Grundlagen der Anlagenplanung: Anstieg in den Anlagenbau mit zahlreichen Praxisbeispielen.

343 Pages·2018·10.177 MB·German

by  Topole, Klaus Gegor

Klaus Gregor Topole
Grundlagen der
Anlagenplanung
Einstieg in den Anlagenbau
mit zahlreichen Praxisbeispielen
Grundlagen der Anlagenplanung
Klaus Gregor Topole
Grundlagen der
Anlagenplanung
Einstieg in den Anlagenbau mit
zahlreichen Praxisbeispielen
KlausGregorTopole
BusinessUnitProcessTechnologies
ThyssenKruppIndustrialSolutionsAG
Dortmund,Deutschland
ISBN978-3-662-57417-1 ISBN978-3-662-57418-8(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-57418-8
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Vorwort
Der Anlagenbau, insbesondere der Großanlagenbau, stellt sowohl aus ingenieurtechni-
scherSichtalsauchausSichtderProjektleitungeineimmenseHerausforderungdar.
Zum Einen liegt die Herausforderung darin, dass in kaum einem anderen Feld ein
derart breites Know-How eingeht. Verschiedenste Ingenieurdisziplinen wie Bauinge-
nieure, Verfahrenstechniker, Ingenieure für Maschinen und Apparate, Ingenieure der
Elektrotechnik, der Instrumentierung, Rohrleitungsplaner, Informatiker, Profis für Hei-
zung/Klima/Lüftung,usw.planenundarbeitenhierHandinHand.
AußerIngenieurenwerdengeradeimGroßanlagenbaueineReiheweitererSpezialisten
ausangrenzendenBereichengebraucht:Kaufleute,Juristen,ProfisfürTerminplanungund
Steuerung und natürlich Menschen, die koordinierende Aufgaben in der Projektleitung
wahrnehmen.
ZumZweitenliegtdiegroßeHerausforderungimAnlagenbaudarin,dassimRegelfall
jede einzelneAnlage ein Unikat ist. Andersals beieiner Serienfertigung,wie beispiels-
weiseinderFahrzeugindustrieoderinderElektroindustrie,existierthierallgemeinnicht
dieMöglichkeit,einenPrototypenzubauen,diesenzuverbessern,danneineVorseriezu
produzieren,diesewiederzuverbessern,unddanachdasausgereifteProduktschließlichin
Serieherzustellen.EineAnlage,insbesondereeineGroßanlage,wirdaneinemspeziellen
OrtmitdenjeweiligenRandbedingungen,EinbindepunktenundspeziellenKundenanfor-
derungen nur ein einziges Mal in dieser exakten Form gebaut. Eine zweite, dritte oder
vierteChance,wie im traditionellen Maschinenbauoder der Elektroindustrieexistiert in
derRegelnicht.
Zum Dritten ist Anlagenbau, insbesondere Großanlagenbau, international. Anlagen
werdeninfastallenTeilen derWeltgebrauchtundgebaut.Hierexistieren jeweilsunter-
schiedlichste Herausforderungen und Randbedingungen in der Resourcenverfügbarkeit,
derSprache,dergesetzlichenRahmen,derspeziellenKlimabedingungen,usw.DieBand-
breitegehthiervoneinerkleinenMüllverbrennungsanlageimbayerischenWaldüberPVC
Anlagen in der Wüste Qatars, zu Eisenerzbehandlungen und Verladeanlagen auf einer
nordkanadischen Insel oberhalb des Polarkreises bis zu einer Ölförderplatform vor der
KüsteBrasiliens.
IndiesemBuchwerdendieGrundlagenderAnlagenplanungbeschrieben.Essolldem
LesereinbreitesundtragfähigesFundamentmitgegebenwerden.Eszieltdarauf,aufder
V
VI Vorwort
einenSeiteeinenGesamtüberblickzugeben,aufderanderenSeitesollenauchspezielle
Problemfälletieferbeleuchtetwerden.DieseArtderWissensbereitstellungreflektierteine
der heutigen Challenges im internationalen Projektingenierwesen: ein guter Ingenieur1
mussinderLagesein,sichauchineinneuesTeil-oderFachgebieteinzufinden,ermuss
rechtsund linksseines Metiers dieZusammenhängeundgegenseitigenBeeinflussungen
kennenund,zuguterLetzt,weiterhindenGesamtüberblickbehalten.
Besonders hohe Herausforderungen, gerade in Punkto Vielfalt, individuelle Randbe-
dingungen,KomplexitätundSicherheitliegenimChemieanlagenbau.AusdiesemGrund
werdenbesondersvieleAspekteamBeispieldesGroßanlagenbausinderchemischenIn-
dustriebeleuchtet.
1In diesem Buch wird der klaren Lesbarkeit und Verständlichkeit wegen und, um nicht vom ei-
gentlichen Inhalt abzuschweifen, auf eine sogenannte genderspezifische Schreibweise verzichtet.
Wir sprechen hier allgemein vom Hersteller, vom Anlagenbetreiber, vom Planer, vom Ingenieur,
vomPrüfer,usw.Esistvölligselbstverständlich,dassdamitsowohlweiblichewieauchmännliche
Personeneinbezogensind.
Inhaltsverzeichnis
1 BasisderAnlagenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Projekteingangsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ProjektablaufEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 BasicEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 FrontEndEngineeringDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 DetailEngineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Anlagenphilosophie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Anlagenstandorte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Greenfield-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Brownfield-Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Anlagenkategorisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 VerfahrenstechnischeBasisderAnlagenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 DieVerfahrenstechnikinderProjektorganisation . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Verantwortung und Grundlagen der Verfahrenstechnik
inderingenieurtechnischenPlanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Allgemeine Aufgaben der Verfahrenstechnik
inderAuftragsbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 SchnittstellenderVerfahrenstechnikzuLizenzgebern . . . . . . . . . . 14
2.5 AbstimmungmitLizenzgebern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 EntwicklungsprozesseinertechnischenAnlage . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 ProjektphasenderverfahrenstechnischenBearbeitung . . . . . . . . . . 19
2.7.1 ConceptualEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7.2 BasicEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7.3 UnterteilungdesBasicEngineeringinPhasen . . . . . . . . . 20
2.8 InternationaleBegriffeundAbkürzungeninderVerfahrenstechnik . . 20
2.9 Prozesssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.9.1 StatischeSimulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9.2 DynamischeSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
3 ConceptualEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 EinordnungindasGesamtprojekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 KonzeptionelleVerfahrensplanungbzw.Prozesssynthese . . . . . . . . 28
3.3 AuszuführendeArbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Auslegungsbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Verfahrensgarantien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 BasicEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Designbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2 Massen-undEnergiebilanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 VerbrauchszahlenfürRoh-,Hilfs-undBetriebsstoffe . . . . . . . . . . 36
4.4 ZusammenstellungdergasförmigenundflüssigenEmissionen . . . . . 37
4.5 Blockfließbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.6 Prozessfließbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7 Equipmentliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.8 ProzesstechnischeDatenblätterfüralleAusrüstungen . . . . . . . . . . 41
4.9 SpezifikationfürKatalysatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.10 Pipe-and-InstrumentDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.10.1 Inhalt,Form,ArbeitenderVerfahrenstechnikundStatus
vonPipe-and-InstrumentDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.10.2 InhalteeinesPipe-and-InstrumentDiagram . . . . . . . . . . 45
4.11 Verriegelungsbeschreibung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.12 GrundlagendesAnlagenbetriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.12.1 PrinzipielleBeschreibungdesAnlagenbetriebs . . . . . . . . 47
4.12.2 DetailliertesBetriebshandbuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.13 Analysenhandbuch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 DetailEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1 WeitereEntwicklungdesPipe-and-InstrumentDiagram . . . . . . . . . 49
5.2 NachrechnungdersicherheitstechnischenAusrüstung . . . . . . . . . . 50
5.3 3D-Anlagenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4 3D-ModelReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4.1 30-Prozent-ModelReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4.2 60-Prozent-ModelReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4.3 90-Prozent-ModelReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Prozesstechnische Begleitung des weiteren Engineerings
undderAbwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.6 Datenkonsolidierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.7 Procurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.8 Montageunterstützung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.9 AndereAktivitäten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Inhaltsverzeichnis IX
6 Inbetriebnahme,Commissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1 Inbetriebnahmeplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2 DurchführungderInbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 TrainingdesBetreiberpersonals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7 Anlagentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1 Prozessanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.1 Raffinerien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.1.2 PetrochemischeAnlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.1.3 AnlagenfürPolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1.4 AnorganischeChemieanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1.5 Biotechnologieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Nebenanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.1 Dampferzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.2 Wasseraufbereitungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.3 Demin-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.4 Kesselspeisewasseraufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.5 Luftzerlegungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.6 Drucklufterzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.7 Kühlwassersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.2.8 Tanklager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8 Aufstellungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.1 Plotplanbzw.Gesamtlageplan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.2 Aufstellungsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.3 Interfaces–Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.4 EntwicklungvonPlot-undAufstellungsplänen . . . . . . . . . . . . . . 80
8.5 Aufstellungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.5.1 Bodenaufstellung,Grade-MountedArrangement . . . . . . . 82
8.5.2 AufstellunginStrukturen,Structure-MountedArrangement 82
8.6 AufstellungvonEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.6.1 VerfahrenstechnischeAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . 84
8.6.2 SicherheitstechnischeAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . 84
8.6.3 KostenoptimierteRohrleitungsführung . . . . . . . . . . . . . 89
8.6.4 Betriebsanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.6.5 VorhandenesBaufeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.6.6 Ausrüstungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.6.7 Untergrundsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.6.8 KlimatischeBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.7 Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.7.1 GrundlagenvonProzessstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.7.2 StatischeAuslegungvonStrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 91
X Inhaltsverzeichnis
8.7.3 KleineProzessstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.7.4 MittlereProzessstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.7.5 GroßeProzessstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.7.6 Rohrbrückenbzw.Rohrtrassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.8 Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.8.1 Messwarte,ControlRoomBuilding . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.8.2 Schalthaus,Substation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.8.3 Büro-undVerwaltungsgebäude,AdministrationBuilding . 104
8.8.4 Wartungsgebäude,MaintenanceBuilding. . . . . . . . . . . . 104
8.8.5 Analysecontainerbzw.Analyseräume . . . . . . . . . . . . . . 104
8.8.6 Laborgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.8.7 Lagerhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.8.8 Feuerwehrwachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9 GrundlagenEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.1 AuslegungundAuswahlvonAusrüstungen . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.1.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.1.2 Auslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.1.3 Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.2 GrundlagenstatischerAusrüstungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
9.2.1 Behälter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
9.2.2 Kolonnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.2.3 Reaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.2.4 Wärmetauscher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.2.5 Dampfkessel,ProzessöfenundRaffinerieöfen . . . . . . . . . 120
9.2.6 Tanke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.7 Fackeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.3 GrundlagenArbeitsmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.3.1 Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.3.2 Verdrängermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.3.3 Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.3.4 Haltedruckhöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.3.5 Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3.6 Laufräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3.7 Verdrängerpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3.8 Kompressoren,Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.3.9 Hubkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.3.10 Schmier-undRegelölsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
9.4 Turbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.4.1 Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.4.2 AufstellungvonTurbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.5 GebläseundVentilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134