Schaltschränke in Unterwasseranlagen überwachen Füllstandsensoren erobern die Tiefsee

Bei der Off-Shore-Exploration und -Förderung von Rohstoffen stößt die Industrie in Wassertiefen vor, die nur mit Hilfe mannloser Roboter erobert werden kann. Für die Unterwasserproduktion eingesetzte Geräte und Anlagen müssen entsprechend robust, zuverlässig und wartungsarm sein.

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Die Eroberung der Tiefsee auf der Suche nach neuen Rohstoffquellen schreitet unaufhaltsam fort. Zukünftig werden mannlose Unterwassergeräte Produktionsanlagen auf dem Meeresgrund aufbauen und ferngesteuert betreiben. Die größte Herausforderung dabei: Der Maschinenführer hat keinen direkten Zugang zu der in großer Tiefe arbeitenden Anlage am Meeresboden. Er muss die Produktionsstätte aus der Ferne steuern. Das stellt höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit der Unterwassertechnik.

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ISUP-Gemeinschaftsprojekt

Mit zunehmenden Wassertiefen und Entfernungen einer neuen Anlage zu bestehenden Produktionssysteme stoßen herkömmliche Lösungen an technische, logistische und wirtschaftliche Grenzen. Hier setzt das ISUP-Projekt an. Das Integrierte System zur Unterwasser-Produktion von Öl und Gas ist ein Gemeinschaftsprojekt der Unternehmen Joh. Heinr. Bornemann, IMPaC Offshore Engineering und Aker Wirth sowie des IPR - Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik an der Universität Karlsruhe und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. „Das Ziel unseres Projekts ist die Entwicklung innovativer und zukunftssicherer Komponenten und Teilbausysteme für den Aufbau und Betrieb von Unterwasser-Produktionsanlagen in schwer zugänglichem Wasser“, erklärt Willi Schmitz, ISUP-Projektleiter bei Aker Wirth. Die Minimalhürde für die geplante Produktionsstätte liegt bei einer Wassertiefe von 2000 m und einer Entfernung zur Landanlage von bis zu 100 km.

Multifunktionales Unterwasser-Arbeitsgerät

Für das gemeinschaftliche Forschungsprojekt entwickelte die Aker Wirth einen Installations- und Montagerahmen für den Meeresboden, der die Installations-, Wartungs- und Änderungsarbeiten unterstützt sowie ein ferngesteuertes und teilautonomes, multifunktionales Unterwasser-Arbeitsgerät für Aufbau, Betrieb und Rückbau der Anlage. Das Werkzeugsystem auf Basis eines Crawler-Fahrwerks soll künftig nicht nur den Meeresboden für den Bau der Unterwasseranlage vorbereiten, sondern auch die von einem Schiff in die Tiefe heruntergelassenen Anlagenkomponenten schnell, sicher und zielgenau zusammenzusetzen. „Möglich machen wird dies ein großer starker Manipulatorarm, der jede herkömmliche Work Class ROV (Remotely Operated underwater Vehicle = ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug) in den Schatten stellt“, erklärt Torsten Kleinen, Senior Engineer Forschung und Entwicklung bei Aker Wirth. Gesteuert wird das Gerät über eine elektrische „Nabelschnur“ entweder von einem Schiff oder von einer zentralen Landbasis aus.

Aker Wirth realisierte ein komplettes Untersee-Ethernet. Die gesamte dafür erforderliche Elektrotechnik für den Betrieb des Unterwassergeräts ist in einem druckbeständigen Stahlzylinder mit 600 mm Innendurchmesser und redundanten Mehrfachdichtungen untergebracht. Sensoren am Boden und in den Zwischenräumen der Dichtungen erkennen eindringendes Wasser. „Dadurch erhalten wir eine detaillierte Aussage über einen etwaigen Ausfall von Dichtungen“, erläutert Torsten Kleinen. Auch das Innere der PLC-Box wird mittels Sensoren überwacht. Dringt Wasser ein, können andere PLCs im Netzwerk ihre Funktion übernehmen.

Lichtleiter mit Füllstandskontrolle

Bei der Wahl der Sensoren entschied sich Aker Wirth für Füllstandssensoren des Schweizer Sensorikspezialisten Contrinex. Bei diesen Füllstandschaltern aus 1.4301-Edelstahl befindet sich am Ende eines zwei Meter langen Kunststofflichtleiters ein nur Millimeter großer Lichtleiterkopf mit einem Prisma aus kratzfestem, leicht zu reinigendem Glas. Die Optik ist vollständig vergossen, der Lichtleiter damit nach Schutzart IP68 dicht und hervorragend geeignet für den Einsatz in korrosiver Meerwasseratmosphäre.

„Das Funktionsprinzip optischer Füllstandssensoren beruht auf der Lichtbrechung an der Grenze zweier Medien mit unterschiedlichem Lichtbrechungsindex“, erklärt Norbert Matthes, Produktmanager in der deutschen Niederlassung von Contrinex. Eine externe Lichtquelle sendet einen permanenten Lichtstrahl Richtung Prisma. Befindet sich dieses in der Luft, wird der Lichtstrahl am Ende des Prismas reflektiert und zurück zum Empfänger geschickt. Kommt das Prisma mit Flüssigkeiten in Kontakt, ändert sich der Brechungsindex des Lichts. Der Strahl wird nicht reflektiert sondern in die Flüssigkeit abgelenkt. Das Steuergerät an der Quelle erkennt diese Unterbrechung. Damit folgt der Füllstandslichtleiter dem Funktionsprinzip einer Einweglichtschranke. Er reagiert bereits bei einer Wassersäule von drei Millimetern einwandfrei.

Für eine Füllstandskontrolle mit Lichtleiter, wie dies bei dem ISUP-Projekt der Fall ist, wird zusätzlich zum Lichtleiter ein Verstärker benötigt. Er sendet, verstärkt und empfängt das Lichtsignal und löst bei unterbrochenem Strahl einen Alarm aus oder schaltet eine angeschlossene Pumpe an. Aker Wirth hat sich für ein Gerät mit 12-Gang-Potentiometer und beleuchteter Skala entschieden. Da sich das Wasser unten in den horizontal liegenden zylindrischen Gehäusen und den Dichtungszwischenräumen sammelt, wurden die Sensoren im Unterwasser-Schaltschrank senkrecht verbaut. Zu dessen Schutz setzt Aker Wirth insgesamt drei Lichtleitersensoren vom Typ LFP-1010-020 ein, die um 120° versetzt auf dem Boden des Schaltschranks installiert sind, und entsprechend drei Steuergeräte der Serie 3060 mit Potentiometer.

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