotechnik, Nachrichten- und Analysentechnik. Letztere zwei spielen in unserem Falle eine nachgeordnete Rolle und werden hier nicht behandelt. Sie sind nur insofern von Belang, als Fernwartung und Fernüberwachung mit ihren Datensicherheitsaspekten immer mehr an Bedeutung gewinnen. In bestimmten Fällen kann bei Prozessgasen, die ihre Zusammensetzung häufig ändern, auch eine Online-Gasanalyse nützlich sein. Für weiterführende Literatur zum Thema Prozessleittechnik wird auf Böckelmann (2015)50 verwiesen. Für den Betrieb eines HDRE-Maschinenstrangs entscheidend sind die Teilthemen • • • •

Maschinensteuerung und -regelung, Schutzsysteme für den Maschinenstrang, Systeme zur Maschinenüberwachung einschließlich Fernüberwachung, maschinennahe Prozess-Überwachung und Optimierung.

50 Böckelmann, M, Winter, H (2015) Prozessleittechnik in Chemieanlagen, 5. Aufl., Verlag EuropaLehrmittel, Haan-Gruiten.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

155

Ihre auf die individuellen Fragestellungen bezogene Spezifikation entscheidet über Auswahl und Umfang der erforderlichen Feldgeräte, ihre Anbindung und die Auswerte- und Steuereinrichtungen. Damit ergibt sich ein entscheidender Einfluss auf Betreibbarkeit, Verfügbarkeit, Kosten sowie Anlagen- und Arbeitssicherheit.

6.3.12.1 Funktionale Sicherheit An dieser Stelle ist es sinnvoll, auf das Thema „Funktionale Sicherheit“ einzugehen. Sie bezeichnet den Aspekt der Sicherheit, der sich auf die korrekte Funktion eines technischen Systems bezieht. In diesem Fall betrifft dies den betrachteten Maschinenstrang und insgesamt die verfahrenstechnische Anlage. Den gesetzlichen Rahmen hierfür bildet in Deutschland das Produktsicherheitsgesetz, welches im Jahre 2021 im „Gesetz zur Anpassung des Produktsicherheitsgesetzes und zur Neuordnung des Rechts der überwachungsbedürftigen Anlagen“51 neu überarbeitet wurde. Mit diesem Gesetz sollen systematische, sicherheitsrelevante Fehler vermieden werden, ferner das Risiko von zufälligen und systematischen Fehlern auf ein akzeptables Maß gesenkt werden. Eine Auswahl relevanter zugehöriger europäischer Normen sind EN ISO 1384952, EN/IEC 6150853 und EN/IEC 6206154. Einen für HDRE-Maschinen spezifischen Beitrag leistet das VDMA-Einheitsblatt 4315 „Turbomaschinen und Generatoren – Anwendung der Prinzipien der funktionalen Sicherheit“ des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. Speziell wird hier auf Teil 1 (Methodik)55, Teil 5 (Dampfturbinen)56, Teil 6 (Gasturbinen)57 und Teil 7 (Verdichterstränge)58 hingewiesen. Einen obligatorischen Beitrag zur funktionalen Sicherheit einer HDRE-Maschine liefert die seitens des Maschinenlieferanten durchgeführte Risikobeurteilung. Diese sollte detailliert durchgesprochen und eventuell den betrieblichen Erfordernissen angepasst werden. Falls sie einen Bestandteil der Maschinendokumentation darstellen soll, ist dies explizit vertraglich festzulegen.

51 https://www.bmas.de/DE/Service/Gesetze-und-Gesetzesvorhaben/gesetz-zur-anpassung-des-

produktsicherheitsgesetz.html. ISO 13849: Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen. 53  EN/IEC 61508: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/ programmierbarer elektronischer Systeme. 54  EN/IEC 62061: Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme. 55  VDMA-Einheitsblatt 4315-1:2022-06, Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Risikoreduktion, Beuth Verlag, Berlin. 56 VDMA-Einheitsblatt 4315-5:2013-02, Risikobeurteilung Dampfturbinen, Beuth Verlag, Berlin. 57 VDMA-Einheitsblatt 4315-6:2013-11, Risikobeurteilung Gasturbinen, Beuth Verlag, Berlin. 58 VDMA-Einheitsblatt 4315-6:2013-02, Risikobeurteilung Verdichterstrang, Beuth Verlag, Berlin. 52 EN

156

6  Maschinenspezifikation im Detail

Verfahrenstechnische Spezifika und vom Prozessgas ausgehende Gefährdungen werden separat abgedeckt, während der Projektabwicklung in Sicherheitsdurchsprachen unterschiedlicher Detaillierungsgrade und im Zusammenspiel zwischen Vertretern der Anlagensicherheit, des Betreibers, des HDRE-Engineer und der Maschinenlieferanten. Hierauf wird im späteren Verlauf nochmals Bezug genommen. Je klarer die entsprechenden Konzepte bereits bis zur Bestellung der Maschine vorliegen, desto geringer wird das Risiko späterer Change-Orders mit hohen Zusatzkosten und möglichen Terminverschiebungen sein.

6.3.12.2 Standardisierung von Feldgeräten Innerhalb eines Anlagenbauprojekts und innerhalb eines Produktionsstandortes wird auf eine möglichst hohe Standardisierung von Feldgeräten (z. B. Ventile, Messumformer) und des für die Datenübertragung erforderlichen Feldbus (z. B. PROFIBUS®) geachtet. Diese sollen ausreichende Anforderungen an Qualität, Robustheit und Verfügbarkeit erfüllen, eine entsprechende Verfügbarkeit von Ersatzteilen sollte ebenfalls gegeben sein. In der Regel existieren hierfür Standard-Gerätelisten unter Angabe ihrer Einsatzbereiche, mit Hersteller- und Typenangaben. Die Feldgeräte für Maschineneinheiten sollten nach Möglichkeit aus dieser StandardGeräteliste entnommen werden und damit die gleichen Instrumentenhersteller und Typen verwenden wie im Rest der Anlage bzw. den anderen Anlagen innerhalb eines Produktionsstandortes. Standard-Gerätelisten sollten deswegen einer Anfrage oder einer Bestellung beiliegen. In Einzelfällen wie z. B. der Bypass-Armatur eines Turboverdichters können wegen ihrer hohen Öffnungsgeschwindigkeit Spezialarmaturen zum Einsatz kommen. Dies ist dann auch bei der Beschaffung von Ersatzteilen zu berücksichtigen. 6.3.12.3 Maschinenstränge in explosionsgefährdeten Bereichen In einer Vielzahl der Fälle befinden sich die betrachteten HDRE-Maschinenstränge in explosionsgefährdeten Bereichen und müssen dann, wie auch die dort angeordneten Feldgeräte, Ex-Sicher konzipiert werden. Ex-Sicher bedeutet, dass selbst bei einem Kurzschluss kein zündfähiger Funke entstehen darf, der ein explosionsgefährliches Gasgemisch entzünden kann. Näheres ist in Europa in der ATEX-Betriebsrichtlinie59 festgelegt. Unter anderem wird dort folgende Zoneneinteilung festgelegt:

59 Richtlinie

1999/92/EG (ATEX-Betriebsrichtlinie) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16.12.1999 über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können (ABl. L 23/57).

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

157

Zone 0

Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist

Zone 1

Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen und Nebeln bilden kann

Zone 2

Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt

Zone 20

Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist

Zone 21

Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub bilden kann

Zone 22

Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt

Im Außenbereich und innerhalb der Strömung des Prozessgases wird in den meisten Fällen Zone 2 zutreffend sein. Zone 1 oder Zone 0 könnte in Ausnahmefällen im Prozessgasbereich zutreffen, was aber wesentliche Zusatzanforderungen an die Konstruktion der Maschinen nach sich zieht. Z. B. gibt es nur wenige Maschinenlieferanten, die Ventilatoren für die Zone 0 herstellen können. Die zutreffende Zoneneinteilung wird in einem sogenannten Explosionsschutzdokument festgelegt und dem HDRE-Engineer zur Einarbeitung in die technischen Spezifikationen mitgeteilt.

6.3.12.4 Redundanz- und Verfügbarkeitskonzepte im PLT-Bereich Bei technischen Systemen versteht man unter Redundanz die bewusste Mehrfachauslegung von technischen Bestandteilen. Die bei normaler Funktion überflüssigen Bestandteile sind als Ersatz für ausfallende Komponenten gedacht. Man unterscheidet kalte und heiße Redundanz. Bei kalter Redundanz wird nach Ausfall eines Bauteils ein anderes in Betrieb genommen. Heiße Redundanz bedeutet, dass im Gesamtsystem mehrere Teilsysteme dieselbe Funktion parallel ausführen. Es muss gewährleistet sein, dass die Wahrscheinlichkeit für den gleichzeitigen Ausfall parallel arbeitender Geräte gegen null strebt. Eine elektronische Vergleichsschaltung wertet die Ergebnisse mehrerer Systeme aus und trifft dann eine Entscheidung. Bei mindestens drei parallelen Systemen kann z. B. das Ergebnis der Mehrheit weitergereicht werden. Nicht nur der Ausfall von Maschinenkomponenten kann durch den dadurch verursachten Stillstand der Produktion hohe Kosten verursachen, sondern auch der Ausfall oder eine Fehlfunktion eines Feldgerätes oder einer Komponente des Prozessleitsystems. Deswegen wird zusätzlich technischer Aufwand betrieben, um die Gefahr

158

6  Maschinenspezifikation im Detail

von Fehlfunktionen zu minimieren und Defekte automatisch zu erkennen und zu melden. Bestimmte Funktionalitäten werden zur Vermeidung von Ausfällen teilweise mehrfach redundant in ein Feldgerät integriert, Messergebnisse werden intern überwacht und geprüft. Bei komplexen Redundanzkonzepten versucht man den sogenannten „Single Point of Failure“ als Komponente, deren Ausfall den Ausfall des Gesamtsystems nach sich ziehen würde, weitestgehend auszuschließen. Bei hochverfügbaren Systemen muss deswegen darauf geachtet werden, dass sämtliche Komponenten mit Übertragungswegen und Gegenstellen redundant ausgelegt sind. Im Falle von hochverfügbaren HDRE-Maschinensträngen heißt das: Wirken die Auswertungen der Feldgeräte auf die Regelung ein oder/und sind sie mit Alarmierung und Abschaltung versehen, so müssen sie redundant ausgeführt werden, um Fehlabschaltungen zu vermeiden. In Chemieanlagen mit hohen Sicherheitsanforderungen werden sie meist „2 aus 3“ ausgeführt. Somit existieren jeweils 3 Messstellen für einen Messwert. Um eine Abschaltung zu initiieren, müssen 2 dieser 3 Messstellen die Abschaltbedingung erfüllt haben. Folgende Redundanzkonzepte bezüglich Abschaltungen sind gängig für verfahrenstechnische Anlagen: 1 aus 1 (1oo1)

Abschaltung erfolgt, wenn ein MessEher „sicher“, geringe Verfügbarkeit wert den Abschaltwert erreicht oder schlecht wird (z. B. bei Leitungsbruch)

1 aus 2 (1oo2)

Abschaltung erfolgt, wenn einer der beiden Messwerte den Abschaltwert erreicht oder als fehlerhaft erkannt wird

2 aus 2 (2oo2)

Hohe Verfügbarkeit, geringe SicherAbschaltung erfolgt, wenn beide Messwerte den Abschaltwert erreichen heit oder mindestens ein Wert als fehlerhaft erkannt wird und der andere den Abschaltwert erreicht

2 aus 3 (2oo3)

Abschaltung erfolgt, wenn mindestens Höhere Sicherheit, höhere Verfügbarkeit zwei Messwerte den Abschaltwert erreichen oder mindestens ein Wert als fehlerhaft erkannt wird und der Abschaltwert von einer weiteren Messung erreicht wird

Hohe Sicherheit, geringe Verfügbarkeit

Die Tabelle kann mit „2 aus 4“ (sicher) oder „3 aus 4“ (sicher und verfügbar) fortgesetzt werden. Solche Redundanzkonzepte finden aber eher bei kritischen Schaltungen in der Flugzeugtechnik und im Kernkraftwerksbau Anwendung.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

159

6.3.12.5 Sicherheitsgerichtete Klassifikation von PLT-Einrichtungen Nützlich ist auch die gängige Klassifizierung bezüglich der Sicherheitsanforderungen an PLT-Einrichtungen: • PLT-Betriebseinrichtungen dienen dem bestimmungsgemäßen Betrieb einer Anlage in ihrem Normal- und Gutbereich. Mit ihnen werden die Automatisierungsfunktionen Messen, Steuern, Regeln, Melden, Registrieren u. a. realisiert. • PLT-Überwachungseinrichtungen sprechen an der Grenze zwischen Gutbereich und (noch) zulässigem Fehlerbereich an und informieren das Bedienpersonal durch eine Meldung, aus der bei Bedarf ein Eingreifen folgt. • PLT-Schutzeinrichtungen verhindern das Erreichen eines unzulässigen Fehlerbereiches durch einen selbsttätigen Eingriff in den Prozess. • PLT-Schadenbegrenzungseinrichtungen begrenzen im Fall des Eintritts eines unerwünschten Ereignisses dessen mögliche Auswirkungen. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Feldgeräte und die komplette Messkette steigen mit ihrem Einsatzbereich an. Eine Qualitätseinstufung erfolgt vielfach über die sogenannten SIL-Level. Dabei steht SIL für Sicherheits-Anforderungsstufe, „Safety Integrity Level“, einem aktuellen System zur Einstufung von Feldgeräten (nach IEC 6150860, IEC 6151161, VDI/VDE 218062). Beispiele zur Einstufung sind • • • •

SIL1: kleine Schäden an Anlagen und Eigentum, SIL2: große Schäden an Anlagen, Personenverletzung, SIL3: Verletzung von Personen mit einigen Toten, SIL4: Katastrophen, viele Tote und gravierende Umweltverschmutzung.

Die jeweilige Einstufung in SIL-Klassen und damit die sicherheitstechnischen Anforderungen an Feldgeräte und die zugehörigen Übertragungsketten ergibt sich aus den Risikobeurteilungen und Sicherheitsdurchsprachen. In der Chemieindustrie spricht man bei Einstufung in SIL3 von Z-Schaltungen. Bei deren Ansprechen erfolgt auch

60 DIN EN 61508-1:2011-02 (VDE 0803-1:2011-02) Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme – Teil  1: Allgemeine Anforderungen (IEC 61508-1:2010); Deutsche Fassung EN 61508-1:2010. Beuth-Verlag, Berlin. 61  DIN EN 61511-1:2019-02 (VDE 0810-1:2019-02) Funktionale Sicherheit – PLTSicherheitseinrichtungen für die Prozessindustrie – Teil  1: Allgemeines, Begriffe, Anforderungen an Systeme, Hardware und Anwendungsprogrammierung (IEC  615111:2016 + COR1:2016 + A1:2017); Deutsche Fassung EN  61511-1:2017 + A1:2017. Beuth-Verlag, Berlin. 62 VDI/VDE 2180 Blatt 4:2021-01 Funktionale Sicherheit in der Prozessindustrie – Mechanische Komponenten in PLT-Sicherheitseinrichtungen. Beuth-Verlag, Berlin.

160

6  Maschinenspezifikation im Detail

Meldung an die zuständigen Behörden. Bei SIL2 und niedriger werden S-Schaltungen eingesetzt, die nicht die gleiche Verfügbarkeit aufweisen müssen und nicht berichtspflichtig sind. Ein weiteres, wichtiges Prinzip bei PLT-Schutzeinrichtungen ist das „Fail Safe“Prinzip. Es gibt an, welche Ansteuerung ein Aktor z. B. bei Energieausfall vornimmt. Die entsprechende Stellung (offen, geschlossen, verharrt in aktueller Position) muss während des Projektablaufs festgelegt werden.

6.3.12.6 Maschinensteuerungen Die Maschinensteuerung für HDRE-Maschinen ist zunächst eine Betriebseinrichtung zur Steuerung und Regelung von Menge und Druck des Prozessgases. Sie wirkt je nach Anlage auf Drehzahl, Stellung des Eintrittsleitapparates und Bypass-Armatur oder andere Armaturen. Auch Hilfsanlagen wie Öl- und Sperrgas-Versorgungssysteme können in die Maschinensteuerung integriert sein. Eingebettet sind oft Funktionen zur Maschinenüberwachung und zum Maschinenschutz. Ihre Realisierung erfolgt meist in separaten, zwischen Betreiber und Maschinenlieferant abgestimmten und vom Maschinenlieferanten mitgelieferten Steuerungen wie z. B. der Siemens SIMATIC® S7-300 oder S7-400. Sie werden in einfachen und redundanten Ausführungen mit normaler und hoher Verfügbarkeit und auch fehlersicher („Fail Safe“) angeboten. Die aktuelle Tendenz geht dahin, die Maschinensteuerung in die Steuerung der Gesamtanlage zu integrieren. In diesem Fall ist technisch sicherzustellen, dass die Anlagenregelung nicht in die Maschinenregelung eingreifen kann, und dass sicherheitsrelevante Schaltungen in jedem Fall sicher angesteuert werden können. In diesem Fall ist es auch nicht möglich, sie gemeinsam mit der Maschine zu testen. Ein solcher Test kann dann erst auf der Anlage selbst durchgeführt werden. 6.3.12.7 Konzepte zum Maschinenschutz und zur Maschinenüberwachung Die Begriffe Maschinenschutz und Maschinenüberwachung beziehen sich in dieser Betrachtung nicht nur auf die Maschine selbst, sondern die gesamte Maschineneinheit einschließlich Getriebe und Antrieb, zusammen mit den Hilfsanlagen wie Öl- und Sperrgas-Versorgungssystemen. Um im Falle von Maschinenschäden direkte negative Auswirkungen auf Mensch, Maschine, Anlage und Umwelt zu minimieren oder zu vermeiden, werden spezielle Maschinenschutzsysteme eingesetzt, die auf Basis gemessener Größen zu einer rechtzeitigen Alarmierung und Abschaltung eines Maschinenstrangs führen sollen. Als Maschinenüberwachung oder auch Maschinen-Monitoring bezeichnet man die Zustandsüberwachung von Maschine und Prozess auf Basis von Messdaten. Ziel ist hierbei die Erkennung von Abweichungen zum optimalen Prozessverlauf, um rechtzeitig und ohne Gefahr für Maschine und Prozess Wartungsarbeiten planen und terminieren zu

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

161

können oder aber bei Überschreitung von Grenzwerten auch automatisch oder von Hand Abschaltungen vornehmen zu können.

6.3.12.8 Maschinenschutz an rotierenden Verdichtern Wesentliche Komponente zum Betrieb und auch zum Maschinenschutz für Turboverdichter ist die Pumpgrenzregelung. Sie soll verhindern, dass während des Betriebs bei geringer Abnahme die Pumpgrenze unterschritten wird. Verlangt die „Verbraucherseite“ geringere als diese Minimalmengen, so wird die Differenzmenge abgeblasen (bei Luftverdichtern) oder, in der Regel gekühlt, zur Saugseite zurückgeführt. Abb. 6.9 zeigt ein typisches Kennfeld für einen über einen Eintrittsleitapparat geregelten Verdichter, in welches Pumpgrenzlinie und Pumpgrenz-Regellinie mit eingetragen sind. Typischerweise wird für die Regellinie (Abblase- bzw. Umblaselinie) ein Sicherheitsabstand von 5 … 10 % des Volumenstroms programmiert, um Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Pumpgrenzlinie oder um Trägheitseffekten der Regelung vorzubeugen. Für den Fall, dass die Pumpgrenzregelung nicht anspricht, wird zusätzlich ein sogenannter Pumpschutz vorgesehen. Hier handelt es sich um ein meist auf Messung von Volumenstrom und Eintrittsdruck basierendes System, welches erkennt, wenn pulsierende Messgrößen vorliegen, die das „Pumpen“ anzeigen. In diesem Fall erfolgt eine Abschaltung der Maschine, wenn dieses Pulsieren mehrfach hintereinander erfolgt. Der Pumpschutz wird in der Regel aus Gründen der Unabhängigkeit in einer separaten, redundanten Einheit durchgeführt und nicht in die Maschinensteuerung eingebunden.

Abb. 6.9   Kennfeld eines Getriebe-Turboverdichters mit verstellbaren Eintrittsleitschaufeln, mit eingetragener Pumpgrenzlinie und Pumpgrenz-Regellinie

162

6  Maschinenspezifikation im Detail

Typische Maschinenschutzsysteme für Turbomaschinen verarbeiten folgende Daten in kontinuierlicher Form und mit Grenzwerten zur automatisierten Alarmierung und Abschaltung: • Schwingungen in Form von Schwinggeschwindigkeiten, in Einzelfällen auch von Schwingwegen, an den Radiallagern: Jedes Radiallager erhält hierfür ein Paar um 90° versetzte, berührungslos wirkende Aufnehmer (X- und Y-Richtung). Eine redundante Anordnung ist hier aus Platzgründen nicht möglich. Maschinenhersteller schlagen meist „1 aus 1“-Abschaltungen für jede Messung vor, die sich aus ihrer Risikobeurteilung ergeben. Aus Betreibersicht führt dies jedoch zu einer deutlich reduzierten Verfügbarkeit durch Fehlmessungen. Hier können Modelle diskutiert werden, die erst dann zu einer Abschaltung führen, wenn an einem Lager eine Messung den Alarmwert und die andere Messung die Abschaltbedingung überschritten hat. In manchen Fällen werden bei Einwellenverdichtern auch die Messwerte aus beiden Radiallagern verglichen und zu einer Art „2 aus 4“-Abschaltung verknüpft. Für die Abschaltung werden die Summenwerte der Schwinggeschwindigkeiten betrachtet. Zulässige Schwingungsgrenzwerte können der Norm DIN ISO 10816-363 entnommen werden. Die neue DIN ISO 20816-364, die sie ersetzen soll, liegt Anfang 2023 noch im Entwurf vor. • Verschiebungen in axialer Richtung am Axiallager: Zu große Verschiebungen führen zum Lagerbruch. Es werden beide Richtungen gemessen und mit Alarm- und Abschaltwerten versehen. 3 redundante Messungen sind mit Ausnahme sehr kleiner Geometrien möglich. Damit ist eine Überwachung mit Abschaltung in „2 aus 3“-Ausführung möglich und üblich. • Temperaturen in den Lagerschalen: Deren Messung erfolgt über Pt100-RTDs („Resistance Temperature Detector“) direkt im Weißmetall des am stärksten beanspruchten Kippsegmentes, meist in Position „5 Uhr“ in Drehrichtung gesehen. Eine weitere Messung kann in einem anderen Kippsegment erfolgen, mißt jedoch aufgrund unterschiedlicher Belastung eine unterschiedliche Temperatur. In der Regel sollten keine Weißmetalltemperaturen oberhalb von 120 °C auftreten. Die letztgültige Einstellung von Alarm- und Abschaltwerten sollte deshalb anhand gemessener Werte während der Inbetriebnahme erfolgen. Auch hier wird

63 DIN ISO 10816-3:2018-01 Mechanische Schwingungen – Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen – Teil 3: Industrielle Maschinen mit einer Nennleistung über 15 kW und Nenndrehzahlen zwischen 120 min−1 und 15.000 min−1 bei Messungen am Aufstellungsort (ISO 10816-3:2009 + Amd.1:2017). Beuth, Berlin. 64 DIN ISO 20816-3:2021-10 – Entwurf Mechanische Schwingungen – Messung und Bewertung der Schwingungen von Maschinen – Teil 3: Industriemaschinen mit einer Leistung über 15 kW und Betriebsdrehzahlen zwischen 120 min−1 und 30.000 min−1 (ISO/DIS 20816-3:2021). Beuth, Berlin.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

163

aus Verfügbarkeitsgründen keine Abschaltung in „1 aus 1“-Ausführung empfohlen, zumal Temperaturänderungen eher langsam erfolgen und seitens des Überwachungspersonals über Alarmwerte gut zu beobachten sind. Der Autor kennt allerdings auch Einzelfälle, in denen eine relativ rasche Änderung übersehen wurde und zu einem Schaden führte. Hier könnte eine parallele Überwachung zweier Messungen mit einer „2 aus 2“- Abschaltung Abhilfe schaffen. Um Blindflug bei Ausfall eines Messelementes zu vermeiden und eine zumindest teilweise Redundanz zu ermöglichen, können zur Messung der Lagertemperaturen auch Doppelelemente eingesetzt werden, die beide bis zum Klemmenkasten verkabelt werden. Bei Ausfall des zum Prozessleitsystem weitergeführten RTDs kann lokal auf das andere Element umgeklemmt werden. In Sonderfällen, z. B. bei Verdichtung von Chlor, kann sich wegen der Chlorbrandgefahr aus der Sicherheitsbetrachtung die Notwendigkeit einer „1 aus 1“-Abschaltung ergeben. Hingewiesen wird auch auf die möglicherweise verzögerte Erkennung von Übertemperaturen aufgrund der Trägheit der Messung bei sicherheitsgerichteten Abschaltungen. • Drehfrequenz und Winkellage der Verdichterwelle, sinnvollerweise auch der Antriebswelle: Deren Messung erfolgt mit einem sogenannten Keyphasor, der ein Signal pro Umdrehung erzeugt. Hiermit ist auch eine Beurteilung der Schwingungsform der Welle möglich. Diese Messungen werden direkt in ein separates Maschinenüberwachungssystem eingespeist, welches die Daten hochfrequent aufzeichnet, den Anschluss eines Frequenzanalysators ermöglicht, Daten ins Prozessleitsystem weiterleitet und auch Alarme und Abschaltungen initiiert. Im Falle der relativ trägen Lagertemperaturen kann deren Überwachung allerdings auch – kostengünstiger – direkt im Prozessleitsystem erfolgen. Das wohl am weitesten verbreitete Maschinenschutzsystem, aber bei weitem nicht das einzige, ist das „3500 Machine Protection System“65 von Bently Nevada. Dieses ist wohl von allen Herstellern von Turboverdichtern als Standardsystem erhältlich. Diese Aussagen gelten ebenfalls für Schraubenverdichter. Am Verdichterkennfeld des Turboverdichters (s. Abb. 6.7) ist zu erkennen, dass bei Verringerung der Menge und gleich bleibender Drehzahl bzw. Einstellung des Eintrittsleitapparates der Enddruck ansteigt. Sowohl der Turboverdichter als auch die zugehörigen Prozessleitungen unterliegen einer Drucklimitierung. Deswegen sollte die Möglichkeit geprüft werden, ob bei ungewöhnlichen Betriebsbedingungen der maximal zulässige Betriebsdruck (MAWP, „Maximum Allowable Working Pressure“) oder der Designdruck überschritten werden kann. Kann dieser Fall eintreten, oder kann im

65 https://www.bakerhughes.com/bently-nevada/monitoring-systems/machinery-protection/3500machinery-protection-systems.

164

6  Maschinenspezifikation im Detail

Zusammenhang auch die maximal zulässige Austrittstemperatur überschritten werden, wird eine weitere sicherheitsgerichtete Abschaltung für diese Fälle erforderlich. Ebenso sicherheitsrelevant ist die Verfügbarkeit von Schmieröl (bei Turbinen auch Steueröl) sowie Sperrmedien für die Wellenabdichtung. Zugehörige Abschaltgrößen sind (niedriger) Öldruck und (niedriger) Sperrgasdruck, jeweils über 3 redundante Messaufnehmer in „2 aus 3“-Ausführung. „2 aus 3“-Abschaltungen liegen auch bei zu geringen zugeführten Sperrgasmengen und zu hohen abgeführten Mengen, die auf Dichtungsleckagen zurückgeführt werden können.

6.3.12.9 Maschinenschutz an Dampfturbinen und Gasentspannungsturbinen Für Dampfturbinen und Gasentspannungsturbinen ist zusätzlich zu den im vorigen Abschnitt genannten Maßnahmen die Möglichkeit eines Schadens durch Überdrehzahl und damit verbundene mechanische Überlastungen zu betrachten. Um solche Überdrehzahlen zu vermeiden, werden Dampfturbinen mit einer Düsengruppen-Leistungsregelung über die Drehzahl ausgestattet, s. Abb. 3.21 in Abschn. 3.5.1 „Industrie-Dampfturbinen“. Als Schutzeinrichtung wird vor der Dampf- bzw. Gas-Einspeisung ein hydraulisches Schnellschluss-Ventil eingebaut, welches bei drucklos gemachter Hydraulik über mechanische Federkraft in Sekundenbruchteilen schließt (etwa 200 ms) und damit weitere Dampfzufuhr verhindert. Die Auslösung erfolgt bei Versagen der normalen Regelung über sicherheitsgerichtete, bei modernen Industrieturbinen in der Regel elektronisch wirkende, dreifach redundante Drehzahlwächter („2 aus 3“). Ein mögliches Szenario für die Auslösung des Schnellschluss-Ventils ist ein plötzlicher Lastabwurf, z. B. aufgrund von Kupplungsversagen, durch den die Turbine in kürzester Zeit auf eine versagenskritische Überdrehzahl beschleunigt werden könnte. Die Schnellschlussdrehzahl wird bei drehzahlgeregelten Turbinen so festgelegt, dass die Auslösung etwa 5 … 10 % über der zulässigen Höchstdrehzahl erfolgt. Sinnvoll sind etwas aufwendige Verschaltungen der Aktoren, mit deren Hilfe es möglich ist, die normalerweise jährlich erforderlichen Tests der Sicherheitseinrichtungen ohne Betriebsunterbrechung durchzuführen. 6.3.12.10 Maschinenschutz an Hubkolbenverdichtern Wichtige Überwachungsgrößen in Bezug auf Maschinensicherheit sind die mechanischen Schwingungen des Verdichterrahmens, die über ihre Amplituden und Zeitsignale allgemeine Aussagen über zu hohe Belastungen oder Risse in der Verankerung zulassen. Diese werden über außen am Zylindergehäuse angebrachte Beschleunigungsaufnehmer ermittelt. Sie können in einer „2 aus 3“- Schaltung redundant angeordnet werden. In manchen Fällen werden an Stelle von Beschleunigungsaufnehmern auch Schwingungsschalter verwendet, bei denen nur das Überschreiten einer Alarmschwelle angezeigt wird.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

165

Die mechanischen Schwingungen des Kreuzkopfes, gemessen mit lokal angebrachten Beschleunigungssensoren, erlauben nähere Rückschlüsse auf den Zustand des Verdichters und werden dadurch zum Bestandteil des Maschinenschutzes. Eine weitere wichtige Sicherungseinrichtung ist eine am Triebwerksgehäuse angebrachte Druckentlastungsmembran, die gegen unzulässigen Überdruck im Triebwerksgehäuse schützt. Bei unzulässigem Austrittsdruck und unzulässiger Austrittstemperatur an jeder einzelnen Verdichterstufe, sowie zu niedrigem Schmieröldruck, werden redundante Alarmierungen und Abschaltungen vorgesehen. Im Falle von niedrigem Ölstand, Ausfall der Zylinderkühlung und Ausfall der Zylinderschmierung reichen oft Alarmierungen mit anschließenden manuellen Eingriffen aus.

6.3.12.11 Maschinenschutz an Membranverdichtern Eine wesentliche Anforderung bezüglich Maschinenschutz an Membranverdichtern ist die sichere und schnelle Erkennung des Bruchs einer der Membranen. Dies muss zu einer sofortigen Abstellung führen. Erkannt wird der Membranbruch bei Doppelmembran-Konstruktionen mittels einer Druckmessung zwischen den Membranen. 6.3.12.12 Maschinenschutz an MV-Antriebsmotoren Ein kritischer Parameter bei MV-Antriebsmotoren sind die Windungstemperaturen der 3 Phasen, die auf Abschaltung gelegt werden sollten. Hier sollten jeweils 2 parallele Temperaturmessungen aufgelegt werden, z. B. mit einer „2 aus 2“-Abschaltung. Ob die Lagertemperaturen zu einer Abschaltung oder nur einer Alarmierung führen, ist Teil der Betreiberphilosophie. Zusätzlich können noch Kühlwasser oder Kühlluft überwacht werden, sowie das Spülgas bei Anwendungen in Ex-Zonen. 6.3.12.13 Anfahr-Verriegelungen Vor dem Anfahren eines HDRE-Maschinenstrangs muss überprüft werden, ob alle hierfür notwendigen funktionellen und sicherheitsrelevanten Voraussetzungen erfüllt sind. Dies erfolgt in der Regel automatisiert in der Maschinensteuerung. Am Beispiel eines einfachen, durch einen MV-Motor angetriebenen Strang eines Getriebe-Turboverdichters könnten das folgende Voraussetzungen sein: • Der Hauptmotor befindet sich im Stillstand. • Es dürfen keine Alarme anstehen. • Die Durchflussmenge des Kühlwassers für die Motorkühlung liegt im Normalbereich. • Die Hilfsölpumpe läuft, d. h. das Ölsystem muss bereits zuvor separat in Betrieb genommen worden sein. • Der Eintrittsleitapparat befindet sich in Stellung „geschlossen“. • Die Bypass-Armatur befindet sich in Stellung „vollständig geöffnet“.

166

6  Maschinenspezifikation im Detail

Ist mindestens eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, wird dies am Bedien-Panel und im Leitsystem angezeigt, und eine elektronische Verriegelung verhindert den Anfahrprozess. Je nach Konfiguration des Maschinenstrangs, z.  B. beim Vorhandensein von Zwischenkühlern oder bei besonderen Anforderungen aufgrund der vorliegenden Ex-Zone sind weitere Anfahr-Verriegelungen erforderlich. Im Einzelnen werden die erforderlichen Bedingungen im Projektablauf abgestimmt.

6.3.12.14 Überwachung von Prozessgrößen Neben den in den vorigen Abschnitten beschriebenen speziellen Maßnahmen zum Maschinenschutz werden zur Prozessüberwachung weitere Größen benötigt, die gemessen und meist auch ins Prozessleitsystem der Anlage übertragen und dort gespeichert werden. Teilweise führen diese auch zu sicherheitsgerichteten Abschaltungen, welche ebenfalls „2 aus 3“-redundant angeordnet werden. Diese werden in den Sicherheitsbetrachtungen festgelegt. In diesem Fall ergeben sich spezielle Prüferfordernisse. Wichtig für die Überwachung sind die folgenden Prozessgrößen: • Drücke und Temperaturen des Prozessgases: Sie sollten am Eintritt und Austritt jeder Verdichtungsstufe gemessen werden. • Bei „Füllstand hoch“ an Flüssigkeitsabscheidern wird meist eine automatische Entleerung vorgesehen. Bei Überschreiten von „Füllstand zu hoch“ wird zusätzlich eine Abschaltung der Maschineneinheit vorgesehen. • Bei „Füllstand niedrig“ des Öltanks wird meist eine Abschaltung der Maschineneinheit vorgesehen. • Ist- und Soll-Stellung der Regelvorrichtung: Hier handelt es sich z. B. um die Drehzahl oder die Stellung des Eintritts-Leitapparates. • Volumen- oder Massenströme im Prozessgassystem: Diese sollten möglichst in jedem Prozessgas-Strang überwacht werden. • Gaszusammensetzung: eine kontinuierliche Messung erfolgt in Einzelfällen bei veränderlichen Zusammensetzungen, oder um den Anteil einer bestimmten Komponente zu verfolgen. • Mengen, Drücke und Temperaturen in den Hilfs- und Versorgungssystemen, z. B. Ölsystem, Sperrgassystem, Kühlwasser, Kondensator. Diese Größen können bei Bedarf ebenfalls in die Anfahr-Verriegelungen mit eingehen.

6.3.13 Zustandsüberwachung, Maschinen-Monitoring Die in den vorigen Abschnitten beschriebenen Messungen stellen so etwas wie Minimalanforderungen zum Betrieb eines HDRE-Maschinenstrangs dar, bieten aber kein umfassendes Bild über den Zustand des Strangs. Essenziell für eine hohe Verfügbarkeit

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

167

und Betriebssicherheit sind weitere Überwachungsgrößen und eine detailliertere Auswertung der vorhandenen Prozess- und Maschinendaten. Aus solchen können weitere Hinweise entnommen werden, z. B.: • Befindet sich der aktuelle Betriebspunkt im Gut-Bereich? • Bilden sich Verschmutzungen an den Laufrädern oder anderen Anlagenteilen, die abgereinigt werden sollten? Aufschlüsse hierüber könnten Unwuchten oder Minderungen des Wirkungsgrades geben. • Bahnen sich Schäden an, die eine Abstellung des Maschinenstrangs erfordern? Lassen sich hieraus bereits vorbereitende Instandsetzungsmaßnahmen ableiten, die während der nächsten geplanten Abstellung vorzusehen sind, oder muss eine vorherige zusätzliche Abstellung eingeplant werden? Sollten zuvor bereits weitere Experten oder der Maschinenlieferant hinzugezogen werden? Es lohnt sich, sich bereits vor der Vergabe einer Maschinenbestellung gründlich mit der Thematik auseinanderzusetzen. Bei der späteren Umsetzung können dann bereits alle Voraussetzungen erfüllt werden, um die erforderlichen Daten abgreifen und zur Verfügung stellen zu können. Zustandsüberwachung wird meist in speziell hierfür vorgesehenen Systemen durchgeführt, in denen bereits Auswertungen erfolgen. Diese werden an die Leitwarte übertragen und in Form von Trends festgehalten, allerdings dort nicht hochauflösend, sondern in der Größenordnung eines Wertes pro Sekunde. Um sich detaillierter mit den Methoden zur Zustandsüberwachung an Maschinen zu beschäftigen, bietet sich Kolerus (2022)66 sowie eine Vielzahl an weiteren Büchern und Artikeln als Lektüre an. Einen weiteren Überblick über Mess- und Beurteilungsgrößen, Signalverarbeitung und Beurteilungskriterien im Falle von Maschinenschwingungen gibt VDI 3839 Blatt 1 (2001)67. In den folgenden Blättern der VDI 3839 werden Spezifika für die verschiedenen Maschinentypen detailliert. In diesem Buch wird im späteren Kap. 12 „Betrieb und Instandhaltung“ näher Bezug auf schwingungstechnische Fragestellungen genommen. Eine zusätzliche Messgröße ist die direkte Leistungsmessung über Drehmomenten im Antriebsstrang. Eine solche ist jedoch technisch aufwendig. Weil sie nur in wenigen Fällen wirtschaftlich interessant ist, wird sie auch nur in Einzelfällen angewendet. Für unterschiedliche Maschinentypen sind spezielle Mess- und Auswertegrößen relevant, in den folgenden Kapiteln an mehreren Beispielen dargestellt. 66 Kolerus

K, Becker E (2022) Condition Monitoring und Instandhaltungsmanagement. Expert Verlag, Tübingen. 67 VDI 3839 Blatt 1 (März 2001) Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von Maschinen – Allgemeine Grundlagen (VDI-Handbuch Schwingungstechnik), Beuth-Verlag, Berlin.

168

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.3.13.1 Rotierende Maschinen Maschinenüberwachungssysteme wie das BN 3500 ermöglichen den direkten Abgriff der dort überwachten Schwingungsdaten. Sie ermöglichen Analysen, welche über die Betrachtung des Summenwertes hinausgehen. Für solche Schwingungsanalysen ist spezialisiertes Personal erforderlich, auch einige Dienstleistungsunternehmen bieten hier Unterstützung an. Betriebsmäßig können sie mittels eines Schwingungs-Analysators erfasst und gespeichert werden. Hiermit sind Auswertungen wie Frequenzanalysen, Phasenlagen, Hüllkurven (bei Wälzlagern), Wasserfalldiagramme und vieles mehr möglich. Wenn ein Keyphasor-Signal vorliegt, können auch Polardiagramme und Ortskurven aus den Xund Y-Signalen aufgezeichnet werden. Für Näheres wird hier nochmals auf die VDI 3839 Blatt 1 (2001) verwiesen. Spezifika für verschiedene Maschinentypen finden sich in VDI 3839 Blatt 2 (2013), Blatt 3 (geplant 2023), Blatt 4 (2010), Blatt 5 (2001). Gängig ist auch die Darstellung des jeweiligen Betriebspunktes im Verdichterkennfeld, zusammen mit dem aktuellen Wirkungsgrad. 6.3.13.2 Oszillierende Maschinen Wegen der komplexen Kinematik bei oszillierenden Maschinen können neben den Schwingungen des Verdichterrahmens und des Kreuzkopfes weitere messbare Größen zur Zustandsüberwachung herangezogen werden: • Absenkung der Kolbenstange (bei nicht in vertikaler Richtung angeordneten Kolben): Deren Trend beschreibt den Verschleiß der Führungsringe (Rider Rings). • Zylinderbeschleunigung: Sie ermöglicht Aussagen über den Zustand der Ventile. • Temperatur von Ventilen, Packungen und Lagern: Diese Temperaturen ermöglichen Aussagen über Verschleiß und Überhitzung. • Keyphasor-Signal: Es dient als Referenzsignal für die jeweilige Stellung der Kurbelstange bei Zeitsignalen, die Synchronisation erfolgt mit dem oberen Totpunkt. • Druckprofile über dem Hubzyklus in den Zylinderkammern: Die Erstellung von p-VDiagrammen ermöglicht genaue Aussagen über den Verdichtungsprozess. Voraussetzung ist eine entsprechende Bohrung in den Zylinderraum. Richtlinien zu Schwingungen an Hubkolbenverdichtern findet man bei EFRC (2017)68 und VDI 3839 Blatt 8 (2004)69.

68  EFRC

Guidelines (2017), Guidelines for Vibrations in Reciprocating Compressor Systems, European Forum Reciprocating Compressors (EFRC), Fourth Edition https://www.recip.org/ wp-content/uploads/2020/04/EFRC-Guidelines-for-Vibrations-in-Recipr.-Compr.-Systems_4thedition.pdf. 69  VDI 3839 Blatt 8 (2004) Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von Maschinen – Typische Schwingungsbilder bei Kolbenmaschinen. Beuth-Verlag, Berlin.

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

169

Zu bemerken ist noch, dass aufgrund der oszillierenden Bewegungen Druckpulsationen in der Prozessleitung hervorgerufen werden, die neben mechanischen Schäden an Rohrleitungen und Bauteilen auch dazu führen, dass Mengenmessungen systematisch verfälscht werden. Zu diesen systematischen Fehlern in pulsierenden Strömungen und Möglichkeiten zu deren Kompensation findet man Hilfestellung bei EFRC (2020)70.

6.3.13.3 Trendanalysen Trendanalysen einfacher, nicht hoch auflösender Messungen können auf Basis registrierter Daten bereits im Prozessleitsystem erfolgen, auch in Kombination z. B. von Schwingungsamplituden, Temperaturen und Drücken von Maschine und Prozess. Maschinenüberwachungssysteme wie das BN 3500 und viele andere bieten jedoch weitere Signalaufbereitungen wie z. B. „1X Amplitude“, „1X Phase“, „NOT 1X Amplitude“, „GAP Voltage“ des Schwingungssignals an, die in ihrem Zeitverlauf nur über speziell hierfür vorgesehene zusätzliche Auswertesoftware dargestellt werden können. Lediglich beispielhaft werden hier „System 1®“ von Baker Hughes und „Setpoint®“ von Brüel&Kjaer genannt. 6.3.13.4 Modellbasierte Diagnostik Modellbasierte Diagnostik geht über die Überwachung von Trends und Grenzwerten hinaus und befasst sich auch mit Ursachenfindung von Abweichungen vom Normalzustand. Typisch ist z. B. die Nutzung der „Nebenwerte“ der Schwingungsamplituden-Signale, hier an Hand einiger Beispiele: • „Gap voltage“: Diese zeigt den Zustand des Sensors an. Spannungswerte nahe 0 V oder −24 V können darauf hindeuten, dass etwas mit dem Sensorsystem selbst, also Sonde, Kabel oder Proximitor, nicht stimmt. Eine Änderung über die Zeit kann Aufschluss geben, ob sich der Rotor innerhalb des Lagers in die eine oder andere Richtung verschoben hat. • „1X“ Amplitude und Phase: Die Schwingungsanalyse liefert Amplitude und Phasenverschiebung in der Frequenz der Rotation („1X“). Deren Amplitude zeigt Unwuchten, gegebenenfalls auch Wellenkrümmungen an. Das Phasenverhalten kann durch Wärme und Reibung beeinflusst werden. • „2X“ Amplitude und Phase: Diese Werte sind sinnvoll zur Identifikation von Fehlfunktionen wie Fluchtungsfehler und Wellenrisse.

70 EFRC

Guidelines (2020), Flow Meter Errors in Pulsating Flow of Reciprocating Compressor Systems, European Forum Reciprocating Compressors (EFRC), First Edition https://www.recip. org/wp-content/uploads/2020/12/EFRC-Guidelines-Flow-Meter-Errors-in-Pulsating-Flow-ofReciprocating-Compressor-Systems-December-2020.pdf.

170

6  Maschinenspezifikation im Detail

• „NOT 1X“ Amplitude: Die „1X“-Amplitude wird aus der Gesamtschwingung herausgefiltert. Die verbleibenden Werte können Hinweise auf Flüssigkeitsinstabilitäten, Ölwirbel oder Pumpen des Verdichters geben. • „S-max“ Amplitude: Diese gibt die maximale Verschiebung basierend auf der Form der Umlaufbahn (Orbit) an. Sie zeigt Probleme wie Rotorreibung, „Oil Whip“. Zur Beobachtung können z. B. aus den Trends Gut-Bereiche mit speziellen Grenzwerten empirisch ermittelt werden. In diese Grenzwertermittlung können auch die gemessenen Spiele der Rotorkomponenten mit einfließen, außerdem Belastungsänderungen durch Mengen- oder Druckänderungen. Weiterhin können aus den gemessenen Werten die Schwingungsformen des Rotors ermittelt und Änderungen im Laufe des Betriebs erkannt werden. Ob diese oder andere Methoden im Einzelfall sinnvoll eingesetzt werden können, sollten Diskussionen mit Spezialisten der Maschinendiagnostik ergeben.

6.3.13.5 Fernüberwachung und Datensicherheit Die kontinuierliche Überwachung von HDRE-Maschinensträngen wird in den lokalen Anlagenleitwarten meist insoweit durchgeführt, dass Alarmwerte beobachtet, erfasst und an zuständige betriebsinterne oder auch betriebsexterne Spezialisten weitergegeben werden. Diese sorgen dann für geeignete Maschinendiagnostik und gegebenenfalls für die Einbindung der Maschinenlieferanten. An vielen Produktionsstandorten sind solche Spezialisten nicht verfügbar. Dies gilt besonders auch für Unternehmen, bei denen HDRE-Maschinen nur im Einzelfall im Einsatz sind. Vielfach und immer mehr wird die Maschinenüberwachung heutzutage deshalb an zentrale Fernüberwachungssysteme des Betreiberunternehmens, des Maschinenlieferanten oder eines speziellen Dienstleisters übertragen. Diese sollen dem Betreiber und seinen Instandhaltungsorganisationen zeitnah Informationen bei Abweichungen vom Sollbereich übermitteln und weitere erforderliche diagnostische Untersuchungen einleiten. Für eine sinnvolle Trendanalyse des Maschinenstrangs sowie modellbasierte Diagnostik sind die reinen Maschinendaten nicht ausreichend, da z.  B. auch Änderungen beim Enddruck oder Förderstrom einen Einfluss auf Lagertemperaturen und Schwingungen haben. Entsprechende Prozessgrößen sollten deshalb zusätzlich ausgewertet werden. Drehzahlen oder Mengen lassen natürlich auch Rückschlüsse auf die Produktionsmengen zu. Insofern spielen die Datensicherheit bei der Übertragung und die vertrauliche Behandlung der Daten beim entsprechenden internen oder externen Dienstleister eine wichtige Rolle. Die Absicherung gegen ungewollte Rückwirkungen oder unzulässige Zugriffe wird z. B. über einen, von den Datennetzen beider Partner über Firewalls geschützten, sogenannten DMZ-Server („De Militarized Zone“) erfolgen, in dem die von einer Partei

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

171

gesendeten Signale jeweils von der anderen Partei abgeholt und dann weiter verarbeitet werden. Wenn dabei im Maschinenüberwachungssystem bereits verarbeitete Daten übertragen und genutzt werden sollen wie die oben bereits erwähnten Werte der „1X“-Amplitude, „1X“-Phase, „NOT 1X“-Amplitude, „GAP Voltage“, so sollten diese Daten nach Möglichkeit bereits im Vorfeld abgesprochen werden, zusammen mit dem Leistungsumfang des Dienstleisters. Der Umfang könnte zum einen in einer regelmäßigen monatlichen oder wöchentlichen Berichterstattung über die Trends sowie einen Ausblick über den weiteren Betrieb bestehen. Wesentlich ist aber auch eine spontane Information, wenn der Gut-Bereich von Trends verlassen wird und kurzfristige Handlungen empfohlen werden. Ferner wird ein Logbuch geführt über Alarme und Abweichungen. Hierbei werden auch die im vorigen Abschnitt genannten Modelle genutzt. Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Fernüberwachung sollte darin liegen, dass weniger ungeplante Maschinenausfälle vorkommen und Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen sowie Ersatzteilbeschaffung und Personal frühzeitig geplant werden können.

6.3.14 Betriebskonzept Abzustimmen ist auch das Betriebskonzept für Maschinenstrang und Maschineneinheit innerhalb eines Gesamtkonzepts für die verfahrenstechnische Gesamtanlage. Neben der Bedienung selbst stellen sich auch wichtige Fragen im Rahmen der Betriebs-, Anlagen- und Arbeitssicherheit, die im Zusammenhang mit der Maschinenbeschaffung zu klären sind. Beispiele für solche Fragen sind: • Wie ist das Betriebskonzept bezüglich An- und Abfahren der Maschine? Erfolgt das An- und Abfahren der Maschine lokal an der Maschine oder aus der Anlagenleitwarte? Ist geschultes Betriebspersonal in der Nähe? Oder befindet sich der Maschinenstandort, wie z. B. bei Verdichterstationen für den Gastransport, irgendwo außerhalb? Ist deswegen eine automatisierte Fernsteuerung erforderlich? • Wie sieht es mit der Kapazitätssteuerung (Mengen- und Druckregelung) während des Betriebs aus? • Sollen Maschinensteuerung und Maschinenschutzsystem lokal aufgebaut werden, in dem Raum, in dem sich die Maschinensteuerung befindet, oder in der Anlagenleitwarte? Wie steht es lokal mit dem Ex-Schutz? Erhält die Maschinensteuerung ein Bedien- und Beobachtungspanel, wie üblich? • Kann und soll der Maschinenraum bzw. die Schallschutzhaube regelmäßig vom Betriebspersonal begangen werden? Wird eine Video-Überwachung eingerichtet? Bei Sauerstoff-Verdichtern ist z. B. eine Begehung während des Betriebs aus Personenschutzgründen nicht zulässig.

172

6  Maschinenspezifikation im Detail

• Welche begehbaren Bühnen, Leitern, Treppen und Gerüste werden benötigt, um jederzeit einfache Zugänglichkeit zu lokalen Messinstrumenten und Armaturen zu gewährleisten? Wie werden diese ausgeführt, um die Arbeitssicherheit zu gewährleisten? Wer führt diese aus? Welche werden fest installiert, welche mobil betrieben? • Ist die Zugänglichkeit, bei Bedarf auch mit Hebezeugen, für Kontroll-, Instandhaltungs- und Revisionsarbeiten ausreichend gewährleistet (z. B. Reinigen und Auswechseln der Ölfiltereinsätze, Auswechseln der Ölpumpen, Abheben des Kupplungsschutzes und der Gehäusedeckel, Umschalten der Ölkühler)? • Welche maximale Anhängelast ist für die Hebezeuge erforderlich? Ist der Antriebsmotor selbst mit einem Autokran erreichbar? • Welcherart Gaswarn-Einrichtungen und Feuerlöscheinrichtungen werden benötigt? Diese sind meist nicht Bestandteil der Maschinenbestellung, müssen aber im Projekt bearbeitet werden. • Wie werden die Anforderungen an die Fluchtwege erfüllt? In der Regel sind zwei gut erreichbare Ausgänge und ein Maschinenumgang mit ausreichender Breite erforderlich. • Sind Double-Block-and-Bleed- Armaturen erforderlich und reicht der Platz hierfür aus, um die Maschine zwecks Instandsetzungsarbeiten von der Prozess-Seite komplett abkoppeln zu können? • Wo sind lokale Not-Aus-Schalter anzubringen? Schalten diese die gesamte Maschineneinheit oder nur den Maschinenstrang aus? • Welche baulichen Maßnahmen müssen umgesetzt werden, um Flüssigkeitsleckagen in die Umwelt sicher zu vermeiden? • Was ist bezüglich Gasleckagen zu beachten? • Gibt es weitere behördliche Vorschriften zum Anlagen-, Personen- und Umweltschutz?

6.3.15 Gewährleistung und Garantien Weiterhin ist zu klären, welche Haftungsverpflichtungen der Maschinenlieferant oder auch der Kontraktor für seinen Lieferumfang haben sollte. Zum einen besteht die Verpflichtung des Maschinenlieferanten zu Gewährleistung und Mängelhaftung. Sie resultiert aus gesetzlichen Vorgaben und definiert eine zeitlich befristete Verpflichtung zur Nachbesserung für Mängel am hergestellten Werk (Ingenieurleistungen) und am Kaufgegenstand (Maschineneinheit), die bereits zum Zeitpunkt der Abnahme bzw. des Kaufs bestanden. Die Garantie dagegen ist eine zusätzlich freiwillig übernommene und vereinbarte Verpflichtung eines Garanten, z. B. des Maschinenlieferanten. Gewährleistung und Garantien werden im kaufmännischen Teil eines Liefervertrages beschrieben, meist mit Bezug auf Anforderungen aus dem technischen Datenblatt und weiteren technischen Spezifikationen. Festgelegt wird in diesem Zusammenhang, welche

6.3  Disziplinübergreifende Detailklärungen

173

abwicklungstechnischen und kaufmännischen Konsequenzen Nichterfüllung und Sachmängel haben, und welche Maßnahmen in diesem Fall getroffen werden sollen. Welche Garantien und Gewährleistungen sind üblich? In erster Linie geht es darum, dass die HDRE-Maschine alle technischen Anforderungen und damit generell ihre Funktion erfüllt. Der geforderte Durchsatz sowie der benötigte Druck für einen Verdichter müssen bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen erreicht werden. Die Antriebsmaschine muss die benötigte Leistung zur Verfügung stellen. Außerdem muss, wenn so vereinbart, das gesamte Kennfeld nutzbar sein. Alle notwendigen An- und Abfahrsequenzen müssen darstellbar sein. Bestehen hier Mängel, müssen diese beseitigt werden („Make Good“). Dies betrifft auch Schallgarantien, denn die Betriebserlaubnis einer Maschine ist mit deren Einhaltung verknüpft. Hier tauchen oft Schnittstellenprobleme auf, da manche Maschinenlieferanten nur ungern Schallgarantien abgeben mit der Begründung der schwierigen Messbarkeit aufgrund der Rückwirkungen vor Ort. Dies gilt insbesondere, wenn Schallschutzhaube und Maschine von unterschiedlichen Vertragsparteien geliefert werden. Aus wirtschaftlichen Gründen muss der maximale Bedarf an Antriebsleistung bzw. bei Turbinen an Dampf oder Gas garantiert werden. Dieser Punkt ist besonders kritisch, da bei Nichteinhaltung oft keine Nachbesserung möglich ist oder zu für den Anlagenbetreiber nicht akzeptablen Verzögerungen führt. Normalerweise werden hier Regelungen über Vertragsstrafen, also pauschalierten Schadensersatz, eingeführt. Diese können aber längerfristig den Schaden des Betreibers durch erhöhte Betriebskosten nicht decken, da die Höhe der Haftung durch den Maschinenlieferanten begrenzt ist. Angaben zu Leistungsbedarf, Dampfbedarf, Druck, Menge erfolgen in der Regel in Spannen, die Bauspiele und Messfehler abdecken. Die API-Standards schlagen hier meist eine Spanne von ±4 % vor. Manche Betreiber bevorzugen jedoch Spannen von 0 … +5 % für Drücke und Mengen, −5 … 0 % für den Leistungsbedarf. Wichtig ist auch die terminliche Garantie von Projektmeilensteinen und Lieferfristen, nicht nur der Ausrüstung selbst, sondern auch der Lieferung von Zeichnungen und anderen Dokumenten. Eine Abstimmung sollte hier für jedes einzelne Dokument zwischen Projektteam und Maschinenlieferant erfolgen, ebenso der Qualität, die ein Dokument zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweisen soll. Aus Betreibersicht ist die Formulierung von Vertragsstrafen je begonnener Überschreitungsspanne (z. B. „je begonnenes Prozent der Überschreitung des Leistungsbedarfs“ bzw. „je begonnener Woche einer Fristüberschreitung“) sinnvoll, vom Maschinenlieferanten wird es zunächst meist als bereits überschrittene Spanne formuliert. Weitere Garantien beziehen sich auf die folgenden Punkte: • Minimaler Durchsatz ohne Umblasen bei rotierenden Verdichtern: Diese Angabe ist wichtig, wenn häufig Fahrweisen im Teillastbereich vorkommen. • Maximaler Verbrauch an Utilities (Dampf, Kühlwasser, Stickstoff, Instrumentenluft, Strom, …): Diese Werte werden benötigt zur Planung, Kostenermittlung und Dimensionierung der Versorgungsleitungen.

174

6  Maschinenspezifikation im Detail

• Maximal zulässige Schwingungsamplituden: Sie werden in den maschinenspezifischen API-Standards angegeben. Ihre Zielgrößen sollten aber deutlich darunter liegen. • Maximal zulässige Amplituden der Druckpulsationen und Schwingungen von Rohrleitungen bei oszillierenden Verdichtern, Schraubenverdichtern und Roots-Gebläsen: Die verbleibenden Druckpulsationen sollten bei oszillierenden Verdichtern nicht mehr als 2 % des Absolutdrucks betragen. Die Peak-to-Peak-Amplituden der Schwinggeschwindigkeiten von Rohrleitungsschwingungen sollten nicht oberhalb von 15 mm/s liegen. Überlegenswert könnte auch eine Verfügbarkeitsgarantie sein, angegeben z. B. in Betriebsstunden pro Jahr. Insbesondere erscheint dies sinnvoll, wenn der Betreiber wenig eigenes Fachpersonal hat, aber eine Anlage betreibt, bei deren Ausfall hohe Kosten auftreten. Eine Verfügbarkeitsgarantie ist in der Regel mit besonderen Bedingungen des Maschinenlieferanten verbunden. Diese können die Ersatzteilhaltung betreffen und an Wartungs- und Instandhaltungsverträge sowie die Übermittlung von Live-Daten gekoppelt sein.

6.3.16 Weitere vertragliche Überlegungen Neben den rein technischen Fragestellungen müssen weitere kaufmännische und juristische Fragen geklärt und vertraglich festgehalten werden. Wichtige Überlegungen werden hier beispielhaft angeführt. Welche Meilensteine sollten innerhalb der Projektabwicklung gesetzt werden? Dies betrifft zum einen Zahlungsziele für Teilzahlungen, zum anderen die Pönalisierung von Lieferterminen, für die bereits zu bestimmten Zeitpunkten während der Projektabwicklung Unterlagen und Zeichnungen benötigt werden. Die Überlegung, wie lange Fristen für Gewährleistungen und Garantien angesetzt werden sollen, hängen vom geplanten Einsatz des HDRE-Maschinenstrangs ab und sind ein Kostenfaktor. Wie lange ist nach der Lieferung die Montage- und Inbetriebnahmezeit geplant? Wie schnell nach Inbetriebnahme kann der spezifizierte Betriebszustand erreicht werden? Sind 12 Monate ab Inbetriebnahme ausreichend, oder kann sich die Inbetriebnahme aus innerbetrieblichen Gründen länger verzögern? Was ist der Maschinenlieferant bereit, anzubieten? Wie gehen Verzögerungen bei der Lieferung und bis zur Inbetriebnahme in die vertraglichen Regelungen ein? Meist wird der Maschinenlieferant einen maximalen Garantiezeitraum ab Lieferung vorsehen, um sich gegen Verzögerungen abzusichern, für die der Betreiber verantwortlich ist. Zur Absicherung gegen übermäßige Aufschläge bei den Ersatzteilkosten sollten Ersatzteilpreise für eine längere Periode nach Inbetriebnahme festgelegt werden.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

175

Der Umgang mit nicht vermeidbaren Änderungen und Change-Requests sollte ebenfalls geklärt sein, zumal eine allzu formelle Vorgehensweise leicht zu Lieferverzögerungen führen kann, die der Maschinenlieferant nicht zu vertreten hat. Es könnte eine Preisobergrenze vereinbart werden, unterhalb derer Mehrungen und Minderungen direkt entschieden und zunächst nur aufgelistet werden. Wie ist die aktuelle Auslastung im Engineering- und Produktionsprozess des Maschinenlieferanten oder seiner Unterlieferanten? Sind hier Engpässe zu erwarten? Insbesondere auch, falls ein Maschinenteil (z. B. Gussgehäuse) verworfen und neu gefertigt werden müßte? Gibt es ein Eskalations-Szenario, in denen dem Projekt übergeordnete Management-Funktionen eingeschaltet werden können? Wie ist generell die wirtschaftliche Situation des Maschinenlieferanten? Ist er zahlungsfähig für seine Bestellungen bei Unterlieferanten? Sind Bankbürgschaften erforderlich? Unterliegt die Bestellung Anforderungen seitens der Exportkontrolle? Sind hier Genehmigungen erforderlich? Bis an welchen Punkt übernimmt der Maschinenlieferant den Transport? Welche Partei übernimmt gegebenenfalls eine Verzollung? An welcher Stelle ist der Gefahrenübergang vom Hersteller auf den Betreiber vorgesehen?

6.4 Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung Aus den Überlegungen zur Kritikalität einer HDRE-Maschine in der Konzeptphase ergeben sich grundsätzliche Anforderungen, wie detailliert der Beschaffungs- und Produktionsprozess der Maschine überwacht werden muss, um Qualitätsmängel, Performance außerhalb der vertraglich zugesicherten Werte, Lieferverzögerungen aufgrund von Produktionsproblemen und ähnliches soweit wie möglich zu minimieren. Maschinenlieferanten, die selbst ein gutes Qualitätsmanagementsystem haben, legen hierzu bereits in der Angebotsphase ein Qualitätsdokument (QA/QC-Plan) sowie einen Inspektions- und Testplan (ITP) vor. Der QA/QC-Plan beschreibt die Durchführung von Prüfungen und Tests und deren Grundlagen. Vor allem gibt er auch die konkreten Qualitätskriterien wieder, die aus Sicht der Maschinenlieferanten erreicht werden müssen. Der Inspektions- und Testplan (ITP) ist ein Dokument, welches den Plan zur Verwaltung der Qualitätskontrolle und Sicherung eines bestimmten Bauelements beschreibt und Informationen zu den Anforderungen, einen Überblick über die zu verwendenden Methoden und die Verantwortlichkeiten der betroffenen Parteien enthält sowie Nachweise, die zur Überprüfung der Einhaltung vorgelegt werden. Ebenso ist im ITP als Information enthalten, welche Parteien Prüfdokumente testieren oder bei den Prüfungen anwesend sind. Was die groben Linien betrifft, wird dieses Dokument bereits vor einer Maschinenbestellung abgestimmt.

176

6  Maschinenspezifikation im Detail

Die zu den Inspektionen und Tests erstellten Prüfdokumente haben neben dem Nachweis der Qualität des Herstellungsprozesses die Funktion, als „Null-Messungen“ Aufschlüsse für spätere Routine-Instandhaltungsmaßnahmen und im Falle von Maschinenproblemen zuzulassen. In diesem Zusammenhang ist auch die Festlegung der Dokumentenhierarchie erforderlich. Diese können im Falle von Widersprüchlichkeiten und Konflikten die Gültigkeit einzelner Vereinbarungen klären. Eine mögliche Reihenfolge sieht so aus: a) Gesetze und behördliche Vorgaben, b) Kundenspezifikationen einschließlich abgestimmter Abweichungen, c) genehmigte Dokumente und Zeichnungen, d) QA/QC-Plan mit zugehörigem ITP, e) weitere gültige Projekt-Spezifikationen. QA/QC-Plan und ITP werden Bestandteil eines Liefervertrags, nachdem sie in allen wesentlichen Punkten vor der Auftragsvergabe detailliert verhandelt und mit den Qualitätsvorgaben des Betreibers abgeglichen wurden. Je nach Art und Anzahl der Prüfungen und Tests beeinflussen sie erheblich den Zeitplan und die Kosten. In verschiedenen Details ist eine Abstimmung erst im Laufe des „Detailed Engineering“ des Maschinenlieferanten oder sogar im Anschluss daran möglich. In der Regel findet hierzu am Ende der „Detailed Engineering“-Phase des Maschinenlieferanten und vor Produktionsbeginn ein sogenanntes „Pre Inspection Meeting“ (PIM) statt, das in der Regel im Herstellerwerk des Maschinenlieferanten stattfindet. Bei diesem Treffen lernen sich die Qualitäts-Beauftragten des Herstellers, des Kunden und des Endkunden (oft der HDRE-Engineer selbst) kennen, bei Bedarf auch Mitarbeiter von Spezialunternehmen für Qualitätssicherung wie SGS, Intertek oder Bureau Veritas, die im Auftrag des Käufers oder des Endkunden Teilaufgaben oder auch die gesamte Qualitätssicherung übernehmen. Bei diesen wird meist streng zwischen Expediting und Qualitätsprüfung/ Qualitätsüberwachung unterschieden, was bei der Beauftragung genau zu klären ist. Die ITPs sind in der Regel zunächst nach Baugruppen und dann nach Fertigungsschritten gegliedert. Für die Maschine selbst, ihren Antriebsstrang sowie ihre Hilfs- und Versorgungssysteme werden in der Regel separate ITPs aufgestellt. Für die Komponenten, die nicht vom Maschinenlieferanten selbst gefertigt werden, sollte darauf geachtet werden, dass deren ITPs bei den Angebotsdurchsprachen mit verhandelt und im PIM finalisiert werden können. Bei Bedarf sollten Vertreter der Unterlieferanten beteiligt sein. Ein Getriebe-Turboverdichter könnte sich exemplarisch in folgende Baugruppen bzw. Montagestadien gliedern: • Verdichtergehäuse mit Abdeckung, • Gehäuseschrauben, • Ritzelwelle mit Wellenschutzhülse, • Dehnschraube für Ritzelwelle mit Arretierung,

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

177

• Zusammengebaute Ritzelwelle, • Wellenabdichtung (Kartusche), • Diffusor-Schaufeln, • O-Ringe (im Prozessgas-berührenden Betrieb), • Verstellbare Eintritts-Leitschaufeln, • Leitschaufel-Gehäuse, • Antriebswelle, • … (weitere Bauteile), • zusammengebauter Verdichter mit Ölsystem und Grundplatte, • versandfertige Einheit. Wesentliche Qualitätsprüfschritte für hoch belastete Bauteile, Bauteile mit Produktberührung und rotierende bzw. hin- und herbewegte Teile sind • Materialinspektion mit Prüfbescheinigung gemäß EN 10204:2004 (mechanische Eigenschaften, chemische Zusammensetzung), • Schlagprüfung (Impact Test), • Flüssigkeits-Eindringprüfung (PT), jeweils nach Grob- und Feinbearbeitung, • Magnetpulverprüfung (MT), • Radiographie (RT), • Visuelle Inspektion (VT), • Maßkontrolle. Für ein Guss- oder Schweißgehäuse kommen folgende Schritte hinzu: • Druckprüfung, • Leckageprüfung. Auf Details dieser Prüfschritte wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen. Weitere ITPs sind z. B. erforderlich für • Ölkühler, Ölfilter, Ölpumpe(n), • Regelarmaturen, Sicherheitsventile, • Sperrgasversorgungssystem, • zugehörige Rohrleitungen. Die in der Regel tabellarische Darstellung eines ITP muss die folgenden Informationen beinhalten: • erforderliche Prüf- und Inspektionsschritte, • relevante Anweisungen (QA/QC-Plan) mit Beschreibung der Vorgehensweise, • Akzeptanzkriterien in konkreter Form,

178

6  Maschinenspezifikation im Detail

• Verantwortliche und Beteiligte an den festgelegten Prüf- und Inspektionsschritten, Art der Beteiligung, unterschieden in Durchführung, Kontrolle bzw. Genehmigung der Prüf-Dokumente, Kundenbeteiligung, Haltepunkte, • projektrelevante Kommentare, z. B. Design- und Testdrücke. Insbesondere Haltepunkte („Hold Points“), nach denen erst nach externer Freigabe weitergearbeitet werden kann, können einen erheblichen Einfluss auf Zeitplan und Kosten haben. Deshalb sollte in einem Projekt auch darauf geachtet werden, dass Haltepunkte tatsächlich auch wahrgenommen werden. Werden sie übersehen, liefern sie dem Hersteller eine einfache Begründung für Verzögerungen. Oft wird hierbei der Hersteller bereits eine interne Prüfung durchführen wollen, bevor der Kunde eingeladen wird. Dabei ist auch der Vorlauf einer Einladung von meist einer Arbeitswoche zu beachten, eventuell bis zu 10 Arbeitstagen bei erforderlichen Fernreisen. Andererseits erweisen sich häufige Vor-Ort-Besuche beim Maschinenlieferanten immer wieder als sehr hilfreich, wenn nicht nur der jeweils aktuelle QA/QC-Schritt betrachtet wird, sondern die Gelegenheit genutzt wird, um generell den Stand des Projekts zu besprechen. Auf diese Weise ist der zuständige HDRE-Engineer gut in die Informationskette eingebunden und kann bereits frühzeitig im Entstehen befindliche Herausforderungen erkennen. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden in den folgenden Abschnitten wesentliche Prüfungen und Tests beschrieben, die während des Herstellungsprozesses durchgeführt werden. Viele davon finden sich bereits in den Qualitätsstandards („Inspection and Test Procedure“) der einschlägigen Maschinenlieferanten. Übersichten hierüber findet man auch in den Annexes „Typical Inspection of Components“ und „Inspector’s Checklist“ der jeweiligen API-Standards.

6.4.1 Materialinspektionen und Prüfbescheinigungen Einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung von Qualitätsmängeln leistet die Rückverfolgbarkeit von Werkstoffen mit ihren jeweiligen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Viele der Bauteile von HDRE-Maschinen sind mechanisch hoch beansprucht und bestehen aus teilweise hoch vergüteten Stählen. Deswegen hat die chemische Zusammensetzung eine hohe Bedeutung für Festigkeit und Dauerhaltbarkeit, insbesondere dann, wenn auch Erosion oder Korrosivität der Prozessgase eine Rolle spielt. Diese kann von Stahlhersteller zu Stahlhersteller und von Charge zu Charge etwas variieren. Auch die verschiedenen internationalen Normen lassen hier kleinere Unterschiede zu. In der europäischen Norm EN 10204:2004 (DIN EN 10204:2005-171) werden die verschiedenen Arten von Prüfbescheinigungen festgelegt, die dem Auftraggeber in

71 DIN

EN 10204:2005-01, Metallische Erzeugnisse – Arten von Prüfbescheinigungen, Deutsche Fassung der EN 10204:2004. Beuth-Verlag, Berlin.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

179

­ bereinstimmung mit der Bestellspezifikation ausgestellt werden können. Diese Norm Ü bezieht sich auf metallische Erzeugnisse. Die EN 10204:2004 unterscheidet zwischen vier verschiedenen Arten von Prüfbescheinigungen: • In der Werksbescheinigung „2.1“ bestätigt der Hersteller, dass das gelieferte Produkt den Vereinbarungen der Bestellung entspricht, ohne Angaben über Prüfergebnisse zu machen. • Das Werkszeugnis „2.2“ bestätigt die Konformität der Prüfergebnisse der gelieferten Produkte anhand der Ergebnisse nicht-spezifischer Prüfungen (z. B. an der Charge). • Das Abnahmeprüfzeugnis „3.1“ ist eine von der Fertigung unabhängige Bestätigung der Konformität der Prüfergebnisse der gelieferten Produkte. Sie wird seitens eines von der Fertigungsabteilung unabhängigen Abnahmebeauftragten des Herstellers ausgestellt. Dabei werden spezifische Prüfungen an den gelieferten Produkten durchgeführt. • Das Abnahmeprüfzeugnis „3.2“ ist inhaltlich mit „3.1“ identisch, wird aber zusätzlich von einer unabhängigen externen Stelle bestätigt, die z. B. vom Auftraggeber vorgegeben wurde. Für die meisten hoch-beanspruchten Bauteile von HDRE-Maschinen wird deshalb das Abnahmeprüfzeugnis „3.1“ relevant sein. Zur Vermeidung von Materialverwechslungen oder zur Verifizierung kann zusätzlich ein PMI-Test („Positive Material Identification“) durchgeführt werden. Mithilfe einer spektroskopischen Analyse auf chemische Elemente wird hier die Zusammensetzung einer Metall-Legierung untersucht. Da ein „3.1“-Zeugnis nicht immer nachträglich ausgestellt werden kann und ggf. auch Vorbereitungen für einen PMI-Test erforderlich sind, sollte die Art der Prüfbescheinigungen und Durchführung von PMI-Tests bereits vor einer Projektvergabe festgelegt und im ITP dargestellt werden. Wie bereits in einem früheren Kapitel erwähnt, können starke Säuren wie Salpetersäure interkristalline Korrosion verursachen. Hier sind spezielle Materialprüfungen wie z. B. der Huey-Test erforderlich, der die Geschwindigkeit des Korrosionsabtrags misst. Hinweise hierzu geben DIN EN ISO 3651-1 (1998)72 sowie ASTM A26273.

72 ISO

3651-1:1998-05 Ermittlung der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen interkristalline Korrosion – Teil 1: Nichtrostende austenitische und ferritisch-austenitische (Duplex)-Stähle; Korrosionsversuch in Salpetersäure durch Messung des Massenverlustes (Huey-Test) (ISO 36511:1998). Beuth-Verlag, Berlin. 73 ASTM A 262:2015 Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels, re-approved 2021. Beuth-Verlag, Berlin.

180

6  Maschinenspezifikation im Detail

6.4.2 Materialinspektion für Gussgehäuse Besonders kritische Elemente sind druckbeaufschlagte Gussgehäuse. Hier können sich während des Herstellungsprozesses Lunker und andere Fehlstellen bilden. Um dies zu erkennen, werden unter Festlegung der erforderlichen Gütestufen Oberflächen- und Volumenprüfungen vorgeschrieben, deren Ergebnisse dem Käufer und meist auch dem Endkunden vor der weiteren Bearbeitung zur Genehmigung vorzulegen sind. Dabei wird für jedes Bauteil festgelegt, welche zerstörungsfreien Materialprüfungen durchzuführen sind, bei komplexen Bauteilen auch für bestimmte Bereiche: • Materialinspektion (EN 10204) wie zuvor beschrieben: Sie liefert mechanische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung. • Visuelle Inspektion (VT, DIN EN 137074): Sie dient zur Oberflächenkontrolle und wird nach jedem Fertigungsschritt eingesetzt, sowie abschließend zur Kontrolle der Sauberkeit und Reinigung. • Flüssigkeits-Eindringprüfung (PT, DIN EN 1371-175): Sie wird nach Grobbearbeitung und nach Fertigbearbeitung eingesetzt, um Oberflächenrisse zu erkennen. Qualitätsgrade und Gütestufen sind in EN 1371-1 dargestellt. Die erforderlichen Gütestufen richten sich nach Wandstärke und Kritikalität der Anwendung. Für die meisten GussStähle wird für Wandstärken unter 16 mm Gütestufe 2 empfohlen, im Bereich von Schweißenden eher Gütestufe 1. • Magnetpulverprüfung (MT, DIN EN 136976): Sie dient ebenfalls als Oberflächenprüfung und kommt für ferritische Stähle in Betracht. Die erforderlichen Gütestufen richten sich nach Wandstärke und Kritikalität der Anwendung. Auch hier wird für Wandstärken unter 16 mm Gütestufe 2 empfohlen, im Bereich von Schweißenden Gütestufe 1. Die Entmagnetisierung nach der Prüfung soll den Restmagnetismus auf maximal 4 Gauss begrenzen. • Ultraschallprüfung (UT, DIN EN 12680-277): Diese ist eine Volumenprüfung, speziell für ferritische Stähle. Die Position der Messsonden und die erforderlichen Gütestufen

74  DIN

EN 1370:2012-03 Gießereiwesen – Bewertung des Oberflächenzustandes; Deutsche Fassung EN 1370:2011. Beuth-Verlag, Berlin. 75  DIN EN 1371-1:2012-02 Gießereiwesen – Eindringprüfung – Teil 1: Sand-, Schwerkraftkokillen- und Niederdruckkokillengussstücke; Deutsche Fassung EN 1371-1:2011. Beuth-Verlag, Berlin. 76  DIN EN 1369:2013-01 Gießereiwesen – Magnetpulverprüfung; Deutsche Fassung EN 1369:2012. Beuth-Verlag, Berlin. 77 DIN EN 12680-2:2003-06 Gießereiwesen – Ultraschallprüfung – Teil 2: Stahlgussstücke für hoch beanspruchte Bauteile; Deutsche Fassung EN 12680-2:2003. Beuth-Verlag, Berlin.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

181

richten sich nach Art der Druckbeaufschlagung. Auch hier gelten besonders hohe Anforderungen an Schweißenden. • Radiografische Durchstrahlungsprüfung (RT, ASTM E44678, ASTM E18679): Sie findet nach Fertigbearbeitung statt, um Einschlüsse und Hohlräume im Material (Lunker) zu erkennen. Die erforderlichen Gütestufen richten sich nach der Wandstärke. Auch hier wird im Bereich von Schweißenden Gütestufe 1 empfohlen. • Maßkontrolle der wesentlichen Bauteilabmessungen. Das Personal, welches die Prüfungen durchführt, muss gemäß ISO 971280 qualifiziert sein und kalibrierte Messtechnik benutzen. An die Stelle der im Wesentlichen in Europa gültigen EN-Normen können z. B. bei Herstellern in Japan vergleichbare JIS-Standards (Japanese Industrial Standards) bzw. im amerikanischen Raum der ASME B&PV Code Section V81 treten. Je nach Größe und Menge der gebildeten Hohlräume und Fehlstellen sind Nachbesserungen erforderlich und möglich. „Minor Defects“ und „Major Defects“ sind zu unterscheiden. Diese sind definiert in API STD 612 für Dampfturbinen, API STD 617 für Turboverdichter und API STD 618 für Kolbenmaschinen. Die Maßnahmen bei „Major Defects“ von Auftragsschweißen (Cladding) bis hin zum Verwerfen des Gehäuses sollten gemeinsam mit dem Betreiber geklärt und von diesem genehmigt werden. Fehlstellen sind komplett zu entfernen. Insbesondere bei Grauguss und Sphäroguss sind Reparaturen kaum möglich. Diese Materialien sollten ohnehin allenfalls bei geringen Drücken und Temperaturen zugelassen werden. An Gussteilen sind Lötverbindungen unzulässig. Beim Auftreten von „Major Defects“ können Verzögerungen im Projekt bis zu einigen Monaten entstehen.

6.4.3 Geschweißte Bauteile In diesem Abschnitt wird nur in Kürze und nur in Ansätzen auf das Schweißen von Bauteilen eingegangen.

78 ASTM E 446:2020 Standard Reference Radiographs for Steel Castings Up to 2 in. (50.8 mm) in Thickness: Beuth Verlag, Berlin. 79 ASTM E 186:2020 Standard Reference Radiographs for Heavy-Walled (2 to 412 in. (50.8 to 114 mm)) Steel Castings. Beuth-Verlag, Berlin. 80 ISO 9712:2021 Non-destructive testing – Qualification and certification of NDT personnel. 81  ASME BPVC-V, 2021 Edition, July 2021 – SECTION V – NONDESTRUCTIVE EXAMINATION. ISBN 9780791874202.

182

6  Maschinenspezifikation im Detail

Wesentliche Qualitätsanforderungen an das Schweißen von Bauteilen sind in DIN EN ISO 3843-382 bzw. in ASME B&VP Code Section IX83 zusammengefasst. Die Ausführung von Schweißarbeiten darf nur von dazu qualifizierten Schweißern durchgeführt werden. Alle Schweißnähte sollten durchgängig sein, um Korrosion an Spalten auszuschließen. In Einzelfällen verbleibende Schlitze werden abgedichtet. Materialprüfungen sollten erst nach der Wärme-Nachbehandlung im Anschluss an das Schweißen erfolgen. In der Praxis zeigt es sich, dass das Vorhandensein von Qualitätsdokumenten allein nicht ausreicht, insbesondere bei Gehäuseschweißungen bei Ventilatoren, aber auch anderen von den Maschinenlieferanten untervergebenen Komponenten.

6.4.4 Fertige Gehäuse, Druck- und Dichtheitsprüfung Für die fertig bearbeiteten Gehäuse aus Guss- oder Schweißkonstruktionen wird die Durchführung folgender beiden Tests unter Aufsicht des Kunden und Endkunden empfohlen: • Dichtheitsprüfung (Leckagetest), üblicherweise bei 110 % des Designdrucks: Ziel ist es, kleinste Risse zu erkennen, die zu Leckagen führen, sowie die Dichtheit von Flanschen nachzuweisen. Geeignete Verfahren werden in DIN EN 177984 bzw. in ASME B&VP Code Section V Article 10 beschrieben85. • Wasserdruckprüfung (hydrostatischer Test), üblicherweise bei 150 % des Designdrucks und bei einer Mindestdauer von 20, besser 30 min: Ziel ist es, die Integrität des Gehäuses bzw. Bauteils nachzuweisen. Ein Druckabfall darf während der Prüfzeit nicht festgestellt werden. Durch visuelle Inspektion erkannte Leckagen oder Deformationen sind keinesfalls zulässig. Das Maschinengehäuse wird grundsätzlich nicht als Druckbehälter gemäß der regional zutreffenden Druckbehälterverordnungen betrachtet, denn die Auslegung wird bereits

82  DIN

EN ISO 3834-3:2021-08 Qualitätsanforderungen für das Schmelzschweißen von metallischen Werkstoffen – Teil 3: Standard-Qualitätsanforderungen (ISO 3834-3:2021); Deutsche Fassung EN ISO 3834-3:2021. Beuth-Verlag, Berlin. 83 ASME BPVC Section 9:2021; ASME BPVC.IX:2021 ASME Boiler and Pressure Vessel Code – Section IX: Welding, Brazing, and Fusing Qualifications – Qualification Standard for Welding, Brazing, and Fusing Procedures; Welders; Brazers; and Welding, Brazing, and Fusing Operators. 84 DIN EN 1779:1999-10 Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Kriterien zur Auswahl von Prüfmethoden und -verfahren; Deutsche Fassung EN 1779:1999. Beuth-Verlag, Berlin. 85 Schröder, G., Neue Norm zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung. ZfP-Zeitung 74, April 2001.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

183

aufgrund von funktionalen, höheren Anforderungen, z. B. hoher Steifigkeit, durchgeführt. Für den hydrostatischen Test wird der abgedichtete Prüfling mit Wasser abgedrückt. Wichtig ist die Wasserqualität, um korrosive Schädigungen der Oberflächen zu vermeiden. Der Gehalt an Chloriden soll einen Wert von 50 ppm nicht überschreiten. Nach dem hydrostatischen Test ist die Oberfläche wasserbenetzt. Damit könnten Risse verdeckt sein. Aus diesem Grunde sollte die Dichtheitsprüfung vor dem Hydrostatischen Test erfolgen. Aus Sicht des Herstellers wird jedoch oft aus Gründen der Arbeitssicherheit zuerst der hydrostatische Test gefordert. In diesem Fall sollte zwischen den Prüfungen ein geeignetes Trocknungsverfahren mit mindestens 110 °C vereinbart und angewendet werden, um trockene Oberflächen zu gewährleisten. Für die Dichtheitsprüfung wird der abgedichtete Prüfling mit Prüfgas abgedrückt. In der Regel verwendet man hierfür eine Mischung aus Stickstoff und Helium, bei Gasen mit höheren Molmassen auch reinen Stickstoff. Bevorzugtes Verfahren für die Dichtheitsprüfung ist die Prüfung im Wasserbad (Immersion Method). Diese wird für kleinere Bauteile genutzt, z. B. Zylinder von Hubkolbenverdichtern. Leckagen zeigen sich hierbei durch aufsteigende Blasen, die die undichte Stelle lokalisieren. Gängig für größere Gehäuse sind Verfahren, in denen Gehäuse und Flansche mit einer speziellen Seifenlösung benetzt werden. Durch visuelle Inspektion erkannte Bläschenbildung zeigt dann unzulässige Leckagen an. Ist eine höhere Empfindlichkeit der Prüfung erforderlich, wie zum Beispiel bei Gasen mit hoher Gefährdung oder Gasen mit hohem Wasserstoffanteil, so wird ein HeliumSchnüffelgerät benutzt86, das bereits um den Faktor 1000 geringere Leckagen erkennt.

6.4.5 Welle und Läufer Die Turbinen- bzw. Verdichterwelle (Rotor) wird gewöhnlich aus einem Werkstück gefertigt. Eine Ausnahme ist die Turbinen-Bauart als Scheibenläufer. Laufräder eines Turboverdichters und sowie Schaufeln einer Dampfturbine werden in der Regel gefräst. Neben der bereits beschriebenen Material-Inspektion und den Oberflächenprüfungen der fertig bearbeiteten Welle, der Laufräder und Turbinenschaufeln (Visuelle Inspektion, Ultraschallprüfung, Magnetpulverprüfung und zusätzlich Prüfung der Oberflächenhärte, sowie Maßkontrolle) müssen diese Komponenten einzeln und dann auch als fertig montierter Läufer ausgewuchtet und einer Schleuderprobe unterzogen werden. Hier wird auch das vorher bereits separat ausgewuchtete Kupplungselement mit berücksichtigt.

86 Kutzke, K., Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor. Expert-Verlag, 2021, ISBN 3816908225.

184

6  Maschinenspezifikation im Detail

Nach Möglichkeit sollten beim hochtourigen Wuchten auch die Original-Lager verwendet werden.

6.4.5.1 Nieder- und hochtouriges Auswuchten, Schleuderprobe Der Auswuchtvorgang erfolgt niedertourig und in den meisten Fällen zusätzlich hochtourig, d. h. bei einer Drehzahl in der Größenordnung der Betriebsdrehzahl. Durch das Auswuchten soll sicher gestellt werden, dass die Haupt-Trägheitsachse des fertigen Läufers weitgehend mit der Drehachse zusammenfällt. Bezüglich zulässiger Werte für die Restunwucht nach dem Auswuchten und den Auswuchtprozess selbst wird auf DIN ISO 21940 (Blätter 187 und folgende, speziell Blatt 1188) verwiesen. Anstelle der dort geforderten Güteklasse G 2,5 wird vom Autor empfohlen, grundsätzlich eine Güteklasse von G 1,0 anzustreben, die von den meisten Maschinenlieferanten auch ohne großen Zusatzaufwand dargestellt werden kann und zu verbesserter Laufruhe führt. Eine Korrektur der Unwuchten im Zuge des Auswuchtprozesses während der Fertigung erfolgt durch Materialabtrag (z. B. Bohren, Schleifen), in der Regel nicht durch Aufbringen von Zusatzmassen. Auf das hochtourige Wuchten sollte allenfalls bei kurzen Läufern wie der Ritzelwelle bei Getriebe-Turboverdichtern oder bei den langsam laufenden Antriebswellen verzichtet werden. Hier gibt es Hersteller, die das hochtourige Wuchten bereits in ihrer Herstellervorschrift vorgesehen haben. Andere verzichten darauf. Es gibt Maschinenlieferanten, die auch für schlanke Wellen lediglich niedertouriges Wuchten vorschlagen und einen Auswuchttest erst am eingebauten Läufer empfehlen, um Produktionszeit zu sparen. Im Falle des Misslingens muss jedoch das hochtourige Wuchten nachgeholt werden, was wiederum zusätzlichen Zeitbedarf erfordert. Um späteres Nachwuchten im Betrieb zu ermöglichen, können die Läufer an bestimmten Stellen mit Wuchtnuten oder Wuchtbohrungen versehen werden, in die Gewichte eingesetzt werden können. Vor dem hochtourigen Wuchten des Läufers wird zunächst an den Laufrädern, dann am zusammengebauten Läufer eine Schleuderprobe von 3 min Dauer bei erhöhter Drehzahl durchgeführt. Hochtouriges Wuchten wie auch Schleuderprobe finden in einem in der Regel evakuierten Bunker statt, um Ventilationsverluste zu reduzieren und übermäßiges Aufheizen aufgrund von Reibung zu vermeiden. Die Schleuderprobe gewährleistet, dass aufgrund der Zentrifugalkräfte keine bleibenden Verformungen auftreten, bei Dampf-

87 DIN

ISO 21940-1:2019-07 Mechanische Schwingungen – Auswuchten von Rotoren – Teil 1: Einführung (ISO 21940-1:2019). Beuth-Verlag, Berlin 88 DIN ISO 21940-11:2017-03 Mechanische Schwingungen – Auswuchten von Rotoren – Teil 11: Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit starrem Verhalten (ISO 21940-11:2016). Beuth-Verlag, Berlin.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

185

turbinen die Schaufeln in ihre endgültige Position gehen und dass Schrumpfsitze korrekt dimensioniert sind. Schaftdurchmesser und Spitzendurchmesser der Beschaufelung dürfen vor und nach dem Schleudertest keine messbaren Abweichungen aufweisen. Für die Schleuderprobe haben sich die folgenden Drehzahlen bewährt: • • •

für Verdichter-Laufräder: Motor-Antrieb: 120 % der maximalen Betriebsdrehzahl, Turbinen-Antrieb: 110 % der Trip-Drehzahl. für Verdichter-Läufer (komplett): Motor-Antrieb: 115 % der maximalen Betriebsdrehzahl, Turbinen-Antrieb: 105 % der Trip-Drehzahl. für Turbinen-Läufer (komplett): 110 % der Trip-Drehzahl.

Nach der Schleuderprobe sollte eine weitere Oberflächenprüfung (Magnetpulverprüfung) durchgeführt werden. Dies dient zum Nachweis, dass keine zusätzlichen Risse aufgetreten sind. Im Anschluss an das hochtourige Wuchten muss die verbleibende Restunwucht nochmals bei niedriger Drehzahl überprüft werden. Eine detaillierte Darstellung des Auswuchtprozesses findet sich auch in der API RP 68489.

6.4.5.2 Rundlaufabweichungen Eine weitere wichtige, zu prüfende Größe ist die Rundlaufabweichung eines Läufers, meist bezeichnet als Run-out. Die entsprechenden Prüfungen werden nach dem Auswuchten der Laufräder und Rotoren durchgeführt, bevor der Einbau des Läufers ins Gehäuse erfolgt. Elektrischer und mechanischer Run-out werden bestimmt, indem der Rotor, der im Idealfall in Prismen an den Zapfenmitten (etwa in Höhe der Radiallager) gehalten wird, langsam um volle 360 Grad gedreht wird. Dabei erfolgt die Aufzeichnung kontinuierlich mit einem berührungslosen Wegsensor und mit Messuhren an und neben der Mittelposition jeder Schwingungssonde. Der mechanische Anteil des Run-out beruht auf Bautoleranzen und ergibt sich durch die Änderung des Spalts zwischen Mess-Oberfläche der Welle und der Näherungssonde, die nicht aus einer dynamischen Bewegung der Welle resultiert. Häufige Ursachen sind unrunde Wellen, Exzentrizität und Flachstellen.

89  API

RP 684:2005-08 Paragraphs Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals and Rotor Balancing. API RECOMMENDED PRACTICE 684 SECOND EDITION, AUGUST 2005; REAFFIRMED, NOVEMBER 2010. American Petroleum Institute, Washington.

186

6  Maschinenspezifikation im Detail

Der elektrische Anteil des Run-out besteht in der Änderung des Ausgangssignals der Näherungssonde, die nicht aus einer Änderung des Sondenabstands resultiert. Er wird durch Variationen der elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials entlang des Wellenumfangs verursacht wird. Der kombinierte oder totale Run-out schließlich ist die Überlagerung von mechanischem und elektrischem Anteil. Empfehlungen für maximal zulässige Restunwuchten, Rundlaufabweichungen und Wellenschwingungsamplituden findet man in API STD 612 (für Turbinen), API STD 617 (für Turboverdichter) und API STD 619 (für Schraubenverdichter). Die Grenzwerte für den kombinierten Run-out liegen hier bei 6,35 µm pp90 (radial), 12,7 µm pp (axial).

6.4.6 Wellenabdichtungen Insbesondere gasgeschmierte Gleitringdichtungen werden von deren Herstellern als Kartuschen ausgeliefert. Wegen ihrer Empfindlichkeit werden sie zuvor auf einem Testbett geprüft. Die wichtigsten Testanforderungen werden im API STD 617, Annex F „Dry Gas Seal Testing at Manufacturer´s Shop“, dargestellt. Zusätzlich wird empfohlen, die Abhebedrehzahl versuchstechnisch zu ermitteln. Insbesondere bei Verdichterantrieb durch Dampfturbine benötigt man diese zur Festlegung der minimalen Drehzahl der Wellendrehvorrichtung. Auch Aussagen über die Wärmeentwicklung können sinnvoll sein. Diese sind auf dem Testbett nicht ermittelbar, können jedoch im Zusammenspiel zwischen Dichtungshersteller und Verdichterhersteller oder zumindest als Erfahrungswerte abgeschätzt werden.

6.4.7 Getriebe und Kupplungen Kupplungsnaben werden niedertourig gewuchtet. Sie sollten die Güteklasse G 1,0 erreichen. Getriebe sollten einem mechanischen Probelauf von 4 h Dauer bei Betriebsdrehzahl unter Überprüfung von Temperaturen und Schwingungen unterzogen werden. Im Anschluss sollten dann das Getriebespiel und der Zahnkontakt visuell überprüft werden. Bei separaten Getriebegehäusen erfolgt der Test beim Getriebehersteller, bei GetriebeTurboverdichtern im Rahmen des Verdichterprobelaufs beim Verdichterhersteller.

90 „peak-to-peak“.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

187

6.4.8 Druckbehälter Druckbehälter im Rahmen einer Maschinen-Einheit sind normalerweise Gaskühler als Zwischen-, Nach- und Bypasskühler, Ölkühler sowie Filter und Akkumulatoren, weiterhin Flüssigkeitsabscheider. Bei Hubkolbenverdichtern kommen noch die Pulsationsdämpfer hinzu, manchmal kombiniert mit den Abscheidern. Ebenso die Kühler wassergekühlter MV-Motoren. Diese werden entsprechend den jeweils gültigen Druckbehälterverordnungen behandelt, geprüft und getestet. Insbesondere ist die Wasserdruckprüfung zu erwähnen. Interessant ist hierbei die Betrachtung der Wärmeübertrager-Rohre im Falle von Rohrbündel-Wärmeübertragern für das Prozessgas. Die normale Eingangskontrolle beim Hersteller der Wärmeübertrager umfasst hier in der Regel nur die Außenwand der Rohre. Wenn die Möglichkeit besteht, sollte aber zusätzlich eine Wirbelstrom- oder Ultraschallmessung der Wandstärke im Inneren der Rohre durchgeführt werden. Dies dient zum einen der „Null-Messung“ bei Inbetriebnahme. Bei Wiederholung, z. B. bei einer Revision, können dadurch Aussagen über Korrosions- oder Erosionsangriffe im Betrieb sowie die weitere Lebensdauer gegeben werden. PRAXISBEISPIEL – NULLMESSUNG AN WÄRMEÜBERTRAGER-ROHREN

Bei einer vom Betreiber vorgeschriebenen und von diesem in der Werkstatt des Herstellers des Wärmeübertragers selbst durchgeführten Wirbelstrommessung im Inneren der Rohre erwies sich, dass bereits hier die geforderten Mindest-Wandstärken an verschiedenen Stellen nicht eingehalten wurden. Eine größere Anzahl an Rohren musste deshalb verworfen werden. Bei der Ursachenermittlung stellte sich heraus, dass der in Indien ansässige Hersteller der Rohre nach dem Beizen keine ausreichende Reinigung und Trocknung vorgenommen hatte und die verbliebenen Reste während des längeren Transportes die innere Rohrwand in Mitleidenschaft gezogen hatten.

6.4.9 Hilfs- und Versorgungssysteme Hierbei handelt es sich um Versorgungssysteme für Sperrgas oder Sperröl, Schmieröl und Steueröl. Bei Hubkolbenverdichtern können Mantelkühlung und Öleinspritzung dazu kommen, bei Schraubenverdichtern Wassereinspritzung. Neben Tests der Einzelkomponenten sollten hier Leckagetests und praxisnahe Funktionstests gefordert werden, die neben den möglichen Betriebszuständen einschließlich Stillstand, Anfahren, Maschinenabschaltung auch Umschaltvorgänge sowie Fehler und Ausfälle von Einzelkomponenten beinhalten.

188

6  Maschinenspezifikation im Detail

Besonders wichtig ist dies für Wellenabdichtungen mit den empfindlichen gasgeschmierten Gleitringdichtungen. Hier sollen sichere Betriebszustände sowie messtechnische Überwachbarkeit auch bei Schäden einzelner Dichtungselemente wie z. B. „Hang Up“ oder bei vergrößerten Spaltmaßen erhalten bleiben.

6.4.10 Mechanischer und thermodynamischer Werks-Probelauf Im Rahmen von Werksabnahme-Prüfungen (FAT) wird für HDRE-Maschinen ein mechanischer Probelauf durchgeführt. Er dient im Wesentlichen zum Nachweis der mechanischen Stabilität und Integrität, sowie dem Einlaufen der Lagerung. Die Laufzeit eines solchen Probelaufs beträgt mindestens 4 h ab Erreichen stationärer Lagertemperaturen. Die Prüfung erfolgt in der Regel bei maximaler Betriebsdrehzahl. Gemessen werden Schwingungen, Öl- und Lagertemperaturen sowie die Geräuschentwicklung. Der Antrieb erfolgt meist mit einem MV-Antriebsmotor des Herstellers („Shop Motor“) und dem Originalgetriebe („Job Gearbox“). Nach erfolgreich absolviertem mechanischem Probelauf werden die Lagerschalen geöffnet und die weichen Weißmetalloberflächen der Kippsegmente auf Kratzer und Schäden begutachtet. Ein thermodynamischer Leistungstest soll im Anschluss daran Aufschluss darüber geben, ob zum einen die geforderten betrieblichen Parameter Druckerhöhung und Fördermenge erreicht werden, zum anderen ob der dazu erforderliche Leistungsbedarf den Spezifikationen entspricht sowie keine Randbedingungen z. B. der Temperaturen verletzt werden. Trotz Kosten und Zeitbedarf werden generell für rotierende Verdichter thermodynamische Leistungstests als Werkstests empfohlen. Sind die Maschinen bereits in der Anlage eingebaut, ist die Ausführung von Leistungstests für die Garantiepunkte oft aus betrieblichen und messtechnischen Gründen ungleich schwieriger bis nicht möglich. Auch erforderliche Nacharbeiten oder Austausch von Bauteilen sind dann oft nur mit großem Zeitverlust durchzuführen. Die Durchführung des thermodynamischen Leistungstestes bei Turboverdichtern erfolgt in der Regel gemäß ASME PTC (Performance Test Code) 1091, weniger gängig auch gemäß ISO 538992 oder VDI 204593. In diesen Normen werden auch die Unsicherheiten der Messungen und der Umrechnung der Testbedingungen auf die Betriebsbedingungen beschrieben. Die PTC 10 kennt hierbei den recht genauen Typ 1, der nur

91 ASME

PTC 10:1997 Performance test code on compressors and exhausters. 5389:2005-12 Turbokompressoren – Thermodynamische Abnahme- und Leistungsversuche. 93 VDI 2045 Blatt 1:1993-08 Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln); Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Acceptance and performance tests on turbo compressors and displacement compressors; test procedure and comparison with guaranteed values. 92 ISO

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

189

geringe Abweichungen der Betriebsbedingungen und des verwendeten Vergleichsgases zulässt, und Typ 2, der größere Abweichungen zulässt. Die zulässigen Abweichungen und Ähnlichkeitsbedingungen für Maschinen-Machzahl und Maschinen-Reynoldszahl werden dort angegeben. Je nach Vergleichsgas und erforderlicher Antriebsleistung findet eine Anpassung der Drehzahl statt. Einzelheiten des Leistungstests werden auch in API STD 617 beschrieben. Der Leistungstest kann damit in unterschiedlich aufwendigen Konstellationen erfolgen: • jede Verdichterstufe separat mit Luft bei Umgebungsdruck, • alle Verdichterstufen zusammen mit Luft, ohne oder mit Zwischenkühlung, • alle Verdichterstufen zusammen mit Zwischenkühlungen, mit Vergleichsgas, • kompletter Verdichterstrang mit Antrieb durch Originalmotor („String Test“), • Test der kompletten Verdichtereinheit zusammen mit Regelung und ihren Versorgungssystemen („Complete Unit Test“). Um hier nicht nur den oder die Garantiepunkt(e), sondern einen weiten Bereich des Verdichterkennfeldes zu testen, sollte die Anzahl der zu testenden Betriebspunkte vorab definiert werden, wenn Abweichungen gegenüber dem Herstellerstandard gewünscht werden. Neben den Garantiepunkten sollte bei gleicher Drehzahl bzw. gleicher Eintrittsleitpparat-Stellung ein Betriebspunkt bei erhöhter Menge und ein weiterer an der Pumpgrenze getestet werden. Mindestens eine weitere Kennlinie bei geänderter Drehzahl bzw. Eintrittsleitapparat-Stellung sollte ebenfalls mit drei Betriebspunkten getestet werden, ferner sollte die tatsächliche Pumpgrenzlinie ermittelt werden. Für den Leistungstest bei Ventilatoren kann VDI 204494 herangezogen werden, im amerikanischen Raum eher die ASME PTC 1195. Für Industrie-Dampfturbinen erfolgt die Beschreibung von Leistungstests in der ASME PTC 696 sowie in verschiedenen Blättern der IEC 6095397. Allerdings wird für Industrieturbinen meist nur ein mechanischer Probelauf durchgeführt, für den Einzelheiten auch im API STD 612 zu finden sind. Für Gasturbinen können Leistungstests nach ISO 231498 und ASME PTC 2299 durchgeführt werden.

94  VDI

2044 (2018-11) Abnahme- und Leistungstests an Ventilatoren (VDI-Ventilatorregeln); Englischer Titel: Acceptance and performance tests on fans (VDI Code of Practice for Fans). 95 ASME PTC 11 (2008) Fans – Performance Test Codes. 96 ASME PTC 6-2004 (Reaffirmed 2014) Steam Turbines. 97 IEC 60953 Rules for steam turbine thermal acceptance tests. 98 ISO 2314-2009 Gas turbines – Acceptance tests. 99 ASME PTC 22-2014 Gas Turbines.

190

6  Maschinenspezifikation im Detail

Für Hubkolbenverdichter wird im allgemeinen kein thermodynamischer Probelauf vorgesehen. Für trocken laufende Schraubenverdichter ohne und mit Wassereinspritzung wird vor dem mechanischen Probelauf ein vierstündiger „Heat Run“ bei Volllast durchgeführt (s. auch API STD 619). Um Korrosionschäden zu vermeiden, ist bei der Verwendung von Wasser beim Probelauf generell auf die Wasserqualität zu achten. Notwendig ist nach dem Test noch im Herstellerwerk eine gründliche Trocknung und Reinigung aller betroffenen Bauteile.

6.4.11 Testen von Ersatzläufern Um bei Bedarf einen zügigen Einbau eines Ersatzläufers zu erlauben, sollten diese parallel zu den für die Inbetriebnahme vorgesehenen, sogenannten Originalläufer getestet werden. Hier ist eine der folgenden Vorgehensweisen festzulegen: • Einbautest: Hier wird lediglich geprüft, ob die geometrischen Bautoleranzen für einen Einbau ausreichend gering sind. • Mechanischer Probelauf: Hier wird zusätzlich geprüft, ob die rotordynamischen Eigenschaften des Ersatzläufers den Anforderungen entsprechen. Sinnvoll ist es, zuerst den mechanischen Probelauf mit dem Ersatzläufer durchzuführen und danach den Originalläufer, um den Umbauaufwand beim Testen gering zu halten. Danach ist darauf zu achten, dass der Ersatzläufer ordnungsgemäß konserviert und lagerfähig verpackt wird. • Thermodynamischer Probelauf: Ein thermodynamischer Probelauf ist wegen des hohen Aufwands sowie der einheitlichen Auslegung von Betriebs- und Ersatzläufer nur in seltenen Fällen erforderlich. Dies kann z. B. als Zusatztest der Fall sein, wenn der Betriebsläufer thermodynamisch nicht die erforderliche Leistung erbringt. Ein mechanischer Probelauf wird generell schon aus Gewährleistungsgründen empfohlen. Wenn ein einziger Ersatzläufer für mehrere gleichartige Maschinen beschafft wird, genügt der mechanische Probelauf an einer der Maschinen. Ein Einbautest in den anderen Maschinen wird empfohlen. Auch andere wesentliche Ersatzteile sollten vor Auslieferung geprüft und getestet werden.

6.4.12 Testen elektrischer Antriebe Die MV-Antriebsmotoren für HDRE-Verdichterstränge werden in mechanischer, geometrischer und elektrischer Hinsicht speziell auf den jeweiligen Einsatzfall ausgelegt.

6.4  Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung

191

Wie bei Verdichtern und Turbinen fallen auch hier gemäß des ITP Materialprüfungen an Schweißnähten und Bauteilen mittels RT, UT, MT, PT an. Entsprechende Test-Zertifikate müssen vorgelegt werden. Bezüglich der Rotordynamik des Läufers sind folgende Maßnahmen im Werk des Motorherstellers erforderlich: • Niedertouriges Wuchten der Kupplungsnabe und des Läufers in der Güteklasse G1,0, • Überdrehzahltest mit 120 % der Auslegungsdrehzahl während 2 min, • Messung des mechanischen und kombinierten Run-out des Rotors. Beim Motorhersteller wird weiterhin ein sogenannter Typ-Test durchgeführt, zusammen mit einem Routine-Test. Falls mehrere gleichartige Motoren bestellt werden, genügt für die weiteren der Routine-Test. Zu den erforderlichen Tests legen die Motorhersteller ihre Prüfvorschriften vor, die ggf. ergänzt werden können. Zu einem Routine-Test gehören mindestens. • Sichtprüfung und Maßkontrolle, • Messung des Wicklungswiderstands bei 20 °C gemäß IEC 60034-2-1, 5.7 (2014), • Drehrichtungskontrolle gemäß IEC 60034-1, 9.2 (2010), • Funktionstest der Hilfseinrichtungen, • Leerlauf – und Kurzschlusstest gemäß IEC 60.034-2, 6.2.6.2 (2014), • Temperatur- und Schwingungsmessungen an den Lagern, • Temperaturmessungen an den Wicklungen, • Messung der Wellenspannung, • Messung des Luftspaltes, • Bestimmung des magnetischen Zentrums, • Schwingungsmessung gemäß IEC 60034-14, 8.1 (2007), • Schalldruckmessung. Der Typ-Test umfasst zusätzlich mindestens • Bestimmung von Leerlauf-Kennlinie, Eisen- und Reibungsverlusten, • Ermittlung der Last-Charakteristik und der Verluste im Kurzschlussfall gemäß IEC 60034-2-1, 6.2.6.3 (2014): Netzstrom, Wirkungsgrad, Leistungsfaktor, Schlupf, Kippmoment, Blockierstrom, Blockiermoment, • Erwärmungstest bei Nennleistung, möglichst an einer Belastungsmaschine, • Messung des Isolationswiderstands sowie des Verlust-/Leistungsfaktors (tan delta), • Ermittlung der Hochlauf- und Belastungs-Kennlinie (Drehmoment-Drehzahl-Kurve), von Strom und Drehmoment bei blockiertem Rotor, • Überspannungs-Test gemäß IEC 60034-1, 9.2 (2010), • Teil-Entladungs-Test gemäß IEC 60034-27, • Gleitlager-Untersuchung nach Beendigung des Probelaufs.

192

6  Maschinenspezifikation im Detail

Nähere Erläuterungen zu Tests und Inspektionen sind in API STD 541100 zu finden. Die Testverfahren einschließlich ihren Akzeptanzkriterien werden in der IEC/EN 60034-1101 und in verschiedenen weiteren Blättern dieser Norm beschrieben. Die DIN EN IEC 60034 liegt 2021 teilweise in einer Neufassung, teilweise in einem Neuentwurf vor. Weiterhin sollten die Klemmenkästen kurzschlussfest ausgeführt sein, um eine Gefährdung von im Umfeld befindlichen Personen auszuschließen. Deren Berstsicherheit kann durch eine Lichtbogenprüfung nachgewiesen und durch die Baumusterprüfbescheinigung eines zertifizierten Prüfinstituts bescheinigt werden. Enthält der elektrische Antrieb Frequenzumrichter, sind zusätzliche Tests erforderlich. Routinetests sind je nach Spannungsbereich des Motors unter bzw. ab 1000 V in den DIN EN 61800-2102 bzw. DIN EN 61800-4103 beschrieben. Für den Typ-Test kommen folgende Tests hinzu: • Temperaturmessungen heißer Bereiche am Umrichter bei Volllast, • Messung der Harmonischen der Spannung (Vielfache der Grundfrequenz), • Messung der Verluste und des Wirkungsgrades bei Teillast, Volllast und Überlast.

6.5 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde beschrieben, welche Überlegungen und Entscheidungen im Detail in eine Spezifikation von HDRE-Maschinensträngen verschiedener Ausprägung einfließen. Was den maschinentechnischen Lieferumfang angeht, erfolgt die Spezifikation in den wesentlichen Teilen in funktionaler Form. Damit bleibt es dem Know-How des Maschinenherstellers freigestellt, wie er seine Konstruktion im Detail ausführt, um die funktionalen Ziele zu erreichen.

100 API

STD 541:2014-12 Form-Wound Squirrel-Cage Induction Motors – 500 Horsepower and Larger. 101  DIN EN 60034-1:2011-02 VDE 0530-1:2011-02 Drehende elektrische Maschinen – Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten (IEC 60034-1:2010, modifiziert); Deutsche Fassung EN 600341:2010 + Cor.:2010. Beuth-Verlag, Berlin. 102  DIN EN 61800-2:2018-08 – Entwurf VDE 0160–102:2018–08 Drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme – Teil  2: Allgemeine Anforderungen – Festlegungen für die Bemessung von Niederspannungs-Wechselstrom-Antriebssystemen (IEC 22G/372/CD:2017); Text Deutsch und Englisch. 103 DIN EN 61800-4:2003-08 VDE 0160-104:2003-08 Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe – Teil 4: Allgemeine Anforderungen; Festlegungen für die Bemessung von WechselstromAntriebssystemen über 1000 V AC und höchstens 35 kV (IEC 61800-4:2002); Deutsche Fassung EN 61800-4:2003.

6.5 Zusammenfassung

193

Eingeschränkt in der Ausführung ist er über die mitgeltenden Regelwerke, seien es behördliche Anforderungen, „Good Practice“-Regeln aus öffentlichen Normen, weitere technische Regelwerke des Betreibers, oder aber generelle Vorschriften aus dem Anlagenbauprojekt selbst. Weitere, interdisziplinäre Anforderungen ergeben sich aus der Verfahrens- und Prozesstechnik, der Bautechnik mit der Aufstellungsplanung, der Prozessleittechnik und der Berücksichtigung von Instandhaltungs- und Ersatzteilkonzepten. Für die Verfügbarkeit von HDRE-Maschinensträngen und die Anlagensicherheit wesentlich ist ein geeignetes Überwachungskonzept, bestehend aus Anlagenüberwachung, Maschinenschutz und Zustandsüberwachung am Maschinenstrang. Dabei werden Konzepte der lokalen und Fernüberwachung betrachtet. Betrachtet wurden auch Aspekte der Gestaltung eines Liefervertrages wie Garantien, Gewährleistung und andere kommerzielle Aspekte. Ausführlich beschrieben wurden auch die zur Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung erforderlichen Maßnahmen, die bereits in den Liefervertrag eingehen, wie Materialinspektionen, Druckprüfungen und mechanische und thermodynamische Probeläufe.

7

Vom Angebot zur Bestellung

In den vorausgegangenen Kapiteln wurden die folgenden Themen behandelt: • die Phasen eines Anlagenbauprojekts (Kap. 2), • die Entwicklung eines auf das Anlagenbauprojekt angepassten Maschinenkonzepts (Kap. 3), • die Auswahl potenzieller Maschinenlieferanten (Kap. 4), • die Auswahl des Beschaffungskonzepts (Kap. 5) und • die detaillierte technische Maschinenspezifikation (Kap. 6). In diesem Kapitel werden die weiteren Schritte bis zur Bestellung und die hierfür notwendigen technischen und kaufmännischen Informationen für Angebote und Bestellung dargestellt. In diesem Zeitraum werden die zu beschaffenden Maschineneinheiten im Zusammenspiel mit meist mehreren potenziellen Maschinenlieferanten im Detail spezifiziert und mit diesen durchgesprochen. Das Ergebnis dieser Detaillierungen und Durchsprachen sind bestellreife Unterlagen, die technisch und kaufmännisch bewertet werden und zu einer Klärung führen, bei welchem der Wettbewerber die Bestellung erfolgen wird. In den meisten Fällen wird es so sein, dass der dann ausgewählte Maschinenlieferant den gesamten Maschinenstrang liefert. Es kann jedoch auch sein, dass z. B. bei einem durch eine Dampfturbine angetriebenen Verdichter der Hersteller der Dampfturbine ein anderer ist als derjenige des Verdichters. Allerdings wird hier auch empfohlen, dass aus Gründen der Schnittstellenvereinfachung ein ausgewählter Maschinenlieferant, meist der des Verdichters, auch die Antriebsturbine mitliefert.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_7

195

196

7  Vom Angebot zur Bestellung

7.1 Anfragen an Hersteller Es wird davon ausgegangen, dass bereits Budgetangebote von Maschinenlieferanten vorliegen, die im Laufe von Konzeption und Detaillierung der Maschinenstränge entstanden sind. Sie können von unterschiedlicher Qualität sein, sollten aber alle wesentlichen Komponenten der betrachteten Maschine oder Maschineneinheit aufweisen. Liegen ausreichend viele solcher Angebote verschiedener Maschinenlieferanten in genügender Detailtiefe vor, so kann möglicherweise bereits an dieser Stelle eine Vorauswahl getroffen und aus der „Longlist“ eine „Shortlist“ erstellt werden. Ist dies nicht der Fall, so muss zwischen technischem Einkauf und Projektteam eine Liste infrage kommender Maschinenlieferanten abgestimmt werden. Ebenso ist die Frage zu klären, wie viele und welche Maschinenlieferanten in die Anfrage einbezogen werden. Die Erstellung, Prüfung und Durchsprache von verbindlichen Angeboten ist sowohl für Maschinenlieferanten wie auch Käufer sehr intensiv und zeitaufwendig und kann sich über mehr als 6 Monate hinziehen, da auch der Maschinenlieferant selbst Anfragen stellen muss, gewöhnlich an mehrere seiner Unterlieferanten. Üblicherweise werden für HDRE-Maschinen zwei bis drei Maschinenlieferanten in die Endauswahl einbezogen. Die Anfrage für ein verbindliches Angebot an die Maschinenlieferanten erfolgt meist über den technischen Einkauf der Partei, die für die Bestellung zuständig ist. Dieser kann, je nach Art der Projektabwicklung, der Endkunde sein, aber auch ein EPCKontraktor oder ein Engineering-Partner. Die Anfrage erfolgt auf Basis detaillierter technischer und kaufmännischer Unterlagen, so weit sie in diesem Stadium verfügbar sind. Die Maschinenlieferanten müssen in der Lage sein, mithilfe dieser Unterlagen ein verbindliches Angebot abzugeben, das sich in den späteren technischen Durchsprachen jedoch noch in Einzelheiten verändern kann. Wurde das häufig angewendete „Sealed Bid“-Verfahren vereinbart, dann werden die angefragten Hersteller aufgefordert, ihr unbepreistes und bepreistes Angebot separat zu senden, wobei das bepreiste Angebot nur der technische Einkauf erhält und dieses verschlossen bleibt. Der Gedanke hierbei ist, dass zunächst nur die technischen Angebote bewertet und vergleichbar gemacht werden. Die Angleichung der Angebote kann nach Rücksprache durch die Hersteller selbst erfolgen, wenn z. B. Ausschreibungsdetails falsch verstanden wurden, oder durch den Kunden durch die Vergabe eines Bonus oder Malus, wenn z. B. die angebotenen technischen Lösungen akzeptabel sind, aber später zu unterschiedlichen Betriebskosten führen. Nach einer meistens erforderlichen Aktualisierung auch der kommerziellen Angebote kann dann in finalen Verhandlungen der zum Zuge kommende Hersteller nur noch über den besten Preis ermittelt werden.

7.2  Inhalt verbindlicher Anfragen und Angebote

197

7.2 Inhalt verbindlicher Anfragen und Angebote Eine Anfrage an Maschinenlieferanten enthält in der Regel Prosa-Anteile, in denen das zugrunde liegende Verfahren, soweit erforderlich, beschrieben wird und die wesentlichen technischen und kaufmännischen Randbedingungen eines Projekts aufgeführt sind. Technische Einzelheiten werden als Anlagen in tabellarischer Form als technische Datenblätter beigefügt, weiterhin Zeichnungen, Dokumente und Formblätter. Wesentlich sind die folgenden Informationen, die zum Teil aus mehreren Anfrageund Angebotsrevisionen ermittelt werden: • • • •

allgemeine Informationen wie Ansprechpartner, Sprachversion(en), Maßeinheiten, mitgeltende Normen, Regulierungen und technische Standards, Kommunikationswege, geforderte Dateiformate, Betreiberstandards mit Abweichungs- und Erweiterungslisten von den Normen und Standards, • detaillierter gewünschter Liefer- und Bearbeitungsumfang einschließlich gewünschter Serviceleistungen, • vorgeschriebene oder ausgeschlossene Unterlieferanten und Lieferländer, • Anforderungen an die Qualitätssicherung, Umfang an Tests und Inspektionen sowie deren Dokumentation, • Anforderungen an Beschichtung, Konservierung und Transport, • geforderte Herstellergarantien, • allgemeine Designanforderungen (z. B. Schall, Umgebungsbedingungen), • allgemeine Anforderungen z. B. an Druckbehälter, Schweißen, Instrumentierung, Zeichnungen, • erforderliche technische Dokumente mit Qualitätskriterien, • R&I-Fließbilder des Prozesses, in dem die Maschine eingebunden ist, • technische Datenblätter mit den funktionalen Anforderungen an Maschine und andere Komponenten des Auftrags, mit den Prozessdaten, • vom Maschinenlieferanten zu benutzende Formblätter, • terminliche Randbedingungen, • kaufmännische Randbedingungen, Liefer- und Zahlungsbedingungen und erforderliche Bürgschaften. Die Vorgehensweise zur Lieferung einer EG-Konformitätserklärung (im europäischen Raum) sollte ausdrücklich und konkret vereinbart werden, um spätere Missverständnisse auszuschließen. Die Mitlieferung der schriftlichen Risikobeurteilung des Maschinenlieferanten ist ausdrücklich zu vereinbaren, wenn benötigt. Sonst ist in vielen Fällen nur eine Einsicht im Herstellerwerk möglich.

198

7  Vom Angebot zur Bestellung

Mit diesen Informationen können die Maschinenlieferanten ein umfassendes kaufmännisches und technisches Angebot mit folgenden Inhalten erstellen: • eine detaillierte Beschreibung des Lieferumfangs mit technischen Daten und Eigenschaften, Liefergrenzen und Lieferausschlüssen, • den Leistungsumfang von Serviceleistungen und Montageleistungen, • die einer Bestellung zu Grunde liegenden technischen und öffentliche Regelwerke und Rahmenbedingungen, • Kommentare und Abweichungswünsche von den technischen und projektspezifischen Anforderungen und mitgeltenden Regelwerken, • Leistungs- und andere Garantien und Gewährleistungen, • Lieferumfang von Dokumenten und Zertifikaten mit Lieferdaten, • Lieferumfang von Ersatzteilen, • um Herstellerdaten wie Werkstoffe, Leistungsbedarfe etc. erweiterte technische Datenblätter, • Schalldaten und Schallgarantien, • eine Liste verwendeter Werkstoffe, • eine Liste der erforderlichen Verbrauchsstoffe, Hilfsenergien und Betriebsstoffe, • eine Liste der möglichen Unterlieferanten für Einzelkomponenten mit möglichen Ausschlüssen von Lieferländern, • vorläufige R&I-Fließbilder, Aufstellungs- und Konstruktionszeichnungen, • vorläufige Qualitäts-Dokumente und ITPs, mit Beschreibung von Tests und Inspektionen, • eine Referenzliste für vergleichbare Maschinen.

7.3 Prüfung und Anpassung technischer Angebote Liegen die Angebote vor, so werden sie vom HDRE-Engineer und im Dialog mit den entsprechenden Fachdisziplinen geprüft. Bei Kontraktor-Projekten sollte diese Prüfung gemeinsam mit dem HDRE-Engineer des Betreibers erfolgen. Die Prüfung erfolgt unter Berücksichtigung der Aussagen aus Abschn. 5.2, „Angebotsprüfung“. Bereits in diesem Stadium sollten auch die mitgeltenden Liefer- und Einkaufsbedingungen verhandelt werden, ebenso die erforderlichen Geheimhaltungsvereinbarungen. Um den Vergleich zwischen Anforderungen und Angeboten zu erleichtern, wird empfohlen, die wesentlichen Anforderungen als Tabelle darzustellen, in der die Entsprechungen aus den Angeboten eingetragen werden. Hiermit ist übersichtlich zu sehen, an welchen Stellen Abweichungen auftreten oder technische Einzelheiten im Angebot nicht dargestellt sind und nachgefordert werden müssen. Eine solche tabellarische Darstellung erleichtert auch später den Angebotsvergleich. Wichtig ist, dass alle für eine

7.4  Abwicklung mit den Maschinenherstellern

199

Entscheidung wichtigen technischen Anforderungen enthalten sind. In manchen Fällen könnte die Tabelle mit den Anforderungen bereits seitens der Anbieter ausgefüllt werden. Eine erste Prüfung der Angebote, z. B. anhand solcher Tabellen, zeigt Abweichungen von den Vorgaben oder fehlende Informationen. In internen Durchsprachen mit den relevanten Fachdisziplinen (z. B. Prozessleittechnik, elektrische Antriebstechnik, Hochund Tiefbau, Rohrleitungstechnik, Verfahrenstechnik) und Betreiber (z. B. Instandhaltung) werden Listen mit offenen Punkten erarbeitet. Fehlende Informationen oder Änderungsbedarfe können zunächst im direkten Dialog mit den Anbietern geklärt werden. Daraufhin erfolgen technische Durchsprachen und Klärungsgespräche mit den Anbietern, die in der Regel vom zuständigen HDRE-Engineer organisiert und geleitet werden und zu denen auch Vertreter der Fachdisziplinen seitens Kontraktor, Betreiber und Anbieter mit zur Verfügung stehen. Die Ergebnisse dieser Besprechungen werden protokolliert. Parallel zu diesen Gesprächen erfolgen Gespräche auf kommerzieller und kaufmännischer Ebene. Aufgrund dieser Gespräche werden die technischen und kaufmännischen Angebote angepasst und optimiert bis zu dem Punkt hin, an dem eine Aussage möglich ist, ob sie aus technischer Sicht akzeptiert werden können oder abgelehnt werden müssen.

7.4 Abwicklung mit den Maschinenherstellern Neben den technischen und kaufmännischen Angebotsklärungen sollte auch hier bereits zumindest über diejenigen Modalitäten einer Projektabwicklung gesprochen werden, die Einfluss auf Kommunikation, Zeitplan, Qualität und Kosten haben. Speziell sollten die in Abschn. 5.3, „Terminüberwachung“ und Abschn. 5.4, „Qualitätssicherung“ behandelten Themen besprochen werden. Ein für die Abwicklung wichtiger Punkt ist es, ob ein ausgesuchter Maschinenlieferant die Gesamtverantwortung über den kompletten Maschinenstrang übernimmt, der nicht nur seine eigenen Lieferungen und Leistungen betrifft, sondern möglichst auch von anderer Seite beigestellte Komponenten. Dies könnte z. B. Antriebsmotor, Zwischenkühler oder Rohrleitungen betreffen. Zum Thema „Strangverantwortlichkeit“ sollten auch die in Abschn. 6.2.1.2, gemachten Aussagen berücksichtigt werden.

7.4.1 Kommunikationswege Die Kommunikation zwischen Käufer und Maschinenlieferant sollte idealerweise von direkt zugeordneten Personen erfolgen („Single Point of Contact“). Einem Ansprechpartner des Maschinenlieferanten sollte eine Person beim Käufer zugeordnet sein, meist dessen HDRE-Engineer. Auch für die kaufmännische Seite sollte jeweils ein singulärer Ansprechpartner zugeordnet sein. Käuferseitig ist zu klären, wie die Informationswege

200

7  Vom Angebot zur Bestellung

und Zuständigkeiten dort sind, um kurzfristige Kommentierungen und Dokumentenrückläufe zu gewährleisten. Festzulegen ist auch, in welchen Fällen Vertreter der jeweiligen Fachdisziplinen direkten Kontakt untereinander aufnehmen können. Dabei muss abgesichert werden, dass der jeweilige „Single Point of Contact“ ausreichend informiert ist. Der vertraglich zu regelnde Zeitraum, der für Kommentare und Dokumentenprüfungen zur Verfügung steht, hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Lieferzeit. Er sollte nicht zu kurz gewählt werden, aber auch nicht zu lang. Bei Eigenabwicklung oder Unterstützung durch einen Engineering-Partner genügen meist 5 Arbeitstage, wobei auch die Durchlaufzeit bei Fachdisziplinen zu berücksichtigen ist. Im allgemeinen werden Kommentare gesammelt und vom HDRE-Engineer dem Hersteller zugestellt. Falls die Kommentierung über einen Software-Server erfolgt, kann parallel gearbeitet werden, aber auch hier sollte der HDRE-Engineer die Kommentare an den Hersteller abschließend freigeben. Bei Abwicklung über einen Kontraktor wird wegen der zusätzlichen Schnittstelle mehr Zeit benötigt, im Regelfall 10 Arbeitstage. Zunächst kommentiert der Kontraktor mit seinen Fachdisziplinen, dann erhält der Endkunde die kommentierten Unterlagen, kommentiert diese weiter und sendet sie an den Kontraktor zurück, der die gesammelten Kommentare wiederum an den Maschinenlieferanten leitet. Ähnliches ist bei Einladungen seitens des Maschinenlieferanten für Inspektionen und Tests zu berücksichtigen. Entscheidend ist hier die Frage nach der Dauer der Reisevorbereitungen. Üblich sind 5 Tage bei Kurzreisen. Sind Flugreisen zu planen oder Visums-Bestimmungen einzuhalten, müssen entsprechend längere Vorlaufzeiten vereinbart werden. Wartezeiten können entstehen, wenn der Maschinenlieferant zunächst einen internen Testlauf absolviert, bevor eine Kundeneinladung erfolgt.

7.4.2 Terminplanung In der Regel beeinflusst die Beschaffung von Long-Lead-Equipment, zu dem die hier beschriebenen HDRE-Maschinenstränge gehören, den kritischen Pfad eines Anlagenbauprojekts. Hingewiesen wurde bereits in vorigen Kapiteln darauf, dass die Bestellung mit dem Ziel der rechtzeitigen Bereitstellung sehr frühzeitig im Projektverlauf erfolgen muss. Zu diesem Zeitpunkt stehen möglicherweise noch nicht alle erforderlichen Schnittstelleninformationen zu anderen Fachdisziplinen zur Verfügung. Es ist deswegen erforderlich, sehr genau abzustimmen, zu welchen Zeitpunkten welche Informationen und Dokumente einerseits dem Projektteam, andererseits dem Maschinenlieferanten, zur Verfügung gestellt werden müssen. Ferner sollten zu den Punkten und Meilensteinen, bei denen Verzögerungen auftreten können, diese abgeschätzt und so weit wie möglich abgesichert werden. Der Maschinenlieferant wird hierzu einen vorläufigen Terminplan erstellen, der auch von dessen aktueller Auslastung beeinflusst wird. Dieser Plan detailliert alle wesent-

7.4  Abwicklung mit den Maschinenherstellern

201

lichen Planungs-, Materialbeschaffungs- und Herstellungsschritte und muss nach der Bestellung regelmäßig angepasst werden, in der Regel monatlich. In Zeiten schwieriger Versorgungslage wird sich der Maschinenlieferant vorbehalten, den Zeitplan an die Verfügbarkeit der benötigten Komponenten anzupassen. Auch seitens des Käufers muss abgesichert werden, dass ausreichende Personalressourcen vorhanden sind, um die notwendigen Absprachen, Dokumentprüfungen und Inspektionen ohne Zeitverzug durchführen zu können und damit die Termineinhaltung nicht selbst zu stören.

7.4.3 Mitzuliefernde Unterlagen und Dokumente Der Lieferumfang von Unterlagen und Dokumenten sollte mit der gleichen Priorität behandelt werden wie die des Maschinenstrangs selbst. Die benötigten Dokumente werden in einer projekt- und maschinenspezifischen Liste aufgeführt, die bereits einer Anfrage beiliegen sollte. Der Hersteller legt mit seinem Angebot eine eigene Aufstellung vor. Abb. 7.1 zeigt eine solche projektspezifische Liste im Falle eines mehrstufigen Getriebe-Turboverdichters ohne Zwischenkühlungen mit einer Aufstellung im nichteuropäischen Ausland. Vorschlagslisten für die erforderlichen Dokumente finden sich auch in den Annexes der für die HDRE-Maschinen relevanten API STDs. Eine solche Dokumentenliste ist maschinen- und projektspezifisch anzupassen. Aufgrund behördlicher Bestimmungen können weitere Dokumente, z. B. im Rahmen von Druckbehälterverordnung und CE-Kennzeichnungen, hinzukommen. In diese Liste sind noch die zwischen den Parteien abzustimmenden Fälligkeitstermine einzutragen, in der Regel in Wochen nach der Bestellung. Eine endgültige terminliche Festlegung kann oft erst kurz vor oder nach Vergabe des Auftrages an einen Maschinenlieferanten erfolgen. Nachträglich zusätzliche Dokumente oder Zusatzinformationen in Dokumenten zu vereinbaren, kann sich als nicht einfach möglich und kosten- und zeitintensiv darstellen. Neben den Terminen sind auch spezifische Anforderungen an die Qualität der Dokumente und der Umfang der dargestellten Informationen abzustimmen. Oft erachtet der Hersteller bestimmte Informationen als vertraulich, die für den späteren Betreiber wichtig sind. Auch Form und Sprache der Dokumente muss vereinbart werden. In welchem Umfang sind Papierdokumente erforderlich? Reichen elektronisch übermittelte Dokumente aus? Üblicherweise sind Betriebs- und Wartungsanweisungen in Landessprache erforderlich, während die anderen Dokumente entweder in der Landessprache oder in englischer Sprache ausreichen. Eine Übersetzung z. B. ins Chinesische kann entweder der Maschinenlieferant mitliefern, oder der Käufer läßt die Übersetzung selbst anfertigen.

202

Abb. 7.1   Liste mitzuliefernder Dokumente (Beispiel)

7  Vom Angebot zur Bestellung

7.4  Abwicklung mit den Maschinenherstellern

203

R&I-Fließbilder werden vom Maschinen-Hersteller zunächst im eigenen Format aus Datenbanken heraus erstellt, während der Betreiber oft andere Bezeichnungen verwendet und diese Dokumente auch gerne in seinem eigenen Format erhält. Bei Dokumenten zur Instrumentierung werden oft spezialisierte Firmen beauftragt, die die entsprechenden Daten in die Datenbanken des Betreibers übertragen oder auch R&I-Fließbilder in eine andere Form bringen. Festgelegt werden sollte außerdem, in welcher Qualität Unterlagen und Dokumente zur Verfügung gestellt werden, und zu welchem Zeitpunkt in welcher Entwicklungsstufe. Hilfreich ist hierfür die Vorstellung von Beispieldokumenten seitens des Maschinenlieferanten. Manche Betreiber und Kontraktoren erstellen hierzu schriftliche Richtlinien. Einige Dokumente wie technische Datenblätter und R&I-Fließbilder entwickeln sich im Laufe des Projekts in mehreren Revisionen weiter. Dabei sollte der Maschinenlieferant verpflichtet werden, zu Projektende den letzten Stand („AS BUILT“-Status) der jeweiligen Dokumente zu liefern. Die Liefertermine einiger Dokumente können pönalisiert werden, und der letzte Zahlungs-Meilenstein wird an Zeitpunkt und Qualität der gelieferten „AS BUILT“-Dokumente geknüpft. Zwei Beispiele zur Detaillierung: • Im technischen Datenblatt des Verdichters sollten, wie dort vorgesehen, die geometrischen Hauptabmessungen der Laufräder mit angegeben werden, um die thermodynamischen Kennzahlen bestimmen zu können (s. Abschn. 6.3.2, „Thermodynamik und Fluidmechanik“). Der Maschinenlieferant sollte für diesen Fall verpflichtet werden, die von ihm ausgefüllten technischen Datenblätter komplett auszufüllen. • Betriebsbedingungen und Kennfelder sollten nicht nur für den Gesamtverdichter angegeben werden, sondern zumindest für jede Prozessstufe oder jedes Laufrad. Nur mit diesen Informationen können thermodynamische Nachrechnungen erfolgen oder Änderungen im thermodynamischen Verhalten geprüft werden, die z. B. von Verschmutzungen herrühren.

7.4.4 Änderungen des Bestellumfangs und Eskalation In den meisten Fällen werden trotz sorgfältiger Planung technische Änderungen im Projektumfang notwendig, die zu sogenannten Change-Orders führen. Diese können in manchen Fällen ohne zusätzliche Kosten, möglicherweise sogar mit Kostenreduktionen verbunden sein. Vielfach sind damit jedoch zusätzliche, teilweise erhebliche Zusatzkosten verbunden, gegebenenfalls auch Verzögerungen im Terminplan. Gerade dann, wenn keine Alternative dazu existiert, ist die Vereinbarung von ChangeOrders auf „kurzem Dienstweg“ sinnvoll, um sie nicht wie eine neue Bestellung behandeln zu müssen und damit weitere Zeit zu verlieren. Es könnte von Anfang an besprochen werden, Change-Orders bis zu einer bestimmten Größenordnung tabellarisch im Projekt zu führen und erst später Bestellungen und Rechnungen dazu auszulösen.

204

7  Vom Angebot zur Bestellung

Sie müssen dazu schriftlich detailliert festgehalten und von einem Beauftragten innerhalb des Projektteams genehmigt werden. Eine solche Vorgehensweise ist vor der Hauptbestellung zwischen Käufer und Maschinenlieferant zu vereinbaren. Darüber hinaus ist es möglich, dass aufgrund von Change-Orders oder allgemeinen Verzögerungen im Projekt Prioritäten bei Käufer oder Maschinenlieferant geändert werden müssen, was nur über das jeweilige Firmen-Management möglich ist. Deshalb sollten auch Vorgehensweisen zur Eskalation mit entsprechenden Ansprechpartnern definiert werden, in denen Gespräche zwischen dem Management von Käufer und Maschinenlieferant geführt werden.

7.4.5 Qualitätskontrollen und Abnahmen Weiterhin sind Vereinbarungen erforderlich, zu welchen Meilensteinen und in welcher Weise Qualitätskontrollen und Abnahmen stattfinden sollen, und welche Personen zu diesen Kontrollen vor Ort im Herstellerwerk eingeladen werden und für die Abnahmen verantwortlich zeichnen. Dies geschieht zum Teil schon bei der Anfrage, wird während der Angebotsphase besprochen und findet seinen endgültigen Niederschlag im Inspektions- und Testplan (ITP). Eine Bemerkung zum Begriff der „Abnahme“ erscheint dem Autor an dieser Stelle wichtig, da für die Teilnahme des Käufers oder Betreibers an Prüfungen und Testläufen oft dieser Begriff verwendet wird: Hat der Maschinenlieferant die komplette Verantwortung für seinen Lieferumfang, dann gilt eine „Abnahme“, z. B. beim hydrostatischen Test oder beim Leistungstest, nur für die Durchführung und die Ergebnisse der entsprechenden Tests, nicht jedoch im Sinne der Übernahme des Produktes seitens des Käufers. Ebenso gilt das für die Endkontrolle des Lieferumfangs vor dem Transport aus dem Werk. Auch hier bleibt der Maschinenlieferant weiterhin in der Verantwortung für seinen Lieferumfang, sowohl für ausreichende Konservierung und Verpackung als, je nach Vereinbarung, auch für Verladung und Transport. Zur Qualitätssicherung ist es sinnvoll, nach Anmeldung jederzeit Zugang zum Herstellerwerk zu haben, um dort an Besprechungen, Prüfungen, Inspektionen und Tests teilzunehmen, und um Unterlagen und den jeweiligen Fertigungsstand der zum Projekt gehörigen Teile einsehen zu können. Eine entsprechende Vereinbarung sollte auch bezüglich der Fertigungsstätten von Unterlieferanten getroffen werden, z. B. für Antriebsmotor, Ölsystem und andere Komponenten. Dieser Zugang sollte nicht nur Repräsentanten des Käufers, sondern bei Kontraktorabwicklung auch Repräsentanten des Endkunden bzw. Betreibers gewährt werden. Qualitätskontrollen finden gegen Ende der Fertigstellung der jeweiligen Komponenten wie Gehäuse, Rotoren, Antriebsmotoren, Versorgungsanlagen statt, in der Regel im jeweiligen Herstellerwerk und vor Verpackung und Versendung der Komponenten.

7.4  Abwicklung mit den Maschinenherstellern

205

Im Zuge der technischen Möglichkeiten zu virtuellen Besprechungen kann auch vereinbart werden, dass Qualitätskontrollen in Form von Videokonferenzen durchgeführt werden, ggf. mit Kameraüberwachung. Wesentlicher Meilenstein für die HDRE-Maschinen ist ein FAT („Factory Acceptance Test“). Er erfolgt als mechanischer oder thermodynamischer Probelauf der Maschine oder des gesamten Maschinenstrangs. Hierbei wird die Funktion der Maschine und ihre Verwendbarkeit in der Anlage geprüft, so weit sinnvoll machbar. Maßgeblich für die Abnahme ist die Erfüllung der garantierten Leistungen und Betriebsbedingungen. Ein Funktionstest unter Betriebsbedingungen ist im Herstellerwerk oft nicht oder nur teilweise möglich. Stattdessen werden Vergleichsprozesse unter Verwendung von thermodynamischen Umrechnungsverfahren durchgeführt, wie bereits in Abschn. 6.4.10, „Mechanischer und thermodynamischer Werks-Probelauf“, beschrieben. Letzter Test ist dann vor Ort in der Anlage während der Inbetriebnahme-Phase. Ein solcher SAT („Site Acceptance Test“) basiert jedoch auf Betriebsmessungen, die meist den Ansprüchen der Messgenauigkeit bei FAT nicht genügen. Oft können auch nicht die Garantiepunkte angefahren werden, wenn noch nicht genügend Menge an Prozessgas, die spezifizierten Drücke oder die genaue Stoffzusammensetzung zur Verfügung stehen. Die Funktion in der Anlage kann meist geprüft werden, Abweichungen von den Leistungsgarantien sind jedoch nur erkennbar, wenn sie deutlich abweichen. In manchen Fällen ist ein solcher Test auch erst längere Zeit nach Übergabe des Maschinenstrangs an den Betreiber möglich.

7.4.6 Weitere Vereinbarungen 7.4.6.1 Druckbehälter Druckbehälter werden gemäß den jeweiligen Druckbehälterverordnungen behandelt. Sie werden entsprechend Druck und Größe klassifiziert, benötigen eine Zeichnungsfreigabe durch eine zugelassene Prüfstelle und entsprechende Prüfdokumente. Hierzu wird vorab zwischen Käufer und Lieferant vereinbart, welche offiziellen Prüfstellen zugelassen werden können. In manchen Fällen besitzt der Käufer auch selbst eine Zulassung, solche Prüfungen durchzuführen. Die Prüfdauer von Zeichnungen bis zur Freigabe kann leider oft nicht verbindlich mit den offiziellen Prüfstellen eingegrenzt werden und hängt von deren personeller Besetzung und Arbeitsbelastung ab. In vielen Fällen ist es bisher auch notwendig, alle zur Prüfung erforderlichen Dokumente in Papierform vorzulegen, wodurch sich bereits durch den Versand hohe Durchlaufzeiten ergeben. Es ist zu hoffen, dass zukünftig auch hier server-basierte Lösungen mit elektronischer Kommentierung und Freigabe oder zumindest die elektronische Übermittlung der Dokumente zum Normalfall werden. 7.4.6.2 Qualitätsdokumentation und Risikobeurteilung Die Lieferung qualitätsrelevanter Nachweisdokumente, wie z. B.

206

7  Vom Angebot zur Bestellung

• Prüfbescheinigungen für metallische Werkstoffe, • Berichte, Protokolle, Aufzeichnungen über zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen, über Eignungstest von Materialien sowie über Messungen der Oberflächengüte, der Beschichtungsdicken, der Isolationswiderstände und • Nachweise über die Einhaltung vorgegebener Fertigungs- und Prüfvorschriften des Auftraggebers sollte ausdrücklich mitbestellt werden. Ebenso gilt dies insbesondere für die Mitlieferung der Risikobeurteilung des Herstellers.

7.4.6.3 Transport und Verzollung Der Transport vom Herstellerwerk zum Aufstellungsort muss verbindlich geklärt werden. Hier geht es um die Fragen, welche Partei den Land- bzw. See-Transporteur beauftragt, wer ggf. die Verzollung organisiert und an welchem Punkt die Verantwortung von einer Partei auf die andere übergeht. Damit verbunden sind auch die Fragen nach ausreichender Konservierung und Verpackung. 7.4.6.4 Konservierung und Verpackung Für die Qualität von Konservierung und Verpackung ist zum einen der Transportweg entscheidend (Ist eine seefeste Verpackung erforderlich?), zum anderen die Frage, unter welchen Bedingungen und wie lange die Ausrüstung zwischengelagert werden muss, bevor die Montage am Aufstellungsort beginnt (Welche Konservierungsmaßnahmen sind erforderlich?). 7.4.6.5 Mängel und Vertragsstrafen Wichtig vor dem Abschluss eines Liefervertrages ist die Klärung der Frage, wie der Umgang zwischen den Parteien ist, wenn Mängel erkannt werden, und wenn Termine, Funktion, Qualität oder garantierte Leistungen nicht eingehalten werden. Terminverschiebungen im Falle von Verzögerungen in Engineering und Fertigung können am besten aufgefangen werden, wenn eine Information so frühzeitig wie möglich erfolgt und Maßnahmen entwickelt werden, die eine solche Verzögerung minimieren. Hierzu ist Vertrauen zwischen den Vertragspartnern erforderlich, damit derlei Informationen aus Sorge vor negativen Konsequenzen nicht zurückgehalten werden. Dienlich hierzu sind eine hohe Aufmerksamkeit seitens des Kunden, sowie häufige Werkstattbesuche beim Maschinenhersteller, die über ein reines Expediting hinausgehen. Hier sollten schnelle Kommunikationswege vereinbart werden. Wenn Mängel bei der Fertigung erkannt worden sind, ist es günstig, wenn seitens des Herstellers zur Behebung gleich Lösungsvorschläge gemacht werden. In schwierigeren oder finanziell kostspieligen Fällen gibt es das kaufmännische Instrument der Mängelrüge. Auf Einzelheiten bezüglich Gewährleistung und Garantien wurde in Abschn. 6.3.15, hingewiesen. Hier sind die gültigen monetären Vertragsstrafen für Überschreitungen

7.4  Abwicklung mit den Maschinenherstellern

207

vertraglich zu verhandeln, wie auch die Punkte, an denen „Make Good“ gilt. Im Falle von „Make Good“ hat der Hersteller solange die Verpflichtung zum Nachbessern, bis der vertragsgemäße Zustand erreicht ist. Dieses Prinzip sollte Priorität haben, soweit es technisch möglich ist. Zu beachten beim Festsetzen von Vertragsstrafen als Alternative ist, dass die Rechtsprechung hier Höchstgrenzen festsetzt. Diese sollen die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Maschinenlieferanten berücksichtigen und sind damit oft nicht in der Lage, den wirtschaftlichen Schaden des Kunden auszugleichen. Neben den dort dargestellten Leistungsgarantien werden auch Zwischen- und Liefertermine mit Vertragsstrafen belegt. Eine solche könnte lauten: „Für jeden angefangenen Tag, um den die Lieferfrist von Produkt x oder Dokument y überschritten wird, erhält der Auftraggeber eine Vertragsstrafe von z Euro“. Die Vertragsstrafe wird dabei unabhängig von einem nachgewiesenen Schaden fällig. Pönalisierte Termine sollten hierbei nicht nur für wichtige Zwischentermine bei Fertigung und Lieferung der Maschine vertraglich vereinbart werden, sondern auch für wichtige Dokumente, die der Kunde zu bestimmten Terminen während der Projektabwicklung benötigt.

7.4.6.6 EG-Konformitätserklärung Die Lieferung einer EG-Konformitätserklärung einschließlich der Angabe ihrer Rechtsgrundlage sollte ausdrücklich vereinbart werden. Dies gilt auch sinnverwandt für behördliche Erfordernisse in anderen Ländern. Auch die Lieferung zusätzlich erforderlicher Dokumente, wie z.  B. Bescheinigungen über Bau- und Druckprüfungen von Druckgeräten, Ex- bzw. PTBKonformitätsbescheinigungen1 für Geräte oder Maschinen in explosionsgefährdeten Bereichen, Herstellerbescheinigungen von Unterlieferanten sollte ausdrücklich vereinbart werden.

7.4.7 Serviceleistungen zu Montage und Inbetriebnahme Bereits bei Vertragsabschluss sollte geklärt sein, welche Leistungen zur Montage und Inbetriebnahme der Maschinenlieferant leisten soll und kann. In der Regel wird aus Garantie- und fachlichen Gründen mindestens eine Montage- und Inbetriebnahmeaufsicht des Maschinenlieferanten die Montage und Inbetriebnahme begleiten, soweit sie in seiner Verantwortung liegt. Montage- und Inbetriebnahmeleistungen selbst können vom Maschinenlieferanten, vom Montagekontraktor oder vom Betreiber organisiert werden. Diese Leistungen können in der Anfragephase als Pauschalleistungen zum Festpreis („Lump Sum“) oder als stundenbasierte Leistungen unter Angabe eines Schätzwertes

1 Explosionsschutzbescheinigung

Berlin.

der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig und

208

7  Vom Angebot zur Bestellung

für die Stunden angefragt werden. Beide Vorgehensweisen haben ihre Vor- und Nachteile, eigenen sich jedoch zur Analyse des Angebotsvergleiches. Bei Festpreisen sind einige Zusatzzeiten für „Unvorhergesehenes“ enthalten, und Wartezeiten, die nicht vom Maschinenlieferanten zu vertreten sind, werden zusätzlich separat abgerechnet.

7.5 Erstellung des Angebotsvergleichs und Herstellerauswahl Auf Basis der in Abschn. 7.3, „Prüfung und Anpassung technischer Angebote“, bereits vorgeschlagenen tabellarischen Darstellung der technischen Anforderungen kann damit auch einfach ein technischer Angebotsvergleich durchgeführt werden, indem die Daten der verschiedenen Anbieter jeweils in einer Spalte nebeneinander dargestellt werden. Neben den rein technischen Maschinendaten können hier auch Garantieleistungen und Serviceleistungen verglichen werden. Dabei wird, z. B. mit einem Ampelsystem • grün  = erfüllt die Anforderungen, • gelb  = zu klären bzw. erfüllt die Anforderungen schwach, • rot  = erfüllt die Anforderungen nicht, geprüft, ob alle im Angebot genannten Eigenschaften den Anforderungen aus der Anfrage entsprechen. Ggf. entsteht dabei eine weitere Frageliste an den Anbieter. Stehen alle Eigenschaften auf „grün“, so ist das Angebot „technisch akzeptabel“. In Fällen, in denen unterschiedliche, akzeptable technische Lösungen angeboten werden, können weitere Überlegungen sinnvoll sein, ob eine dieser Lösungen für das Projekt besonders günstig ist (Vergabe eines Bonus oder Malus) und ob deren Anwendung auch auf die Angebote anderer Anbieter möglich sind. Bei solchen Überlegungen sind jedoch die Vertraulichkeit der Angebote sowie getroffene Geheimhaltungsvereinbarungen zu berücksichtigen. Ein Vergleich der akzeptablen Angebote erfolgt dann z. B. mit dem TCO-Verfahren, wie in Abschn. 5.2, „Angebotsprüfung“, beschrieben. In einem „Sealed Bid“-Verfahren werden erst ganz am Schluss im Beisein des Technischen Einkaufs die Preise für Investition, Ersatzteile und Leistungen mit eingetragen. Am Ende steht ein ausgewählter Anbieter.

7.6 Anpassung und Fixierung der Bestellspezifikation Gute Praxis ist es, nach Auswahl des Maschinenlieferanten mit diesem eine weitere technische und kaufmännische Detaildurchsprache durchzuführen, bei der alle vertraglich relevanten Dokumente durchgegangen und ratifiziert werden.

7.6  Anpassung und Fixierung der Bestellspezifikation

209

Da in der Regel seitens des Maschinenlieferanten bei der Auftragsabwicklung eine andere Person die Projektleitung übernimmt als bei der Angebotsausarbeitung, erscheint es sinnvoll, wenn zu dieser Besprechung beide Personen anwesend sind. Um sicherzustellen, dass Einzelheiten aus der Bestellung nicht nochmals neu durchgesprochen werden müssen, ist seitens des Herstellers zusätzlich eine detaillierte interne Projektübergabe erforderlich. Zu beachten ist, dass zu diesem Zeitpunkt meist nicht alle technischen Details endgültig geklärt sein können, soweit diese sich erst während des „Detailed Engineering“ seitens des Maschinenlieferanten ergeben. Dies gilt auch für die Einzelheiten der Ersatzteilliste. Ebenso gilt dies für Details im Zeitplan und für die Inspektionsschritte. Dies muss beiden Vertragsparteien klar sein, und dies allein darf auch nicht zu späteren Mehrkosten führen. Allerdings ist auch klar, dass es im Zuge möglicher Änderungen im Projektverlauf oder im Zuge der später erfolgenden Sicherheitsbetrachtungen durchaus häufig auch zu zusätzlichen Anforderungen kommen kann, für die im Budget und evtl. auch im Zeitplan des Betreibers Platz sein sollte (s. Abschn. 7.4.4).

7.6.1 Technische und kaufmännische Meilensteine Als Projekt-Meilensteine, die zusammen mit dem Maschinenlieferanten festgelegt werden müssen und auch als Termine für Teilzahlungen gelten und ggf. pönalisiert werden, bieten sich an: • Datum des Liefervertrags, • Datum der Untervergabe von Gehäusekomponenten seitens des Maschinenherstellers, • Ende des herstellerseitigen „Detailed Engineering“ mit Start der Fertigung, • Fertigstellung und Test der Kernmaschine, • Fertigmeldung zum Versand des Lieferumfangs, • Anlieferung am Standort der Anlage, • Mechanische Fertigstellung, • Inbetriebnahmebereitschaft, • Termin der Übergabe an den Betrieb nach Inbetriebnahme, • Fertigstellung der endgültigen Dokumentation. Spätere Teilzahlungen sollten nur dann geleistet werden, wenn die hierfür zu erbringenden Leistungen tatsächlich auch erbracht wurden, bzw. falls ein NichtErbringen vom Kunden zu verantworten ist. Deshalb sollten nicht nur die Meilensteine selbst, sondern auch Qualitätskriterien hierfür mit in die Vertragsunterlagen einfließen. Weitere Meilensteine während der Abwicklungsphase sind die folgenden Besprechungen:

210

7  Vom Angebot zur Bestellung

• Kick-Off-Meeting (KOM): Diese Besprechung dient zum Festlegen der Projektabwicklung und findet meist nach Vorlage der ersten projektspezifischen Herstellerunterlagen beim Maschinenlieferanten statt. • Sicherheitsbetrachtung (Safety-Review-Meeting): In dieser Besprechung stellt der Maschinenlieferant seine Risikobeurteilung für die Maschineneinheit vor, und der Betreiber führt eine Sicherheits-Analyse bezüglich der Einbindung in die verfahrenstechnische Anlage (z. B. mittels HAZOP) durch. Diese Besprechung findet meist beim Betreiber statt. • Design-Review-Meeting / Design-Freeze-Meeting: Diese Besprechung findet nach weitgehendem Abschluss der „Detailed Engineering“-Phase des Herstellers statt, mit dem Ziel der Freigabe von Beschaffung und Fertigung. Sie findet meist beim Maschinenlieferanten statt. • Pre-Inspection-Meeting (PIM): Hier werden vor dem Produktionsbeginn die Fragen zur Qualitätssicherung und Qualitätsdokumentation sowie der Inspektionsprozess im Detail abgestimmt. Diese Besprechung findet meist zusammen mit dem Besuch des Herstellwerks beim Maschinenlieferanten statt.

7.7 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde der während der Angebotsphase ablaufende Prozess beschrieben. Er umfasst Angebotsanfragen, die technischen und kaufmännischen Detaildurchsprachen und den Auswahlprozess des Maschinenlieferanten bis hin zur Fertigstellung der Bestellunterlagen. Anfragen an ausgewählte Maschinenlieferanten erfolgen in unterschiedlicher Detailtiefe, um den Aufwand sowohl für die Anfragenden als auch die Maschinenlieferanten in Grenzen zu halten. Involviert sind technische und kaufmännische Organisationseinheiten. Im Detail wurde auf die technischen Inhalte und weitere erforderliche Informationen von Anfrageunterlagen sowie die Angebote von Maschinenherstellern eingegangen. Neben den technischen Unterlagen muss auch der Abwicklungsprozess zwischen Käufer und Maschinenlieferant detailliert geklärt werden. Dabei geht es zunächst um Kommunikationswege, die Terminplanung, Projekt-Meilensteine, mitzuliefernde Unterlagen, Eskalationswege, die Behandlung von Änderungen im Projektumfang, Garantien, Mängelbehandlung und Vertragsstrafen. Weitere Vereinbarungen betreffen die Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung, deren Dokumentation sowie Funktionstests (u. a. FAT), die spezifische Behandlung von Druckgeräten, die Risikobeurteilung von Maschinensträngen, Transport, Verzollung, Konservierung und Lagerung. In diesem Zusammenhang werden auch weitere erforderliche Serviceleistungen des Maschinenherstellers bezüglich Montage und Inbetriebnahme geklärt. Mithilfe all dieser Informationen erfolgt schließlich ein umfassender Angebotsvergleich, der zur Endauswahl eines der Anbieter führt. Im besten Fall wird dieser Anbieter

7.7 Zusammenfassung

211

den kompletten Antriebsstrang mit Hilfs- und Versorgungssystem liefern, auch wenn z. B. der Hersteller der Antriebsmaschine (Dampfturbine oder MV-Motor) ein anderer ist als derjenige der Arbeitsmaschine (Verdichter oder Generator).

8

Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

In diesem Kapitel wird davon ausgegangen, dass alle für eine Bestellung erforderlichen Informationen vorliegen und für jede erforderliche HDRE-Maschine ein Maschinenlieferant ausgewählt wurde. Die Bestellung seitens des technischen Einkaufs ist erfolgt. Zur besseren Übersichtlichkeit werden in diesem Kapitel meist die Begriffe „Käufer“ und „Lieferant“ verwendet, auch wenn die tatsächliche Vertragskonstellation komplexer sein kann. Bei beiden Vertragsparteien wird es einen kaufmännischen und einen technischen Ansprechpartner geben. Der „Käufer“ wird technisch von seinem „HDRE-Engineer“ vertreten, der neben dem technischen Know-How die internen Kommunikationslinien, z. B. zwischen Kontraktor und Betreiber verfolgt. „Lieferant“ ist in der Regel der Maschinenlieferant, bei dem auch die Strangverantwortlichkeit für die Lieferung eines HDRE-Maschinenstrangs einschließlich untervergebener Komponenten und ggf. auch für Montage und Inbetriebnahme liegen. Untervergebene Komponenten können auch Komponenten des Maschinenstrangs wie z. B. Dampfturbinenantrieb oder MV-Motor sein. Weiterhin wird der Begriff „Maschinenhersteller“ bzw. „Hersteller“ für den tatsächlichen Hersteller einer Komponente für den Maschinenstrang verwendet, der mit dem „Lieferanten“ identisch sein kann, aber nicht muß. Wenn die Abwicklung im Rahmen einer Eigenabwicklung abläuft, wenn also der Betreiber bzw. Investor oder Engineering-Partner direkter Vertragspartner des Maschinenlieferanten und gleichzeitig „Endkunde“ ist, ist die Kommunikation direkt und damit relativ einfach. Liegt ein Kontraktor-Projekt vor, so ist der Kontraktor direkter Vertragspartner und Käufer, und eine Einflussmöglichkeit des Betreibers als „Endkunde“ ist nur insoweit gegeben, als diese im Kontraktorvertrag bereits vereinbart wurde. Deswegen ist es, wie in Kap. 5 bereits beschrieben, entscheidend, ausreichende Einflussmöglichkeiten in der Detailauslegung und bei der Qualitätssicherung zu vereinbaren.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_8

213

214

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Damit beginnt jetzt die Abwicklungsphase, die detailliert in zwei Kapiteln beschrieben wird. Dieses Kapitel behandelt den ersten Teil, in der der oder die ausgewählte(n) Maschinenhersteller das maschinenbezogene „Detailed Engineering“ durchführt und für die wesentlichen Komponenten ebenfalls Bestellungen bei Unterlieferanten auslöst, welche mit dem Käufer abgestimmt sein sollten. Das darauf folgende Kapitel beginnt mit der Fertigung beim Maschinenhersteller und endet mit Fertigmeldung und Inspektion des bestellten Lieferumfangs. In der Realität werden sich diese beiden Phasen teilweise auch überschneiden. In der Abwicklungsphase bewährt es sich kostenmäßig und terminlich, wenn zuvor die Bestelldokumente mit viel Sorgfalt und wenigen offenen Fragen zusammengestellt worden sind. Eine gute Planung ist das A und O für ein erfolgreiches Projekt. Da beim Maschinenhersteller in der Regel eine Übergabe vom Vertrieb zum Engineering stattfindet und damit unterschiedliches Personal verbunden ist, sollte der HDRE-Engineer des Käufers, ggf. gemeinsam mit dem Endkunden, darauf achten, dass wesentliche Informationen beim Maschinenhersteller nicht verloren gehen. Zunächst müssen die Projektteams von Käufer und Maschinenhersteller festgelegt werden, die die Abwicklungsphase begleiten. Es bewährt sich, wenn seitens des Käufers dessen HDRE-Engineer und ggf. derjenige des Endkunden das komplette Projekt von Spezifikation bis Inbetriebnahme begleitet. In dieser Phase des „Detailed Engineering“ finden einige planmäßige und außerplanmäßige Besprechungen statt, und es werden technische Dokumente und Zeichnungen erstellt, geprüft und freigegeben. Intensives Expediting und durchgängige Qualitätsüberwachung mit dem und beim Maschinenhersteller sind wesentliche Erfolgsfaktoren für ein Gelingen des Projekts. Auf den HDRE-Engineer kommt die Aufgabe zu, die technische Kommunikation zum Maschinenhersteller sowie zwischen den Fachdisziplinen zu sichern, auftretende Probleme frühzeitig zu erkennen und diesen gegenzusteuern, gegebenenfalls mit Unterstützung seines Managements.

8.1 Bestellung und Auftragsbestätigung Nach der letzten Durchsprache der Bestellunterlagen mit dem ausgewählten Maschinenlieferanten erfolgt auf Basis der durchgesprochenen Unterlagen die Bestellung durch den technischen Einkauf. Der Vertrag wird rechtsgültig mit der Rücksendung einer Auftragsbestätigung durch den Maschinenlieferanten. Diese Auftragsbestätigung ist käuferseitig aus technischer und kaufmännischer Sicht zu prüfen. Sie sollte keine unerwünschten Änderungen zur Bestellung enthalten.

8.2  Projektorganisation und Kick-Off-Meeting (KOM)

215

8.2 Projektorganisation und Kick-Off-Meeting (KOM) Nach Auftragsbestätigung erstellt der Maschinenlieferant, ggf. zusammen mit seinen Unterlieferanten, die ersten projektspezifischen Unterlagen und führt die Übergabe an seinen Projektleiter durch, der die Abwicklung verantwortet. Alle in die Abwicklungsphase involvierten Parteien stellen eine Projektorganisation („Role&Responsibility Plan“) auf, mit einer eindeutigen Zuordnung der jeweiligen Ansprechpartner und deren Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten. Der „Role&Responsibility Plan“ kann z. B. unter Zuhilfenahme einer RACI-Matrix1 dargestellt werden. Hier werden Rollen gegen Aktivitäten aufgetragen. Mehrere Wochen nach Bestellung, nach Durchsicht der Unterlagen und Festlegung der beteiligten Personen findet in der Regel ein Kick-Off-Meeting (KOM) im Herstellerwerk statt. In diesem KOM werden 2 Themenkreise behandelt: in einem formalen Teil geht es um Projektmanagement-Themen, und im technischen Teil werden Einzelheiten zum Lieferumfang besprochen.

8.2.1 Formaler Teil des KOM Der formale Teil des KOM beinhaltet wichtige Absprachen, die das weitere Vorgehen im Projektablauf beeinflussen: • Festlegen des Protokollführers: Meist handelt es sich um den Kontraktor oder Maschinenlieferanten. • Festlegen der Projektorganisation, der Ansprechpartner und deren Kommunikationsdaten: Der Maschinenlieferant wird in der Regel hierzu einen Projektleiter, einen Projektingenieur und einen Qualitätsbeauftragten sowie zusätzliche Ansprechpartner für die einzelnen Fachdisziplinen benennen. • Festlegen der mündlichen und schriftlichen Kommunikationslinien: Hier wird festgelegt, welche Personen direkt miteinander kommunizieren. Eine Adressenliste wird erstellt. • Nochmaliges Klären des Lieferumfangs: Dabei sollte ein eindeutiges Verständnis aller Parteien herrschen. • Festlegen der Dokumentensteuerung und -verteilung: Dokumentenverteilung geschieht meist über gesicherte E-mail-Wege oder besser Server-basiert, mit entsprechenden Kommentierungsfunktionen. Nur noch in Einzelfällen werden PapierDokumente ausgetauscht, z. B. wenn diese zur Prüfung von Druckgeräten erforderlich sind.

1 RACI:

Responsible, Accountable, Consulted, Informed.

216

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

• Festlegen von Bezeichnungsvorschriften für Dokumente, verbunden mit Vorgaben für Formulare und Deckblätter: Deckblätter dienen zur schnellen Erkennung. Auf dem Deckblatt werden u. a. Dokumentenart und -bezeichnung, Dokumentenstatus, Termine sowie Unterschriften von Ersteller, Prüfer und Genehmiger angegeben. • Klären der Dokumentenliste und Festlegung der Abgabetermine: Die in der Bestellung spezifizierten Dokumente müssen zu bestimmten Zeitpunkten in bestimmten Detaillierungsgraden und Qualitäten beim Käufer vorliegen, um dessen Planungsprozess nicht zu verzögern. Umgekehrt benötigt der Maschinenlieferant zu bestimmten Zeitpunkten Informationen für seinen eigenen Beschaffungs- und Produktionsprozess. • Festlegen des Zeitraumes zur Kommentierung von Dokumenten: Für einen reibungslosen Projektablauf sollten 14 Kalendertage oder 10 Arbeitstage nicht überschritten werden. Bei einfachen Projekt-Konstellationen können 5 Arbeitstage ausreichen. • Festlegen von Art und Häufigkeit des Berichtswesens: Berichte werden in der Regel monatlich zu einem gewählten Stichtag erstellt und umfassen folgende Teile: – Fortschrittsbericht mit den durchgeführten und geplanten Aktivitäten, – aktualisierter Terminplan mit Eintrag des aktuellen Status, – aktualisierte Liste mit Terminen und Status für untervergebene Komponenten, – aktualisierte Statusliste für Dokumente, – aktualisierte Statusliste zu klärender Punkte. • Erstellen einer Liste zugelassener Unterlieferanten: Es können bestimmte Unterlieferanten und Herstell-Länder ausgeschlossen bzw. gefordert werden. Sinnvoll ist die gemeinsame Erstellung einer „Short-List“. • Durchsprechen des Terminplans bis zur Fertigstellung und Lieferung, evtl. bereits auch für Montage und Inbetriebnahme. • Durchsprechen von regelmäßigen und spontanen Expediting-Maßnahmen. • Durchführen von Inspektionen beim Maschinenlieferanten und bei seinen Unterlieferanten. Der Maschinenlieferant sollte regelmäßige, anlassbezogene und anlassfreie Besuche des Kunden beim Hersteller wie auch bei seinen Unterlieferanten zulassen und dazu die erforderlichen Gesprächspartner zur Verfügung stellen. • Aufbau und Führen einer gemeinsamen Liste, in denen alle offenen und zu klärenden Punkte und deren jeweiliger aktueller Status geführt wird. • Klären des Umgangs und Führen einer Liste mit Änderungen und Mängeln („NonConformances“). • Führen einer kaufmännischen Mehrungs- und Minderungsliste bei Änderungen unter einer bestimmten Preisgrenze.

8.2.2 Technischer Teil des KOM Im technischen Teil des KOM werden die vom Maschinenlieferanten bereits vorgelegten Dokumente besprochen, insbesondere hinsichtlich der Schnittstellen und Abgrenzung

8.3 Fortschrittsberichte

217

des Lieferumfangs. Durchgesprochen werden auch die Kern-Anforderungen an die Komponenten im Maschinenstrang. Die Themen sind projektabhängig, Beispiele sind: • Durchsprechen aller vorhandenen technischen Unterlagen wie der technischen Datenblätter, der berechneten Kennfelder der HDRE-Maschinen, der vorläufigen R&IFließbilder, des Aufstellungs- und Fundamentplanes und des Maschinen-Layouts, • Bearbeiten regelungstechnischer Fragestellungen zum Anfahren, Umschalten etc. bei komplexeren Betriebsweisen, • Klären des grundsätzlichen Aufbaus der Wellenabdichtungssysteme und statischen Dichtungen, • Festlegen von Design-Temperaturen und -drücken, sowie dem Ausgleichsdruck bei außer Betrieb gesetztem Maschinenstrang, • Festlegen der verwendeten Werkstoffe, ggf. unter Einbeziehen von Werkstofffachleuten, • Festlegen der Instrumentierungskomponenten bezüglich ihrer (teilweise vorläufigen) SIL-Klassifizierung, der eingesetzten Materialien und ihrer Anbindungen, • Durchsprechen der Schall-Anforderungen unter Abstimmung notwendiger Schallschutz-Maßnahmen wie Schalldämpfer und Schallschutzhauben, • Auslegung des MV-Antriebsmotors, auch bezüglich Motorstart-Bedingungen. Der Antriebsmotor muss wegen langer Lieferzeiten vom Maschinenhersteller oft bereits kurz nach dem KOM untervergeben werden. Erfolgt die Motorenbeschaffung durch den Käufer selbst, wird kurzfristig ein entsprechendes Koordinationsblatt benötigt.

8.3 Fortschrittsberichte Wichtig für einen reibungsarmen Projektablauf ist eine regelmäßige Berichterstattung seitens des Maschinenlieferanten, wie bereits in Abschn. 2.1 dieses Kapitels skizziert. Der in der Regel monatlich angefertigte Fortschrittsbericht für jede HDRE-Maschine im Maschinenstrang enthält neben den grundlegenden Vertragsdaten die im Berichtsmonat durchgeführten Aktivitäten im (Detailed) Engineering, Produktionsprozess und in der Beschaffung bei Unterlieferanten, weiterhin die Planungen für den Folgemonat. Auf Verzögerungen im Projektablauf und die durchgeführten Maßnahmen zur Wiederherstellung des Terminplans sollte explizit hingewiesen werden. Als Anlage erhält der Kunde im Idealfall als weitere Unterlagen • eine Terminübersicht mit dem aktuellen Stand (s. Abb. 8.1), • eine Auflistung der im Berichtsmonat durchgeführten und im Folgemonat geplanten Aktivitäten, • den Beschaffungs-Status untervergebener Aufträge (s. Abb. 8.2), • eine Liste mit dem aktuellen Stand der Dokumente (s. Abb. 8.3),

218

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Abb. 8.1   Beispiel für einen Übersichts-Terminplan mit Eintragung der wesentlichen Meilensteine für Einzelkomponenten und den aktuellen Stand zum Zeitpunkt der jeweiligen Berichterstattung (durchgezogene rote Linien)

Abb. 8.2   Beispiel für eine Liste der Liefertermine untervergebener Komponenten

Abb. 8.3   Beispiel für eine Statusliste der Dokumente

8.4  Terminüberwachung (Expediting)

219

Abb. 8.4   Beispiel für eine Offene-Punkte-Liste mit aktuellem Klärungsstand

• eine Liste offener Punkte mit deren Bearbeitungsstatus (s. Abb. 8.4), • eine Foto-Dokumentation des bereits beim Hersteller vorhandenen Materials.

8.4 Terminüberwachung (Expediting) Bereits in Abschn. 5.3 wurde im Kontext der Auswahl eines für das Projekt geeigneten Beschaffungskonzepts das Thema Terminüberwachung oder Expediting behandelt. Der Begriff „Expediting“ steht für eine regelmäßige oder anlassbezogene Überprüfung der Einhaltung der vereinbarten Terminpläne am Ort der Fertigung. Expediting dient dazu, mögliche Engpässe oder Qualitätsprobleme während der Fertigung frühzeitig zu erkennen und diesen gegenzusteuern. Es kann – und dies wird empfohlen – von den Personen durchgeführt werden, die auch die Qualitätskontrollen in der Werkstatt des Maschinenherstellers oder auch bei dessen Unterlieferanten vornehmen. Meist wird das der projektverantwortliche HDRE-Engineer sein. Teilweise werden diese Funktionen auch personell getrennt und von lokalen Serviceunternehmen durchgeführt, um Reisetätigkeiten zu reduzieren oder fehlende Personalressourcen auszugleichen. Es empfiehlt sich, damit Personen zu beauftragen, die zusätzlich auch fachliche Qualitätskontrollen durchführen können. Der Stellenwert eines umfassenden Expediting ergibt sich aus der Erfahrung, dass teilweise erhebliche Verzögerungen beim Projektablauf entstehen, die bei frühzeitiger Information entweder (teilweise) behoben, oder wenn dies nicht möglich ist, zumindest in die Baustellenplanung einbezogen werden können. Diese Verzögerungen können auf verspäteten Meldungen der Maschinenhersteller zu Produktions- oder Qualitätsproblemen zurückzuführen sein und auch darauf, dass deren Unterlieferanten nicht ausreichend überwacht werden.

220

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Zwischen den Vertragspartnern muss hier vereinbart werden, in welchem Rahmen, mit welchen Personen und in welchen Abständen Expediting-Kontakte per Telefon, per Videokonferenz oder aber vor Ort durchgeführt werden sollen.

8.5 Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung Im Folgenden wird auf die wesentlichen Schritte bei der Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung während der Projektabwicklung hingewiesen. Bereits beim KOM wurde festgelegt, zu welchem Zeitpunkt welche Dokumente und Zeichnungen in welcher Qualität benötigt werden. Ebenso wurden die Zeiträume zur Dokumentenkontrolle festgelegt, meist zwischen 5 und 15 Arbeitstagen. Die Kontrolle und Kommentierung der vom Maschinenlieferanten angefertigten Dokumente wird oft aufseiten des Käufers oder Endkunden von verschiedenen Fachdisziplinen durchgeführt. Damit muss der HDRE-Engineer des Käufers die kurzfristige Verteilung und den pünktlichen Rückfluss der von den verantwortlichen Fachdisziplinen kommentierten Dokumenten absichern. Alle Kommentare werden zu einem Dokument zusammengefasst und dem Maschinenlieferanten zur Überarbeitung zurückgegeben. Da die Inhalte der meisten Dokumente sich aus dem Informationszuwachs während der Abwicklungsphase ergeben, sind mehrere Revisionen erforderlich, bis ein Dokument als „endgültig“ freigegeben und als solches gekennzeichnet werden kann. Eindeutige Revisionskennzeichnungen sowohl innerhalb des Dokuments als auch als Änderungsliste sind erforderlich, um Änderungen einfach nachverfolgen zu können. Freigaben für Dokumente seitens des Käufers sollten grundsätzlich auf eine Weise erfolgen, dass die Verantwortung für Lieferumfang und Funktion weiterhin beim Hersteller verbleibt. Auf die wichtigsten Dokumente eines HDRE-Maschinenprojekts wird in den folgenden Abschnitten hingewiesen. Eine umfassende Auflistung typischer Dokumente findet sich als „Vendor Drawing and Data Requirements“ in den folgenden API STDs: • • • • • •

Kolbenmaschinen: API STD 618 (2016), Annex F, Dampfturbinen: API STD 612 (2014), Annex I, Turboverdichter: API STD 617 (2014), Annex B, jeweils für Part 2, Part 3, Part 4, Schraubenverdichter: API STD 619 (2010), Annex I, Gasturbinen: API STD 616 (2011), Annex B, Getriebe: API STD 613 (2003), Appendix F.

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

221

8.5.1 Technische Datenblätter Für alle Komponenten gibt der jeweilige Hersteller technische Datenblätter heraus. Sie dienen der übersichtlichen, im Wesentlichen tabellarischen Darstellung der genauen Eigenschaften und technischen Daten. Die technischen Datenblätter für die Hauptkomponenten eines HDRE-Maschinenstrangs werden mit Anforderungsdaten des Käufers bzw. Endkunden versehen und durch die Konstruktionsdaten des Maschinenherstellers ergänzt. Sie entwickeln und vervollständigen sich während der Abwicklungsphase, zum Teil bis hin zur Inbetriebnahme. Eine wichtige Anforderung an den Hersteller ist damit, dass sie in der Abschlussdokumentation im aktuellen „AS BUILT“-Zustand vorgelegt werden. Dies sollte kurz nach Übergabe der Maschineneinheit an den Endkunden geschehen. Je nach Lieferumfang fallen darunter: • API-Datenblätter für Verdichter, Turbine, Getriebe, Kupplung, Versorgungssysteme, • Kennfelder für Verdichter und Verdichterstufen sowie für Dampf- und Gasturbinen, • Datenblätter für elektrische Antriebssysteme (MV-Motor, Frequenzumrichter, Transformator) und Generator, • Datenblätter für zugehörige Behälter, Wärmeübertrager, Rohrleitungen, Schalldämpfer, Ansaug-Luftfilter, • Datenblätter für Sicherheitsventile und thermische Entlastungsventile (Details, mit Skizze und Angabe der zugrunde liegenden Szenarien), • Datenblätter für alle Instrumente und Armaturen. Neben den technischen Datenblättern für diese Hauptkomponenten werden für Anforderungen und Ausführung oft weitere technische Datenblätter benutzt: • • • • • • • • •

zu Schallanforderungen und -garantien, zu Schalldämpfern und Luftfiltern, zur Spezifikation von Schallschutzhauben, zu Beschichtung und Konservierung, zu Maschinenschutz und -überwachung, zu den Anforderungen an Druckbehälter, zu den mitzuliefernden Ersatzteilen, mit einer Liste der anzuwendenden Normen und Regelwerke, sowie weitere projektspezifische Datenblätter.

In der „AS BUILT“-Abschlussdokumentation sind dann die technischen Datenblätter sämtlicher technischer Komponenten enthalten.

222

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

8.5.2 Aufstellungszeichnung und Fundamentplan Aufstellungszeichnungen („Plot Plan“) dienen zunächst zur Darstellung der Position einer Maschineneinheit innerhalb der projektierten Anlage, mit ihren Haupt-Schnittstellen und dem Platzangebot. Das Platzangebot muss ausreichend sein, um Montage, Instandhaltungsarbeiten und Zugänglichkeit zu gewährleisten. Die Darstellung erfolgt in der Regel durch Schnittzeichnungen, Geschossebenen und ein zunächst grobes 3D-Modell, das während des Projekts in seinen Einzelheiten entwickelt wird. Die Erstellung und Entwicklung obliegt dem Anlagen-Projektteam. Der Maschinenlieferant entwickelt dagegen ein Modell der in seinem Lieferumfang befindlichen Maschineneinheiten („General Arrangement Drawing“), ebenfalls in Form von Schnittzeichnungen und einem 3D-Modell, welches Platzbedarf und Schnittstellen für Anschlüsse von Rohrleitungen und Elektrik darstellt. In vielen Fällen sind zusätzliche Zeichnungen der Prozess-Rohrleitungen erforderlich, als 3D-Darstellungen der einzelnen Rohrleitungen wie auch ihre Einbringung in die Aufstellungszeichnung. Ebenso erstellt der Maschinenlieferant einen Fundamentplan („Foundation Drawing“), in dem die genaue Lage der Maschinenkomponenten mit ihren Verankerungen im Fundament dargestellt ist. Wichtig ist bereits in frühem Stadium die Angabe von statischen und dynamischen Lasten in Form von Kräften und Momenten mit ihren Wirkungsrichtungen, die es dem Projektteam des Käufers ermöglicht, das Fundament selbst korrekt auszulegen. Eine gute Schwingungsabschirmung von der Umgebung ist insbesondere bei Kolbenmaschinen erforderlich. Die statischen Lasten umfassen auch alle auf das Fundament einwirkenden Lasten wie Rohrleitungen und Schaltschränke, die teilweise nicht im Lieferumfang des Maschinenherstellers liegen. Wesentlich ist auch die genaue Darstellung von Lage und Art der Befestigungselemente und für deren Verguss auf dem Fundament. Ein optimal ausgeführter, schrumpffreier Verguss ist Voraussetzung für die Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen Maschine und Fundament. Manchmal geben Maschinenhersteller, Käufer oder Betreiber hier auch spezielle Hersteller und Typen von Vergussmassen vor. Für eine Darstellung der jeweiligen Koordinaten ist eine frühzeitige Definition von Maschinen-Nullpunkt und Achsrichtung in Bezug auf die Anlage erforderlich. Der Fundamentplan wird später ergänzt durch eine detaillierte Liste der Befestigungselemente („Bolt List“), einem Kranplan für die Montage und einem Instandhaltungsplan mit den Ausbaumaßen z. B. von Wärmeübertrager-Rohrbündeln, den Kolbenstangen eines Hubkolbenverdichters und dem Bündel eines vertikal geteilten Turboverdichters. Neben den Ausbaumaßen müssen auch detaillierte Unterlagen zu den erforderlichen Werkzeugen und der Ein- und Ausbaumethodik mitgeliefert werden. Abgestimmt werden diese Dokumente u. a. mit den Fachdisziplinen Instandhaltung, Bautechnik und Rohrleitungstechnik.

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

223

8.5.3 R&I-Fließbilder Die Rohrleitungs- und Instrumenten-Fließbilder enthalten alle Informationen, die Funktion und Prozess der betrachteten Maschineneinheit betreffen, einschließlich ihrer Versorgungssysteme. Die Bezeichnungen von Komponenten, Messstellen, Alarmdarstellungen sollten nach Möglichkeit der Darstellungsweise im Projekt entsprechen und nicht herstellerabhängig sein. Gewöhnlich erfolgt für HDRE-Maschinen eine Aufteilung der R&I-Fließbilder in Blätter für • Prozessgas- bzw. Dampfsystem, ggf. Kühlwassersystem, • Maschinenüberwachungssystem mit Alarmen und Abschaltungen, • Schmieröl- und Steuerölsystem, ggf. getrennt nach maschinennahen Komponenten und dem Versorgungssystem, • Sperrgassystem, ggf. getrennt nach maschinennahen Komponenten und Versorgungssystem. Die wesentlichen darin enthaltenen Informationen sind • Grenzen von Lieferumfang und Verantwortlichkeiten, • Drücke, Temperaturen, Mengen mit Normal-, Maximal- und Minimalwerten, • alle enthaltenen technischen Komponenten wie HDRE-Maschine, Behälter, Armaturen, Sicherheitsarmaturen, mit Darstellung ihrer Grunddaten und Bezeichnungen, • die Leitungsführung mit Angabe von Medien, Druck- und Temperaturstufen, Material, Art der Flanschdichtungen, Wärmeisolierung, Begleitheizung (elektrisch oder mit Dampf), Gefälle, Abmessungen und Stutzenanordnung, • Hochpunkt-Entlüftungen, Tiefpunktentleerungen, Anschlüsse für Messleitungen mit ihren Eigenschaften und Abmessungen, • ggf. Einrichtungen zur Wassereinspritzung, • Signalführung der Instrumentierung (Lokal, zur DCS, zum PLC, …) und Darstellung von elektrischen, pneumatischen und Kommunikations-Signalen, • SIL-Anforderungen, Alarmierungen, Abschaltungen und Anfahrverriegelungen, • sichere Armaturenstellungen bei Ausfall der Stell-Energie, z. B. „Locked Position“ (LP), „Locked Open“ (LO), „Locked Closed“ (LC). Wichtige Aspekte bei der Dokumentenprüfung sind die mechanischen und elektrischen Schnittstellen an den Grenzen des Lieferumfangs, die z. B. mit den Fachdisziplinen Mess- und Regelungstechnik und Rohrleitungstechnik abgestimmt werden. In der Abschlussdokumentation werden R&I-Fließbilder des Maschinenherstellers in der Regel noch als Papierversion und elektronisch als pdf-Datei übergeben. Da diese Dokumente nach Inbetriebnahme weiter aktualisiert werden müssen, ist für den späteren

224

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Betreiber ein revisionsfähiges Format erforderlich, das auch Roteintragungen zulässt. Falls zwischen dem System des Maschinenherstellers und dem des Betreibers keine elektronische Schnittstelle existiert, was häufig der Fall ist, muss es händisch – fehleranfällig – ins Betreibersystem übertragen werden.

8.5.4 Betriebsmittel und rechnerische Nachweise 8.5.4.1 Betriebsmittelliste In der Regel werden Betriebsmittel vom Käufer bzw. Betreiber zur Verfügung gestellt. In den bereits besprochenen R&I-Fließbildern sind die Schnittstellen zu den Betriebsmitteln wie Sperrmedien, Kühlwasser, Stickstoff und Instrumentenluft verzeichnet, versehen auch mit dem zulässigen Druck- und Temperaturbereich. Dies gilt auch für Ableitungen, z. B. als Fackelgas. In der Betriebsmittelliste („Utility List“) wird der erforderliche Bedarf zusammengefasst. Sie enthält u. a. • elektrische Spannung, Frequenz, Leistungsbedarf, aufgeteilt nach den verschiedenen Stromverbrauchern, • Art, erforderliche Qualität und Menge von Schmiermitteln sowie ihren jährlichen Bedarf, u. a. zur Planung der Befüllung der Öltanks während des Inbetriebnahmeprozesses, • Druck- und Temperaturgrenzen sowie maximal erforderlich Menge an Dampf und Kühlwasser, aufgeteilt nach Apparaten, • Gasart, Druck- und Temperaturgrenzen sowie maximal erforderliche Menge an Sperrgas, Instrumentenluft, Spülluft.

8.5.4.2 Stutzenbelastung Besonders für Turboverdichter ist die Angabe zulässiger Stutzenkräfte und Stutzenmomente („Allowable Nozzle Forces and Moments“) an den Ein- und Austrittsstutzen von Prozessgas erforderlich, um die Auslegung der sich anschließenden Rohrleitungen zu ermöglichen. Wegen der geringen Spiele der rotierenden Teile sind diese, besonders für Getriebe-Turboverdichter, sehr niedrig und führen für die Rohrleitungsplanung zu hohem Aufwand. Für Einwellenverdichter gibt es in API STD 617, Part 2, Annex F, eine Berechnungsmethodik. Bezug genommen wird in manchen Fällen auf Angaben in der zurückgezogenen NEMA SM 23 (1997)2. Ein eigenes Dokument hierfür wird zur Über-

2 NEMA

SM 23, 91st Edition, 1997 – Steam Turbines for Mechanical Drive Service. National Electrical Manufacturers Association, Rosslyn.

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

225

sichtlichkeit empfohlen, welches die geometrische Situation skizziert und auch die thermische Ausdehnung berücksichtigt. Für Dampfturbinen gilt Vergleichbares, wobei die heißgehenden Dampfleitungen ohnehin sehr elastisch geführt werden müssen. Bei geeigneter Auslegung sind damit die Kräfte auf die Dampfstutzen gering. Bei Kolbenmaschinen sind hauptsächlich die pulsierenden Kräfte zwischen Maschinen- und Behälterflanschen und Rohrleitung die bestimmenden Größen für die Auslegung der Anschlüsse, in Verbindung mit Wärmespannungen.

8.5.4.3 Kolbenstangenbelastung Bei Hubkolbenverdichtern sind vom Maschinenlieferanten die mechanische Kolbenstangenbelastung, die Belastung durch das Prozessgas sowie die Kombination beider Belastungen zu berechnen, ebenso die thermischen Ausdehnungen und Bedingungen bei Lastumkehr. Ein rechnerischer Nachweis ist erforderlich, dass ausreichende Sicherheitsabstände zu den Maximalbelastungen für alle denkbaren Betriebsbedingungen eingehalten werden. Üblicherweise sind die entsprechenden Werte im technischen Datenblatt des Kolbenverdichters enthalten. 8.5.4.4 Rechnerische Pulsationsstudie Wesentlich bei Hubkolbenverdichtern ist die Durchführung einer rechnerischen Pulsationsstudie. Die verschiedenen Ansätze werden in API STD 618 (2016), Clause 7.93 ausführlich beschrieben. Für weitere Details wird auf diesen Standard verwiesen. Neben Hubkolbenverdichtern ist die herstellerseitige Betrachtung der mechanischen und schalltechnischen Pulsationsanregungen auch für Roots-Gebläse und Schraubenverdichter erforderlich. Eine Anfangsauslegung entsprechender Dämpfungsbehälter vor und nach jeder Verdichtungsstufe erfolgt gemäß „Design Approach 1“ nach Erfahrungswerten des Herstellers. Der „Design Approach 2“ erfordert zunächst eine akustische Modellierung des Verdichters nach seinen Anregungsfrequenzen in Form einer Fourier-Analyse. Vor einem detaillierten Layout der angeschlossenen Rohrleitungen kann ein sogenannter „Damper Check“ durchgeführt werden. In diesem werden keine Reflexionen von Druck- und Volumenstrompulsation an den Rohrenden betrachtet, sondern diese als unendlich lang angenommen. Sind die Rohrleitungsisometrien im Bereich der Verdichtereinheit bekannt, sollten diese mit in die Modellierung einbezogen werden. Allerdings ist für eine ausreichend genaue Berechnung auch die Kenntnis der Rohrleitungsisometrie außerhalb der Verdichtereinheit erforderlich. Die Berechnung führt zu Aussagen über die Anregungskräfte und Anregungsfrequenzen, die auf die mechanische Struktur einwirken.

3  ANSI/API

STANDARD 618-2008 FIFTH EDITION, DECEMBER 2007, REAFFIRMED, AUGUST 2016, Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services.

226

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Im Gegensatz zu „Design Approach 2“ berücksichtigt der „Design Approach 3“ auch die Wechselwirkung von Pulsationsanregung und der mechanischen Struktur. Damit kann bestimmt werden, wie stark die mechanische Struktur angeregt wird, gerade im Hinblick der Lage von mechanischen Eigenfrequenzen zur Lage von Gas-Eigenfrequenzen. Zur Vermeidung schwerer Schäden wird deshalb der aufwendige „Design Approach 3“ empfohlen. Mit diesem Ansatz kann auch die Struktur der Rohrleitungshalterungen angepasst werden. Die Pulsationsstudie wird aus Gründen der Garantie durch den Maschinenlieferanten entweder selbst durchgeführt oder von ihm bei einem spezialisierten Ingenieurbüro veranlasst. Die jeweiligen rechnerischen Ergebnisse sollten detailliert durchgesprochen werden, um Ungenauigkeiten zu minimieren. Diese können aufgrund des Einflusses der Schallgeschwindigkeit im Gas hoch sein, wenn Gaszusammensetzung und/oder Betriebstemperatur nicht gut bekannt oder aber veränderlich sind. Dennoch gilt hier der Hinweis, dass die Praxis komplizierter ist als die Modellierung. Deswegen wird generell empfohlen, an den Prozessgasflanschen der Dämpfungsbehälter die Möglichkeit vorzusehen, nachträglich spezielle Blenden einzubauen, die die Pulsationsanregung weiter dämpfen können. Für diese Positionen müssten dann Abstandsringe zwischen den Flanschen angebracht werden. Nachträglich eingebaute Blenden können auch in den Rohrleitungen sinnvoll sein. Anhaltswerte für die korrekten Einbaustellen ergibt die Pulsationsstudie. Ob später tatsächlich derartige Massnahmen erforderlich sind, ergibt sich aus den Messungen der Schwingungen und möglichst auch Druckpulsationen im Bereich der Behälter und Rohrleitungen im Rahmen der Inbetriebnahme des Verdichters.

8.5.4.5 Rotordynamische Untersuchungen Auf den Einfluss der Rotordynamik bei Turbomaschinen wurde bereits in Abschn. 6.3.5.3., „Rotordynamik“, hingewiesen. Insbesondere sind zur Absicherung eines stabilen Laufes eine Lateralschwingungs- und Stabilitätsanalyse der Rotoren sowie eine Torsionsschwingungsanalyse des gesamten Maschinenstrangs erforderlich. Hierfür verfügen die Maschinenhersteller über geeignete Berechnungssoftware. Die benutzten Methoden sind in API RP 684 (2019)4 beschrieben. Wesentlich für die Beurteilung der Lateralschwingungsanalyse sind die Abstände der kritischen Drehzahlen mit ihren Eigenschwingungsformen vom Bereich möglicher Betriebsdrehzahlen. Erforderliche Abstände werden in API STD 617 bzw. API STD 612 definiert. Wesentlich für eine korrekte Berechnung sind neben der genauen Modellierung der Rotorelemente auch die Kenntnis der Feder- und Dämpfereigenschaften der Radiallager. Die Berechnung erfolgt zunächst als ungedämpftes System, danach unter Berück-

4 API

Standard Paragraphs Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. API RECOMMENDED PRACTICE 684, SECOND EDITION, AUGUST 2005, REAFFIRMED, NOVEMBER 2010.

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

227

Abb. 8.5   CampbellDiagramm für einen GetriebeTurboverdichter mit konstanter Drehzahl. Beim Anfahren und Abstellen wird jeweils die erste Eigenschwingungsform („First mode“) durchlaufen. Die Betriebsdrehzahl befindet sich in komfortablem Abstand unterhalb der zweiten Eigenschwingungsform („Second mode“)

sichtigung der Dämpfungseigenschaften. Sind Eigenfrequenzen und Eigenformen bekannt, wird mindestens noch die Schwingungsantwort auf Unwuchten im Bereich der Radiallager berechnet und geprüft, ob sie unterhalb ihrer zulässigen Grenzen liegt. Mithilfe dieser Berechnungen kann der Maschinenhersteller nun die erforderlichen Lagerund Dichtungsspiele ermitteln. Bei der Torsionsschwingungsanalyse werden zunächst die ungedämpften kritischen Drehzahlen des gesamten Antriebsstrangs berechnet mit ihrem jeweiligen Abstand vom Bereich der Betriebsdrehzahlen. Der Maschinenhersteller muss hier die erforderlichen Trägheitsmomente und Torsionssteifigkeiten für Getriebe, Kupplung und MV-Antriebsmotor bzw. Antriebsturbine von den jeweiligen Herstellern erfragen. Das CampbellDiagramm (s. Abb. 8.5) veranschaulicht die Situation. Die 2. Eigenform sollte nach Möglichkeit bereits oberhalb der möglichen Betriebsdrehzahlen liegen. Zusätzlich sollte auch eine Untersuchung des Torsionsverhaltens bei ein- und mehrphasigem Kurzschluss des MV-Antriebsmotors erfolgen. Hat der Käufer oder Betreiber die Möglichkeit, derlei Berechnungen selbst oder mit Unterstützung eines Dritten durchzuführen, so sollte darauf geachtet werden, dass in den Berechnungsprotokollen alle zur Berechnung notwendigen Geometrie- und Massen-

228

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

daten sowie Parameter der Radiallager mit angegeben werden. Dies ist standardmäßig erfahrungsgemäß meist nicht der Fall. Hinweise darauf werden auch in API STD 617 (2014), Part 1, Annex C und D, gegeben. Vergleichbares gilt auch für Hubkolbenverdichter nach API STD 618. Auch hier ist die Durchführung von Lateral- und Torsionsanalyse des Antriebsstrangs erforderlich, u. a. um kritische Drehzahlbereiche zu kennzeichnen und zu vermeiden. Allerdings wird für Hubkolbenverdichter ohnehin eine Drehzahlregelung nicht empfohlen, weil aufgrund der bereits dargestellten Pulsationsanalyse mit einer hohen Anzahl an Eigenfrequenzen wesentlich mehr unerlaubte Drehzahlbereiche zu erwarten sind.

8.5.4.6 Rechnerischer Nachweis des Sperrgas-Systems Um Sperrgas-Systeme betriebssicher zu konfigurieren, sind für Turboverdichter Berechnungen der Sperrgasmengen für verschiedene Betriebs-Szenarien erforderlich: Stillstand, Anfahren, Übergang von Anfahrgas (oft Stickstoff) auf Prozessgas, bei Änderungen der Molmasse, Normalbetrieb (ggf. unter verschiedenen Lasten), wie auch beim Abstellen. Um Leckagen in die Umgebung zu vermeiden, muss weiterhin das Verhalten bei verschiedenen Störungen an den Wellenabdichtungen untersucht werden, wie teilweise oder komplette Zerstörung eines oder mehrerer Kohleringe oder Gleitringe. Bei der gasgeschmierten Gleitringdichtung sind auch sogenannte „Hang Ups“ möglich, bei denen statischer und rotierender Gleitring nicht komplett schließen. Eine übersichtliche Darstellung kann unter Nutzung des Sperrgas-R&I-Fließbildes erfolgen. Dabei werden in jeweils einem separaten Dokument für jedes Szenario separat die Sperrgas-Ströme mit ihren Drücken, Mengen und Fließrichtungen dargestellt. Zu unterscheiden ist hier zwischen den Erwartungswerten für die Mengen und den Garantiewerten, die oft um den Faktor 3 darüber liegen. Für das Versorgungssystem selbst muss dann ein rechnerischer Nachweis der Auslegung erfolgen. Ein solcher soll zeigen, dass in jedem der Szenarien eine Versorgung der Dichtungen mit zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt, und zwar so, dass die Mengen gemessen werden können und auch im Schadensfall kein unzulässiger Prozessgas-Austritt an die Umgebung erfolgt. Gedanken hierzu sind auch in Abschn. 6.2.3.3, „Versorgungssysteme für Sperrgas“, zu finden. 8.5.4.7 Weitere rechnerische Nachweise Der Käufer sollte sich die Auslegungsberechnungen für Wärmeübertrager, Abscheider (Demister) und andere Apparate vorlegen lassen, ggf. auch in Form von technischen Datenblättern mit Skizzen. Für Apparate, die einer Druckbehälterverordnung unterliegen, müssen die Berechnungen, zusammen mit detaillierten Apparatezeichnungen, ohnehin zur Genehmigung vorgelegt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, einen DesignCheck durchzuführen oder bei einem Drittanbieter durchführen zu lassen. Interessant sind hier auch die rechnerischen Druckverluste, die möglichst gering gehalten und in der Maschinenauslegung berücksichtigt werden müssen.

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

229

Weitere erforderliche technische Nachweise könnten projektbezogen erforderlich sein.

8.5.5 Zeichnungen für den Maschinenstrang Für die folgenden Komponenten des Maschinenstrangs werden verschiedene Zeichnungen erstellt und mitgeliefert: • Umrisszeichnung „Compressor/Turbine/MV-Motor Outline Drawing“ mit Hauptabmessungen, Gewichten und Stutzentabelle, • Schnittzeichnung „Compressor/Turbine Section Drawing“, • Schnittzeichnung für alle Rotoren, „Rotor Assembly Drawing“, mit Hauptabmessungen, Position von Dichtung und Lagern und allen für die Instandhaltung benötigten Details und Stücklisten, • Zeichnungen für Axial- und Radiallager, • für Wellenabdichtung, innere Abdichtungen und statische Dichtungen ein Systemschema mit Anordnung, Komponenten und Zusammenbauzeichnung, • für Kupplung und Kupplungsschutz eine Schnittzeichnung („Shaft Coupling Drawing“) einschließlich Kupplungsnabe sowie Zusammenbauzeichnung mit dem Kupplungsschutz („Coupling Guard Assembly Drawing“), jeweils mit Hauptabmessungen und Stückliste, • für Getriebe Schnittzeichnung, Zusammenbauzeichnung und Schmierölschema, jeweils mit Hauptabmessungen und Stückliste, • für Kolbenmaschinen Zeichnungen für Schwungrad, Kühlwassersystem, Zylinder­ schmiersystem, • für Dampfturbinen, ggf. auch Kolbenmaschinen eine Zeichnung der Wellendrehvorrichtung, • ggf. Zeichnungen für weitere Komponenten im Maschinenstrang. Detailliertere Werkstattzeichnungen mit Toleranzbändern sind in der Regel allenfalls in der Werkstatt des Herstellers einsehbar.

8.5.6 Apparate, Druckbehälter und Rohrleitungen Für alle Apparate und drucktragenden Behälter werden Zusammenbau- und Schnittzeichnungen benötigt, die Hauptabmessungen und Anschlussgeometrien zeigen und zusätzlich Stutzentabellen, Stücklisten, Werkstoffdaten sowie Design- und Prüfdaten enthalten. Im Falle von HDRE-Maschineneinheiten betrifft dies im Wesentlichen Prozessgaskühler und andere Wärmeübertrager, Flüssigkeitsabscheider und Pulsationsdämpfer. Für

230

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Versorgungssysteme können z. B. Heizgeräte, druckbeaufschlagte Hochtanks, Ölkühler, Ölfilter, Akkumulatoren hinzu kommen. Um die Einhaltung behördlicher Vorschriften sowie Zeichnungsprüfungen vor der Fertigung gemäß jeweils gültiger Druckbehälterverordnung und Betreiberphilosophie sicherzustellen, wird zunächst eine Druckbehältereinstufung in verschiedene Kategorien gemäß maximalem Betriebsdruck, Volumen und Art der Flüssigkeit bzw. des Gases durchgeführt. Auslegung und Prüfung der Druckbehälter erfolgt gemäß den entsprechenden Regelwerken, z. B. nach der Normenreihe EN 134455 (in Europa) oder den entsprechenden ASME-Code6. EN 13445 enthält übergreifende Themen (Teil 1), Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe (Teil 2), Anforderungen an Konstruktion und Berechnung (Teil 3), Anforderungen an die Hersteller (Teil 4) und die erforderlichen Prüfungen (Teil 5). Konstruktiv sollte unter anderem ermöglicht werden, dass alle Schweißnähte an den entsprechenden Druckbehältern prüfbar sind, auch später bei den während der Betriebszeit periodisch erforderlichen Überprüfungen. Bei kleinen Behältern ist dies oft schwierig. Zwischen Käufer und Maschinenlieferanten ist auch zu klären, welche erforderlichenfalls zertifizierte und betreiberunabhängige Prüfstelle die Entwurfsprüfung und Zeichnungsgenehmigung durchführen soll, und wer die Kosten hierfür übernimmt. Diese Prüfung kann zeitaufwendig sein, weil zertifizierte Prüfstellen in der Regel nicht auf Termine festgelegt werden können und oft auch heutzutage noch Ordner mit Originalunterlagen und -Zeichnungen verschickt werden müssen. Eine große Verbesserung wäre die Möglichkeit, die erforderlichen Dokumente und Kommentierungen mittels serverbasierten Lösungen elektronisch übermitteln zu können. Für Rohrleitungen sind isometrische Zeichnungen, Stücklisten, Detailangaben zu Flanschen, Schweißnähten und Isolierungen für alle Rohrleitungselemente mit ihren Armaturen und Anschlüssen erforderlich. Schnittzeichnungen sollten ebenfalls für alle Armaturen und Einbauten vorhanden sein. Für mitgelieferte Rohrleitungen werden auch Berechnungen für die Auslegung und Detailzeichnungen der Halterungen benötigt.

5 DIN

EN 13445 – Unbefeuerte Druckbehälter, Teile 1–5. Beuth-Verlag, Berlin. Boiler & Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, Rules for Construction of Pressure Vessels (2023). American Society of Mechanical Engineers, New York.

6  ASME

8.5  Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung

231

8.5.7 Versorgungssysteme Neben den Aufstellungszeichnungen der Versorgungssysteme mit Hauptabmessungen und Stutzentabelle, ggf. auch Schnittzeichnungen, werden auch hier Zeichnungen für alle verbauten Einzelkomponenten benötigt, hier im Beispiel für ein Schmierölsystem: • Öltank, Ölkühler, Ölfilter, Ölpumpe(n), Standmessung, Temperatur- und Druckregler, Sicherheitsventile, thermische Entlastungsventile, Ölheizung, Öldunst-Ventilator, • isometrische Zeichnungen für die Versorgungsleitungen. Diese Zeichnungen oder zusätzliche Unterlagen sollten Details zu erforderlichen Aufheizzeiten, der Öl-Verweildauer im Tank und andere Berechnungen enthalten.

8.5.8 Instrumentierung und Maschinensteuerung Im Folgenden werden die wichtigsten Dokumente für die Instrumentierung aufgelistet, die mit der Fachdisziplin Mess- und Regelungstechnik abgestimmt werden müssen: • Instrumentenliste („Instrument List“) mit TAG-Nr, Beschreibung, Typ und Modell, Örtlichkeit, • Liste der Eingänge und Ausgänge („I/O List“), unterteilt in Kraftverteilung, analoge und digitale Signale mit deren detaillierter Beschreibung, • Verriegelungsliste („Setpoint and Interlock List“) enthält Anfahr-Verriegelungen, Alarme und Abschaltungen mit Beschreibung, Schaltwerten und Aktion, • Liste der Kommunikationssignale („Communication Signal List“), mit Beschreibung, Kommunikationswegen und Adressen, • Instrumenten-Zeichnungen („Instrument Outline Drawing“) mit vermaßter geometrischer Anordnung und Detailbeschreibung der Instrumente, • Instrumenten-Datenblätter („Instrument Datasheet“), • Instrumenten-Anschlusszeichnung („Instrument Hook Up Drawing“) mit detaillierten Stücklisten und Schnittstellen, • Anschlussplan für die Verkabelung („Wiring Connection Diagram“) mit Kabeleigenschaften, Anschlüssen und Adressen im Schaltschrank, • Zeichnung der Schaltschränke („Remote Control Panel Drawing“) mit Abmessungen und Anschlussbeschreibungen, • Zeichnungen der Anschlussboxen („Junction Box Drawing“) mit Detailzeichnungen und Anschluss-Adressen,

232

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

• Zeichnungen lokal aufgestellter Schaltschränke („Local Switch Box Drawing“) mit Abmessungen, Funktionen und Anschlüssen und Darstellung der Schalter und Leuchtanzeigen, • Logik-Diagramm („Logic Diagram“) als detaillierte Darstellung der logischen Verknüpfungen. Die Maschinensteuerung und -regelung ist in manchen Fällen einfach, kann aber auch sehr komplex werden. Hohe Komplexität ist z. B. dann gegeben, wenn mehrere ähnliche Maschinen parallel betrieben werden, oder wenn zu unterschiedlichen Zeitpunkten verschiedene Medien mit unterschiedlichen Molmassen verdichtet werden müssen. Eventuell sind Maßnahmen zu treffen, um beim Übergang Kondensation zu verhindern, oder beim Anfahren ist ein separater Bypass erforderlich. Oft ist es sinnvoll, die Maschinenregelung in gemeinsamer Arbeit zwischen Käufer, Betreiber und Maschinenhersteller (und gegebenenfalls mit dessen Steuerungslieferant) zu definieren und in den Details abzustimmen. Zur Erstellung einer Regelungsbeschreibung („Control Narrative“) werden zunächst alle Einzelschritte für die Maschineneinheit mit ihren Randbedingungen niedergeschrieben, beginnend mit der Erst-Inbetriebnahme. Gerne werden hier Schrittketten definiert, die später entweder von Hand oder automatisiert ablaufen sollen. Beim TurboVerdichter werden auch Pumpgrenzregelung und Pumpschutz beschrieben und mit grafischen Darstellungen versehen. Die Verschaltung der Instrumentierung in den einzelnen lokalen Anschlussschränken sollte unter Gesichtspunkten der Verfügbarkeit und Redundanz besprochen werden. Durch Fehlbedienungen bei Arbeiten an einem Anschlussschrank kann es vorkommen, dass benachbarte Kabel betroffen sein werden. Daher kann es z. B. sinnvoll sein, die 3 Kabel von 2oo3-Abschaltungen in getrennten Anschlussschränken unterzubringen. Neben der Regelungsbeschreibung wird dann ein dazu gehöriges Ablaufdiagramm („Operation Diagram“) erstellt, welches die manuelle oder automatisierte Schrittkette beschreibt.

8.5.9 Weitere Dokumente Hier nur noch eine Auswahl weiterer Dokumente, die erstellt und geprüft werden müssen: • • • • • •

Typenschilder („Nameplate Drawing“), Packliste („Shipping List“), Liste und Zeichnungen für Montage-Hilfswerkzeuge („Special Tool List“), Montage- und Hebeanweisung („Erection Manual“), Ersatzteilliste („Spare Parts List“), Konservierungs-, Verpackungs- und Versandvorschriften („Packing List“, „Shipping List“).

8.6 Besprechungs-Meilensteine

233

Die zuvor beschriebenen Dokumentarten sollen eine Übersicht geben und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, denn diese hängt sehr detailliert vom Lieferumfang und anderen Bestimmungen ab.

8.6 Besprechungs-Meilensteine Während der „Detailed Engineering“-Phase des Maschinenlieferanten bzw. Maschinenherstellers werden Berechnungen angestellt, Dokumente und Zeichnungen erstellt, kommentiert und mehrfach revidiert. Neben Routine-Kontakten finden auch ein- bis mehrtägige Besprechungen statt, persönlich beim Maschinenlieferanten oder beim Käufer, vermehrt aber auch als Video-Konferenz mit räumlich verteilter Teilnahme. Allgemein üblich ist in dieser Phase die Durchführung von drei Besprechungen, nämlich • Konstruktionsbesprechung (Design-Review-Meeting), • Sicherheitsbetrachtung (Safety-Review-Meeting), • Pre-Inspection-Meeting. Auf diese wird im Folgenden näher eingegangen.

8.6.1 Konstruktionsbesprechung (Design-Review-Meeting) Unter Konstruktionsbesprechung (Design-Review-Meeting) versteht man eine Besprechung zwischen den Vertragsparteien, in der vor dem Produktionsbeginn einer Maschine alle technischen Einzelheiten für den Umfang von Lieferungen und Leistungen durchgesprochen werden. Es ist möglich, dass mehrere Termine hierzu erforderlich sind, bis ein „Einfrieren“ und damit das Ende des „Detailed Engineering“ möglich ist. Diese Schlussabstimmung (Design-Freeze-Meeting) erfolgt nach Vorliegen aller während dieser Phase, meist mehrfach revidierten, bearbeiteten Zeichnungen und Dokumente. In dieser Besprechung werden die noch offenen Punkte aus allen Dokumenten durchgesprochen und letzte Fragen und offene Punkte geklärt. Ziel des Design-Freeze-Meeting ist, dass dem Maschinenhersteller alle Informationen vorliegen, die er benötigt, um seinen Liefer- und Leistungsumfang eindeutig und vertragsgemäß herzustellen und zu liefern. Möglicherweise noch unklare Punkte sollten eindeutig dokumentiert werden. Alle bekannten Änderungen gegenüber den ursprünglichen vertraglichen Regelungen sollten in Form von Change-Orders technisch und kaufmännisch geklärt sein. Kann die Sicherheitsbetrachtung (Safety-Review-Meeting) bereits zuvor durchgeführt werden, so ist tatsächlich ein Einfrieren der Dokumente möglich. In diesem Fall sollten

234

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

im Nachgang auch keine signifikanten Änderungen an diesen Dokumenten außer dem Eintrag von später gewonnenen Zusatzinformationen mehr erfolgen. Durch das Vorziehen der Maschinenbestellung wegen der langen Lieferzeiten als „Long Lead Equipment“ ist es projektbedingt jedoch eher wahrscheinlich, dass aus zusätzlichen Erkenntnissen der Sicherheitsbetrachtung heraus oder aufgrund von weiterem Änderungsbedarf innerhalb der Gesamtanlage noch nachträgliche Änderungen am Lieferumfang der Maschinenbestellung erforderlich werden. Möglicherweise können diese zuvor bereits antizipiert werden, denn den Beteiligten muss klar sein, dass dies mit erheblichen Kostenänderungen und Verschiebungen in der Lieferzeit verbunden sein kann. Dies sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Zu erwartende Zusatzanforderungen könnten bereits als Option (eventuell auch als Nachtrag) in die Bestellung eingefügt werden. Für untervergebene Komponenten wie Ölsystem, Wellenabdichtung, Sperrgassystem, Getriebe kann das jeweilige Design-Review-Meeting auch separat beim Unterlieferanten durchgeführt werden, ggf. auch virtuell.

8.6.2 Sicherheitsbetrachtung (Safety-Review-Meeting) Sicherheitsbetrachtungen im Sinne von Risikobeurteilungen werden im Verlauf eines Anlagenbauprojekts in verschiedenen Detailtiefen und mit verschiedenen Zielen durchgeführt. Sie sind erforderlich, um die Anlagen- und Arbeitssicherheit zu erhöhen sowie eine Gefährdung der Umwelt zu vermeiden. Methodisch wird die Risikobeurteilung derzeit oft in Form einer HAZOP-Analyse („HAZard and OPerability Analysis“) gemäß DIN EN IEC 618827 mit SIL-Einstufung („Safety Integrity Level“) nach IEC 61508/IEC 61511 durchgeführt. Im deutschsprachigen Raum ist diese Methode auch unter dem Akronym PAAG8 bekannt. Für Grundsätzliches zur Methodik und weitere Methoden der Risikobeurteilung wird hier auf die ausführliche Darstellung bei Weber (2016)9, Abschn. 4.3., „Sicherheitstechnische Entwurfsplanung, Risikobeurteilung“, und insbesondere Abschn. 4.3.2, „Durchführen der Risikobeurteilung und SIL-Einstufung“, verwiesen. Für die Risikobeurteilung bezüglich der HDRE-Maschine(n) wird die relevante Umgebung dieser Maschinen als selbständige Funktionseinheit betrachtet und aus der Gesamtanlage „herausgeschnitten“.

7  DIN EN 61882:2017-02, VDE 0050-8:2017-02, HAZOP-Verfahren (HAZOP-Studien)  Anwendungsleitfaden (IEC  61882:2016); Deutsche Fassung EN  61882:2016. Beuth-Verlag, Berlin. 8 Prognose (möglicher Abweichungen), Auffinden der Ursachen, Abschätzen der Auswirkungen, Gegenmaßnahmen 9 Weber, K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, 2. Auflage, Springer, Dresden.

8.6 Besprechungs-Meilensteine

235

Diese maschinenbezogene Sicherheitsbetrachtung wird im Auftrag des Projektteams und im Beisein der für die Anlagensicherheit im Projekt zuständigen Person des späteren Betreibers durchgeführt, welcher auch das Protokoll führt. Es kann auch ein externer HAZOP-Experte hinzugezogen werden. Die Sicherheitsbetrachtung kann sich je nach Sachlage und Umfang über mehrere Tage erstrecken. Basis der Untersuchung sind die R&I-Fließbilder und andere Dokumente, die relevante Informationen zum Prozess beinhalten. Beteiligte sind ein interdisziplinäres Team von Personen aus Anlagen-, Prozess-, Sicherheits- und Prozessleittechnik. Neben dem HDRE-Engineer ist in der Regel auch der Maschinenhersteller selbst beteiligt. Dieser sollte im Vorfeld bereits seine eigene Risikobeurteilung durchgeführt und zur Vorbereitung zur Verfügung gestellt haben. Im deutschsprachigen Raum erfolgt dies in der Regel unter Nutzung von VDMA 4315-110 bis VDMA 4315-7 mit dem hauptsächlichen Schutzziel: Gesundheit von Personen. Ziel der Besprechung ist es, alle denkbaren Gefährdungen aufgrund des Betriebs der Maschine zu erkennen und je nach Häufigkeit des Auftretens und dem Ausmaß der Gefährdung Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Zunächst wird versucht, intrinsische Sicherheit im verfahrenstechnischen Prozess selbst zu gewährleisten. Ist dies nicht realistisch, wird auf Maßnahmen der Mess- und Automatisierungstechnik zurückgegriffen. Erst wenn auch dies nicht sinnvoll möglich ist, werden organisatorische Maßnahmen ergänzt. Gefährdungen rein durch den Betrieb der Maschine sollten bereits über die Risikobeurteilung des Maschinenherstellers auf ein akzeptables Minimum reduziert worden sein. In der HAZOP-Analyse werden deswegen hauptsächlich Gefährdungen diskutiert, die prozessbedingt sind (z. B. Anfahren, Abfahren) oder sich auf das geförderte Gas beziehen (z. B. Gefährdung durch Überhitzung, Druck, Gasaustritt bei Leckagen). In diesem Rahmen werden auch die SIL-Einstufungen der prozessleittechnischen Schutzeinrichtungen festgelegt (s. auch Darstellung in Abschn. 6.3.12.5, „Sicherheitsgerichtete Klassifikation von PLT-Einrichtungen“). Benutzt wird dazu z. B. der aus der IEC 61511 abgeleitete Risikograph. Die HAZOP-Analyse erfolgt anhand von sogenannten Leitworten, mit denen Abweichungen von im Betrieb geplanten Soll-Funktionen beschrieben werden, z. B. • Nein/nicht: Die Sollfunktion wird nicht erfüllt oder findet nicht statt. • Mehr/weniger: Eine Prozessgröße steigt über oder fällt unter ihren Sollbereich. • Umkehrung: Etwas geschieht in umgekehrter Richtung. • Sowohl-als-auch/teilweise: Eine Sollfunktion wird nur teilweise erfüllt, bzw. es geschieht noch etwas anderes.

10  VDMA 4315-1:2022-06, Turbomaschinen und Generatoren – Anwendung der Prinzipien der Funktionalen Sicherheit – Teil 1: Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Risikoreduktion.

236

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

Eine Konkretisierung der Leitworte erfolgt über verschiedene Parameter wie Stoffzusammensetzung, Menge, Mengenstrom, Druck, Temperatur, Hilfsenergien, Zeitpunkt, Zeitdauer. Die Diskussion und Darstellung der einzelnen Punkte sollte so konkret wie möglich und unter Benutzung der genauen Bezeichnung von Instrumentierungselementen erfolgen, hier zwei Beispiele: Beispiel 1: • Leitwort: Geringer Zufluss zum Turboverdichter • Mögliche Ursache(n): Fehler des Bedienpersonals, Ausfälle von Instrumentierung, eine Störung im Prozess stromaufwärts • Folge: Pumpen des Verdichters. Es kann zu vollständigem Versagen der Wellenabdichtung und der Lager kommen. Prozessgas kann in die Umgebung gelangen, was ein sicherheitsrelevantes Szenario darstellt. Minderungsmaßnahmen sind erforderlich • Gegenmaßnahmen: ein System zur Pumpgrenzregelung und Pump-Erkennung ist erforderlich. Dies kann auf Basis von Druck-, Mengen- und Temperaturmessungen mit bestimmten Genauigkeitsklassen und Ansprechzeiten erfolgen • Risikoklasse: Aufgrund von Häufigkeit und Schwere wurde SIL2 als erforderlich angesehen Beispiel 2: • Leitwort: Füllstand im Flüssigkeitsabscheider hoch • Mögliche Ursache(n): Ausfall der Instrumentierung, mehr mitgerissene Flüssigkeit wegen Prozessstörung bei …, Bedienungsfehler • Folge: Flüssigkeit gerät in den Verdichtereintritt. Dadurch wird das Laufrad durch mechanische Einwirkung beschädigt • Gegenmaßnahmen: Messung des Flüssigkeitsstands im Abscheider, Abschaltung des Verdichters bei unzulässigem Füllstand • Risikoklasse: Aufgrund von Häufigkeit und Schwere SIL2 erforderlich Dies sind nur Beispiele zur Verdeutlichung des Vorgehens. Eine genaue Analyse des zugrunde liegenden Prozesses kann hier zu Veränderungen führen, die die erforderliche Risikoklasse von Elementen der Instrumentierung betrifft. In manchen Fällen oder bei unzureichender Spezifikation kann es auch sein, dass zusätzliche Instrumentierung oder andere Maßnahmen eingeführt werden müssen, die im Nachgang als Change-Orders technisch und kaufmännisch vereinbart werden müssen.

8.6 Besprechungs-Meilensteine

237

8.6.3 Pre-Inspection-Meeting (PIM) Das Pre-Inspection-Meeting (PIM) ist eine Besprechung, in der die vertraglichen Anforderungen an Qualitätskontrolle und Inspektionen in Bezug auf Konstruktionspläne, Fertigungspläne und Fertigungsverfahren im Detail besprochen und freigegeben werden. Das PIM findet in der Regel im Herstellerwerk des Maschinenlieferanten statt, und zwar bevor der eigentliche Produktionsprozess beginnt. Ziel ist die Durchsprache der einzelnen Produktionsschritte mit Anforderungen an die Qualitätskontrolle, Zeichnungen und sonstige Dokumentation, sowie die Beteiligung des Betreibers an der Qualitätssicherung und den durchzuführenden Tests. Kosten- und zeitintensive Testläufe sollten dabei bereits vor der Vergabe durchgesprochen und in der Bestellung enthalten sein. Seitens des Maschinenherstellers sollten folgende Personen anwesend bzw. verfügbar sein: • der Projektleiter, • der für die Auftragsabwicklung verantwortliche Ingenieur, • der Produktionsleiter oder dessen designierter Vertreter, • der für den Auftrag verantwortliche Qualitätsmanager, • weitere Vertreter von wichtigen Unterlieferanten nach Bedarf, z. B. Hersteller des MV-Antriebsmotors oder Getriebes. Der Maschinenhersteller stellt im PIM die Organisation und Methodik seiner Qualitätssicherung mit den entsprechenden Ansprechpartnern vor. In der Regel findet eine Besichtigung der Werkstätten statt, in der die relevanten Produktionsmaschinen sowie Test- und Prüfungseinrichtungen präsentiert werden. Die Besichtigung der Werkstätten liefert Informationen über die aktuelle Werkstattauslastung, getroffene Maßnahmen bezüglich der Arbeitssicherheit des Personals, Alter und Zustand von Bearbeitungsmaschinen und Mess- und Prüfsystemen, die Übersichtlichkeit der Lagerhaltung (z. B. sichere räumliche Trennung von Edelstahl und Schwarzstahl), den Materialfluss, die Kennzeichnung von Bauteilen bezüglich Bearbeitungsweg und Projektzugehörigkeit und vieles mehr. Bei der Besprechung sollten auch alle Komponenten sowie Hilfs- und Versorgungssysteme mit betrachtet werden, die nicht im Werk des Maschinenherstellers produziert werden. Es kann sinnvoll sein, auch die Hersteller wichtiger Komponenten wie dem Antriebsmotor oder großer Getriebe hinzuzuziehen und auch Tests und Qualitätssicherungsmaßnahmen zu besprechen, die in Werken von Unterlieferanten stattfinden. Wichtige Themen, die im PIM behandelt und in einem Protokoll festgehalten werden, sind Folgende:

238

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

• Zur Sicherstellung der Kommunikationskanäle zwischen allen Parteien wird festgehalten, wer mit wem im Rahmen der Fertigung direkt kommuniziert (z. B. „Single Points of Contact“) und welche Informationen von diesen an welche anderen Parteien oder Personen weiter gegeben werden. • Bei Kontraktorprojekten muss insbesondere geklärt sein, ob und wie eine direkte Kommunikation zwischen dem Endkunden/Betreiber und dem Hersteller verlaufen kann, oder ob sie nur über den Kontraktor als Käufer erfolgt. • Werden Dokumente per (geschütztem) E-Mail oder über einen Server zur Verfügung gestellt, oder wird auch eine Papierversion benötigt, u. a. für Behördenverkehr im Falle von Druckbehältern? • Sichergestellt werden sollte bei Kontraktorprojekten auch, dass neben dem Kontraktor, der die Bestellung ausgelöst hat, auch der Endkunde nach Anmeldung ungehinderten Zugang zu den Werkstätten erhält, wie auch zu Inspektionen bei Unterlieferanten des Maschinenherstellers. Um während eines solchen Besuchs auch vertragliche Themen klären zu können, sollte beim Besuch seitens des Endkunden jeweils auch ein Vertreter des Kontraktors anwesend sein. • Vollständigkeit und Verständnis des Lieferumfangs sowie der geltenden Spezifikationen und Anforderungen des Käufers werden nochmals geklärt, auch im Hinblick darauf, dass Personen beteiligt sind, die bisher möglicherweise nicht im Projekt involviert waren. Hierbei könnte es sich um den Qualitätsmanager des Herstellers oder Beauftragte des Käufers bezüglich Expediting und Qualitätsüberwachung handeln. • Statusprüfung aktueller Zeichnungen und weiterer Dokumente: Es muss klar sein, welche Dokumente Gültigkeit haben und ob sie sich in einem Stadium befinden, das zur Fertigung freigegeben wurde. • Aktualisierung von Projektstatusbericht, Fertigungs- und Dokumententerminplan, Liste der Unterlieferanten, Status der Unteraufträge: Dies ist wichtig zur Absicherung der Liefertermine, aber auch zur Planung eigener Aktivitäten im Rahmen von Dokumentenkontrolle, Qualitätsüberwachung und Inspektionen beim Hersteller. Bis hier sollte auch endgültig geklärt sein, welche Unterlieferanten tatsächlich eingesetzt werden. • Grundsätzliche Vorgehensweise und Verantwortlichkeit des Maschinenherstellers bei der Qualitätssicherung in der eigenen Werkstatt und bei Unterlieferanten. Besonders sollte auch geklärt werden, wie der Maschinenhersteller bei Qualitätsabweichungen in seinem Produktions- bzw. Beschaffungsprozess grundsätzlich vorgeht und inwieweit und wann eine zeitnahe Information des Käufers erfolgt, wenn solche Abweichungen bemerkt werden. • Vorgehensweise bei Schweißarbeiten: Die Zeugnisse der Schweißer, WPS („Welding Procedure Specification“) nach ISO 15609 und PQR („Procedure Qualification Report“) sollten vorgelegt werden und den Ansprüchen des Käufers entsprechen. Bei kritischen Schweißarbeiten sollten Testschweißungen („Mock-up Tests“) durchgeführt und deren Ergebnisse zur Prüfung vorgelegt werden.

8.6 Besprechungs-Meilensteine

239

• Vorgehensweise bei Qualitätsabweichungen im Rahmen von Guss- und Schweißteilen: Für Reparaturen an druckhaltenden oder tragenden Schweißnähten und Gussteilen kann ein spezielles Reparaturverfahren erforderlich sein. Dieses sollte im Rahmen der Kundenanforderungen seitens des Maschinenherstellers entwickelt werden. Für bestimmte Arten von Schweißreparaturen kann die Zustimmung des Käufers erforderlich sein. Entsprechendes gilt auch für Anforderungen und Kontrollen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Die Anforderungen für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen, einschließlich Spannungsarmglühen und Abschrecken, sowie für mechanische Tests als Teil der Anforderungen sollten besprochen werden. Es sollte sicher gestellt werden, das Qualitätsaufzeichnungen der Wärmebehandlung und Ofenlaufdiagramme vorliegen. • Durchsicht der aktuellen Version des projektspezifischen Qualitätsplans mit Beschreibung der Tests und Inspektionen sowie des Inspektions- und Testplans (ITP), hierzu siehe auch Abschn. 6.4, „Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung“. Der Hersteller sollte verstanden haben, wann und in welcher Form Qualitätsdokumente zur Verfügung gestellt werden müssen, um eine spätere Nachverfolgung zu erlauben. Ebenso sollte klar sein, welche Inspektionen und Tests durchgeführt werden. • Eine Festlegung sollte erfolgen, in welchem Zeitrahmen Einladungen zu Inspektionen oder Tests verschickt werden, und in welchem Zeitrahmen Kommentierungen zu Dokumenten erfolgen müssen. • Eine weitere Festlegung sollte erfolgen, zu welchem Zeitpunkt dem Betreiber alle maschinenspezifischen Testabläufe im Detail zur Kommentierung zur Verfügung stehen, um sicher zu stellen, dass den vertraglichen Anforderungen entsprochen wird. Dies gilt für Tests beim Maschinenhersteller und auch bei dessen Unterlieferanten. • Zulässige und erforderliche Maßnahmen und Qualitätsanforderungen im Rahmen von Oberflächenvorbereitungen, Beschichtungen und Auskleidungen, Kennzeichnung von Bauteilen, Verpackung und Lagerung (Flanschabdichtungen, Trockenmittel, Rostschutzmittel etc. je nach geplanter Lagerdauer) sollten ebenfalls geklärt werden. Separate PIMs können auch für untervergebene Komponenten beim jeweiligen Unterlieferanten durchgeführt werden. Beispiele für PIM-Protokolle finden sich im Internet11,12.

11 ECIT-International:

http://www.ecit-int.com/Pdf/PreInspMeetingReport.pdf

12  https://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUK

Ewi_-7Wqq6v9AhUQVfEDHQ23BMgQFnoECBQQAQ&url=https://static.inspector-training. com/uploads/2021/07/C4.-Sample-PIM-Rotating-Equipment.doc&usg= AOvVaw0Pw_ eAdPTXhIA6LOTOQCW_.

240

8  Abwicklungsphase Teil 1: Detailed Engineering

8.7 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde der erste Teil der Abwicklungsphase eines HDREMaschinenstrangs behandelt. Dieser beschreibt das „Detailed Engineering“ beim Maschinenlieferanten im Vorfeld der tatsächlichen Fertigung der Maschine. Zunächst erfolgt die Bestellung beim Maschinenlieferanten durch den technischen Einkauf. Voraussetzung hierfür ist die detaillierte Durchsprache aller Bestelldokumente und deren Vollständigkeit. Nach Bestellung und Auftragsbestätigung durch den Maschinenlieferanten fertigt dieser die ersten Dokumente und Zeichnungen an. Nach einigen Wochen wird zum Kick-Off-Meeting (KOM) eingeladen, an dem alle Vertragsparteien teilnehmen, und das in der Regel beim Lieferanten stattfindet. In diesem Kick-Off-Meeting werden auf der einen Seite formelle Themen wie Kommunikation, Berichtswesen, Terminplan und Änderungslisten behandelt. Auf der anderen Seite werden alle vorhandenen technischen Dokumente sowie Lieferumfang und weitere Anforderungen durchgesprochen. Während der „Detailed Engineering“-Phase werden die erforderlichen Berechnungen zur Auslegung der HDRE-Maschinen und der zugehörigen Strangkomponenten durchgeführt und die erforderlichen Dokumente und Zeichnungen erstellt, durch den Käufer kommentiert und danach revidiert. Die wesentlichen Dokumente, Berechnungen und Zeichnungen wurden in diesem Kapitel beschrieben. In diesem Zeitraum können bereits erste Bestellungen an Unterlieferanten erfolgen, z. B. für MV-Antriebsmotoren. Während der „Detailed Engineering“-Phase werden Konstruktionsbesprechungen zwischen den Vertragspartnern durchgeführt, die schließlich zu einem „Design Freeze“ führen sollen. Ausserdem sollte, wenn möglich, die erforderliche Sicherheitsbetrachtung erfolgen, in der Regel in Form einer HAZOP-Analyse. Vor dem Beginn der Fertigung wird schließlich ein Pre-Inspection-Meeting beim Maschinenlieferanten durchgeführt, in dem die Details der während der Fertigung erforderlichen Elemente der Qualitätssicherung, Inspektionen und Tests seitens Käufer, Endkunde und Hersteller besprochen werden.

9

Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

In diesem Kapitel wird die Phase des eigentlichen Herstellungsprozesses der bestellten HDRE-Maschineneinheit(en) beschrieben, wie sie sich aus Sicht des Käufers bzw. Endkunden darstellt. Unter dem Begriff „Endkunde“ wird dabei der (spätere) Betreiber der verfahrenstechnischen Anlage bezeichnet. Dieser ist bei Eigenabwicklung identisch mit dem „Käufer“. „Käufer“ kann aber auch ein beauftragter Kontraktor sein, der dem „Endkunden“ die Anlage nach Fertigstellung übergibt. Diese Phase kann sich mit der im letzten Kapitel beschriebenen „Detailed Engineering“-Phase des Herstellers überschneiden. Manche Beschaffungsvorgänge bei Unterlieferanten können bereits erfolgt sein, wie zum Beispiel die Bestellung des MVAntriebsmotors, die bei dessen Hersteller auch eine Phase des „Detailed Engineering“ auslöst. Weiterhin werden alle in der „Detailed Engineering“-Phase noch nicht endgültig fertiggestellten Dokumente weiterbearbeitet. Ziel dieser Projektphase ist es, innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens den bestellten Lieferumfang so herzustellen und transportbereit zu machen, dass alle vorher vereinbarten technischen Spezifikationen und Qualitätsmerkmale eingehalten werden. Dies gilt in gleichem Maße für die erforderliche Dokumentation. Um dieses Ziel einhalten zu können, sind gemeinsame Bemühungen von Käufer und Hersteller notwendig. Für den Käufer gilt hierbei, kurzfristig auf Fragen des Herstellers zu reagieren, die übermittelten Herstellerdokumente zu prüfen und zu genehmigen und ihn auch bei der Bearbeitung von Qualitätsproblemen zu unterstützen. Ebenso ist in dieser Phase bereits auch eine Abstimmung mit der Organisation vorzunehmen, die die Montage vornehmen soll und auf der Baustelle den Lieferumfang in Empfang nimmt. Auch die spätere Betreiberorganisation muss frühzeitig mit Informationen versorgt werden. Insbesondere muss diese die Betriebsanleitung prüfen und festlegen, ob und in welcher Weise eine Schulung der Betriebsmannschaft erfolgen soll. © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_9

241

242

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Die spätere Instandhaltungsorganisation sollte die Gelegenheit erhalten, die Wartungs- und Instandhaltungsanleitung durchzugehen und zu prüfen. Mit ihr ist auch das Ersatzteilkonzept im Detail durchzugehen, und es muß der Umfang der zu bestellenden Ersatzteile festgelegt werden. Die Verantwortung für diese Informationsflüsse liegt im allgemeinen beim betreuenden HDRE-Engineer des Käufers und demjenigen des Endkunden. Diese sind allgemein für die Verteilung von Informationen und Dokumenten in ihrer Organisation und die rechtzeitigen Rückflüsse an den oder die Maschinenhersteller verantwortlich.

9.1 Terminüberwachung (Expediting) Für die Terminüberwachung („Expediting“) liefert der in Abschn. 8.3 beschriebene monatliche Fortschrittsbericht die Grundlage. Bereits in der Hersteller-Aktivitätenliste sollte immer auch auf mögliche Herausforderungen bei der Abwicklung hingewiesen werden, die sich aus Termin- und Qualitätssicht ergeben. Wenn das Verhältnis zwischen Kunde und Hersteller partnerschaftlich ist, ist hier ein hohes Maß an Transparenz möglich. Haben sich tatsächlich Verzögerungen oder Qualitätsprobleme ergeben oder sind diese zu erwarten, was in solchen komplexen Projekten nie ausgeschlossen werden kann, sollten bereits auch Maßnahmen zur Intervention und Minimierung der Konsequenzen für den Käufer beschrieben werden. In vielen Fällen kann auch für den Hersteller eine Unterstützung durch den Käufer oder Endkunden hilfreich sein. Wird die Terminüberwachung seitens einer separaten Organisation des Kunden oder von Dritten durchgeführt, so ist auch hier eine enge Abstimmung mit dem HDREEngineer sinnvoll und erforderlich. Auch bei Kontraktorprojekten sollte die enge Einbindung des Endkunden in die Qualitätsüberwachung erfolgen und vertraglich abgesichert sein. „Vier Augen sehen mehr als zwei“ gilt auch hier. Der Kontraktor richtet seinen Blick zunächst auf die für ihn möglichst kostengünstige Einhaltung der Verträge, während der Endkunde eher auf Produktionssicherheit und Verfügbarkeit auch bezüglich späterer Instandhaltungsaufgaben achtet.

9.2 Dokumentenprüfung Bei der Bestellung wurde bereits festgelegt, welche Berechnungen, Dokumente und Zeichnungen für den Lieferumfang benötigt werden, und zu welchem Zeitpunkt sie in welcher Qualität bereitgestellt werden müssen (s. Abschn. 8.5, „Dokumentenkontrolle und Zeichnungsprüfung“). Teilweise erfolgte dies unter Pönalisierung von Terminen. Weiterhin wurde festgelegt, in welchen Zeiträumen eine Kommentierung bzw. auch die Genehmigung erfolgen soll. Für einen korrekten Projektablauf essenziell ist damit

9.2 Dokumentenprüfung

243

die zeitnahe Bearbeitung aller gelieferter Dokumenten durch die entsprechenden Fachdisziplinen, die Prüfung der Schnittstellen zur Gesamtanlage und die Zusammenfassung und Rücksendung an den Hersteller seitens des HDRE-Engineer. In einer vom Hersteller geführten Dokumentenliste werden Termine und jeweiliger Revisionsstatus mit dem regelmäßigen Projektbericht dokumentiert (s. Abschn. 8.3, „Fortschrittsberichte“). Änderungen zwischen den einzelnen Revisionen der Dokumente sollten einfach durch Markierungen, wenn möglich farbig, und eine Kurzbeschreibung erkennbar sein. Die Bezeichnungen von Komponenten, Anschlüssen und Instrumentierung sollten gemäß der vereinbarten Regeln erfolgen, und alle für Montage, Inbetriebnahme und Betrieb nötigen Details sollten auf Vollständigkeit geprüft werden. Oft geschieht es, dass auf Basis vereinbarter Termine Dokumente vorgelegt werden, die nicht korrekt oder nicht vollständig sind. Diese sollten zurückgewiesen werden. Grundsätzlich werden alle Dokumente auf Kompatibilität mit der Gesamtanlage und ihren Schnittstellen geprüft, auf Erfüllung der vertraglichen Eigenschaften und Anforderungen, Sicherheitsaspekte, Bedienbarkeit und Funktion. Auf die Prüfung bestimmter Dokumente wird im Folgenden etwas detaillierter eingegangen, insbesondere auf dynamische Berechnungen zum Laufverhalten von Turbomaschinen und die Pulsationsstudie bei Hubkolbenverdichtern. Deren Durchführung und Ergebnisse können für einen zuverlässigen Dauerbetrieb entscheidend sein. Vorhandene Restpulsationen dürfen die Integrität von Bauteilen und Leitungen nicht infrage stellen. Für Turbomaschinen bestehen hohe Anforderungen an die Laufruhe, damit die für einen hohen Wirkungsgrad notwendigen minimalen Spiele nicht zum Anstreifen oder anderen Beschädigungen führen.

9.2.1 Lateralschwingungen und Laufstabilität Für Turbomaschinen ist eine rechnergestützte Analyse der Lateralschwingungen der Rotoren grundsätzlich erforderlich. Sie bezieht sich bis auf Ausnahmefälle (z. B. bei Verwendung starrer Kupplungen), und im Gegensatz zur Torsionsschwingungsanalyse, nur auf die einzelne Maschine. Die Durchführung erfolgt durch den Hersteller der Maschine oder eine von ihm beauftragte Stelle. Die Analyse beinhaltet die Berechnung der ungedämpften und gedämpften kritischen Drehzahlen mit ihren Schwingungsformen und den Vergrößerungsfaktoren, die die Schwingungsüberhöhung bei kritischer Drehzahl angeben. Eine Schwierigkeit besteht in der Definition des rechnerischen Ersatzmodells. Während geometrische Daten, Massen und Trägheitsmomente recht gut modelliert werden können, ist es bei den Radiallagern eher schwierig, exakte Feder- und Dämpfungskoeffizienten anzugeben. Dies geschieht teilweise unter Verwendung von Erfahrungswerten und Messwerten vergleichbarer Ausführungen. Teilweise gibt es hier-

244

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.1   Modell für die Lateralanalyse eines Rotors mit 2 Laufrädern eines Getriebe-Turboverdichters mit 2 Lagerstellen (BRG 1 und 2), den Wellenabschnitten und 10 Zusatzmassen Mi

für auch spezielle Lagerberechnungsprogramme. Abb. 9.1 zeigt ein Modellierungsbeispiel für einen Rotor eines Getriebe-Turboverdichters mit zwei Laufrädern. Zunächst werden Eigenschwingungsformen und ihre kritischen Drehzahlen berechnet. Über diese wird mit Hilfe von normierten Unwuchten das Verhalten bei Unwuchterregung modelliert („Unbalance Response Analysis“). Im Ergebnis ist zu beachten, dass die Abstände des Bereichs der Betriebsdrehzahlen von den kritischen Drehzahlen ausreichend groß sind. Die erforderlichen Abstände werden in API STD 617 und API STD 612 definiert. Ist eine Auslegung der Rotoren außerhalb dieser Bereiche ausnahmsweise nicht möglich, so sind weitere Berechnungen unter Berücksichtigung von Dämpfungseinflüssen durchzuführen. Diese sollen den Nachweis erbringen, dass auch in Resonanznähe ausreichend hohes Dämpfungsverhalten vorliegt und damit unzulässige Schwingungsüberhöhungen ausgeschlossen werden können. Weiterhin wird die Laufstabilität besonders bei großen Rotoren über die Vermeidung kritischer Drehzahlbereiche hinaus untersucht, um z. B. mögliche Selbsterregungsmechanismen zu erkennen. Im Bericht über die Lateralschwingungsanalyse („Lateral Critical Speed Analysis“) sollte die Modellierung nachvollziehbar dargestellt werden. Die Dokumentation beinhaltet Einzelmassen mit Bezeichnung, Position, Masse und Trägheitsmoment, sowie Konstruktionsdaten der Radiallager mit drehzahlabhängigen Feder- und Dämpfungskoeffizienten in horizontaler und vertikaler Schwingungsrichtung. Für die verwendeten Unwuchterregungen sind Betrag, Position, Richtung und ihr Verhältnis zu den entsprechenden Vorschriften aus API STD 617 bzw. API STD 612 zu nennen. Ebenso sollte der Bericht anschauliche grafische Darstellungen der Ergebnisse enthalten. Falls eigene Nachrechnungen seitens des Kunden möglich sein sollen, sollte dieser die Vollständigkeit der Daten für die Anwendung seines Berechnungsprogramms überprüfen. Eine Verifikation der berechneten kritischen Drehzahlen und Schwingungsamplituden kann während des mechanischen Probelaufes erfolgen.

9.2 Dokumentenprüfung

245

Weitere Angaben zur Lateralschwingungsanalyse finden sich in API STD 617 (2014), Part 1, Annex C, wie auch in API RP 6841.

9.2.2 Torsionsschwingungen Torsionsschwingungen werden durch periodisch variierende Drehmomente am Antriebsstrang angeregt. Besonders bedeutend können sie im Falle elektrischer Störungen sein (z. B. mehrphasiger Kurzschluss am MV-Antriebsmotor) und zu unzulässigen Torsionsspannungen führen. Eine Torsionsschwingungsanalyse ist für den gesamten Maschinenstrang erforderlich, also Antriebs- und Arbeitsmaschinen nebst zugehörigen Übersetzungsgetrieben und Kupplungen. Meist wird sie vom Hersteller der Arbeitsmaschine durchgeführt. Nur im Falle von kleinen Hubkolbenverdichtern mit Riemenantrieb kann die Stranganalyse entfallen, weil der Antriebsriemen für eine weitgehende Entkopplung sorgt. Abb. 9.2 zeigt ein einfaches Torsionsschwingungsmodell für einen motoran­ge­trie­ benen Verdichterstrang. Die Kupplung wird dabei in zwei Komponenten mit den zwei Kupplungsnaben für Motor und Verdichter zerlegt. Wesentliche Parameter für eine ungedämpfte Torsionsanalyse sind die Torsionsträgheitsmomente Ji und die Torsionssteifigkeiten Ki. Die hieraus berechneten ungedämpften Torsions-Eigenfrequenzen müssen einen Mindestabstand von 10 % von allen Betriebsdrehzahlen aufweisen. Der Torsionsschwingungs-Bericht sollte die kritischen Eigenschwingungsformen enthalten. Wichtig zur Veranschaulichung der Situation ist das Campbell-Diagramm (s. auch Abschn. 8.5.4.5, „Rotordynamische Untersuchungen“).

Abb. 9.2   Vier-Körper-Modell für einen motorangetriebenen Verdichterstrang mit Trägheitsmomenten J1…J4 {kgm2} und Torsionssteifigkeiten K1…K3 {Nm/rad}

1  API

Recommended Practice 684 (2005 und 2010), Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute, Washington.

246

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Anregungen durch Hubkolbenverdichter treten als Druck- und Volumenpulsationen mit periodischer, aber nicht harmonischer Anregung auf. Die Anregung kann in Form einer Fourier-Reihe dargestellt werden. Deswegen spielen die Vielfachen der Betriebsdrehzahl als Anregung eine große Rolle. Diese sollen einen Mindestabstand von 5 % von den Eigenfrequenzen aufweisen. Gegebenenfalls müssen bestimmte Drehzahlbereiche für den Dauerbetrieb gesperrt werden. Zur Berechnung elektrisch bedingter Störungen, z. B. der bereits genannte mehrphasige Kurzschluss, sind die daraus resultierenden Torsionsmomente sowie deren Auswirkung auf die Torsionsspannungen zusätzlich zu berücksichtigen und anzugeben. Weitere Angaben zur Torsionsschwingungsanalyse finden sich in API STD 617 (2014), Part 1, Annex D, wie auch in API RP 6842.

9.2.3 Pulsationsstudie In Abschn. 8.5.4.4 wurde auf die Notwendigkeit der Durchführung rechnerischer Pulsationsstudien für Kolben- und Membranverdichter hingewiesen. Entsprechend der vertraglichen Vereinbarungen sollte eine ausführliche Studie zur Verfügung gestellt werden. Die Beurteilung der Ergebnisse einer solchen Studie erfolgt gemäß API STD 618 (2016), Abschn. 7.9. Die Amplituden der Druckpulsationen in Verdichternähe sollten 7 % des mittleren Betriebsdrucks nicht überschreiten, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Wesentlich für die Qualität der Berechnungsergebnisse sind korrekte Randbedingungen, denn bereits kleinere Differenzen können hier zu erheblichen Abweichungen führen: • Rohrleitungslängen, Halterungen und Behälterdimensionen: Für den Bereich zwischen Eintrittsflansch saugseitiger Dämpfungsbehälter (1. Stufe) und Austrittsflansch druckseitiger Dämpfungsbehälter (letzte Stufe) können diese seitens des Maschinenherstellers gut ermittelt werden, insbesondere wenn dieser auch die Zwischenverrohrung mitliefert. Für die Zu- und Abführungsleitungen ist das schwieriger, denn hier hängt die Leitungsführung stark von den Verhältnissen in der Anlage ab. Sind diese nicht genau bekannt, so müssen plausible Näherungsannahmen getroffen werden. Der Ansatz von „unendlich langen“ Leitungen vernachlässigt wichtige Resonanzeffekte. Änderungen an der Rohrleitungsplanung sollten der Partei, die die Pulsationsberechnungen verantwortet, zeitnah bekanntgegeben werden.

2  API

Recommended Practice 684 (2005 und 2010), Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute, Washington.

9.2 Dokumentenprüfung

247

• Prozessgasbedingungen: √ Wesentliche Größe ist hier die Schallgeschwindigkeit a des Prozessgases, a = κRT, die wiederum abhängig von der Gaszusammensetzung (Isentropenexponent ϰ und spezifische Gaskonstante R) und der Gastemperatur T ist. Die Gastemperatur kann sich hier auch für verschiedene Betriebsbedingungen unterscheiden, teilweise erheblich. Deswegen ist auch darauf zu achten, dass nachträgliche Berechnungen bei veränderten Daten einfach und kurzfristig durchführbar sind. Als Ergebnis einer Pulsationsstudie ergeben sich u. a. „verbotene“ Leitungslängen, die Dimensionierung von Dämpfungs- oder Speicherbehältern einschließlich ihrer Geometrie, weiterhin mögliche Einbaustellen für zusätzliche pulsationsdämpfende Blenden, sowie Orte und Art von Rohrhalterungen. Eine spätere messtechnische Verifizierung der Rechenergebnisse kann mittels dynamischer Drucksensoren erfolgen, die entweder an dezidierten Anschlussflanschen oder temporär an bestehenden Flanschen für Druck- oder Temperaturmessungen eingebaut werden. Es wurde bereits zuvor empfohlen, gerade an Behälterflanschen die Möglichkeit vorzusehen, zusätzliche spezielle Blenden oder Mehrlochblenden einzubauen, die bei richtiger Auslegung zu nur minimalen zusätzlichen Druckverlusten bei zugleich wirksamer Pulsationsdämpfung führen.

9.2.4 Fundament- und Stutzenbelastungen Details zu den statischen und dynamischen Belastungen des Fundaments durch die Maschine werden frühzeitig zur Auslegung des Fundaments benötigt, das in der Regel kundenseits beigestellt wird. Wichtig ist hier auch die Darstellung des geometrischen Nullpunktes in Bezug auf die Anlage sowie der Positionen für die Maschinenbefestigung auf dem Fundament. Hierfür dient der Fundamentplan. Kritisch ist ferner die zulässige Stutzenbelastung am Ein- und Austrittsflansch von Verdichter und Turbine. Dabei ist auch die Temperaturausdehnung zwischen Stillstand und Betrieb zu betrachten. Hierfür sollte ein separates Dokument vorliegen. Wegen der hohen Anforderungen ist eine genaue Abstimmung mit dem Hersteller der Anschlussleitungen notwendig. Belastbare Angaben sollten bereits während der „Detailed Engineering“-Phase vorhanden sein und lediglich nochmals überprüft werden.

248

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.3   Beispiel eines Kommunikationsdiagramms. Das RCP befindet sich im „Local PLC Panel Room“. Das HMI ist doppelt ausgeführt

9.2.5 Steuerung und Regelung Im Zusammenhang mit der Maschinensteuerung und -regelung werden einige wichtige Dokumente fertiggestellt, die es zu prüfen gilt. Dazu gehören • Kommunikations-Diagramm: Dieses gibt die grundsätzliche Struktur der Kommunikation mit den in der Regel redundanten Bussystemen bzw. Hartverdrahtungen zwischen den Einzelelementen wieder. Abb. 9.3 zeigt dazu ein Beispiel für zwei parallele Verdichter mit Aufteilung auf die verschiedenen Örtlichkeiten. – LSB („Local Switch Box“, Vor-Ort-Anfahrschrank): Diese enthält z. B. An-/AusTaster für Ölsystem und Maschine und Lampen zur Darstellung der Betriebsbereitschaft. – RCP („Remote Control Panel“): Es handelt sich in der Regel um einen Schrank im Schaltraum oder im Maschinenraum, der die Maschinensteuerung (PLC, „Programmable Logic Controller“), aber auch andere Elemente wie das Maschinenüberwachungssystem, den Pumpschutz und andere elektronische Notabschaltsysteme sowie bei Turbinen den Überdrehzahlschutz enthält. – HMI („Human Machine Interface“, die Mensch-Maschine-Schnittstelle, meist in RCP integriert): Über dieses Interface werden die Überwachungs- und Steuereinrichtungen der Maschine visualisiert, meist in Form von R&I-Fließbilder für Prozessgas, Maschinenüberwachung, Öl- und Sperrgassysteme, eventuell auch weiterer Sicherheitseinrichtungen. – DCS („Distributed Control System“, das Anlagen-Leitsystem in der Leitwarte): Hier sind diejenigen Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen des Maschinenstrangs bzw. der Maschineneinheit als R&I-Fließbilder mit den Messwerten und Alarmen hinterlegt, die für die Anlagenfahrer von Bedeutung sind. Das Anlegen dieser Bilder in der Leitwarte erfolgt meist separat vom Lieferumfang der Maschine.

9.2 Dokumentenprüfung

249

• Bedienungshandbuch Mensch-Maschine-Schnittstelle („HMI Operation Manual“): Dieses Handbuch beschreibt System-Konfiguration, Ein- und Ausschaltverfahren, den grundsätzlichen Aufbau und die Struktur der Bildschirmseiten, den Inhalt der Einzelseiten, Trenddarstellungen, Alarme mit Suchfunktionen sowie Aufbaudetails. • Regelungsbeschreibung („Control Narrative“): Ein sehr wichtiges Dokument ist die Prosa-Beschreibung der Steuerung der Maschineneinheit in Einzelschritten. Sie wird gemeinsam zwischen Kunde und Maschinenhersteller bzw. dessen Steuerungslieferant entwickelt. Sie kann sehr komplex sein. Prozess- und Messdaten werden mit Werten und ihren Kurzbezeichnungen beschrieben. Oft muß hier auch das Umfeld (z. B. Absperrarmaturen oder Prozessdaten außerhalb des Lieferumfangs) einbezogen werden. Jeder Schritt, angefangen mit der Vorbereitung der Erst-Inbetriebnahme, sollte in Worten beschrieben werden. Anfahrverriegelungen, Wechsel von Prozessbedingungen, automatisierte und manuelle Schritte und andere Details sind zu berücksichtigen. Zusätzlich liefert der Maschinenhersteller seine Beschreibung für maschineninterne Prozesse wie das Hochfahren, Pumpgrenzregelung bei Turboverdichtern, Kapazitätsregelung, Bypassregelungen, Notabschaltungen, ebenso wie z. B. die Regelung des Schmieröl- und Sperrgassystems. • Funktionsdiagramm („Operation Diagram“): Es beschreibt als manuelle oder automatisierte Schrittkette die einzelnen Regelungsschritte in Form eines Signalflussdiagrammes, mitsamt ihren Voraussetzungen, Verschaltungen und Signalquellen. Ebenso wird hier der zeitliche Ablauf von Start- und Übergangsprozessen dargestellt. • Logikdiagramm („Logic Diagram“): Es beschreibt die verwendeten Logiken im Detail. • Liste der Ein- und Ausgänge („I/O List“): Diese Liste beschreibt die Signalführung aller erforderlichen Signale mit Bezeichnung, TAG-Nr., Herkunft, Adressat, Signalart, ggf. mit Skalierung und Einheit, getrennt nach Kraftverteilung über digitale und analoge Größen. • Schaltpunkt-Liste („Interlock List“): Diese Liste enthält alle Startverriegelungen, Alarme und Abschaltungen mit ihren Schaltpunkten. Die Schaltpunkte können während der Inbetriebnahme angepasst werden. • Kabeldiagramm („Wiring Connection Diagram“): Es handelt sich hierbei um eine Liste mit den Zuordnungen der Kabel zu den Anschlüssen im Schaltschrank. Wichtig ist, dass alle Kabel an ihren Enden eine eindeutige Bezeichnung aufweisen, um Verwechslungen zu erschweren. • Instrumentenliste („Instrument List“, „Instrument Outline List“): Die Instrumentenliste beschreibt alle verwendeten Instrumente mit ihren Hersteller- und Typenbezeichnungen und ihrem Ort im R&I-Fließbild. Es erfolgt die Zuordnung zu den Instrumenten-Datenblättern („Instrument Outline List“).

250

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

9.3 Qualitätsüberwachung Eine umfassende Qualitätsüberwachung seitens Käufer und Endkunde ist bezüglich aller Komponenten des Lieferumfangs erforderlich, und zwar der Komponente selbst und deren Dokumentation. Hierzu zählen unter anderem • für eine Verdichter- oder Turbineneinheit selbst: Gehäuse, Gehäuseschrauben, Laufrad, Wellenhülse (als Schutz vor Beschädigung durch die Wellenabdichtung), Spannschraube und Laufrad-Sicherungsmutter (beim Getriebe-Turboverdichter), komplette Rotorbaugruppen, Wellenabdichtung, Leit- und Laufschaufeln ggf. mit ihrem Gehäuse, O-Ringe, Lager, Wellenkupplung, Kupplungsschutz, Getrieberäder, Ritzelwellen, Getriebegehäuse, Ölleitbleche, Getriebebaugruppe, Verdichter- oder Turbinenbaugruppe, • der MV-Antriebsmotor mit allen seinen Bauteilen, • wenn vorhanden, die Grundplatte, ggf. mit integriertem Öltank, • alle Druckbehälter wie Wärmeübertrager, Filter, Abscheider, Pulsationsdämpfer, • alle Sicherheitsventile und Berstscheiben, • für Ölsysteme: Öltank, Ölpumpen, Ölkühler, Regelarmaturen, Öldunstabscheider, Standmessung, Heizung, die gesamte Baugruppe, • für Sperrgassysteme: Regelarmaturen, Heizung, Filter, Kühler, Abscheider, Booster, • für Rohrleitungen:Prozessgas, Stickstoff, Instrumentenluft, Dampf, Kühlwasser, Öl, ggf. getrennt stromauf, stromab des Ölfilters, • Steuerungen und Regelungen. Aus den Qualitätshandbüchern des Maschinenherstellers, z. B. der „Shop Inspection & Test Procedure“ geht hervor, welche Normen und technischen Standards betrachtet werden. Ein japanischer oder amerikanischer Hersteller wird dabei in der Regel nicht die europäischen Standards benutzen, sondern diejenigen, die für sein Land gültig sind (JIS3 bzw. ASME). In der Regel wird man in den OECD-Staaten wie USA, Japan, Korea davon ausgehen können, dass die Qualitätsanforderungen vergleichbar sind. Auch die in China gültigen GB-Codes4 sind aus den internationalen Normen abgeleitet. Dort wurden die für die HDRE-Maschinen gültigen API-Standards im Wesentlichen übernommen. Wichtig ist, dass auch die erforderlichen Qualitätskriterien des Herstellerstandards explizit angegeben werden, die zudem auch den Vorgaben des Kunden entsprechen müssen. In den jeweiligen Standards sind hierfür verschiedene Qualitätsstufen dargestellt. Oft hat auch der Kunde hierfür Mindestanforderungen festgelegt.

3 JIS

– Japan Industrial Standard. Standard – 国家标准, Nationaler Standard, Standardization Administration of the Peoples Republic of China.

4 GB

9.3 Qualitätsüberwachung

251

Sind Verweise auf interne Herstellerstandards enthalten, und wenn insbesondere für die angewendeten Qualitätskriterien auf solche verwiesen wird, sollten diese dem Kunden vorab vorgelegt werden. Alle für die Prüfungen verwendeten Instrumente müssen zum Zeitpunkt der Prüfung gültig kalibriert sein. Die zugehörigen Kalibrierkurven müssen datiert vorhanden sein. Viele Einzelheiten zur Qualitätssicherung wurden bereits in Abschn. 6.4, „Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung“, beschrieben.

9.3.1 Material- und Bauteilprüfungen Beim Maschinenhersteller lagerhaltige metallische Materialien wie Rundmaterial, Bleche und Rohrleitungen werden gemäß Qualitätshandbuch einer Wareneingangsprüfung unterzogen und, nach Schwarz- und Edelstählen bzw. anderen Metallen streng getrennt, gelagert. Dies kann während einer Besichtigung der Werkstätten geprüft werden. Materialprüfungen finden zum einen im Zuge einer Wareneingangsprüfung statt, zum anderen werden spezifische zerstörungsfreie Prüfungen vor und nach ihrer Endbearbeitung vorgenommen. Für alle durchgeführten Tests sind schriftliche Verfahrensanweisungen und Zertifikate für die Qualifikation der durchführenden Personen vorzulegen.

9.3.1.1 Dokumentation gemäß EN 10204 Die Dokumentation gemäß EN 10204, 3.1 enthält die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften für alle dezidiert für die HDRE-Maschineneinheit hergestellten Bauteile. Ein Beispiel hierfür zeigt Abb. 9.4. Wichtig ist, dass eine von der Fertigung unabhängige Prüfung erfolgt. Bei anderen Komponenten kann eine Zertifizierung nach EN 10204, 2.2 ausreichen. Für PMI-Tests und visuelle Inspektionen sind ebenfalls Zertifikate gemäß EN 10204, 3.1 erforderlich. 9.3.1.2 Visuelle Inspektion (VT) Die visuelle Inspektion von Gussteilen erfolgt meist nach EN 1370 oder (im japanischen Raum) JIS G 05885. Im Verlauf von Schweißaktivitäten sind visuelle Inspektionen in verschiedenen Stadien erforderlich, z. B. • Schweißnaht-Vorbereitung, • Vorwärmung,

5 JIS

G 0588:1995 – Visual Examination And Classification Of Surface Quality For Steel Castings.

252

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.4   Beispiel einer Materialdokumentation eines Guss-Stahls

• Genauigkeit der Ausrichtung der zu verschweißenden Bauteile, • Bedingungen, wie sie in der Schweißprozedur vorgegeben sind, • Zustand der Wurzelschweißung nach Reinigung (außen und nach Möglichkeit auch innen), • Schweißnahtoberfläche nach Fertigstellung. Die erforderlichen Qualitätsvorgaben sind in der Schweiß-Verfahrensanweisung enthalten. Diese sollte die Mindest-Anforderungen des Käufers enthalten. Eine stichprobenartige Prüfung der Schweißoberflächen und der Schweißdokumentation empfiehlt sich für Käufer und Endkunden. Lediglich eine geringfügige Ungleichförmigkeit der Schweißraupe ist zulässig, Verbindungsmängel sind generell unzulässig. Risse und Krater werden mechanisch entfernt. Vor ihrer Reparatur sind PT oder MT erforderlich. Für Prozessgasleitungen ab einer bestimmten Größe (etwa 50 mm) ist RT an Schweißnähten erforderlich. Unabhängig davon sollten in allen Produktionsstadien alle Komponenten und Bauteile auf Rückstände und Verschmutzungen untersucht und diese beseitigt werden.

9.3 Qualitätsüberwachung

253

9.3.1.3 Härtetest („Hardness Test“, HT) Einem „3.1“-dokumentierten Härtetest, z. B. nach ISO 65076, werden im Wesentlichen gehärtete oder oberflächen-gehärtete Bauteile wie aufeinander gleitende oder verschleißfeste Komponenten unterzogen. Speziell wichtig ist der stichprobeweise Härtetest für die gehärteten Oberflächen der Zähne von Getrieben. 9.3.1.4 Flüssigkeits-Eindringprüfung („Liquid Penetrant Test“, PT) Flüssigkeits-Eindringprüfungen finden nach Rohbearbeitung und für endbearbeitete Oberflächen statt. Zutreffende Normen sind hierzu EN 1371, GB/T 9443, JIS Z 2343, ASTM E165. Hier werden unterschiedliche Qualitätsstufen definiert, je nach Wandstärke und Kritikalität des geprüften Bauteils. PT wird durchgeführt u. a. am Guss- und Schweißgehäuse (gesamte Oberfläche), sowie bei Dehnschrauben. 9.3.1.5 Ultraschallprüfung („Ultrasonic Test“, UT) Zutreffende Normen für die Ultraschallprüfung sind EN 12680-2, GB/T 7233, JIS Z 2344, ASTM A609. Hier werden unterschiedliche Qualitätsstufen definiert, die je nach Kritikalität des geprüften Bauteils auszuwählen sind. UT wird durchgeführt u. a. am Rohmaterial von Wellen und Laufrädern (nach Grobbearbeitung), teilweise auch an Gussgehäusen. 9.3.1.6 Magnetpulverprüfung („Magnetic Particle Test“, MT) Zutreffende Normen für die Magnetpulverprüfung sind EN 1369, GB/T 9444, JIS G 0565, ASME B&VP Code Section V. Je nach Wandstärke und Kritikalität des geprüften Bauteils werden unterschiedliche erforderliche Qualitätsstufen definiert, s. auch die zutreffenden API-Standards der Maschinen. MT wird durchgeführt u. a. an Laufrad und Welle (nach Endbearbeitung) sowie nach dem Überdrehzahltest. Position und Ausrichtung der jeweiligen Beprobungsstellen sollten in der zugehörigen Verfahrensanweisung dargestellt werden. 9.3.1.7 Röntgenprüfung („Radiographic Test“, RT) Zutreffende Normen für die Röntgenprüfung sind EN 12681, GB/T 5677, JIS G 0581, ASME B&VP Code Section V.

6 DIN

EN ISO 6507-1 bis 6507-4:2018-07 Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Vickers; Deutsche Fassung EN ISO 6507-1-4:2018.

254

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Qualitätskriterien ergeben sich für Gussteile meist nach ASTM, je nach Wandstärke: E664 bis 50 mm, E186 bis 115 mm, E280 bei größeren Wandstärken. In den Schweißregionen selbst wird die höchste Qualitätsstufe („Severity Level“ = 1) gefordert. RT wird durchgeführt u. a. an Guss- und Schweißgehäusen (mindestens im Bereich von Flanschverbindungen) sowie an Prozessleitungen.

9.3.1.8 PMI Test („Positive Material Identification“) Die Durchführung eines PMI-Tests (Positive Material-Identifizierung) geschieht an metallischen Werkstoffen über spektroskopische Analyseverfahren je nach Bedarf und Kundenanforderungen. Ziel ist es, Werkstoffverwechslungen zu vermeiden, die spezifizierte Materialzusammensetzung zu sichern und z. B. Schweißnähte auf die Verwendung korrekter Materialien zu prüfen. Auch hier ist eine Dokumentation mit „Certificate 3.1“ erforderlich. 9.3.1.9 Wärmebehandlung Wärmebehandlungen werden für verschiedene Bauteile, entsprechend der Fertigungsvorschriften des Herstellers, durchgeführt. Je nach Art können sie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beitragen, verschleißmindernd wirken (z. B. Härten der Randschichten von Zahnrädern) oder auch Spannungen aufgrund von Bearbeitungs-, Guss- oder Schweißspannungen abbauen. Um entgegengesetzte Effekte zu vermeiden, ist eine intensive Qualitätsüberwachung seitens des Herstellers erforderlich. Eine detaillierte Dokumentation von Art der Erwärmung, Haltedauer, Haltetemperatur und Art der Abkühlung erfolgt mit „Certificate 3.1“. 9.3.1.10 Beschichtungs- und Korrosionsschutzprüfungen Dokumentiert sein sollten für alle Komponenten die Oberflächenvorbereitung und Sauberkeit vor dem Beschichten, Sandstrahlen und Beizen (Schwarzstahl), Entfernung von Öl und Staub, Art, Dichte und Farbton der Beschichtung und die Trocknungszeiten. Besondere Beachtung sollte hier die Qualität der Beschichtung im Bereich von Flanschen erfahren. Eine Beschichtungsprüfung umfasst die Verifikation der Dicke der einzelnen Schichten während und nach dem Beschichtungsvorgang, sowie eine visuelle Prüfung des Farbtons, jeweils gemäß der gültigen Spezifikation. Bei der Applikation von Korrosionsschutz ist zu prüfen, ob die Art der Behandlung ausreichend und zielführend ist. 9.3.1.11 Spezielle Tests, z. B. Huey-Test In Abschn. 6.4.1, „Materialinspektionen und Prüfbescheinigungen“, wurde für hochkorrosive Prozessgase wie Salpetersäure auf die Notwendigkeit eines sogenannten Huey-

9.4 Fertigungskontrollen

255

Testes auf interkristalline Korrosion nach DIN EN ISO 3651-1 (1998)7 bzw. ASTM A 2628 hingewiesen. Hierzu wird eine am Gussteil angegossene Probe verwendet. Diese wird abgetrennt und in 67 % Salpetersäure eingelegt und „gekocht“. Der korrosive Abtrag wird nach jeder von 5 Perioden von jeweils 48 h ermittelt. Liegt die Abtragsrate außerhalb des zulässigen Bereiches, muss das prozessgas-berührende Gussteil verworfen werden.

9.4 Fertigungskontrollen Während der Fertigung der Maschinenkomponenten gibt es Meilensteine und Haltepunkte, an denen wichtige Fertigungskontrollen zur Qualitätssicherung durchgeführt werden. Einige davon sind in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.

9.4.1 Hydrostatischer Test drucktragender Komponenten Ein hydrostatischer Test, auch Druckprobe oder Druckprüfung, ist für alle Druckbehälter gemäß der für das Projekt gültigen Druckbehälterverordnungen vorgeschrieben. Im allgemeinen erfolgt eine Wasserdruckprüfung über eine ausreichende Zeitdauer und mit einem Druck, der je nach Fall mindestens dem 1,3-fachen oder 1,5-fachen des Designdrucks entspricht. Hierfür sind entsprechende Nachweise erforderlich. Besonders bei Hubkolbenverdichtern sind hier zur Festlegung des Prüfdrucks auch die Ansprechdrücke der Sicherheitsventile zu berücksichtigen. Die drucktragenden Gehäuse von Verdichtern und Turbinen unterliegen als Maschinen nicht der Druckbehälterverordnung, werden aber in vergleichbarer Weise getestet. Der hydrostatische Test erfolgt im Allgemeinen mit konditioniertem Wasser (Chlorid-Anteile unter 50 ppm!) über 30 min mit einem Druck, der dem 1,5-fachen des Designdrucks entspricht. Empfohlen wird eine Teilnahme des Käufers und Endkunden oder seines Beauftragten am hydrostatischen Test, um sich gleichzeitig auch einen Überblick über den Stand des Projekts, vorhandene Dokumente und andere bereits in der Fertigung befindlichen Bauteile zu verschaffen.

7 ISO

3651-1:1998-05 Ermittlung der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen interkristalline Korrosion – Teil 1: Nichtrostende austenitische und ferritisch-austenitische (Duplex)-Stähle; Korrosionsversuch in Salpetersäure durch Messung des Massenverlustes (Huey-Test) (ISO 36511:1998). Beuth-Verlag, Berlin. 8  ASTM A 262:2015, reapproved 2021 Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels.

256

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Um spätere Korrosionsprobleme auszuschließen, sollte die aktuelle Qualität des verwendeten Wassers nachgewiesen werden, wie auch die Beschreibung des darauf folgenden Trocknungsprozesses. Vor der Durchführung des hydrostatischen Tests muss mittels visueller Inspektion sichergestellt sein, dass die internen und externen Oberflächen unbehandelt, sauber und fettfrei sind. Falls Beschichtungen erforderlich sind, werden diese erst nach erfolgreichem Test ausgeführt. Während des hydrostatischen Tests dürfen keinerlei Leckagen und Verformungen festgestellt werden, und das angeschlossene Manometer darf während der Testzeit keinen Druckabfall anzeigen.

9.4.2 Leckagetest drucktragender Komponenten Leckagetests werden an Behältern und Regelarmaturen oft mit einem Überdruck von 0,5 bar durchgeführt. Um bei Verdichter- und Turbinengehäusen aber auch Leckagen des Prozessgases im späteren Betrieb auszuschließen, wird empfohlen, einen Leckagetest durchzuführen. Ein solcher sollte bei etwa dem 1,1-fachen des Designdrucks erfolgen. Bei vielen Herstellern entspricht dies auch ihrem eigenen Standard. Auch hier darf der Test nur ohne aufgetragene Beschichtung durchgeführt werden. Vor dem Leckagetest muss das Bauteil trocken sein, da Feuchtigkeit auftretende Poren verstopfen kann. Typische Temperaturen für eine vorherige Trocknung im Ofen liegen bei 110 °C bei einer Haltezeit zwischen 5 und 20 h. Verwendet wird in der Regel eine Mischung aus Stickstoff und Helium. Je mehr Bestandteile an Wasserstoff im Prozessgas enthalten sind, desto größer sollte der Helium-Anteil sein. Empfohlen wird ein Test im Wasserbad, was aber nur bei kleineren Bauteilen üblich und möglich ist. Üblich bei größeren drucktragenden Gehäusen ist die Benetzung mit speziellen Seifenlösungen, um eine mögliche Bläschenbildung sichtbar zu machen. Für Prozessgase mit höheren Molmassen (> 10 … 12 kg/kmol) ist dies im allgemeinen ausreichend. Bei niedrigeren Molmassen wird der Einsatz eines speziellen „Schnüffelgerätes“ empfohlen, welches eine um den Faktor 100 erhöhte Empfindlichkeit aufweist. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass bei einem Einwellen-Turboverdichter für HCl (Molmasse ca. 36 kg/kmol) eine bei Inbetriebnahme aufgetretene Leckage im Bereich der horizontalen Teilfuge nicht mittels des Bläschentestes erkannt wurde. Ähnliches gilt auch bei H2S-Anteilen ab 0,1 % im Prozessgas. Vermutlich sind für diesen Effekt die vorhandenen Wasserstoff-Atome die Ursache. Da für die Durchführung des Leckagetestes eine gute Abdichtung aller Anschlussflansche und des Wellendurchtritts erforderlich ist, sollte eine Anhebung des Testdrucks

9.4 Fertigungskontrollen

257

in kleineren Schritten erfolgen und zumindest kein Druckabfall am verwendeten Manometer zu erkennen sein. Der Seifen- bzw. Schnüffeltest sollte am gesamten Gehäuse erfolgen, besonders aber an Flanschen und Schweißnähten. Bläschenbildung und Druckabfall dürfen nicht erfolgen. Die durch den Schnüffeltest sich ergebende Leckage muss geringer sein als 10−6 mbar•l/s. Abb. 9.5 zeigt den Aufbau für einen Leckagetest an der Spirale eines Getriebe-Turboverdichters. Alle Flansche sind abgedichtet, der notwendige Gasdruck wird mittig eingeleitet und mit zwei kalibrierten Manometern geprüft. Alle drucktragenden Bauteile werden getestet. An Hubkolbenverdichtern werden sowohl Gaspassagen als auch Kühlmäntel und Packungen an den Zylindern getestet. Die Zylinder werden im komplett zusammengebauten Zustand getestet.

9.4.3 Visuelle Inspektion Visuelle Inspektionen werden im Verlauf der Fertigung an verschiedenen Bauteilen vorgenommen, begonnen beim Rohmaterial bis zum fertigen Bauteil. Neben den bereits beschriebenen Materialinspektionen von Gussteilen und Schweißnähten betrifft dies besonders auch die Sauberkeit der Innenteile, den zusammengebauten Zustand und Oberflächendefekte, die u. a. die Arbeitssicherheit beeinträchtigen können. Abb. 9.6 zeigt die visuelle Endkontrolle eines fertigen und konservierten Läufers für einen Einwellen-Verdichter.

Abb. 9.5   Leckagetest-Aufbau an der Spirale eines GetriebeTurboverdichters. (Foto: Autor)

258

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.6   Visuelle Endkontrolle des konservierten Läufers eines Einwellen-Verdichters. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

9.4.4 Reparaturen an drucktragenden Guss-Komponenten Kleinere Fehlstellen im Guss sind üblich. Die in Abschn. 6.4.2, „Materialinspektion für Gussgehäuse“, bereits beschriebenen Maßnahmen beim Auftreten von Gussfehlern werden hier nochmals kurz dargestellt. Je nach Größe und Menge der gebildeten Hohlräume und Fehlstellen sind Nachbesserungen erforderlich und möglich. „Minor Defects“ und „Major Defects“ sind zu unterscheiden. Diese sind definiert in API STD 612 für Dampfturbinen, API STD 617 für Turboverdichter und API STD 618 für Kolbenmaschinen. Der Begriff „Major Defect“ wird auf Basis von ASTM definiert: Es handelt sich um einen Defekt an einem Gussteil, • welches bei Hydrostatik- oder Dichtheitsprüfungen undicht geworden ist, oder der 20 % der Wanddicke9 oder 25 mm überschreitet, je nachdem, welcher Wert kleiner ist, oder • bei dem ein zum Reparaturschweißen vorbereiteter Hohlraum in einer Richtung größer ist als 150 mm, oder • bei dem die Fläche der notwendigen Reparaturen größer als 10 % der Gesamtfläche ist.

9 API

STD 612 nennt hier 50 %, was der Autor für zu viel erachtet.

9.4 Fertigungskontrollen

259

Ein ausführlicher Gussfehlerbericht mit Fotos und Zeichnungen sollte in jedem Fall dem Käufer zur Prüfung vorgelegt werden, unter Angabe von Art und Ursache des Defekts, Größe und Position, zusammen mit den Spezifikationen für das geplante Reparaturschweißen sowie Verfahren zum Spannungsarmglühen und/oder Nachschweißen. Die Behandlung von „Major Defects“ von Auftragsschweißen (Cladding) bis hin zum Verwerfen des Gussteiles bedarf zusätzlich einer gemeinsamen Klärung und der Freigabe seitens des Käufers. Fehlerhafte Zonen müssen in jedem Falle komplett entfernt werden. Insbesondere bei Grauguss und Sphäroguss sind jedoch Reparaturen kaum möglich. Beim Reparaturschweißen von Stahlguss müssen fehlerhafte Zonen nach deren Entfernung einer Prüfung auf Unversehrtheit z. B. mittels MT und/oder PT unterzogen werden. Für Schweißverfahren und nachfolgende Wärmebehandlung gelten die üblichen Richtlinien. Nach Fertigstellung der Reparatur werden die reparierten Zonen besonders geprüft.

9.4.5 Auswuchten von Rotorkomponenten und Rotoren Besondere Aufmerksamkeit verdient das Auswuchten von Rotoren bzw. ihren Einzelkomponenten wegen der hohen Anforderungen für die Laufruhe bei Turbomaschinen. Deswegen und da das Wuchtergebnis auch von der Art der Durchführung abhängt (z. B. Lage und Anzahl der verwendeten Wuchtebenen), wird auch eine Teilnahme des Käufers und des Endkunden an den Wuchtläufen empfohlen. API RP 68410 geht hier sehr ausführlich auf die verschiedenen Arten von Unwuchten, Wuchtmaschinen und Wuchtprozeduren ein. Deswegen wird für Details hier auf diese „Recommended Practice“ verwiesen. Allerdings wird in diesem Regelwerk eine Wuchtgüte ISO Grade 2.5 (nach ISO 21940-11) verlangt, was der Autor aktuell nicht für ausreichend hält. Empfohlen wird ISO Grade 1.0. Auch API STD 617 erwartet zumindest für Einzelkomponenten wie die Laufräder eine Wuchtgüte nach ISO Grade 0.67. Bei Antriebsmotoren sollte die Kupplungsnabe ebenfalls gemäß ISO Grade 1.0 gewuchtet werden, für den Rotor genügt bei Drehzahlen bis 3600 rpm eine Wuchtgüte von ISO Grade 2.5.

9.4.5.1 Niedertouriges Wuchten Niedertouriges Wuchten ist für alle rotierenden Komponenten eines Maschinenstrangs erforderlich.

10  API

Recommended Practice 684 (2005 und 2010), Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute, Washington.

260

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.7   Wuchtstand für niedertouriges Wuchten kleinerer Rotoren. Foto: Autor

Einzelkomponenten wie Laufrad, Welle und Kupplung werden zunächst separat gewuchtet. Korrekturen werden nach dem Wuchtlauf an den Enden der Komponenten durch Schleifen oder Bohren vorgenommen, nicht durch Aufbringen zusätzlicher Massen. Der zusammengebaute Rotor wird dabei in mehreren Stufen gewuchtet, wobei bei jedem Wuchtlauf zusätzliche Komponenten hinzugefügt werden und Korrekturen immer an den neu hinzugefügten Komponenten erfolgen. Die Kalibrierung des Wuchtstands erfolgt periodisch nach Maßgabe des Qualitätshandbuchs des Herstellers. Abb. 9.7 zeigt einen Wuchtstand für niedertouriges Wuchten. Gewuchtet wird der komplette Rotor eines Getriebe-Turboverdichters. Der Rotor liegt auf zwei V-Lagern und wird über einen Riemen gedreht.

9.4.5.2 Wuchten bei Betriebsdrehzahl Ist vertraglich Wuchten bei Betriebsdrehzahl festgelegt, so sollte dies nach Möglichkeit bei der höchsten Betriebsdrehzahl erfolgen. Das Wuchten findet in dafür vorgesehenen Wuchtbunkern unter Vakuum statt, um Aufheizen zu vermeiden. Im allgemeinen werden Überdrehzahltests ebenfalls in diesen Wuchtbunkern durchgeführt. Langsam laufende Rotoren bis zu 3600 rpm – wie die Welle eines MV-Antriebsmotors – sind nicht betroffen.

9.4 Fertigungskontrollen

261

Wuchten bei Betriebsdrehzahl sollte an allen schnell laufenden Rotoren von Dampfturbinen und Einwellen-Verdichtern durchgeführt werden. Der Rotor erhält dabei eine verbesserte Laufruhe und wird weniger von im Betrieb zusätzlich auftretenden Unwuchten beeinflusst, wie sie z. B. durch Bildung von Belägen entstehen können. Auch spätere Drehzahlerhöhungen werden damit weniger kritisch. Der Wuchtlauf wird sequenziell an verschiedenen Wuchtebenen durchgeführt. Direkt nach dem Wuchten bei Betriebsdrehzahl wird noch auf dem Wuchtstand die verbleibende Restunwucht („Residual Unbalance Test“) ermittelt, z. B. gemäß API 612 (2014), Annex C. Damit wird abgesichert, dass die Ergebnisse des Wuchtlaufes korrekt wiedergegeben werden und keine Fehler an der Wuchtmaschine vorliegen. Im Anschluss wird nochmals auf der hochtourigen Wuchtmaschine überprüft, ob die notwendige Wuchtgüte beim niedertourigen Wuchtlauf noch eingehalten wird, und ggf. eine Korrektur durchgeführt. Wenn der Wuchtlauf ohne die rotorseitige Kupplungsnabe durchgeführt wurde, sollte die Wuchtqualität mit der Kupplungsnabe bestätigt werden. Dabei dürfen an der Kupplungsnabe selbst keine Korrekturen durchgeführt werden.

9.4.6 Überdrehzahltest Gemäß API STD 617 wird jedes Laufrad einem Überdrehzahl- oder Schleudertest bei mindestens 115 % MCS („Maximum Continuous Speed“) für eine Mindestdauer von 1 min unterzogen. Dieser Überdrehzahltest findet normalerweise im Wuchtbunker unter Vakuumbedingungen statt. Kritische Laufradabmessungen wie Bohrungs- und Außendurchmesser werden vor und nach jedem Überdrehzahltest vermessen. Alle diese Messungen und die Testdrehzahlen werden aufgezeichnet und im Testbericht festgehalten. Bleibende Verformungen sowie Verrutschen der Welle in der Nabe sind nicht zulässig. Nach dem Überdrehzahltest findet eine erneute Magnetpulverprüfung (MT) statt. Zusätzliche Anzeigen bezüglich Haarrissen zu den bereits vor dem Test aufgetretenen sind nicht zulässig. Der Überdrehzahltest findet in der Regel nach dem niedertourigen Wuchten statt.

9.4.7 Run-out-Test Eine Prüfung der elektrischen und mechanischen Rundlaufabweichungen (Run-out) an Rotoren findet in der Regel vor und nach dem niedertourigen Wuchten statt. Die Ursachen für mechanisch und elektrisch bedingte Rundlaufabweichungen wurden in Abschn. 6.4.5.2 beschrieben. Elektrischer und mechanischer Run-out werden bestimmt, indem der Rotor, der im Idealfall in Prismen an den Zapfenmitten (etwa in Höhe der Radiallager) gehalten wird,

262

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

langsam um volle 360 Grad gedreht wird. Dabei erfolgt die Aufzeichnung kontinuierlich mit einem berührungslosen Wegsensor und mit Messuhren an und neben der Mittelposition jeder Schwingungssonde. Problematisch, weil anfällig für systematische Fehler, sind oft gesehene Prüfungen mit Aufnahmen im Bohrfutter einer Drehmaschine. Eine weitere Fehlerquelle ist der Einfluss der Rundlaufabweichung selbst auf die Bewegung der Mittelachse des Messobjektes. Die in API STD 617 bzw. API STD 612 festgelegten Grenzen für den Run-out sind einzuhalten und sollten in der Testprozedur angegeben sein. Durch De-Magnetisierung ist abzusichern, dass die Magnetisierung einen Wert von 5 Gauss nicht überschreitet. Dies gilt für den kompletten Rotor.

9.4.8 Maßprüfung Maßprüfungen an Bauteilen beziehen sich im Wesentlichen auf die Korrektheit aller Anschlussmaße unter Einhaltung der zulässigen Toleranzen. Insbesondere sind deshalb Toleranzangaben wichtig für die Maschinenflansche, auch bezüglich der Lage der Bohrungen, und Prozessrohrleitungen. Um die spätere Spielekontrolle einwandfrei vornehmen und beurteilen zu können, sind auch Rundheitsmessungen an Rotoren und der Innenseite der sie aufnehmenden Gehäuse erforderlich. Für Rohrleitungen erfolgt die Maßprüfung grundsätzlich auf Basis der vermaßten Zeichnungen. Die entsprechenden Toleranzen werden entweder dort oder auf dem Qualitätsdokument angegeben oder tabelliert. Für Prozessgasleitungen müssen diese so gering sein, dass keine wesentlichen Spannungen aufgrund des Festziehens induziert werden, und dass Flanschschrauben ohne Widerstand händisch durch die Bohrungen durchgeführt werden können. Eine Ausnahme ergibt sich, falls die Kaltmontage im Einzelfall unter Vorspannung erfolgen muss. Auf Basis der Hersteller- und Kundenzeichnungen ist dafür zu sorgen, dass die äußeren Abmessungen eingehalten werden und insbesondere für den gesamten Lieferumfang sowohl des Herstellers als auch der zur Montage benötigten, auf Basis der Kundenzeichnungen gefertigten Beistellungen, Zusammenbau, Montage, Ausrichtung und Instandhaltung nicht beeinträchtigt sind. Genaue Maßprüfungen erfolgen insbesondere auch an Zahnabmessungen an Getrieben und der Parallelität und Oberfläche von metallischen Gehäusefugen.

9.4.9 Spielekontrolle (Einbautest) Eine weitere wichtige Prüfung an Turbomaschinen ist die Kontrolle der Spiele zwischen rotierenden und statischen Komponenten. Sie wird anhand einer Spieletabelle mit ihren

9.4 Fertigungskontrollen

263

Sollwerten und Toleranzen durchgeführt. Dazu werden zunächst die fertigen Rotoren in ihr Gehäuse eingesetzt. Die Überprüfung der Spiele erfolgt in der Regel mit Fühlerlehren, die durch die Spalte hindurch bewegt werden. Teilweise werden die Rotoren hierzu auch manuell in verschiedene Positionen gedreht. Die Spielekontrolle erfolgt im Wesentlichen zwischen • Laufrädern bzw. Schaufelreihen und Gehäusen, • Labyrinthdichtungen und Gehäusen (Wellenabdichtung und innere Abdichtungen), • Lagerschalen. Auf zwei Problematiken dieser Vorgehensweise mit Fühlerlehren wird hier hingewiesen: • Bei horizontal geteilten Gehäusen kann die Prüfung meist nur im Gehäuseunterteil stattfinden. Auf das Gehäuseoberteil sind die Messergebnisse in diesem Falle nur eingeschränkt anwendbar, denn sie berücksichtigen nicht mögliche Unrundheiten im Gehäuseoberteil sowie die Verhältnisse an der Teilfuge. • Beim radialen Durchfahren eines Spaltes entlang des Umfangs kann mit der Fühlerlehre nur die schmalste Stelle des Spaltes erfasst werden, sofern der untere Bereich nicht zugänglich ist. Insbesondere im unteren Bereich (um „6 Uhr“ herum) könnten die tatsächlichen Spalte größer sein. Abhilfe kann hier eine zusätzliche Messung mit Bleidraht schaffen, der etwas dicker ist als der zu erwartende Spalt, und der durch das Gewicht des Rotors zusammengedrückt wird. Gemessen wird die Dicke nach dem Zusammendrücken. Aus diesen Gründen sollte eine gesonderte Rundheitsmessung am Innenumfang von Gehäuseteilen an den kritischen Stellen separat vorgenommen und dokumentiert werden. Ebenso gilt dies für die kritischen Stellen an den Rotoren selbst. Die Spielekontrolle sollte als Einbautest grundsätzlich auch mit einem gleichzeitig beschafften Ersatzrotor durchgeführt werden. Wenn ein Ersatzrotor beschafft wird, der für den Einsatz in mehreren Gehäusen vorgesehen ist, sollten alle möglichen Einbaukonstellationen geprüft werden. Die Ergebnisse dieser Spielekontrolle sind auch gleichzeitig eine „Null-Messung“, denn aus später im Betrieb auftretenden Veränderungen können auch Rückschlüsse auf die Integrität der Turbomaschine gezogen werden. Da die Spielekontrolle auch ein wichtiger Bestandteil einer späteren Instandhaltungsmaßnahme ist, wird empfohlen, dass zu Schulungszwecken bereits an der Werksprüfung Personal der späteren Instandhaltungsorganisation teilnimmt. Neben den Messungen zwischen rotierenden und statischen Komponenten wird auch das Axiallager-Endspiel vermessen. Abb. 9.8 zeigt den Einbau des beschaufelten Läufers eines Axialverdichters in sein horizontal geteiltes Gehäuse.

264

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.8   Einbautest eines beschaufelten Läufers. (Mit freundlicher Genehmigung von © Siemens Energy, 2022. All Rights reserved)

9.4.10 Nullmessungen für Rohrbündel-Wärmeübertrager Um im späteren Betrieb den Verschleiß von Wärmeübertrager-Rohren erfassen zu können, wird empfohlen, nach Zusammenbau eine sogenannte „Null-Messung“ durchzuführen. Diese wird in der Regel vom Endkunden oder dessen Beauftragten auf eigene Kosten durchgeführt und ist in der Regel nicht in der Eingangskontrolle beim Hersteller der Wärmeübertrager vorgesehen. Diese Nullmessung besteht aus einer Ultraschallmessung im Inneren der Rohre zur Ermittlung der Wandstärke. Aufgezeichnet werden die Messergebnisse für alle Rohre oder als Stichproben, jeweils in Abhängigkeit der Länge. Spätere Nachmessungen zeigen dann quantitativ und qualitativ Veränderungen der Wanddicke durch Verschleiß an und verhindern ungeplante Stillstände wegen Leckagen.

9.4.11 Öl- und fettfreie Montage Bei der Fertigung von Sauerstoff- oder Chlorverdichtern ist es notwendig, die prozessgas-berührenden Teile völlig öl- und fettfrei zu gestalten. Hierzu müssen für den Zusammenbau der Maschineneinheit im Herstellerwerk speziell hierfür abgeschirmte Räumlichkeiten genutzt werden, und die dort Beschäftigten tragen spezielle Anzüge. Alle hier benutzten Bauteile müssen zuvor auf Öl- und Fettfreiheit geprüft werden, z. B. unter UV-Licht. Als Schmierstoffe dürfen nur speziell hierfür zugelassene Stoffe verwendet werden. Eine detaillierte Dokumentation der getroffenen Maßnahmen ist erforderlich.

9.5  Funktionstests und Probeläufe

265

Auf die hierfür je nach Anwendung relevanten Regelwerke wurde in Abschn. 6.1.3.1, „Anforderungen durch gasspezifische Gefährdungen“, hingewiesen.

9.5 Funktionstests und Probeläufe Grundsätzlich wird die Durchführung von Funktionstests und Probeläufen im Herstellerwerk empfohlen, um bereits vor Auslieferung eine gewisse Sicherheit zu haben, dass der bestellte Maschinenstrang nach Montage- und Inbetriebnahmephase auch tatsächlich betriebsbereit ist und die wesentlichen Anforderungen des Prozesses erfüllt. Solche Probeläufe sollten generell als Haltepunkte in Anwesenheit von Vertretern des Käufers und des Endkunden durchgeführt werden. Rechtzeitig vor der Einladung zu einem Probelauf sind dem Käufer die detaillierten und mit Sollwerten versehenen Beschreibungen in Schriftform zu übermitteln, um diese prüfen und gegebenenfalls kommentieren und korrigieren zu können oder in Absprache mit dem Hersteller zu ergänzen. Wenn für Funktionstests und Probeläufe herstellerseitige Ölsysteme verwendet werden, ist vor dem Test nachzuweisen, dass das verwendete Öl ausreichend gereinigt wurde und keinerlei Verschmutzung insbesondere in den Lagern möglich sind. Es sind Fälle bekannt, in denen nach dem Test aufgrund einer solchen Verschmutzung unzulässige Riefen im Weißmetall der Kippsegmente aufgetreten sind. Der Nachweis der Sauberkeit erfolgt durch Einbringen eines feinmaschigen Siebs in den Ölkreislauf, mit den Anforderungen an Partikelfeinheit gemäß API STD 614, Chapter 3. Zunächst sollten bei den Tests die Lager so lange umgangen werden, bis die Anzeigen im Sieb akzeptabel sind.

9.5.1 Mechanischer Probelauf Mechanische Probeläufe werden meist an den einzelnen Maschinenkomponenten wie Ventilator, Turbo- oder Hubkolbenverdichter, Turbine, MV-Antriebsmotor und Getriebe durchgeführt. Nur in kritischen Fällen wird ein String-Test vereinbart, also ein Test des kompletten Maschinenstrangs. Ziel des mechanischen Probelaufes ist es, die mechanische Integrität sowie die Laufruhe des getesteten Objektes einschließlich der Lager und Dichtung festzustellen. Für Antrieb und Versorgung mit Schmieröl und Sperrgas werden oft Systeme des Herstellers verwendet. Auch mitgelieferte Ersatzrotoren und Ersatz-Getrieberadsätze sollten jeweils einem mechanischen Probelauf unterzogen werden. Um nach dem letzten Probelauf nicht nochmals das Gehäuse öffnen zu müssen, sollte zunächst der Ersatzrotor mechanisch getestet

266

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

werden. Danach wird auf den Original-Rotor umgebaut und der Test mit diesem wiederholt. Gleiches gilt auch für die Getrieberadsätze. Falls es sich um drehzahlgeregelte Maschinen mit Abschaltung bei Überdrehzahl („Trip Speed“) handelt, wird zunächst diese Überdrehzahl in mehreren Stufen angefahren und für 15 min beibehalten. Danach wird auf MCS („Maximum Continuous Speed“) heruntergefahren. Bei drehzahlkonstanten Maschinen wird MCS stufenweise angefahren. Nach Stabilisierung von Lager- und Öltemperaturen im zulässigen Bereich erfolgt ein 4-stündiger Probelauf bei konstanter Drehzahl. Weitere Details zum mechanischen Probelauf sind z. B. in API STD 617 und API STD 612 zu finden. Wesentliche, im 30-min-Rhythmus erfasste und dokumentierte Messgrößen für den mechanischen Probelauf sind Schmieröldruck, Schmieröltemperatur, Lagertemperaturen, Leistungsbedarf, Rotor- und Gehäuseschwingungen, Schall. Ein erfolgreicher Probelauf beinhaltet, dass • der Probelauf gemäß der genehmigten Probelaufbeschreibung erfolgt ist, • bei Hoch- und Herunterfahren die berechneten kritischen Drehzahlen bestätigt werden können, • gemessene Drücke und Temperaturen stabil und im erlaubten Rahmen sind, • ggf. die Drehzahl- oder Eintrittsleitapparat-Regelung stufenlos und „weich“ erfolgt, • Schmieröl-Durchflussmenge und Leistungsbedarf konstant sind, • Radiallagerschwingungen, Axialverschiebung und Gehäuseschwingungen stabil und im erlaubten Rahmen sind, • weiterhin die Schallmessungen keinen Anlass zur Besorgnis geben.

9.5.2 Thermodynamischer Probelauf Empfehlungen zur Durchführung eines thermodynamischen Werks-Probelaufs (Leistungstest) wurden bereits in Abschn. 6.4.10 gegeben. Bei Turboverdichtern und Prozess-Schraubenverdichtern sollte er nicht ausgelassen werden. Für Turbinen und Hubkolbenverdichter ist ein thermodynamischer Probelauf wegen geringerer Aussagefähigkeit und oft schwieriger Versuchsdurchführung kein Standardtest und wird nur in Ausnahmefällen durchgeführt. Ebenso findet in der Regel kein zusätzlicher thermodynamischer Probelauf mit dem Ersatzrotor statt. Bei mehreren baugleichen Maschinen wird nur eine davon getestet. Versuchsaufbau und Versuchsablauf sind in der Probelaufbeschreibung im Detail festgelegt und sollten vorab zwischen Kunde und Hersteller abgestimmt sein. Dies betrifft die Verschaltung des Versuchsaufbaus als Ganzes, wie auch die Absprache, welche der erforderlichen Komponenten aus dem Kundenauftrag („Job“) verwendet werden und welche der Hersteller aus seiner Werkstatt beistellt („Shop“).

9.5  Funktionstests und Probeläufe

267

Der thermodynamische Probelauf wird meist nach den Regeln von ASME PTC 1011, weniger gängig auch gemäß ISO 538912 oder VDI 204513 durchgeführt, unter der Verwendung von Test-Gasen wie CO2, Luft oder anderen Gemischen. Dementsprechend sind die Ein- und Ausgangsdaten unter Verwendung eines Testgases vorab zu berechnen und die entsprechenden Daten des Testgases mit denen des Originalgases gegenüberzustellen. Die Testdrehzahl kann zur Einhaltung von Ähnlichkeitsbedingungen, z. B. für Maschinen-Machzahl, Druck- und Volumenstromzahl von der Original-Drehzahl abweichen, s. Abschn. 6.3.2, „Thermodynamik und Fluidmechanik“. Der Hersteller sollte einen Nachweis liefern, dass die für eine gültige Umrechnung erforderlichen Ähnlichkeitsgesetze erfüllt sind und die verwendeten Betriebsdaten innerhalb der im Regelwerk angegebenen Toleranz liegen. In der Probelaufbeschreibung sollten der Klarheit wegen die verwendeten Umrechnungsverfahren und Formeln nachvollziehbar dargestellt sein. Vorab sollte auch festgelegt sein, wie viele und welche Betriebspunkte im Kennfeld angefahren werden sollen. Abb. 9.9 zeigt im Beispiel Messpunkte für einen zweistufigen Getriebe-Turbo, dessen erste Stufe mittels eines Eintrittsleitapparates (IGV) geregelt wird. Getestet werden hier die Garantiewerte, die Breite des Kennfeldes und die Pumpgrenzlinie. Die Pumpgrenze wird nur so weit angefahren, bis erste Indizien für Pumpen auftreten, z. B. Geräusche, erhöhte Schwingungen oder merkliche Druckschwankungen. Die Datenaufzeichnung der einzelnen Messpunkte erfolgt jeweils nach Einschwingen der Messwerte auf stationäre Werte. Für die Aufnahme der Messpunkte an der Pumpgrenze sollte zunächst ein noch stabiler Punkt in der Nähe angefahren und dann nur für sehr kurze Zeit ein instabiler Punkt gesucht werden, um Folgeschäden auszuschließen. Die Rückrechnung der mit einem Testgas gemessenen Kennfelder erfolgt wieder mit den im Regelwerk angegebenen Umrechnungsverfahren. Während des Probelaufs werden neben den für die Kennfeldberechnung notwendigen Prozessdaten (Drücke, Drehzahlen, Temperaturen, …) die bereits im mechanischen Probelauf gemessenen Größen verfolgt. Insbesondere Lagertemperaturen und Schwingungen werden sich mit den Prozessbedingungen ändern, müssen aber allesamt im jeweils zulässigen Bereich liegen. Für einen erfolgreichen Test müssen zunächst wieder die Bedingungen des mechanischen Probelaufs erfüllt sein. Zusätzlich gilt:

11 ASME

PTC 10:1997 Performance test code on compressors and exhausters. 5389:2005-12 Turbokompressoren – Thermodynamische Abnahme- und Leistungsversuche. 13 VDI 2045 Blatt 1:1993-08 Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln); Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Acceptance and performance tests on turbo compressors and displacement compressors; test procedure and comparison with guaranteed values. 12 ISO

268

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.9   Messpunkte für den thermodynamischen Probelauf eines zweistufigen Turboverdichters. Kreise: Interner Werkstest, Rechtecke: Kundentest

• Die in der Maschinenspezifikation angegebenen Garantiewerte müssen bezüglich Druckerhöhung, Durchflussmenge und erforderlichem Leistungsbedarf – oder weiterer Garantiewerte – erfüllt sein. • Alle Betriebspunkte innerhalb des Kennfeldes müssen angefahren werden können und stabil sein. • Ggf. müssen Mindest-Durchflussmengen ohne Umblasen erfüllt sein. • Die Pumpgrenzlinie muss stabil sein. • Messpunkte müssen reproduzierbar sein. Dazu sollte einer der Punkte ein zweites Mal angefahren werden. • Für Betriebspunkte im Kennfeld, die nicht explizit spezifiziert sind, ist eine Abweichung zwischen berechneter und gemessener Drehzahl bzw. EintrittsleitapparatStellung zulässig, wenn diese seitens des Herstellers nicht garantiert wurde. Alle erfassten Daten werden zusammengefasst und als Anlage an den Testbericht dem Käufer zur Verfügung gestellt.

9.5.3 Mechanische Nachkontrolle (Post-Test-Inspection) Im Anschluss jeweils an den mechanischen und thermodynamischen Probelauf werden die Lagerschalen und der Getriebedeckel geöffnet, um eventuelle mechanische Beschädigungen während der Probeläufe feststellen zu können. Vom nochmaligen Öffnen der Maschinengehäuse selbst wird eher abgeraten, da sich dies wegen möglicher Toleranzen bei der Wiedermontage negativ auf die mechanischen Laufeigenschaften aus-

9.5  Funktionstests und Probeläufe

269

Abb. 9.10   Leichte, zulässige Spuren an den Kippsegmenten eines Radiallagers. (Foto: Autor)

wirken kann. Die Schwingungen können danach höher ausfallen, in Einzelfällen können an den Teilfugen bei Inbetriebnahme auch Leckagen auftreten. Bei den Kippsegmenten der Radial- und Axiallager aus Weißmetall dürfen größere Riefen nicht auftreten. Kleinere, wie sie z. B. in Abb. 9.10 zu erkennen sind, können durch Feinschliff entfernt werden. Bei größeren Schäden, die Reparaturen oder den Austausch von Teilen erfordern, gilt der Probelauf als nicht bestanden. Bezüglich des Getriebes gilt: der Zahneingriff wird auf ordnungsgemäßen Kontakt und auf Oberflächenschäden infolge des Probelaufs untersucht. Abb. 9.11 zeigt einen gleichmäßigen Zahneingriff. Eine entsprechende Nachkontrolle wird auch für die Wellenabdichtungen empfohlen, falls sie ohne Abheben des Maschinengehäuses durchgeführt werden kann. Die Dichtungskartuschen selbst werden dabei nicht geöffnet.

Abb. 9.11   Prüfung des Zahneingriffs und mechanischer Schäden des Getrieberadsatzes. (Foto: Autor)

270

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

9.5.4 Weitere Funktionstests 9.5.4.1 Bar-Over-Test (Kolbenmaschinen) Der sogenannte Bar-Over-Test für Kolbenmaschinen umfasst die Messung des Kolbenendspiels und der vertikalen und horizontalen Unrundheit der Kolbenstange. Die Unrundheit der Kolbenstange (Run-out) wird mit mehreren Messuhren gemessen. Das Kolbenendspiel kann durch Einsetzen einer Fühlerlehre oder unter Verwendung eines Bleidrahtes gemessen werden. Dieser wird am Ventilanschluss eingeführt, der Verdichter wird gedreht und komprimiert den zwischen Kolben und Zylinder eingeklemmten Bleidraht. Durch Messung der verbleibenden Dicke des Bleidrahtes wird das Kolbenendspiel bestimmt. Der horizontale Run-out zeigt die Durchbiegung der Kolbenstange an. Auf der horizontalen Seite der Kolbenstange wird eine Messuhr installiert, der Kompressor wird gedreht und die Kolbenstange vom Kurbelende zum Kopfende bewegt. Die Anzeige der Messuhr wird erfasst und auf Akzeptanzkriterien geprüft. Gemäß API STD 618 darf der horizontale Schlag der Kolbenstange nicht ± 0,015 % des Gesamthubes übersteigen, jedoch in keinem Fall mehr als 0,064 mm. Eine weitere Messuhr misst den vertikalen Run-out. Die Messuhr wird an der Oberseite der Kolbenstange montiert, der Kompressor wird gedreht und die Kolbenstange von einem Ende zum anderen bewegt. Die Anzeige der Messuhr wird wiederum erfasst. Gemäß API STD 618 darf der Run-Out nicht mehr als ± 0,015 % des Gesamthubes betragen. Eine detaillierte Darstellung des Kolbenstangen-Run-out, dessen Messung und Dokumentation ist in API STD 618 (2016), Annex C, zu finden. In diesem Zusammenhang sollte auch die Durchbiegung der Kurbelwelle während des Drehens ermittelt werden. 9.5.4.2 Elektrische Antriebe MV-Antriebsmotoren erfahren ihren Probelauf in der Regel in der Werkstatt des Motorherstellers. Wenn mehrere baugleiche Motoren im Lieferumfang sind, wird nur einer davon dem ausführlichen Typ-Test unterzogen. Für den baugleichen Motor genügt ein Routine-Test. Neben dem mechanischen Probelauf erfährt der Antriebsmotor weitere elektrische Funktionstests gemäß Abschn. 6.4.12, „Testen elektrischer Antriebe“, deren Ergebnisse im Testprotokoll dokumentiert werden. Der Testzeuge des Käufers erhält beim Teilnahme an diesem Funktionstest die Gelegenheit, die allgemeine Situation und den Aufbau der Testeinrichtungen in der Werkstatt des Herstellers zu begutachten sowie über den weiteren Verlauf des Projekts zu sprechen.

9.5  Funktionstests und Probeläufe

271

9.5.4.3 Ölsysteme Die komplettierten Schmier- und Steuerölsysteme sollten in der Werkstatt des Herstellers auf Funktion und Sauberkeit getestet werden. Das hierfür verwendete Öl muss mit dem für den späteren Betrieb verwendeten Öl kompatibel sein. Bei Kompakt-Ölystemen kann die Prüfung beim Maschinenhersteller erfolgen, ggf. zusammen mit dem mechanischen Probelauf. Die Prüfung wird unter normalen Betriebsbedingungen und mit neuen Ölfiltereinsätzen bei einer Dauer von 4 h durchgeführt. Nehmen Käufer und Endkunde am Test teil, so ergibt sich die Möglichkeit, die Verarbeitung und Ausführung des Ölsystems genauer auf Bedienbarkeit und Sicherheit hin zu prüfen. So sollten z. B. Ableitungen von Sicherheitsventilen außerhalb des Tanks vertikal in Richtung Boden geführt werden. Alle Rohrhalterungen sollten stabil sein, die Leitungen schwingungsfrei. Auf das Vorliegen der erforderlichen Leitungsgefälle ist zu achten. Die Bedienelemente zum Umschalten von Filtern und Ölkühlern sollten frei zugänglich und leicht bedienbar sein. Alle Anzeigegeräte sollten gut sichtbar montiert sein. Alle Komponenten und Instrumente werden zudem auf ihre Kennzeichnung überprüft. Für den Funktionstest kommt üblicherweise die Hilfsölpumpe zum Einsatz, insbesondere dann, wenn die Hauptölpumpe als mechanische, am Getriebegehäuse angebrachte Pumpe ausgeführt ist und deshalb erst während des mechanischen Probelaufes der Maschine selbst getestet werden kann. Zunächst findet während des Probelaufs eine visuelle Überprüfung des Systems auf Leckagen statt. Danach finden Umschaltvorgänge zwischen Ölfiltern und ggf. Ölkühlern statt, während denen nur minimale Druckschwankungen beobachtet werden dürfen. Falls mehrere parallele Ölpumpen vorhanden sind, sollte der Ausfall der laufenden Pumpe simuliert werden, um festzustellen, dass die Umschaltung auf eine parallele Pumpe ebenfalls mit akzeptablem Druckabfall erfolgt. Ist nur eine Pumpe vorhanden, wird deren Ausfall am Ende der Probelaufzeit geprüft. Während des Probelaufs wird nach etwa einer Stunde der inaktive Ölfilter geöffnet und auf Sauberkeit geprüft. Nach dem Probelauf wird auch die Sauberkeit des aktiven Ölfilters untersucht. Nach erfolgreichem Funktionstest und vor dem Transport des Ölsystems wird der Öltank entleert, gereinigt und konserviert. Alle Öffnungen müssen für den Transport verschmutzungssicher verschlossen werden. 9.5.4.4 Sperrgassysteme Ist ein separates Sperrgassystem Teil des Lieferumfangs, so sollte es in der Werkstatt des Herstellers auf Funktion und Sauberkeit getestet werden, wenn möglich im Beisein des Käufers und Endkunden. Zunächst wird das System mithilfe einer Dichtheitsprüfung auf Leckagen untersucht, dann auch die Sauberkeit anhand von Feinfiltern und Feinsieben. Der Funktionstest sollte alle Komponenten des Systems umfassen und auch die Funktion bei Schäden an den Dichtungen einschließen, bei denen die Mengenströme

272

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

sich teilweise stark erhöhen. Ein Szenario hierbei ist „Total Seal Failure“, also der Totalausfall einer gasgeschmierten Gleitringdichtung. Hier dürfen keine Einbauten oder Instrumente die erhöhten Mengenströme unzulässig begrenzen. Zudem sollten die Ströme nach wie vor auch messtechnisch erfasst werden können. Alle Rohrhalterungen sollten stabil sein, die Leitungen schwingungsfrei. Die Bedienelemente zum Umschalten von Filtern sollten frei zugänglich und leicht betätigbar sein. Alle Anzeigegeräte sollten gut sichtbar montiert sein. Alle Komponenten und Instrumente werden auf ihre Kennzeichnung überprüft. Der Funktionstest sollte auch Booster umfassen, die in manchen Fällen zur Druckerhöhung der Sperrmedien vorgesehen sind. Insbesondere sollte vermieden werden, dass Druck- und Volumenstrompulsationen einen negativen Einfluss auf die Sperrgasversorgung haben, falls die Druckerhöhung mittels Hubkolbenverdichtern vorgenommen wird. Hierzu der Hinweis, dass die im System verbauten Druckaufnehmer meist mit flüssigkeitsgedämpften Anzeigen versehen sind, die keine Druckpulsationen anzeigen. Sind sie nicht flüssigkeitsgedämpft, so kann man Druckpulsationen zwar qualitativ am „Zappeln“ der Ausschläge erkennen, aber diese sind nicht quantifizierbar. Ein Dämpfungsbehälter könnte zwischen Boostersystem und Sperrgassystem zwischengeschaltet werden. Zur Messung von Druckpulsationen könnte während des Tests ein Piezo-Druckaufnehmer eingesetzt werden, der auch die hochfrequenten Pulsationen aufzeichnet. Wichtige Hinweise zum Test von Sperrgassystemen gibt auch der API STD 692 (2018), Part 3, Annex F, „Gas Filter Rating, Testing, and Performance“.

9.5.4.5 Gasgeschmierte Gleitringdichtungen Kommen gasgeschmierte Gleitringdichtungen zum Einsatz, so sollten diese ebenfalls vor Auslieferung auf dem Prüfstand in deren Herstellerwerk getestet werden. Die Testergebnisse werden ebenfalls in einem Bericht dokumentiert, den der Käufer prüfen kann, sofern er nicht ohnehin am Test teilnimmt. Der durchgeführte Test orientiert sich an der mit dem Käufer abgestimmten Testbeschreibung. Ebenso sollten die in API STD 617 (2014), Annex F, „Dry Gas Seal Testing at Manufacturer’s Shop“ genannten Anforderungen erfüllt werden. Wichtige Hinweise zum Test gibt auch der API STD 692 (2018), Part 2, Annex B, „Dry Gas Seal Test Procedure“. Wichtig für die Auslieferung und auch für die Lagerung von Ersatzdichtungen ist eine stabile Verpackung, möglichst als speziell hierfür angefertigte verschließbare Box.

9.5.5 Testen elektrischer und elektronischer Systeme Separate elektronische Systeme wie Maschinensteuerung, Pumpschutz oder/und Systeme zur Abschaltung bei Überdrehzahl, sollten weitgehend vor Auslieferung einem Funktionstest unterzogen werden, insbesondere wenn sie sicherheitsrelevant sind. Auch

9.5  Funktionstests und Probeläufe

273

die zugehörigen mechanischen Bauteile müssen geprüft werden. Besonders gilt dies auch für die Antwortzeiten, die innerhalb des erforderlichen Rahmens liegen und mit ihrem Zeitverlauf dokumentiert sein müssen. So müssen vor Auslieferung z. B. die Schaltschränke einem umfassenden Abnahmetest unterzogen werden, der die gesamte Hardware, die Systemsoftware, Funktionstests und die Dokumentation umfasst und komplett, also nicht nur stichprobeweise, durchgeführt und dokumentiert wird. Ein kompletter Funktionstest muss in dem Fall auf die Inbetriebnahmevorbereitungsphase verschoben werden, wenn die Maschinensteuerung innerhalb des Prozessleitsystems aufgebaut wird und kein entsprechender Simulator zur Verfügung steht. Ebenso müssen die Frequenzumrichter ausführlich getestet werden.

9.5.6 Endmontage der Maschineneinheit Je nach Bestellung sind im Anschluss an die Qualitäts- und Funktionsprüfungen weitere Montagearbeiten im Herstellerwerk erforderlich. Dies gilt besonders, wenn die gesamte Maschineneinheit auf einem ein- oder zweistöckigen Montagerahmen (Skid) als „Single Lift Unit“ geliefert werden soll. In diesem Fall sollte bereits im Herstellerwerk eine Prüfung auf spannungsfreien Anschluss der zugehörigen Rohrleitungen durchgeführt werden. Am fertig montierten Skid kann eine Stichprobe erfolgen, indem Rohrleitungsflansche geöffnet werden, um eine eventuelle Verschiebung zu identifizieren. Eine solche Kontrolle kann jedoch nicht absichern, dass der gleiche Zustand auch noch nach der Montage des Rahmens in der Anlage besteht.

9.5.7 Endkontrolle und Transportvorbereitung Vor dem Versenden der Maschineneinheit und des Lieferumfangs sind im Herstellerwerk bis zur Endkontrolle noch weitere Arbeiten erforderlich: • Anbringen und Vervollständigen von Typenschildern und Markierungen, Beschilderung von Instrumenten, • Prüfen der Beschichtung, Nachstreichen von Beschädigungen, • Entfernen von Schmieröl aus dem Tank und Reinigung, da Schmiermittel nicht mit versendet werden können, sondern vor Ort beschafft werden müssen, • Prüfen auf Sauberkeit, • ggf. Trocknen feuchter Stellen, vor allem in Innenräumen, • Prüfen auf Vollständigkeit des Lieferumfangs, • Aufbringen und Prüfen von Korrosionsschutz,

274

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Abb. 9.12   Innenraumkonservierung mit Stickstoff. (Foto: Autor)

• transportsicheres Verpacken des Lieferumfangs anhand einer Qualitätsvorschrift, z. B. in Folie verpackt in Holzkisten, • Klärung von Lieferort und Adressat, • Erstellen einer Packliste, • Ausstellen von Transport- und Zollpapieren. Die Endkontrolle seitens des Käufers sollte vor der endgültigen Verpackung erfolgen. Meist erfolgt die Lieferung der Maschine selbst und des Zubehörs in speziell dafür hergestellten Behältern oder Holzkisten, die je nach Transportart und Transportdauer wasserdicht und seefest gestaltet sind. Im allgemeinen werden die Lager der Rotoren von Turbomaschinen ausgebaut, separat verpackt und für den Transport durch sogenannte Transportlager ersetzt. Auch die Kartuschen der Wellenabdichtungen werden in der Regel entfernt und separat transportiert. Zylindereinbauten bei Hubkolbenverdichtern werden separat transportiert und im Rahmen der Montage wieder eingebaut. Wo möglich, sollten die Innenräume von Maschinen mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt werden, wie in Abb. 9.12 am Beispiel eines Antriebsmotors dargestellt. Die ausführliche Packliste des Maschinenherstellers enthält Abmessungen und Gewichte der einzelnen Behälter sowie eine detaillierte Liste des jeweiligen Inhalts und mit Angabe der zugehörigen Zeichnungen.

9.6  Betriebs- und Instandhaltungsanleitung

275

Ferner sind die Schnittstellen zwischen Versender und Empfänger genau zu klären, der Zeitpunkt des Gefahrenüberganges gemäß INCOTERMS 14, z. B. beim Auf- oder Abladen, und die Verzollung und Entzollung. Geklärt werden muss ebenfalls, wie und an welchem genauen Ort die Übergabe des gesamten Lieferumfangs erfolgen soll, wie dort die Bedingungen für eine Zwischenlagerung sind oder sein müssen, und wer den Erhalt der Lieferung bestätigt. Zu beachten ist dabei der gesamte Transportweg bis hin zum Aufstellungsort. Gibt es Gewichtsbeschränkungen oder maximal mögliche Abmessungen? Sind Durchfahrtshöhen z. B. unter Rohrbrücken zu beachten? Wie ist die Gesamthöhe der Ladung unter Berücksichtigung der Fahrzeughöhe?

9.6 Betriebs- und Instandhaltungsanleitung Während dieser Projektphase werden seitens des Maschinenherstellers die für den Lieferumfang spezifischen Betriebs- und Instandhaltungsanleitungen erstellt. Deren Inhaltsverzeichnisse sollten bereits vorab mit dem Käufer abgestimmt sein. Betriebsund Instandhaltungsanleitung müssen dem Käufer möglichst frühzeitig zur Freigabe und Information zur Verfügung gestellt werden. Die wesentlichen Informationen daraus muss der Betreiber der verfahrenstechnischen Produktionsanlage in die für sein Personal gültige eigene Betriebs- und Instandhaltungsanleitung einarbeiten. In die Prüfung der Dokumente sollten deswegen Betreiber- und Instandhaltungsorganisation eingebunden sein. Die Anforderungen an eine Betriebs- und Instandhaltungsanleitung werden über Verordnungen und Richtlinien festgelegt. Im europäischen Raum gilt die Maschinenrichtlinie (MRL)15, die aktuell von der EU-Maschinenverordnung abgelöst werden soll. Mit der geplanten EU-Maschinenverordnung sollen in gewissem Rahmen auch elektronische Betriebsanleitungen zugelassen werden. Bislang ist noch die Erstellung einer Papierversion Pflicht, deren Original in einer der zulässigen Amtssprachen des Landes, in dem die Anlage betrieben wird, erstellt werden muss. Die Instandhaltungsanleitung wird in der Sprache des zuständigen Fachpersonals erstellt. Abgesprochen werden muss, ob Maschinenhersteller, Käufer oder Endkunde die erforderlichen Übersetzungen veranlassen.

14  Weltweit

anerkannte, einheitliche Vertrags- und Lieferbedingungen, die den Parteien eines Kaufvertrages eine standardisierte Abwicklung im internationalen, aber auch nationalen, Handelsgeschäft ermöglichen. Die Incoterms® haben die Aufgabe, die Kostenverteilung, die Risikoverteilung und die Sorgfaltspflichten zwischen den Vertragspartnern festzulegen. 15 Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG.

276

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Die MRL beschreibt in ihrem Anhang I, Ziffer 1.7.4.2, die notwendigen Inhalte einer Betriebsanleitung. Wegen ihrer Bedeutung und ihres Umfangs werden sie hier aufgeführt: a) Firmenname und vollständige Anschrift des Herstellers und seines Bevollmächtigten, b) Bezeichnung der Maschine entsprechend der Angabe auf der Maschine selbst, ausgenommen die Seriennummer, c) die EG-Konformitätserklärung oder ein Dokument, das die EGKonformitätserklärung inhaltlich wiedergibt und Einzelangaben der Maschine enthält, das aber nicht zwangsläufig auch die Seriennummer und die Unterschrift enthalten muss, d) eine allgemeine Beschreibung der Maschine, e) die für Verwendung, Wartung und Instandsetzung der Maschine und zur Überprüfung ihres ordnungsgemäßen Funktionierens erforderlichen Zeichnungen, Schaltpläne, Beschreibungen und Erläuterungen, f) eine Beschreibung des Arbeitsplatzes bzw. der Arbeitsplätze, die voraussichtlich vom Bedienungspersonal eingenommen werden, g) eine Beschreibung der bestimmungsgemäßen Verwendung der Maschine, h) Warnhinweise in Bezug auf Fehlanwendungen der Maschine, zu denen es erfahrungsgemäß kommen kann, i) Anleitungen zur Montage, zum Aufbau und zum Anschluss der Maschine, einschließlich der Zeichnungen, Schaltpläne und der Befestigungen, sowie Angabe des Maschinengestells oder der Anlage, auf das bzw. in die die Maschine montiert werden soll, j) Installations- und Montagevorschriften zur Verminderung von Lärm und Vibrationen, k) Hinweise zur Inbetriebnahme und zum Betrieb der Maschine sowie erforderlichenfalls Hinweise zur Ausbildung bzw. Einarbeitung des Bedienungspersonals, l) Angaben zu Restrisiken, die trotz der Maßnahmen zur Integration der Sicherheit bei der Konstruktion, trotz der Sicherheitsvorkehrungen und trotz der ergänzenden Schutzmaßnahmen noch verbleiben, m) Anleitung für die vom Benutzer zu treffenden Schutzmaßnahmen, gegebenenfalls einschließlich der bereitzustellenden persönlichen Schutzausrüstung, n) die wesentlichen Merkmale der Werkzeuge, die an der Maschine angebracht werden können, o) Bedingungen, unter denen die Maschine die Anforderungen an die Standsicherheit beim Betrieb, beim Transport, bei der Montage, bei der Demontage, wenn sie außer Betrieb ist, bei Prüfungen sowie bei vorhersehbaren Störungen erfüllt, p) Sicherheitshinweise zum Transport, zur Handhabung und zur Lagerung, mit Angabe des Gewichts der Maschine und ihrer verschiedenen Bauteile, falls sie regelmäßig getrennt transportiert werden müssen,

9.6  Betriebs- und Instandhaltungsanleitung

277

q) bei Unfällen oder Störungen erforderliches Vorgehen; falls es zu einer Blockierung kommen kann, ist in der Betriebsanleitung anzugeben, wie zum gefahrlosen Lösen der Blockierung vorzugehen ist, r) Beschreibung der vom Benutzer durchzuführenden Einrichtungs- und Wartungsarbeiten sowie der zu treffenden vorbeugenden Wartungsmaßnahmen, s) Anweisungen zum sicheren Einrichten und Warten einschließlich der dabei zu treffenden Schutzmaßnahmen, t) Spezifikationen der zu verwendenden Ersatzteile, wenn diese sich auf die Sicherheit und Gesundheit des Bedienungspersonals auswirken, u) Angaben zur Luftschallemission der Maschine, (Anm. d. Verf.: alle Details werden einzeln aufgeführt) v) kann die Maschine nichtionisierende Strahlung abgeben, die Personen, insbesondere Träger aktiver oder nicht aktiver implantierbarer medizinischer Geräte, schädigen kann, so sind Angaben über die Strahlung zu machen, der das Bedienungspersonal und gefährdete Personen ausgesetzt sind. Insbesondere fordert die MRL vom Hersteller oder seinem Bevollmächtigten, dass vor der Inbetriebnahme folgende technische Unterlagen vorhanden sind: • eine technische Dokumentation mit folgenden Aufgaben bzw. Unterlagen: – eine allgemeine Beschreibung der Maschine, – eine Übersichtszeichnung der Maschine und die Schaltpläne der Steuerkreise sowie Beschreibungen und Erläuterungen, die zum Verständnis der Funktionsweise der Maschine erforderlich sind, – vollständige Detailzeichnungen, eventuell mit Berechnungen, Versuchsergebnissen, Bescheinigungen usw., die für die Überprüfung der Übereinstimmung der Maschine mit den grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erforderlich sind, • die Unterlagen über die Risikobeurteilung, aus denen hervorgeht, welches Verfahren angewandt wurde, • die angewandten Normen und sonstigen technischen Spezifikationen unter Angabe der von diesen Normen erfassten grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen, • alle technischen Berichte mit den Ergebnissen der Prüfungen, die vom Hersteller selbst oder von einer Stelle nach Wahl des Herstellers oder seines Bevollmächtigten durchgeführt wurden, • ein Exemplar der Betriebsanleitung der Maschine, • gegebenenfalls die Einbauerklärung für unvollständige Maschinen und die • Montageanleitung für solche unvollständigen Maschinen, • gegebenenfalls eine Kopie der EG-Konformitätserklärung für in die Maschine eingebaute andere Maschinen oder Produkte, • eine Kopie der EG-Konformitätserklärung.

278

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Bei der Durchsicht von Instandhaltungsanweisungen fällt oft auf, dass OriginalBetriebsanleitungen von Unterlieferanten mit einfließen, die die für den Dauerbetrieb spezifizierten Zeiten von oft 5 Jahren unterschreiten und somit bei ihrer Umsetzung zusätzliche Anlagenstillstände erfordern würden. Diese Unstimmigkeiten sollten bereits vorab zwischen Maschinenhersteller und dessen Unterlieferant abgeklärt werden. Stehen sie einmal in der Anleitung, dann muss eine davon abweichende Vorgehensweise gut begründet werden. Oft sind sie wegen der umfassenden Zustandsüberwachung, wie sie bei HDRE-Maschinen erfolgt, nicht erforderlich.

9.7 Ersatzteillisten Im Laufe dieser Projektphase erstellt der Hersteller eine detaillierte Aufstellung der in seinem Lieferumfang enthaltenen Komponenten. Sie sollte übersichtlich gestaltet sein und als Mindestinformationen beinhalten: • Bezeichnung des Teils mit Teilenummer des Maschinenherstellers, • Name und Teilenummer des Original-Herstellers, • einen Bezug auf die zugehörige Zusammenbauzeichnung („Assembly Drawing“), mit Zeichnungsnummer und Teilenummer in der Zeichnung; die Zeichnung sollte ebenfalls eine Liste mit Bezeichnung und Teilenummer enthalten, • Art des Ersatzteils (Capital Spares, Verschleißteil, Inbetriebnahme-Ersatzteil), • Material, • geschätzte Lieferzeit des Ersatzteils, • Anzahl der verbauten Teile, • die empfohlene Bestellmenge, • ggf. den Preis, sofern hierfür nicht ein separates kaufmännisches Angebot vorliegt, • das Verfallsdatum, z. B. bei elastischen O-Ringen. Abb. 9.13 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus einer Ersatzteilliste. Ebenfalls sollte ein aktualisiertes bepreistes Angebot mit Angabe des Gültigkeitszeitraums zur Bestellung dieser Ersatzteile abgegeben werden, entsprechend den vor der Projektvergabe ausgehandelten Bedingungen. Wurde die Benutzung einer E-SPIR-Liste16 vereinbart, so muß diese ausgefüllt werden und kann in der Folge auch zur Bestellung genutzt werden. Zu beachten ist seitens des Käufers, dass eine erforderliche Bestellung frühzeitig erfolgt, damit die bestellten Ersatzteile rechtzeitig vor der Inbetriebnahme vorhanden sind.

16 E-SPIR = Electronic-Spare

Parts Interchangeability Record. Shell Global Solutions.

9.8 Enddokumentation

279

Abb. 9.13   Ausschnitt aus einer Ersatzteilliste

9.8 Enddokumentation Unter der Enddokumentation der Maschineneinheit versteht man deren Gesamtdokumentation, die den Sachstand zum Zeitpunkt ihrer Abnahme richtig, vollständig und widerspruchsfrei gemäß vertraglicher Vereinbarung wiedergibt („AS BUILT“). Hier ist zu beachten, dass während der gesamten Montage- und Inbetriebnahmephase noch Änderungen möglich sind, die eine neue Revision der Enddokumentation erfordern können. Dies betrifft die technischen Datenblätter, aber auch andere Dokumente wie Ersatzteillisten und die Schaltpunkt-Liste („Interlock List“). Somit handelt es sich in diesem Stadium um eine vorläufige Enddokumentation. Diese kann in der Regel spätestens 6 Wochen nach der Endkontrolle vor Auslieferung dem Käufer zur Information und Prüfung zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich zu Betriebs- und Instandhaltungsanleitungen erstellt der Maschinenhersteller eine Qualitätsdokumentation, die sämtliche Qualitätsdokumente einschließlich aller Inspektions- und Probelaufberichte und deren detaillierte Ergebnisse enthält. Die Lieferung erfolgt mit der Enddokumentation. Spätestens zur Inbetriebnahme sollte ein Original-Exemplar zur Verfügung stehen. Einige wichtige Qualitätsanforderungen an die „AS BUILT“-Dokumentation seien hier genannt. Sie sind aus Weber (2016)17, Tab. 8.4, entnommen. • Die „AS BUILT“-Dokumentation muss in Papier-Form und in elektronischer Form eine effiziente Nutzung, Pflege und Fortschreibung der Dokumentation ermöglichen. • Sie muss alle notwendigen Unterlagen für einen bestimmungsgemäßen und sicheren Betrieb der Anlage sowie Unterlagen für eine sichere und effiziente Instandhaltung der Anlage enthalten.

17 Weber,

K (2016) Engineering verfahrenstechnischer Anlagen, 2. Auflage, Springer, Dresden.

280

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

• Sie muss alle technischen Dokumente, die insbesondere Informationen über die Ausführung, die Prüfung, den Betrieb und die Instandhaltung der Anlage enthalten, ganzheitlich beinhalten. • Außerhalb des Inhaltsverzeichnisses und der Systematik der „AS BUILT“Dokumentation darf es keine weiteren technischen Dokumente geben. • Die Dokumente, die aufgrund von Rechtsverordnungen und behördlichen Auflagen bereitzustellen sind, die zum Nachweis der Anlagen- und Arbeitssicherheit sowie zum Nachweis des Gesundheits- und Umweltschutzes dienen, Qualitäts- und Abnahmedokumente, sowie die dynamischen Dokumente wie z. B. R&I-Fließbilder, Aufstellungspläne, Funktions- und Schaltpläne müssen vollständig vorhanden sein. • Aussagen, die an den verschiedenen Stellen der Dokumentation zum gleichen Sachverhalt getroffen werden, müssen widerspruchsfrei sein. Redundanzen von Dokumenten, z. B. die Ablage des gleichen Dokumentes an verschiedenen Stellen der Dokumentation, sind zu vermeiden. Eine Änderungsmatrix muss vorhanden sein und gepflegt werden. • Dokumente, die als Grundlage für wiederkehrende Prüfungen, für eine sichere und funktionsgerechte Betriebsführung oder als Grundlage für Instandhaltungs- und/oder Erweiterungsmaßnahmen dienen, müssen umfassend und aktuell (d. h. zu 100 % bei Überprüfungen) den „AS BUILT“-Zustand wiedergeben. • Das elektronische Exemplar ist in Form eines Handbuchs, zusammen mit den Datenträgern sowie einer Erläuterung zu übergeben. Die auf Datenträgern übergebenen Dokumente müssen mit Hilfe der vereinbarten Software lesbar und bearbeitbar sein.

9.9 Montagevorbereitung Bereits bevor die Maschine ausgeliefert wird, sollten auch die Planungsunterlagen für die spätere Montage und Inbetriebnahme erstellt und mit Käufer und Endkunden besprochen werden. Alle Informationen, die für die ordnungsgemäße Installation der Ausrüstung erforderlich sind, werden dabei in einer separaten Installationsanleitung („Erection Manual“) zusammengestellt. Diese Vorschrift liefert der Montageleitung alle notwendigen Informationen und sollte deshalb als Bestandteile enthalten: • Aussagen über die für die Montage benötigten Dokumente, wie Flussdiagramme, Aufstellungszeichnungen, Fundamentzeichnungen, Rohrleitungszeichnungen und -isometrien, Betriebs- und Wartungsanleitung, Schnittstellen, Hilfsenergien, • Angaben zu Lagerung und Auspacken wie Regenschutz, Inhaltsüberprüfung, Korrosionsschutz und ggf. dessen Entfernung,

9.10 Erfahrungen

281

• Hebeanweisung mit Zeichnungen und erforderlichen Hilfsmitteln; es muss klar sein, welche Partei z. B. Spreizstangen und Autokran beistellt und den Hebeprozess verantwortet, • Maßnahmen zur Fundamentvorbereitung, Lage und Art der Montage von Ankerbolzen, Herstellung der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit und Qualität eines Betonfundaments, mit Detailzeichnungen der Befestigung, • Einzelheiten zur Ausrichtung des Maschinenstrangs, insbesondere Kupplungsausrichtung, mit Detailzeichnungen und Toleranzangaben, speziell auch für die Ausrichtung in kaltem und warmem Zustand, • Einzelheiten zur Verwendung und Verarbeitung von Vergussmassen, • Installationsanweisung für die Hilfssysteme, einschließlich deren Ausrichtung, • detaillierte Richtlinien für Rohrleitungsbau und Rohrleitungsmontage, zum Beizen und zur Rohrreinigung, zur Ausrichtung innerhalb der zulässigen Flanschbelastung, • Einzelheiten zum Reinigen und Spülen der Ölsysteme, • eine Werkzeugliste für die Montage, • während der Montage benötigte Hilfsstoffe, • Anforderungen an Isoliermaterialien und deren Montage, • Platzbedarf für die Montage. Eine Baustellenbesprechung mit allen erforderlichen Parteien sollte mindestens 6 Wochen vor Beginn der Montage erfolgen. Diese wird im Kap. 10, „Maschinenmontage“, näher ausgeführt. In der Regel werden bei der Endkontrolle im Herstellerwerk noch offene Punkte vorhanden sein, die z. B. durch Nachlieferung eines Bauteils oder durch Nachbearbeitung sinnvollerweise erst während der Montage abgearbeitet werden. Zu diesen offenen Punkten sollte eine zwischen Käufer, Endkunde und Hersteller abgestimmte Liste existieren („Punch List“), die während der Montage abgearbeitet bzw. ergänzt wird.

9.10 Erfahrungen Die Abwicklung in unterschiedlichen vertraglichen Konstellationen, unterschiedlichen Aufgabenstellungen und unterschiedlichen Maschinenherstellern ist für den HDREEngineer auf Käufer- bzw. Endkundenseite immer wieder unterschiedlich und teilweise überraschend. Nur wenn Projekte gut vorbereitet sind und eine gute Beziehung zwischen Endkunden, ggf. Kontraktor und Hersteller herrscht, können diese „einfach so durchlaufen“. Wenn auf Endkundenseite Änderungsbedarf erkannt wird oder vom Hersteller Änderungen empfohlen werden, aber nicht seitens eines Kontraktors, können sich Probleme auftun, denn ein Kontraktor neigt oft aus Zeit- und Kostengründen dazu, den bestehenden Vertrag nicht zu ändern und auf Erfüllung zu bestehen.

282

9  Abwicklungsphase Teil 2: Fertigung und Inspektion

Während der Abwicklung erkennt man auch Schwächen bei den Vertragspartnern, die möglicherweise nur durch Unterstützung des Endkunden, des HDRE-Engineer oder anderen Spezialisten gelöst werden können. Dies kann z. B. auf mangelnder Kenntnis von Schallausbreitungsmechanismen beruhen, die später zu Problemen bei der Inbetriebnahme führen. Auch Maschinen- und Anlagenregelungen können komplex sein, wenn Optimierung zwischen mehreren parallel arbeitenden Maschinensträngen gefordert wird oder der Verdichtungsprozess sich während verschiedener Phasen im Anlagenprozess stark ändert. In manchen Projekten übergibt der Maschinenhersteller diese Aufgabenstellungen an darauf spezialisierte Firmen, in anderen möchte er die Regelung selbst realisieren und benötigt dazu Unterstützung des Endkunden. Manche Maschinenhersteller betrachten Qualitätssicherung bei untervergebenen Komponenten wie Schallschutzhauben und Schalldämpfern mit geringerer Priorität. Damit kommt es z. B. vor, dass direkt zum Einsatzort gelieferte Schalldämpfer bei der dortigen Eingangskontrolle wegen Schweißmängeln verworfen werden müssen. Ergeben sich Verzögerungen im Produktionsprozess beim Maschinenhersteller, so ist hier auch eine genaue Abstimmung mit dem Endkunden erforderlich, um die Produktionsanlage dennoch möglichst im Zeitplan in Betrieb nehmen zu können. Hier können Änderungen der späteren Montagereihenfolge nützlich sein. Gegebenenfalls können bei größeren Gussteilen auch genauere Untersuchungen oder Berechnungen sinnvoll sein, ob „Major Repairs“ noch zugelassen werden können oder das Teil tatsächlich verworfen werden muss. Ebenso sind Entscheidungen zur weiteren Vorgehensweise notwendig, wenn der thermodynamische Probelauf in Bezug auf Leistungsbedarf, erforderliche Ströme und Drücke Mängel ergibt.

9.11 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde der zweite Teil der Abwicklungsphase eines HDREMaschinenstrangs behandelt. Dieser beschreibt die Phase, in der die bestellten Maschineneinheiten tatsächlich in den Werkstätten des Maschinenlieferanten und seiner Unterlieferanten gefertigt werden. Hierfür müssen alle erforderlichen Unterlagen vorliegen und auch seitens des Käufers bestätigt worden sein. In dieser Phase hat die Überwachung der Termine eine große Bedeutung, um Verzögerungen bei der Auslieferung und damit oft auch Verzögerungen bei der Inbetriebnahme entgegen zu wirken. Einige weitere wichtige Dokumente werden neu erstellt und andere bis zu ihrem „AS BUILT“-Status revidiert, der den Zustand der Auslieferung wiedergibt. Montageanleitung, Betriebs- und Instandhaltungshandbücher, Ersatzteillisten sowie die Maschinenregelung müssen daraufhin geprüft werden, ob sie alle Anforderungen an die spätere Betriebsphase erfüllen.

9.11 Zusammenfassung

283

Eine besondere Bedeutung hat dabei die Qualitätsüberwachung, die seitens des Käufers und des Endkunden intensiv begleitet werden sollte. Es wurde beschrieben, welche Material- und Bauteilprüfungen durchgeführt werden, und an welchen Punkten Fertigungskontrollen in den Werkstätten vorgenommen werden sollten. Um eine möglichst ungestörte Inbetriebnahme und einen zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen, werden zahlreiche Funktionsprüfungen wie mechanische und thermodynamische Probeläufe durchgeführt und beschrieben. Am Ende dieser Phase steht die Endkontrolle des Lieferumfangs, deren Konservierung und Verpackung und der Transport zum Einsatzort.

Maschinenmontage

10

Die eigentliche Montagephase der bestellten HDRE-Maschinenstränge beginnt mit der Ankunft des Lieferumfangs auf der Baustelle und endet mit der Ausstellung eines Protokolls zur Mechanischen Fertigstellung („Mechanical Completion“). Die mechanischen Fertigstellungstermine verschiedener Maschinenstränge können dabei unabhängig voneinander betrachtet werden. Auch hier ist eine Überschneidung von Projektphasen möglich, wenn z. B. Teile des Lieferumfangs bereits montagebereit sind, andere jedoch erst noch geliefert werden müssen. Oft ist Flexibilität in der Montageplanung erforderlich, um das Personal auszulasten und den Gesamt-Terminplan bezüglich der Inbetriebnahme einhalten zu können. Zum Zeitpunkt der mechanischen Fertigstellung müssen sämtliche Bau- und Montagemaßnahmen abgeschlossen sein, einschließlich der Einbindung der Maschinenstränge in die Gesamtanlage. Sicherheits- und Funktionsprüfungen sollten durchgeführt sein. Schmierölsysteme sowie andere Versorgungssysteme und Hilfsanlagen sollten gereinigt und in Betrieb gesetzt sein. Der Zeitpunkt der mechanischen Fertigstellung der Gesamtanlage bedingt dabei die mechanische Fertigstellung aller Maschinenstränge und findet im Anschluss daran statt. Je nach Montagestand der Gesamtanlage ist es allerdings möglich, dass bestimmte Arbeiten an den Maschinensträngen noch nicht durchgeführt werden können und deshalb ggf. in die Phase der Inbetriebnahmevorbereitung geschoben werden müssen. Es könnte z. B. sein, dass die Anbindung von Stickstoff oder Instrumentenluft noch nicht fertiggestellt ist oder die Freigabe für die Stromversorgung noch fehlt. Bereits deutlich vor Montagebeginn muss geklärt sein, an welchem Ort und bei welcher Person die Anlieferung erfolgen soll, wie und ob der Lieferumfang konserviert werden muss, oder ob ein geschlossenes Lagergebäude benötigt wird. Diese Klärung erfolgt am besten während einer Montagebesprechung und vor der Ausstellung der Transportpapiere. © Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_10

285

286

10 Maschinenmontage

Dieses Kapitel „Maschinenmontage“ beschreibt in Abschn. 10.1 und 10.2 zunächst generelle Verantwortlichkeiten und Qualitätssicherungsmaßnahmen. Danach erfolgt ab Abschn. 10.3 eine Einzeldarstellung der wichtigsten Schritte während der Montagephase. Die wesentlichen, qualitätssichernden Montageschritte sind auch in API RP 6861 dargestellt. Diese „Recommended Practice“ kann dabei als Planungs- und Abwicklungsgrundlage während der Montagephase dienen.

10.1 Verantwortlichkeiten Die Montage von HDRE-Maschinensträngen bzw. Maschineneinheiten erfolgt meist im Zusammenhang mit der Montage der Gesamtanlage durch einen beauftragten MontageKontraktor, der die Baustellenleitung übernimmt und das erforderliche Montagepersonal und dessen Ausrüstung bereitstellt und verantwortet. Die Montage einer Maschineneinheit selbst wird in der Regel während der gesamten Arbeiten vom Personal des Maschinenherstellers beaufsichtigt – einem Supervisor für die Montage und einem Supervisor für die Inbetriebnahme. Je nach Komplexität kann die Zuständigkeit auch für den mechanischen und den steuerungstechnischen Teil unterschiedlich sein. Anzahl, Art und Beauftragungsdauer des beaufsichtigten Montagepersonals selbst sollte mit den Maschinen-Supervisoren abgestimmt sein. Bei einfachen Maschinen, z. B. Ventilatoren, kann davon abgewichen werden. In allen Fällen sollte der Maschinenhersteller vertraglich noch die Verantwortlichkeit bis hin zur Inbetriebnahme behalten. In manchen Projekten wird bei der Bestellung bereits vereinbart, dass auch das gesamte Montagepersonal vom Maschinenhersteller gestellt wird. Um während der Montagephase auftretenden Änderungsbedarf flexibel und zügig umsetzen zu können, sollte die Montageleitung der Gesamtanlage die Befugnis haben, kleinere planerische Änderungen eigenverantwortlich zu veranlassen. Sie ist damit auch verantwortlich für die Erfassung und Eintragung der technischen Änderungen, z. B .als „Rot-Eintragungen“ in die entsprechenden Dokumente, und das Erstellen revidierter Dokumente. Das Protokoll für die mechanische Fertigstellung sollte aus Qualitätsgründen erst dann unterschrieben und die Inbetriebnahmephase erst dann begonnen werden, wenn alle wesentlichen Restpunkte abgearbeitet sind und die „AS BUILT“-Dokumentation abnahmebereit vorliegt. Bildet die Inbetriebnahme der Maschinenstränge den kritischen Pfad, so ergibt sich an diesem Punkt oft eine Interessenkollision mit dem Betreiber, der seine Anlage möglichst rasch in Betrieb setzen möchte.

1 API

RP 686:2009-12 Recommended Practice for Machinery Installation and Installation Design, Second Edition; American Petroleum Institute, Washington.

10.2  Qualitätssichernde Elemente

287

10.2 Qualitätssichernde Elemente Ein wesentlicher Baustein für einen reibungsarmen Inbetriebnahmeprozess ist eine intensive Qualitätssicherung bereits während der Montagephase seitens aller beteiligten Parteien: der Maschinenhersteller, der Montagekontraktor, besonders auch der Endkunde als späterer Betreiber, idealerweise wieder durch dessen HDRE-Engineer vertreten. Der HDRE-Engineer des Endkunden sollte generell die Befugnis haben, die Montagestelle zu besuchen, mit dem dortigen Personal zu sprechen und Mängel in eine Mängelliste einzutragen. Dokumentengrundlage für die Qualitätssicherung in der Montagephase sind • die vertragsrelevanten Anforderungen des Montagekontraktors und des Betreibers, • allgemeine und spezielle Anforderungen zur Arbeitssicherheit, • die komplette Herstellerdokumentation des Lieferumfangs, • Qualitätsanforderungen und Montagevorschrift des Herstellers, z. B. beschrieben im „Erection Manual“, mit der Beschreibung aller für die einzelnen Arbeitsschritte erforderlichen Werkzeuge und Materialien, • Checklisten des Herstellers für die einzelnen Arbeitsschritte, • ein spezifischer Montage-Qualitätsplan, ein Montagezeitplan und Meilensteine des Montagekontraktors unter Berücksichtigung von Qualitätsanforderungen, Zeitplan und Meilensteine des Maschinenherstellers. Hier hervorgehoben werden die Elemente einer detaillierten Montage-Checkliste, einer umfassenden Dokumentation und Aufarbeitung von während der Montage beobachteten Mängelpunkten, einer Montage-Planungsbesprechung vor Beginn der Montagephase und regelmäßigen Montagebesprechungen während dieser Phase. Ziel der Qualitätssicherungsmaßnahmen während der Montagephase ist es, eine termingerechte mechanische Fertigstellung im Rahmen der bestehenden Verträge und im Sinne einer Minimierung von „Life Cycle Cost“ des Endkunden und Betreibers zu gewährleisten. Diese kann nur in intensiver und vertrauensvoller Zusammenarbeit zwischen allen beteiligten Parteien geschehen. Im Verlauf der Montage auftretende Fragen und Probleme sollten zugunsten eines späteren zuverlässigen Betriebs gemeinsam gelöst werden. Hier spielt der HDRE-Engineer des Endkunden eine maßgebliche Rolle.

10.2.1 Montage-Checkliste (ITP) Die ermittelten Qualitätssicherungsschritte können zu einer gemeinsamen MontageCheckliste, auch Montage-Inspektions- und Test-Plan (ITP), zusammengefügt werden. Bisher war ein einheitlicher Montage-ITP kein generell verwendetes Montagedokument.

288

10 Maschinenmontage

Er macht jedoch die durchgeführten Montage-Meilensteine transparent und hilft damit, Fehler zu vermeiden. Er muss individuell zusammengestellt werden, je nachdem, welche Komponenten verbaut werden sollen, auch abhängig von der Situation am Montageort. Die Tab. 10.1.A1, 10.1.A2 und 10.1.A3 zeigen das Beispiel eines solchen Montage-ITP für die Installation eines Getriebe-Turboverdichters. Wichtig ist, dass alle vom Hersteller vorgegebenen Check-Punkte darin enthalten und die erforderlichen Qualitätsmerkmale zum Abschluss der Einzelpunkte eindeutig dargestellt sind. Abgezeichnet werden sollte dieses Dokument mindestens vom HDREMontagesupervisor des Maschinenherstellers und einem Beauftragten der Montageleitung. In allen Punkten sollte der Endkunde (auch bezeichnet als „Owner“), wieder nach Möglichkeit vertreten durch den HDRE-Engineer, maßgeblich mit eingebunden sein.

10.2.2 Klärungs- und Mängelliste Neben der Fixierung der notwendigen Qualitätsschritte mit der Dokumentation ihres ordnungsgemäßen Abschlusses bedarf es der Dokumentation von Ausführungsmängeln, z. B. in Form einer „Punch List“. Alle im Verlauf der Montagephase gefundenen und gemeldeten Mängel, die nicht unmittelbar vor Ort abgestellt werden können, werden vom Entdecker des Mangels, einschließlich einer Foto-Dokumentation, gemeldet und dort eingetragen. Diese „Punch List“ sollte als elektronische Datenbank oder zumindest als Spreadsheet ausgeführt sein, um Recherchen und ggf. Fehleranalysen zu ermöglichen und nach dem jeweiligen Bearbeitungsstatus und nach Fachdisziplinen sortieren zu können. Möglicherweise existiert eine solche Datenbank auch bereits für das Gesamtprojekt und kann bezüglich der Maschinenmontage angepasst werden. Neben einer genauen Beschreibung sollte die Mangelmeldung für jeden Einzelpunkt die Eintragungen • • • • • • •

fortlaufende Nummerierung, Beschreibung des Mangels, genaue Position des Mangels, z. B. im R&I-Fließbild mit Positionsnummer, zuständige Fachdisziplin, Ersteller der Meldung, Zeitpunkt der Beobachtung, Priorität der Behebung, z. B. wenn der Mangel die mechanische Fertigstellung, die Inbetriebnahme oder die Abnahme behindert, • ihren Bearbeitungsstatus: „gemeldet“, „nachgeprüft“, „in Bearbeitung“, „behoben“, • Datum des Abschlusses enthalten.

10.2  Qualitätssichernde Elemente

289

Tab. 10.1.A1  Beispiel für einen Montage-ITP (Getriebe-Turboverdichter). Teil 1 – Lagerung und Maschinen-Montage

SPECIMEN

Rev.1

Date: Project Name: Project No.: Item:

Inspection & Test Plan (ITP) RESPONSIBILITY (Note 2)

Item

INSPECTION ACTIVITY (Note 1)

OEM

Const Main ructio Cont 3rd n racto party Contr r actor

Own er

Contract requirement

H

H

H

H

Engineering requirement

R

R

R

R

Engineering requirement

R

R

R

R

APPLICABLE PROCEDURE

ACCEPTANCE CRITERIA

INSPECTION FREQUENCY

QUALITY RECORD

COMPRESSOR INSTALLATION C

Inspection/test before erection

C1

Document review/approval

C11

C12 C13

Kick off meeting-alignment of inspection&test scope,specification,participation and required quality records with involved parties. Review and approval of erection drawing & documents (stamped & last revision) Review and approval of document index of the installation inspection and test dossier

C2

Open box inspection and storage

C21

Visual inspection for completeness

C22

Visual inspection for transport damages and protection to prevent dirt&moisture(all components are received in a closed condition)

C23

Check with packing list to ensure no missing or damaged parts

C24

Spare&commissioning parts proper storage in designate area

C25

Visual inspection for proper preservation (during storage)

C26

Check Punch list to ensure all punches closed

C3

Surveying points

C31

Visual inspection of provided surveying points

C4

Foundation handover

C41

Release of foundation to start equipment erection

C42

C43

C44 C45

Visual inspection for the coordinates of axis & elevation of foundation,anchor bolt position and the depth of preformed hole of anchor bolt Visual inspection of proper preparation of foundation (chipping,center line & EL marking) anchor bolts, shim plates Visual inspection of anchor bolts position setting and marking Visual inspection of leveling device setting

D

Inspection/test during erection

D1

General

D11

D12

Verification of periodical inspection, calibration and maintenance of measuring and test equipment used for inspection and tests. Verification of spreader bar, sling, shackle preparation

Conformance with packing list OEM packing list

OEM packing list

OEM standard (Conformity with packing list and equipment needed for installation)

OEM requirement, OEM OEM storage procedure storage procedure , Doc.XXXX OEM Doc. XXXX OEM storage procedure OEM requirement Doc. XXXX Punch list from shop OEM standard inspection Compressor layout DWG Civil DWG OEM & Project Docs Foundation plan

OEM & Project Docs

OEM & Project Docs

OEM & Project Docs

OEM & Project Docs Foundation plan

OEM & Project Docs

Foundation plan OEM & Project Docs

OEM & Project Docs

Meeting

I

I

W/SI

W/SI Each Box

I

I

W/SI

W/SI Each Box

I

I

W/SI

W/SI Each Equipment

I

I

W/SI

W/SI Each Equipment

I

I

W/SI

W/SI Each Equipment

/

I

W

W/SI Each Equipment

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Compressor Foundation

I

I

W

W

Each Measuring and Test Equipment

OEM DWG and requirement

OEM standard

I

I

W

W

Each Item

Authority / Calibration certificate

D2

Erection of compressor

D21

Visual inspection for compressor skid unloading, lifting

OEM requirement

OEM standard

I

I

W

W

Compressor Skid

D22

Visual inspection for shear lug installation

OEM DWG and requirement

OEM standard

I

I

W

W

Compressor Skid

D23 D24

Visual inspection for compressor in place Visual inspection for centering & leveling

I I

I I

W W

W W

Compressor Skid Compressor Skid

D25

Initial grouting for anchor bolt by sand

I

I

W

W

Compressor Skid

D26

D27 D28 D29 D30

Preliminary Alignment check of machines(such as coupling alignment,suction & discharge flange alignment) Suggest to check the following: - Coupling alignment - Alignment of intermediate process piping Grouting base frame Check assembling structure,ladder,platform Check noise hood installation Cleanliness check of piping (process, seal gas and lube oil) Installation check of suction strainer

OEM standard

OEM standard

OEM alignment specification OEM Doc.

OEM standard

OEM Doc.

D31

Final connection of process piping ("stress free")

OEM standard

D32

Tightness test of completed unit

OEM Doc

D33

Final alignment check

D34

Visual check for oil flushing

OEM standard Drawings / OEM alignment specification OEM standard OEM standard ISO 4406

OEM standard/Oil analysis report

D35

Oil analysis of after oil flushing

I

I

H

H

Compressor / Process piping

I I I

I I I

W SI SI

SI SI SI

Compressor Skid Compressor Skid Compressor Skid

I

I

W

W

Compressor Skid

I

I

H

H

Compressor Skid

I

I

W

W

Compressor Skid

I

I

H

H

Compressor Skid

I

I

W

W

Compressor Skid

DS

R

R

R

Compressor Skid

Visual inspection of erected machine incl. Contract requirement H H H H Compressor Skid connections and accessories D37 End of erection Contract requirement H H H H Compressor Skid LEGENDA Construction contractor should prepare the ITP together with machine OEM and receive Owner's approval before the work starts according to national standard, local requirements, Note 1 project specification and contractor company Quality Plan. At least, above items shall be included in this ITP. Additional inspection items according to National standard, project specification and engineering requirements may be added. Note 2 Responsibilities may also be required to be modified Witness point, requires invitation W: H: next activity Review R: 100% Inspection I: Sample Inspection SI : D36

Minutes of Meeting / Agreed ITP, QA document Minutes of Meeting / Agreed Document Minutes of Meeting / Agreed Document

OEM Doc

OEM Doc.

OEM form OEM Doc. OEM Doc. oil analysis report (from authorized test laboratory) Punch List OEM Doc.

SIGNATURE (completed)

290

10 Maschinenmontage

Tab. 10.1.A2  Beispiel für einen Montage-ITP (Getriebe-Turboverdichter). Teil 2 – Elektrotechnik und Instrumentierung

SPECIMEN

Rev.1

Date: Project Name: Project No.: Item:

Inspection & Test Plan (ITP) RESPONSIBILITY (Note 2)

Item

E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 E17 E2

INSPECTION ACTIVITY (Note 1)

APPLICABLE PROCEDURE

ACCEPTANCE CRITERIA

OEM

Const Main ructio Cont 3rd n racto party Contr r actor

DS

R

R

R

I

W

W

W

I I I I I

W H H W H

W/SI W W W/SI W

W/SI W H W/SI H

E3

POWER CABLE

E31

Verify Material Certificates-Manufacture Material Test Certificates

DS

R

E32

Inspection of Conduit And Cable trench

I/DS

SI

E33 E34 E35 E36

I/DS I/DS I/DS I/DS

W H SI W

W H SI W

I/DS

W

E38

Insulation Test and cable laying Inspection Conceal Work Inspection of Cable Termination Test Of Cable (LV) after installation Test of Profibus cable (DCS and PLC communication test) Bolt Torque Test

I

W

E4

MOTOR

E41

Verify Material Certificates-Manufacture Material Test Certificates

DS

R

E42

Local Operation Button Installation inspection

ALL Material Each Panel Each Panel System System Each Equipment Each Equipment

DS

R

R

R

All Material

I I

W W

W W

SI SI

As Required Each Cable tray

R

R

All Material

SI

SI

Spot check

SI W SI W

Each Cable Each Cable Spot -check Each Cable

W

w

Each FO Cable

W

SI

As required

R

R

All Material

I

SI

SI

SI

If needed

W I/DS I/DS I/DS

H W W W

W W W W

W SI SI W

Each Motor Each Motor Each Motor Each Motor

DS

R

R

R

ALL Material

SI I/DS

SI W

SI W

SI SI

If needed Each point

DS I/DS I/DS I/DS I/DS

R W W W W

R W W W W

R SI SI SI SI

All Material Each Equipment Each Instrument Each Instrument All tray

I/DS

W

W

SI

Each Cable

I/DS

W

W

SI

Each Cable

Impulse Piping, Air Tubing & Sampling Tubing Installation & Inspection

I/DS

W

W

SI

Each Cable

I19

Inspection Degreasing And Acid Clean For Instrument Piping

I/DS

W

W

SI

As Required

I2

CALIBRATION & TEST

I21 I22 I23 I24 I25

Measure Cable(wire)Insulation Resistance Measure Earth Resistance Field Instrument Calibration Instrument Cabinet installation Pressure and Tightness Test For Instrument piping

I/DS I/DS I/DS I/DS I/DS

W W W W W

W W W W W

SI SI SI SI SI

Each cable As Required Each Instrument Each Panel As Required

I26

Leakage and Vacuum Test For Instrument piping

I/DS

W

W

SI

As Required

I/DS

W

W

SI

System

I/DS

H

H/R

H

Each Instrument

E42A E43 E44 E45 E5 E51 E52 E53

Motor Lube oil Start-Stop, Functional Test Test of AC Motor Inspection No-Load Operation Of Motor Loop Function Test

INSTRUMENTS

I11 I12 I13 I14 I15

Material Receipt, Inspection JB Operation Console Field Instrument Installation Check Installation and Inspection For Throttling Device Cable Trays/Basket Trays Check Inspection of Instrument Cable Laying & Termination Inspection Instrument Cable Insulation test

I17 I18

OEM standard

OEM Manual

I28

Integrated Control System Soft Point/Hard Point check Basic Function Test For Integrated Control System

I29

LoopTest

I/DS

W

W

SI

Each loop

I30

Integrated Calibration Condition Confirmation

I/DS

H

H/R

H

system

I31

Alarm/Interlock System and Programmable logic controller Calibration

I/DS

H

H/R

H

system

I32

Integrated Test (Function Test)

I/DS

H

H/R

H

system

I33

SV Setting Calibration by local agency

DS

R

R

R

Each Instrument

I27

Test report Test report

Conduit And Cable trench installation check record

Local Operation Button Installation check record Vendor Form

Test Loop package

ELECTRICAL EARTHING Verify Material Certificates-Manufacture Material Test Certificates Grounding Continuity Test Measurement Grounding Resistance

I1

I16

QUALITY RECORD

Cable trays Verify Material Certificates-Manufacture Material Test Certificates Inspection cable tray rack mounting Inspection cable tray mounting

E37

INSPECTION FREQUENCY

ELETRICAL Verify Material Certificates-Manufacture Material Test Certificates Inspection Installation Of Protection And Control Panel (Board) Inspection Installation Of DC System And UPS Test Of System(LV) Test Of System(HV) Inspection Panel etc Grounding Panel etc By Electricity And Pilot Run

E22 E23

E21

Own er

LEGENDA Construction contractor should prepare the ITP together with machine OEM and receive Owner's approval before the work starts according to national standard, local requirements, Note 1 project specification and contractor company Quality Plan. At least, above items shall be included in this ITP. Additional inspection items according to National standard, project specification and engineering requirements may be added. Note 2 Responsibilities may also be required to be modified Witness point, requires invitation W: H: next activity Review R: 100% Inspection I: Sample Inspection SI :

Instrument pipe installation check record De-greasing And Acid Clean check record

Loop Folder

SIGNATURE (completed)

10.2  Qualitätssichernde Elemente

291

Tab. 10.1.A3  Beispiel für einen Montage-ITP (Getriebe-Turboverdichter). Teil 3 – Isolierung und Dokumentation

SPECIMEN

Rev.1

Date: Project Name: Project No.: Item:

Inspection & Test Plan (ITP) RESPONSIBILITY (Note 2)

Item J

APPLICABLE PROCEDURE

INSPECTION ACTIVITY (Note 1)

ACCEPTANCE CRITERIA

OEM

Const Main ructio Cont 3rd n racto party Contr r actor

INSPECTION FREQUENCY

QUALITY RECORD

SIGNATURE (completed)

Insulation

J1

Release of machine for insulation work (except joint flanges)

Visual Inspection

J2

Insulation works - QA/QC according to own ITP "Piping Insulation".

Contract requirement

K

Review of documentation, final inspection

K1

Final inspection of erected machine by assembler (before final inspection with Owner)

H

K11

Contract requirement Document review of inspection and test dossier for Quality Records completeness. according to this ITP

H/R

K12

Document review of As-Built documentation for completeness and correctness.

Contract requirement

H/R

K13

Review closing status of punch list.

Contract requirement

H/R

K2

Final inspection

K21

Contract requirement Document review of inspection and test dossier for Quality Records completeness. according to this ITP

K22

Document review of As-Built documentation for completeness and correctness.

Contract requirement

K23

Review closing status of punch list.

Contract requirement

K3

Final documentation and closing of punch-list Review of final documentation for completeness and correctness, punch-list completed & closed.

R

Own er

Contract requirement

H

Quality document; dossier complete Quality document; documents complete including Quality document; punch list complete (only class C items)

H/R H/R

H/R

Final documentation available (checked by main contractor) Punchlist completely checked and cleared

Quality Record

H/R

H/R

Quality document; dossier complete Quality document; documents complete including Quality document; punch list complete (only class C items)

Confirmation of installation according to contract

Release of Pre-Commissioning

LEGENDA Construction contractor should prepare the ITP together with machine OEM and receive Owner's approval before the work starts according to national standard, local requirements, Note 1 project specification and contractor company Quality Plan. At least, above items shall be included in this ITP. Additional inspection items according to National standard, project specification and engineering requirements may be added. Note 2 Responsibilities may also be required to be modified Witness point, requires invitation W: H: next activity Review R: 100% Inspection I: Sample Inspection SI :

Für weitere Fragen, die nicht direkt einen Mangel betreffen, ist das Führen einer Klärungsliste ebenfalls sinnvoll, in der in ähnlicher Weise Fragen und deren Beantwortung eingetragen werden und in den Montagebesprechungen thematisiert werden.

10.2.3 Tagesprotokolle Eine gute Transparenz des Montagefortschritts ergibt ein tägliches Protokoll mit den durchgeführten und für den kommenden Tag geplanten Arbeiten, aufgeteilt nach Fachdisziplinen. Sie sollten allgemeine Angaben wie Personaleinsatz und Wetterbedingungen enthalten, aber auch eine Fotodokumentation von besonderen Vorfällen und den Umgang damit aufzeigen. Enthalten sein sollten z. B. auch qualitätssichernde Maßnahmen wie Mock-Up-Tests vor Schweißarbeiten. Auch der HDRE-Supervisor des Maschinenherstellers sollte ein solches Tagesprotokoll für seinen Aufgabenumfang erstellen.

292

10 Maschinenmontage

10.2.4 Montagebesprechung Vor Anlieferung am Montageort, mindestens aber 6 Wochen vor Montagebeginn, sollte eine ausführliche Montagebesprechung für den zu montierenden HDREMaschinenstrang mitsamt all seinen Versorgungssystemen und Hilfsanlagen abgehalten werden. Der Teilnehmerkreis besteht aus der Montageleitung und Vertretern der relevanten Fachdisziplinen, einem verantwortlichen Vertreter des Maschinenherstellers, dem für die Beschaffung zuständigen Kontraktor und dem Endkunden bzw. Betreiber und dessen HDRE-Engineer. Auch die Personen, die für Anlagen- und Arbeitssicherheit sowie Qualitätsüberwachung an der Montagestelle verantwortlich sind, sollten an der Veranstaltung teilnehmen. Eine gute Vorbereitung und die Vorlage eines vorläufigen Ablaufplanes für die Montage sind Voraussetzung für eine erfolgreiche Montagebesprechung. Besprechungsinhalte sind mindestens • Festlegen von Maßnahmen zur Arbeitssicherheit und Beschreibung des Umfeldes am Montageort, • Festlegen der Verantwortlichkeiten, Befugnisse und Kommunikationswege zwischen den Parteien, • Vereinbaren eines groben Montageplanes mit inhaltlichem und zeitlichem Ablauf, Meilensteinen und Dokumentationspflichten, • Besprechen und evtl. Anpassen der vertraglichen Verpflichtungen sowie zugrunde liegenden Regelwerke der einzelnen Parteien, • Durchsprechen der verfügbaren Dokumente, ggf. Festlegen von Anforderungen an zusätzliche Dokumente, • Klären der Revision der verfügbaren Dokumente im Falle von Änderungen, Roteintragungen und Dokumentenrevision, • Planen des jeweils erforderlichen Personaleinsatzes seitens Montageorganisation und Maschinenhersteller, • Planen der Lagerung des Lieferumfangs vom Eintreffen an der vereinbarten Abladestelle bis zur Aufstellung am Montageort, betreffend Zwischenlagerung, Landtransport, erforderliches Hebezeug einschließlich Hebeplan und Aufstellungsplan, • Beschaffen der notwendigen Schmierstoffe und anderer Verbrauchsmaterialien, • Klären, ob alle für die Montage erforderlichen Einrichtungen und „Special Tools“ vorhanden sind, • Besprechen der Möglichkeiten zur Einflussnahme des Endkunden und seiner Beauftragten im Rahmen der Qualitätssicherung und Arbeitssicherheit, • Besprechen, wie im einzelnen mit beobachteten Mängeln umgegangen wird („Punch List“).

10.3  Warenannahme und Lagerung

293

Ab Montagebeginn sollte darüber hinaus eine regelmäßige Besprechung zwischen allen Beteiligten zum Montagestatus, Mängeln und geplanten Aktivitäten stattfinden, in der Regel im Wochenrhythmus. Zusätzlich sollte der Vertreter des Endkunden einen persönlichen Ansprechpartner haben, mit dem kurzfristige Maßnahmen besprochen werden können. Tägliche Absprachen sollten zusätzlich in kleiner Runde erfolgen.

10.3 Warenannahme und Lagerung Um die eintreffenden Waren auf Vollständigkeit und Unversehrtheit prüfen zu können, ist eine eindeutige Anlieferadresse unter Angabe eines zur Annahme und zum Unterschreiben des Lieferscheins befugten Ansprechpartners erforderlich. Alle eintreffenden Waren sollten nach Möglichkeit in einem geschlossenen Lagerraum untergebracht werden, wo sie gegen mechanische und klimatische Einwirkungen sowie Diebstahl geschützt sind. Ist dies nicht möglich, ist mittels Kunststofffolie oder Ähnlichem zumindest das Eintreten von Flüssigkeit zu verhindern. Die Lieferungen sollten gemeinsam mit einem Vertreter des Maschinenherstellers auf Vollständigkeit untersucht werden, um spätere Unstimmigkeiten zu vermeiden. Bei einer vorgesehenen „Open Box Inspection“ des Lieferumfangs sollten generell mit Folie hermetisch verschlossene Komponenten nicht geöffnet, sondern nur visuell auf Schäden und Vollständigkeit untersucht werden. Eine Entnahme aus der Folie sollte erst kurz vor ihrem Gebrauch erfolgen. Möglicherweise sind hermetisch verschlossene Komponenten auch mittels einer Stickstoff-Atmosphäre geschützt. Abb. 10.1 zeigt die „Open Box Inspection“ an einem Antriebsmotor nach Entfernung der Holzwände. Die Innenfolie ist leicht beschädigt. Alle Maschinen- und Apparateöffnungen sowie Rohrleitungselemente müssen, mit geeigneten Abdeckungen und Kappen versehen, dicht verschlossen bleiben, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Verschmutzungen sicher zu verhindern. Verpackungen mit Ersatzteilen sollten zeitnah nach Lieferung in die vorgesehenen Lagerräume gebracht und dort auf Vollständigkeit und Unversehrtheit geprüft werden. Ihre Einlagerung sollte auf Basis der übermittelten Lagerungsvorschriften erfolgen. MV-Ersatzmotoren sollten zur Vermeidung von Kondensation elektrisch beheizt werden und nicht im Freien stehen. Ersatzrotoren, die in metallischen Containern unter Stickstoffatmosphäre geliefert werden, sollten horizontal oder vertikal – so wie vertraglich vereinbart – in ihren Containern gelagert werden. Eindringen von Flüssigkeit sollte ausgeschlossen sein, von Zeit zu Zeit ist am Manometer zu prüfen, ob ausreichender Stickstoffdruck vorhanden ist. Falls zusätzliche Konservierungsmaßnahmen während der Lagerung erforderlich sind, z. B. das regelmäßige Drehen langer, horizontal gelagerter Rotoren, sollten diese mit

294

10 Maschinenmontage

Abb. 10.1   Wareneingangskontrolle mit „Open Box Inspection“ an einem Antriebsmotor. (Foto: Autor)

dem Hersteller vereinbart und auf Basis seiner Vorschriften durchgeführt und vor allem auch dokumentiert werden.

10.4 Fundamentvorbereitung Es wird davon ausgegangen, dass vor Montagebeginn die fachgerechte Auslegung und Ausführung der erforderlichen Betonfundamente bereits erfolgt ist und auch die u. a. für Ankerschrauben erforderlichen Aussparungen gemäß der vom Maschinenhersteller freigegebenen Zeichnungen vorhanden sind. Vor dem Aufsetzen der Maschine auf ihrem Fundament findet eine Prüfung durch den HDRE-Montagesupervisor des Maschinenherstellers statt. Diese Prüfung betrifft jede Komponente des Maschinenstrangs und seiner Hilfs- und Versorgungssysteme, wenn diese nicht bereits auf einem mitgelieferten gemeinsamen Grundrahmen installiert sind. Die Freigabe erfolgt, wenn alle notwendigen Bedingungen hierfür erfüllt sind. Hierzu gehören die Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit des Betonfundaments. Für eine gute Verbindung mit der Vergussmasse muss die Oberfläche mit dem Kaltmeißel aufgeraut und ggf. an Stellen vertieft sein, an denen Nivellier- oder Montageplatten bzw. Ankerschrauben eingesetzt werden. Wenn mehrere Fundamente vorhanden sind (z. B. separat für Verdichter und Antriebsturbine), müssen die Höhenlagen den Zeichnungsangaben entsprechen. Die Höhenmaße müssen so sein, dass nach einer Grobausrichtung noch ausreichend Platz ist, um die Vergussmasse aufzubringen.

10.5  Maschinenplatzierung und Grobausrichtung

295

Abb. 10.2   Nivellierung und Fixierung eines Antriebsmotors mittels Nivellierspindeln und Ankerschrauben. (Foto: Autor)

Ankerschrauben müssen innerhalb der vorgegebenen Toleranzen montiert werden und der zwischen Hersteller und Kunden vereinbarten Ausführung entsprechen. Die Montage kann bereits vor der Fundamentprüfung erfolgen. Um die Ankerschrauben in ihrer festgelegten Position vertikal einzubringen, sollte ihre Lage so lange fixiert werden, bis die verwendete Vergussmasse getrocknet ist. Das Vergießen kann alternativ auch nach dem Aufsetzen des Maschinengrundrahmens erfolgen. Nivellierplatten (für die Höhenausrichtung mittels Nivellierspindeln) und Montageplatten (für Apparate ohne eigenen Grundrahmen) werden grob vermessen und mittels Vergussmasse an den dafür vorgesehenen Stellen in horizontaler Lage befestigt. Diese Situation ist in Abb. 10.2 dargestellt. Die betonierte Oberfläche des Fundamentes wurde „abgespitzt“ und die Ankerschraube vergossen. Der Schlitten, hier für einen Antriebsmotor, wurde mittels Nivellierspindeln horizontal ausgerichtet und mittels Ankerschrauben fixiert.

10.5 Maschinenplatzierung und Grobausrichtung Nach Freigabe des Fundaments durch den Montagesupervisor des Maschinenherstellers können die Maschinen und Apparate zum Aufstellungsort transportiert und dort eingebracht werden. Bei ausreichender Arbeitshöhe kann dies mittels Autokran geschehen, bei Aufstellung in einer Maschinenhalle auch mit einem dafür vorgesehenen Hallenkran. Das Anheben erfolgt gemäß der Hebevorschrift des Herstellers, ggf. mit einer lokal angefertigten Hebestange. Bei Aufsetzen auf dem Fundament ist darauf zu achten, dass Nivellierspindeln vorbereitet und grob höhenausgerichtet sind und vorstehende Ankerschrauben nicht beschädigt werden. Die Mittellinie der Maschine sollte exakt über der auf dem Funda-

296

10 Maschinenmontage

Abb. 10.3   Antriebsmotor und Verdichter auf gesonderten Fundamenten. (Foto: Autor)

ment zuvor aufgezeichneten Mittellinie stehen. Einstellung der vertikalen Lage und horizontale Ausrichtung von Grundrahmen bzw. Schlitten erfolgt dann mittels der Nivellierspindeln. Die auf die Nivellierspindeln übertragenen Kräfte sollten nahezu gleich sein. Die Ausrichtung erfolgt unter Einhaltung der Herstellervorschriften und wird durch den Montagesupervisor überwacht. Die maximal zulässige Abweichung von der Horizontalen liegt in einer Größenordnung von 0,1 … 0,2 mm/m. Kommen Nivellierplatten zum Einsatz, sollten diese aus Edelstahl bestehen und eine Mindestdicke von 20 mm aufweisen. Werden weitere Edelstahl-Unterlegscheiben in unterschiedlichen Dicken zur Nivellierung aufgesetzt, sollte eine maximale Anzahl von 3 nicht überschritten werden, um Federeffekte zu minimieren. Für das spätere Vergießen von Grundplatte bzw. Schlitten sollte 25 bis maximal 50 mm Platz sein, um einen homogenen Verguss zu erlauben. Nach Lösen der Nivellierspindeln und Anziehen der Ankerschrauben wird die Nivellierung nochmals überprüft. Wenn der Montageort nicht ohnehin überdacht und vor Verschmutzungen geschützt ist, sollte die Maschine mindestens mit einer Plane abgedeckt und eine provisorische Überdachung angebracht sein, um Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz wirksam zu verhindern. Abb. 10.3 zeigt einen auf einem Schlitten montierten Antriebsmotor auf gesondertem Fundament. Der auf eigenem Grundrahmen montierte Verdichter steht tiefer auf einem Fundament in Bodenhöhe. Der Montageort ist überdacht.

10.7 Maschinenstrang-Feinausrichtung

297

Abb. 10.4   Montagesituation bei einem Hubkolbenverdichter. (Foto: Autor)

10.6 Montage von Behältern und Versorgungsanlagen In ähnlicher Weise werden auf ihrem Grundrahmen mitgelieferte Versorgungsanlagen wie Systeme für Sperrgas, Schmier- und Steueröl und/oder Kühlwasser nivelliert, mit Ankerschrauben befestigt und vergossen. Deren Verbindungsleitungen zum Maschinenstrang werden vor Ort hergestellt oder in Form vorgefertigter Leitungsstücke mitgeliefert, die vor Ort in ihren Längen angepasst, verschweißt, druckgeprüft, gebeizt und gereinigt werden. Weiterhin werden die mitgelieferten oder vor Ort hergestellten Halterungen und Stützen für Behälter, Wärmeübertrager und Rohrleitungen in ihrer vorgesehenen korrekten Position aufgebaut und ausgerichtet. Abb. 10.4 zeigt eine Montagesituation eines Hubkolbenverdichters mit Stützen für Rohrleitungen und Behälter vor dem Vergießen.

10.7 Maschinenstrang-Feinausrichtung Die Feinausrichtung des komplettierten Antriebsstrangs erfolgt ohne angeschlossene Rohrleitungen, zunächst auch ohne Kupplungen. Zuvor müssen Transportlager durch Originallager ersetzt und die Wellenabdichtungen eingebaut sein. Bei Lagern, deren Schmierung nicht über das Schmierölsystem mit erfolgt, z. B. bei fettgeschmierten Lagern von Ventilatoren, ist auf eine ausreichende Befüllung mit Fett zu achten.

298

10 Maschinenmontage

Abb. 10.5   Temperatur-Offset zwischen Komponentenachsen

Die Strangausrichtung erfolgt immer von einem Festpunkt aus. Dies ist in der Regel das Getriebe. Bei einem von einer Dampfturbine angetriebenen Maschinenstrang ist es wegen der hohen Steifigkeit der Abdampfleitung die Austrittsseite der Dampfturbine. Ein elektrischer Motor kann generell kein Festpunkt sein. Die Justierung erfolgt dann an der nächsten Strangkomponente, die danach als Festpunkt für evtl. weitere Strangkomponenten dient. Die Feinausrichtung erfolgt in der Regel unter Verwendung von Messuhren, in manchen Fällen kommen auch optische Messverfahren zum Einsatz. Die Qualität der Ergebnisse ist dabei sehr von der Erfahrung der ausführenden Personen abhängig. Es wird daher empfohlen, dass die Feinausrichtung zunächst durch den Montagesupervisor des Maschinenherstellers erfolgt und dann nochmals auf Reproduzierbarkeit unter Teilnahme des Endkunden geprüft wird. Für die Ausrichtung sollte Antriebsmotor oder Generator axial in seinem magnetischen Zentrum positioniert sein, weiterhin sollte das jeweilige Axialspiel der Strangkomponenten berücksichtigt werden. Da die Ausrichtung im kalten Zustand erfolgt, ist zusätzlich der rechnerisch ermittelte Offset der Maschinenachsen zu berücksichtigen, s. Abb. 10.5. Die horizontale Justierung erfolgt in der Regel über horizontal angebrachte Nivellierspindeln, die anschließend wieder gelöst werden. Abb. 10.6 zeigt die Anordnung von Messuhren an den Kupplungsflanschen zweier Strangkomponenten mit einem aufgesetzten Zentrierwerkzeug. Die jeweiligen Messergebnisse werden zusammen mit den Designwerten und den zulässigen Toleranzen in einem Protokoll aufgezeichnet. An der Freigabe wie auch an den später folgenden Freigaben sollte unbedingt auch der HDRE-Engineer des Endkunden beteiligt sein. Nach Freigabe der Feinausrichtung wird der Grundrahmen bzw. Schlitten mit einem von Maschinenhersteller, Käufer und Endkunden zugelassenen Epoxidharz-Verguss auf dem Fundament vergossen. Eine Alternative hierzu ist ein schrumpffreier Vergussmörtel. Vor Inbetriebnahme werden die Strangkomponenten vertikal verdübelt. Eine Kontrolle der Feinausrichtung erfolgt nach Anbringen der Prozessrohrleitungen.

10.8 Rohrleitungsinstallation

299

Abb. 10.6   Messuhr-Anordnung

Der Prozess der Ausrichtung kann je nach Situation sehr viel Zeit in Anspruch nehmen, je nach Komplexität des Strangs auch mehrere Wochen. Es wird explizit davon abgeraten, die Reihenfolge der Ausrichtung zu ändern, z. B. weil eine Antriebs-Dampfturbine ersetzt wird und die Befestigungsschrauben des angetriebenen Maschinenstrangs stark korrodiert sind. Diese sollten auch bei erhöhtem Zeitbedarf entfernt und durch neues Material ersetzt werden.

10.8 Rohrleitungsinstallation Da die HDRE-Maschine selbst nur eine geringe Möglichkeit hat, Stutzenkräfte und Stutzenmomente aufzunehmen, ist die Montage der Prozessrohrleitungen an die Maschinenflansche ein besonders kritischer Punkt bei der Montage. Es empfiehlt sich eine ausführliche Prüfung aller Arbeitsschritte und deren Ergebnisse während der Montagephase. Prozessleitungen werden am Maschinenstrang erst dann angebracht, wenn Verguss und Feinausrichtung sowie Schweißarbeiten beendet sind. Auch die permanenten Leitungshalterungen wie Festpunkte, Schiebelager und Federlager müssen bereits korrekt installiert sein. Federhänger oder Federstützen sind dabei in ihrer Kaltausrichtung arretiert. Erst wenn die Rohrleitung fertig montiert ist, einschließlich der Anfahrsiebe mit ihren Passstücken sowie weiterhin Schalldämpfer und Armaturen, erfolgt ihre Befestigung am Maschinenflansch. Um eine gleichmäßige Zuströmung zur Turboverdichter-Saugseite zu gewährleisten, sollte zwischen dem Eintrittsflansch und dem davor liegenden Rohrbogen ein Abstand von mindestens 3 … 5 Rohrdurchmessern vorliegen, wie mit dem Maschinenhersteller vereinbart.

300

10 Maschinenmontage

Vor der Montage müssen ferner die Rohrleitungen druckgeprüft, gebeizt, getrocknet und gereinigt sein. Die Reinigung erfolgt oft durch Ausblasen mit Luft oder Dampf. Bei Dampfturbinen ist hier auf eine strenge Entkopplung der Temperatureinflüsse auf die Turbine selbst zu achten. Bei zu großer Erhitzung der bereits an der Turbine angeschlossenen Abdampfleitung kann es zu horizontalen Verschiebungen des Turbinengehäuses kommen, die nur unter hohem Aufwand wieder berichtigt werden können. Alle Rohrleitungselemente müssen nach dem Ausblasen vor erneuter Verschmutzung mittels fester Endverschlüsse geschützt werden, z. B. durch Kunststoffeinsätze oder metallische Platten mit Gummidichtung. Auch kleinere Rostpartikel oder Staub können die Maschine bei Inbetriebnahme beschädigen. Insbesondere dürfen beim Anschluss der Prozessleitungen an die Eintritts- und Austrittsflansche der Maschine keine hohen Kräfte und Momente eingeleitet werden. Deswegen müssen sie vom letzten Festpunkt aus so ausgerichtet sein, dass die Flansche von Rohrleitung und Maschinenstutzen innerhalb gewisser Toleranzen (0,2 … 0,5 mm je nach Leitungsdurchmesser) parallel liegen. Diese Toleranzen werden meist vom Hersteller vorgeschrieben. Dazu dürfen die Rohrleitungen nicht seitlich verschoben werden. Die Flanschschrauben sollten dann durch einfaches Drücken von Hand eingepasst werden. Kritisch ist der Anschluss besonders bei langen Leitungen, die z. B. die Einzelstufen bei Getriebe-Turboverdichtern verbinden und horizontal angeordnet sind, denn diese reagieren besonders empfindlich auf vorhandene Kräfte und Momente. Hier ist besonders auf eine korrekte Halterung zu achten. Vertikal gerichtete Anschlussleitungen an Einwellen-Verdichtern sind diesbezüglich weniger empfindlich. Erst nachdem die Flanschschrauben locker befestigt sind, werden sie über Kreuz mit einem Drehmomentschlüssel festgezogen. Um zu prüfen, ob es dabei zu einer Änderung der horizontalen und vertikalen Wellenausrichtung kommt, werden an geeigneten Stellen der Maschine Messuhren angebracht. Alternativ dazu können optische Messmethoden angewendet werden. Falls eine solche Änderung der Ausrichtung um mehr als z. B. 0,05 mm gemessen wird, werden die Schrauben gelöst und nochmals festgezogen. Wenn die Änderung der Wellenausrichtung immer noch auftritt, muss eine Korrektur der Verrohrung und/oder der Rohrhalterungen erfolgen. Nur eine sehr geringfügige Änderung der Wellenausrichtung könnte auch durch erneute Ausrichtung der Maschine ausgeglichen werden. Dabei muss Maschine und Grundplatte jedoch erneut verdübelt werden. Alle gemessenen Daten vor und nach Anbindung der Rohrleitungen einschließlich der Anzugsmomente werden dokumentiert. Die Funktion von Federstützen und Federhängern wird geprüft, indem ihre Arretierungen entfernt werden. Dabei sollten sich keine Lageänderungen ergeben, gegebenenfalls muss ihre Kalteinstellung geändert werden. Mögliche Änderungen der Maschinenausrichtung während der Tests werden auch hier mit Messuhren oder optischen Geräten erfasst.

10.8 Rohrleitungsinstallation

301

Abb. 10.7   Rohrleitungsflansch mit Erdungsverbindung. (Foto: Autor)

Bei Zudampfleitungen entstehen Rohrleitungskräfte wegen ihrer hohen Temperaturen hauptsächlich durch thermische Expansion. Somit ist darauf zu achten, dass die Verlegung so elastisch erfolgt, dass weder im Kaltzustand noch im heißen Betrieb unzulässige Spannungen auf den Turbineneintrittsflanschen auftreten. Sinngemäß gilt dies auch für Verdichter, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Abdampfleitungen sind meist groß und steif und sollten deshalb geeignete Kompensatoren enthalten. Bei Kondensationsturbinen sollte dazu auch die Lagerung und Ausrichtung des Abdampfkondensators geprüft werden. Diese Prüfungen sollten vor der Erstinbetriebnahme wiederholt werden. Empfohlen wird auch, sich hierzu nochmals die vorliegende Rohrleitungsberechnung erklären zu lassen und sie zu prüfen. Ein spezieller Verweis gilt in diesem Zusammenhang auch auf weitere Informationen in der API RP 686, Part VI, Annex C, „Steam Piping for Turbines“. Wenn mehrstufige Verdichter mit Wärmeübertragern als „Single Lift Unit“ montiert wurden, sollte ein Test der Spannungsfreiheit der Zwischenverrohrung durchgeführt werden, indem stichprobeweise Flanschverbindungen geöffnet werden. Längs- und Seitwärtsbewegungen der Rohrleitungen und des Verdichters werden dabei wiederum mit Messuhren überwacht. Treten hier Verschiebungen auf, so müssen die Rohrleitungen nochmals angepasst werden, in Einzelfällen auch verbunden mit Schweißarbeiten. Auf eine gute Erdungsverbindung über die Flansche hinaus sollte geachtet werden. Für die Rohrleitungsflansche verwendete Schrauben und Muttern müssen aus geeignetem Material (Edelstahl bei Edelstahlflanschen) bestehen und geprüft sein. Ihre Länge sollte so bemessen sein, dass nach Festziehen 2 … 4 Windungen des Gewindes herausstehen. Abb. 10.7 zeigt eine korrekte Anordnung mitsamt Erdungsverbindung. Schweißarbeiten an Rohrleitungen in der Nähe des Montageortes müssen so ausgeführt werden, dass Beeinträchtigungen an benachbarten Apparaten vermieden werden.

302

10 Maschinenmontage

Auf eine korrekte Erdung sollte dabei ebenfalls geachtet werden, um Streuströme zu vermeiden. Die Schweißarbeiten werden so durchgeführt und geprüft, wie es in den entsprechenden Schweißanweisungen festgelegt wurde. Auf eine sorgfältige Entfernung von Schweißperlen und anderen Rückständen und Reinigung ist zu achten. Nach Schweißarbeiten sollte nochmals eine hydrostatische Druckprüfung vorgenommen werden.

10.9 Entlüftungen, Entwässerungen, Sicherheitsarmaturen Geprüft wird, ob alle Apparate und Rohrleitungen funktionsbereite Hochpunkt-Entlüftungen und Tiefpunkt-Entleerungen besitzen. Im Rahmen der Loop-Checks muss auch die Funktion automatischer Entleerungen geprüft werden. In allen beidseitig absperrbaren Rohrleitungsstücken müssen Sicherheits- bzw. Druckentlastungsventile vorgesehen sein, die vor ihrem Einbau von einer zertifizierten, ggf. betrieblichen Stelle geprüft wurden. Dies muss an den Armaturen gekennzeichnet sein, ebenso deren Ansprechwerte.

10.10 Isolierung und Begleitbeheizung 10.10.1 Berührungsschutz Alle Oberflächen mit einer Temperatur oberhalb von 60 °C werden generell aus Gründen des Arbeitsschutzes mit einem Berührungsschutz oder Isoliermaterial versehen.

10.10.2 Isolierung von Rohrleitungen und Apparaten Eine Wärmeisolierung erhalten Rohrleitungen und Apparate in der Regel, um Wärmeverluste und möglicherweise damit einhergehende Kondensation von Gaskomponenten zu vermeiden, und um Einfrieren von Leitungen bei Anlagenstillstand oder an Tiefpunktentleerungen zu verhindern. Die Auslegung der Isolierung an Behältern und Rohrleitungen im Zusammenhang mit einer Maschinenlieferung erfolgt in der Regel durch den Maschinenhersteller. Das Aufbringen zusammen mit einer eventuell vorgesehenen elektrischen oder dampfbetriebenen Begleitbeheizung nimmt der Montagekontraktor gemäß Vorgaben bezüglich Materialien, Dicken und Befestigungen vor. Klammern oder Ähnliches zur Befestigung sollten auf den Behälteroberflächen bereits aufgebracht sein. Nähere Angaben dazu finden sich auf den R&I-Fließbildern bzw. den Behälterzeichnungen.

10.10  Isolierung und Begleitbeheizung

303

Abb. 10.8   Rohrisolierung an einem Schieber. (Foto: Autor)

Besonderes Augenmerk ist hier auch auf Messleitungen sowie Tiefpunktentleerungen zu richten. Flansche sollten nur dann direkt mit in die Isolierung eingefügt werden, wenn an ihrem Platz keine Steckscheiben oder Messeinrichtungen eingebaut sind. Verdeckte Steckscheiben insbesondere im Ansaugbereich von Verdichtern können bei Inbetriebnahme und nach Abstellungen zu Schäden aufgrund von Unterdruck führen. Abb. 10.8 zeigt ein korrektes Beispiel der separaten Isolierung an einem Schieber. Bei der Montage muss unbedingt vermieden werden, dass sich in den Isolierstoffen durch Regen oder andere Einflüsse Nässe ansammelt.

10.10.3 Isolierung von Dampfturbinen Die Gehäuse von Dampfturbinen sollten in allen Fällen wärmeisoliert werden. Als Isolierung werden zugeschnittene, ölresistente Matten verwendet. Die Lieferung der entsprechenden Matten erfolgt im Allgemeinen durch den Hersteller der Dampfturbine. Die Isolierung muss den Zugang zum Flansch und zur Gehäuseverschraubung ermöglichen, ohne dass sie beim Abnehmen beschädigt wird. Auf eine an allen Gehäuseoberflächen enganliegende und umfassende Montage der Dämmmatten sollte geachtet werden, um die Oberflächentemperaturen entlang des Turbinengehäuses und insbesondere an Teilfugen möglichst gleichmäßig zu halten. Gerade an Teilfugen können andernfalls Dampfleckagen auftreten. Um Brände zu vermeiden, muss zudem darauf geachtet werden, dass Ölleckagen aus Steuer- und Schmierölsystemen nicht auf heiße Metalloberflächen auftreffen können.

304

10 Maschinenmontage

10.11 Elektroinstallation, Instrumentierung Prüfungen der elektrischen Installation werden am Maschinenstrang, im Schaltraum und in der Anlagenleitwarte durchgeführt. Dies ist Aufgabe der Fachdisziplin Elektrotechnik, wie auch die Prüfung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) durch Batterien und Akkus. Vor Inbetriebsetzung der HDRE-Maschineneinheiten sind entsprechende Freigaben erforderlich. Am Maschinenstrang selbst sollte eine kompletter Vergleich der Ist-Situation zu den R&I-Fließbildern durch den HDRE-Engineer erfolgen. In einigen Fällen stimmt die Lage von Armaturen oder Instrumentenanschlüssen, ggf. auch ihre Bezeichnungen, nicht überein und muss deshalb revidiert werden. Für Armaturen wie Rückschlagklappen sollte zusätzlich die korrekte Einbaurichtung überprüft werden. Bezüglich der Instrumentierung sollten die Messleitungen auf geeignete Halterung und Isolierung überprüft werden. Flüssigkeitsansammlungen, die die Messungen beeinträchtigen, müssen ausgeschlossen werden. Für verschiedene Messsysteme ist die Lage der Anschlussstellen (oben, seitlich, unten) entscheidend. Sind Schaugläser zugänglich und bezüglich der Leitungsausrichtung (vertikal, horizontal) korrekt installiert? Ist die Erdung der einzelnen Komponenten korrekt erfolgt? Es sollte weiterhin festgestellt werden, ob Regelkreise und Instrumentierung so ausgelegt sind, dass ihre Funktion ohne laufenden Prozess und, wenn realisierbar, auch während des Betriebs überprüft werden kann. Wichtig ist auch eine gut geschützte Kabelführung ohne die Gefahr des Knickens oder des Reibens an vibrierenden Oberflächen, oft unter Zuhilfenahme von Schutzummantelungen. Auch zu kurze Kabel gehören auf die Mängelliste. Die Verkabelung zwischen Anschlussschränken („Junction Box“) am Maschinenstrang und Schaltschränken oder Anfahrschrank vor Ort erfolgt gewöhnlich durch den Montagekontraktor, der vom Maschinenhersteller eine genaue Angabe der Art der Verkabelung benötigt. Angaben dazu findet man in den R&I-Fließbildern und im Verkabelungsdiagramm. Die erforderlichen Kabel mit entsprechenden Kabellängen müssen dazu bereits im Vorfeld beschafft worden sein, ggf. ist ihre Verlegung auch bereits erfolgt. Wichtig ist eine eindeutige und umfassende Beschriftung der Kabelenden, sodass weder im Schaltschrank noch am Anschlussschrank Verwechslungen möglich sind. Wenn die Verkabelung und deren Tests und Dokumentation erfolgt sind, können die Loop-Checks sowohl der Signalübertragung zu und von den elektrischen Verbrauchern als auch die Loop-Checks der PLT-Stellen und ihre detaillierte Dokumentation erfolgen. Dabei sollten auch alle bereits werksseitig getesteten Hardware- und Systemsoftwareprüfungen nochmals wiederholt werden. Zu diesen gehören Batterie- und Diagnosetests, Erdung, Schranküberwachung und -kühlung, Beschilderung und Beschriftung, Simulation eines Spannungsausfalles, Redundanztest. Alle Funktionen werden simuliert, d. h. Verarbeitung der Eingangssignale, Signalwege in beiden Richtungen,

10.12  Schallschutz und Luftfilter

305

Alarmierungen und Verriegelungen, Regelungsparameter, prozessrelevante und sicherheitsgerichtete Steuerungen und Schrittketten. Diese Prüfung kann zeitaufwendig sei, vor allem wenn die Neukalibrierung von PLT-Stellen erforderlich ist. Ein einzelnes Team kann so täglich etwa 20 … 40 PLT-Stellen prüfen. Die Funktionstests sollten in Zusammenarbeit mit dem Personal der Anlagenleitwarte durchgeführt werden, um auch die Übertragung der Signale in beiden Richtungen und die Darstellung auf den Bildschirmen zu prüfen. Überprüft wird unter Teilnahme des HDRE-Supervisors und des Endkunden auch die Darstellung auf dem Bildschirm im Steuerschrank (Mensch-Maschine-Schnittstelle, „Human Machine Interface“, HMI), außerdem die Zugangsberechtigungen für verschiedene Personenkreise. Darstellungen sollten im Wesentlichen ähnlich wie im R&IFließbild erfolgen. Kennfelder und die Betriebspunkte sollten mit dargestellt werden. Erforderlich ist auch eine Alarmliste mit konsistenter Zeitstempelung sowie die Darstellung mit Änderungsmöglichkeit aller Messwerte mit ihren Alarmierungen und Ersatzwerten. Ersatzwerte sind dabei plausible Werte, die unter Nutzung aller verfügbaren Informationen anstelle eines fehlenden oder nicht plausiblen Messwertes gebildet und an Stelle des Messwertes benutzt werden. Verwendet wird z. B. ein Standardwert, der letzte verfügbare Wert, ein Minimal- oder Maximalwert, ein berechneter Wert oder ein Wert aus einer anderen Messung. Gesondert wird hier auf die Notwendigkeit einer Justierung der Schwingungssonden und eine spezifische Kalibrierung der Axialstandssonden hingewiesen, siehe hierzu API STD 6702 (2014), Fig. 24.

10.12 Schallschutz und Luftfilter Schallschutzhauben, Ansaugluftfilter und Schalldämpfer werden in der Regel nach Anforderung durch Schallgutachten und auf Basis von Maschineninformationen von spezialisierten Firmen hergestellt und geliefert. Die Montage erfolgt durch den Montagekontraktor. Speziell sollte auch die Verarbeitungs- und Montagequalität überprüft werden.

10.12.1 Schallschutzhauben und Luftfilter Auf das schalltechnische Schnittstellenproblem wurde bereits hingewiesen, das sich ergibt, wenn der Maschinenhersteller die Schallschutzkomponenten nicht selbst beschafft. Falls die Schallanforderungen außerhalb der Schallschutzhaube

2 API

Standard 670 (November 2014), Machinery Protection Systems, 5th ed. American Petroleum Institute.

306

10 Maschinenmontage

nicht ­eingehalten werden, ist schwer zu klären, welche Partei die Verantwortung zu Änderungen und Verbesserungen hat. Schallschutzhauben stehen aufgrund der Luftumwälzung durch Zwangsbelüftung oft unter Unterdruck. Auch unter diesen Voraussetzungen ist es aus Sicherheitsgründen notwendig, dass Türen und Tore jederzeit ohne Kraftanstrengung geöffnet werden können. Im Rahmen der Loop-Checks sollten die meist redundant (z. B. 2 × 100  %, 3 × 50  %) vorhandenen Ventilatoren mit getestet werden, besonders auch ihre automatische Umschaltung im Falle des Ausfalls des laufenden Ventilators. In der Schallschutzhaube befindliche Feuerschutzvorrichtungen, Beleuchtungen, Gasmesseinrichtungen und andere erforderliche Einrichtungen müssen sich an geeigneten Stellen befinden. Geprüft werden sollte die Ausbaubarkeit der einzelnen Wand- und Deckenelemente, die Zugänglichkeit bei Wartungsarbeiten (insbesondere muss ein Wechseln der Ölfilter und der Rohrbündel von Wärmeübertragern möglich sein), eine zweckmäßige Position für Betriebspersonal für das Ablesen lokaler Instrumente, sowie ausreichend breite, unverstellte Fluchtwege. Die Fluchtwege können manchmal durch die Installation der Hochspannungskabel zum Antriebsmotor beeinträchtigt sein, bei Getriebe-Turboverdichtern möglicherweise zusätzlich durch die Ansaugleitung. In manchen Fällen ist eine Zugangskontrolle und ein Alarmsignal beim Betreten der Schallschutzhaube erforderlich, mindestens dann, wenn nur bestimmtes Personal Zutritt haben soll oder generell ein Betreten wegen Gasatmosphäre nur mit Schutzkleidung erlaubt ist. Vergleichbares gilt auch für einen Ansaugluftfilter. Abb. 10.9 zeigt den Ansaugluftfilter sowie die Schallschutzhaube eines GetriebeTurboverdichters für Umgebungsluft während der Rohrleitungsmontage. Rohrbogen und auf dem Boden gelagertes Passstück der Druckleitung sind noch nicht montiert. Der Lufteintritt in den Filter befindet sich in einer Hochposition, allerdings relativ nahe der benachbarten Anlage. Auf der gegenüberliegenden Seite der Schallschutzhaube befindet sich eine zusätzliche zweiflügelige Tür, um einen Fluchtweg nach beiden Seiten zu ermöglichen. Die Schallschutzelemente können zu Wartungszwecken einzeln entfernt, die Dachelemente mit dem Kran ebenfalls einzeln abgenommen werden. Der Ansaugluftfilter ist begehbar und zweistufig aufgebaut. Zu Wartungszwecken kann jeweils eine Hälfte mechanisch abgetrennt werden, sodass ein Austausch der Filterelemente bei laufendem Verdichter möglich ist.

10.12.2 Rohreinbauten Im Ansaugbereich von Verdichtern liegende Rohrteile mit Einbauten wie Schalldämpfer müssen darauf geprüft werden, ob alle Schweißnähte eine gute Qualität aufweisen und keine Teile oder Partikel sich lösen, in Verdichter bzw. Turbine eindringen und dort Laufräder oder Schaufeln beschädigen können.

10.13 Begehbarkeit

307

Abb. 10.9   Ansaugluftfilter und Schallschutzhaube eines Verdichters. (Foto: Autor)

Insbesondere gilt dies auch für Anfahrsiebe, speziell wenn sie nach Inbetriebnahme aus betrieblichen Gründen nicht wieder ausgebaut werden sollen. Hier ist mit dem Hersteller zu prüfen, ob sie auch für den kontinuierlichen Einsatz ausgelegt sind. Bei konischen Anfahrsieben sollte auch die korrekte Einbaurichtung geprüft werden. Partikel sollen sich in ihrem Aussenbereich ansammeln und nicht die Hauptströmung beeinträchtigen.

10.13 Begehbarkeit Teilweise werden maschinennahe Leitern und begehbare Bühnen vom Maschinenhersteller mitgeliefert, teilweise aber auch vom Montagekontraktor beschafft. Neben der Einhaltung aller Anforderungen an die Arbeitssicherheit ist darauf zu achten, dass eine gute und einfache Zugänglichkeit zu allen Positionen möglich ist. Dies gilt im Rahmen von betrieblichen Begehungen, Instrumentenablesungen und Einstellvorgängen, besonders aber auch für spätere Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. An Stellen, die nur selten zugänglich sein müssen, kann man sich auch mit mobilen Podesten begnügen. Sicher gestellt werden muss auch, dass alle Maschinenkomponenten, die bei Instandhaltungsarbeiten ausgebaut und entfernt werden müssen, über geeignete Hebezeuge

308

10 Maschinenmontage

Abb. 10.10   Kollision einer Rohrleitung mit einer Bühne. (Foto: Autor)

bzw. Träger für Laufkatzen erreichbar sind, und diese auch abtransportiert und abgelegt werden können. Die Gefahr von Kollisionen zwischen Gittern und Rohrleitungen kann groß sein, wenn nicht alle Maße korrekt geplant oder ausgeführt sind. Wie in Abb. 10.10 ersichtlich, liegt dort eine Rohrleitung zu nahe an der korrekt ausgeführten Durchtrittssicherung. Rohrleitungen wie auch Kabel dürfen keinesfalls andere Komponenten, Gebäudestrukturen oder Wände berühren.

10.14 Versorgungssysteme Bei den Versorgungssystemen handelt es sich in der Regel um Öl- und Sperrgassysteme. Dazu kommen Sekundärkühlwasser- oder Heizsysteme, z. B. für Hubkolbenverdichter, sowie deren Zylinderschmierung. Ebenso sind Einspritzsysteme für Schraubenverdichter oder zur periodischen Abreinigung von Turbinenschaufeln und Verdichterlaufrädern zu nennen.

10.14.1 Ölversorgungssysteme Besonders kritisch ist die Sauberkeit der Ölversorgungssysteme. Kleinste Feststoffpartikel oder die Anwesenheit von Wasser im Öl können eine Beschädigung der Lager hervorrufen. Deshalb muss vor Inbetriebnahme eine umfangreiche Reinigung der Leitungen innerhalb des Ölkreislaufes einschließlich des Öltanks selbst erfolgen. Die

10.14 Versorgungssysteme

309

Abb. 10.11   Nicht ausreichend dimensionierter Kupplungsschutz einer Ölpumpe. (Foto: Autor)

Reinigung ist zeitaufwendig und kann in Einzelfällen mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Auch die Außenseiten des Öltanks sollten gereinigt werden. Vor Befüllen des Öltanks muss geprüft werden, ob die wasserrechtlichen Voraussetzungen erfüllt sind, ob z. B. das Ablaufen ins Erdreich bei einer Leckage ausgeschlossen ist. Eine Möglichkeit zur Erfüllung dieser Anforderung ist eine geeignete dichte Betonwanne, die die gesamte Ölmenge des Tanks aufnehmen kann. Ist nicht klar, ob das meist in Tonnen gelieferte Öl ausreichend rein ist, so wird beim Befüllen die Nutzung einer mobilen Ölreinigungsanlage mit Feinfilter empfohlen. Ansonsten sollte das Öl zumindest über ein feinmaschiges Sieb in den Tank gefüllt werden. Weiterhin sollte als Eingangskontrolle eine stichprobeweise Ölanalyse nach ISO 44063 durch ein qualifiziertes Prüflabor erfolgen. Die Verrohrung zwischen einem frei stehenden Versorgungssystem und dem Maschinenstrang muss vor dem Funktionstest abgeschlossen sein. Die Lagerung sollte schwingungsfrei und steif erfolgen, die Lage ihrer Stützen darf keine Wartungs- und Fluchtwege beeinträchtigen. Ein Funktionstest ist nur dann zu diesem Zeitpunkt möglich, wenn Hilfsenergien, Sperrgas und Instrumentenluft bereits freigeschaltet sind bzw. ein provisorischer Anschluss möglich ist. Der Vorgang des Ölspülens könnte auch mittels einer externen Ölpumpe erfolgen. Ein sicherheitstechnischer Check ist ebenfalls sinnvoll. Abb. 10.11 zeigt einen Kupplungsschutz in nicht ausreichender Länge. Dieser war zum Zeitpunkt des Werkstests nicht verfügbar und wurde mit fehlerhaften Maßen nachgeliefert. Eine erneute Nachlieferung mit korrekten Maßen ist erforderlich.

3  ISO

4406:2021-01, Hydraulic fluid power – Fluids – Method for coding the level of contamination by solid particles. Beuth-Verlag, Berlin.

310

10 Maschinenmontage

Zum Spülen des Ölsystems wird in der Regel die Hilfsölpumpe mit elektrischem Antrieb verwendet. Deren Antriebsmotor wird zunächst einem Drehrichtungstest unterzogen und dann mit der Pumpe gekuppelt. Wenn vorhanden, sollte auch an dem Antriebsmotor für einen Öldunstabscheider ein Drehrichtungstest durchgeführt werden, um spätere Ölleckagen wegen Überdruck im Öltank zu vermeiden. Der primäre Spülvorgang erfolgt unter Umgehung der Lager. Idealerweise wird hierfür ein spezielles Spülöl verwendet. An einem Flansch in der Rückführleitung werden über ein feinmaschiges Sieb mit 0,10 … 0,15 mm Maschenweite restliche Partikel gesammelt. Dieses Sieb, sowie die installierten Ölfilter, werden regelmäßig auf Rückstände untersucht und gereinigt oder ersetzt. Dabei sollte die Öltemperatur deutlich variiert werden. Dieser Spülvorgang sollte detailliert einschließlich der erforderlichen Qualitätsanforderungen in einer Anweisung des Maschinenherstellers beschrieben sein. Dieser Vorgang kann erst dann beendet werden, wenn im Sieb keine harten Partikel mehr zu finden sind. Das Spülöl wird dann in noch warmem Zustand abgelassen und entsorgt. Der sekundäre Spülvorgang erfolgt dann unter Verwendung des Original-Öls. Da das Sperrgassystem zur Vermeidung von Öleintritt in den Dichtungsbereich in Betrieb sein muss, sollte dieses zuvor gereinigt, gespült und getestet werden. An den Stutzen der Ölzuführung zu den Maschinenlagern und zum Getriebe sowie in der Ölrückführung werden wieder feinmaschige Siebe installiert. Der sekundäre Spülvorgang für das Öl erfolgt dann wieder gemäß der Anweisung des Maschinenherstellers, bis keine harten Partikel mehr in den Sieben zu finden sind. Parallel zum Ölspülen könnte nochmals eine Reinigung des Öls im Öltank mittels einer mobilen Ölreinigungsanlage erfolgen. Primärer und sekundärer Spülvorgang sollten vorab auch in einem R&I-Fließbild anschaulich dargestellt werden. Wenn aufgrund einer weiteren Ölanalyse das Öl nicht ausgetauscht werden muss, ist das Ölsystem dann bereit für den Funktionstest. Bei diesem werden alle Betriebsparameter sowie Umschaltvorgänge geprüft. Die Einstellung der Druckreduzier- und Regelventile erfolgt bei Betriebstemperatur. An den Schaugläsern muss erkennbar sein, ob Durchfluß herrscht. Völlige Füllung sollte deshalb vermieden werden, ebenso ist Schaumbildung nicht akzeptabel.

10.14.2 Sperrgassysteme Nach dem Anschluss des Sperrgassystems bzw. der Sperrgassysteme einschließlich eventueller Booster-Anlagen an den Maschinenstrang wird auch dieses gespült, vorzugsweise mit trockener Instrumentenluft, und ebenfalls mit an den Übergabestellen zum Maschinenstrang montierten feinmaschigen Sieben ausgerüstet. Der Testlauf kann dann beendet werden, wenn harte Partikel und Verfärbungen in den Sieben nicht mehr auftreten. Wenn das Sperrgassystem von Hubkolbenverdichtern betriebene Booster enthält, sollten auch Druckschwankungen in der Nähe der Übergabestellen überprüft werden.

10.15  Weitere Funktionstests

311

Flüssigkeits-gedämpfte Druckanzeigen können nur lange Pulsationsperioden wiedergeben. Ungedämpfte Druckanzeigen können zwar Druckpulsationen durch schnelle Ausschläge anzeigen, aber nicht deren Amplituden. Für eine genauere Bestimmung ist hierfür der temporäre Einsatz von dynamischen Drucksensoren erforderlich. Druckpulsationen können das Sperrgassystem in unzulässiger Weise beeinträchtigen. Ggf. hilft hier der Einbau eines Dämpfungsbehälters zwischen Booster und Sperrgassystem.

10.14.3 Andere Versorgungssysteme Für Wasser-Einspritzsysteme, Sekundärwasser-Kühlsysteme, Zylinderschmiersysteme und ggf. andere Versorgungssysteme sollten die Vorschriften des Maschinenherstellers berücksichtigt und verfolgt werden. Die Vorgehensweise ist ähnlich wie zuvor beschrieben.

10.15 Weitere Funktionstests Weitere Funktionstests erfolgen für einen MV-Antriebsmotor, Hilfsanlagen wie Wellendrehvorrichtungen und Gas- und Dampfturbinen ohne angetriebene Maschine. Ggf. sind je nach Projektumfang weitere Komponenten vorhanden, die ebenfalls einem Funktionstest unterzogen werden müssen. Für alle Funktionstests sollten vorab die entsprechenden Testvorschriften bekannt und geprüft sein. Zusätzlich zur Verfügbarkeit von Hilfsenergien, Sperrgas und Instrumentenluft muss auch die Verlegung und Prüfung des Hochspannungsanschlusses für MV-Antriebsmotoren erfolgt sein. Ebenso muss bei wassergekühlten Motoren bereits die Kühlwasserversorgung betrieben werden können. Wenn nicht alle diese Voraussetzungen erfüllt sind, können diese Funktionstests auch während der Inbetriebnahmevorbereitung im Anschluss an die mechanische Fertigstellung durchgeführt werden.

10.15.1 Motor-Solo-Run Vor dem Funktionstest des Antriebsmotors muss zunächst die Funktion der Motorsteuerung („Motor Control Center“, MCC) geprüft werden. Beim Funktionstest des abgekoppelten MV-Antriebsmotors (Motor-Solo-Run) wird zunächst die korrekte Drehrichtung überprüft und gegebenenfalls die Verkabelung im Klemmenkasten korrigiert. In einem ersten Versuch wird nur kurz gestartet, um die Drehrichtung zu erkennen. In einem folgenden, längeren Lauf werden Lager-

312

10 Maschinenmontage

temperaturen, Schwingungen, Motorstrom und Windungstemperaturen überwacht, mindestens bis zu deren Stabilisierung. Eine Drehrichtungsüberprüfung erfolgt auch bei den LV-Hilfsmotoren vor Kopplung.

10.15.2 Drehvorrichtungen Wenn wie bei Dampfturbinen eine elektrisch betriebene Wellendrehvorrichtung vorhanden ist, wird auch diese einem Funktionstest unterzogen, in dem Drehzahl und Drehrichtung, (automatischer) Eingriff und Lösen des Eingriffs geprüft werden. Ähnlich wird bei Hubkolbenverdichtern die Funktion der heutzutage meist elektrisch betriebenen Dreh- und Sperrvorrichtung geprüft.

10.15.3 Turbine-Solo-Run Ein Turbinentest im abgekoppelten Zustand (Turbine-Solo-Run) sollte kurz nach Inbetriebnahme des Dampfsystems erfolgen. Vor einer ersten Dampfeinleitung sollte die Funktion der Dampfventile („Trip and Throttle Valves“, TTV) geprüft sein. Beim Test selbst werden neben der Drehrichtung und der Überwachung der Dampfaustrittstemperatur auch der regelbare Drehzahlbereich und der Überdrehzahlschutz geprüft. Die Funktion des Überdrehzahlschutzes selbst wird zunächst bei laufender Turbine ohne Auswirkung auf den Turbinenbetrieb getestet, danach auch „heiß“, verbunden also mit einer Abschaltung. Wichtig ist hier vor dem Startvorgang bereits das langsame Aufheizen zur Vermeidung unzulässiger Wärmespannungen an der Turbine unter Zuhilfenahme von Frischdampf und der Drehvorrichtung, die für eine gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung der Turbinenwelle sorgt. Beim Auslauf muss das Schwingungsverhalten speziell auch im Bereich von Eigenfrequenzen betrachtet werden.

10.16 Kupplungsmontage Nach Durchführung aller erforderlichen Funktionstests kann die endgültige Installation der Wellenkupplungen nach Vorschrift des Maschinenherstellers erfolgen. Anschließend findet eine finale Kontrolle der Wellenausrichtung statt. Hier sollten sich allenfalls minimale Abweichungen gegenüber der bereits zuvor ausgeführten Feinausrichtung ergeben. Ein manuelles Durchdrehen der Wellen sollte ohne größeren Widerstand ebenfalls möglich sein.

10.18 Erfahrungen

313

Nicht zu vergessen: das ordnungsgemäße Anbringen des Kupplungsschutzes. Speziell bei ölgeschmierten Kupplungen muss auf die Abdichtung geachtet werden, sonst sind im Flanschbereich Leckagen zu erwarten. Nach diesen Maßnahmen ist der Maschinenstrang bereit zur Inbetriebnahme.

10.17 Mechanische Fertigstellung Nach Beendigung der Montage erstellt der Leiter des Montagekontraktors eine schriftliche Montage-Fertigmeldung. Eine zugehörige Anlage enthält eine Restpunkteliste, in der alle noch nicht ausgeführten Arbeiten und Tests enthalten sind sowie alle noch nicht behobenen Mängel, zusammen mit der Angabe, von wem sie bis wann behoben werden. Bis auf diese Punkte muss der betreffende Maschinenstrang bereit zur Inbetriebnahme sein. Voraussetzung für die Erteilung des Testats durch den Endkunden ist, dass alle Montageschritte im Montageplan erfolgreich bearbeitet und abgezeichnet sind, wie auch die erfolgreiche Durchführung aller erforderlichen, im Wesentlichen in den vorherigen Abschnitten kurz dargestellten Funktionstests. Ebenso muss die zur Montage gehörige Dokumentation vollständig vorliegen. Dazu gehören geänderte Dokumente und sämtliche während der Montage erstellten Qualitätsdokumente. Sicherheitskritische oder rechtlich relevante Restpunkte sollten nicht mehr bestehen. Eine gründliche Reinigung des Geländes und der Maschineneinheiten sollte erfolgt sein. Alle zu lagernden Teile und Werkzeuge sollten aufgeräumt sein. Falls aus Verfügbarkeitsgründen von Hilfsenergien oder anderen Medien der eine oder andere Test noch nicht durchgeführt werden konnte, muss vereinbart werden, ob und bis zu welchem Termin die fehlenden Tests während der Phase der Inbetriebnahme durchgeführt werden, oder ob das Testat für die Mechanische Fertigstellung erst später erteilt wird. Dieses Dokument zur mechanischen Fertigstellung ist sehr wichtig, da nach mechanischer Fertigstellung in der Regel auch die Verantwortung von der Montageleitung auf die Inbetriebnahmeleitung übergeht. Wenn dies so ist, sollte auch der Inbetriebnahmeleiter das Protokoll unterzeichnen.

10.18 Erfahrungen Bei Großprojekten, z. B. wenn neue Anlagenstandorte mit verschiedenen verfahrenstechnischen Produktionsanlagen und mehreren HDRE-Maschinensträngen errichtet werden, empfiehlt sich eine kontinuierliche Überwachung von Montage und Inbetriebnahme durch den HDRE-Engineer des Endkunden. Sinnvollerweise handelt es sich

314

10 Maschinenmontage

hier um eine Person, die auch während der Planungs- und Abwicklungsphase diese Maschinen betreut hat und sie deshalb gut kennt. Besonders wenn verschiedene Anlagen von verschiedenen Engineering-Kontraktoren geplant werden und lokale Montage-Kontraktoren zum Einsatz kommen, können sich je nach vertraglicher Lage und Kompetenzen sehr unterschiedliche Konstellationen einstellen. Je nach Anlagenstandort sind auch gute interkulturelle Kompetenzen im Umgang mit lokalem Personal erforderlich, speziell in asiatischen Ländern. Wenn diese Kompetenzen nur mangelhaft ausgebildet sind, werden sich erhebliche Probleme in der Zusammenarbeit und der Qualität der geleisteten Arbeit einstellen. Einige Kontraktoren stellen eigenes Personal mit guter fachlicher Kompetenz für Montage und Inbetriebnahme von HDRE-Maschinen zur Verfügung. Andere setzen auf Freelancer, also freiberuflich tätige Maschinenexperten, wenn ihnen eigenes Know-How fehlt. Der HDRE-Engineer des Endkunden sollte hier ständiger Ansprechpartner sein und auch an den regelmäßigen Fortschrittsbesprechungen teilnehmen. Seine Aufgabe ist es zum einen, den Montagefortschritt eng zu begleiten und aufgetretene Mängel unverzüglich mit dem Montagekontraktor zu besprechen. Zum anderen sollte er unterstützend tätig sein, wenn technische oder andere Fragen auftreten, auch im Sinne einer zeitnahen Abarbeitung offener Punkte. Falls kostenpflichtige Änderungen als sinnvoll und erforderlich angesehen werden, sollte er diese auch im direkten Kontakt mit der Projektleitung des Endkunden ansprechen und umsetzen. Manche Kontraktoren sind sehr gesprächsbereit, andere vermeiden direkte Kontakte. Dies ist in manchen Fällen vertraglich bedingt, manchmal auch Philosophie des Kontraktors. In diesem Falle ist die vertragliche Konstellation einzuhalten. Bei Baustellenbegehungen sollte streng auf Sauberkeit geachtet werden. Herumliegende Teile müssen entfernt werden, eine regelmäßige tägliche Reinigung sollte erfolgen. Auch zum Thema Arbeitssicherheit sollte der HDRE-Engineer des Endkunden Stellung beziehen und versuchen, gefährliche und mangelhafte Zustände umgehend abzustellen bzw. den Verantwortlichen zu melden, zum Beispiel bei Nicht-Tragen der erforderlichen persönlichen Schutzausrüstung, Unzulässigkeit von Gerüsten, Sturzgefährdung, mangelhafter Ausstattung mit Werkzeugen. Abb. 10.12 zeigt sichergestelltes selbstgefertigtes Werkzeug auf einer Baustelle.

10.19 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde die Montagephase für HDRE-Maschineneinheiten behandelt. Sie beginnt mit der Anlieferung an der Abladestelle und endet mit der Unterzeichnung eines Dokumentes zur mechanischen Fertigstellung der montierten und geprüften Maschineneinheiten. Dieses Dokument ist entscheidend für die nächsten Schritte zur Inbetriebnahme und löst in der Regel auch Zahlungsvorgänge an Montagekontraktor und Maschinenhersteller aus.

10.19 Zusammenfassung

315

Abb. 10.12   Auf einer Baustelle sichergestelltes „Werkzeug“. (Foto: Autor)

Zu Beginn der Montagephase steht die Klärung von Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten. Hieran sollte der HDRE-Engineer des Endkunden maßgeblich beteiligt sein. Als qualitätssichernde Elemente dienen regelmäßige Montagebesprechungen, ein Inspektions- und Testplan, sowie regelmäßig geführte Mängel- und Fragelisten. Alle auszuführenden Montage- und Prüfschritte sollten definiert und im Verlauf durchgeführt und testiert werden. Neben dem HDRE-Engineer und dem Montageteam ist die verantwortliche Aufsicht aller Arbeiten an den Maschineneinheiten durch Supervisoren der Maschinenhersteller entscheidend. Im Einzelnen erfolgt, möglichst in ihrer zeitlichen Abfolge, eine Darstellung der einzelnen Montageschritte für eine HDRE-Maschineneinheit. Es beginnt mit Lieferung, Lagerung und Fundamentvorbereitung und geht weiter mit den Einzelschritten zu deren mechanischer Montage. Neben den Maschinen selbst wird auch die Rohrleitungsmontage betrachtet, sowie Schallschutzmaßnahmen und die Begehbarkeit. In die Montagephase gehören meist auch Inbetriebnahme und Funktionstests der Versorgungssysteme wie auch der Maschinensteuerung. Ebenso sollten Funktionstests der abgekoppelten Antriebseinheiten wie MV-Motor oder Dampfturbine erfolgen und abgeschlossen sein, bevor als einer der letzten Schritte die Montage der Kupplungen erfolgt. Als Restpunkte, die erst in der Inbetriebnahmephase abgearbeitet werden, sollten nur Mängel übernommen werden, die die Inbetriebnahmephase nicht wesentlich behindern.

Erst-Inbetriebnahme

11

Nach Abschluss der Montagephase, also nach Unterzeichnung des Protokolls zur Mechanischen Fertigstellung, beginnt meist unmittelbar die Phase der Inbetriebnahme. Sie ist die letzte Phase der Projektabwicklung und mündet in die erste Phase des Betreibens der Anlage. Die Erst-Inbetriebnahme einer Anlage gliedert sich üblicherweise in die KaltInbetriebnahme (Pre-Commissioning) nur unter Nutzung der Utilities, und die HeißInbetriebnahme (Commissioning) unter Zufuhr der Prozessmedien. Seitens der Fachdisziplinen in Bezug auf die HDRE-Maschinen findet oft im Laufe dieser Phase ein Übergang statt vom planenden und ausführenden HDRE-Engineer auf einen spezialisierten Betriebsingenieur und das Instandhaltungspersonal. Es ist eine Phase, die je nach Projektkonstellation sehr unterschiedlich verlaufen kann. Deswegen gibt es hier kein einheitliches Vorgehen, sondern nur einige Ideen, die zur erfolgreichen Durchführung hilfreich sein können. Für den Fall, dass zwischen mechanischer Fertigstellung und Inbetriebnahme ein längerer Zeitraum besteht, sollte man darauf achten, dass die erforderliche, mit dem Maschinenhersteller abgestimmte Konservierung erfolgt ist, alle Maschinenkomponenten regen- und staubfest abgedeckt sind (z. B. mit Folien), Wellenstränge regelmäßig von Hand gedreht werden (z. B. wöchentlich um 360° + 90° in jeweils der gleichen Drehrichtung), und die Versorgungsanlagen ab und zu betrieben werden. Dies ist auch der Zeitraum, in dem die Restpunkte aus der Montage bearbeitet und deren Fertigstellung geprüft werden müssen, die vor der eigentlichen Inbetriebnahme für den sicheren Betrieb erforderlich sind. Die Verantwortlichkeit für die betroffenen Maschineneinheiten sollte in dieser Phase zunächst weiter beim HDRE-Maschinenhersteller verbleiben und von seinem Inbetriebnahme-Supervisor begleitet werden.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_11

317

318

11 Erst-Inbetriebnahme

Einige der in Kap. 10 beschriebenen Funktionstests können möglicherweise aus Verfügbarkeitsgründen von Hilfsenergien erst in dieser Phase durchgeführt werden. Als allgemeine Literatur zum Thema Inbetriebnahme von Anlagen wird Weber (2016)1 empfohlen.

11.1 Kalt-Inbetriebnahme (Pre-Commissioning) Die Phase der Kalt-Inbetriebnahme wird auch als Inbetriebnahmevorbereitung, PreCommissioning oder auch Herstellung der Betriebsbereitschaft bezeichnet. Sie endet mit der Betriebsbereitschaft (RFSU, „Ready For Start Up“) der betroffenen HDREMaschinenstränge und möglicherweise damit auch der gesamten Produktionsanlage. In manchen Fällen werden Maschinenstränge auch in dieser Phase bereits betrieben und benutzt, um z. B. Rohrleitungen mit trockener, warmer Luft auszublasen oder die Gesamtanlage mit Stickstoff und später auch mit Prozessgas zu befüllen.

11.1.1 Personalschulung Im Vorfeld der Betriebsbereitschaft der Maschinenstränge sollten sowohl das Betriebsals auch das Instandhaltungspersonal des Betreibers eine ausführliche, mehrtägige Schulung erhalten haben. Bei Betreibern mit einschlägiger Vorerfahrung im Betrieb von HDREMaschinensträngen wird eine Praxisschulung meist vor Ort durchgeführt, oft durch den Supervisor des Herstellers selbst, oft zusätzlich durch den HDRE-Engineer des Betreibers. Die Maschinenhersteller bieten zusätzlich Schulungen in ihrem jeweiligen Schulungszentrum an, in dem auch Spezialwissen über die technische Ausführung, Demontage- und Wiedermontage von Komponenten, sowie Instandhaltungsprozesse insgesamt anschaulich und „Hands-on“ vermittelt wird. Eine praktische Schulung des Leitwartenpersonals erfolgt auch über die Einbindung der Maschinendaten in das Prozessleitsystem mitsamt grafischer Darstellung, Alarmund Ersatzwertbildung und Steuerungsmöglichkeiten. Für das Betriebspersonal vor Ort empfiehlt sich dann die eigene Durchführung der Kontrollen von Instrumenten, R&IFließbild allgemein und den Einstellungen. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit dem HDRE-Engineer, dem Supervisor des Herstellers und PLT-Spezialisten.

1 Weber,

K.H., Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen – Praxishandbuch mit Checklisten. Springer Vieweg VDI Buch, 4. Aufl. 2016

11.1  Kalt-Inbetriebnahme (Pre-Commissioning)

319

11.1.2 Hubkolbenverdichter Ein mechanischer Funktionstest vor Ort wird bei Hubkolbenverdichtern in der Regel ohne eingebaute Ventile und unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt, um die mechanische Integrität festzustellen. Einige Minuten vor dem Start werden das Schmierölsystem und im Falle von ölgeschmierten Verdichtern auch das Zylinderschmiersystem in Betrieb genommen. Der Verdichter wird manuell oder mithilfe der vorhandenen manuellen, elektrischen oder pneumatischen Sperrvorrichtung gedreht und danach für einige Minuten gestartet. Nach Stillstand werden Lager und Kreuzkopf auf unzulässige Erwärmung und Verschleiß untersucht. Im Anschluss sollte ein vierstündiger Probelauf bei stabilisierten Temperaturund Schwingungswerten erfolgen. Nach einer weiteren mechanischen Inspektion wird der Verdichter unter anderem durch den Einbau der Ventile betriebsfertig gemacht, mit Inertgas gefüllt und auf Dichtheit geprüft. Damit ist eine Erst-Inbetriebnahme mit Prozessgas möglich. Möglicherweise müssen hierzu noch die Alarm- und Abschaltwerte angepasst werden.

11.1.3 Turbo- und Schraubenverdichter In der Regel ist für Turbo- und Schraubenverdichter kein weiterer mechanischer Test erforderlich, wenn nicht während der Montageperiode die Maschinengehäuse geöffnet wurden. Eintrittsleitapparate für Verdichter müssen vor dem Betrieb justiert werden. Im allgemeinen existiert am Verdichter eine sichtbare Skala mit Prozentangaben: 0 % bedeutet geschlossen, 100 % vollständig geöffnet. Diese Werte werden in den Schaltraum und die Messwarte übertragen. Diese Skala muss noch bezüglich der Öffnungswinkel des Eintrittsleitapparats umgerechnet werden, bei dem bauartabhängig z. B. 0 % dem kleinstmöglichen Öffnungswinkel von 70° und 100 % dem größtmöglichen Öffnungswinkel von 105° zugeordnet wird. Für den Maschinenstart, erst mit Inertgas oder Luft und danach mit Prozessgas, muss eine einschlägige Prozedur vorliegen, der gefolgt wird. Gestartet wird in der Regel mit Mindestdrehzahl oder Mindestöffnung des Eintritts-Leitapparats, in Kreisfahrweise (Umblasebetrieb) über den Maschinen-Bypass oder den Anlagen-Bypass. Einige Alarmwerte der Maschinenüberwachung, wie Schwingungssonden, müssen während des Anfahrvorganges für einige Sekunden überbrückt werden, weil sie in diesem Zeitraum kurzfristig die Abschaltwerte überschreiten. Dies geschieht, gegen Fehlbedienung abgesichert, in der Maschinensteuerung. Prozessgas-Verbindungsleitungen sollten von der Gesamtanlage abgekoppelt sein. Dafür müssen die Absperrarmaturen zur Anlage geschlossen sein. Die Verdichter befinden sich im Umblasebetrieb oder, in der Regel bei Umgebungsluftverdichtern, im

320

11 Erst-Inbetriebnahme

Abblasebetrieb. Wenn eine solche Abkoppelung nicht möglich ist, kann der Funktionstest erst dann erfolgen, wenn auch die Einbindung in die Gesamtanlage möglich ist. Bei den ersten Tests werden auch alle Notabschaltungen aktiviert und geprüft, sowie das Auslaufverhalten analysiert. Dies gilt besonders auch für Dampfturbinenantrieb. Erst wenn diese Tests alle erfolgreich sind, steht der Maschinenstrang zum Betrieb mit Prozessgas bereit.

11.1.4 Ausblasen von Frischdampfleitungen In die Dampfturbine dürfen keine Partikel gelangen, die die Turbinenschaufeln beschädigen könnten. Zur Reinigung der Frischdampfleitungen wird zunächst das eintrittsseitige Passstück zwischen TTV (Trip&Throttle-Valve) und Isolierblock entfernt und stattdessen ein Rohrstück eingesetzt, dass den Ausblasedampf zu einer sicheren Ausblasestelle transportiert. Am Ende wird eine spezielle polierte Edelstahlplatte zum Zählen auftreffender Partikel angebracht. Dann wird Frischdampf durch die Leitung geblasen. Zwischendurch wird untersucht, ob und wie viele Partikel auf der Edelstahlplatte Markierungen beim Auftreffen erzeugt haben. Die erforderlichen Qualitätskriterien in Form der erlaubten Anzahl und Größe von Partikeln werden vom Maschinenhersteller angegeben.

11.1.5 EG-Konformitätserklärung Ein heikles Thema ist oft die Ausstellung der in vielen Fällen erforderlichen EGKonformitätserklärung nach Maschinenrichtlinie. Die dort definierte „Gesamtheit von Maschinen“ ist in der Regel durch einen HDRE-Maschinenstrang erfüllt. Prinzipiell kann für eine z. B. durch einen EPC-Kontraktor erstellte Gesamtanlage auch eine anlagen-bezogene Konformitätserklärung ausgestellt werden. Dann muss diese jedoch bei späteren gesundheits- oder sicherheitsrelevanten Änderungen am Maschinenstrang komplett nachgeführt werden, was einen deutlich höheren Aufwand hervorrufen könnte als bei einer nur auf den Maschinenstrang bezogenen Konformitätserklärung. Deshalb wird eine solche bevorzugt. Die genaue Vorgehensweise sollte zwischen Kunden und Lieferanten bereits während der Vorbereitung der Bestellung ausführlich erörtert worden sein. Für den Maschinenhersteller kann das Problem bestehen, dass er zwar seine Maschine mitsamt den spezifizierten Ein- und Austrittsbedingungen kennt und damit auch die Gefährdungen, die von ihr ausgehen, aber nicht die konkreten Bedingungen im Hinblick auf das Prozessgas bei der Erst-Inbetriebnahme. Hier kann er nur das zugrundelegen, was ihm durch den Käufer bzw. Betreiber mitgeteilt wird. Die Zusammenführung im Bestellumfang enthaltener „unvollständiger Maschinen“ zur „vollständigen Maschine“ mit Konformitätserklärung und CE-Kennzeichnung sollte

11.2  Anzeige der Betriebsbereitschaft

321

regelmäßig durch den für den Maschinenstrang verantwortlichen Hersteller erfolgen. Diese Forderung sollte explizit in der kaufmännischen Bestellung enthalten sein. Die Konformitätserklärung muss dann vorliegen, wenn die „Gesamtheit von Maschinen“, also der Maschinenstrang, gemäß Maschinenrichtlinie „in Verkehr gebracht“, d. h. erstmals zur Benutzung bereitgestellt wird. Dies ist während der Inbetriebnahmephase der Fall. Diese Erklärung enthält nach MRL, Anhang II, folgende Angaben: • Firmenbezeichnung und vollständige Anschrift des Herstellers und gegebenenfalls seines Bevollmächtigten, • Name und Anschrift der Person, die bevollmächtigt ist, die technischen Unterlagen zusammenzustellen, • Beschreibung und Identifizierung der Maschine einschließlich allgemeiner Bezeichnung, Funktion, Modell, Typ, Seriennummer und Handelsbezeichnung, • einen Satz, in dem ausdrücklich erklärt wird, dass die Maschine allen einschlägigen Bestimmungen dieser Richtlinie entspricht, und gegebenenfalls einen ähnlichen Satz, in dem die Übereinstimmung mit anderen Richtlinien und/oder einschlägigen Bestimmungen, denen die Maschine entspricht, erklärt wird, • gegebenenfalls Name, Anschrift und Kennnummer der benannten Stelle, die das in Anhang IX der MRL genannte EG-Baumusterprüfverfahren durchgeführt hat, sowie die Nummer der EG-Baumusterprüfbescheinigung, • gegebenenfalls Name, Anschrift und Kennnummer der benannten Stelle, die das in Anhang X der MRL genannte umfassende Qualitätssicherungssystem genehmigt hat, • gegebenenfalls die Fundstellen der angewandten harmonisierten Normen nach Artikel 7 Absatz 2 der MRL, • gegebenenfalls die Fundstellen der angewandten sonstigen technischen Normen und Spezifikationen, • Ort und Datum der Erklärung, • Angaben zur Person, die zur Ausstellung dieser Erklärung im Namen des Herstellers oder seines Bevollmächtigten bevollmächtigt ist, sowie Unterschrift dieser Person.

11.2 Anzeige der Betriebsbereitschaft Ähnlich wie bei der mechanischen Fertigstellung wird die Betriebsbereitschaft (RFSU) ebenfalls mit einem Protokoll bestätigt. Hierbei geht es speziell um den Maschinenstrang, der aber meistens bereits in Verbindung mit dem Gesamtprozess steht und nicht komplett unabhängig betrieben werden kann. Eine zugehörige Anlage zum Protokoll enthält wiederum eine Restpunkteliste, in der alle noch nicht ausgeführten Arbeiten und Tests enthalten sind sowie alle noch nicht behobenen Mängel, zusammen mit der Angabe, von wem sie bis zu welchem Zeitpunkt

322

11 Erst-Inbetriebnahme

behoben werden. Der betreffende Maschinenstrang muss jedoch bereit zur Inbetriebnahme sein. Voraussetzung für die Erteilung des Testats durch den Endkunden/Betreiber ist, dass alle noch für die Inbetriebnahme erforderlichen Schritte erfolgreich bearbeitet und abgezeichnet sind. Ebenso muss die zur Montage gehörige Dokumentation, entsprechend der nachträglich durchgeführten Änderungen aktualisiert, vorliegen. Sicherheitskritische oder rechtlich relevante Restpunkte dürfen nicht mehr bestehen. Im europäischen Raum muss die EG-Konformitätserklärung vorliegen. Eine zumindest vorläufige Betriebserlaubnis muss erteilt sein.

11.3 Vorbereitungsarbeiten für Start-Up Die Heiß-Inbetriebnahme (Start-up) muss detailliert geplant werden. Eine Organisationsstruktur muss aufgestellt werden, das nötige Personal muss zur richtigen Zeit am richtigen Ort zur Verfügung stehen. Eine entsprechende Anfahr-Betriebsanleitung muss erstellt sein. Dies ist die gemeinsame Aufgabe zwischen Inbetriebnahmeleitung, Betriebs- und Instandhaltungsorganisation. In der Regel wird hier der HDRE-Engineer des Betreibers als Berater, in manchen Fällen aber auch als Leiter eingesetzt. Eine wesentliche Verantwortung liegt nach wie vor beim Maschinenhersteller und dessen Inbetriebnahme-Supervisor, der in enger Abstimmung mit dem Hersteller handelt. Aus Garantie-Gesichtspunkten sollte die Inbetriebnahme-Betriebsanleitung von allen Beteiligten, insbesondere aber auch vom Hersteller, abgezeichnet werden. Der Ablauf selbst richtet sich sehr stark nach den Einzelheiten des Maschinenstrangs und dessen Einbindung in den Gesamtprozess. Deshalb können an dieser Stelle auch nur allgemeine Hinweise gegeben werden. In den meisten Fällen sind mehrere Anfahrversuche erforderlich, bis tatsächlich ein stationärer Betrieb eines Maschinenstrangs erreicht wird. Wenn Fehler auftreten, die zunächst untersucht und abgestellt werden müssen, oder wenn Steuerungs- und Regelungsparameter geändert werden müssen, kann dies mehrere Tage erfordern. Einige Verdichter benötigen beim Anfahren einen bestimmten minimalen Saugdruck oder einen bestimmten Minimaldruck im Gesamtsystem. Dies ist beim Befüllen der Anlage bzw. des Verdichterkreislaufs mit Inertgas oder Prozessgas (bei Kreisprozessen) zu berücksichtigen. Die saug- und druckseitigen Absperrarmaturen, für die oft aus Sicherheitsgründen und bei ausreichend Platz entlüftbare Double-Block-and-Bleed-Armaturen im Einsatz sind, müssen geöffnet sein. Ebenfalls ist zu prüfen, dass keine Steckscheiben zwischen Flanschen eingebaut sind. Eine Freigabe hierfür ist von der Inbetriebnahmeleitung bzw. Betriebsorganisation zu erteilen. Gleiches gilt auch bei Wieder-Inbetriebnahme nach einer Abstellung.

11.3  Vorbereitungsarbeiten für Start-Up

323

Alle notwendigen Hilfsmedien und Prozessgase müssen in der erforderlichen Qualität verfügbar und bereit sein. Alle Versorgungssysteme für die Maschinen, wie Sperrgas-, Öl- und Kühlsysteme, müssen in Betrieb sein und dürfen keine Alarme aufgrund von Drücken, Temperaturen und Strömen aufweisen, die außerhalb der zulässigen Grenzen liegen und zu einer Anfahrverriegelung führen. Ölstände und Öltemperaturen müssen ebenfalls im zulässigen Bereich liegen. Alle bestehenden Sammelalarme müssen quittiert sein. Bei Antrieb durch Elektromotoren muss deren Überhitzung durch mehrmaliges Anfahren vermieden werden. In der Regel sind für den Betrieb bei fester Drehzahl nur wenige kurz aufeinander folgende Anfahrversuche möglich, danach ist eine längere Abkühlzeit erforderlich. Details gehen aus Motorspezifikation und Betriebsanleitung hervor. Auch die Belastung des Stromnetzes im Werk muss berücksichtigt werden, da der Leistungsbedarf beim Anfahren ein Mehrfaches der Nennleistung beträgt. Bei Betrieb mit Frequenzumrichter oder Anfahren mit Softstarter verringert sich die thermische Belastung. Für den Fall, dass die Beschleunigungsenergie des angetriebenen Strangs größer ist als erwartet, kann es auch zu Schädigungen des Motors durch überhöhte Anlaufzeiten kommen, sodass hier rechtzeitig wieder abgeschaltet werden muss. Das Anfahren von Dampfturbinen hängt von ihrer Einbindung in den Gesamtprozess und ihrer Verschaltung als Kondensations- oder Gegendruckturbine mit oder ohne Zwischeneinspeisungen und Zwischenentnahmen ab. Sie können zur Absicherung der Dampfversorgung, zur Stromversorgung mit einem Generator oder als drehzahlkonstanter oder drehzahlvariabler Verdichterantrieb genutzt werden. Um unzulässig hohe Temperaturgradienten und damit Probleme durch Wärmespannungen zu vermeiden, wird zunächst die Drehvorrichtung in Betrieb gesetzt („Turn“-Betrieb) und Aufheizdampf in kleineren Mengen zugeführt. Die Aufwärmung einer Gegendruckturbine ist z. B. mittels Abdampf möglich, bevor Frischdampf zugeführt wird. Die Entwässerungssysteme der Dampfturbine müssen dabei zur Abführung des entstehenden Kondensats bereits in Betrieb sein und können erst im Normalbetrieb geschlossen werden, wenn kein Kondensat mehr anfällt. Entnahmen müssen während des Anfahrens geschlossen sein, um Rückströmungen zu vermeiden. Vor Anfahren sollte auch eine Kontrolle der Dampfqualität vorgenommen werden, um spätere Schäden durch Korrosion oder Erosion von Turbinenschaufeln zu vermeiden. Beim Start einer Dampfturbine ist darauf zu achten, dass zunächst bis zum Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur auf der vorgesehenen Anwärmdrehzahl verharrt wird. Beim anschließenden Hochfahren müssen kritische Drehzahlbereiche schnell durchfahren werden, um Resonanzen zu vermeiden. Dies wird normalerweise über eine automatisierte Anfahr-Schrittkette erreicht, bis zu der Drehzahl, bei der die Turbinenregelung selbst eingreift. Verdichter werden in der Regel so gestartet, dass sie eine minimale Leistungsaufnahme erfordern, bei weitgehend geschlossenem Eintrittsleitapparat, minimaler stationärer Drehzahl, maximal geöffnetem Bypass. Ist ein maschinenbezogener Bypass

324

11 Erst-Inbetriebnahme

vorhanden und ist dieser ausreichend dimensioniert, so kann der Verdichter zunächst im Inselbetrieb gestartet werden. Eine Einbindung in den Prozess wird dann erst nach Stabilisierung vorgenommen. Turboverdichter sollten möglichst schnell in einen stabilen Betriebsbereich außerhalb des Pump-Bereichs kommen. Für den Maschinenstart sollten neben den ohnehin vorliegenden und in Prozessleitsystem und Maschinen-Monitoring-System aufgezeichneten Messdaten auch externe Schwingungsanalysen durchgeführt werden. Der Abgriff kann direkt aus dem Maschinenüberwachungsystem erfolgen. Teilweise sind zusätzliche Schwingungsmessungen vor Ort sinnvoll. Ebenso sollte eine begleitende Schallmessung vorbereitet werden. Zur Inbetriebnahme von Hubkolbenverdichtern wird zusätzlich empfohlen, an jeweils einen Stutzen in der Saug- und Druckleitung eine dynamische Druckmessung und parallel dazu an den gleichen Stellen eine temporäre Schwingungsmessung vorzusehen. Diese Druckstutzen sollten möglichst kurz sein und nahe an den Systemgrenzen der Verdichtereinheit liegen. Ziel ist die frühzeitige Erkennung von nicht vertragskonformen Schwingungen und Pulsationen und zur Vermeidung mechanischer Folgeschäden an Leitungen und Behältern. In allen Fällen ist darauf zu achten und eine entsprechende Prüfung vorzunehmen, ob alle Armaturen sich in ihrer für die Inbetriebnahme korrekten Stellung befinden und alle Sicherheitseinrichtungen funktionsbereit sind.

11.4 Heiß-Inbetriebnahme (Commissioning) Die Erst-Inbetriebnahme eines Maschinenstrangs erfolgt meist durch Knopfdruck über das lokale Anfahr-Panel, alternativ „remotely“ über die Maschinensteuerung, jeweils angeleitet vom Inbetriebnahme-Supervisor des Herstellers. Das Betriebspersonal in der Leitwarte hat dabei nur Beobachterstatus. Die Verantwortung für den Betrieb der Anlage in dieser Phase hat in der Regel der Betreiber, mit dem eventuelle Änderungen und Nachbesserungen abgestimmt werden müssen. MAN Energy Solutions berichtet in einer Pressemitteilung vom 19.08.20202 über eine gelungene Fern-Inbetriebnahme eines Verdichterstrangs für die Salpeterproduktion in Usbekistan. Grund war, dass im Zuge der Covid-19-Krise das Inbetriebnahmepersonal des Herstellers das Land verlassen musste. Voraussetzung ist dafür der Fernzugriff auf die komplette Anlage mit allen ihren Daten und der Maschinenregelung sowie videofähige Geräte. Derartige Möglichkeiten bieten sich nur unter großem technischen Aufwand an, könnten aber zukunftsträchtig sein. Als Normal sollte deshalb nach wie vor die

2 https://www.man-es.com/de/unternehmen/pressemitteilungen/press-details/2020/08/19/manenergy-solutions-setzt-neue-maßstaebe-bei-der-ferninbetriebnahme

11.4  Heiß-Inbetriebnahme (Commissioning)

325

Inbetriebnahme vor Ort gelten, mit deutlich besseren Möglichkeiten der direkten Einwirkung auf bei einer Erst-Inbetriebnahme regelmäßig zu erwartende unvorhergesehene Situationen. Ausnahmen bieten sich derzeit nur für einfachere Maschinen wie z. B. manche Ventilatoren an, bei deren Inbetriebnahme nicht immer ein Vertreter des Herstellers vor Ort erforderlich ist. Für komplexere Maschinenstränge ist es ein Zukunftsthema. Wie bereits erwähnt, ergeben sich bei einer Erst-Inbetriebnahme immer wieder größere oder kleinere Probleme, die zum Abschalten des Maschinenstrangs über ein Alarmsignal führen. Andererseits können z. B. ungewöhnliche Geräusche auftreten, die den Supervisor zum Drücken des Not-Aus bewegen. Dies sollte jedoch nicht gleichzeitig zum Ausschalten der Versorgungssysteme führen. Insbesondere sollten beim Hochfahren keine kritischen Schwingungsbelastungen entstehen, wobei die Alarmwerte beim Durchfahren kritischer Drehzahlen überschritten werden und deshalb eine Überbrückung für einige Sekunden erforderlich ist. Deswegen ist eine begleitende Schwingungsanalyse sinnvoll, die das Hochfahr- und Abschaltverhalten des Maschinenstrangs bewertet. Im gesamten Strang kann dieses durchaus erheblich von dem im Herstellerwerk bereits für die Einzelmaschinen ermittelten Verhalten abweichen. Meist können solche Anfangsfehler besprochen und schnell gelöst werden, dann steht einem weiteren Anfahrvorgang nichts im Wege. In weniger häufigen Fällen stellen sich allerdings auch Probleme ein, die zur Unterbrechung der Inbetriebnahme führen, wenn z. B. Teile ersetzt, nachgearbeitet oder nachbestellt werden müssen. Sind die Anfangsprobleme geklärt und gelöst, so wird sich beim abermaligen Anfahren ein stabiler Probebetrieb mit Minimallast oder im Nennbereich ergeben. Während dieses Probebetriebs, der bei Verdichtern teilweise nicht mit Prozessgas, sondern mit Stickstoff als Inertgas durchgeführt wird, wird die betriebene (Teil-)Anlage auf Dichtheit überprüft, vor allem an den Flanschen und Stutzen. Weiterhin wird geprüft, auf welchen Werten sich die Messungen stabilisieren, und ob diese gleichermaßen ins Prozessleitsystem und das HMI der Maschinenregelung übertragen werden. Ebenso kann der tatsächliche Leistungsbedarf des Maschinenstrangs anhand des Dampfverbrauchs bzw. der Stromaufnahme des Antriebsmotors mit den erwarteten Werten verglichen werden. Möglicherweise geschieht dies über eine thermodynamische Umrechnung der gemessenen auf die im technischen Datenblatt angegebenen Werte. Ein niedriger Wirkungsgrad des Verdichters könnte sich z. B. in höheren Austrittstemperaturen manifestieren. Hier ist aber auch die Frage zu klären, ob die tatsächliche Gaszusammensetzung der erwarteten entspricht. Der Sinn thermodynamischer Berechnungen und Umrechnungen wurde bereits in Abschn. 6.3.2., „Thermodynamik und Fluidmechanik“, dargestellt. Bei drehzahlgeregelten Maschinen sollte eine Drehzahlvariation erfolgen. Alarm- und Abschaltwerte für die Lagertemperaturen können an die real gemessenen Werte angepasst werden. Eine übliche Methode ist die Alarmierung bei 10 K über „Normal“, die Abschaltung bei 15 K über „Normal“.

326

11 Erst-Inbetriebnahme

Wenn die gemessenen Schwingungswerte bei Turbomaschinen sehr niedrig sind, könnte auch deren Alarmwert etwas nach unten gesetzt werden, in Absprache mit der Organisation, die für die Maschinenüberwachung zuständig ist. Am Sperrgassystem sind möglicherweise auch noch Einstellarbeiten erforderlich, die den „pneumatischen Abgleich“ der Strömungswege optimieren und sicherstellen, dass die Dichtungen ordnungsgemäß funktionieren. Verstellbare Blenden sollten nach Feineinstellung mit geeigneten Maßnahmen in „Locked-in-Position“ abgesperrt werden, um unbefugten Zugriff zu verhindern und nur Fachpersonal die Änderung von Einstellungen zu erlauben. Ebenfalls sollten Schallmessungen durchgeführt werden. Weitere Funktionsprüfungen für Abschaltungen an Antriebs- und Arbeitsmaschinen können in diesem und weiteren Probeläufen ebenfalls durchgeführt werden. Beispiele hierfür sind ein Stromausfall an der Ölpumpe, ein manuell ausgelöster Schnellschluss einer Dampfturbine oder das Betätigen des Not-Aus. An dieser Stelle kann auch entschieden werden, ob bereits hier ein kontinuierlicher 72-h-Test gefahren werden soll, oder erst dann, wenn eine Einbindung des Maschinenstrangs in die Gesamtanlage mit Prozessgas erfolgt ist. Besondere Aufmerksamkeit sollte beim Übergang zu neuen Prozessbedingungen erfolgen, wenn z. B. der Übergang von Inertgas auf Prozessgas oder zurück stattfindet. Besonders gilt dies, wenn sich die Molmasse deutlich verändert. Möglicherweise muss auch Kondensation des neuen Gases oder Überschreitung der maximalen Austrittstemperatur vermieden werden, z. B. durch Anpassung der Eintrittstemperaturen. Ist ein Probelauf unter angenäherten Betriebsbedingungen möglich, so kann hier auch eine „Nullmessung“ bezüglich Schwingungen und anderen Maschinenparametern erfolgen, die als Vergleich mit späteren Messungen dient. Für die Inbetriebnahme von Hubkolbenverdichtern kommen Messungen der Schwingungen an verschiedenen Stellen der Verdichtereinheit und den angeschlossenen Rohrleitungen hinzu, berührungsfreie Temperaturmessungen an Kreuzkopf und Zylinder, und nach Möglichkeit auch Messungen der Druckpulsationen mittels in den Leitungen temporär eingebauter dynamischer Drucksonden. Treten hohe Druckpulsations- und Schwingungsamplituden auf, können die zugrunde liegenden Druckpulsationen über den Einbau von Blenden, Mehrlochblenden oder Topfblenden an dafür vorgesehenen Flanschen, vorzugsweise an Querschnittssprüngen mit Druckpulsationsknoten, vermindert werden. Kriterien für die Zulässigkeit von Restpulsationen finden sich in API STD 618 (5th edition, reaffirmed 2016), Chap. 7.9.4.2.5.2.2.2. Auch Änderungen an den Rohrleitungshalterungen sind in Betracht zu ziehen. Führen die getroffenen Maßnahmen nicht zum gewünschten Erfolg, so sollte die Pulsationsstudie mit aktualisierten Stoffwerten und Leitungsführungen nochmals durchgeführt und weitere Abhilfemaßnahmen vorab simuliert werden. Zwei Einbaubeispiele für Blenden zur Pulsationsdämpfung zeigt Abb. 11.1.

11.5 Garantieläufe

327

Abb. 11.1   a Pulsationsdämpfung mittels Blende. b Pulsationsdämpfung mittels Topfblende. (Quelle: Autor; Quelle: Autor)

11.5 Garantieläufe Ein erster Leistungsnachweis für den Maschinenstrang ist ein 72-h-Test, der unter Betriebsbedingungen mit Prozessgas durchgeführt wird. Währenddessen sollten sich die Maschinenparameter wie Schwingungen und Lagertemperaturen im zulässigen Bereich stabilisiert haben. Wenn betrieblich im Rahmen des SAT („Site Acceptance Test“) möglich, wird dabei bereits ein Garantiepunkt angefahren, sowie möglicherweise andere Betriebspunkte aus der technischen Spezifikation. Leistungsbedarf bzw. Dampfverbrauch werden ermittelt, die Prozessdaten wie Drücke, Temperaturen auch in Zwischenstufen festgehalten. Notwendige Voraussetzung für eine Abnahme eines Verdichterstrangs ist, dass Garantiepunkte und andere Betriebspunkte überhaupt mit den erforderlichen Mengen und Drücken gefahren werden können. Weiterhin sollten bei Turboverdichtern auch als „umblasefreie“, vertraglich festgelegte Mindestfahrpunkte angefahren werden, die in der Nähe der Pumpgrenze liegen, wenn dies betrieblich möglich ist. Ob gemessener Leistungsbedarf bzw. erforderliche Dampfmenge den Garantien des Herstellers entsprechen, kann durch thermodynamische Nachrechnung aus den tatsächlich gemessenen Prozessdaten und Betriebsbedingungen ermittelt werden. Hierbei werden die Umrechnungsverfahren angewendet, wie sie auch beim thermodynamischen Probelauf im Herstellerwerk erfolgt sind. Allerdings sind hier Ungenauigkeiten zu berücksichtigen, die beim Werkstest nicht vorkommen: unterschiedliche Positionen der Messeinrichtungen, die zudem ggf. nicht die gleiche Genauigkeit aufweisen und nicht speziell kalibriert sind. Der Hersteller kann für den SAT hierzu zusätzliche Toleranzen für Betriebsmessungen angegeben haben, z. B. ±1 %. Je nachdem, wann diese Tests durchgeführt werden, können bereits auch vertraglich festgelegte Leistungseinbußen an Dampfturbinen wegen Alterung aufgrund der Dampfeigenschaften gelten.

328

11 Erst-Inbetriebnahme

Zu testen ist weiterhin, ob die Wellenabdichtung ihre Funktion erfüllt, sowohl im Stillstand als auch beim Anfahren, beim Wechsel der Betriebsbedingungen und auch bei Abfahren und nachfolgendem Stillstand. Im Zuge der Inbetriebnahme von Verdichtern ist es auch abseits der Klärung der garantierten Leistung sinnvoll, eine thermodynamische Nachberechnung mit den aktuellen Betriebsbedingungen durchzuführen. Oft entsprechen diese nicht genau den ursprünglich spezifizierten Bedingungen, sei es bei leicht unterschiedlichen Mengen und Drücken (besonders bei Kreisgasfahrweisen) oder anderer Gaszusammensetzung. Anhand einer solchen Ausgangsrechnung können im späteren Verlauf der Betriebszeit z. B. Verschmutzungen und Anbackungen festgestellt werden, die zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führen.

11.6 Abnahme und Restpunkte Wenn die Garantieläufe erfolgreich waren, kann die Abnahme des Maschinenstrangs erfolgen, was meist mit einem Zahlungs-Meilenstein verbunden ist. Damit geht auch die Verantwortung auf den abnehmenden Betreiber über. Dieser verantwortet damit auch die kommerzielle Fahrweise des Maschinenstrangs innerhalb seiner definierten Grenzen. Jedoch sollte dieser Zahlungs-Meilenstein nicht der letzte sein, denn es werden noch Aufgaben übrig sein, die seitens des Maschinenherstellers oder Kontraktors noch abzuarbeiten sind. Auch hierzu wird eine ausführliche Restpunkteliste in Zusammenhang mit dem Übergabe-Übernahme-Protokoll im Rechtssinn nach § 640 BGB erstellt. So muss auch die „AS BUILT“-Dokumentation, in dem Zustand, in dem die Abnahme erfolgt ist, noch vertragsgerecht fertiggestellt, übergeben und abgenommen werden. Dies sollte mit einem letzten Zahlungs-Meilenstein in Höhe von etwa 10 % der Auftragssumme verbunden sein. Mit dieser Abnahme geht der Maschinenstrang in den normalen Betrieb über. Oft steht die Inbetriebnahmephase unter hohem zeitlichen Druck seitens des Anlagenbetreibers. Dieser möchte möglichst rasch einen Zustand erreichen, in dem Produkt produziert und verkauft werden kann. In diesem Zusammenhang werden oft nicht alle Einzeltests sorgfältig durchgeführt, was zu negativen Konsequenzen in der späteren Garantiephase des Herstellers führen kann.

11.7 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde die Inbetriebnahmephase für HDRE-Maschineneinheiten behandelt. Sie beginnt nach der Unterzeichnung eines Dokumentes zur Mechanischen Fertigstellung. Die Inbetriebnahmephase läßt sich aufteilen in die Phase der Kalt-Inbetriebnahme, während der die Betriebsbereitschaft für den Produktionsprozess hergestellt

11.7 Zusammenfassung

329

wird, und die Heiß-Inbetriebnahme, in der der Produktionsprozess begonnen wird und Garantieläufe anzeigen, dass die Maschineneinheit ihre Anforderungen im Produktionsprozess erfüllt. An dieser Stelle geht die Verantwortung vom Maschinenhersteller bzw. Kontraktor auf den Betreiber über. Das hierzu unterzeichnete Protokoll löst wiederum Zahlungsvorgänge an Kontraktor und Maschinenhersteller aus. Auch an dieser Phase sollte der HDRE-Engineer des Endkunden bzw. Betreibers maßgeblich beteiligt sein. Zu Beginn der Inbetriebnahmephase steht wiederum die Klärung von Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten sowie ein Schulungskonzept für die Betriebsmannschaft. Die einzelnen Schritte bis hin zur Anzeige der Betriebsbereitschaft im Rahmen der Kalt-Inbetriebnahme und bis in den Probebetrieb im Rahmen der Heiß-Inbetriebnahme wurden im Sinne allgemeiner Hinweise dargestellt, denn sie erfolgen sehr individuell und anlagebezogen.

Betrieb und Instandhaltung

12

Nach der Abnahme durch den Betreiber beginnt im Lebenszyklus eines Maschinenstrangs die Betriebsphase, für einen größeren Zeitraum noch unter Gewährleistungsbedingungen des Maschinenherstellers. Dieser Zeitraum kann 3–5 Jahre umfassen oder, je nach Vertragsbedingungen, bis zur nächsten Anlagenabstellung. In diesem Zeitraum sollte der Betreiber keine Anlagenänderungen oder andere größere Eingriffe am Maschinenstrang durchführen, ohne diese mit dem Maschinenhersteller abgesprochen zu haben. Andernfalls kann die Gewährleistung erlöschen. Zur Erhaltung der Gewährleistung besteht für den Betreiber andererseits die Verpflichtung, alle vom Maschinenhersteller vorgeschriebenen Instandhaltungsmaßnahmen innerhalb der gegebenen Fristen durchzuführen. Empfohlen wird, dass auch während der Gewährleistungszeit der HDRE-Engineer, der auch die vorhergehenden Phasen der Maschinenbeschaffung betreut hat, den weiteren Kontakt zum Maschinenhersteller übernimmt. Dies geschieht in Koordination mit dem für die HDRE-Maschinen zuständigen Betriebsingenieur, im angelsächsischen Raum oft als „Reliability Engineer“ bezeichnet, sowie den zuständigen Organisationseinheiten für Maschinendiagnostik und Instandhaltung.

12.1 Instandhaltungsstrategie Die DIN 31051 (2019)1 definiert den Begriff „Instandhaltung“ als „Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Einheit, die dem Erhalt oder der Wiederherstellung

1 DIN

31051 (06:2019), „Grundlagen der Instandhaltung“

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_12

331

332

12  Betrieb und Instandhaltung

ihres funktionsfähigen Zustands dient, sodass sie die geforderte Funktion erfüllen kann“. Eine Unterteilung erfolgt dort in • Wartung, d. h. die Durchführung von Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrats, • Inspektion, d. h. die Durchführung von Maßnahmen zur Feststellung und Beurteilung des Istzustands einer Einheit einschließlich der Bestimmung der Ursachen der Abnutzung und dem Ableiten der notwendigen Konsequenzen für eine künftige Nutzung, • Instandsetzung, d. h. die Durchführung von physischen Maßnahmen, um die Funktion einer fehlerhaften Einheit wiederherzustellen, • Verbesserung, d.  h. die Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements zur Steigerung der Zuverlässigkeit und/oder Instandhaltbarkeit und/oder Sicherheit einer Einheit, ohne ihre ursprüngliche Funktion zu ändern. Unter „Einheit“ wird in unserem Zusammenhang die „Maschineneinheit“, also der komplette Maschinenstrang mit seinen Versorgungs- und Hilfsanlagen verstanden. Eine individuelle Instandhaltungsstrategie wird entsprechend aller betrieblichen und außerbetrieblichen Anforderungen und in Abstimmung mit den eigenen Unternehmenszielen erstellt. Sie mündet in konkrete Handlungsanweisungen und je nach eigenem Vermögen und Erfahrungsschatz in Dienstleistungsverträgen mit betriebsinternen Organisationen wie Maschinendiagnostik und Instandhaltung, Maschinenherstellern und auf Instandhaltung von HDRE-Maschinen spezialisierten Dienstleistungsunternehmen. Bei HDRE-Maschinen wird in der Regel eine hohe Verfügbarkeit mit einer extrem geringen Ausfallwahrscheinlichkeit gefordert, wie sie in der Spezifikation der Maschinenstränge bereits definiert worden ist. Meist empfiehlt sich eine Kombination verschiedener Strategien für die verschiedenen Komponenten eines HDRE-Maschinenstrangs. Ausfallorientierte (störungsbedingte) Strategien kommen nur für kleinere Komponenten in Betracht, für die Ersatzteile entweder im Betrieb oder beim Hersteller lagerhaltig sind und deren Ausfall nicht zu einem Stopp des Betriebs führt, z. B. wenn eine redundant vorliegende Komponente automatisch den Betrieb übernimmt. Dies gilt oft für elektronische Bauteile. Vorbeugende (präventive, periodische) Strategien basieren bei kontinuierlichem Betrieb von HDRE-Maschinensträngen in der Regel auf Zeitintervallen. Dies gilt meist für regelmäßige Großrevisionen, deren Intervall von 1, 3, 5 oder 6 Jahren durch betriebliche und behördliche Anforderungen festgelegt ist, z. B. wegen erforderlicher Katalysatorwechsel oder Sicherheits- und Druckbehälterprüfungen. Bei diskontinuierlichem

12.2  Der laufende Maschinenstrang

333

Betrieb z. B. von Gasturbinen basieren die Zeitintervalle auf der Summe von tatsächlichen und äquivalenten Betriebsstunden. Mit äquivalenten Betriebsstunden werden dabei Anfahrvorgänge und Lastwechsel gesondert berücksichtigt. Für Hubkolbenverdichter ist zum Austausch von Verschleißteilen eine jährliche Abstellung erforderlich, für Labyrinthverdichter ggf. alle 2 Jahre. Für schnell laufende Hubkolbenverdichter und Membranverdichter sind oft 2 Abstellungen pro Jahr notwendig. Zustandsorientierte, zum Teil risikobasierte Instandhaltungsstrategien auf Basis von Messwerten und Trends werden eingesetzt, wenn eine kontinuierliche Überwachung über Zustandsüberwachungssysteme vorliegt und daraus Aussagen über den noch vorhandenen Abnutzungsvorrat getroffen werden können. Hierzu dienen die für die HDREMaschinen eingesetzten Maschinen- und Zustandsüberwachungssysteme, zusammen mit den über die Anlagenleitwarte gesammelten Prozessdaten. Ziel dieser Instandhaltungsstrategien ist es, notwendige Instandhaltungsmaßnahmen entweder in ohnehin erforderliche Abstellperioden zu legen, ggf. auch unter erhöhter Beobachtung, oder zumindest eine dennoch erforderliche vorzeitige Abstellung frühzeitig planen zu können.

12.2 Der laufende Maschinenstrang In den meisten Produktionsanlagen werden vor jedem Anfahren Sichtkontrollen der HDRE-Maschinenstränge durch das Betriebspersonal durchgeführt. Ferngesteuerte Stationen, z. B. Pipelinestationen, werden auch automatisiert an- und abgefahren und geregelt. In diesem Falle, speziell wenn fernübertragene Messwerte vom „Normalzustand“ abweichen, könnte eine Nachkontrolle durch Wartungspersonal im Nachhinein sinnvoll sein. Betriebspersonal sollte gewährleisten, dass ein ferngesteuertes Anfahren jederzeit möglich ist. Bei verfahrenstechnischen Produktionsanlagen ist es üblich, im Rahmen der Begehung im Schichtzyklus auch die HDRE-Maschinen zu prüfen: generelle Sichtkontrolle, Leckagen, Geräusche, Gerüche, lokale Messwertanzeigen. Der Großteil der betrieblichen Überwachung sowie Regelung erfolgt über das Prozessleitsystem der Produktionsanlage, in welches die meisten relevanten Daten kontinuierlich direkt einfließen. Gängig hierfür ist ein Sekundentakt. Sich höherfrequent entwickelnde Daten wie Axialstand und Schwingungen und in einigen Fällen auch die Lagertemperaturen werden vom Maschinenüberwachungssystem überwacht. Oft handelt es sich dabei um Bently Nevada 3500-Systeme. Deren Summenwerte werden dann ebenfalls in das Prozessleitsystem übertragen. Eine längerfristige Datensammlung von Datentrends und Meldungen erfolgt dann in den Langzeitarchiven des Betriebsdaten-Informationssystems (BDIS, PIMS).

334

12  Betrieb und Instandhaltung

12.3 Maschinenüberwachung In der Anlagenleitwarte erfolgt die Steuerung des Produktionsbetriebs, und es werden alle eingehenden Alarme verarbeitet. Was die HDRE-Maschinenstränge angeht, sollte hier eine enge Abstimmung mit entsprechenden internen oder externen Fachstellen erfolgen, denen auch die Möglichkeit gegeben werden sollte, direkt auf relevante Daten zuzugreifen. In manchen Situationen und bei hohem Anfall von Alarmierungen kann es auch sein, dass der eine oder andere Alarm vom Personal der Leitwarte nicht oder nur verspätet beachtet wird. Deshalb ist es sinnvoll, für das Monitoring der Maschinenstränge zusätzlich Zustandsüberwachungssysteme zu nutzen, die auf den Daten im Prozessleitsystem und im Maschinenüberwachungssystem aufsetzen. Größere Unternehmen haben hierfür Organisationseinheiten, die sich speziell mit der Maschinenüberwachung beschäftigen und auch in der Lage sind, spezielle Untersuchungen und Auswertungen durchzuführen. Oft wird auch seitens der HDRE-Maschinenhersteller angeboten, eine Überwachung und Auswertung auf Basis von Fernübertragung durchzuführen. Dies ist besonders für Unternehmen sinnvoll, die kein hierfür spezialisiertes Personal besitzen und deshalb derartige Fragestellungen auslagern wollen. Wenn mit dem Maschinenhersteller Verfügbarkeitsgarantien vereinbart wurden, kann vertraglich ebenfalls eine Fernübertragung von Daten in dessen Zustandsüberwachungssystem erforderlich sein. Allgemeine Anleitungen zur Zustandsüberwachung von Maschinen gibt auch die DIN ISO 17359 (2018)2.

12.3.1 Messwerte der Maschinenüberwachung Die für die Maschinenüberwachung erfassten und kontinuierlich aufgezeichneten Messdaten wurden in Abschn.  6.3.12, „Prozessleittechnik“, und Abschn.  6.3.13, „Zustandsüberwachung“, im einzelnen dargestellt. Im Folgenden werden nochmals alle wesentlichen Überwachungsgrößen aufgeführt.

12.3.1.1 Ventilatoren Maschinenüberwachung bei Ventilatoren: • Lagertemperaturen, • Summenwerte der Lagerschwingungen und/oder Gehäuseschwingungen, • Drehzahl (falls nicht konstant).

2 DIN

ISO 17359:2018-05, „Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen – Allgemeine Anleitungen“ (ISO 17359:2018). Beuth-Verlag, Berlin.

12.3 Maschinenüberwachung

335

12.3.1.2 Turbomaschinen und Schraubenverdichter Maschinenüberwachung bei rotierenden Verdichtern: • Eintritts- und Austrittsdruck je Stufe, • Eintritts- und Austrittstemperatur je Stufe, • Durchflussmenge (ggf. je Stufe), • Drehzahl (bei variabler Drehzahl) bzw. Öffnungsgrad des Eintrittsleitapparates, • Bypassdaten (Menge, Temperatur), Öffnung des Bypassventils, • Keyphasorsignal, • Summenwerte der radialen Wellenschwingungen, wobei zusätzlich zu den Einzelwerten in X- und Y-Richtung auch der Richtungsvektor der Messungen überwacht werden sollte, um z. B. Schaufelbruch bei Turbinen erfassen zu können, • für Zustandsüberwachungssysteme zusätzlich 1X-Amplitude, 1X-Phase, NOT 1X-Amplitude, GAP Voltage, • Axialstand, • Temperatur des Lagerweißmetalls, • alle Prozessparameter, die den Zustand der Versorgungssysteme beschreiben, wie Drücke, Temperaturen, Durchflussmengen.

12.3.1.3 Hubkolbenverdichter Maschinenüberwachung bei Hubkolbenverdichtern: • • • • • • • • •

Eintritts- und Austrittsdruck je Stufe, Eintritts- und Austrittstemperatur je Stufe, Durchflussmenge je Stufe, Bypassdaten (Menge, Temperatur), Öffnung des Bypassventils, Absenkung der Kolbenstangen (außer bei vertikalen Maschinen), Temperaturen der Hauptlager, Beschleunigungen des Kurbelgehäuses, Leckagen durch die Kolbenstangen-Packungen, ggf. Temperaturen an den Ein- und Auslassventilen.

12.3.2 Zustandsüberwachungssysteme Zur Zustandsüberwachung von Maschinen werden spezielle Datenerfassungs- und Überwachungssysteme genutzt. Sie erfassen, verarbeiten und speichern kontinuierlich die verschiedenen Parameter der Zustandsüberwachung. Datenquellen sind die Maschinendaten aus den Maschinenüberwachungssystemen, die Maschinensteuerung sowie die Prozessdaten aus Prozessleitsystem und Betriebsdaten-Informationssystem. Maschinenüberwachungssysteme wie das BN 3500 und viele andere bieten über die Summenwerte hinaus gehende Signalaufbereitungen wie die bereits angesprochene

336

12  Betrieb und Instandhaltung

1X-Amplitude, 1X-Phase, NOT-1X-Amplitude, GAP-Voltage des Schwingungssignals an, die in ihrem Zeitverlauf über speziell hierfür vorgesehene zusätzliche betriebsnahe Auswertesoftware dargestellt werden können. Beispielhaft werden hier „System 1®“ von Baker Hughes und „Setpoint®“ von Brüel&Kjaer genannt. Mit diesen Systemen ist eine systematische Trendanalyse möglich. Weiterhin ist die Einbindung in Zustandsüberwachungssysteme möglich, die die Daten vieler Maschinenstränge in einem Softwaresystem bündeln und bei Spezialeinheiten des Betreibers, Maschinenherstellern oder anderen Dienstleistungsunternehmen angesiedelt sind und Überwachungsfunktionen übernehmen. Solche Systeme sollten immer von Spezialisten betrieben werden und mindestens die folgenden Fähigkeiten haben: • Online-Informationen über das Schwingungsverhalten von Geräten bereitstellen, einschließlich der Informationen, die für verschiedene Echtzeit- und Verlaufsanalysen erforderlich sind, • Online-Informationen zur Prozessleistung ausgewählter Maschinen bereitstellen, einschließlich der Berichterstattung über berechnete Wirkungsgrade, • den Fernzugriff mittels aktueller und zukünftiger IT-Technologien (z. B. gesichertes Internet) zum Auslesen und Online-Auswerten von Daten ermöglichen, • Erfassen und Speichern sich schnell ändernder transienter Daten während des Anund Abfahrens und bei Alarm- und Auslöseereignissen ermöglichen und über Einrichtungen zum Analysieren dieser Daten verfügen, • eine schnelle Abtastrate verschiedener voreingestellter Parameter haben, um Echtzeitanalysen zu ermöglichen und Alarmfunktionen und Berichtsmöglichkeiten bereitzustellen, • die Kommunikation mit Prozessleitsystemen und spezifischen Steuerungssystemen innerhalb des Maschinenstrangs ermöglichen, • die Bildung von Maschinenstrang-spezifischen Kennzahlen ermöglichen, die mit besonderen Alarmwerten belegt werden und damit frühzeitig Änderungen des Maschinenzustands erkennen, • eine (teil-)automatisierte regelmäßige Berichterstattung ermöglichen, z.  B. im Monatsrhythmus, in denen auch über Langzeittrends informiert wird und Empfehlungen über zusätzliche Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen gegeben werden, • bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte auch spontane Berichte übermitteln. Um die Beurteilung des Maschinenzustands zu erleichtern, muss die Gesamtspeicherkapazität so bemessen sein, dass Langzeittrends erstellt werden können. Die erwähnten Kennzahlen sind spezifisch von Experten ausgewählte Kombinationen aus Messwerten, die Änderungen z. B. von Schwingungen oder Lagertemperaturen bei veränderten Betriebsbedingungen berücksichtigen und damit entweder lastunabhängig sind, oder alternativ lastabhängige Grenzwerte setzen.

12.4  Wartung & Inspektion

337

Ein direkter Zugriff von Fernüberwachungssystemen auf Steuerungssysteme der Maschinenstränge ist im allgemeinen nicht erwünscht. Entscheidungen zum Eingriff sollten generell vom Betriebspersonal getroffen werden. Im Ausnahmefall müßten geeignete Ausgänge für Anlagenschutzsysteme und Alarme für das Prozessleitsystem bereitgestellt werden. Hierzu wird auch hingewiesen auf die entsprechenden Ausführungen in Abschn. 6.3.13, „Zustandsüberwachung, Maschinen-Monitoring“. Wesentlich ist die Beachtung der Sicherheit im Austausch der erforderlichen Daten außerhalb der Grenzen des eigenen Unternehmens. Diese komplizieren den Aufbau solcher Systeme, müssen aber unbedingt beachtet werden. Von „außen“ darf schon aus Gründen der Anlagensicherheit kein direkter Zugriff auf Produktions- und Prozessleitsysteme möglich sein.

12.4 Wartung & Inspektion Unter Wartung und Inspektion verzeichnet man alle Maßnahmen, die regelmäßig während des Betriebs von Maschinensträngen durchgeführt werden, und die der Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen, sicheren Betriebs dienen. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen sind in den Handbüchern des Betriebs und der Maschinenstränge beschrieben und gelistet. Zu diesen Maßnahmen zählen auch die bereits in Abschn. 12.3 beschriebenen Methoden zur Maschinenüberwachung. Im Folgenden werden die für den Betrieb wichtige Durchführung von Schwingungsanalysen sowie weitere Maßnahmen dargestellt. Nicht alle Maßnahmen sind während des Maschinenbetriebes durchführbar, einige benötigen einen Maschinenstillstand.

12.4.1 Auswertung von Maschinenschwingungen Routinemäßig sollte, auch ohne besondere Vorkommnisse, von Zeit zu Zeit (z. B. im Quartalsrhythmus) eine Schwingungsanalyse an Maschinen und Rohrleitungen durch Maschinendiagnostik-Fachstellen vorgenommen werden. Außerhalb der Routine kann auch ein Anstoß durch Meldungen und Alarme aus Prozessleitsystem oder Zustandsüberwachungssystem erfolgen. Wesentlich sind hier Änderungen im Schwingungspegel und bei den Lagertemperaturen. Auch wenn sich in der Regel Änderungen in der Lagertemperatur „langsam“ vollziehen, ist es aus der Praxis bekannt, dass auch Anstiege in kurzen Zeiträumen von Minuten möglich sind. Deshalb sollten seitens des Betriebspersonals solche Änderungen kurzfristig an Diagnostik-Fachstellen zur Weiterbearbeitung gemeldet werden. Schwingungsanalysen aus den Daten der Maschinenüberwachungssysteme sind durch direkten Abgriff aus diesen Systemen möglich.

338

12  Betrieb und Instandhaltung

In Zusammenhang mit der Schwingungsanalyse wird Bezug genommen auf die VDIRichtlinie 3839 (2001)3. In ihrer Vorbemerkung heißt es: In den Richtlinien der Reihe VDI 3839 werden Verfahren und Einrichtungen zur Messung der Schwingungen von Maschinen beschrieben. Sie erläutern die wesentlichen Kriterien zur Bewertung der Messergebnisse und nennen die maßgebenden Beurteilungs-Richtlinien oder -Normen. Weiterhin werden Anleitungen zur Analyse und Deutung gemessener Schwingungen gegeben, um bei Beanstandungen, Störungen oder Schäden Hinweise auf deren Ursachen zu erhalten und Abhilfemaßnahmen einleiten zu können. Hierzu sind in den Blättern 2 bis 8 Beispiele für typische Schwingungsursachen und die sich ergebenden Schwingungsbilder aufgenommen worden. Die Richtlinien der Reihe VDI 3839 sollen kein Fachbuch der Schwingungslehre ersetzen. Sie sind vorwiegend gedacht als Leitfaden für Ingenieure und Techniker in Entwicklungs-, Prüf- oder Betriebsabteilungen, die keine gezielte Ausbildung auf dem Gebiet der Messung und Interpretation von Schwingungen haben.

Zum Thema Maschinenschwingungen ist sehr viel einschlägige Fachliteratur erhältlich, und verschiedene Unternehmen wie auch Maschinenhersteller bieten Praxisseminare an.

12.4.2 Maßnahmen im laufenden Betrieb Neben den Aussagen aus den Zustandsüberwachungssystemen und der Schwingungsdiagnostik sind einige wichtige Wartungs- und Inspektionsmaßnahmen im laufenden Betrieb möglich. Auf einige dieser Maßnahmen wird im Folgenden hingewiesen. Grundsätzlich sollte dafür gesorgt werden, ggf. auch im Rahmen von technischen Verbesserungen während der Betriebsphase, dass möglichst viele Funktionen während des Betriebs getestet werden können. In regelmäßigem Rhythmus (3 bis 6 Monate) sollten dem Öltank Proben entnommen und gemäß ISO 44064 durch ein qualifiziertes Prüflabor analysiert werden. Insbesondere darf kein Wasseranteil vorliegen. Bei kleineren Verunreinigungen kann eine Ölreinigung durch eine externe, mobile Ölreinigungsanlage durchgeführt werden, bei größeren Verunreinigungen ist ein Austausch des Öls erforderlich. Manche Hersteller empfehlen einen kompletten Austausch nach 2 Jahren, was der Autor bei regelmäßig durchgeführten Analysen für übertrieben hält. Zur Vermeidung von Foulingprozessen sollte die Qualität von Kühlwasser, Dampf und Einspritzungen regelmäßig überprüft werden.

3 VDI-Richtlinie

3839 (03:2001), Hinweise zur Messung und Interpretation der Schwingungen von Maschinen. Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf. 4  ISO 4406:2021-01, Hydraulic fluid power – Fluids – Method for coding the level of contamination by solid particles. Beuth-Verlag, Berlin.

12.4  Wartung & Inspektion

339

Soweit redundant angeordnet, sollten Ölkühler regelmäßig umgestellt und im Falle von Verschmutzung gereinigt werden. Öl- und Sperrgasfilter sollten regelmäßig umgestellt und gereinigt werden, besonders dann, wenn die Druckverluste deutlich ansteigen. Filtereinsätze sind je nach Art entweder zu tauschen oder zu reinigen. Die Funktion von Hochbehältern, Akkumulatoren und ähnlichen Einrichtungen im Ölsystem sollten periodisch getestet werden, und soweit möglich, auch die automatische Umschaltung von Hilfsölpumpe(n). Alle Regelventile sollten mit einem Umgang ausgestattet sein. Damit ist ein Austausch auch während des Betriebs möglich. Ihre Dicht- und Führungsflächen sollten regelmäßig kontrolliert werden. Die Funktion sicherheitsrelevanter Einrichtungen, elektronisch oder nichtelektronisch, speziell bei Z-Schaltungen, muss oft jährlich geprüft werden. Hier sollten nach Möglichkeit Testmöglichkeiten vorgesehen sein, die eine solche Überprüfung auch bei Weiterbetrieb des Maschinenstrangs ermöglichen. In diesem Rahmen können für sicherheitsrelevante Armaturen regelmäßig TeilhubPrüfungen („Partial Stroke Test“) durchgeführt werden. Mit solchen Tests kann die Funktionsfähigkeit überprüft werden, ohne dass der Betrieb unterbrochen wird. Die betroffenen Armaturen werden dabei nur so weit geschlossen und dann wieder geöffnet, dass die Durchströmung nicht zu stark eingeschränkt wird. Mithilfe solcher Tests können auch die Schließzeiten von Schnellschluss- und Stellventilen abgeschätzt werden. Auch für betriebsrelevante Einrichtungen wie Eintrittsleitapparate werden solche Tests empfohlen, denn bei längerem Verharren in einer bestimmten Position kann es zum Festsitzen kommen, z. B. durch Bildung von Belägen. An Hubkolbenverdichtern sollten die Verschleißteile wie Kolbenringe, Packungen und Ventile regelmäßig beobachtet werden. Verschleiß macht sich durch den Trend der Kolbenstangenabsenkung, durch ungewöhnliche Geräusche oder Temperaturerhöhung an den Ein- und Auslassventilen, im Kolbenstangenbereich auch durch Leckagen bemerkbar. Wenn bei Hubkolbenverdichtern der Verdacht auf verminderten Wirkungsgrad besteht, sollte eine Messung und Analyse des p–V-Diagramms durch eine Fachorganisation durchgeführt werden. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein entsprechender Anschlüsse am Verdichter.

12.4.3 Maßnahmen im Stillstand Maßnahmen, die den Stillstand des HDRE-Maschinenstrangs erfordern, erfolgen nach Möglichkeit während einer ohnehin geplanten Revision. Wenn das nicht möglich erscheint, sollte hierzu eine vorgezogene Abstellung geplant werden. Bei geeigneter Vorbereitung auch eventuell weiterer Maßnahmen können Revisionsmaßnahmen

340

12  Betrieb und Instandhaltung

auch während eines außerplanmäßigen Stillstands zuvor, z. B. nach einem Ausfall von Maschinenstrang oder Produktionsanlage, kurzfristig durchgeführt werden. Die erste Kontrollabstellung eines Maschinenstrangs sollte nach Möglichkeit bereits nach 1 bis 2 Jahren erfolgen, auf jeden Fall vor Auslaufen der Gewährleistungszeit. Dabei können bereits erkannte Schwachstellen beseitigt, Frühausfälle vermieden und zukünftige Schwachstellen erkannt werden.

12.5 Revisionen am Maschinenstrang Die Revision einer Maschineneinheit umfasst prinzipiell alle Instandhaltungstätigkeiten, die nicht im laufenden Betrieb durchgeführt werden können. Der zugehörige englischsprachige Begriff „Turnaround“ beschreibt dabei die Zeitspanne zwischen Außerbetriebnahme und Wieder-Inbetriebnahme einer Anlage. Revisionen finden grundsätzlich in größeren Zeiträumen statt, die ähnlich einem Investitionsprojekt detailliert geplant und durchgeführt werden, und umfassen in der Regel außer den hier betrachteten Maschinensträngen eine gesamte Prozesseinheit (Teilanlage) einer Produktionsanlage. Zudem führen Erkenntnisse einer Befundung nach der kompletten oder teilweisen Zerlegung der Maschinen meist zu Mehraufwand und Änderungen im geplanten Revisionsumfang, was Zeitbedarf und Kosten angeht. Während einer Revision werden zum einen alle vorgeschriebenen Prüfungen durchgeführt, die aufgrund von Vorgaben des Maschinenherstellers und aus gesetzlichen Verpflichtungen heraus notwendig sind. Grundlagen hierfür sind z. B. Maschinenrichtlinie, Druckgeräterichtlinie und Betriebssicherheitsverordnung. Weiterhin werden während einer Revision die während der Betriebszeit aufgetretenen Mängel beseitigt und Verbesserungen durchgeführt, die Funktionalität, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit erhöhen. Diese können noch aus der Gewährleistungszeit resultieren. Aus den Ergebnissen einer Revision werden zukünftige Instandhaltungsmaßnahmen abgeleitet. Die Arbeiten an den HDRE-Maschinensträngen während einer Revision bestehen aus vielen verschiedenen Aufgaben, die innerhalb eines begrenzten Zeitrahmens und mit eng abgestimmten Tätigkeiten vieler verschiedener Personengruppen ausgeführt werden müssen. Dazu gehören die Betreiberorganisation, interne und externe Service- und Instandhaltungsorganisationen und nicht zuletzt Personal der Maschinenhersteller. Die Inspektion einer zerlegten Maschine kann neben den geplanten Arbeiten zu erheblichen Änderungen am erforderlichen Arbeitsumfang führen. Um den geplanten Zeitrahmen nach Möglichkeit nicht erweitern zu müssen, sind schnelle Entscheidungsprozesse erforderlich. Mögliche Fehler bei der Ausführung oder unerwartete Reparaturarbeiten können hier Verzögerungen von mehreren Wochen begründen.

12.5  Revisionen am Maschinenstrang

341

Bereits die Planung und Vorbereitung von Revisionen an HDRE-Maschinensträngen sollte deshalb mit größter Sorgfalt erfolgen, um das Risiko von Verzögerungen, Qualitätsproblemen und Nacharbeiten aufgrund schlechter Planung oder schlechter Organisation zu verringern. Alle erforderlichen Ersatzteile, Werkzeuge und Ressourcen müssen rechtzeitig verfügbar sein. Möglicher Zusatzaufwand sollte, soweit möglich, gedanklich und planerisch bereits vorweggenommen werden. Die Planung und Vorbereitung von HDRE-Revisionen beginnt frühzeitig und sollte von erfahrenen Fachleuten durchgeführt werden.

12.5.1 Technische Revisionsplanung Unterschieden aufgrund ihrer Komplexität werden Kurzabstellungen für kleinere Wartungsmaßnahmen im Bereich von wenigen Stunden oder Tagen, „kleine“ Revisionen im Bereich weniger Tage und „große“ Revisionen, die mehrere Wochen in Anspruch nehmen können. Bei einer kleinen Revision werden keine Gehäuseteile geöffnet. Sie wird nach Möglichkeit während eines Stillstands aus anderem Grund oder nach einer Betriebsstörung durchgeführt. Hier werden insbesondere sicherheitstechnische Komponenten geprüft und Verschleißteile ersetzt. Die große Revision geht über den Umfang der kleinen Revision deutlich hinaus und erfordert eine intensive Kontrolle und Befundaufnahme. In den meisten Fällen werden die Gehäuse geöffnet und die Maschinen komplett oder teilweise zerlegt. Oft kommen auch die kritischen Ersatzteile wie Ersatzrotoren zum Einsatz, um nach der Revision auch diese ohne Zeitdruck reinigen und überarbeiten zu können. Die technische Grundlage für die durchzuführenden Arbeiten liefert zunächst die Instandhaltungsdokumentation der Maschinenhersteller. Sie beschreibt, in welchen Intervallen welche Arbeiten auf welche Weise durchzuführen sind und welche Werkzeuge hierzu erforderlich sind. Dies kann allgemein, aber auch sehr maschinenspezifisch sein. Der Umfang der Arbeiten wird auch bestimmt durch Erfahrungen während des Betriebs (Ausfälle, Verschmutzungen, Trends) und bei vorausgegangenen Revisionen, geplanten Verbesserungen und Optimierungen und behördlichen Anforderungen. In den folgenden Abschnitten wird exemplarisch auf typische Anforderungen spezifischer Maschinen eingegangen, nicht in Vollständigkeit. Hinzu kommen auch die erforderlichen Maßnahmen im Bereich von Elektrik und Instrumentierung, Sicherheitseinrichtungen. Weiterhin wird der Zustand von Abscheidern, Pulsationsdämpfern, Wärmeübertragern und anderen Systemkomponenten geprüft. Die Revisionsarbeiten sollten unter Supervision des jeweiligen Maschinenherstellers erfolgen.

342

12  Betrieb und Instandhaltung

12.5.1.1 Revision von rotierenden Verdichtern und Getrieben Gängig ist eine Revision alle 5 Jahre bzw. 40.000 Betriebsstunden. Ein Austausch der Rotoren von Verdichter und Getriebe erfolgt jedoch oft erst im Intervall von 10 Jahren oder 80.000 Betriebsstunden. Im Falle von Einwellenverdichtern entfällt in den meisten Fällen die Demontage der Prozessgasleitungen, weil eine Inspektion der Rotoren durch Abheben der Gehäusedeckel möglich ist. Bei vertikal geteilten Verdichtern muss zuvor das Innengehäuse mithilfe geeigneter Hilfsmittel in axialer Richtung herausgezogen werden. Dies setzt ausreichende Arbeitsfläche und einen geeigneten Ausziehtisch voraus. In seltenen Fällen, in denen ein vertikal geteiltes Verdichtergehäuse nicht am Ende eines Maschinenstrangs angeordnet ist, muss ggf. durch Kupplungsausbau Platz geschaffen werden. Nach dem Öffnen sollte besonders auch die Planheit der Teilfugen überprüft werden. Bei Getriebe-Turboverdichtern müssen zur Inspektion der Laufräder die Prozessleitungen entfernt werden. Beim vorsichtigen Öffnen der Flanschverbindungen werden zur Kontrolle der spannungsfreien Verbindung Spaltweite sowie parallele und angulare Verschiebung gemessen. Geeignete Markierungen sollten den Wieder-Einbau von Rohrleitungsstücken in derselben Position ermöglichen. Um den Ausbau zu ermöglichen, müssen in der Regel zuvor weitere Öl- und Sperrgasleitungen sowie Messleitungen ausgebaut werden. Besonders kritische Arbeitsschritte sind dabei das Anheben und Aufsetzen von Gehäuseteilen und Rotoren, sowie axiales Herausziehen und Wieder-Einführen der Innengehäuse von vertikal geteilten Verdichtern. Es wird empfohlen, bei der Revision die meist als Kartuschen installierten Kohlebzw. Gleitringdichtungen auszutauschen und von deren Hersteller aufbereiten zu lassen. Labyrinthdichtungen und andere Innenteile werden auf Beschädigung z. B. durch Anstreifen untersucht, weiterhin werden radiale Spalte vermessen und auf ihre Toleranzlage hin überprüft. Ggf. ist ein Austausch erforderlich. Radial- und Axiallager werden auf Verschleiß, Kontaktflächen, Überhitzungen und Lagerspiel hin überprüft. Bei Stirnradgetrieben werden Zahnverschleiß, Spiel, Kontaktflächen und Ausrichtung geprüft. Ölzufuhr- und Rücklaufbohrungen werden auf Verstopfungen geprüft. Bei Planetengetrieben empfiehlt sich wegen des komplexen Aufbaus eine Inspektion in der Werkstatt des Getriebeherstellers. 12.5.1.2 Revision von Dampfturbinen Empfehlungen für die Revision an Dampfturbinen sind in VGB-Standard R115 (2016)5 niedergelegt. Dieser Standard enthält u. a. Listen mit den während einer Revision empfohlenen Maßnahmen.

5  VGB-S-115-00-2015-12-DE

(2016), Empfehlung für die Revision von Dampfturbinen, VGB PowerTech Service GmbH, Essen, ISBN 978-3-86.875-891-7.

12.5  Revisionen am Maschinenstrang

343

Als weiterführende Literatur bezüglich der Instandhaltung an Dampfturbinen dient Wiesche (2018)6, Kap. 23, „Instandhaltung“. Dort wird auch detailliert auf Schäden und ihre möglichen Ursachen eingegangen, dort schwerpunktmäßig von Kraftwerksturbinen. Einige Arbeiten entsprechen den bereits bei Turboverdichtern erwähnten. Einer genauen Überprüfung werden unter anderem die Frischdampf-Regelarmaturen und Auslösearmaturen („Trip & Throttle Valve“) unterzogen, sowohl auf Dampfseite als auch für die Aktuatoren auf der Ölseite. Die Wellendrehvorrichtung wird zerlegt, gereinigt, auf Schäden untersucht und im Rahmen der Wieder-Inbetriebnahme auf Funktion geprüft. Die Erdungsbürsten werden ggf. nach visueller Prüfung ersetzt. Kritische Arbeitsschritte sind das Anheben und Aufsetzen von Gehäuseteilen und Rotoren und das hydraulische Anziehen von Gehäuseschrauben.

12.5.1.3 Revision von Hubkolbenverdichtern Wegen der hohen dynamischen Kräfte besonders bei vertikalen Hubkolbenverdichtern wird das Fundament visuell auf Risse geprüft. Ebenso wird die Befestigung des Verdichters auf dem Fundament geprüft, u. a. über Messung und Beurteilung der Schwingungsantwort. Im Bereich der Zylinder, Kolben, Kolbenstangen und Distanzstücke werden Laufflächen auf Abnutzung und Riefen geprüft und Verschleißteile ausgetauscht, insbesondere auch Packungen, Führungs- und Kolbenringe. Spiele und geometrische Abmessungen werden vermessen. Ventile, Ventillaternen, -dichtungen und -sitze werden kontrolliert und ggf. auch vorsorglich ausgetauscht. Lagerspiele von Kurbelwelle, Schubstange und im Bereich des Kreuzkopfes werden mit Fühlerlehre vermessen. Stichprobenartig können sie im ausgebauten Zustand geprüft werden. Kritische Arbeitsschritte sind besonders die Demontage und Wieder-Montage der Kolbenstangenverbindungen sowie der Zylinder. 12.5.1.4 Revision von Hilfs- und Versorgungssystemen Grundsätzlich sollten alle Komponenten der Hilfs- und Versorgungssysteme folgenden Arbeiten unterzogen werden: Entleeren, Reinigen, Spülen, Druckprüfung, Trocknen, Dichtheitsprüfung. Öltanks werden entleert und gereinigt. Das Öl wird im Labor untersucht und je nach Ergebnis gereinigt oder ausgetauscht. Öl- und Gasfilter werden gereinigt bzw. die Kartuschen ersetzt.

6  Wiesche,

S (2018) Handbuch Dampfturbinen – Grundlagen, Konstruktion, Betrieb, Kap. 23 Instandhaltung (Martin Heinen); Springer Vieweg, Wiesbaden.

344

12  Betrieb und Instandhaltung

12.5.2 Revisionsmanagement Revisionen an HDRE-Maschinensträngen besitzen oft einen sehr komplexen und kostenintensiven Projektumfang und bilden häufig auch den „kritischen Pfad“ für eine Anlagenabstellung. Deshalb sollte die Planung und Ausführung innerhalb einer frühzeitig definierten Projektstruktur unter Führung eines spezialisierten Revisions-Managers erfolgen. Er sollte Unterstützung erhalten durch HDRE-Spezialisten, Planungsingenieure, Supervisoren, Techniker und Vertreter der erforderlichen Fachdisziplinen wie Elektrotechnik, Prozessleittechnik, Rohrleitungstechnik und Bautechnik. Nach der Initialisierung einer Revision, etwa 2 Jahre vor ihrem eigentlichen Beginn, erfolgt die Grobplanung mit Festlegung des technischen Umfangs, Erstellung von Arbeitslisten für den oder die betroffenen Maschinenstränge sowie eine Kostenschätzung unter Berücksichtigung des benötigten betriebsinternen und externen Personals. Hier wird bereits die organisatorische Aufteilung der Arbeiten festgelegt. Basierend auf dem geschätzten Zeitbedarf wird die Notwendigkeit von Schichtbetrieb und Wochenendarbeit ermittelt. Die Planung sollte nach Möglichkeit auch mit dem Maschinenhersteller durchgesprochen werden und dessen Erfahrungen mit einbeziehen. Meilenstein für die Grobplanung ist die Genehmigung des Grobkonzepts. Es folgt die Detaillierungsphase des Grobkonzepts. Am Ende dieser Phase, bei größeren Revisionen etwa 1 Jahr vor der Ausführung, sollte eine detaillierte Arbeitsliste erstellt sein, unter Abschätzung des notwendigen Personalbedarfs, und mit einer genaueren Kostenschätzung. Die Ersatzteilsituation muss geklärt sein, denn manche Ersatzteile benötigen eine Lieferzeit von mehr als 6 Monaten. In dieser Phase sollte auch geklärt werden, auf welche externen Personalressourcen unter welchen vertraglichen Konstellationen zugegriffen werden soll. Die Verantwortung für die Ausführung kann beim Betreiber liegen, aber auch bei einem Maschinenhersteller oder einer betriebsexternen Spezialfirma. Auf jeden Fall ist eine genaue Festlegung von Verantwortlichkeiten und Schnittstellen erforderlich, wie auch Qualitäts-Meilensteine, Inhalte und Qualität der Berichte zu Inspektionen und Prüfungen, Qualitätskriterien für die Abnahme und Wieder-Inbetriebnahme. Vor dem Beginn der Revision werden insbesondere für kritische Arbeitsschritte detaillierte Arbeitsanweisungen benötigt. Weiterhin sind Klärungen u. a. zu folgenden Themen erforderlich: • Hebe- und Transportlogistik, • Organisation der Arbeitsplätze, • erforderliche Werkstatt-Infrastruktur (intern, extern, Hersteller), kurzfristig verfügbare Kapazitäten, • Bereitstellung aller vorhandenen und erforderlichen technischen Dokumente, Zeichnungen, Maßtabellen und Vorschriften für Zerlegung, Reinigung, Inspektion, Zusammenbau etc.,

12.5  Revisionen am Maschinenstrang

345

• Aufstellung eines für die Revision spezifischen ITP („Inspection and Test Plan“), • Sicherstellung von Arbeits- und Anlagensicherheit, Gesundheits- und Umweltschutz, anhand allgemeiner Vorschriften wie auch spezifischer Vorschriften für einzelne kritische Tätigkeiten, • Versorgung mit Hilfsenergien, • Verfügbarkeit von Gerüstbau, Isolierung, Reinigungssystemen, • Unterstützung für die Materialprüfung und Druckprüfungen, • Verfügbarkeit von Infrastruktur für das zusätzlich eingesetzte Personal. Vor Beginn der Revision werden schließlich alle Mitarbeitenden detailliert über ihre Aufgaben und Verantwortlichkeiten instruiert, über erforderliche Sicherheitsmaßnahmen und Sicherheitsausrüstungen informiert und in die technischen Details eingewiesen. Formal erfolgt eine Übergabe der betroffenen Maschineneinheit an das Revisionsteam.

12.5.3 Ersatzteilvorhaltung Die Beschaffung von Ersatzteilen sollte bereits vor Erst-Inbetriebnahme auf Basis der Vorschläge der Maschinenhersteller und unter Beteiligung der zuständigen Betriebs-, Instandhaltungs- und Maschinendiagnostik-Organisation erfolgt sein und anschließend auf Stand gehalten werden. Rechtzeitig vor Beginn einer Revision, wegen oft langer Lieferzeiten mindestens 12 Monate zuvor, sollte eine Überprüfung des Lagerbestands und des Zustands der benötigten Ersatzteile erfolgen. Ersatzrotoren sollten sich in ihrer unversehrten Originalverpackung befinden, z. B. in einer metallenen, unter Stickstoffatmosphäre stehenden Lagerbox. Längere, horizontal gelagerte Rotoren sollten periodisch gedreht worden sein, um Durchbiegungen zu vermeiden. Vor dem Einbau eines Ersatzrotors sollte dieser einer Wuchtkontrolle unterzogen werden, ggf. auf der Wuchtbank des Maschinenherstellers. Möglicherweise müssen verschiedene Ersatzteile nochmals gereinigt und aufgearbeitet werden. Empfehlenswert ist bei den meisten Ersatzteilen die Durchführung einer Maßkontrolle, um Überschreitungen von Fertigungstoleranzen auszuschließen. Die Lebensdauer einiger Materialien wie O-Ringe und Gummidichtungen ist u. a. durch Versprödung begrenzt. Deshalb müssen diese regelmäßig ersetzt werden. Auch bei den Ersatzteilen muss deren Haltbarkeitstermin beachtet werden. Insgesamt sollte mindestens ein kompletter Satz aller statischen Dichtungen vorhanden sein. Bei Kohleringdichtungen und gasgeschmierten Gleitringdichtungen sollte eine Inspektion seitens der Dichtungshersteller erfolgen. Wenn Maschinengehäuse geöffnet werden, sollte eine ausreichende Anzahl von Befestigungsschrauben, Gewindestangen, Unterlegscheiben und Muttern vorgehalten werden. Für den Fall, dass auch die Verschraubung von Maschinengehäusen am Funda-

346

12  Betrieb und Instandhaltung

ment gelöst werden muss, z. B. im Falle einer erforderlichen Neuausrichtung, können diese durch Korrosion sehr schwergängig sein. Zur Wiederverschraubung sollte nur unbenutztes Material verwendet werden.

12.5.4 Materialien und Werkzeuge Neben den gängigen Werkzeugen ist zu prüfen, ob alle „Special Tools“ für die betroffenen Maschinen vorhanden und in gutem Zustand sind. Dies betrifft besonders auch Hydraulikwerkzeuge und Drehmomentschlüssel. Spezielle Ausrüstung wie Hebemittel muss festgelegt und geprüft werden. Bei Arbeiten an Verdichtern für Sauerstoff, Chlor oder Ähnliches ist zu beachten, dass sämtliche prozessberührenden Oberflächen nicht mit Mineralölen in Berührung kommen dürfen. Spezielle verträgliche Schmierstoffe müssen eingesetzt werden. Revisionen an solchen Teilen müssen in entsprechend geschützten Umgebungen durchgeführt werden, auch entsprechende Arbeitskleidung ist erforderlich. Vor und nach einem Wiederzusammenbau sind entsprechende Prüfungen erforderlich, z. B. unter UV-Licht, die die Ölfreiheit dokumentieren. Möglicherweise ist die Verwendung spezieller Konservierungsstoffe und Rostschutzmittel ebenfalls nicht zulässig. Ebenso muss auf eine ausreichende Verfügbarkeit aller eingesetzten Schmier- und Hilfsstoffe geachtet werden. Speziell gilt dies für den Fall, dass eine Reinigung nicht ausreicht und Schmier- oder Steueröl ausgetauscht werden muss.

12.5.5 Vorbereitende Maßnahmen für die Revision Vor dem Abstellen des Maschinenstrangs sind als vorbereitende Maßnahmen erforderlich: • Entfernen von Schallschutzhauben, Sicherstellen der Zugänglichkeit und ausreichender Ablage- und Arbeitsflächen, Bereitstellen von Hebevorrichtungen wie Laufkatzen und Kränen, • Prüfen auf Anomalien aller Komponenten, Betriebsparameter und Trends (auch Langzeittrends) vor dem Abstellen des Maschinenstrangs, auch die Instrumentierung selbst, • Untersuchen des Prozessgas- bzw. Dampfsystems sowie der Versorgungssysteme für Öl und Kühlwasser auf Leckagen, • Durchführen von Ölproben, • vor der Demontage und Reinigung den Zustand unmittelbar nach Stillstand der Maschine prüfen,

12.5  Revisionen am Maschinenstrang

347

• das Prozessgas im Verdichter vor der Demontage durch Inertgas ersetzen, • die Wellenausrichtung vor dem Zerlegen und nach Wieder-Zusammenbau prüfen und dokumentieren.

12.5.6 Zerlegen und Reinigen Das Abstellen eines Maschinenstrangs erfolgt gewöhnlich unter Nutzung eines der möglichen Trip-Signale. Während des Herunterfahrens sollte, ähnlich wie beim Funktionstest beim Hersteller, eine eingehende Schwingungsanalyse durchgeführt werden sowie Auslaufzeiten gemessen und mit früheren Aufzeichnungen verglichen werden. Die Hilfs- und Versorgungssysteme sollten zunächst weiter laufen und erst nach dem Abkühlen abgestellt werden. In diesem Zeitraum können Funktionstests an diesen durchgeführt werden. Im Falle von toxischen und/oder brennbaren Gasen werden die Maschinen mit ihren Innenräumen nach Abstellung seitens des Betriebspersonals sauber gespült und entleert, um alle gefährlichen und giftigen Substanzen weitestgehend zu entfernen. Vor dem Öffnen der Maschinen selbst werden die Prozessleitungen mit Hilfe von „Double Block and Bleed“-Armaturen, Absperrplatten, Absperrventilen oder durch Entfernen von Rohrleitungsstücken vom Prozess getrennt. Wegen der Gefährdung durch gefährliche Produktreste ist beim Öffnen von Leitungen und Armaturen und deren Reinigung möglicherweise das Tragen spezieller persönlicher Schutzausrüstung erforderlich. Das Öffnen der Maschine und das Anheben von Gehäuseteilen und Rotoren erfolgt nach Anweisung des Maschinenherstellers mit den hierfür vorgesehenen Werkzeugen und zur Vermeidung von Beschädigungen mit größtmöglicher Sorgfalt, und erst nach Stromlosmachen elektrischer Antriebe. Im Rahmen der Revision und nach jeweiliger Begutachtung sollten alle Bauteile mittels geeigneter Verfahren gründlich gereinigt werden. Besonders empfindliche Teile sollten geschützt werden, um mechanische Beschädigungen auszuschließen. Gereinigte Teile aus Schwarzstahl sind ggf. gegen Korrosion zu schützen. Nach chemischer Reinigung oder Beizen ist auf ausreichendes Spülen zu achten. Vor dem Wieder-Zusammenbau müssen alle Teile trocken sein, ggf. auch fettfrei mit entsprechender Prüfung.

12.5.7 Inspektion Eine fachgerechte Befundung sollte direkt bei jedem Demontageschritt erfolgen, wobei auf Gefährdungen durch anhaftende Produktreste zu achten ist. Alle Ablagerungen sollten auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden.

348

12  Betrieb und Instandhaltung

Mittels visueller Prüfungen können Beschädigungen der Oberflächen, Verschmutzungen, Erosions- und Korrosionsschäden und auch Kontaktmuster, z. B. an der Getriebeverzahnung und an Teilfugen, erkannt werden. Maßprüfungen, z. B. an Lagerschalen und Schraubenbolzen, und Messung von Spaltweiten und Run-Out geben weitere Erkenntnisse. Durch visuelle Prüfungen nicht erkennbare Schäden und Veränderungen können durch zerstörungsfreie Prüfungen erkannt werden, wie in Abschn. 6.4, „Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung“, beschrieben. Alle hoch beanspruchten Bauteile sollten geeigneten zerstörungsfreien Prüfungen unterzogen werden. Sämtliche statische Dichtungen sollten durch neue ersetzt werden. Alle Instrumente und Regelarmaturen sollten ausgebaut, gereinigt, geprüft und neu kalibriert werden. Bei Trockenkupplungen sollten die Membran- bzw. Lamellenpakete spätestens nach 5 Jahren ersetzt werden, Lamellenpakete bei hochverfügbaren Maschinensträngen besser schon früher. Die ausgetauschten Pakete sollten bei deren Hersteller untersucht werden. Besonderes Augenmerk sollte auf die Feststellung und Untersuchung möglicher Schäden gerichtet werden, die sich bereits vor der Revision durch Veränderungen und auf Basis der Analyse von Maschinenschwingungen, Lagertemperaturen und anderer Parameter angedeutet haben. Typische Schäden sind Rissbildung durch Schwingungsriss- und SpannungsrissKorrosion an hochbeanspruchten Bauteilen wie Gehäusen und Rotoren, axiales und radiales Anstreifen von Komponenten, erodierte Dampfturbinenschaufeln im Nassdampfgebiet sowie Schäden an Radial- und Axiallagern.

12.5.8 Reparaturen und Nacharbeiten Reparaturen und Nacharbeiten an den einzelnen Komponenten sind zeitkritisch, um den für die Revision vorgesehenen Zeitraum einzuhalten. Hierfür müssen Werkstätten und entsprechendes Personal vorgehalten werden. Die detaillierten Reparaturmaßnahmen sollten mit dem Maschinenhersteller abgestimmt werden. In manchen Fällen könnten hierfür Maße aus den Fertigungszeichnungen erforderlich sein, die dem Betreiber normalerweise nicht vorliegen. Nicht immer ist ein Auswechseln beschädigter Bauteile erforderlich. Besonders an Maschinengehäusen sind Nacharbeiten meist erfolgreich, und aus diesem Grund ist an dieser Stelle eine Ersatzteilbevorratung nur in seltenen Fällen vorgesehen.

12.5.9 Überwachungsbedürftige Anlagenteile Die zu einer Maschineneinheit gehörenden überwachungsbedürftigen Anlagenteile wie Druckbehälter, Sicherheitsventile und Z-Schaltungen können im Revisionsumfang

12.5  Revisionen am Maschinenstrang

349

der Maschineneinheit oder der Gesamtanlage liegen. In allen Fällen sind die vorgeschriebenen Prüfungen von einer zugelassenen inner- oder außerbetrieblichen Überwachungsstelle oder/und von einer zur Prüfung befähigten Person durchzuführen und entsprechend zu dokumentieren. Bei Rohrbündel-Wärmeübertragern sollten die Schweißnähte der Rohrböden auf Risse untersucht werden, die Rohre selbst sollten zumindest stichprobenweise einer Ultraschall- oder Wirbelstromprüfung im Inneren zur Überprüfung der Wandstärke unterzogen werden.

12.5.10 Verbesserungsmaßnahmen Vorzugsweise werden während einer Revision auch bereits zuvor geplante Verbesserungsmaßnahmen an der Maschineneinheit durchgeführt. Dabei kann es sich um den Austausch mechanischer oder elektronischer Komponenten oder Instrumente handeln, die nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen (sogenannte RetrofitMaßnahmen), oder die während des Betriebs bereits zu Ausfällen geführt haben. Einige Fälle sind auch bekannt, in denen Modifikationen an den SperrgasVersorgungssystemen erforderlich waren, um z. B. Leckagen von Prozessgas in verschiedenen Fahrfällen oder bei der Abstellung zu verhindern. Teilweise kann es sich hier um bereits während des Betriebs vorgenommene Einstellarbeiten handeln, oder aber um Ersatz von Messinstrumenten bzw. Regeleinrichtungen. Probleme können auch entstanden sein, wenn der tatsächliche Fackeldruck einer Abführungsleitung höher ist als in der Auslegung vorgesehen. Weitere Verbesserungsmaßnahmen sind z. B. zur Anpassung des Maschinenstrangs an geänderte Randbedingungen oder zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades denkbar.

12.5.11 Wieder-Zusammenbau Der Wieder-Zusammenbau wird in der Reihenfolge vorgenommen, die der Maschinenhersteller vorgibt. In der Regel wird es sich um die gleiche Reihenfolge handeln wie beim Zusammenbau der Maschineneinheit im Herstellerwerk, hier jedoch vom Team der Revision unter Aufsicht des Maschinenherstellers vorgenommen. Abmessungen und interne Spiele werden nach den Vorgabewerten gemessen und eingestellt. Kritische Abmessungen sollten doppelt überprüft werden. Weiterhin wird sichergestellt, dass • alle Komponenten, wie z. B. Rückschlagventile, unidirektionale Lager, richtig eingebaut, • Anzugs- und Drehmomente korrekt,

350

12  Betrieb und Instandhaltung

• vor dem Schließen keine Fremdkörper in den Maschinen verblieben, und • die Rotoren des Maschinenstrangs vor dem Wieder-Einbau der Kupplung gut ausgerichtet sind.

12.5.12 Wieder-Inbetriebnahme Nach dem Ende der Instandhaltungsmaßnahmen kann die Wieder-Inbetriebnahme beginnen, die ähnlich der Erst-Inbetriebnahme verläuft. Alle Armaturen müssen in der richtigen Position für den Betrieb, alle Maschinenschutzeinrichtungen wieder ordnungsgemäß installiert sein. Zunächst werden die Versorgungs- und Hilfssysteme in Betrieb genommen und eine Reihe von Kontrollen und Tests durchgeführt, z. B. • Ölstand im Tank, • Funktionsbereitschaft von Hilfs- und Notölpumpen, • Drehrichtungsprüfung der elektrischen Antriebe, • Funktionsprüfung der Maschinenschutzeinrichtungen, • Not-Aus-Tasten, • Anpassung von Maschineneinstellungen, z. B. Schmierölversorgung der Lager, Sperrgasdruck und -mengen, Alarm- und Schaltpunkteinstellungen, • Prozessdatenüberwachung, besonders auch der Versorgungssysteme, in Leitwarte und an der Maschinensteuerung, • Leckagen und andere Anomalien. Nach erfolgreicher Durchführung aller Vorbereitungsarbeiten für die Inbetriebnahme des Maschinenstrangs selbst erfolgt die formelle Übergabe der Maschineneinheit an den Betrieb unter Teilnahme des Betreibers und des Maschinenherstellers. Die Inbetriebnahme der Maschine erfolgt dann unter Aufsicht des Revisionsteams durch den Betrieb an der Maschineneinheit und in der Anlagenleitwarte. Während der Inbetriebnahme werden die Maschinenparameter wie Wellenverschiebung, Lagertemperaturen, Schwingungen, Sperrgasdruck, Durchflüsse beobachtet, analysiert und Abweichungen zu früheren Inbetriebnahmen dokumentiert.

12.5.13 Dokumentation Nach dem Abschluss der Revisionsarbeiten und Wieder-Inbetriebnahme wird eine detaillierte Revisions-Dokumentation erstellt, auch um Hinweise auf das zukünftig erwartete Betriebsverhalten zu geben und besonders auch als Ausgangspunkt für die nächste geplante Revision.

12.7  Kapazitätserweiterungen und „Revamp“

351

Der Revisionsbericht wird neben dem Inbetriebnahmeprotokoll erstellt und hat im Wesentlichen als Inhalt • eine Liste der durchgeführten Wartungstätigkeiten, • eine Übersicht über die eingesetzten Ersatzteile, • eine Übersicht von Verschleiß und festgestellten Schäden mit Befundberichten für jedes Bauteil mit Foto-Dokumentation, • alle Inspektions- und Testergebnisse, • eine Übersicht über durchgeführte Modifikationen und Verbesserungen, • aktuelle Spiele- und Maßtabellen sowie Ergebnisse der Wellenausrichtung, • aktualisierte Zeichnungen und Ersatzteillisten, • eine Übersicht der im Anschluss an die Revision durchzuführenden Inspek­tions­maß­ nah­men ausgetauschter Bauteile, sowie • Empfehlungen für zukünftige Betriebsführung, Optimierungsmaßnahmen und spätere Revisionen.

12.6 Fragestellungen zu Garantie und Gewährleistung Während der frühen Betriebszeit werden oft noch „Kinderkrankheiten“ an der Maschineneinheit festgestellt, die besonders im ersten Betriebsjahr zu einer verminderten Verfügbarkeit führen. In dieser Zeit und noch bis zum Ende der Gewährleistungszeit ist eine enge Kommunikation zwischen Betreiber und Maschinenhersteller erforderlich, um bei eventuellen Ausfällen und Schäden eine rasche Behebung zu ermöglichen. Es bewährt sich, wenn der im Rahmen der Beschaffung zuständige HDREEngineer des Betreibers in diesem Zeitraum auch Kontaktaufnahme und Vermittlung auf Basis der bestehenden vertraglichen Situation und gemäß der betrieblichen Interessen übernimmt. Es besteht die Notwendigkeit schnellstmöglicher Abhilfe bei Betriebseinschränkungen, wobei oft die Verfügbarkeit des Herstellers beschränkt ist. Dabei können Alleingänge des Betreibers dazu führen, dass die Gewährleistung erlischt. Deswegen sollten alle Maßnahmen zur Schadensbehebung entweder vom Maschinenhersteller selbst vorgeschlagen werden oder eigene Vorschläge und Vorgehensweisen, z. B. unter Nutzung eigener oder externer Werkstätten, zumindest mit ihm abgestimmt sein.

12.7 Kapazitätserweiterungen und „Revamp“ Meist erfolgt während der Betriebsphase einer Produktionsanlage eine Ermittlung der Schwachstellen mit dem Ziel, diese zu beseitigen, sowie eine Engpassanalyse. Aufgrund seiner hohen Investitionskosten ist dabei oft der Maschinenstrang einer der Engpässe.

352

12  Betrieb und Instandhaltung

Umgekehrt kann es auch sein, dass ein Maschinenstrang in der meisten Zeit aus produktionstechnischen Gründen oder wegen unzutreffender Annahmen zum Zeitpunkt der Spezifikation in Betriebspunkten mit niedrigeren Druck- und Mengenanforderungen betrieben wird. Der Grund können auch geänderte Gaszusammensetzungen sein. Kleinere Änderungen können durch Drehzahländerungen oder Änderungen in der Stellung des Eintrittsleitapparates ausgeglichen werden. Sie können aber auch zu Fahrweisen mit vermindertem Wirkungsgrad führen, was sich auf Dauer durch erhöhte Betriebskosten bemerkbar macht. Liegen bereits thermodynamische Berechnungen des aktuellen Betriebszustands (Drücke, Temperaturen, Mengen, Gaszusammensetzung) vor, so kann ein gewünschter, aus der Engpass- oder Schwachstellenanalyse hervorgegangener neuer Betriebszustand zunächst rechnerisch ermittelt werden. Damit ergeben sich z. B. ein erhöhter Leistungsbedarf oder/und ein geänderter Bedarf an Förderhöhe oder/und eine geänderte Fördermenge. Liegen diese noch im gegebenen Bereich der Kennfelder, so kann der neue Betriebszustand mit dem vorliegenden Maschinenstrang erreicht werden. Wenn solche Berechnungen seitens des Betreibers und seiner Fachstellen nicht möglich ist, kann der Maschinenhersteller beauftragt werden, eine solche Berechnung durchzuführen. Liegt der berechnete neue Betriebszustand außerhalb des Kennfeldes, z. B. wenn ein um 20 % erhöhter Leistungsbedarf erforderlich ist, ist eine mechanische Stranganalyse mit allen seinen Komponenten erforderlich. Zum Teil kann eine solche der Betreiber selbst auf Basis der vorliegenden Informationen und Dokumente durchführen, wenn ausreichend fachliche Expertise vorhanden ist. U. a. könnten vorhandene Kapazitätsreserven der einzelnen Komponenten ausgenutzt werden, der Antriebsmotor könnte (allerdings unter Einbuße von Lebensdauer) thermisch stärker belastet werden. Empfohlen wird in jedem Falle die Einbindung des Maschinenherstellers, auch in der Frage, ob ggf. durch solche Maßnahmen kürzere Perioden zwischen Revisionen erforderlich werden. Reichen solche Überlegungen nicht aus, so könnten nach einer Engineering-Studie in Zusammenarbeit mit dem Maschinenhersteller einzelne Komponenten ersetzt werden. Beispiele hierfür sind • • • •

ein stärkerer Antriebsmotor mit gleichem Footprint, wenn geometrisch möglich, Ersatz des Getrieberadsatzes zur Erhöhung der Antriebsdrehzahl, Ersatz von Laufrädern oder ganzen Rotoren unter Beibehaltung der Außengehäuse, Ersatz einer Antriebsturbine durch eine neue mit gleichem Footprint.

Reicht dies ebenfalls nicht aus, so kann ein Austausch des gesamten Maschinenstrangs in Erwägung gezogen werden, zunächst auch mit dem Versuch, bestehende Fundamente und ggf. auch Versorgungsanlagen weiter zu benutzen.

12.7  Kapazitätserweiterungen und „Revamp“

353

PRAXISBEISPIEL – KAPAZITÄTSERHÖHUNG

Ein Getriebe-Turboverdichterstrang mit einem Leistungsbedarf von etwa 7 MW und konstanter Drehzahl, angetrieben von einem Mittelspannungsmotor und geregelt mittels Eintrittsleitapparat, wurde innerhalb eines Kreisgasprozesses betrieben. In einer ersten Stufe sollte unter Beibehaltung der Gaszusammensetzung der Durchsatz um 10 … 15 % erhöht werden. Aufgrund der Mengenerhöhung war ebenfalls eine Erhöhung der abgeforderten Druckdifferenz erforderlich. Im ersten Schritt wurde eine thermodynamische Berechnung des aktuell gefahrenen und des gewünschten neuen Betriebszustands durchgeführt. Im bestehenden Betriebszustand lag der Leistungsbedarf um etwa 2 % niedriger als im spezifizierten Zustand. Aus der Berechnung ergab sich, dass ohne Änderungen am Maschinenstrang mit entsprechender Druckerhöhung eine Durchsatzerhöhung von 7 % möglich war. Anlagentechnisch waren ebenfalls nur geringfügige Änderungen erforderlich, die eine Erhöhung der Kreisgasmenge um bis zu 15 % möglich machten. In diesem ersten Schritt konnte eine Anpassung um 7 % direkt erfolgen. In einem zweiten Schritt wurde, über eine Engineering-Studie gemeinsam mit der Fachstelle des Betreibers und dem Verdichterhersteller, der komplette Maschinenstrang untersucht. Die Studie kam zu folgenden Ergebnissen: • Der Antriebsmotor war ausreichend dimensioniert, um bei Beibehaltung der ursprünglich spezifizierten thermischen Belastungsgrenze („F nach B“) eine Durchsatzerhöhung von 10 % zu ermöglichen. Für die gewünschte Durchsatzerhöhung um 15 % war ein neuer Footprint-Motor erforderlich und auch umsetzbar. Als Ersatzmotor könnte der bestehende Motor kurzfristig genutzt werden. • Für den erhöhten Durchsatz von 10 % bzw. 15 % waren Drehzahländerungen erforderlich. Diese waren jeweils mittels Austausch des Getrieberadsatzes möglich. • Ein Austausch der Laufräder war auch aus Festigkeitsgründen nicht erforderlich. Schwachstelle war die Befestigung des Laufrades über eine HirthVerzahnung. Diese war mit einem Sicherheitsfaktor von „5“ konstruiert. Die Nachrechnung ergab eine Reduzierung des Sicherheitsfaktors auf etwa „3,5“. Dieser Wert wurde vom Verdichterhersteller und auch vom Betrieb akzeptiert. Eine im späteren Verlauf gewünschte weitere Durchsatzerhöhung von 25 % gegenüber dem ursprünglichen Wert führte zur Notwendigkeit eines neuen Maschinenstrangs. Eine Studie ergab hier die Durchführbarkeit auf bestehendem Fundament als Footprint-Ausführung. Außerdem wurden hier der Ersatz von Rohrleitungs-

354

12  Betrieb und Instandhaltung

teilen und Schalldämpfern mit einer Erweiterung der bestehenden Schallschutzhaube notwendig. Auch das Ölsystem musste ersetzt werden, nicht jedoch das Sperrgas-Versorgungssystem.

12.8 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden einige wichtige Themen aus der Betriebsphase eines HDREMaschinenstrangs behandelt. Insbesondere wurde auch der Beitrag dargestellt, den der HDRE-Engineer, der durch die Beschaffungs- und Inbetriebnahmephase hindurch geführt hat, in dieser Phase weiterhin leisten kann. Der Maschinenstrang wurde bereits seitens des Betreibers abgenommen und befindet sich in Betrieb innerhalb einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. In der ersten Zeit, solange sich der Maschinenstrang in der Gewährleistungsphase befindet, sind die Kontakte zum Maschinenhersteller noch sehr eng, und alle eventuell erforderlichen Änderungsmaßnahmen müssen mit diesem abgestimmt werden. Wichtig in dieser Phase ist die Existenz einer individuellen Überwachungs-, Wartungs- und Instandhaltungsstrategie unter Nutzung der vorhandenen betrieblichen und betriebs-externen Möglichkeiten. Die vorhandenen Maschinen- und Zustandsüberwachungssysteme liefern kontinuierlich wichtige Daten zur Verfügbarkeit. Die ständige Überwachung erfolgt zunächst direkt durch das Betriebspersonal. Dabei wird es unterstützt von unternehmensinternen Fachstellen wie Maschinendiagnostik und Instandhaltung. Sind diese nicht vorhanden, werden Aufgaben an externe Dienstleister oder den Maschinenhersteller übertragen. Beschrieben werden Maßnahmen, die regelmäßig im Sinne von Wartung und Inspektion durchgeführt werden müssen. Ein Abschnitt widmete sich spezifisch dem Thema der Maschinenrevision. Diese ist zeit- und arbeitsaufwändig und bedarf einer detaillierten Planung und eines guten Managements seitens des Instandhaltungsteams. Die erforderlichen Revisionsarbeiten sollten nach Möglichkeit innerhalb der ohnehin erforderlichen regelmäßigen Revision von Teil- und Gesamtanlage stattfinden. Planung und Beschaffung von notwendigen Teilen und Personalressourcen beginnen meist zwei Jahre vor dem eigentlichen Revisionstermin. Wesentlich in den meisten Fällen ist die verantwortliche Einbindung des Maschinenherstellers. Aufgrund von Engpass-Studien entstehen oft Wünsche nach Kapazitätserweiterung und Optimierung der Maschinenstränge. Ein letzter Abschnitt beschrieb die Vorgehensweise und die planerischen und technischen Möglichkeiten hierfür.

Anhang

13

13.1 Thermodynamische Berechnung von TurboverdichterStufen Die Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge von Verdichtungs- und Entspannungsprozessen ist ein wichtiger Baustein zum Verständnis, zur Entwicklung und zur Beurteilung von Maschinenkonzepten bereits in der frühen Projektphase. Wenn verfahrenstechnische Simulationssoftware wie z. B. ASPEN PLUS® zur Verfügung steht, so können Berechnungen in einer solchen Softwareumgebung durchgeführt werden. Hier stehen auch Datenbanken zur Verfügung, die die erforderlichen thermodynamischen Kenngrößen enthalten und aus denen man sie herausziehen kann. Die Anwendung ist wegen ihrer Mächtigkeit jedoch relativ komplex, und es bietet sich an, einfacher anwendbare Werkzeuge auf Basis von Tabellenkalkulationen zu benutzen. In diesem Abschnitt werden solche Methoden praxisnah dargestellt, mittels derer Abschätzungen und Nachrechnungen wichtiger Größen aus der Verdichterberechnung bei einer entsprechenden Kenntnis thermodynamischer Zusammenhänge auch unabhängig vom Maschinenhersteller möglich sind. Die erforderlichen thermodynamischen Zusammenhänge sind ausführlich dargestellt bei Gmehling, Kolbe (1992)1, wie auch bei Baehr und Kabelac (2009)2.

1 Gmehling,

J, Kolbe, B (1992) Thermodynamik, 2. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim. H D, Kabelac, S (2009) Thermodynamik - Grundlagen und technische Anwendungen. Springer, Berlin, Heidelberg.

2 Baehr,

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1_13

355

356

13 Anhang

Der als adiabat angenommene Verdichtungsprozess in einer Turboverdichter-Stufe lässt sich gemäß VDI 20453 und ASME PTC 104 durch eine polytrope Zustandsänderung eines realen (nicht-idealen) Gasgemischs beschreiben. Damit gilt

p . vn = konstant mit dem Druck p, dem spezifischen Volumen v und dem Polytropenexponent n. Als Turboverdichter-Stufe wird dabei ein oder mehrere direkt hintereinander angeordnete Laufräder ohne Zwischenkühlung verstanden. Der polytrope Wirkungsgrad ηp der Verdichtung ist definiert als das Verhältnis aus der spezifischen polytropen Förderhöhe (Verdichtungsarbeit) hp und der spezifischen Enthalpieänderung Δh zwischen Austritt, h2, und Eintritt, h1:

ηp =

hp hp = �h h2 − h1

Adiabatenexponent ϰ und Polytropenexponent n sind miteinander gekoppelt über die Beziehung

κ n = ηp n−1 κ −1

13.1.1 Thermodynamik des Verdichtungsvorgangs In diesem Abschnitt werden die zwei möglichen Ausgangsszenarien für die Stufenberechnung mit Hilfe der polytropen Zustandsänderung für ein Gasgemisch betrachtet. Beachte: Bei der Berechnung von Verdichtungsvorgängen verwendet man immer den absoluten Druck. a. Eingabegrößen bei nicht bekannter Austrittstemperatur („Auslegung“): – Eintritts- und Austrittsdruck (Absolutdruck) p1, p2, – Eintrittstemperatur T1, – Menge (als Massenstrom ṁ oder Eintritts-Volumenstrom Ṽ1), – (geschätzter) polytroper Wirkungsgrad ηp, in der Regel zwischen 0,78 und 0,86, – (geschätzter) mechanischer Wirkungsgrad ηmech des Antriebsstrangs, meist etwa 0,95, – Molmasse M [kg/kmol] und Gaskonstante R [J/kgK] des Gasgemischs, – Adiabatenexponent ϰ1 und Realgasfaktor Z1 des Gasgemischs, jeweils am Eintritt.

3 VDI

2045 (1993) Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln), Blatt 1: Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Blatt 2: Grundlagen und Beispiele. Überarbeitung geplant für 2023/2025. Beuth, Berlin 4  ASME PTC 10 (1997) Performance Test Code on Compressors and Exhausters, Re-affirmed 2014. American Society of Mechanical Engineers, New York

13.1  Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen

357

Abb. 13.1a und b zeigen beispielhaft eine Ein- und Ausgabemaske für die Berechnung einer zweistufigen Luftverdichtung. Die Berechnung erfolgt über die Formeln in Tab. 13.1. Die Ergebnisse können auf Plausibilität geprüft werden, z. B. mit folgenden Fragen:

Abb. 13.1   a Eingabemaske Fall a, b Ausgabemaske Fall a), c Ausgabemaske Fall a)

Tab. 13.1  Berechnungsformeln für Fall a) Berechnungsgröße

Berechnungsformel

Druckverhältnis

π

=

p2 p1

Betriebsdichte am Eintritt

ρ1

ρ1 =

p1 ∗105 Z1 RT1

Polytropenexponent

n

n=

Bemerkungen, Einheiten

pol

hp

VerdichtungsEndtemperatur

T2

Innere Leistung

Pi

Pi =

Kupplungsleistung

PK

PK =

Abzuführende Wärme- Q menge

n hpol = Z1 RT1 n−1

T2 = T 1

  n−1 n p2 p1

  n−1 n p2 p1

− 273,15

−1



hpol[J/kg], T1[K], R[J/kgK] T[K]

·

Pi[kW], m[kg/h]

Pi ηmech

PK[kW], Pi[kW]

mhpol ∗10−3 ηpol

·

⍴1 [kg/m3], p1 [barabs], T1[K], R[J/kgK] Hier näherungsweise verwendet, da nur die Bedingungen am Eintritt bekannt sind: ϰ=ϰ1

1 κ−1 1− κ∗η

Polytrope Förderhöhe

Druckangabe als Absolutdruck! (z. B. barabs)

Q =m cp (T2 − T3 ) ∗ 10−3

Q[kW], m[kg/h], cp [J/kgK] T2[K]: VerdichtungsEndtemperatur T3[K]: Temperatur nach Kühler

358

13 Anhang

• Liegen Druckverhältnis π und polytrope Förderhöhe hp (Verdichtungsarbeit) innerhalb sinnvoller Grenzen? • Ist die berechnete Verdichtungs-Endtemperatur T2 akzeptabel? Wenn nicht, kann iterativ durch Änderung der Enddrücke der jeweiligen Stufen eine andere, realistische, Stufenzahl ermittelt werden. Ist die Wärmekapazität cp des Gemischs bekannt, so kann auch die in einem Zwischenoder Nachkühler abzuführende Wärmemenge Q ermittelt werden (Abb. 13.1c). b. Eingabegrößen bei bekannter Austrittstemperatur („Nachrechnung“): – Eintritts- und Austrittsdruck (Absolutdruck) p1, p2, – Eintritts- und Austrittstemperatur T1, T2, – Menge (als Massenstrom ṁ oder Eintritts-Volumenstrom Ṽ1), – Molmasse M [kg/kmol] und Gaskonstante R [J/kgK] des Gasgemischs, – Adiabatenexponent ϰ1, ϰ2 und Realgasfaktor R1, R2 des Gasgemischs am Eintritt und am Austritt. Abb. 13.2a und b zeigen beispielhaft eine Ein- und Ausgabemaske für die Berechnung einer 2-stufigen Luftverdichtung. Die Berechnung erfolgt über die Formeln in Tab. 13.2.

Abb. 13.2   a Eingabemaske Fall b), b Ausgabemaske Fall b)

13.1  Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen

359

Tab. 13.2  Berechnungsformeln für Fall b) Berechnungsgröße

Berechnungsformel

Druckverhältnis

π

=

p2 p1

Betriebsdichte am Eintritt

ρ1

ρ1 =

p1 ∗105 Z1 RT1

Polytropenexponent

n

Bemerkungen, Einheiten

p

n=

Polytrope Förderhöhe

hp

Polytroper ­Wirkungsgrad

ηp

ηpol =

Innere Leistung

Pi

Pi =

Kupplungsleistung

PK

PK =

1

⍴1 [kg/m3], p1 [barabs], T1[K], R[J/kgK] T1[K], T2[K] hier gehen die Bedingungen am Eintritt und am Austritt ein

ln p2 p ln p2 1

Druckangabe als Absolutdruck! (z. B. barabs)

Z T

−ln Z2 T2

1 1

n hpol = Z1 RT1 n−1

  n−1 n p2 p1

−1



hpol[J/kg], T1[K], R[J/kgK] für ϰ wird näherungsweise der arithmetische Mittelwert zwischen Eintritt und Austritt benutzt

n n−1 κ κ−1

·

Pi[kW], m[kg/h]

Pi ηmech

PK[kW], Pi[kW]

mhpol ∗10−3 ηpol

Die Ergebnisse können z. B. mit den Ergebnissen einer Berechnung eines Verdichterherstellers verglichen werden. Die geringfügigen Abweichungen im Ergebnis zwischen den beiden Methoden beruhen auf der unterschiedlichen Berücksichtigung des Adiabatenexponenten.

13.1.2 Thermodynamische Kennwerte Um die aufgeführten Berechnungen durchführen zu können, ist die Kenntnis der folgenden thermodynamischen Kennwerte für das verdichtete Gasgemisch notwendig: • • • •

Molmasse M, Gaskonstante R, Adiabatenexponent am Eintritt und Austritt ϰ1, ϰ2, Realgasfaktor am Eintritt und Austritt Z1, Z2.

Zur Berechnung der Molmasse wird näherungsweise davon ausgegangen, dass MolAnteil und Volumenanteil des Gasgemischs identisch sind, so wie bei idealen Gasen. Damit ergibt sich die Molmasse M des Gasgemischs aus der Summe der Molmassen Mi der Einzelkomponenten, gewichtet mit ihrem Volumenanteil xi:

M=



xi Mi .

360

13 Anhang

Die Gaskonstante des Gemischs R ergibt sich dann zu R = R/M mit der allgemeinen Gaskonstante R  =  8,3144 kJ/kmol∘K. Der Adiabatenexponent (auch Isentropenexponent) ϰ,

κ=

cp cp = cv cp − RM

wird über die spezifischen Wärmekapazitäten cp und cv = cp−R∘M ermittelt. Für die Reingase kann in Abhängigkeit der Temperatur T die spezifische Wärmekapazität cp,i nach der Gleichung

cp,i = Ai + Bi T + Ci T 2 + Di T 3 + Ei T 4 , cp, i [J/kgK], T[K]. mit den empirischen Konstanten A, B, C, D, E entwickelt werden, die in Reinstoffdatenbanken nachgeschlagen werden können5. Für die Wärmekapazität der Mischung cp wird wieder eine Gewichtung nach den Volumenanteilen vorgenommen:

cp =



xi cp,i

Zur Ermittlung des Realgasfaktors Z wird zunächst eine geeignete Zustandsgleichung6 benötigt. Wir verwenden die relativ einfach benutzbare SRK-Zustandsgleichung nach Soave–Redlich–Kwong7 nach Tab. 13.3. Der darin enthaltene azentrische Faktor ω, der kritische Druck pc sowie die kritische Temperatur Tc für Reingase können Tabellen entnommen werden, z. B. Gmehling, Kolbe (1992)8, Anhang, S. 234. Eine sehr ausführliche Tabelle findet man auch im VDI-Wärmeatlas (2006, Tab. 1, Dca 2-6)9. Der Realgasfaktor

Z=

pv RT

selbst kann dann dimensionslos dargestellt und iterativ berechnet werden:

5 Der

VDI-Wärmeatlas (2006) bietet eine andere Darstellung an: cp, i = A + B∘T + C∘T2 + D∘T3 + E∘T (Gl. 10, Dca 1). Dessen Parameter A bis E sind in Tab. 6, Dca 23–26 zu finden. 6 Neben der hier verwendeten SRK-Zustandsgleichung werden zur Verdichterberechnung häufig auch die Verfahren nach LKP (Lee-Kesler-Plöcker) und BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) benutzt. 7 Soave, G (1972) Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state. In: Chemical Engineering Science, Bd. 27, Nr. 6, S. 1197–1203 8 Gmehling, J, Kolbe, B (1992) Thermodynamik, 2. Auflage. Wiley–VCH, Weinheim 9  VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (Hrsg.) (2006) VDI-Wärmeatlas, 10. Aufl., Springer, Berlin −2

13.1  Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen

361

Tab. 13.3  SRK-Zustandsgleichung nach Soave–Redlich–Kwong p=

RT v−b

−

aα(T ) v(v+b)

Darin: 2 Kohäsionsdruck a = 0,42748 (RTpcc ) , c , Kovolumen b = 0,08664 RT pc   2   α(T ) = 1 + 0,48 + 1,574ω − 0,176ω2 1 − TTc

  0 = Z 3 − Z 2 + A − B − B2 Z − AB,

mit A =

α(T )p ,B (RT )2

=

bp RT

Als Näherungsansatz kann nach VDI 2045 Blatt 2 (1993)10 stattdessen auch die folgende Berechnung des Realgasfaktors Z für das Gemisch durchgeführt werden:    vi ai αi (T ) − Z= xi vi − bi Ri T (vi + bi )

13.1.3 Berechnungs-Erfahrungen Die Erfahrung zeigt, dass unter Verwendung der SRK-Zustandsgleichung, zusammen mit dem beschriebenen Näherungsansatz für den Realgasfaktor, gute Ergebnisse in einem weiten Bereich von Prozessgasgemischen erreicht werden können. Ein Einsatz des Verfahrens ist auch für die Gasexpansion möglich. Damit kann z. B. die durch die Expansion zur Verfügung gestellte Leistung bestimmt werden. Bei höheren Kohlenwasserstoffen im Zusammenhang mit höheren Drücken kann die Verwendung des SRK-Modells zu Fehlern führen, insbesondere in der Nähe der Taupunkte. Die Methodik eignet sich gut zur Abschätzung von Änderungen der Gaszusammensetzung. Dabei ergeben sich neue Gasparameter ϰ, Z, R. Angenommen wird dabei zur Vereinfachung, dass sich sowohl der polytrope Wirkungsgrad als auch polytrope Arbeit der Verdichterstufe nicht oder nur geringfügig ändern. Aus der Neuberechnung ergeben sich dann die veränderten Größen: Endtemperatur, Enddruck und Leistungsbedarf. Genauso kann mit Änderungen von Eintrittstemperatur und Eintrittsdruck umgegangen werden, wenn die Gaszusammensetzung sich nicht ändert. Oft ist es interessant, das Verhalten des Verdichters bei der Erst-Inbetriebnahme zu betrachten, wenn z. B. an Stelle des Prozessgases mit Stickstoff angefahren wird. Auch hier ist eine Abschätzung über diese Methodik möglich, auch wenn aufgrund erheblich unterschiedlicher Molmassen die Genauigkeit sinkt. Die Genauigkeitsgrenzen werden im

10  VDI

2045 (1993) Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln), Blatt 1: Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Blatt 2: Grundlagen und Beispiele. Überarbeitung geplant für 2023/2025. Beuth, Berlin

362

13 Anhang

Zusammenhang mit der Umrechnung der bei Performance-Tests verwendeten Gase in den bereits erwähnten Regelwerken VDI 204511 und ASME PTC 1012 beschrieben.

13.1.4 Weitere Fragestellungen Neben diesen punktuellen Berechnungen ist auch eine Umrechnung gesamter Kennlinien oder Kennfelder von Verdichterstufen möglich und wurde bereits durchgeführt, ebenfalls über Tabellenkalkulation. Der Aufwand zur Erstellung entsprechender Software ist jedoch höher. Die Umrechnung erfolgt auf Basis der Methoden der ASME PTC 10, wobei für die Zwecke von Abschätzungen die Genauigkeit auch jenseits der für Leistungstests gültigen Grenzen zufriedenstellend ist. So können die Auswirkungen von Drehzahlveränderungen sowie grundsätzliche Änderungen der Gaszusammensetzung oder geänderte Betriebsdrücke durch übereinander gelegte Kennlinien damit beurteilt werden.

13.1.5 Dimensionslose Kennzahlen von Radialverdichtern In den vorigen Abschnitten wurde bereits auf folgende dimensionslose thermodynamische Kennzahlen eingegangen: • Polytroper Wirkungsgrad ηp. Er beschreibt die Energieumsetzung im Verdichtungsprozess und sollte oberhalb von 80 % liegen, auf jeden Fall aber deutlich oberhalb von 70 %. Bei Einwellen-Verdichtern nimmt er in der Regel von Laufrad zu Laufrad ab. • Mechanischer Wirkungsgrad ηmech. Er berücksichtigt die Verluste im Antriebsstrang durch Lagerung, Kupplung, Getriebe und liegt in der Regel um 95 %. Es existieren einige weitere dimensionslose Kennzahlen, die zusätzlich die Aerodynamik von Laufrädern beschreiben. Diese können zum einen für eine Grobauslegung von Laufrädern benutzt werden, zum einen lassen sich damit auch bereits ausgelegte Laufräder beurteilen.

11  VDI

2045 (1993) Abnahme- und Leistungsversuche an Verdichtern (VDI-Verdichterregeln), Blatt 1: Versuchsdurchführung und Garantievergleich; Blatt 2: Grundlagen und Beispiele. Überarbeitung geplant für 2023/2025. Beuth, Berlin 12  ASME PTC 10 (1997) Performance Test Code on Compressors and Exhausters, Re-affirmed 2014. American Society of Mechanical Engineers, New York

13.1  Thermodynamische Berechnung von Turboverdichter-Stufen

363

Die Bestimmung solcher dimensionsloser Kennzahlen kann auch in die thermodynamischen Berechnungen aus Abschn. 1.1 dieses Kapitels einfließen bzw. diese ergänzen. Die wesentlichen Kennzahlen werden im Folgenden beschrieben. a. Volumenstromzahl  Die dimensionslose Volumenstromzahl  bezieht sich auf die Saugseite eines Laufrades und beschreibt den erreichbaren Volumendurchsatz Ṽ1 des Laufrades am Eintritt bei gegebenem Außendurchmesser D2 und dort vorliegender Umfangsgeschwindigkeit u2: ·

4 V1 �= πD22 u2 Typische Werte für  liegen zwischen 0,01 für sehr schmale Laufräder mit steilen Umlenkungen und 0,18 für sehr breite Laufräder mit weichen Umlenkungen. Reibungsund Leckageverluste bei schmalen Laufrädern führen zu geringen polytropen Wirkungsgraden. Erst bei Werten oberhalb von 0,05 erhält man polytrope Wirkungsgrade ηp, die oberhalb von 80 % liegen. Für eine Laufradauslegung wird zunächst eine Volumenstromzahl  festgelegt. Diese wird bei einem einzelnen Laufrad bei etwa 0,09 liegen, um einen hohen polytropen Wirkungsgrad ηp zu erhalten. Wenn die Verdichtungsstufe mehrere Laufräder enthält, wird man für das erste Laufrad einen höheren Wert, z. B. 0,14, ansetzen. Über den Volumenstrom und die Festlegung einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit ergeben sich daraus Laufraddurchmesser und Drehzahl. Zwischen Drehzahl N, Laufraddurchmesser D2 und Umfangsgeschwindigkeit u2 gilt die Beziehung

  u2 [m/s] = D2 [m] ∗ N rpm ∗ π ∗ 60. b. Polytrope Druckzahl Ψpol Die dimensionslose polytrope Druckzahl Ψpol beschreibt die spezifische totale polytrope Arbeit im Laufrad. Sie wird aus der polytropen Förderhöhe hpol und der Umfangsgeschwindigkeit u2 gebildet.

pol =

2hpol u22

Typische Werte für Ψpol liegen zwischen 0,8 und 1,1. Die polytrope Druckzahl ist auch von der Volumenstromzahl  abhängig, das Maximum erhält man zwischen   = 0,05 und 0,1.

364

13 Anhang

c. Arbeitszahl s Die dimensionslose Arbeitszahl s ist die spezifische totale Arbeit des tatsächlichen Prozesses. Sie wird aus der tatsächlichen Enthalpiedifferenz Δh und der Umfangsgeschwindigkeit u2 gebildet.

s=

h u22

Typische Werte für s liegen zwischen 0,55 und 0,7. d. Umfangs-Machzahl Mau2 Bei der Umfangs-Machzahl Mu2 handelt es sich um eine theoretische Machzahl, bei der die Umfangsgeschwindigkeit u2 am Laufradaustritt auf die Schallgeschwindigkeit a1 am Laufradeintritt bezogen wird.

 u2 , a1 = κ1 Z1 RT1 a1

Mau2 =

Typische Werte für Mau2 liegen zwischen 0,2 und maximal 1,2. Mit Erhöhung von Mau2 steigt das Druckverhältnis Π signifikant an. Dabei verringert sich der polytrope Wirkungsgrad ηpol, und das Kennfeld wird erheblich schmaler. e. Umfangs-Reynoldszahl Reu2 Die dimensionslose Umfangs-Reynoldszahl Reu2 beschreibt die Reibung an den Wänden des Strömungskanals. Charakteristische Länge ist die Breite b2 des Laufradaustritts, ν ist die kinematische Viskosität des Prozessgases.

Reu2 =

u2 b2 υ

13.2 Abkürzungsverzeichnis 13.2.1 Allgemeine Abkürzungen Abkürzung

Begriff (EN)

Begriff (DE)

API

American Petroleum Institute

American Petroleum Institute

API RP

American Petroleum Institute Recommended Practice

Empfohlene Vorgehensweisen, herausgegeben vom American Petroleum Institute

API STD

American Petroleum Institute Standard

Technische Standards, herausgegeben vom American Petroleum Institute

ATEX

ATEX Operational Directive

ATEX-Betriebsrichtlinie

13.2 Abkürzungsverzeichnis

365

Abkürzung

Begriff (EN)

Begriff (DE)

BDIS

Plant Information Management System (PIMS)

Betriebsdateninformationssystem

BetrSichV

Operational Safety Ordinance

Betriebssicherheitsverordnung

BImschG

Federal Immission Control Act

Bundes-Immissionsschutzgesetz

CFD

Computational Fluid Dynamics

Numerische Strömungssimulation

DCS

Distributed Control System

Prozessleitsystem

DGRL

Pressure Equipment Directive (PED)

Druckgeräterichtlinie (DGRL)

DGS

Dry Gas Seal

Gasgeschmierte Gleitringdichtung

DOL

Direct Online Start

Direktstart

EIGA

European Industrial Gases Association

European Industrial Gases Association

EMC

EMC Directive

EMV-Richtlinie

EMV

EMC Directive

EMV-Richtlinie

EP

Engineering Partner

Engineering Partner

EPC

Engineering, Procurement & Construction

Engineering, Beschaffung & Konstruktion

FAT

Factory Acceptance Test

Werksabnahme-Prüfung

FEED

Front End Engineering Design

Front End Engineering Design

FEL

Front End Loading

Front End Loading

FEM

Finite Elemente Method

Finite-Elemente-Methode

HAZOP

HAZard and OPerability Analysis

Prognose möglicher Abweichungen, Auffinden der Ursachen, Abschätzen der Auswirkungen, Gegenmaßnahmen (PAAG)

HDRE

Heavy Duty Rotating Equipment

Heavy Duty Rotating Equipment

HMI

Human Machine Interface

Mensch-Maschine-Schnittstelle (Rechner, Bildschirm, Tastatur, Maus)

HV

High Voltage

Hochspannung

ITP

Inspection & Test Plan

Inspektions- und Testplan

KOM

Kick-Off-Meeting

Projektstart-Besprechung

LCI

Load-Commutated-Inverter

Lastgeführter Wechselrichter

LCC

Life Cycle Costing

Lebenszykluskosten

LLE

„Long Lead Equipment“

„Long Lead Equipment“

LSB

Local Switch Box

Lokaler Steuerschrank

LSTK

Lump Sum Turn Key

Schlüsselfertig zum Festpreis

LV

Low Voltage

Niederspannung

MAWP

Maximum Allowable Working Pressure

Maximal zulässiger Arbeitsdruck

MC

Mechanical Completion

Mechanische Fertigstellung

366

13 Anhang

Abkürzung

Begriff (EN)

Begriff (DE)

MCC

Motor Control Center

Motorsteuerung

MCS

Maximum Continuous Speed

Maximal zulässige Betriebsdrehzahl

MRL

Machine Directive

Maschinenrichtlinie

MT

Magnetic Particle Inspection

Magnetpulverprüfung

MTBF

Mean Time Between Failures

Mittlere Betriebsdauer zwischen ungeplanten Stillständen

MTTR

Mean Time To Repair

Mittlere Reparaturdauer

MV

Medium Voltage

Mittelspannung

OEM

Original Equipment Manufacturer

Originalhersteller

P&ID

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID)

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (R&I-Fließbild)

PAAG

HAZard and OPerability Analysis (HAZOP)

Prognose (möglicher Abweichungen), Auffinden der Ursachen, Abschätzen der Auswirkungen, Gegenmaßnahmen

PED

Pressure Equipment Directive (PED)

Druckgeräterichtlinie (DGRL)

PFD

Process Flow Diagram

Verfahrensfließschema

PIMS

Plant Information Management System

Betriebsdateninformationssystem (BDIS)

PLC

Programmable Logic Controller

Maschinensteuerung, -regelung

PLT

Process Control Technology

Prozess-Leittechnik

PMI

Positive Material Identification

Positive Material-Identifikation

PQR

Procedure Qualification Report

Bericht zur Verfahrensqualifikation

PT

Liquid Penetrant Inspection

Flüssigkeits-Eindringprüfung

PTB

Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig und Berlin Braunschweig und Berlin

QA/QC

Quality Assurance/Quality Control

Qualitätssicherung/Qualitätskontrolle

R&I

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID)

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (R&I-Fließbild)

RACI

Responsible, Accountable, Consulted, Informed

Verantwortlich, rechenschaftspflichtig, konsultiert, informiert

RCP

Remote Control Panel

Steuerschrank

RFSU

Ready for Start-Up

Betriebsbereitschaft

RT

Radiographic Inspection (Test)

Radiografische Durchstrahlungsprüfung

RTD

Resistance Temperature Detector

Widerstandstemperaturfühler

SAT

Site Acceptance Test

Betriebliche Abnahme-Prüfung

SI

Système International d´Unités

SI-Einheitensystem

SIL

Safety Integrity Level

Sicherheits-Anforderungsstufe

13.2 Abkürzungsverzeichnis

367

Abkürzung

Begriff (EN)

Begriff (DE)

SOP

Settle-Out Pressure

Ausgleichsdruck

TCO

Total Cost of Ownership

Gesamtkosten des Betriebs

TRAC

Technical Rules for Acetylene Plants and Calcium Carbide Storage

Technische Regeln für Acetylenanlagen und Calciumcarbidlager

TTV

Trip & Throttle Valve

Drossel- und Notabschaltventil

USC

US Customary Units

US-Einheitensystem

UT

Ultrasonic Inspection

Ultraschallprüfung

VSI

Voltage-Source-Inverter

Spannungsquellen-Wechselrichter

VT

Visual Inspection (Test)

Visuelle Inspektion

WHG

Water Management Act

Wasserhaushaltsgesetz

WPS

Welding Procedure Specification

Spezifikation des Schweißverfahrens

13.2.2 Einheiten und Formelzeichen Physikalische Einheiten (SI-Basis) s

Sekunde

Zeit

h

Stunde

Zeit

Hz

Hertz

Frequenz (1/s)

rpm

Umdrehungen pro Minute

Drehzahl (1/min)

W

Watt

Leistung

kW, MW

Kilowatt, Megawatt

Leistung

kg

Kilogramm

Gewicht

J, kJ

Joule, Kilojoule

Energie (1 J = 1Ws)

m

Meter

Länge

m/s

Meter pro Sekunde

Geschwindigkeit

Pa

Pascal

Druck

bar

bar

Druck (1 bar = 0,1  MPa)

barabs

bar (Absolutdruck)

Druck

°C

Grad Celsius

Temperatur

K

Kelvin

Temperatur

368

13 Anhang

Symbole und Kennzahlen Q

Wärmeleistung

W

R

Gaskonstante

J/kgK

M

Molmasse

kg/kmol

p

Druck

bar

p1,p2

Eintrittsdruck, Austrittsdruck

bar

π

Druckverhältnis

1

hp,Hp

Polytrope Förderhöhe (Arbeit)

kJ/kg

Ṽ

Durchflussmenge

m3/s

ṁ

Massenstrom

kg/s

a

Schallgeschwindigkeit

m/s

cp,cv

Spezifische Wärmekapazität

J/kgK

ϰ

Isentropenexponent, Adiabatenexponent

1

Z

Realgasfaktor

1

R

Spezifische Gaskonstante

J / (kg*K)

T

Temperatur

K

ρ

Dichte

kg/m3

n

Polytropenexponent

1

η

Wirkungsgrad

1

P

Mechanische Leistung

W



Volumenstromzahl

1



Druckzahl

1

s

Arbeitszahl

1

Ma

Machzahl

1

Re

Reynoldszahl

1

13.3 Glossar Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Abnahme

Acceptance

Rechtsverbindliche Bestätigung einer erbrachten Leistung auf deren Vertragsgemäßheit, meist mit Gefahrenübergang verbunden. Damit wird die Beweislast für Mängel umgekehrt

Abnahmeprüfung

Acceptance test

Prüfung einer erbrachten Leistung auf deren vertragsgemäße Ausführung, z. B. Werksabnahme (FAT) oder betriebliche Abnahme (SAT)

13.3 Glossar

369

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Anfahren

Start-up

Überführung einer Anlage aus dem Ruhezustand nach der Kalt- Inbetriebnahme in einen stationären Betriebszustand, bei dem alle Anlagenteile funktionsgerecht arbeiten

Anlagenbauprojekt

Process plant construction project

Projekt, bei der es um Planung, Beschaffung, Montage und Inbetriebnahme einer verfahrenstechnischen Anlage geht

Anlageneigentümer

Owner

Organisation, die Eigentümer einer verfahrenstechnischen Anlage ist

Anlagenprozess

Plant Process

Verfahrenstechnischer Prozess, der in einer Produktionsanlage stattfindet

Antriebsleistung

Drive Power

An der Wellenkupplung verfügbare Leistung des Antriebs

„AS BUILT“Dokumentation

Final (as built) documentation

Gesamtdokumentation, die den Sachstand über die Ausrüstung (z. B. Maschineneinheit) zum Zeitpunkt ihrer Abnahme korrekt und vollständig gemäß vertraglicher Vereinbarung beschreibt (Enddokumentation)

ATEX-Betriebsrichtlinie

ATEX Operational Directive

Richtlinie 1999/92/EG (ATEXBetriebsrichtlinie) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16.12.1999 über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können

Ausblasen

Blow out

Reinigung von Rohrleitungen und anderen Anlagenkomponenten mit Hilfe hochturbulenter Gas- bzw. Dampfströmungen

Ausgleichsdruck

Settle Out Pressure

Druck, der sich im System bzw. einem Verdichter einstellt, wenn der Maschinenstrang abgeschaltet worden bzw. nicht in Betrieb ist, wichtig für das Anfahren und die Auslegung druckbeaufschlagter Systemkomponenten

Beizen

Pickling

Entfernen anorganischer Verunreinigungen von einer metallischen Oberfläche mittels einer chemisch wirkenden Flüssigkeit

Bericht zur Verfahrensqualifikation

Procedure Qualification Report

Aufzeichnung einer Testschweißung, die rigoros durchgeführt und getestet wurde, um sicherzustellen, dass das verwendete Schweißverfahren eine spezifikationsgerechte Schweißnaht ergibt

370

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Beschaffung

Procurement

Gesamtprozess der Vorbereitung und Realisierung von Bestellungen für Lieferungen und Leistungen, z. B. für eine Maschineneinheit

Betreiber

Owner/Operator

Organisation, die als Eigentümer einer verfahrenstechnischen Anlage oder in dessen Auftrag diese betreibt

Betriebliche AbnahmePrüfung

Site Acceptance Test

An ihrem Aufstellort direkt beim Betreiber durchgeführter (Funktions-) Test einer Maschine oder Anlage im Vorfeld einer Abnahme

Betriebsanweisung

Operating instruction

Arbeitsplatz- und tätigkeitsbezogene, verbindliche schriftliche Anordnungen und Verhaltensregeln des Arbeitgebers an weisungsgebundene Arbeitnehmer zum Schutz vor Unfall- und Gesundheitsgefahren sowie zum Schutz der Umwelt

Betriebsbereitschaft

Ready for Start-Up

Betriebsbereit ist eine Anlage, wenn alle Montagearbeiten erfüllt sind und darüber hinaus die Inbetriebnahmevorbereitung abgeschlossen wurde. Zu diesem Zeitpunkt muss es möglich sein, alle für den Betrieb erforderlichen Betriebsmittel und Prozessmedien einzuführen

Betriebsingenieur

Reliability Engineer

Die Hauptaufgabe des Betriebsingenieurs besteht darin, die ihm zugeordneten Maschineneinheiten bzw. Anlagenteile betriebsbereit zu halten sowie Verfügbarkeitsrisiken zu identifizieren und zu steuern

Betriebssicherheits-Verordnung

Operational Safety Ordinance

Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Verwendung von Arbeitsmitteln (Betriebssicherheitsverordnung – BetrSichV) vom 03.02.2015

Brownfield-Projekt

Brownfield project

Erweiterungs- oder Ersatzprojekt an einem bestehenden Standort oder in einer bestehenden Anlage

Bundes-Immissionsschutz-Gesetz

Federal Immission Control Act

Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge Bundes-Immissionsschutzgesetz – BImSchG) vom 26.09.2002

13.3 Glossar

371

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Designdruck

Design pressure

Auslegungsdruck eines Systems oder eines Anlagenteils, meist niedriger als der MAWP (Maximum Allowable Working Pressure)

Designtemperatur

Design temperature

Auslegungstemperatur eines Systems oder eines Anlagenteils

Drossel- und Notabschaltventil

Trip & Throttle Valve

Kombinierte Drossel- und Notabschaltventile bieten eine effektive Durchflussregelung und Notabschaltung in einer einzigen, äußerst zuverlässigen Ventilbaugruppe. Als Drosselventile werden sie verwendet, um den Dampfund Gasfluss in großen Hochdruckrohrleitungen zu regulieren, wie z. B. der Hauptdampfleitung, die eine große Hochdruckturbine oder eine Turboexpander-Gasversorgungsleitung versorgt. Als Schnellschlussventile fügen sie diesen Anwendungen ein entscheidendes Maß an Sicherheit hinzu

Druckgeräterichtlinie (DGRL)

Pressure Equipment Directive (PED)

Richtlinie 2014/68/EU (Druckgeräte-Richtlinie) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15.05.2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über die Bereitstellung von Druckgeräten auf dem Markt

EG-Konformitätserklärung

EC Declaration of conformity

Schriftliche Erklärung eines Herstellers bzw. seines Bevollmächtigten, das ein von ihm in Verkehr gebrachtes Produkt (Maschine, Druckgerät u. a.) allen relevanten europäischen Richtlinien und Normen entspricht

Einbauerklärung

Declaration of incorporation

Eine Einbauerklärung im Sinne der Neufassung der Maschinenrichtlinie 2006/42/ EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 wird für eine unvollständige Maschine durch den Hersteller oder dessen Bevollmächtigten ausgestellt. Sie muss nach Anhang II B der Richtlinie den Hinweis enthalten, dass die Inbetriebnahme einer Maschine oder Anlage, in die diese Komponente eingebaut ist, so lange untersagt ist, bis die Konformität mit der Richtlinie festgestellt ist

372

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

EMV-Richtlinie

EMC Directive

Richtlinie 2014/30/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die elektromagnetische Verträglichkeit (Neufassung)

Endkunde

Final Customer

Organisation, in deren Eigentum eine bestellte Anlage oder Maschineneinheit letzten Endes übergeht

Engineering-Partner

Engineering partner (EP) Vertragspartei, welche bei Auslegung und Umsetzung eines Projekts fachliche und personelle Ressourcen beistellt, wobei die Verantwortung beim Auftraggeber bleibt

Fertigung

Manufacturing

Der Begriff wird verwendet für die Herstellung eines Maschinenstrangs beim Maschinenhersteller

Flüssigkeits-Eindringprüfung

Liquid Penetrant Inspection

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der die Kapillarkräfte von feinen Oberflächenrissen und Poren genutzt werden, um diese sichtbar zu machen, z. B. nach DIN EN ISO 3452–1

Front End Engineering Design (FEED)

Front End Engineering Design

Engineering-Design-Ansätze zur Kontrolle der Projektkosten und zur gründlichen Planung eines Projekts, bevor ein festes Angebot abgegeben wird. Entspricht dem FEL

Front End Loading (FEL)

Front End Loading

Engineering-Design-Ansätze zur Kontrolle der Projektkosten und zur gründlichen Planung eines Projekts, bevor ein festes Angebot abgegeben wird. Entspricht dem FEED

Gewährleistung (technisch)

Warranty

Versprechen des Lieferanten, über einen definierten Zeitraum für eine funktionierende Anlage oder Anlagenkomponente zu gewährleisten. Dabei sind vom Betreiber definierte Voraussetzungen für die Gewährleistung einzuhalten

Greenfield-Projekt

Greenfield project

Neubauprojekt einer Anlage an einem neuen Standort („auf der grünen Wiese“)

13.3 Glossar

373

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

HDRE-Engineer

HDRE-Engineer

Als HDRE-Engineer werden die Funktionseinheit oder die Person(en) bezeichnet, die die fachliche technische Kompetenz und Verantwortlichkeit für Spezifikation, Beschaffung und Inbetriebnahme auf Seite des Betreibers (Investors) hat und ihn in allen technischen Fragestellungen vertritt („Owner’s Engineer“)

Heavy Duty Rotating Equipment

Heavy Duty Rotating Equipment

Durch Rotation angetriebene Hochleistungsmaschinen speziell für den Einsatz in Anlagen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Heiß-Inbetriebnahme

Hot commissioning

Erstmaliges Betreiben einer Anlage oder eines Maschinenstrangs mit Prozessmedium unter Betriebsbedingungen mit dem Ziel, die Fahrweise der Anlage so zu stabilisieren und zu optimieren, dass die vertraglich vereinbarten Leistungsparameter erreicht werden und die Nutzungsfähigkeit der Anlage im Dauerbetrieb gewährleistet ist

Herstellerwerk

Manufacturer’s Workshop

Fertigungsstätte der jeweiligen Komponente einer Maschineneinheit

Hochspannung

High Voltage

Elektrische Spannungsebene oberhalb von 30.000 V

Inspektions- und Testplan

Inspection & Test Plan

auch: Prüfablaufplan

Instandhaltung

Maintenance

Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Sollzustands sowie zur Feststellung und Beurteilung des Istzustands von technischen Mittel eines Systems

InstandhaltungsOrganisation

Maintenance organization

Organisation des Betreibers, die für die Planung und Durchführung von Wartung und Instandhaltung, meist auch für Revisionen, zuständig ist

Kalt-Inbetriebnahme

Cold commissioning

Zeitraum zwischen der Protokollierung „Mechanische Fertigstellung“ und dem Beginn der Heiß-Inbetriebnahme, in dem die Voraussetzungen für das Anfahren einer Anlage oder eines Maschinenstrangs geschaffen werden. Auch: Herstellung der Betriebsbereitschaft

374

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Käufer Besteller

Buyer Purchaser

Vertragspartei, welche eine Maschineneinheit bei einem Maschinenlieferanten bestellt. In der Regel ist dies der Betreiber selbst oder der von ihm für die Maschineneinheit oder die Produktionsanlage beauftragte Kontraktor

Konformitätserklärung

Declaration of conformity

Die Konformitätserklärung ist eine schriftliche Bestätigung am Ende einer Konformitätsbewertung, mit der der Verantwortliche (z. B. Hersteller, Händler, Betreiber, Unternehmer) für ein Produkt, die Erbringung einer Dienstleistung oder eine Organisation (z. B. Prüflabor, Betreiber eines Qualitätsmanagementsystems) verbindlich erklärt und bestätigt, dass das Objekt (Produkt, Dienstleistung, Stelle, QMS) die auf der Erklärung spezifizierten Eigenschaften aufweist

Kontraktor

Contractor

Fremdfirma, die (Teile von) Engineering, Beschaffung und Montage der Anlage durchführt, z. B. als EPC-Kontraktor (Engineering, Procurement, Construction), und dafür die Verantwortung trägt

Kritisches Ersatzteil

Capital Spare Part

Hochwertiges Ersatzteil mit langer technischer Lebenserwartung, das bei Beschädigung in der Regel repariert statt entsorgt wird. Capital Spares zeichnen sich durch lange Lieferzeiten bei der Bestellung aus (typischerweise > 6 Monate), da Hersteller diese Teile meist nur auf Kundenwunsch produzieren (keine Serienfertigung)

Kupplungsleistung

Coupling power

An der Wellenkupplung benötigte Leistung der Arbeitsmaschine

Lenkungsausschuss

Steering Committee

Übergeordnetes Komitee, das vom Investor/Betreiber eingesetzt wird und für die Kommunikation und die Klärung wichtiger Belange innerhalb eines Projekts verantwortlich ist

Liefervertrag

Supply contract

Enthält kaufmännische und technische Elemente des Kaufs und des Engineering usw.

Lokaler Steuerschrank

Local Switch Box

Z. B. als Anfahrschrank neben dem Maschinenstrang oder aussen an der Schallhaube angeordnet

13.3 Glossar

375

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Long Lead Equipment

Long Lead Equipment

Ausrüstungskomponente mit (sehr) langer Lieferzeit, die mitbestimmend für den Gesamt-Terminplan eines Anlagenbauprojekts ist. Viele HDREMaschineneinheiten gehören dazu

LSTK-Vertrag

Lump Sum Turn Key Contract

Vertrag über die Herstellung einer schlüsselfertigen Anlage

Magnetpulverprüfung

Magnetic Particle Inspection

Zerstörungsfreies Verfahren zum Nachweis von Rissen in oder nahe der Oberfläche ferromagnetischer Werkstoffe. Für die Prüfung wird das Werkstück bzw. ein Teilbereich magnetisiert, z. B. nach EN 1369

Maschinenhersteller

Machine Manufacturer

Vertragspartei, welche die Maschine entwirft und deren Hauptkomponenten produziert (OEM, Original Equipment Manufacturer)

Maschineneinheit

Machine Unit

Eine Maschineneinheit besteht aus dem eigentlichen Maschinenstrang und enthält darüber hinaus alle Hilfs- und Nebenanlagen, die zum Betrieb eines Maschinenstrangs erforderlich sind; in manchen Fällen auch als Package Unit bezeichnet

Maschinenhersteller

Machine Manufacturer

Unternehmen, welches (HDRE-) Maschinen herstellt, meist unter Einbeziehung von Unterlieferanten für einzelne Komponenten

Maschinenlieferant

Machine Supplier

Vertragspartei, die den Auftrag zur Lieferung einer Maschineneinheit erhält. Üblicherweise ist der Maschinenlieferant auch der Hersteller der Hauptkomponente(n), Verdichter oder Turbine. Der Begriff wird in diesem Sinne benutzt

Maschinenrichtlinie

Machine Directive

Richtlinie 2006/42/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG

Maschinenstrang

Machine Train, Machine Ein Maschinenstrang besteht aus AntriebsString maschine, Getriebe, Kupplungen und Arbeitsmaschine

376

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Mechanische Fertigstellung

Mechanical Completion

Zeitpunkt, zu dem die Montage der Anlage einschließlich aller wesentlichen Dämmungs-, Isolierungs- und Anstricharbeiten beendet und die Prüfungen auf mechanische Vollständigkeit und Funktionsfähigkeit, welche auch die Mess-, Regel-, Steuerungs- und Überwachungsanlagen und die Elektroeinrichtungen umfassen, sowie die Prüfungen gemäß relevanter Rechtsvorschriften, behördlicher Vorgaben und dem vertragsrelevanten Stand der Technik erfolgreich durchgeführt und nachvollziehbar dokumentiert wurden

Mensch-Maschine-Inter- Human Machine Interface face

bestehend z. B. aus PC, Bildschirm, Tastatur, Maus. Meist im RCP integriert, teilweise auch separates paralleles System in der Leitwarte

Mittelspannung

Medium Voltage

Elektrische Spannungsebene zwischen 1000 V und 30.000 V

Niederspannung

Low Voltage

Elektrische Spannungsebene unterhalb von 1000 V

Originalhersteller

Original Equipment Manufacturer

Die Vertragspartei, welche die Maschine entwirft und deren Hauptkomponenten produziert (OEM, Original Equipment Manufacturer)

Package Unit

Package Unit

Teilanlage, die als Ganzes von einem Maschinenlieferanten oder Kontraktor geliefert, errichtet und im Allgemeinen von diesem in Betrieb genommen wird; Begriff wird in der Regel für kleinere KomplettEinheiten wie Kältemaschinen benutzt

Positive Material-Identifikation (PMI)

Positive Material Identification

Spektroskopische Analyse zur Ermittlung von Bestandteilen metallischer Werkstoffe und zur Vermeidung von Werkstoffverwechslungen

Projektmanagement

Project management

Gesamtheit der Führungsorganisation, -aufgaben, -methoden und -mittel für die Abwicklung eines Projekts

Projektstart-Besprechung Kick-Off-Meeting

Die für ein Projekt zur Anfangsklärung der Fragen im Zusammenhang mit der Zusammenarbeit und der technischen Aufgabe durchgeführte Zusammenkunft möglichst aller Projektbeteiligter

13.3 Glossar

377

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Projektteam

Project Team

Team, dessen Mitglieder zu verschiedenen Fachdisziplinen gehören und verschiedene Funktionen und Aufgaben im selben Projekt erfüllen. Das Projektteam ist für eine bestimmte Zeitperiode engagiert und wird nach Projektende aufgelöst. Es wird als eine Sammlung der Personen definiert, die für ein gemeinsames Ziel zusammenarbeiten und die Verantwortung für die spezifischen Ergebnisse tragen. Ein Projektteam umfasst außer den Projektleiter alle Projektbeteiligten, die für die Projektdurchführung und die Projektverwaltung verantwortlich sind

Proprietäre Ausrüstung

Proprietary Equipment

Proprietäre Ausrüstung befindet sich im Eigentum und unter der Verantwortung des Verfahrensgebers bzw. Betreibers. Innerhalb eines Projekts kann es sich um Ausrüstung handeln, die nicht unter der Verantwortung z. B. eines Kontraktors hergestellt und in Betrieb genommen wird

Prozessleittechnik

Process Control Techno- Mittel und Verfahren, die dem Steuern, logy Regeln und Sichern verfahrenstechnischer Anlagen dienen. Zentrales Mittel sind dabei das Prozessleitsystem und die (Maschinen-) Steuerung

Prozessleitsystem

Distributed Control System

Digitales automatisiertes Kontrollsystem zur Bedienung und Überwachung einer Anlage, in der Regel in einer zentralen Leitwarte

Qualität

Quality

Übereinstimmung des Ist-Zustands mit allen vereinbarten und festgelegten Anforderungen

Qualitätskontrolle

Quality Control

Qualitätskontrolle beschreibt den Prozess, mit dem die erforderliche Qualität bei der Herstellung sichergestellt wird. Dabei wird geprüft, ob die Produkte notwendige Standards einhalten. Ziel ist es zu gewährleisten, dass Produkte oder Dienstleistungen keine Fehler aufweisen

378

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Qualitätssicherung

Quality Assurance

Qualitätssicherung umfasst als Bestandteil des Qualitätsmanagements alle organisatorischen und technischen Maßnahmen, die vorbereitend, begleitend und prüfend der Schaffung und Erhaltung einer definierten Konzept- und Ausführungsqualität eines Produkts oder einer Dienstleistung dienen

Radiografische Durchstrahlungs-Prüfung

Radiographic Inspection Bei der Röntgenprüfung wird ein Prüfobjekt mit energiereicher Röntgen- oder Gammastrahlung durchstrahlt. Je nach Dichte und Dicke des Materials wird ein Teil der Strahlung absorbiert, während die durchdringenden Röntgenstrahlen von einem Film oder digitalen Detektor erfasst werden. Z. B. nach EN 12681

Revision

Turnaround

Geplanter Anlagenstillstand, bei dem eine gesamte Prozesseinheit einer Produktionsanlage für längere Zeit für Inspektions-, Wartungs- und Modernisierungsarbeiten außer Betrieb genommen wird. Zeitraum zwischen der Abschaltung (Herunterfahren) und Wiederinbetriebnahme

Risiko

Risk

Produkt aus Eintrittswahrscheinlichkeit und Auswirkung eines Ereignisses

Risikobeurteilung (nach Maschinenrichtlinie)

Risk Analysis

Abschätzung aller möglichen Gefahren samt entsprechender Gegenmaßnahmen. Frühere Bezeichnung: Gefahrenanalyse

Risikobewertung

Risk evaluation

Einschätzung des potentiellen Schweregrads einer Gefährdung sowie der Eintrittswahrscheinlichkeit und Vergleich mit einem Bewertungsmaßstab

Rotierende Maschinen

Rotating Equipment

Durch Rotation angetriebene Arbeitsmaschinen wie Pumpen und Verdichter sowie deren Antriebe, meist Turbinen und Elektromotoren

13.3 Glossar

379

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Schalldruckpegel

Sound pressure level

Der Emissions-Schalldruckpegel LpA, angegeben in dB(A), ist eine Größe zur Beurteilung der Schallemission einer Maschine. Er wird für dieselben in der Norm festgelegten Betriebsbedingungen gemessen und angegeben wie der Schallleistungspegel. Er sagt aus, wie laut es an dem der Maschine direkt zugeordneten Arbeitsplatz wäre, wenn nur der Lärm dieser einen Maschine ohne weitere Hintergrundgeräusche oder Reflexionsschall von Wänden und Decke dort einwirken würde

Schallleistungspegel

Sound power level

Der Schallleistungspegel LWA einer Maschine gibt an, wie viel Lärm insgesamt, also in alle Richtungen, von ihr abgestrahlt wird. Physikalisch ist die Schallleistung die im zeitlichen Mittel von einer Schallquelle in die Umgebung abgegebene Luftschallenergie. Der Schallleistungspegel wird in dB(A) angegeben und nach Norm unter festgelegten Aufstellungs-, Mess- und Betriebsbedingungen ermittelt. Als Angabe für den insgesamt abgestrahlten Schall eignet sich der Schallleistungspegel am besten zur vergleichenden Beurteilung von Maschinen. Darüber hinaus ist er eine wichtige Eingangsgröße für die Durchführung von Schallprognosen in Arbeitsstätten

SicherheitsAnforderungsstufe

Safety Integrity Level

System zur Einstufung von Feldgeräten nach IEC 61508

SpannungsquellenWechselrichter

Voltage-Source-Inverter

Ein Spannungsquellen-Wechselrichter wandelt eine unidirektionale Spannungswellenform in eine bidirektionale Spannungswellenform um

Spezifikation des Schweißverfahrens

Welding Procedure Specification

Anleitung für Schweißer die Schweißnaht betreffend, sowie die nötigen Parametereinstellungen von Schweißgeräten

Steuerschrank

Remote Control Panel

Er befindet sich meist im Schaltraum, manchmal separat in Maschinennähe

380

13 Anhang

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Strangverantwortlicher

Train Responsible

Vertragspartei, die für die Lieferung eines gesamten Verdichterstrangs mit seinen Hilfs- und Versorgungssystemen und dem gesamten Liefer- und Leistungsumfang verantwortlich ist. Normalerweise handelt es sich um den Lieferanten einer Verdichter- oder Turbineneinheit

Technische Spezifikation Technical specification

Lieferantenunabhängige technische Unterlagen für Anfrage und Bestellung

Total Cost of Ownership

Total Cost of Ownership Totale Kosten für Investition, Betrieb und Instandhaltung über einen definierten Zeitraum oder über die Lebensphase z. B. einer Maschineneinheit

Ultraschallprüfung

Ultrasonic Inspection

Akustisches Verfahren zum Auffinden von Materialfehlern mittels Ultraschall, z. B. nach EN 12680-2

Unterlieferant

Sub-Supplier

Zulieferer für den Maschinenlieferanten, der z. B. Getriebe, Kupplungen, Ölsystem, Maschinensteuerung und andere Komponenten produziert und beistellt

Verantwortlich, rechenschaftspflichtig, konsultiert, informiert

Responsible, Eine RACI-Matrix dient zur Darstellung Accountable, Consulted, von Rollen und Verantwortlichkeiten. Informed (RACI) Rollen werden gegen Aktivitäten aufgetragen und ggf. einer Person zugeordnet

Verfahrensfließschema

Process Flow Diagram

Darstellung eines Verfahrens mit Hilfe von grafischen Symbolen für Ausrüstungen und Maschinen und Fließlinien für Stoffe und Energien

Verfahrenstechnische Produktionsanlage

Process plant

Anlage zur Durchführung von Stoffänderungen und/oder Stoffwandlungen mit Hilfe zweckgerichteter Wirkungsabläufe. Die Produktionsanlage besteht als Gesamtanlage aus der Gesamtheit aller Teilanlagen einschließlich der im Buch beschriebenen HDRE-Maschinenstränge

Verfahrensträger

Licensor

Eigentümer einer Lizenz über ein Verfahren

Verfügbarkeit (technisch) Availability (technical)

Verhältnis zwischen der um technisch bedingte Störungen reduzierten Laufzeit zur Gesamtlaufzeit der Anlage bzw. Anlagenkomponente im Betrachtungszeitraum

13.3 Glossar

381

Bezeichnung (DE)

Bezeichnung (EN)

Erläuterung

Verschleißteil

Wear part

Technisches Bauteil, welches mit hoher Wahrscheinlichkeit nach einer bestimmten Betriebsdauer vorbeugend bzw. bei Störung gegen das defekte Teil ausgetauscht wird

Visuelle Inspektion

Visual Inspection

Visuelle Inspektion (auch Sichtkontrolle, Sichtprüfung) beschreibt die optische Kontrolle eines Produktes oder produzierten Teils auf Mängel oder Produktionsfehler, z. B. nach EN 1370

Wasserhaushaltsgesetz

Water Management Act

Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhaushaltsgesetz – WHG) vom 31.07.2009

Werksabnahme-Prüfung

Factory Acceptance Test Test und Abnahme der bestellten Ausrüstung, z. B. einer Maschineneinheit, beim Hersteller bzw. Lieferanten nach einem definierten Prüfplan

Widerstands-Temperatur- Resistance Temperature fühler Detector

Gängige Ausführung ist Pt100. Pt100 ist ein Platin-Widerstand mit einem in IEC 751 (EN 60751) definiertem Nennwiderstand von 100 Ω bei einer Temperatur von 0°C

Sachwortverzeichnis

3D-Druckverfahren, 139 72-Stunden-Test, 327

A A/B-Anordnung, 67, 146 Abblaseregelung, 38 Abdampfkondensator, 301 Abdampfleitung, 300 Abhebedrehzahl, 46, 186 Ablageplatz, 143 Ablagerung, 136 Abnahme, 204, 328 Abnahmeprüfzeugnis 3.1, 179 3.2, 179 Abschaltung, 160 Abscheidegrad, 121 Absorptionsschalldämpfer, 122 Abweichungsliste, 101 editierbar, 102 Abwicklungskonzept, 2, 79 Achshöhe, 52 Aerodynamik, 132 Akkumulator, 113 Alarmierung, 160, 334 Alarmierung und Abschaltung, 162 Alarmliste, 305 Alarmlogbuch, 171 Alarmüberbrückung, 319, 325 Alarm- und Abschaltwerte, 325 American Petroleum Institute, 96 Anfahrlastmoment, 60 Anfahrsieb, 119, 142, 299, 307 Anfahrumrichter, 127

Anfahr-Verriegelung, 165, 231 Anforderungsliste, 100 Anfrage, verbindliche, 197 Anfrageunterlagen, 92 Angebot technisch akzeptables, 83 verbindliches, 196 Angebotsanfrage, 68, 71, 73 Angebotsdurchsprache, 83 Angebotsprüfung, 83, 198 Angebotsvergleich, 198, 208 Ankerschraube, 295 Anlagenbauprojekt, 7 Anlagenteil, überwachungsbedürftiges, 348 Anlaufmoment, 53 Anlieferung, 285 Ansaugluftfilter, 306 Anschluss, geschraubter, 142 Anschlussschrank, 232 Antrieb elektrischer, 51, 124 mechanischer, 50 Antriebsleistung, 131 Anwärmdrehzahl, 323 API RP 684, 185, 259 684-1, 141 686, 286 API STD, 96 541, 125, 192 546, 125 611, 109 612, 109 613, 128 614, 112

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2023 A. Sperber, Heavy Duty Rotating Equipment, https://doi.org/10.1007/978-3-658-42272-1

383

384 616, 124 617, 106, 189 618, 108, 113 671, 128 672, 106 677, 128 692, 46, 115 Apparate- und Behälterzeichnung, 229 Arbeitssicherheit, 314 AS BUILT-Dokumentation, 203, 221, 279, 286, 328 ASME B&PV Code Section IX, 182 V, 181 ASME PTC (Performance Test Code) 10, 132, 188, 267, 356 11, 189 22, 189 6, 189 ASME-Standard, 98 ASTM A262, 179 E186, 181 E446, 181 ASTM-Standard, 98 Asynchronmotor, 49, 52, 124 ATEX-Betriebsrichtlinie, 94, 156 Auditierung, 75 Audit-Kriterien, 74 Aufgabenteilung, 88 Aufheizdampf, 323 Aufstellungsplanung, 142 Aufstellungszeichnung, 222 Auftragsbestätigung, 214 Auftragsschweißen, 181, 259 Ausblasedampf, 320 Ausblasen, 300 Ausfallwahrscheinlichkeit, 332 Ausführungsplanung, 12 Ausgleichsdruck, 129 Auslaufverhalten, 320 Auslegung, mechanische, 137 Auswuchten, 259 hochtouriges, 184 niedertouriges, 184 Axialexpander, 56 Axialschub, 36 Axialstandssonde, Kalibrierung, 305 Axialventilator, 22

Sachwortverzeichnis Axialverdichter, 24, 28

B Bankbürgschaft, 175 Bar-Over-Test, 270 Basic Engineering, 10 Baugruppen, 176 Baumusterprüfbescheinigung, 192 Baustellenbesprechung, 281 Baustellenreinigung, 313 Beanspruchung, dynamische, 41 Begleitbeheizung, 302 Behälterstützen, 297 Beispieldokument, 203 Belastung dynamische, 247 berechneter Leistungsbedarf, 86 Berstsicherheit, 192 Berührungsschutz, 302 Beschaffungskonzept, 2 Beschaffungsphase, 13 Beschaffungsrisiko, 73 Beschaffungsstatus, 217 Beschichtungsprüfung, 254 Best Cost Countries, 72 Bestellung, 214 Best Practice, 92, 96 Betriebsbereitschaft, 318 Betriebsdaten-Informationssystem, 333 Betriebsingenieur, 317, 331 Betriebskonzept, 171 Betriebskosten, 83 Betriebsmittelliste, 224 Betriebsphase, 3, 15, 331 Betriebspunkt, 135 Betriebssicherheit, 73 Betriebssicherheitsverordnung, 94 Betriebs- und Instandhaltungsanleitung, 275 Betriebs- und Instandhaltungskonzept, 82 BetrSichV s. Betriebssicherheitsverordnung BG RCI (Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie), 99 bidirektionale Ausführung, 136 BImSchG s. Bundesimmissionsschutzgesetz Bläschenbildung, 256 Blende, verstellbare, 326 Block-Transformator, 124 Bogenzahnkupplung, 64

Sachwortverzeichnis Booster, 272, 310 Brownfieldprojekt, 143 Budgetangebot, 68, 196 Bühne, 307 Bundesimmissionschutzgesetz, 94 Bypasskühler, 37, 120 Bypassregelung, 33, 36, 41

C Campbell-Diagramm, 140, 227, 245 Capital Spare, 147 CE-Kennzeichnung, 15, 320 CFD-Methoden, 133 Change-Order, 12, 82, 203 Change-Request, 175 Checkliste, 74 Chlor-Eisen-Brand, 99 Chlorid, 136, 183 Commissioning, 14 Construction, 13, 81

D Dämmmatte, 303 Damper Check, 225 Dampfbedarf, 50 Dampfleckage, 303 Dampfnässe, 50 Dampfqualität, 323 Dampftafel, 135 Dampfturbine, 109 Thermodynamik, 135 Dampfüberschuss, 50 Dämpfungseinfluss, 244 Dampfventil, 312 Datenblatt, technisches, 68, 97, 104, 106, 197, 221 Datensicherheit, 170, 337 Dauerbetrieb, 22, 67, 278 Deckscheibe, 139 De-Magnetisierung, 262 Demister, 123 Design-Basis, 100 Designdruck, 163 Design-Freeze-Meeting, 210, 233 Design-Review-Meeting, 210, 233 Designvorgaben, 135 Detailed Engineering, 12

385 Detaillierungsgrad, 68 DGRL s. Druckgeräte-Richtlinie DGS (Dry Gas Seal), 44, 117 Diagnostik, modellbasierte, 169 Diaphragm Coupling, 64 Dichtheitsprüfung, 182, 319, 325 Dichtspalt, 43 Dichtungsbauart, 48 Dichtungskonzept, 42 Dichtungsschaden, 271 DIN 31051, 331 51515, 111 DIN EN 12680-2, 180 13445-6, 137 1369, 180 1370, 180 1371-1, 180 1779, 182 60034-16, 127 61800-2, 192 61800-4, 192 DIN EN IEC 61882, 234 DIN EN ISO 3651-1, 137, 179, 255 3744, 152 3746, 152 3843-3, 182 4871, 152 9614, 152 DIN ISO 10816-3, 162 17359, 334 20816-3, 162 21940, 184 DMZ-Server, 170 Dokumentenkontrolle, 220, 242 Dokumentenliste, 201, 243 Dokumentenqualität, 201 Doppeldichtung, 46 Doppellabyrinth, 43 Doppelrohrkühler, 120 Doppel-Schrägverzahnung, 58 Double-Block-and-Bleed-Armatur, 142 Drehkolbengebläse, 23 Drehmoment, 63 Drehmomentwandler, hydrodynamischer, 58

386 Drehrichtungstest, 310, 311 Drehvorrichtung, 323 Drehzahlen, kritische, 243 Drehzahlregelung, 38, 41, 58, 124 mechanische, 58 Drehzahlüberlagerung, elektronische, 59 Drosselventil, 51 Druckbehälter, 205 Druckbehältereinstufung, 230 Druckbehälterprüfung, 104 Druckbehälterverordnung, 187, 205, 230 Druckentlastungsklappe, 126 Druckentlastungsmembran, 165 Druckentlastungsventil, 302 Druckgeräte-Richtlinie, 94 Druckluft, 31 Druckmessung, dynamische, 324 Druckölschmierung, 64 Druckprüfung, 302 Druckpulsation, 33, 41, 141 Druckregelung, separate, 114 Druckschwankung, 310 Drucksensor, dynamischer, 247 Druck- und Volumenpulsation, 246 Druckverhältnis, 22 Dry Gas Seal, 44, 114 Durchblicklabyrinth, 43 Durchsprache, technische, 68 Durchstrahlungsprüfung, radiografische, 181 Düsengruppe, 51 Leistungsregelung, 164

E Echtzeitanalyse, 336 Effizienz, 125 EFRC, 168 EG-Konformitätserklärung, 207, 320 EIGA (European Industrial Gases Association), 99 Eigenabwicklung, 4, 80, 82 Eigenfrequenzen, 140 Eigenschwingungsformen, 140, 244 Einbauerklärung, 93 Einbaurichtung, 307 Einbautest, 190 Einfachdichtung, 46 Einschaltstrom, 53 Einstranganlage, 22, 67

Sachwortverzeichnis Eintrittsleitapparat, 40, 138, 319 Eintrittsleitschaufel, 37 Regelung, 39 Eintrittstemperatur, 37 Ein- und Mehrlochblende, 122 Einwellen-Radialverdichter, 24 EMV-Richtlinie, 94 EN 10204, 178, 180 2.2, 251 3.1, 251 12680-2, 253 12681, 253 13445, 230 1369, 253 1370, 251 1371, 253 EN/IEC 61508, 155 62061, 155 Endkontrolle, 273, 281 Endkunde, 213, 241 Endmontage, 273 Endnässe, 135 Endtemperatur, zulässige, 136 Energiekosten, 83 Engineering, 81 Engineering-Partner, 8, 81 Engineering-Studie, 352 EN ISO 13849, 155 Entnahme, geregelte, 50 Entwässerungssystem, 323 Entwurfsplanung, 10 Entwurfsprüfung, 230 EPC-Kontraktor, 8, 12 EPC-Vertrag, 81 Epoxidharz-Verguss, 298 Erdgasverteilstation, 56 Erdung, 301 Erfahrungsschatz, 72 Erfüllung des Liefervertrages, 73 Erreger-System, 127 Ersatzläufer, 190 Ersatzmodell, 243 Ersatzmotor, 52, 149 Ersatzrotor, 148 Ersatzteil, kritisches, 147 Ersatzteilkonzept, 147

Sachwortverzeichnis Ersatzteilkosten, 10 Ersatzteillagerung, 151 Ersatzteilliste, 104, 147, 278 Ersatzteilpreise, 174 Ersatzteilverfügbarkeit, 15 Ersatzteilvorhaltung, 345 Ersatzwert, 305 Eskalation, 175, 204 Espey-Dichtung, 43 E-SPIR, 147, 278 Euler-Gleichungen, 39 Eurochlor, 99 Expander, 56 Expansion, 135 Expediting, siehe auch Terminüberwachung, 86, 219 Explosionsschutzdokument, 157 Exportkontrolle, 175 Ex-Zone, 156 0, 23 Einteilung, 157

F Fackelleitung, 116 Factory Acceptance Test (FAT), 205 Fail Safe, 160 Fälligkeitstermin, 201 Faltenbalg-Kompensator, 119 FAT (Factory Acceptance Test), 188 Federhänger, 300 Federstütze, 300 Fehlauslegung, 133 Feinausrichtung, 297 Feinausrichtung, optisch, 298 Fern-Inbetriebnahme, 324 Fernübertragung, 334 Fernüberwachungssystem, 170 Fernzugriff, 336 Fertigungskontrolle, 3 Festpunkt, 118, 298 Feuerlöschanlage, 111 Filter, elektronischer, 55 Filterfeinheit, 124 Firewall, 170 Flanschkupplung, 64 Flanschschraube, 300 Fluidmechanik, 131 Flüssigkeitsabscheider, 33, 121

387 Flüssigkeits-Eindringprüfung, 180, 253 Flüssigkeitsringverdichter, 35 F nach B, 125 Footprint, 149 Förderhöhe, polytrope, 22, 132 Fördermengenregelung, 37 Formstabilität, 137 Fortschrittsbericht, 217 Freelancer, 314 Freigabe, 200 Fremdabwicklung, 81 Fremderregung, 54 Frequenzumrichter, 53, 55, 124, 127 Frischdampfdruck, 50 Frischdampfleitung, 320 Fühlerlehren, 263 Fundament, 144 Fundamentplan, 222 Fundamentvorbereitung, 294 Funkenfreiheit, 66 Funktionsdiagramm, 249 Funktionstest, 187, 205, 265, 272 Ölsysteme, 271 Sperrgassysteme, 271

G Garantie, 172 Garantiepunkt, 189, 327 garantierter Leistungsbedarf, 86 Gasanalyse, 154 Gasentspannungsturbine, 56 Gasfilter, 116 Gasturbine, 49 Gaszusammensetzung, 33 GB-Standard, 98 Gear Coupling, 64 Gebläse, 22 Gegendruckturbine, 50 Gehäuseteilung horizontale, 25, 138 vertikale, 25, 138 Geheimhaltungsvereinbarung, 198 Generator-Set, 49, 50, 56 Gesetze, 93 Getriebe, 52, 58 epizyklisches, 58, 128 Getriebeauswahl, 128 Getriebe-Turboverdichter, 27, 40

388 Gewährleistung, 172, 206, 331 Gewährleistungsphase, 15 Gleitringdichtung, 43 gasgeschmierte, 44, 186, 272 ölgeschmierte, 46 Greenfieldprojekt, 143 Grobausrichtung, 295 Grundrahmenmontage, 144 Gusseisen, 137 Gussfehlerbericht, 259 Gussgehäuse, 180 Gutachten, schalltechnisches, 152 Güteklasse G 1,0, 186 G 2,5, 184

H Haltepunkt, 178 Härtetest, 253 Hauptölpumpe, 112 HAZOP-Analyse, 234 HDRE-Engineer, 8 Heat Run, 190 Heavy Duty Rotating Equipment (HDRE), 7 Hebevorschrift, 295 Hebezeug, 307 heiße Oberflächen, 111, 303 Heiß-Inbetriebnahme, 322, 324 Helium-Schnüffelgerät, 183 Hersteller, 241 Herstelleraudit, 74 Herstellerauswahl, 76, 208 Herstellerbescheinigung, 207 Herstellerdokumentation, 287 Herstellergarantie, 104 Herstellerstandard, 100 Hersteller-Vorauswahl, 196 Herstellungsprozess, 241 High Voltage, 51 Hilfsölpumpe, 112 Hilfs- und Versorgungssysteme, 97, 110, 187 Hirth-Stirnverzahnung, 27, 139 HMI, 305 Hochbehälter, 113 Hochpunktentlüftung, 302 Hochspannung, 51 hochverfügbar, 67 Hubkolbenverdichter, 32, 319

Sachwortverzeichnis ölfreier, 33 ölgeschmierter, 33 Huey-Test, 254 Hydraulik-Verschraubung, 138 HydroCOM, 42

I I/O List, 249 IEC 60034, 191 60034-1, 125 60953, 189 61508, 159 61511, 159 61800-1, 55 Impulsturbine, 49 Inbetriebnahme, 3, 14, 317 Inbetriebnahme-Betriebsanleitung, 322 Inbetriebnahme-Ersatzteil, 150 Inbetriebnahmeleistung, 207 Inbetriebnahme-Supervisor, 286, 317 Inbetriebnahme-Vorbereitung, 14, 318 INCOTERMS®, 13, 275 Industrie-Dampfturbine, 49 Industrie-Gasturbine, 57 Inselbetrieb, 324 Inspector’s Checklist, 178 Inspektion visuelle (VT), 251, 257 Inspektions- und Testplan (ITP), 175, 204 Inspektions- und Testplan, 345 Installationsanleitung, 280 Instandhaltung, 317, 331 ausfallorientierte, 332 vorbeugende, 332 zustandsorientierte, 333 Instandhaltungskonzept, 142 Instandhaltungsmaßnahmen, 331 Instandhaltungsstrategie, 146, 332 Instandhaltungsunterstützung, 15 Instrumentenliste, 249 Instrumentierung, 231 interkulturelle Kompetenz, 314 Interlock-Liste, 249 Investitionskosten, 83 ISO 13349, 22 14000, 87

Sachwortverzeichnis 21940-11, 259 2314, 189 4406, 309, 338 5389, 132, 188 5801, 22 6507, 253 9000, 87 9712, 181 Grade 1.0, 259 VG 46, 111 ITP s. Inspektions- und Testplan

J JIS-Standard, 98, 181 Joule-Thomson-Effekt, 37, 120 Justierung der Schwingungssonden, 305

K Kabelführung, 304 Kalibrierung der Axialstandssonden, 305 Kalt-Inbetriebnahme, 318 Kapazitätserweiterung, 351 Kapazitätssteuerung, 171 Käufer, 4, 213, 241 Kennfeld, 35, 135 Kennlinie, 35 Kennzahlen, dimensionslose, 133 Kennzahlen, maschinenspezifische, 336 Keyphasor, 163 Kick-Off-Meeting, 210, 215 Kippsegment, 188 Klärungsliste, 291 Klemmenkästen, 192 Kohleringdichtung, 43, 117 Kohle-Schwimmringdichtung, 31 Kolbenendspiel, 270 Kolbengeschwindigkeit, 33, 141 Kolbenstangenabdichtung, 33 Kolbenstangenabsenkung, 168 Kolbenstangenbelastung, 225 Kolbenstangen-Run-out, 270 Kolbenverdichter, 20, 108 Kollision, 308 KOM s. Kick-Off-Meeting Kommentierung, 200 Kommunikations-Diagramm, 248 Kommunikationswege, 199, 206

389 Kompaktanlage, 143 Kompaktölsystem, 114 Kompander, 56 Kompensator, 124, 301 Komplettabwicklung, 81 Kondensation, 46 Kondensationsturbine, 50 Kondensator, 124 Konformitätserklärung, 93 Konservierung, 151, 206, 293 Konstruktionsbesprechung, 233 Kontraktor, 4, 82, 213 Kontrollabstellung, 340 Konzeptphase, 9 Körperschallausbreitung, 154 Korrosion, interkristalline, 137 Korrosionsschutz, 254 Korrosivität, 136 Kostenermittlung, 10, 11 Kosten-Nutzen-Betrachtung, 100 Kraft dynamische, 145 statische, 145 Kraftübertragung, 58 Kraftwerks-Dampfturbine, 49 Kritikalität, 76 Kritikalitätsliste, 76 Kritischer Pfad, 344 Kupferlegierungen, 137 Kupplung, 58, 63 elastische, 64 Kupplungsauswahl, 127 Kupplungsleistung, 132 Kupplungsmontage, 312 Kupplungsnabe, 186 Kupplungsschutz, 65, 66 Kurbelgehäuse, 32 Kurbelwelle, 270 Kurzschluss, mehrphasig, 125, 140 Kurzschluss, mehrphasiger, 246 Kutzbachplan, 59

L Labyrinthdichtung, 43, 117 Labyrinthverdichter, 33 Labyrinthverlust, 33 Lagertemperatur, 162 Lamellenkupplung, 64, 128

390 Lamellenpaket, 64 Landessprache, 201 Langzeittrend, 336 Lärmbelastung, 151 Lärmschutzvorgaben, 151 Lateralschwingung, 140, 243 Lateralschwingungsanalyse, 226 Laufraddesign, 139 Laufstabilität, 244 LCI s. Load Commutated Inverter Lebensdauer, 105 Lebenszyklus, 83 Leckage, 42 Leckageerkennung, 125, 138 Leckagestrom, 43 Leckagetest, 187, 256 Leckageverlust, 44 Leistung, stundenbasierte, 207 Leistungsaufnahme, minimale, 323 Leistungsbedarf, 27 tatsächlicher, 325 Leistungsfaktor, 127 Leistungsregelung, 51 Leistungstest, 14 thermodynamischer, 188 Leiter, 307 Lichtbogenprüfung, 192 Lieferant, 213 Lieferantenauswahl, 73 Lieferfrist, 173 Lieferumfang, 104 Liefer- und Einkaufsbedingungen, 198 Lieferung preisgünstige, 73 qualitätsgerechte, 73 termingerechte, 73 Liefervertrag, 176 Life Cycle Costing (LCC), 84 Load Commutated Inverter, 127 Locked-in-Position, 326 Logikdiagramm, 249 Long Lead Equipment (LLE), 7, 9, 12 Loop-Check, 304 Losbrechmoment, 55 Lötverbindung, 181 Low Voltage, 51 LSTK-Vertrag, 79 Luft-Ansaugfilter, 122 Luftaustausch, 153

Sachwortverzeichnis Lump Sum Turn Key (LSTK), 79

M Machbarkeitsstudie, 9 Machzahl, 134 Magnetpulverprüfung, 180, 253, 261 Major Defects, 181, 258 Make Good, 173, 207 Mängel, 206 Mängelhaftung, 172 Mängelliste, 287, 288 Mangelmeldung, 288 Mängelrüge, 206 Maschine, 93 unvollständige, 93 vollständige, 320 Maschinen-Bypass, 319 Maschinendiagnostik-Fachstelle, 337 Maschineneinheit, 1, 332 Maschineninspektion, 347 Maschinenkonzept, 2, 19, 68, 71 Maschinenlieferant, 4, 71, 196 Maschinenplanung, 11 Maschinenplatzierung, 295 Maschinenrevision, 83, 146 Maschinenrichtlinie (MRL), 93, 275 Maschinenschutz, 160 Maschinenspezifikation, 91 Maschinensteuerung, 160, 232, 248 Maschinenstrang, 1, 9 Maschinenüberwachung, 160 Maschinenüberwachungssystem, 169, 333 Maschinenverordnung, 93 Maschinenzeichnung, 229 Maßprüfung, 262 Materialinspektion, 180 Materialprüfung, 191, 251 zerstörungsfreie, 180 Mattenisolierung, 138 MAWP, maximal zulässiger Betriebsdruck, 163 Mechanical Completion (MC), 13, 285 Mechanische Fertigstellung, 285, 313 Medium Voltage, 51 Mehrlochblende, 326 Meilensteine, 209 Membranbruch, 35, 165 Membrankupplung, 64 Membranverdichter, 33

Sachwortverzeichnis Mengenregelung, 26, 28, 31, 33, 35 Mengenszenario, 129 Mengen- und Stoffbilanz, 129 Mensch-Maschine-Schnittstelle, 249, 305 Messleitung, 304 Messpunkte an der Pumpgrenze, 267 Messtechnik, kalibrierte, 181 Messuhr, 298, 300 Messung mit Bleidraht, 263 Mindestfahrpunkt, 327 Mindestspaltmaß, 43 Minor Defects, 181, 258 Mittelspannung, 51 Montage Besprechung, 292 Checkliste, 287 Dokumentation, 313 Fertigmeldung, 313 Hilfsmittel, 151 Inspektions- und Test-Plan, 287 Kontraktor, 286 Leistung, 207 Leitung, 286 öl- und fettfreie, 264 Qualitätsplan, 287 Supervisor, 286, 298 Vorschrift, 287 Montagephase, 3, 13, 285 Montageplanung, 285 Montage- und Inbetriebnahmekosten, 84 Motor-Solo-Run, 311 Motorsteuerung, 311 MRL s. Maschinenrichtlinie Multidisc Coupling, 64 MV-Antriebsmotor, 52, 190

N Nachkontrolle, mechanische, 268 Nachkühler, 120 Nachleitschaufel-Regelung, 40 Nachrechnung, thermodynamische, 327 Nachwuchten, 184 Nassdampfgebiet, 50 Nenndrehzahl, 52 Netzrückwirkung, 55, 127 Niederspannung, 51 Nivellierplatten, 296

391 Nivellierspindel, 295 Norm-Motor, 124 Notabschaltung, 320 Notölpumpe, 112 Null-Messung, 176, 187, 263, 264, 326 Nutenstruktur, 45

O Oberflächenprüfung, 185 Ölanalyse, 309, 338 Öldunstabsauggebläse, 112 Öldunstabscheider, 310 Öleintritt ins Kühlwasser, 113 Ölfilter, 113 Ölkühler, 112 Ölpumpe, 52, 112 Ölreinigungsanlage, 114, 309 Ölringschmierung, 125 Ölsystem Funktionstest, 271 Spülen, 310 Öltank, 111 Öl- und Fettfreiheit, 99 Ölversorgungssystem, 61, 111, 308 Open Box Inspection, 293 Originalläufer, 190 oszillierende Kräfte, 141

P Packliste, 274 Partial Stroke Test, 339 Pauschalleistung, 207 Personalressourcen, 80, 201 Personalschulung, 318 PIM s. Pre-Inspection-Meeting Pipeline-Verdichter, 49 Planetengetriebe, 58, 59 Plattenventil, 32 PLT, 154 Betriebseinrichtung, 159 Schadenbegrenzungseinrichtung, 159 Schutzeinrichtung, 159 Überwachungseinrichtung, 159 polytrope Arbeit, 131 polytrope Verdichtung, 3 polytrope Zustandsänderung, 356 Pönalisierung, 174

392 Positive Material Identification (PMI), 179 PMI-Test, 179, 254 Praxisschulung, 318 Pre-Commissioning, 14 Pre-Inspection-Meeting (PIM), 3, 210, 237 PIM-Protokolle, 239 Probelauf, 265 erfolgreicher, 266 mechanischer, 188, 190, 265 thermodynamischer, 190, 266 Process Flow Diagram (PFD), 129 Procurement, 13, 81 Projektabwicklung, 199 Projektlenkungsausschuss, 86 Projektmeilensteine, 173, 174 Projektorganisation, 3, 4, 215 Projektübergabe, 209 Proprietary Equipment, 80, 82, 91 Prozessgasleitung, 118 Prozessgasverdichter, 19 Prozessleittechnik, 154 Prozessüberwachung, 166 Prüfbescheinigung, 178 Prüfdokument, 176 Prüfstelle, zugelassene, 205 Pulsationsamplitude, zulässige, 121 Pulsationsdämpfer, 33, 121 Auslegung, 121 Pulsationsfrequenz, 33 Pulsationsstudie, 121, 141, 225, 246 Pulszahl, 55 Pumpgrenze, 35, 189 Pumpgrenzregelung, 36, 161 Pumpschutz, 161 Punch List, 14, 281, 288 p-V-Diagramm, 168, 339

Q QA/QC-Plan, 175 Qualitätsdokumentation, 205, 279 Qualitätskontrolle, 204 Qualitätskriterien, 250 Qualitätsmanagementsystem, 175 Qualitätsprobleme, 242 Qualitätsprüfschritte, 177 Qualitätssicherung, 3, 87, 104, 199, 237, 287 risikobasierte, 76 Qualitätsstandard, 178

Sachwortverzeichnis Qualitätsüberwachung, 242, 250 Quill Shaft Coupling, 66

R R&I-Fließbild, 223, 304 RACI-Matrix, 215 Radialventilator, 22 Radialverdichter, 24 Ready for Startup, 14 Reaktionsturbine, 49 Realgasverhalten, 131 Rechtsvorschriften, 93 Redundanz, 67, 146, 153, 157 Referenzliste, 73 Regelungsbeschreibung, 232, 249 Regelwerk, 92 Regelwerk, technisches, 95, 101 Reliability Engineer, 15 Reparaturmaßnahmen, 348 Restpunkteliste, 313, 321 Restunwucht, 185, 261 Retrofit-Maßnahme, 349 Revision, 22, 340 Dokumentation, 350 gültige, 102 Revisionskennzeichnung, 220 Revisionsmanagement, 344 Revisionsmanager, 344 Revisionsperiode, 105 Revisionsplanung, 341 RFSU, 321 Ringventil, 32 Risikobeurteilung, 155, 205, 234 Risikobewertung, 74 Rissbildung, 348 Rohrbündel-Wärmeübertrager, 120 Rohrleitungsanschluss, 142 Rohrleitungsinstallation, 299 Rohrreinigungsanlage, 121 Rohr-Rohrboden-Verbindung, 120 Role&Responsibility Plan, 215 Röntgenprüfung (Radiographic Test, RT), 253 Roots-Gebläse, 23 Rot-Eintragung, 286 Rotordynamik, 140, 191, 226 Routine-Test, 191, 270 Rückschlagklappe, 136 Rückwärtslauf, 136

Sachwortverzeichnis Rundlaufabweichung, 185, 261 Run-out, 185, 191 elektrischer, 261 kombinierter, 186 mechanischer, 261

S Safe Location, 116 Safety Integrity Level (SIL), 159 Einstufung, 235 SIL-Klassen, 159 Safety-Review-Meeting, 210 Salpetersäureanlage, 56 Sammelalarm, 323 Sandmantel, 122 Sanftanlauf, 124 SAT s. Site Acceptance Test Sattdampf, 50 Sauberkeit, 314 Sauerstoffbrand, 99 Saugdrosselregelung, 38, 40 Saugventilabhebung, 42 Schadenskraftstufe, 111 Schadensszenario, 48, 117 Schadraum, 41 Schalldämpfer, 122, 153, 299, 305 Schalldruckpegel, 152 Schallemission, 151 Schallleistungspegel, 152 Schallmessung, 324 Schallschutzhaube, 153, 306 Scheibenläufer, 139 Schleuderprobe, 184 Schleudertest, 261 Schlupf, 52 Schmierstoffe, 110, 150 Schnellschluss-Ventil, 164 Schnittstellen, 91, 243 Schnüffelgerät, 256 Schraubenverdichter, 29 öleingespritzter, 29 trocken wirkender, 30 Schrittkette, 232 Schrumpfverbindung, 139 Schutzummantelung, 304 Schwefelwasserstoff, 136 Schweißen, 181 Schweißnahtqualität, 122, 306

393 Schweiß-Verfahrensanweisung, 252 Schwinggeschwindigkeit, 162 Schwingungsanalyse, 168, 324, 337 Schwingungssonde, Justierung, 305 Schwungrad, 41, 141 Sealed Bid-Verfahren, 83, 196 Seal Gas Booster, 46 Seifenlösung, 183, 256 Servomotor, 58 Settle Out Pressure (SOP), 129 Sicherheit, funktionale, 155 Sicherheitsbetrachtung, 210, 233, 234 Sicherheitsdurchsprache, 156 Sicherheitsventil, 302 Sichtkontrolle, 333 SIL-Einstufung, 234 Simulationssoftware, 117 Single Lift, 144, 301 Single Point of Contact, 199, 238 Single Point of Failure, 158 Site Acceptance Test (SAT), 205, 327 Softstarter, 55 Software-Server, 200 Sollbruchstelle, 64 Spannungsfreiheit, 301 Sperrdampf, 43 Sperrgas, 42, 47 Anschluss, 43 Booster, 116 Heizung, 116 Versorgungssystem, 114 Sperrgassystem, 42 Berechnung, 228 Funktionstest, 271 Spülen, 310 Spezialarmaturen, 156 Spezialwerkzeug, 151, 292, 346 Spezifikation funktionale, 103 projektbezogene, 104 technische, 2, 91, 103 Spielekontrolle, 262 Spieletabelle, 262 Spool Piece, 119, 122 Spülen des Ölsystems, 310 des Sperrgassystems, 310 Spülgas, 47 Spülluft-System, 126

394 Spülstrom, 138 Spülvorgang primärer, 310 sekundärer, 310 Stahlguss, 259 Standard-Geräteliste, 104, 156 Standardisierung, 156 Stangenlast, 141 Start- und Betriebsmethode, 126 Statorwicklung, 125 Steckscheibe, 303, 322 Steuerölsystem, 111 Steuerschieber, 31 Stickstoffatmosphäre, 274 Stillstandsheizung, 126, 149 Stirnradgetriebe, 58 Stoffmodell, thermodynamisches, 131 Stolperbundlabyrinth, 43 Strangausrichtung, 298 Strangverantwortlichkeit, 5, 104, 199, 213 String-Test, 189 Stromerzeugung, 49 Strömungsmaschinengesetz, 38 Stromversorgung, unterbrechungsfreie, 112, 304 Stufenlabyrinth, 43 Stutzenbelastung, 224 zulässige, 247 Synchronmotor, 49, 54, 124

T Tagesprotokoll, 291 Tandemdichtung, 46 Taupunkt, 46, 132 TCO-Verfahren, 84, 85, 208 technisch akzeptabel, 208 technischer Einkauf, 196, 214 Teilfuge, 138 Teilfugenabdichtung, 138 Teilhub-Prüfung, 339 Teillastbetrieb, 35 Teillast-Wirkungsgrade, 38 Teilzahlung, 174 TEMA, 120 Termin, pönalisierter, 207 Terminal-Box, 126 Terminplanung, 200 Terminübersicht, 217

Sachwortverzeichnis Terminüberwachung, 86, 199, 219, 242 Test, hydrostatischer, 255 Testbericht, 268 Thermodynamik, 131 der Verdichtung, 131 von Dampfturbinen, 135 thermodynamische Kennwerte, 359 Tiefpunkt-Entleerung, 302 Tieftemperaturbereich, 137 Tischfundament, 145 Toleranzangabe, 262 Torsions-Eigenfrequenz, 245 Torsionsfeder, 66 Torsionskupplung, 66 Torsionsschwingung, 140 Torsionsschwingungsanalyse, 227, 245 Total Cost of Ownership s. TCO Totpunkt, 41 Totraum, 41 TRAC (Technische Regeln für Acetylenanlagen und Calciumcarbidlager), 99 transiente Daten, 336 Transport, 175, 206 Transportlager, 274 Transportweg, 275 Trendanalyse, 169, 336 Trocknung, 256 Trocknungsverfahren, 183 Tröpfchen, 132 Tropfenerosion, 50 TTV, 320 Turbine-Solo-Run, 312 Turboverdichter, 20, 24, 106 Turnaround, 340 Typ-Test, 125, 191, 270

U Überdrehzahl, 164, 266 Überdrehzahlschutz, 312 Überdrehzahltest, 191, 261 Überlagerungsgetriebe, 58 Überlastung, thermische, 125 Übersetzung, 201 Übersetzungsgetriebe, 58 Ultraschallprüfung, 180, 253 Umblasebetrieb, 319 Umblasen, 37 Umfangsgeschwindigkeit, 26, 27, 134, 139

Sachwortverzeichnis Umrechnungsverfahren, 267 Ungleichförmigkeit, 32 Ungleichförmigkeitsgrad, 41 Unrundheit, 270 Unterlagen und Dokumente, 201 Unwuchtschwingungen, 140 USV, 112, 304 Utilities, 67 UV-Licht, 264

V Vakuumbereich, 35 Vakuum-Zugbelastung, 124 VDI 2044, 189 2045, 132, 188, 356 3839, 338 Blatt 1, 167 Blatt 8, 168 VDI/VDE 2180, 159 VDMA-Einheitsblatt 4315, 155, 235 VECO-Drive, 59 Vendor Drawing and Data Requirements, 220 Ventilabschaltung, 41 Ventilationsverlust, 66 Ventilator, 22 Verbesserungsmaßnahmen, 349 Verbrennungsmotor, 49 Verdichterauslegung, 134 Verdichterbauarten, 20 Verdichterkennfeld, 107 Verdichtung ölfreie, 129 Thermodynamik, 131 Verdichtungsraum, 42 Verformung, bleibende, 261 Verfügbarkeit, 21, 67, 332 Verfügbarkeitsgarantie, 174 Vergussmasse, 222, 294 Vergussmörtel, 298 Verifikation, 244 Verpackung, 206 Versagen, 64 Verschaltungsvarianten, 50 Verschleißteil, 22, 149, 339 Verschmutzung, 46 Versorgungssystem, 231, 308 Versprödung, 137

395 Vertragsstrafe, 206, 207 Verzerrung, harmonische, 127 Verzögerungen, 242 Verzollung, 206 VGB-Standard R115, 342 Videokonferenz, 205 Viskositätsklasse, 111 visuelle Inspektion, 180, 348 Voltage Source Inverter, 127 Vorecon, 59 VSI s. Voltage Source Inverter

W Wareneingang, 293 Wärmebehandlung, 254 Wärmeisolierung, 302 Wärmeübertrager Rohre, 187 Ziehen der Rohrbündel, 143 Wartung und Inspektion, 22, 337 Wasserdruck, 255 Wasserdruckprüfung, 182, 187 Wasser-Einspritzsystem, 311 Wasserhaushaltsgesetz, 94 Wasserqualität, 190 Wellenabdichtung, 26, 28, 42 Wellenausrichtung, 300, 312 Wellendrehvorrichtung, 312 Wellendurchtritt, 42 Wellenschutzhülse, 44 Wellenschwingungsamplitude, 186 Wellenverlagerung, 64 Werksabnahme-Prüfung, 188 Werksbescheinigung 2.1, 179 Werkstattbesichtigung, 237 Werkstoffauswahl, 73, 136 Werkszeugnis 2.2, 179 Werkvertrag, 81 WHG s. Wasserhaushaltsgesetz Wiederinbetriebnahme, 350 Wieder-Zusammenbau, 349 Windungstemperatur, 165 Wirkungsgrad, 60 Wuchtbunker, 260 Wuchten bei Betriebsdrehzahl, 260 niedertouriges, 191, 259

396 Z Zahnkontakt, 186 Zeichnungsprüfung, 220, 242 Zentrifugalkraft, 139 Zerlegen und Reinigen, 347 Z-Schaltung, 105, 159, 348 Zudampf-Turbine, 50 Zugänglichkeit, 143, 172, 307 Zugangskontrolle, 306 Zusammenarbeit, 74 Zustandsänderung, 135 isentrop, 135

Sachwortverzeichnis polytrop, 131 Zustandsbericht, 171 Zustandsüberwachung, 146, 160, 167, 278, 334 Zustandsüberwachungssystem, 334 Zwei aus drei, 158 Zwischendruck, 42 Zwischenkühlung, 120, 132 Zwischenlabyrinth, 46 Zwischentemperatur, 42 Zwischenverrohrung, 105 Zyklonabscheider, 121 Zylinderkühlung, 132