Kompressorregelung mit System Zuverlässige Erdgasversorgung mit leistungsfähigen Applikationsbaugruppen

Erdgas-Pipelines sind so etwas wie Adern der Zivilisation, die den Stoff, der uns wärmt und zunehmend auch unsere Fahrzeuge antreibt, aus meist sehr unwirtlichen Gegenden heranschaffen. Die Rohrleitungen führen oft Tausende Kilometer über Ländergrenzen und Kontinente hinweg und sind härtesten klimatischen Bedingungen ausgesetzt. Das macht neben dem Bau und der Instandhaltung auch die Betriebsführung zu einem sehr anspruchsvollen Unterfangen. So muss das Erdgas, um ausreichend hohe Durchfluss- bzw. Transportmengen zu gewährleisten, mit angemessenem Druck durch die Pipeline gefördert werden. Dieser jedoch nimmt beim Transport aufgrund der inneren Reibung der Moleküle im Gasstrom und aufgrund der äußeren Reibung des Gasstroms an den Rohrinnenwänden ab. Entlang der Pipelines, die aus dem Norden Sibiriens gen Westen, Süden und Osten führen, sind aus diesem Grund in Abständen von 100 bis 200km Kompressorstationen installiert, in denen jeweils mehrere Turboverdichter den Druckverlust ausgleichen. Druck, Durchflussmenge und Temperatur des Erdgases werden gemessen und in einem oder mehreren Durchläufen auf die spezifizierten Werte geregelt. Solide Grundlagen für höchste Zuverlässigkeit Da Ausfälle insbesondere in den weitab von der Zivilisation gelegenen Kompressorstationen extreme Folgekosten nach sich ziehen würden, stehen in jeder Station ein bis zwei Turboverdichter als Reserve bereit. Die Hilfsaggregate sind teilweise redundant automatisiert und hoch verfügbar ausgeführt. Wichtige Prozessparameter werden kontinuierlich überwacht und geregelt. Zu den weltgrößten Ausrüstern im Markt der Steuerungs- und Automatisierungssysteme für Gasturbinenkompressoren und Gaskraftwerke zählt die in Sankt Petersburg ansässige ZAO Systema-Service. Das seit zwölf Jahren eigenständige Unternehmen ist aus einem wissenschaftlichen Forschungsinstitut hervorgegangen. Es ist bereits seit über 30 Jahren in der Automatisierung derartiger Stationen aktiv. So verfügt das Systemhaus als Dienstleister auch über die nötigen wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für den dauerhaft zuverlässigen Betrieb der hoch komplexen Anlagen. Dies sind in vielen Fällen extremen Umgebungstemperaturen von bis zu -60 oder +50°C ausgesetzt. Mit der Siemens AG, die seit einigen Jahren an Systema-Service beteiligt ist, haben die Sankt-Petersburger einen namenhaften Partner, der seinerseits Gasturbinen produziert, wie sie für derartige Kompressorstationen benötigt werden. So lag es zwar nahe, im Rahmen der Innovationsrunde zum MSKU 5000 – der aktuell siebten Generation des Multiprozessor-basierten Steuerungs- und Betriebsführungssystems für die Stationen – neueste Automatisierungstechnik von Siemens einzusetzen. Zugleich aber betont Dr. Simon D. Altshul, Generaldirektor von Systema-Service, den leistungsorientierten Charakter der engen Zusammenarbeit: \“Unsere Systeme müssen höchste Anforderungen mit größtmöglicher Zuverlässigkeit erfüllen. Das setzt nicht nur effizienteste Automatisierungstechnologie voraus, sondern auch ein solides Verständnis für diese Herausforderungen. Wir haben bei Siemens immer ein offenes Ohr für unsere Anliegen und Ideen gefunden und fühlen uns sehr gut verstanden.\“ So basiert das MSKU 5000 im Kern auf standardisierte und in vielen Anwendungen in der Fertigungs- wie in der Prozessindustrie bewährte, durchgängige Automatisierungskomponenten. Herzstück der Gasturbinensteuerung ist ein Controller Simatic S7-400. Für einige Hilfsaggregate, wie Ölversorgung und Gasreinigung, kommen hoch verfügbare S7-400H zum Einsatz, mit je zwei eigenständigen, über Lichtwellenleiter gekoppelten Zentraleinheiten (CPU). Diese gleichen ihre Daten ständig untereinander ab. Falls die eine ausfallen sollte, übernimmt automatisch die andere deren Part. Schnell und zeitfolgerichtig Entscheidend für maximale Regelungsgeschwindigkeit und Regelgüte ist jedoch die Highend-Applikationsbaugruppe Simatic FM458-1 DP, deren Rechenleistung selbst die schnellste Simatic-CPU um mindestens das 10-fache übertrifft. Die Baugruppe verfügt über extrem schnelle Ein-/Ausgänge bzw. Analogkanäle mit Wandlungszeiten von 1µs. Damit lassen sich selbst bei einem umfangreichen Mengengerüst sehr schnelle Regelungszeiten sicherstellen, wie sie Systema-Service für die Druck- und Durchflussregelung beispielsweise mit 10ms spezifiziert. Die Applikationsbaugruppe wird in den Baugruppenträger der Simatic S7-400 eingebunden und entlastet die Hauptsteuerung von Rechen-, Zähl- und Messaufgaben. Zum Projektieren und Programmieren dient die komfortable Programmiersprache Continuous Function Chart (CFC), in der statt textbasierter Befehlseingaben Funktionen blockweise grafisch miteinander verschaltet werden. Für die zahlreichen Aufgaben der MSKU-Steuerungen hat Systema-Service eigene, in ANSI C erstellte Funktionsbausteine, erstellt, die den von Haus aus reichhaltigen Fundus von über 300 Stück gezielt ergänzen. Eine integrierte Diagnoseschnittstelle macht auch komplexe Regelungsstrukturen transparent und nachvollziehbar. Wo das Mengengerüst der Applikationsbaugruppe nicht ausreicht, erweitert man den Rahmen ganz einfach zentral und kostengünstig über Erweiterungsbaugruppen. So nutzt Systema-Service für zusätzliche schnelle E/A-Kanäle die EXM438-1 mit je 16/8 digitalen sowie 5/8 analogen Ein-/Ausgängen. Weitere im MSKU-System eingesetzte Standards aus dem Automatisierungsspektrum von Siemens sind u.a. dezentrale Peripheriebaugruppen Simatic ET200M und ET200S für die Anbindung von Feldgeräten sowie Industrial-Ethernet-Switches der Baureihe Scalance auf der Kommunikationsebene. Für Export-Systeme kommen auch die fehlersicheren CPU 300 mit Distributed Safety zum Einsatz. Damit nicht genug: Zur effizienten und transparenten Betriebsführung, einschließlich Erfassung, Aufbereitung, Visualisierung und Archivierung von Prozessdaten, setzt Systema-Service auf Simatic WinCC als Scada-Lösung für das den MSKU-Einheiten überlagerte Supervisory Control System (SCS). Dieses ist in einer verteilten Server/Client-Architektur mit teilweise zwei Prozessservern und zusätzlichem Archivserver konfiguriert, die ein komfortables Bedienen und Beobachten in der Leitwarte ermöglichen. Im perfekten Zusammenspiel mit der S7-400 gewährleistet das Scada-System außerdem ein sicheres Alarm Logging. Gefordert ist, dass beim Stopp einer Turbine bis zu 50 Parameter zur Analyse bereitstehen, die im 10ms-Raster ab 25min vor dem Ereignis bis fünf Minuten nach dem Herunterfahren aufgezeichnet wurden. Die Simatic-Steuerung ermöglicht dies mithilfe der Bausteine ALARM_8 und AR_SEND. Der eine sorgt für das zeitfolgerichtige Melden (Sequence of Events, SOE) der Alarme. Der andere dafür, dass Analogwerte alle 10ms erfasst, an das Scada-System gesendet und dort in Halbstunden-Archiven abgelegt werden. Langfristig gespeichert werden dann lediglich diejenigen Archive, die einen Turbinenstopp dokumentieren. Durchgängigkeit in vier maßgeschneiderten Varianten Neben der geforderten Leistungsfähigkeit hat die konsequente Simatic-Nutzung aber auch handfeste Gründe im Engineering: \“Die Durchgängigkeit bei der Projektierung ist im Fall der Automatisierungstechnik von Siemens am weitesten ausgeprägt\“, so Dr. Andrey V. Chernikov, Chefentwickler bei Systema-Service. \“Dies erleichtert die Handhabung und Integration gegenüber Systemen anderer Anbieter und spart uns wertvolle Zeit.\“ Das MSKU 5000 ist in vier Ausprägungen erhältlich, die bei Systema-Service wiederum wahlweise in große Container für den Außeneinsatz oder in herkömmliche Schaltschränke verbaut werden. Die vier Varianten bieten maßgeschneiderte und aufeinander abgestimmte Ausstattung für die Steuerung und Bedienung: – einzelner Kompressoren/Gasturbinen, – kompletter Kompressorstationen/-hallen, – einzelner Gasturbinen-Generatoreinheiten sowie – komplexer Gasturbinenkraftwerke. Hauptaufgabe der Kompressor-/Gasturbinensteuerung GCU ACS MSKU 5000-01 ist die Regelung des Drucks und der Durchflussmenge des abgehenden Gases mit einer Genauigkeit von ±0,5% bei einem Sollwert von rund 75bar. Der oben bereits genannte Regelungstakt von 10ms erfordert sehr dynamische Algorithmen und entsprechend leistungsfähige Hardware mit schnellen Ein- und Ausgaben, was letztlich entscheidend für den Einsatz der Baugruppe FM458-1 DP war. Weitere wichtige Funktionen der MSKU 5000-01 sind die Steuerung sämtlicher Systemkomponenten in allen Betriebsarten, die Brennstoffversorgung, die Druckstoßregelung (Anti-Surge), Sicherheits- und Schutzaufgaben (Notabschaltung) sowie der Datenaustausch mit dem überlagerten Scada-System. Aufgabenschwerpunkte des Systems CWS MSKU 5000-02 ist dagegen die Steuerung der umfangreichen Hilfsausrüstungen, von der Gasreinigung und Kühlung (nach dem Verdichten) über die Auf- und Vorbereitung des in der Turbine als Brennstoff verbrannten Gases bis hin zur ausgewogenen automatischen Verteilung der Belastung der einzelnen Kompressoren. Bei maximalem Durchsatz benötigt eine Gaspipeline eine Kompressorleistung von ca. 80MW, die lastabhängig beispielsweise auf mehrere 16MW-Kompressoren verteilt wird. Das Steuerungssystem GTPU ACS MSKU 5000-03 wiederum ist für den Einsatz an einzelnen Gasturbinen-Generatorblöcken konzipiert. Derartige Blöcke bilden oft kleinere, autarke Inselkraftwerke, sodass hier als eine der wesentlichen Aufgaben die exakte Frequenzsteuerung hinzukommt. Sämtliche für die Steuerung und Betriebsführung komplexerer Gasturbinenkraftwerke erforderliche Hard- und Software bündelt Systema-Service schließlich in der vierten Ausprägung, dem PS ACS MSKU 5000-04. Fruchtbare Zusammenarbeit auch für deutsche Verbraucher Den Ausschlag für Siemens als Zulieferer für das modulare MSKU-System gab schließlich ein Benchmark Rating bei keinem geringeren als Gazprom, dem größten Endkunden von Systema-Service. Dabei schnitt die Simatic-Technik am überzeugendsten ab. Hinzu kommt die lange Ersatzteil-Verfügbarkeitsgarantie. \“Die Gasindustrie stellt zunehmend höhere Anforderungen an die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit unserer Systeme\“, betont Kirill A. Vasilyev, Leiter für Geschäftsentwicklung bei Systema-Service. \“Um dem immer einen Schritt voraus zu bleiben, brauchen wir einen Partner, der gemeinsam mit uns sowohl signifikante Meilensteine verwirklicht als auch im Kleinen die richtigen Lösungen bietet.\“ So habe Siemens nicht zuletzt auf Anregung der Sankt-Petersburger hin die Anzahl der speicherbaren Variablen in WinCC User Archives mehr als versechsfacht, was allein die Flexibilität hinsichtlich Auswertung, Archivierung und Kommunikation auf der Leitebene deutlich verbessert habe. Mit der Umstellung auf die neueste Version 7 des Visualisierungssystems wurde die Anzahl der maximalen Alarme und Tag-Loggings nochmals erhöht. Ein weiteres Beispiel der fruchtbaren Zusammenarbeit war die Entwicklung einer speziell für die Anforderungen im russischen Markt und die landesspezifischen Normen (GOST) ausgelegten Simatic ET200M-Baugruppe. Diese ist für den Anschluss von Widerstandsthermometern und Thermoelementen. Einhelliges Fazit der russischen Seite: Mit hoch performanter, bewährt zuverlässiger Steuerungs- und Regelungstechnik von Siemens sind die MSKU-Systeme für Gaskompressoren und Gaskraftwerke ein signifikantes Stück effizienter und genauer geworden. Damit lässt sich bei wettbewerbsfähigen Kosten ein noch größerer Beitrag zu maximaler Versorgungsqualität und Versorgungssicherheit leisten. Davon werden in absehbarer Zeit auch Erdgaskunden in Deutschland noch unmittelbarer profitieren, wenn Systema-Service mit 30 bis 40 MSKU-5000-Systemen die geplante Ostsee-Pipeline \’Nord Stream\‘ automatisiert. Diese legt die Latte an die gesicherte Regelung der Parameter für den Gastransport nochmals ein ganzes Stück höher. Denn die vorgesehene, 1.220km lange Versorgungsader verläuft nahezu vollständig unter der Wasseroberfläche. Dadurch sind auf dem Transportweg keine regulierenden Eingriffe möglicht und es macht einen deutlich höheren Gaseingangsdruck von rund 250bar erforderlich. Kasten: Aus der Forschung zum Erfolg