Bei Ölbohrungen und in Raffinerien ist aufgrund rauer Umgebungsbedingungen und gefährlicher Substanzen ein erhöhtes Maß an Sicherheit erforderlich. Messinstrumente, die hier zum Einsatz kommen, müssen besonders robust und explosionsgeschützt sein.

Wenn man sich die schrecklichen Bilder der Explosion der Deepwater Horizon und der Ölkatastrophe im Golf von Mexiko vor Augen hält, werden die Forderungen nach mehr Sicherheit und Umweltschutz wichtiger denn je. Beide Aspekte sind in der Öl- und Gasindustrie eng miteinander verbunden und verlangen nach einem effektiven Risikomanagement. Die Richtlinie IEC 61508 definiert grundlegende Sicherheitsbestimmungen, sowohl für den ordnungsgemäßen Systembetrieb als auch für die Vorhersehbarkeit eines Ausfalls. Um Risiken zu minimieren, müssen die eingesetzten Geräte je nach Anforderungen des Prozesses einem bestimmten Sicherheitslevel (SIL: Security Integrity Level) entsprechen. Auch sollten ältere Anlagen regelmäßig auf den neuesten Stand der Technik gebracht werden, etwa indem ältere Rohrleitungen durch ein neues Rohrsystem mit weniger Anschlussstücken ersetzt werden. Dadurch werden die Gefahr eines Mikrolecks und damit auch das Risiko einer Explosion reduziert.

Aufgrund des Rückgangs der globalen Ölreserven ist die Rohölförderung in den letzten Jahren gesunken: 2008 wurden weltweit noch ca. 75 Millionen Barrel Rohöl pro Tag gefördert, Ende 2010 waren es nur noch etwa 65 Mio. Barrel pro Tag. Dennoch steigt der weltweite Energiebedarf und der Ölverbrauch bleibt unvermindert hoch. Deshalb greift die Ölindustrie auch auf Schwerstöl und natürliches Bitumen (Erdpech) zurück, deren Förderung jedoch sehr schwierig ist und einen hohen Energie- und Wasserverbrauch mit sich bringt.

Baumer liefert seit vielen Jahren zuverlässige Messgeräte für die Mineralölindustrie und unterstützt durch Weiterentwicklungen führende Öl- und Gasproduzenten wie die französische Total-Gruppe bei der sicherheitsrelevanten Prozessoptimierung in den Förderwerken.

Messgeräte in der Ölindustrie

In der Mineralölindustrie kommen zahlreiche Messinstrumente zum Einsatz: mechanische Geräte wie Manometer, Thermometer und Druckmittler ebenso wie Füllstandsgeber und elektronische Druckmessumformer mit Membranabdichtung. Die Anforderungen an diese Messgeräte sind nicht nur in der Ölförderung selbst (Upstream-Produktion) sehr hoch, auch die Verarbeitung von Erdöl und Gas (Downstream-Raffinerie und -Vertrieb) verlangt genaue und zuverlässige Messinstrumente. Die Umgebungsbedingungen sind rau und geprägt von gefährlichen Substanzen, die unter hohem Druck gefördert und bei hohen Temperaturen raffiniert werden. Energiegewinnung und Umweltschutz miteinander in Einklang zu bringen, ist eine der größten Herausforderungen an die Mineralölindustrie.

Eine Voraussetzung dafür ist die Gewährleistung eines absolut störungsfreien Betriebs der Förderstätten, wofür exakte Messungen unverzichtbar sind. Zudem verlangt die Förderung von Schwerstöl und Bitumen neue Methoden und damit auch neue Materialien bei den eingesetzten Messgeräten für Druck, Temperatur und Füllstand.

Druckmessung bei Offshore-Bohrungen

Bei Offshore-Bohrungen steigen Druck und Temperatur, je tiefer sich das Erdölvorkommen befindet: In 1500 Metern Tiefe beträgt die Temperatur 4 °C und der Druck 150 bar. Bei wesentlich tiefer gelegenen Erdöllagerstätten (ab 5000 Metern) wie dem Elgin/Franklin-Feld in der Nordsee steigt der Druck bis auf 1100 bar und die Temperatur auf 190 °C. Zudem kann der Druck dort aufgrund der komplexen geologischen Schichten während der Bohrung stark variieren, von 650 bis 1100 bar. Deshalb muss während der Bohrung der Druck im Bohrloch ständig überwacht werden, um einen Blowout, das Ausbrechen des Bohrlochs, zu verhindern. Durch Einspritzen von Bohrspülungen wird das Bohrloch gestützt und der Druck von unten kompensiert. Zur Überwachung des sehr hohen Bohrspülungsinjektionsdrucks eignet sich das Manometer MFR6, ein speziell für Bohrschlamm ausgelegtes, äußerst robustes Druckmessgerät, das Druckbereiche von 0...60 bar bis 0...1000 bar messen kann.

Direkt über dem Bohrloch befindet sich eine Reihe von Absperrventilen, der sogenannte Blowout-Preventer (BOP), der eine zentrale Sicherheitseinrichtung darstellt. Für die Druckmessung am BOP werden häufig die Industriemanometer MEX8 und MEX5 eingesetzt, die für die extremen Bedingungen in der Ölindustrie entwickelt wurden und hohe Drücke bis 1600 bar messen können. Sie sind in einem Edelstahlgehäuse untergebracht und mit Messelementen aus Edelstahl 316L oder Monel erhältlich.

Während des Bohrens werden auch innerhalb des Bohrkopfes Druckmessumformer eingesetzt, um den Druck an der tiefsten Stelle der Bohrung zu messen. Da die Temperaturen bei sehr tiefen Lagerstätten sehr hoch sind - etwa 180 °C, was die obere Grenze für elektronische Messgeräte ist - hat Baumer gemeinsam mit dem Erdöl-Service-Unternehmen Baker Hughes einen speziellen Druckmessumformer entwickelt, der sich besonders durch seine Robustheit und sehr hohe Genauigkeit auch unter anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen auszeichnet.

Die meisten Substanzen, die in der Erdölförderung mit den Messinstrumenten in Kontakt kommen, wirken korrosiv. Deshalb müssen die eingesetzten Geräte aus korrosionsresistenten Materialien gefertigt sein. Druckmessgeräte haben meist eine Membran aus meerwasserbeständigem Monel oder Hastelloy. Für Prozesse, in denen höchst korrosiv wirkender Schwefelwasserstoff entsteht, bietet Baumer Manometer mit einem Phenolharzgehäuse an. Neben den aggressiven Medien sind Messgeräte jedoch auch vor hohen Temperaturen zu schützen. Hierfür eignen sich Druckmittler, die zugleich einen Schutz vor aggressiven oder gefährlichen Medien bieten.

Die Erdöl- und Gasproduktion besteht im Wesentlichen aus der Trennung von Wasser, Gas und Rohöl. Dies erfolgt in einem Separator, in dem die Bestandteile durch Schwerkraft bei einem Druck von 70 bar voneinander getrennt werden. Für die Durchflussmessung eignet sich hier der Differenzdruck-Messumformer EDD575, der einen Differenzdruckbereich von 100 mbar misst. Für die Messung des statischen Drucks von 70 bar bietet sich hier der explosionsgeschützte Druckmessumformer X913 an, der direkt auf den Düsenstock montiert wird.

Druckmittler für hohe Prozesstemperaturen

Bei der Gewinnung von Ölsand in Kanada muss das Bitumen mit Dampf erhitzt werden, damit sich seine Zähigkeit verringert und man es an die Oberfläche pumpen kann. Die Außentemperatur kann dabei bis -40 °C betragen, die Prozesstemperatur jedoch bis zu 400 °C, bei einem statischen Druck von 250 bar und einem Differenzdruck von 10 mbar. Für solche Anwendungen hat Baumer spezielle Prozess-Druckmittler für hohe Temperaturen entwickelt. Sie trennen das Medium vom Messgerät und übertragen den Druck über eine Trennmembran und eine Übertragungsflüssigkeit zum Messgerät.

Die Druckmittler der Baureihe D900 eignen sich für die Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckmessung an viskosen und korrodierenden Messstoffen bei Prozesstemperaturen von -40°C bis +400°C. Das Modell D902 wurde speziell für den Einsatz mit Ölsand für einen erhöhten Druckmessbereich bis 250 bar ausgelegt. Das Gehäuse ist aus geschmiedetem Edelstahl gefertigt. Je nach Ausführung besteht die Membran aus Edelstahl, Hastelloy, Uranus B6 oder Tantal. Für Anwendungen mit Schwefelwasserstoff ist optional eine Membranbeschichtung aus Gold erhältlich. Für Kälteanwendungen oder um die Auswirkungen von Umgebungstemperaturschwankungen zu vermeiden, sind auch isolierte Kapillarleitungen erhältlich. Flansche sind mit Überdruck-, Ablauf- und Belüftungsventilen ausgestattet.

Total -Raffinerie in der Normandie

Die französische Total -Gruppe betreibt in der Normandie die größte Raffinerie Frankreichs. Bei der atmosphärischen Destillation wird das Rohöl zunächst in unterschiedliche Fraktionen getrennt. Der Prozess erfordert ein Mehrfach-Thermoelement, um Temperaturen bis 850 °C messen zu können. Anschließend erfolgt die Vakuumdestillation, wodurch der Rückstand in weitere Produkte aufgespaltet wird. Der absolute Druck von 10 bis 40 mmHg wird mit Niederdruckmessumformern und die Temperatur von etwa 370 °C mithilfe von Thermoelement-Sensoren gemessen. Beim katalytischen Reforming wird durch die Erhöhung der Oktanzahl des Rohbenzins (Naphta) dieses in Benzin umgewandelt. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 550 °C, für deren Überwachung Total das Bimetall-Thermometer TBI einsetzt, das Temperaturen von -70°C bis 600°C messen kann.

Bei der Rückgewinnung von Schwefel steigt die Temperatur von 300 °C auf 1000 °C an, der Druck beträgt hier 3 bis 5 bar. Hierfür setzt TOTAL das MEP5-Sicherheitsmanometer mit einer Membranabdichtung aus Hastelloy in Verbindung mit einem Thermoelement für die Temperaturmessung ein, das speziell für solche extremen Bedingungen entwickelt wurde.

Der Destillat-Hydrocracker (DHC) wandelt höhermolekulare Kohlenwasserstofffraktionen in Produkte wie Ottokraftstoffe oder Dieselkraftstoffe um. Der Prozess wird unter Wasserstoffdruck von bis zu 200 bar und bei Temperaturen bis 480 °C durchgeführt. Der Druck am Wasserstoff-Kompressor wird mit dem Industriemanometer MEX5 gemessen. Zum Schutz des Messgeräts vor dem aggressiven Wasserstoff wird der Prozess-Druckmittler der D900-Serie mit einer goldbeschichteten Membran eingesetzt.

In einer großen Raffinerie wie der von Total in der Normandie sind etwa 10.000 Manometer und 9.000 Druckmessumformer im Einsatz. Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen müssen etwa 10 Prozent dieser Geräte jedes Jahr ersetzt werden. Das bedeutet, dass für die Instandhaltung der Anlage alle Messgeräte vorsorglich nach spätestens zehn Jahren ausgetauscht werden.