Sicherheit modularer Prozessanlagen

Produktbeschreibung

Diese Arbeit untersucht, wie die Anlagensicherheit im Kontext von modularen Prozessanlagen realisiert und anlagenweite Sicherheitsbetrachtungen beschleunigt durchgeführt werden können. Dafür wird ein systematisches Vorgehen beschrieben, das in zwei Hauptstufen unterteilt ist.
In der ersten Stufe werden durch die Modulhersteller modulare Sicherheitsbetrachtungen mit einer modularen Hazard and Operability study (mHAZOP) für jedes Modul durchgeführt und als modulares Modell zur Verfügung gestellt. Die dafür fehlenden Informationen, insbesondere zu den potenziellen Gefährdungen durch die gelagerten, verarbeiteten und erzeugten Stoffe, werden über die Gefährdungsklassen des Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) abstrahiert.
In der zweiten Stufe findet beim Betreiber die Konkretisierung der modularen Modelle im Kontext der geplanten Anlage statt, worauf dann die anlagenweite Untersuchung der modularen Anlage aufbaut.
Es wird gezeigt, dass sich ontologiebasierte Unterstützungsverfahren zur Beschleunigung, Nachvollziehbarkeit, Wiederverwendung und zur Beherrschung der Komplexität anbieten.

Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Grundlagen 5
2.1 Modularisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Moduldefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Modulare Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Prozesse im Kontext der Modularisierung . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Anlagensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Gefährdungs- und Risikobeurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Expertensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Konzept der Schutzebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Sicherheit von Modulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Konzept 49
3.1 Vorarbeiten zu den Lebenszyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Lebenszyklus eines Moduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Das Standardmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3 Das Kernmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.4 Lebenszyklus einer modularen Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Anforderungsermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Vorgehensmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Modulare Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.1 Zusammenhänge beim Sicherheitsengineering . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.2 Methoden für modulare Sicherheitsbetrachtungen . . . . . . . . . . 59
3.4.3 Abstraktionen im modularen Sicherheitsengineering . . . . . . . . . 62
3.4.4 Sicherheitsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.5 Dokumentation modularer Sicherheitsbetrachtungen . . . . . . . . . 65
3.4.6 Modulare HAZOP-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Anlagenweite Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.1 Inhärente Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.2 Sicherheitsbetrachtungen im Anlagenengineering . . . . . . . . . . . 74

4 Validierung ….. 77
4.1 Fallbeispiel 1 . . . . . . . 77
4.1.1 Ethylacetatanlage – Modularisierungsvarianten . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Modulare HAZOP-Studien der Ethylacetatanlage . . . . . . . . . . 81
4.1.3 Abstraktionsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 Fallbeispiel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.1 Untersuchungsdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Vorbereitung der modularen HAZOP-Studien . . . . . . . . . . . . 85
4.2.3 Durchführung der modularen HAZOP-Studien . . . . . . . . . . . . 86
4.2.4 Vorbereitung der anlagenweiten HAZOP-Studie . . . . . . . . . . . 88
4.2.5 Durchführung der anlagenweiten HAZOP-Studie . . . . . . . . . . . 88
4.2.6 Ergebnis der anlagenweiten HAZOP-Studie . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Expertenworkshop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Diskussion der Ergebnisse 101
6 Zusammenfassung und Ausblick 105
A Ethylacetatanlage 117
A.1 R&I-Fließbild der klassischen Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2 R&I-Fließbilder der modularen Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.3 Modulare HAZOP-Studie des Moduls Vorlage . . . . . . . . . . . . . . . . 125
B Absorptions-Desorptionsanlage 127
B.1 P&IDs der klassischen Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
B.2 P&ID der modularen Anlage – Revision 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.3 P&ID der modularen Anlage – Revision 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
B.4 P&ID der modularen Anlage – Revision 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
B.4.1 Das Absorptionsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
B.4.2 Das Desorptionsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
B.5 Modulare HAZOP-Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B.5.1 Tabellen für die modularen HAZOP-Studien . . . . . . . . . . . . . 139
B.5.2 mHAZOP des Absorptionsmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B.5.3 mHAZOP des Desorptionsmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
B.6 Anlagenweite HAZOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B.6.1 HAZOP-Tabellen für die anlagenweite Studie . . . . . . . . . . . . 154
B.6.2 Gefährliche Stoffeigenschaften des Absorptionsmittels . . . . . . . . 154
B.6.3 Ergebnis der anlagenweiten HAZOP-Studie . . . . . . . . . . . . . . 158
C Hazard classes 165
D Geschichte der Anlagensicherheit 167
E Maschinenrichtlinie 169

Keywords: Sicherheit, Gefährdungs- und Risikobeurteilung, modulare Prozessanlagen, PAAG (HAZOP), FMEA, modulare HAZOP, anlagenweite HAZOP, Modul (PEA), Ontologie, Automatisierung, safety, risk assessment, modular process plants, HAZOP, FMEA, modular HAZOP, plant-wide HAZOP, Process Equipment Assembly (PEA), ontology, automation