Heavy Duty Rotating Equipment

Dieses Buch beschreibt die erforderlichen Aktivitäten zur Konzeption, Beschaffung und zum Betrieb von großen Maschinensträngen, die der Verdichtung oder Expansion von Prozessgasen in verfahrenstechnischen Produktionsanlagen sowie zu deren Antrieb dienen. Ihre Leistungsbedarfe liegen meist im Bereich zwischen 100 kW und 100 MW. Solche Maschinenstränge fallen unter den Begriff „Heavy Duty Rotating Equipment“, abgekürzt „HDRE“.Dieses Einführungskapitel beschreibt die Bedeutung von HDRE-Maschinensträngen innerhalb einer verfahrenstechnischen Anlage und gibt eine Übersicht über die Inhalte der einzelnen Buchkapitel. Wesentliche im Buch vorkommende Begriffe werden definiert.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die verschiedenen Phasen eines Projekts zur Errichtung einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage bis hin zu deren Betrieb: Studienphase, Konzeptphase, Entwurfsplanung, Ausführungsplanung, Beschaffung, Montage und Inbetriebnahme, Betrieb. Der „HDRE- Engineer“ als Fachingenieur in der Rolle als Maschinenplaner und -beschaffer füllt in allen Phasen wichtige Funktionen aus. Er vertritt dabei seine Rolle im Sinne des Eigentümers bzw. Betreibers der Produktionsanlage. Da HDRE-Maschinenstränge meist „Long Lead Equipment“ sind, ist deren Beschaffung meist zeit- und qualitätskritisch und muß detailliert geplant werden.

Der Leser erhält einen Überblick über den Baukasten der Elemente, die zur Entwicklung eines Maschinenkonzepts benötigt werden, einschliesslich ihrer wesentlichen technischen Details. Es wird auf die Spezifika und typischen Anwendungsbereiche von Verdichterbauarten eingegangen, ihr Betriebsverhalten und ihre Regelungsmethoden. Die typischerweise eingesetzten Wellenabdichtungskonzepte werden voneinander abgegrenzt. Antriebe für Verdichterstränge sind meist Asynchron- und Synchronmotoren sowie Kondensations- und Gegendruck-Dampfturbinen. Generatoren und Gasentspannungsturbinen werden ebenfalls betrachtet, wie auch Getriebe und Kupplungen als Komponenten der Kraftübertragung, z. B. Stirnrad-Übersetzungsgetriebe und Planetengetriebe. Die Möglichkeit der Drehzahlregelung über Überlagerungsgetriebe wird beschrieben. Als Kupplungen werden meist elastische Lamellen- oder Membrankupplungen eingesetzt, in manchen Fällen auch Bogenzahn- und Torsionskupplungen. In diese Projektphase fallen auch die Klärung der Verfügbarkeitsanforderungen und eine erste Kostenschätzung.

Wie findet man auf Basis eines erstellten Maschinenkonzepts den oder die geeigneten Maschinenlieferanten, die in die engere Wahl gezogen werden? Kosten für Investition und Betrieb sollen möglichst niedrig sein, bei gleichzeitig geringem Projektrisiko und hohen Qualitätsanforderungen. Eine große Rolle bei HDRE-Maschinensträngen spielt dabei der Erfahrungsschatz sowohl des Betreibers als auch des Herstellers. Dieses Kapitel gibt zunächst einen Überblick über Maschinenhersteller und beschreibt Sinn, Inhalt und Durchführung von Qualitäts-Audits. Weiterhin werden Überlegungen zur Kritikalität des Gesamtsystems aus verfahrenstechnischem Prozess, Komplexität des Maschinenstranges und den beteiligten Projektpartnern wie auch Referenzen der Hersteller angestellt.

In diesem Kapitel wird überlegt, wie ein sinnvolles Abwicklungs- und Beschaffungskonzept aussehen kann. Eine Festlegung erfolgt in der Regel während der Basic Engineering-Phase des Anlagenbauprojekts. Oft spielen Kosten und Personalressourcen bei der Auswahl eine große Rolle. Alle Abwicklungskonzepte von der Eigenabwicklung über die Zuhilfenahme von Engineering-Partnern bis hin zum „Lump Sum Turn Key“-Projekt über EPC-Kontraktoren haben Vor- und Nachteile, von denen einige beschrieben werden. Weiterhin werden wichtige Überlegungen zur Angebotsprüfung (z. B. Sealed Bid-Verfahren unter Beachtung der „Total Cost of Ownership“), zur Qualitätssicherung und zur Terminüberwachung angestellt, aus denen dann auch eine Aufgabenteilung zwischen den verschiedenen Projektpartnern festgelegt werden kann.

Dieses Kapitel beschreibt die Vorgehensweise zur technischen Spezifikation eines Maschinenstranges bzw. einer Maschineneinheit. Eine Ausarbeitung der technischen Spezifikation findet meist bereits während der Entwurfsplanung 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 der Leser Informationen über technische Details, die übergreifend über die verschiedenen Fachdisziplinen geklärt werden müssen, von der Bautechnik über die Prozessleittechnik bis zum technischen Einkauf. Ein spezieller Abschnitt widmet sich der Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung. Hierfür sind wegen ihres Termin- und Kosteneinflusses bereits in dieser Phase Klärungen erforderlich.

Der während der Angebotsphase ablaufende Prozess umfasst Angebotsanfragen, technische und kaufmännische Detaildurchsprachen und den Auswahlprozess des Maschinenlieferanten bis hin zur Fertigstellung der Bestellunterlagen. Dieses Kapitel geht auf die Inhalte der Anfrageunterlagen und der Angebote von Maschinenherstellern ein. Beschrieben werden auch Einzelheiten zum Abwicklungsprozess zwischen Käufer und Maschinenlieferant, u. a. Kommunikationswege, Terminplanung, Projekt-Meilensteine, mitzuliefernde Unterlagen, die Behandlung von Änderungen im Projektumfang, Garantien, Mängelbehandlung und Vertragsstrafen, Qualitätssicherung und Qualitätsüberwachung, Funktionstests, Transport und Verzollung. Mit diesen Klärungen führt dann ein umfassender Angebotsvergleich zur Endauswahl eines der Anbieter.

Das Kapitel beschreibt den ersten Teil der Abwicklungsphase mit einem ausgewählten Maschinenlieferanten. In dieser Phase, der Engineering-Phase des Lieferanten, plant dieser die technischen Einzelheiten der bestellten Maschineneinheit. Es wird detailliert 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 ausführliche Informationen zu den Inhalten wichtiger Besprechungs-Meilensteine wie Konstruktionsbesprechung, Sicherheitsbesprechung und „Pre Inspection Meeting“.

Dieses Kapitel beschreibt den zweiten Teil der Abwicklungsphase, während der die Fertigung einer Maschineneinheit tatsächlich erfolgt. Auch in dieser Phase werden wichtige Dokumente geprüft, revidiert und freigegeben. Der Fokus liegt auf Terminüberwachung, Qualitätssicherung, Fertigungskontrollen, Funktionstests und Probeläufen, bis hin zur Werks-Endkontrolle und dem Transport zur Baustelle. Da die Prüfabläufe und Fertigungskontrollen bereits im Pre-Inspection-Meeting festgelegt wurden, erfolgen nur noch kleinere Anpassungen. Bedeutsam in dieser Phase ist ebenfalls die Erstellung und Prüfung von Betriebs- und Instandhaltungsvorschriften sowie die Planung von Ersatzteilen. Auf die wichtigen Einzelheiten wird im Detail eingegangen, insbesondere auf Gussreparatur, Auswuchten, Einbautests, sowie den mechanischen und thermodynamischen Probelauf.

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“). Dieses Kapitel beschreibt qualitätssichernde Elemente auf der Baustelle wie regelmäßige Montagebesprechungen, ein Inspektions- und Testplan, sowie regelmäßig geführte Mängel- und Fragelisten. Die Darstellung beginnt mit Lieferung, Lagerung und Fundamentvorbereitung und geht weiter mit den Einzelschritten zur mechanischer Montage von HDRE-Maschinensträngen. 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 und der Maschinensteuerung. Funktionstests der abgekoppelten Antriebseinheiten wie MV-Motor oder Dampfturbine sollten abgeschlossen sein, bevor als einer der letzten Schritte die Montage der Kupplungen erfolgt.

Das Kapitel beschreibt die zur Erst-Inbetriebnahme einer Maschineneinheit erforderlichen Maßnahmen. Da diese Phase sehr stark von dem jeweiligen verfahrenstechnischen Prozess abhängig ist, in den sie eingebunden ist, können hier nur grundsätzliche Überlegungen dargestellt werden, die an die aktuelle Situation angepaßt werden müssen. Die Inbetriebnahmephase beginnt in der Regel nach Unterzeichnung eines Dokumentes zur Mechanischen Fertigstellung. Sie läßt sich aufteilen in die Kalt-Inbetriebnahme, während der die Betriebsbereitschaft für den Produktionsprozess hergestellt wird, ohne Nutzung von Prozessgas, und die Heiß-Inbetriebnahme, in der der Produktionsprozess unter Nutzung des Prozessgases begonnen wird und ggf. Garantieläufe anzeigen, dass die Maschineneinheit ihre Anforderungen im Produktionsprozess erfüllt. Damit erfolgt auch die Übergabe der Maschineneinheit an den Betreiber.

Dieses Kapitel beschreibt wichtige Aspekte aus der Betriebsphase einer Maschineneinheit. Entscheidend ist die Existenz einer individuellen Überwachungs-, Wartungs- und Instandhaltungsstrategie. Die vorhandenen Maschinen- und Zustandsüberwachungssysteme liefern kontinuierlich wichtige Daten zur Verfügbarkeit. Beschrieben werden weiterhin Maßnahmen, die regelmäßig im Sinne von Wartung und Inspektion durchgeführt werden müssen. Ein Abschnitt widmet sich spezifisch dem Thema der Maschinenrevision. Diese ist zeit- und arbeitsaufwändig und bedarf einer detaillierten Planung und eines guten Managements seitens des Instandhaltungsteams. Aufgrund von Engpass-Studien entstehen weiterhin oft Wünsche nach Kapazitätserweiterung und Optimierung der Maschinenstränge. Ein letzter Abschnitt beschreibt die Vorgehensweise und die planerischen und technischen Möglichkeiten hierfür.

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. In diesem Abschnitt wird detailliert auf die Thermodynamik des polytropen Verdichtungsprozesses eingegangen. Es wird eine Berechnungsmethodik beschrieben, die in einer Tabellenkalkulation realisiert werden kann. Neben den thermodynamischen Grundlagen und deren Kennwerten werden wichtige, einfach berechenbare Kennwerte für Turboverdichter ermittelt. Nach dieser Darstellung folgen Abkürzungsverzeichnis und Glossar.