DE60206405T2

DE60206405T2 - Überdruckschutzsystem

Info

Publication number: DE60206405T2
Application number: DE60206405T
Authority: DE
Inventors: Cornelis Theodorus KLAVER; Mark Pettitt
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: DE60206405D1; JP4344884B2; US20040261856A1; NO328992B1; EP1440267B1; WO2003038325A1; NO20042220L; EP1440267A1; KR100970848B1; KR20050042212A; JP2005530097A; US6880567B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Überdruck-Schutzsystem. Das Überdruck-Schutzsystem schützt eine Einrichtung zur Handhabung von Fluid bei niedrigem Druck, wie eine Pipeline oder eine Anlage, vor einem Überdruck. Ein Überdruck ist ein Druck, der den maximal zulässigen Betriebsdruck der Anlage zur Handhabung von Niederdruckfluiden überschreitet.
Die Anlage ist mit einer Hochdruckquelle durch eine Leitung verbunden. Um den Fluiddruck in der Anlage zu kontrollieren, ist ein Druckreduzierventil in der Leitung angeordnet. Um die Anlage vor Überdrücken zu schützen, wird ein Überdruck-Schutzsystem in der Leitung stromabwärts des Druckreduzierventils vorgesehen.
Das Überdruck-Schutzsystem schützt die Niederdruckanlage von Überdrücken, die durch ein Versagen des stromaufwärtigen Druckreduziersystems verursacht werden. Zusätzlich schützt es die Anlage vor Überdrücken, die aus dem Absperren der Fluidströmung in der stromabwärtigen Niederdruckanlage resultieren. Ein Versagen des Überdruck-Schutzsystems würde bewirken, daß der Druck der Niederdruckanlage gleich dem hohen Druck der stromaufwärtigen Fluidquelle werden würde.
Ein konventionelles Überdruck-Schutzsystem weist ein Absperrventil auf, welches schließt, wenn der Druck in den Niederdruck-Handhabungssystemen einen vorbestimmten Wert überschreitet, und ein mechanisches Ablaßventil, das öffnet, wenn der Druck in dem Niederdruck-Handhabungssystem einen vorbestimmten Wert überschreitet, um gegen Versagen des Absperrventils zu schützen. Ein Nachteil des konventionellen Überdruck-Schutzsystems ist, daß die Hochdruckquelle mit dem Niederdruck-Handhabungssystem verbunden bleibt, wenn das Absperrventil versagt und das mechanische Ablaßventil öffnet. Überdies hat die Anmelderin die Verläßlichkeit solcher Ablaßventile überprüft und festgestellt, daß die Anzahl von versagenden Ventilen pro Zeiteinheit mit mehr als 5 Versagen in 1.000 Jahren der Betriebslebensdauer beträchtlich war.
Ein Überdruckventil nach dem Stand der Technik mit einem Testsystem ist aus der GB 2062812 A bekannt. Es beschreibt ein Überdruckventil mit einem Drucksensor stromabwärts des Überdruckventils. Ein Bewegungswandler, eine Spannungs-/Beanspruchungs-Meßvorrichtung und ein Kolben zum Testen des Überdruckventils sind vorgesehen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Überdruck-Schutzsystem zu schaffen, das eine sehr niedrige Versagensrate hat.
Zu diesem Zweck weist das Überdruck-Schutzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung einen Leitungsabschnitt auf, der sich zwischen einem Druckreduzierventil und einem Niederdruck-Fluidhandhabungssystem erstreckt, ein Absperrventil, das mit einem in dem Leitungsabschnitt angeordneten Stellglied versehen ist, Drucksensoren, die zu beiden Seiten des Absperrventils in dem Leitungsabschnitt angeordnet sind, ein Sicherheitssteuersystem, das mit dem Stellglied und den Drucksensoren kommuniziert, die ein Signal erzeugen, wenn ein Hochdruck in dem Leitungsabschnitt festgestellt wird, und ein Selbstdiagnosesystem zum Überprüfen des Absperrventils und der Drucksensoren, das mit dem Stellglied, den Drucksensoren und dem Sicherheitssteuersystem kommuniziert, wobei das Selbstdiagnosesystem ein Signal erzeugt, wenn es ein Versagen entweder im Absperrventil oder in den Drucksensoren oder in beiden feststellt.
Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung beschrieben, die schematisch eine Leitung 1 zeigt, wobei die Leitung 1 einen ersten Leitungsabschnitt 1a aufweist, die sich von einer Hochdruckquelle 2 zu einem Druckreduzierventil 4 erstreckt, und einen zweiten Leitungsabschnitt 1b, der sich von dem Druckreduzierventil 4 zu einem Niederdruck-Fluidhandhabungssystem 6 erstreckt.
In dem zweiten Leitungsabschnitt 1b ist ein Absperrventil 8 vorgesehen, das mit einem Stellglied 9 versehen ist. Das Absperrventil 8 ist beispielsweise ein Kugelventil. Zusätzlich sind Drucksensoren 10 und 11 zu beiden Seiten des Absperrventils 8 in dem Leitungsabschnitt 1b angeordnet.
Das Überdruck-Schutzsystem weist ferner ein Sicherheitssteuersystem 15 auf, welches das Stellglied 9 über eine Leitung 20 beaufschlagt. Das Sicherheitssteuersystem 15 kommuniziert ferner mit den Sensoren 10 und 11 über Leitungen 25 und 27, die Sensorsignale an das Sicherheitssteuersystem 15 übertragen. Zweckmäßig sind die Leitungen 20, 25 und 27 solche, die elektrische Signale übertragen. Die Leitungen können aber auch hydraulische oder mechanische Signale übertragen oder sie können durch ein Kommunikationssystem auf der Basis von Radiosignalen ersetzt werden. Das Sicherheitssteuersystem 15 erzeugt ein Signal 28, wenn es einen Hochdruck in einem Leitungsabschnitt 1 feststellt.
Während des Normalbetriebes bewirkt das Sicherheitssteuersystem 15, daß das Absperrventil 8, das im Leitungsabschnitt 1b angeordnet ist, in der Offenstellung bleibt, solange die Drucksensoren 10 und 11 einen Druck aufnehmen, der unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Wenn einer der Drucksensoren 10 und 11 einen Druck fühlt, der den vorbestimmten Wert überschreitet, bewirkt das Sicherheitssteuersystem 15, daß das Stellglied das Absperrventil 8 schließt. Auf diese Weise wird die Niederdruckeinrichtung vor einem Überdruck geschützt. Zusätzlich wird ein Warnsignal an eine Bedienungsperson ausgegeben, und zweckmäßig wird dieses Warnsignal auch den Betrieb des Niederdruck-Fluidhandhabungssystems unterbrechen. Im Falle das Niederdruck-Fluidhandhabungssystem eine Pipeline ist, wird die Pipeline geschlossen, und im Falle das Niederdruck-Fluidhandhabungssystem eine Anlage ist, wird der Betrieb der Anlage unterbrochen.
Das Sicherheitssteuersystem 15 kann direkt das Stellglied 9 beaufschlagen, oder es kann eine gesonderte Energiequelle zur Beaufschlagung des Stellgliedes 9 instruieren.
Das Überdruck-Schutzsystem weist ferner ein Selbstdiagnosesystem 30 zum Überprüfen des Absperrventils 8 und der Drucksensoren 10 und 11 auf. Das Selbstdiagnosesystem 30 erzeugt ein Signal 31, wenn es ein Versagen entweder des Absperrventils 8 oder der Drucksensoren 10 und 11, oder sowohl des Absperrventils 8 als auch der Drucksensoren 10 und 11 feststellt. Das Signal 31 wird an die Bedienungsperson ausgegeben, und zweckmäßig wird dieses Signal 31 auch die Unterbrechung des Betriebes des Niederdruck-Fluidhandhabungssystems innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne bewirken. Im Falle das Niederdruck-Fluidhandhabungssystem eine Pipeline ist, wird die Pipeline geschlossen, und im Falle das Niederdruck-Fluidhandhabungssystem eine Anlage ist, wird der Betrieb der Anlage unterbrochen. Das Selbstdiagnosesystem 30 kommuniziert mit dem Sicherheitssteuersystem 15, mit dem Stellglied 9 und mit den Drucksensoren 10 und 11. Die Kommunikation mit dem Stellglied 9 und mit den Drucksensoren 10 und 11 erfolgt über die gleichen Leitungen wie das Sicherheitssteuersystem 15. Alternativ erfolgt diese Kommunikation über das Sicherheitssteuersystem 15. Im Falle eine Instruktion an das Stellglied über die Leitung 20 abgegeben wird, wird die Instruktion dem Befehl aus dem Sicherheitssteuersystem 15 hinzugefügt, derart, daß im Notfall der Befehl des Sicherheitssteuersystems 15 jeglichen Befehl des Selbstdiagnosesystems 30 überläuft. Die Information an dem Stellglied 9 zugeführter Energie und die Position des Ventilkörpers (nicht gezeigt) werden durch eine Sensorenkombination 32 ermittelt, die an das Stellglied über die Leitung 23a und an den Ventilschaft über die Leitung 32b angeschlossen ist. Die Information wird dem Selbstdiagnosesystem über die Leitung 33 zugeführt. Zweckmäßig ist die Leitung 33 eine Leitung, die elektrische Signale überträgt, jedoch kann die Leitung auch hydraulische oder mechanische Signale übertragen, oder sie kann durch ein Kommunikationssystem auf der Basis von Radiosignalen ersetzt werden.
Es versteht sich, daß ein unverläßliches Überdruck-Schutzsystem unerwünscht ist. Das Selbstdiagnosesystem 30 erzeugt ein Signal 31, wenn es ein Versagen entweder des Absperrventils 8 oder der Drucksensoren 10 und 11 oder beider feststellt. Um ein Versagen festzustellen, ist das Selbstdiagnosesystem 30 so programmiert, daß es sequentiell mehrere Tests ausführt. Das Selbstdiagnosesystem 30 erhöht die Verläßlichkeit des Überdruck-Schutzsystems beträchtlich.
Das Selbstdiagnosesystem 30 ist zweckmäßig so programmiert, daß es einen Test des Überdruck-Schutzsystems ausführt, wenn es erwünscht ist, die korrekte Arbeitsweise der Drucksensoren 10 und 11, des betätigten Absperrventils 8 und der Verbindungsleitungen zu überprüfen, die sich zwischen den Sensoren 10 und 11, dem Stellglied 9 und dem Sicherheitssteuersystem 15 erstrecken.
Der Systemtest umfaßt folgende Stufen: Verlagern des Ventilkörpers (nicht gezeigt) des Absperrventils 8, derart, daß ein Schließen des Absperrventils begonnen wird; Aufzeichnen der von den Drucksensoren 10 und 11 stromaufwärts und stromabwärts des Absperrventils 8 gemessenen Drücke; Stillsetzen der Verlagerung des Ventilkörpers, wenn die Druckdifferenz über das Absperrventil 8 größer als eine vorbestimmte Grenze ist, und der stromaufwärtige Druck größer als der stromabwärtige Druck ist; und dann erneutes Öffnen des Absperrventils 8.
In dem ersten Schritt dieses Tests bewirkt das Selbstdiagnosesystem 30 über die Leitung 20 eine Verlagerung des Betätigers 9, um eine Verlagerung des Ventilkörpers zu beginnen, um das Absperrventil 8 zu schließen. Wenn die Kette, die das Senden von Befehlen zum Schließen des Absperrventils 8, das Ausführen der Befehle und das Fühlen der Wirkung des Schließens des Absperrventils 8 ordnungsgemäß funktioniert, wird der stromabwärtige Sensor 10 beginnen, eine Druckerhöhung zu messen, die größer als der Druck ist, der stromabwärts von dem Drucksensor 11 gemessen wird. Die Drucksignale werden über die Leitungen 25 und 27 an das Selbstdiagnosesystem 30 gesandt. Wenn die Druckdifferenz über das Absperrventil 8 größer als die vorbestimmte Grenze ist, und der stromaufwärtige Druck, der von dem Sensor 10 gemessen wird, größer als der stromabwärtige Druck ist, der von dem Sensor 11 gemessen wird, befiehlt das Selbstdiagnosesystem 30, die Verlagerung des Ventilkörpers des Absperrventils 8 zu unterbrechen und das Absperrventil 8 wieder zu öffnen. Die vorbestimmte Grenze wird so gewählt, daß die Druckdifferenz über das Absperrventil 8 den Betrieb des Niederdruck-Fluidhandhabungssystem 6 nicht nachteilig beeinflußt. Im Falle keine Druckdifferenz gefühlt wird, wird ein Signal 31 gegeben, um anzuzeigen, daß die Teile der Kette fehlerhaft sind.
Während des Systemtests ermittelt das Selbstdiagnosesystem 30 die Verlagerung des Ventilkörpers und die dem Stellglied 9 zu geführte Energie, zeichnet diese auf und vergleicht sie mit der erwarteten Verlagerung und Energie. In diesem Schritt werden alle Funktionen des Absperrventils 8 und der Drucksensoren 10 und 11 stromaufwärts und stromabwärts des Ventils 8 überprüft.
Das Selbstdiagnosesystem 30 erzeugt ein Signal 31, das anzeigt, daß der Test entweder erfolgreich war, was bedeutet, daß die Verlagerung des Absperrventils und die dem Stellglied zugeführte Energie hinsichtlich den Erwartungen bestätigt wird, oder daß der Test nicht erfolgreich war, was anzeigt, daß die Verlagerung des Absperrventils und die Energie den Erwartungen nicht entsprochen haben. Zu diesem Zweck wird das Selbstdiagnosesystem 30 ferner so programmiert, daß es folgende Schritte ausführt: Beaufschlagen des Stellgliedes 9 zur Verlagerung des Ventilkörpers des Absperrventils 8; Vergleichen der Verlagerung des Ventilkörpers und der dem Stellglied 9 zugeführten Energie mit der erwarteten Verlagerung und Energie; und Abgabe eines Signals 31, wenn entweder die Verlagerung oder die Energie nicht den Erwartungen entsprechen. Das Selbstdiagnosesystem 30 bewirkt, daß das Stellglied 9 verlagert wird, um das Absperrventil 8 zu schließen, indem das Stellglied 9 mit Energie versorgt wird. Die dem Stellglied zugeführte Energie und die Position des Ventilkörpers werden von der Sensorkombination 32 aufgezeichnet, und diese Information wird dem Selbstdiagnosesystem 30 über die Leitung 33 zur Verfügung gestellt. Das Selbstdiagnosesystem gibt ein Signal 31 ab, wenn entweder die Verlagerung oder die Energie nicht den Erwartungen entsprechen. Dieser Test ist ein Ventiltest.
Es versteht sich, daß bei einer elektrischen Betätigung des Absperrventils 8 der Strom, der dem Stellglied zufließt, anstelle einer anderen Energie verwendet werden kann. Wenn das Stellglied durch ein Fluid, wie Luft, betätigt wird, wird der Druck dieses Fluids ausgenützt. Der Strom oder der Druck werden von der Sensorkombination 32 ermittelt und dem Selbstdiagnosesystem 30 über die Leitung 33 zugeführt.
Bei diesem Ventiltest kann eine Verlagerung des Ventilkörpers über einem Teil des Hubes des Ventilkörpers des Absperrventils 8 oder über dem vollen Hub des Ventilkörpers des Absperrventils 8 erfolgen.
Zusätzlich zu diesem periodischen Test des Überdruck-Schutzsystems werden die Drucksensoren 10 und 11 kontinuierlich von dem Selbstdiagnosesystem 30 überwacht, wenn sich das Absperrventil 8 in der Offenstellung befindet. Um diesen Sensortest auszuführen, ist das Selbstdiagnosesystem 30 ferner so programmiert, daß es folgende Schritte ausführt: kontinuierliches Messen der Drücke mit Hilfe der Drucksensoren 10 und 11; Berechnen der Druckdifferenz; und Abgabe eines Signals 31, wenn die Differenz größer als ein vorbestimmter Wert ist. Dieser Test wird zweckmäßig kontinuierlich solange ausgeführt, wie das Absperrventil 8 offen ist und ergibt eine Überprüfung der Drucksensoren 10 und 11. Die Signale der Drucksensoren 10 und 11 werden dem Selbstdiagnosesystem 30 über die Leitungen 25 bzw. 27 zugeführt. Die Druckdifferenz wird berechnet, und die Drucksensoren 10 und 11 arbeiten korrekt, wenn der Absolutwert der Druckdifferenz kleiner als eine vorbestimmte Grenze ist. Wenn dies aber nicht der Fall ist, wird ein Signal 31 abgegeben, um anzuzeigen, daß ein Versagen der Drucksensoren 10 oder 11 ermittelt wurde. Zusätzlich wird das Absperrventil 8 innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne geschlossen, sofern das Versagen nicht beseitigt wird, um die Niederdruckeinrichtung stillzusetzen. Es versteht sich, daß kleine Änderungen in der Strömung durch den Leitungsabschnitt 1 einen Druckabfall über das Absperrventil 8 bewirken und daß beim Definieren der vor bestimmten Grenze dieser Druckabfall berücksichtigt werden sollte.
Der Systemtest und der Ventiltest können nacheinander in einer Runde von Tests mit regelmäßigen Unterbrechungen zwischen den Testrunden ausgeführt werden, wobei der Sensortest kontinuierlich in dem Intervall zwischen zwei Testrunden erfolgt. Alternativ kann jeder Test in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, wobei die Zeit zwischen zwei Tests von jener der Tests differiert.
In der Figur ist ein Selbstdiagnosesystem 30 gezeigt, das Teil des Sicherheitssteuersystems 15 ist. Das Selbstdiagnosesystem kann jedoch auch von dem Sicherheitssteuersystem getrennt sein, vorausgesetzt, daß die Kommunikationsleitungen so verbunden sind, daß die vorstehend beschriebene Funktionsweise aufrechterhalten wird.
Bei dem unter Bezugnahme auf die Figur erörterten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Leitungsabschnitt 1 mit einem einzigen Absperrventil 8 versehen, das mit einem stromaufwärtigen Drucksensor 10 und einem stromabwärtigen Drucksensor 11 ausgestattet ist. Alternativ kann der Leitungsabschnitt 1 mit zwei oder mehr Absperrventilen in Reihe ausgestattet sein, von denen jedes einen stromaufwärtigen Drucksensor und einen stromabwärtigen Drucksensor hat. Im Falle zwei Drucksensoren zwischen benachbarten Absperrventilen vorgesehen sind, kann einer der Drucksensoren weggelassen werden, so daß der stromabwärtige Drucksensor des einen Absperrventils der stromaufwärtige Drucksensor des anderen Absperrventils ist. Die vorstehend beschriebenen Tests werden dann einzeln für zwei oder mehr Ventile ausgeführt. Die Absperrventile können ihr eigenes Selbstdiagnosesystem und ein gemeinsames Sicherheitssteuersystem oder ein Sicherheitssteuersystem für jedes Absperrventil haben. Alternativ können die Absperrventile ein Selbstdiagnosesystem haben, und ein Sicherheitssteuersystem arbeitet auf allen Absperrventilen.
Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Überdruck-Schutzsystem mit erhöhter Verläßlichkeit, so daß kein Bedarf für ein Druckablaßsystem besteht. Eine Konfiguration, bei welcher das Überdruck-Schutzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Absperrventile aufweist, kann eine Versagensrate von weniger als 1 mal in 50.000 Jahren Betriebslebensdauer des Überdruck-Schutzsystems aufweisen.

Claims

Überdruck-Schutzsystem mit einem Leitungsabschnitt (1), der sich zwischen einem Druckreduzierventil (4) und einem Niederdruck-Fluidhandhabungssystem (6) erstreckt, einem Absperrventil (8), das mit einem Stellglied (9) versehen und in dem Leitungsabschnitt (1) angeordnet ist, und Drucksensoren (10, 11), die zu beiden Seiten des Absperrventils (8) in dem Leitungsabschnitt (1) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch ein Sicherheitssteuersystem (15), das mit dem Stellglied (9) und den Drucksensoren (10, 11) kommuniziert und ein Signal (31) erzeugt, wenn es einen Hochdruck in dem Leitungsabschnitt (1) feststellt, und einem Selbstdiagnosesystem (30) zum Überprüfen des Absperrventils (8) und der Drucksensoren (10, 11), welches mit dem Stellglied (9), den Drucksensoren (10, 11) und dem Sicherheitssteuersystem (15) kommuniziert, wobei das Selbstdiagnosesystem (30) ein Signal (31) erzeugt, wenn es ein Versagen entweder des Absperrventils (4) oder der Drucksensoren (10, 11) oder beider feststellt.
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 1, bei welchem das Signal (31) ein Warnsignal an eine Bedienungsperson im Falle eines Versagens ist.
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 1, bei welchem das Signal (31) eine Unterbrechung des Betriebes des Niederdruck-Fluidhandhabungssystems (6) innerhalb einer vorbestimmten Zeit bewirkt.
Überdruck-Schutzsystem nach einem der Ansprüche 1–3, bei welchem das Selbstdiagnosesystem (30) so programmiert ist, daß es in der vollen Offenstellung des Absperrventils (8) folgende Schritte ausführt: kontinuierliches Messen der Drücke mit den Drucksensoren (10, 11); Berechnen der Druckdifferenz; und Abgabe eines Signals, wenn die Differenz größer als eine vorbestimmte Grenze ist.
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 4, bei welchem das Selbstdiagnosesystem (30) ferner so programmiert ist, daß es folgende Schritte ausführt: Verlagern des Ventilkörpers des Absperrventils (8), um das Schließen des Absperrventils (8) zu beginnen; Aufzeichnen der von den Drucksensoren (10, 11) stromaufwärts und stromabwärts des Absperrventils (8) gemessenen Drücke; Stillsetzen der Verlagerung des Ventilkörpers, wenn die Druckdifferenz über das Absperrventil (8) größer als eine vorbestimmte Grenze ist, und der stromaufwärtige Druck (10) größer als der stromabwärtige Druck (11) ist; und dann erneutes Öffnen des Absperrventils (8).
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem das Selbstdiagnosesystem (30) ferner so programmiert ist, daß es folgende Schritte ausführt: Beaufschlagen des Stellgliedes (9) zur Verlagerung des Ventilkörpers des Absperrventils (8); Vergleichen der Verlagerung des Ventilkörpers und der dem Stellglied (9) zugeführten Energie mit der erwarteten Verlagerung und Energie; und Abgabe eines Signals, wenn entweder die Verlagerung oder die Energie nicht wie erwartet sind.
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 6, bei welchem die Verlagerung des Ventilkörpers des Absperrventils (8) über einem Teil des Hubes des Ventilkörpers erfolgt.
Überdruck-Schutzsystem nach Anspruch 6, bei welchem die Verlagerung des Ventilkörpers des Absperrventils (8) über dem vollen Hub des Ventilkörpers erfolgt.