Sicherer Betrieb von kryogenen Verdampfersystemen mit Tieftemperaturschutzsystem (TTS) nach EIGA-Richtlinie
Kryogene Gase wie flüssiger Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) oder Argon (Ar) sind essenziell für zahlreiche Industrieprozesse. Ihre Nutzung birgt jedoch erhebliche Risiken: Gelangen tiefkalte Medien unkontrolliert in nachgeschaltete Rohrleitungen und Apparate, kann es zum Sprödbruch kommen – einem plötzlichen, katastrophalen Materialversagen – sogar mit Lebensgefahr für Beschäftigte. Die Europäische Industriegase-Vereinigung (EIGA) hat mit dem Dokument IGC 133 klare Leitlinien für die Auslegung von Verdampfersystemen und den zugehörigen Tieftemperaturschutz formuliert. Ein EIGA-konformes TTSS ist daher ein zentrales Element für den sicheren Betrieb.
1. Das Risiko: Sprödbruch durch tiefe Temperaturen
Kohlenstoffstähle (einfache Eisen-Legierungen, auch C-Stahl oder Carbon-Stahl, bei der der Kohlenstoffanteil zwischen 1-2 % liegt, unlegierter Qualitätsstahl), verlieren bei Temperaturen unterhalb der duktil-spröden Übergangstemperatur (DBTT) ihre Zähigkeit. Bereits kleine Defekte oder Schweißnähte können dann zur Rissinitiierung (erste mikroskopische Risse, oft an Stellen erhöhter Spannung oder an vorhandenen Fehlstellen) führen, die sich explosionsartig fortsetzt. Mögliche Folgen:
- Freisetzung von Druck-Volumen-Energie mit Zerstörungskraft
- Herausschleudern von Bruchstücken
- Bildung kryogener Flüssigkeitswolken oder brennbarer Gasstrahlen
- Ausfall der Gasversorgung
Im Gegensatz dazu bleiben Edelstähle, Aluminium oder Kupfer auch bei tiefen Temperaturen duktil und sind daher für kritische Komponenten geeignet.
2. Ursachen tiefer Temperaturen im Luft-Verdampferbetrieb
Unfallanalysen zeigen vielfältige Szenarien:
- Überlastung bzw. Überfahren des Luftverdampfers (z. B. durch Spitzenlast oder ungeplante Zusatzentnahmen, ungewöhnlich kalte Außentemperaturen oder besondere Wetterphänomene), mit der Konsequenz Vereisung der/des Verdampfer/s
- Ausfall von Hilfsenergiequellen wie Strom, Dampf oder Heißwasser
- Fehlfunktion von Regelventilen oder Umschaltsystemen.
All diese Ereignisse können dazu führen, dass kaltes flüssiges Gas in das Rohrnetz gelangt.
3. Prinzipien für sicheres Anlagendesign
Ein Regelkonformes Tieftemperaturschutzsystem (TTSS) muss die Folgen solcher Szenarien beherrschen. Die EIGA definiert drei Grundprinzipien:
- Eigensicherheit Alle stromabwärts installierten Komponenten bestehen aus Werkstoffen, die tieftemperaturbeständig sind. Beispiel: Edelstahl. Vorteil: kein zusätzliches Schutzsystem erforderlich.
- Gefährdungsbeurteilung Wo keine vollständige Eigensicherheit vorliegt, sind Risikoanalyse und Schutzmaßnahmen zwingend. Faktoren: Verdampfertyp, Betriebsweise, Fluid, Wahrscheinlichkeit des Ausfalls.
- Zuverlässigkeit der Versorgung TTSS dürfen die Kundenversorgung nicht unnötig unterbrechen. Besonders in nicht unterbrechbaren Versorgungssystemen (z. B. medizinische Sauerstoffversorgung) sind redundante Systeme, Zwei-von-Drei-Logik bei Sensoren und parallele Verdampfer unabdingbar.
4. Aufbau eines Tieftemperaturschutzsystems (TTSS)
Ein typisches TTSS besteht aus:
- Temperatur-Messeinrichtungen am Verdampferausgang,
- Logikbaustein (Relais, SPS, SIL-klassifiziert),
- Abschalteinrichtungen (Absperrventile, Pumpenstopp, Not-Aus).
Ergänzende Maßnahmen:
- Drosselventile zur Durchflussbegrenzung,
- Alarme bei Ausfall von Hilfsenergiequellen,
- automatische Verdampferumschaltung bei Vereisung.
- Tieftemperaturschutzsystem mit Verdampferumschaltung.
5. Verbindung zu IEC 61511 und SIL
Moderne und besonders sichere TTSS werden nach IEC 61511 ausgelegt und erreichen ein Safety Integrity Level (SIL) in der Sicherheitsanforderungsstufe 1 oder SIL 2. Dies gewährleistet eine definierte Wahrscheinlichkeit des sicheren Ansprechens. LT GASETECHNIK realisiert solche Systeme seit 2024 in SIL-2-Ausführung, kombiniert mit automatischen Verdampfer-Umschaltsystemen – ein praxisbewährter Ansatz für hohe Betriebssicherheit und EIGA-Konformität.
6. Betrieb und Instandhaltung
Ein TTSS ist nur so zuverlässig wie sein Betriebskonzept:
- Regelmäßige Funktionsprüfung der Sensoren, Ventile und Logiksysteme,
- Monitoring des Verbrauchs und Anpassung bei Laständerungen,
- Schulung des Betriebspersonals für den Ernstfall,
- Klare Alarmreaktionspläne, falls TT-Alarme ausgelöst werden.
Fazit
Ein EIGA-konformes Tieftemperaturschutzsystem ist eine notwendige Sicherheitsbarriere gegen katastrophale Personen- und Anlagenschäden sowie Betriebsunterbrechungen. Für Betreiber bedeutet dies:
- Risikoanalyse
- Umsetzung eines TTSS (bei Bedarf mit SIL 1 oder SIL 2)
- kontinuierliche Prüfung und Schulung
Damit lassen sich sowohl Betriebs- als auch Versorgungssicherheit für industrielle Anwendungen mit kryogenen Medien gewährleisten.
Der Marktführer der Technischen Gaseindustrie sowie weitere europäische Gaserzeuger setzen bereits seit vielen Jahren auf EIGA-konforme TTSS-Lösungen von LT GASETECHNIK. Für Fragen oder Beratung stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung: mail@lt-gasetechnik.de