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Bei Tankmesssystemen für Behälter, in denen Flüssigerdgas (LNG) und flüssiges Propangas (LPG) gelagert werden, ist eine genaue und zuverlässige Füllstandsmessung entscheidend – nicht nur für die Bestandskontrolle und den eichpflichtigen Verkehr, sondern auch für die Überfüllsicherung. LNG und LPG sind gefährliche Brennstoffe, sodass die Überfüllung eines Lagertanks ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko darstellt. Daher ist ein Überfüllsicherungssystem (Overfill Prevention System/OPS) gemäß der globalen Norm für funktionale Sicherheit IEC 61511 erforderlich. Durch die Überwachung des Flüssiggasfüllstands können Leckagen frühzeitig erkannt, Produktverluste minimiert und eventuelle Sicherheitsvorfälle verhindert werden. Dies trägt auch zur Einhaltung von Umweltvorschriften bei.
Herausforderungen bei der Messung
LNG wird in Tieftemperaturtanks mit Sicherheitshülle und einem Fassungsvermögen von bis zu 200.000 m3 gelagert. Diese großen, komplexen Behälter erfordern Füllstandsmessungen über Entfernungen von mehr als 40 m – bei hoher Genauigkeit. LPG wird in Druckbehältern oder in gekühlten Tanks gelagert. Druck- und Temperaturschwankungen können zur Verdampfung führen, was die Genauigkeit der Füllstandsmessung beeinflusst. Der Dampfraum oben in Drucktanks erschwert die Messung zusätzlich. Für genaue Messwerte werden Geräte benötigt, die Dämpfe durchdringen können und den Dampfraum berücksichtigen. Schwankungen der LNG-Dichte und des Volumens aufgrund von Temperatur- und Druckänderungen bedeuten, dass Tankmesssysteme diese für zuverlässige Messungen kompensieren müssen. Zudem siedet Flüssiggas beim Befüllen, wodurch Verwirbelungen an der Oberfläche entstehen, die die Genauigkeit beeinträchtigen. Da die Tanks während des Betriebs geschlossen bleiben, sind die Zuverlässigkeit der Messgeräte und ein geringer Wartungsaufwand von entscheidender Bedeutung. Die gewählte Füllstandsmesstechnik muss auch mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten zurechtkommen.
Servo-Füllstandsmessgeräte
Die Servotechnologie wird traditionell zur Füllstandsmessung eingesetzt. Sie verwendet einen kleinen Verdränger/Schwimmer, der an einem Draht aufgehängt ist, um den Flüssigkeitsstand zu messen. Ein Servomotor positioniert den Verdränger in der Flüssigkeit und die Gewichtsveränderung (aufgrund des Auftriebs) wird gemessen, was einen Füllstandsmesswert ergibt. Servo-Füllstandsmessgeräte haben jedoch einige große Defizite. Ihre zahlreichen beweglichen Teile sind anfällig für mechanischen Verschleiß, sodass die mittlere Betriebsdauer zwischen aufeinanderfolgenden Ausfällen (Mean Time Between Failures/MTBF) nur bis zu fünf Jahre beträgt. Regelmäßige Wartung, Kalibrierung und Ersatzteile sind erforderlich. Auch die Genauigkeit leidet bei Dichteänderungen. Servomessgeräte können durch ein Kugelventil und eine Kammer isoliert werden; wenn jedoch der Verdränger nicht vollständig eingefahren ist, kann der Draht beim Schließen des Ventils reißen. Dadurch fallen Teile in den Tank und es besteht die Gefahr von Schäden an Pumpen oder Ventilen. Das Auswechseln des Verdrängers und die Neukalibrierung sind zeitaufwändig.
Berührungslose Radar-Füllstandsmessgeräte
Beim modernen Ansatz werden berührungslose Füllstandsmessgeräte mit Radartechnologie eingesetzt. Diese Geräte senden Mikrowellensignale an die Flüssigkeitsoberfläche, wobei eine präzise Messung durch Analyse der zum Messumformer zurück reflektierten Signale erfolgt. Die neuesten Radar-Füllstandsmessgeräte funktionieren in einem großen Bereich von Dielektrizitätskonstanten, einschließlich der niedrigen Werte von LNG und LPG.
Radarmessgeräte sind weitaus zuverlässiger als Servomessgeräte, wobei die MTBF für kritische Teile in Jahrzehnten gemessen wird. Da es keine beweglichen Teile gibt, ist der Wartungsaufwand gering. Viele funktionieren seit über 20 Jahren mit einer Verfügbarkeit von nahezu 100 Prozent, wodurch die Betriebskosten gesenkt und die Betriebszeit des Tanks maximiert werden. Bei seltenen Ausfällen bringt eine integrierte Diagnosefunktion das Gerät in einen sicheren Zustand. Die neuesten Messgeräte verwenden die frequenzmodulierte Dauerstrichradartechnologie (Frequency Modulated Continuous Wave/FMCW), die eine 30 Mal höhere Empfindlichkeit als Geräte mit Pulstechnologie bietet. Dies liefert eine hohe Signalstärke und verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
Spezielle Antennen, die für kryogene Bedingungen ausgelegt sind, sorgen für genaue Messwerte, auch wenn die Dielektrizitätskonstante niedrig ist. Diese Antennen bewältigen die Dynamik von Dampfräumen, einschließlich Druck- und Dichteänderungen, und sorgen für eine gleichbleibende Leistung. Verwirbelungen beim Befüllen und Entleeren können die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, Radarsignale in einem Beruhigungsrohr zu führen, wodurch robustere Echos erzeugt werden und die Messgenauigkeit weiter optimiert wird.
Das Radar-Füllstandsmessgerät Rosemount 5900S von Emerson bietet eine Genauigkeit von ± 0,5 mm und Messentfernungen von über 60 m. Es unterstützt die Überprüfung in Echtzeit durch den Vergleich der gemessenen Werte mit bekannten Entfernungen über einen Verifizierungspin im Beruhigungsrohr und einen Reflektor am Ende des Rohres.
Bedenken gegenüber Radar sind unbegründet
Trotz der eindeutigen Vorteile der Radartechnologie bleiben einige Unternehmen bei der Servotechnologie, da sie befürchten, dass die hohe Gasdichte im Dampfraum die Radarleistung beeinträchtigen könnte. Radarmessgeräte können jedoch die Auswirkungen der Dampfdichte kompensieren und haben sich in mehr als 10.000 LNG- und LPG-Tanks, auch auf Schiffen, bewährt. In den mehr als 40 Jahren, in denen Radarmessgeräte von Emerson im Einsatz sind, gab es keine Probleme mit der Zuverlässigkeit oder Sicherheit aufgrund von Dampf oder hoher Gasdichte.
Sicherheitsfunktionen
In Terminals, in denen große Mengen Flüssiggas gelagert werden, hat die Sicherheit oberste Priorität. In der Regel werden drei Füllstandsmessgeräte installiert: zwei für das Messsystem und eins für das Überfüllsicherungssystem (OPS). Im sicherheitsgerichteten System (SIS) sind die Eingänge von allen drei Geräten integriert und Alarme werden nach einem Zwei-von-Drei-Auswahlschema ausgelöst.
Es besteht der Irrglaube, dass das OPS eine andere Technologie als das Tankmesssystem verwenden muss – das heißt Radar plus Servo für die sogenannte „Diverse Separation“ (Trennung mit unterschiedlichen Technologien). Die Norm IEC 61511 erlaubt jedoch die sogenannte „Identical Separation“ (Trennung mit identischen Technologien), bei der beide Systeme auf derselben Technologie basieren dürfen. Beide Ansätze sind gültig, aber die Verwendung der weniger zuverlässigen Servomessgeräte kann die Sicherheit beeinträchtigen. „Diverse Separation“ führt auch zu mehr Komplexität und erhöht das Risiko menschlichen Versagens, da das Personal zwei verschiedene Technologien kennen und verwalten muss. Die Standardisierung auf ein Radargerät vereinfacht die Wartung, Schulung und Ersatzteilhaltung.
Wiederkehrende Prüfung aus der Ferne
Füllstandsmessgeräte in SIS-Anwendungen müssen regelmäßig einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen werden. Bisher mussten Feldtechniker auf Tanks steigen und sich mit dem Personal in der Leitwarte abstimmen, was ein Sicherheitsrisiko darstellte und viel Zeit in Anspruch nahm. Moderne Radarmessgeräte ermöglichen die wiederkehrende Prüfung aus der Leitwarte mit Hilfe einer Bestandsmanagement-Software. Ohne das Gerät zu entfernen oder Flüssigkeiten zu bewegen, simuliert das Bedienpersonal Überfüllungsbedingungen und folgt den Anweisungen der Software. Die Prüfung dauert weniger als fünf Minuten, was das Risiko des Auslaufens von Flüssigkeiten verringert und die Sicherheit und Effizienz des Personals erhöht. Obwohl Servomessgeräte ebenfalls aus der Ferne einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen werden können, ist der Prozess aufgrund der mechanischen Komponenten und der weniger fortschrittlichen Diagnose komplexer.
Fazit
Bei der Flüssiggasmessung bietet die berührungslose Radartechnologie große Vorteile gegenüber Servomesssystemen. Radarmessgeräte liefern genaue und zuverlässige Messungen bei minimalem Wartungsaufwand und langer Lebensdauer. Da in der Norm IEC 61511 nicht die Verwendung verschiedener Technologien vorgeschrieben ist, können Radarmessgeräte sowohl Mess- als auch OPS-Funktionen unterstützen – das erhöht die Sicherheit, reduziert Komplexität und senkt Kosten.
