Gasverteilungssysteme

Einführung zu Gasverteilungssystemen

Was sind Gasverteilungssysteme?

Gasverteilungssysteme bestehen aus miteinander verbundenen, spezialisierten Komponenten (z. B. Druckregler, Schläuche, Rohrleitungen, Verschraubungen, Ventilblöcke und Ventile), die Gas von einer oder mehreren druckbeaufschlagten Quellen zu den jeweiligen Einsatzorten befördern.

Wo kommen sie zum Einsatz?

Gasverteilungssysteme werden in Anlagen eingesetzt, in denen regelmäßig erhebliche Mengen an industriellen Gasen verarbeitet werden. Zu den Anlagen, in denen häufig Gasverteilungssysteme zum Einsatz kommen, gehören unter anderem:

• Labore am Standort (z. B. für die Verifizierung von Proben)
• Industrielle Betriebe (z. B. Analysehäuser)
• Forschungseinrichtungen (z. B. kommerzielle Forschung und Entwicklung, staatliche oder universitäre Einrichtungen)
• Chemie- und Gasunternehmen (z. B. Erdölindustrie, Verpackungsindustrie)
• Medizinische Einrichtungen

Warum kommen sie zum Einsatz?

Gasverteilungssysteme bieten vor allem in den folgenden vier Kategorien deutliche Vorteile:

Wie werden sie verwendet?

Die Hauptfunktion von Gasverteilungssystemen liegt in der Bereitstellung von separaten Zugangspunkten für eine organisierte Gasversorgung. Zusätzlich dazu unterstützen Gasverteilungssysteme aber auch wichtige Betriebsfunktionen, darunter:

• Sichere Beförderung von reaktiven und korrosiven Gasen ohne Leckagegefahr
• Bereitstellung von Gasen mit einem bestimmten Druck und mit unterschiedlichen Durchflussraten
• Vermeidung unvorhergesehener Unterbrechungen in wichtigen Gasversorgungssystemen
• Handhabung teurer, hochreiner Gase ohne Verunreinigungen oder Verluste

Herausforderungen bei der Gasverteilung bestmöglich meistern

Alt- vs. Neusysteme

Im Hinblick auf die optimale Betriebsweise und Instandhaltung eines Gasverteilungssystems ist es hilfreich, bei der Auslegung unterschiedliche Herausforderungen miteinander zu vergleichen – z. B. ein Altsystem, das vor der Einstellung des aktuell für den Betrieb zuständigen Teams installiert wurde und das nun weiter betrieben werden soll, im Vergleich zu den Anforderungen eines neuen Systems. Trotz eventueller Gemeinsamkeiten müssen aufgrund der bestehenden Unterschiede die Prioritäten und Schwerpunkte im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit und Instandhaltung etwas verschoben werden.

Altsysteme

Die für den Betrieb und die Instandhaltung von Altsystemen verantwortlichen Ingenieure, Manager und Techniker sehen sich häufig mit Problemen konfrontiert, die sich auf den Ursprung und die Auslegung des Systems zurückführen lassen. In vielen Fällen wurde das System dem Kunden kostenfrei vom Gasanbieter zur Verfügung gestellt. Das mag zwar praktisch sein, doch diese Systeme sind oft nicht auf eine lange Lebensdauer ausgelegt und erfüllen die Anforderungen spezieller Anwendungen nicht. Herausforderungen können entstehen aufgrund von:

• Pauschallösungen
• Eingeschränkte Auswahl an Komponenten
• Verschleißanfälligkeit der bereitgestellten Verschraubungen bei wiederholter Wartung
• Materialauswahl zur Einhaltung der regulatorischen Mindestanforderungen sowie der Leistungsvorgaben
• Eingeschränkte Unterstützung bezüglich Problembehebung und Optimierung

Wenn keine genaue Dokumentation vorliegt, sehen sich Support- und Betriebsteams auch bei Altsystemen mit gut ausgearbeiteten Spezifikationen mit große Herausforderungen konfrontiert. Vor allem bei älteren Systemen lassen die Kennzeichnungen manchmal etwas zu wünschen übrig und die Bedienung ist weniger intuitiv als bei modernen Varianten. Ohne ein geeignetes Schema ist es mitunter schwer zu sagen, ob routinemäßige Instandhaltungs- oder Reparaturarbeiten nicht zu Schäden am System führen, die die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen oder sogar einen Totalausfall verursachen können.

Diese Probleme werden noch verstärkt, wenn die Systemfunktionen durch neue Komponenten erweitert werden – die häufig von einem anderen Anbieter als das Originalsystem stammen und deshalb über eine andere Auslegung verfügen. Im Zusammenspiel all dieser Faktoren stellt sich bei Ingenieuren und Managern das Gefühl ein, dass sie unüberwindbare Probleme einfach weitervererbt bekommen. In der Folge können sogar wichtige Aufgaben wie die Leckageerkennung oder Reparaturen etwas in den Hintergrund geraten, da die Unsicherheiten oder die erwarteten Kosten zu hoch sind.

Neusysteme

Nachdem wir uns den Herausforderungen mit dem Betrieb von Altsystemen gewidmet haben, wenden wir unseren Blick nun auf die Leistungsanforderungen bei der Auslegung von neuen Systemen. Ein umfassendes Verständnis bezüglich der Problembehebung in Altsystemen und der angemessenen Spezifikationen von Neusystemen ist die Grundvoraussetzung dafür, die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit in beiden Fällen zu optimieren.

In allen vier wichtigen Kategorien für Gasverteilungssysteme (Sicherheit, Einsparung von Ressourcen, Betriebszeit und Kosten) lassen sich besonders in den folgenden drei Bereichen Verbesserungen und damit eine höhere Leistung erzielen: themenspezifische Weiterbildung, Auswahl geeigneter Komponenten und professionelle Beratung.

Erhöhte Sicherheit

Ungeachtet der Entflammbarkeit und Brennbarkeit stellt jede Leckage aus einem Gasverteilungssystem ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar. Selbst bei inerten Gasen wie Stickstoff kann Erstickungsgefahr bestehen, da dieser den Sauerstoff aus der Atmosphäre verdrängen und somit geschlossene Räume in eine gefährliche Umgebung verwandeln kann. Giftige und reaktive Gase stellen eine noch größere Gefährdung dar, wenn es zu einer Leckage kommt.

Verschraubungen und Brandschutz

Sobald die drei für eine Verbrennung nötigen Faktoren (Brennstoff, Hitze und Sauerstoff, siehe Abbildung) zusammenkommen, stellt auch die Brandgefahr ein großes Problem dar. Auch wenn die Brandgefahr durch Beseitigung eine der drei Faktoren eingedämmt werden kann, muss sie bei der Gasverteilung stets im Hinterkopf behalten werden. So können beispielsweise unerkannte Wasserstoff- oder Sauerstoffleckagen an Verschraubungen zu einer gefährlichen Brandgefahr werden.

Schulungen zum Brandschutz und zur Bewusstseinsschaffung für Systemingenieure, Betriebsleiter und Bediener sollten so häufig wie möglich durchgeführt werden. Vorschriften und Best Practices hinsichtlich der gehandhabten Gase sollten immer genau geprüft und in Vorschriften und Richtlinien eingearbeitet werden. Zudem sollten regelmäßig Audits stattfinden, um die angemessene Handhabung von gefährlichen Stoffen sicherzustellen. Die zuständigen Systemingenieure sollten in der angemessenen Handhabung aller potenziell gefährlichen Gase geschult werden und in den Auslegungsdokumenten kennzeichnen, wo und warum Sicherheitsmaßnahmen in die Auslegung des Systems aufgenommen wurden.

Durch die Auswahl gut ausgelegter Verschraubungen, die weniger verschleißanfällig sind, kann die Leckagewahrscheinlichkeit merklich reduziert werden. Somit verringern sich auch die Risiken im Zusammenhang mit reaktiven und Edelgasen. Auch durch die Auswahl von Druckreglern mit der passenden Größe und aus geeigneten Werkstoffen können die Risiken im Überdruckfall gesenkt werden. Diese Komponenten spielen nicht nur bezüglich der Sicherheit und Gesundheit der Mitarbeiter eine große Rolle, sondern sie dienen außerdem zur Reduzierung potenzieller sekundärer Risiken, darunter behördliche Strafen und/oder negative Presse aufgrund von Systemausfällen. Die Auswahl geeigneter Komponenten wirkt sich zudem positiv auf die Leistung und Lebensdauer des Systems aus.

Um sämtliche Sicherheitsbelange umfassend anzugehen, sollten bei der Auslegung und Systemimplementierung Experten hinzugezogen werden, die sich mit den Risiken der Gasverteilung auskennen. Vor allem bei Altsystemen sollten Experten beteiligt sein, die eine umfassende Leckageerkennung durchführen, um mögliche Risiken zu identifizieren, zu kategorisieren und zu priorisieren.

Zeit- und Ressourceneinsparungen

Die präzise, vorhersehbare und zuverlässige Druckkontrolle durch ein gut ausgelegtes Gasverteilungssystem ist eine wichtige Voraussetzung, um eine effiziente Nutzung der Ressourcen in der Anlage sicherzustellen. Nicht aufeinander abgestimmte Druckkomponenten führen häufig zu ineffizienten Prozessen, einer erhöhten Notwendigkeit von Fehlerbehebungsmaßnahmen sowie negativen Auswirkungen auf Qualität oder Durchsatz.

Verhalten von Systemkomponenten

Für eine gut durchdachte Systemauslegung muss man wissen, wie die verschiedenen Druckregler funktionell miteinander interagieren, um den Druck in einem Gasverteilungssystem aufrechtzuerhalten. Gasverteilungssysteme werden zwar häufig nur als eine bloße Ansammlung von Ventilen, Leitungen und Gaszylindern wahrgenommen, sind allerdings in Wahrheit sehr viel komplexer. Daher kommt es oft zu dramatischen Missverständnissen. Ein Beispiel hierfür ist das Phänomen des Versorgungsdruckeffekts.

 

Wenn der Inhalt eines druckbeaufschlagten Gaszylinders in ein druckreguliertes Gasverteilungssystem eingespeist wird, fällt der Druck am Einlass ab. Die meisten gehen davon aus, dass dies auch am Systemauslass zu einem Druckabfall führen würde.

Allerdings ist beim Versorgungsdruckeffekt genau das Gegenteil der Fall. Fällt der Eingangsdruck infolge der Entleerung des Zylinders, steigt gleichzeitig der Ausgangsdruck. Dieses auf den ersten Blick widersprüchliche Ergebnis sorgt häufig für Verwunderung. Ohne genauere Kenntnisse dieses Phänomens kann es zu Unsicherheiten oder sogar zu der Annahme kommen, dass eine oder mehrere Systemkomponenten ausgefallen sind. Die Folge sind unnötige Fehlerbehebungsmaßnahmen und verlorene Zeit.

Um dem Versorgungsdruckeffekt entgegenzuwirken, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. So kann beispielsweise einfach der Ausgangsdruck manuell auf den gewünschten Druck zurückgestellt werden. Mit Ausnahme von selten genutzten Anwendungen ist diese Maßnahme jedoch sehr ineffizient und umständlich.

Eine Alternative zur manuellen Rücksetzung ist die Auswahl und Installation eines Druckreglers mit druckentlastetem Ventilkegel. Der Ausgleich des Ausgangsdrucks wird hierbei genutzt, um den Effekt des sinkenden Eingangsdrucks mithilfe einer speziell darauf ausgelegten Ventilkegelkonstruktion zu kompensieren.

Die andere Alternative besteht darin, einen zweiten Druckregler vorzusehen, der dem anderen Druckregler vor- oder nachgeschaltet wird. Die beiden Regler können allerdings auch in einem integrierten Gehäuse untergebracht werden. So kann der Druckregler stromaufwärts dem Versorgungsdruckeffekt entgegenwirken, indem er den Effekt des nachgeschalteten Druckreglers umkehrt. Diese Konfiguration wird auch als zweistufige Regelung bezeichnet.

Am Beispiel des Versorgungsdruckeffekts lässt sich leicht darstellen, warum das Wissen über die Funktion von Druckreglern so wichtig für die angemessene Auslegung eines Gasverteilungssystems ist. Ähnliche Überlegungen sind auch bei anderen Komponenten wie Vordruckreglern notwendig. Diese können die Funktion anderer Regler im System negativ beeinflussen oder gar aufheben, wenn sie falsch ins System integriert werden. Schulungsprogramme von Branchenführern können effektiv dazu beitragen, Ingenieure und Manager hinsichtlich solcher Überlegungen zu Funktion und Auslegung zu sensibilisieren.

Zusätzlich zum Verhalten von Druckreglern ist es auch wichtig, sich mit den Leistungsmerkmalen dieser Einheiten auszukennen. Diese Leistungsmerkmale werden in Form von Diagrammen dargestellt, die auch als Durchflusskurven bezeichnet werden.

Durchflusskurven

Druckregler kontrollieren den Druck. Ventile stromabwärts kontrollieren den Durchfluss, d. h. die volumetrische Gasmenge, die jede Sekunde durch den Druckregler fließt. Jeder Druckregler verfügt über eine entsprechende Durchflusskurve, die aufzeigt, wie effektiv der Druckregler den Ausgangsdruck (Y-Achse) bei Änderungen der Durchflussrate (X-Achse) aufrechterhalten kann. Veränderungen der Durchflussrate entstehen, wenn Ventile geöffnet bzw. geschlossen werden. Wie dem Diagramm entnommen werden kann, ist das Verhältnis zwischen Durchfluss und Ausgangsdruck umgekehrt proportional. Das bedeutet, dass der Ausgangsdruck bei steigender Durchflussrate sinkt und umgekehrt.

Bei genauerer Betrachtung der Kurve fällt auf, dass es einen breiten Bereich auf der X-Achse gibt, in dem Veränderungen des Durchflusses zu relativ geringen (bzw. abgeflachten) Veränderungen des Ausgangsdrucks führen. Dieser Bereich stellt den idealen Funktionsbereich des Druckreglers dar, also die Systembedingungen, unter denen der Regler den Ausgangsdruck am effizientesten kontrollieren kann. Das Gefälle in dieser Region wird auch als „Regeldifferenz“ bezeichnet, wobei eine gänzlich flache horizontale Linie das hypothetische, jedoch unrealistische Ideal darstellt.

Ebenso gibt es Bereiche an beiden Enden der Kurve, in denen selbst kleine Veränderungen der Durchflussrate zu drastischen Druckänderungen führen können. Der steil ansteigende Bereich auf der linken Seite der Kurve nennt sich "Absperrdruck) oder „Lockup“. Hier ist die Durchflussrate äußerst niedrig und das Ventil ist beinahe geschlossen. Der ansteigende Bereich auf der rechten Seite wird dagegen als „Durchflussbegrenzung“ bezeichnet. Hier ist die Durchflussrate sehr hoch und das Ventil stromabwärts nahezu vollständig bis vollständig geöffnet. Bei diesen Durchflussraten ist der Druckregler nicht in der Lage, den Druck zuverlässig zu kontrollieren.

Durch die Auswahl der geeigneten Durchflusskurve für einen gegebenen Einstelldruck (der Druck, bei dem der Druckregler aktiviert wird) und durch Anpassungen bei Temperatur, Eingangsdruck und der spezifischen Dichte des verwendeten Gases kann der Druckregler basierend auf den erwarteten Durchflussanforderungen so gewählt werden, dass er den gewünschten Druck zuverlässig aufrechterhalten kann.

Auswahl der Komponenten

Sobald Klarheit über die gewünschten Leistungsmerkmale herrscht (d. h. Durchfluss vs. Druck), lassen sich geeignete Druckregler für alle vier Gaspanel-Untersysteme finden, die in der Regel für die gute Funktion eines Gasverteilungssystems ausschlaggebend sind.

• Eingangsanschluss (source inlet)
• automatische Umschaltung (automatic changeover)
• primäre Gasdruckregelung (primary gas pressure control)
• Einsatzort (point-of-use)

Eingangsanschluss

Der Eingangsanschluss ist der Startpunkt des Systems, an dem Gase aus druckbeaufschlagten Quellen, häufig Gaszylindern, in das Gasverteilungssystem eingespeist werden. Die Gasverteilungssysteme können hierbei auch mit geeigneten Hilfskomponenten konfiguriert werden, z. B. Filter, Schläuche/Rohrleitungen etc. Die Größe der Systeme reicht dabei von einzelnen Panels bis hin zu größeren Verteilern, in denen mehrere Zylinder untergebracht sind.

Automatische Umschaltung

Das System zur automatischen Umschaltung ermöglicht einen reibungslosen Wechsel von einer Gasquelle zur nächsten und stellt somit eine ununterbrochene Versorgung sicher. Die Regelung erfolgt über eine Reihe gestaffelter Sollwerte und zwei Druckregler, sodass das System auch beim Wechsel der primären Gasquelle weiterbetrieben werden kann.

Primäre Gasdruckregelung

Die primäre Gasdruckregelung findet in der Mitte des Systems statt und sorgt für eine erste Druckminderung der druckbeaufschlagten Gase, die über den Eingangsanschluss eingespeist werden. Dies kann mithilfe ein- oder mehrstufiger Druckregler erfolgen, die den Gasdruck für die stromabwärts gelegenen Bereiche des Systems kontrollieren.

Panel am Einsatzort

Das Panel am Einsatzort stellt das Ende der Linie dar, den kritischen letzten Schritt, in dem das Gasverteilungssystem druckgeregeltes Gas in die Anwendung einspeist. Panels am Einsatzort verfügen mindestens über einen Druckregler, ein Manometer und ein Absperrventil, um den Druck genau an die Anforderungen der Anwendung anpassen zu können.

Durch professionelle Unterstützung von Experten auf dem Gebiet der Entwicklung von Gasverteilungssystemen kann ein besseres Verständnis über die Funktion von Druckreglern und eine bessere Wissensgrundlage für die Auswahl geschaffen werden. Wenn die Spezifikationen der Druckregelung von Beginn an gelingt, können Ressourcen wie Testmaterialien, Aufwände für die Auslegung und Arbeitsstunden eingespart und minimiert werden.

Professionelle Unterstützung empfiehlt sich auch bei der individuellen Anpassung bzw. bei der Auswahl spezifischer Komponenten. Eingangsanschlüsse, die druckbeaufschlagten oder gefährlichen Gasen (z. B. Sauerstoff) ausgesetzt sind, müssen beispielsweise mit speziellen Verbindungskomponenten ausgestattet werden, die häufig aus besonderen Werkstoffen bestehen.

Längere Betriebszeit

Ein sehr anschauliches Beispiel für die Vorteile von Gasverteilungssystemen ist die positive Auswirkung auf die Betriebszeit. Wenn bei der Systemauslegung qualitativ hochwertige Komponenten mit hoher Leistungsfähigkeit und geringem Instandhaltungsaufwand berücksichtigt werden, kann die Gasversorgung von kritischen Anwendungen wie Analysegeräte praktisch ohne ungeplante Unterbrechungen realisiert werden.

Schulungen zur Funktion von Druckreglern sorgen für ein intuitives Verständnis der Komponenten, um selbst bei einem Wechsel der Quellen eine konstante Gasversorgung sicherzustellen. Wenn Systemingenieure und Manager umfassend zu den Merkmalen der zahlreichen Komponenten geschult werden, hilft ihnen das bei der Auswahl von wartungsärmeren Bauteilen.

Umschaltungen (insbesondere automatische Umschaltungen) zählen zu den Komponenten, die erheblich zu einem unterbrechungsfreien Betrieb beitragen. Eine Umschaltung ist ein spezielles Einlasspanel, über das zwei Gasquellen an das Verteilungssystem angeschlossen werden können. Falls also ein Zylinder leer ist, wird automatisch auf den anderen umgeschaltet, sodass stets eine ununterbrochene Versorgung gewährleistet ist. Die automatische Umschaltung ermöglicht diesen Wechsel, ohne dass manuell eingegriffen werden muss.

Experten in der Auslegung und im Betrieb von Gasverteilungssystemen können Ihnen dabei helfen, negative Einflüsse auf die Betriebszeit zu ermitteln. Komponenten werden dabei in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die Betriebszeit identifiziert und klassifiziert. Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen und qualifizierten Experten in diesem Bereich können somit bereits in der Auslegungsphase Faktoren berücksichtigt werden, die sich positiv auf die Wartungshäufigkeit auswirken.

Geringere Kosten

Ein gut ausgelegtes Gasverteilungssystem kann dazu beitragen, Betriebskosten zu senken. Wie bereits erwähnt, können routinemäßige Instandhaltungsarbeiten und Inspektionen sowie die Notwendigkeit ungeplanter Wartungsarbeiten deutlich reduziert werden, wenn zuverlässige Komponenten aus anwendungskompatiblen Materialien zum Einsatz kommen. Auch der Einsatz angemessener Filtereinheiten im Zusammenspiel mit einer präzisen Druckkontrolle kann dazu beitragen, dass keine Verunreinigungen oder Abweichungen von den Prozessspezifikationen auftreten.

Mit dem richtigen Wissen können Manager und Systemingenieure kostenrelevante Faktoren im Zusammenhang mit dem Systembetrieb besser abwägen. Durch die angemessene Berücksichtigung von Faktoren wie Inline-Filtration und Materialwissenschaften und deren Auswirkungen auf die Systemleistung und die Produktqualität stromabwärts können ungeplante Ausgaben vermieden werden. Auch auslegungstechnische Entscheidungen – z. B. durch die Verwendung modularer Panels mit einer minimalen Anzahl an Gewindeverbindungen – können dazu beitragen, potenzielle Leckagestellen und damit Kostenfaktoren zu vermeiden. Umfassende Schulungen zum Thema Materialwissenschaften können ebenfalls dazu beitragen, eine geeignete Materialauswahl sicherzustellen und damit Kosten im Zusammenhang mit der Gasverteilung zu reduzieren.

Bei der Auswahl von Komponenten für Gasverteilungssysteme spielen Faktoren wie die Beständigkeit und Materialanforderungen eine entscheidende Rolle und müssen genau auf die erwarteten Leistungsmerkmale abgestimmt werden. Durchflusskurven verändern sich beispielsweise sehr zum Negativen, wenn ein Druckregler bei Eingangsdrücken verwendet wird, für die er nicht ausgelegt ist. Ebenso sollten bei der Handhabung bestimmter Gase nur Komponenten mit einer geeigneten chemischen Zusammensetzung zum Einsatz kommen, die den erwarteten Temperaturen und Drücken standhalten können.

Fazit

Gute Lösungen im Zusammenhang mit Gasverteilungssystemen sind immer auf die individuellen Anforderungen ausgelegt. Sowohl bei der Auslegung neuer Gasverteilungssysteme als auch der Aufrüstung von Altsystemen gilt es, die individuelle Infrastruktur und die betrieblichen Herausforderungen der Anwendung detailliert zu berücksichtigen.

Mit einem detaillierten Wissen über die unterschiedlichen Konfigurationen und Komponenten von Gasverteilungssystemen gelingt es Betreibern, die Sicherheit ihrer Anlagen zu erhöhen, Ressourcen einzusparen, die Betriebszeit zu verlängern und letztendlich auch Kosten zu reduzieren.

Selbst die hochwertigsten Komponenten allein reichen nicht aus, um ein leistungsstarkes und nachhaltiges System zu entwickeln. Hierfür müssen die Durchflussanforderungen sowie das Zusammenspiel von Eingangsanschlüssen, verschiedenen Druckreglern und Auslässen am Einsatzort berücksichtigt werden – und zwar am besten noch vor der Auslegung des Gasverteilungssystems.

Swagelok setzt sich dafür ein, dieses Wissen nicht nur innerhalb unserer erfahrenen Beraterteams zu teilen, sondern auch an unsere Kunden und in der gesamten Branche weiterzugeben.

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