VDI-Buch
Klaus H. Weber Engineering verfahrenstechnischer Anlagen Praxishandbuch mit Checklisten und Beispielen 2., vollständig bearbeitete und aktualisierte Auflage 2016
Klaus H. Weber Dresden, Deutschland VDI-Buch ISBN 978-3-662-52896-9 DOI 10.1007/978-3-662-52897-6 ISBN 978-3-662-52897-6 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg
Meinen lieben Eltern gewidmet
Vorwort zur 2. Auflage Die 2. Auflage ist eine vollständige Überarbeitung, Aktualisierung und wesentliche Erweiterung der vorherigen Auflage, ohne die bewährte Grundstruktur und den Anspruch einer praktischen Handlungsanleitung aufzugeben. Die neue Auflage ist gestalterisch analog und inhaltlich konform zur 4. Auflage meines Fachbuchs Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen ausgeführt. Ein Schwerpunkt ist die Darlegung und Beachtung aktueller Rechtsvorschriften und Normen im Engineeringprozess, wie u.a: die geänderten und harmonisierten EU-Richtlinien über Druckgeräte sowie über Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, die neue Betriebssicherheitsverordnung und die um den Brand- und Explosionsschutz erweiterte Gefahrstoffverordnung, die grundlegenden EU-Normen zur Vereinheitlichung der Rohrklassen (EN 13480), zur Konstruktion unbefeuerter Druckbehälter (EN 13445), zum Korrosionsschutz von Stahlbauten (EN ISO 12944) und zur Einbeziehung von Stahltragwerken in die europäischen Konformitätsbewertungsverfahren (EN 1090). Wesentlich erweitert wurden ferner die Ausführungen zum Explosionsschutz, zur Abgrenzung und Vertiefung von Risikobeurteilung und Gefährdungsbeurteilung sowie zur schutzrechtlichen Sicherung der Ergebnisse. Viele Hinweise von Fachkollegen, die mir insbesondere während meiner Referententätigkeit angetragen wurden, sind im Detail berücksichtigt. Ein wesentliches Anliegen der 2. Auflage war es, die Aussagen durch noch mehr Beispiele und Bilder aus der Praxis zu belegen und deren Umsetzung durch zusätzliche Workflows, Checklisten und Dokumentenbeispiele zu unterstützen. Insgesamt wurde die Anzahl an Abbildungen, Tabellen und Beispielen um ca. 30 Prozent erhöht. Die Zahl farbiger Abbildungen wurde nahezu verdoppelt. Allen Fachkollegen, die ich vor Ort bzw. auf Fortbildungsseminaren kennenlernen konnte, möchte ich für die anregenden Gespräche und Hinweise danken. Besonderer Dank gilt meiner Ehefrau, Dipl.-Ing. Brigitte Weber für die Gestaltung zahlreicher Abbildungen und für die Durchsicht des Manuskripts sowie meiner Tochter, Frau Dipl.-Ing. Sonja Hüttich für die Unterstützung bei der Vertiefung der Schutzrechtsthematik. Beim Springer-Verlag bedanke ich mich für die angenehme Zusammenarbeit. Dresden, April 2016 Klaus H. Weber
Vorwort Das Engineering beinhaltet die ganzheitliche technische Planung einer Anlage. Die gesamten Engineeringkosten machen bei Anlageninvestitionen ca. 15 bis 30 Prozent der Investitionskosten aus. Dabei liefert das Engineering die Basis, um die Investitionsentscheidung begründet herbeizuführen sowie die Anlage wirtschaftlich und zielgerecht zu errichten, in Betrieb zu nehmen und zu betreiben. Das Engineering beeinflusst somit erheblich die Gesamtkosten des Projektes und die Wirtschaftlichkeit des späteren Betriebs. Während des Engineering sind i. Allg. aus einer Vielzahl möglicher Varianten die besten Lösungen auszuwählen und detailliert auszugestalten. Dafür ist ein effizientes Verständnis und Zusammenwirken der einzelnen Fachdisziplinen notwendig. Im Ergebnis sind zahlreiche, verschiedenartige Dokumente zu erarbeiten und zu pflegen. Für das Engineering sind gleichermaßen ein fundiertes Fachwissen und Erfahrungen notwendig. Das vorliegende Buch strukturiert den gesamten Engineeringprozess anhand eines Phasenmodells für die Anlagen-Projektabwicklung in die 6 Phasen: Projektvorbereitung und Grundlagenermittlung, Vorplanung (Pre-Engineering), Entwurfsplanung (Basic Engineering), Genehmigungsplanung (Planning for permission), Kostenermittlung (Cost Calculation), Ausführungsplanung (Detail Engineering). Für jede Phase werden die ingenieurtechnischen Einzelaufgaben der unterschiedlichen Fachdisziplinen systematisch dargelegt und die Schnittstellen und Prozeduren betrachtet. Anhand zahlreicher Praxisbeispiele, Bilder und Checklisten werden die Aussagen veranschaulicht. In einem einführenden Kapitel werden die grundlegenden Managementaspekte abgehandelt, die beim Engineering zu beachten sind. Wesentliche Aussagen zu Rechtsvorschriften und zu möglichen Vertragsmodellen sind im 2. Kapitel angeführt. Ein weiterer Schwerpunkt ist die umfassende Beachtung von Gesundheit- Sicherheit-Umwelt während des Engineering. Das vorliegende Buch ist ein Praxishandbuch analog meinen Fachbüchern zur Inbetriebnahme und Dokumentation verfahrenstechnischer Anlagen. Es bündelt das Wissen und die Erfahrungen, die ich auf diesem Fachgebiet in über 40 Berufsjahren und in zahlreichen, verschiedenartigen Anlagenprojekten im In- und Ausland sammeln konnte.
X Vorwort Das Buch ist für die Führungs- und Fachkräfte der unterschiedlichsten Fachdisziplinen bzw. Unternehmen als Handlungsanleitung und Nachschlagewerk gedacht. Zugleich soll es das Bemühen von Fachkollegen unterstützen, den eigenen fachlichen Horizont zu erweitern. Für den Auszubildenden ist es ein Leitfaden. Ein Glossar mit ca. 130 Begriffsdefinitionen sowie viele weitere Begriffsdefinitionen im Text sollen zu einem verbesserten Verständnis zwischen den Fachleuten beitragen sowie Kommunikations- und Schnittstellenprobleme verringern. Insgesamt sind im Buch 136 Abbildungen, inkl. Ablaufschemata und 88 Tabellen, inkl. Checklisten enthalten. Das Manuskript dieses Buches ist aus den Vorträgen meines Seminars Engineering verfahrenstechnischer Anlagen entstanden. Für die zahlreichen Anregungen sei den Fachkollegen gedankt. Besonderer Dank gilt meiner Ehefrau, Dipl.-Ing. Brigitte Weber für die kritische aber konstruktive Unterstützung sowie für die Gestaltung zahlreicher Abbildungen. Bei Herrn Reinhard Jarry bedanke ich mich für die Unterstützung bei der Durchsicht des Manuskripts. Dem Springer-Verlag sei für die angenehme Zusammenarbeit gedankt. Dresden, April 2014 Klaus H. Weber
Inhalt 1 Phasenmodell der Anlagen-Projektabwicklung... 1 1.1 Begriffsdefinitionen... 1 1.2 Struktur, Aufgaben und Schnittstellen des Phasenmodells... 3 1.3 Front-End-Loading bzw. Front-End-Engineering... 12 1.4 Grundzüge der Projektorganisation und -abwicklung... 14 1.4.1 Projektziele und Projektorganisation... 15 1.4.2 Erfahrungen aus Projektabwicklungen... 19 1.4.3 Ausführungen zu Verantwortung und Befugnisse sowie Pflichten und Zuständigkeiten... 23 1.4.3.1 Verantwortung und Befugnisse... 23 1.4.3.2 Pflichten und Zuständigkeiten... 25 1.4.3.3 Übertragung von Pflichten und Verantwortung... 25 1.4.4 Umsetzen der Festlegungen im Projekt... 30 1.5 Konsequenzen bei pflichtwidrigen Verhalten... 33 1.5.1 Schaden durch fahrlässiges bzw. vorsätzliches Handeln... 33 1.5.2 Mögliche Konsequenzen bei Pflichtverletzungen... 37 1.6 Planung der Engineeringarbeiten... 41 1.6.1 Zuordnung zum Phasenmodell... 41 1.6.2 Strukturieren des Planungsumfangs und der Fachdisziplinen.. 42 1.6.3 Durchführen der Detailplanung... 43 1.7 Beachtung der Sicherheit bei der Projektabwicklung... 47 1.7.1 Grundsätze und Begriffsdefinitionen... 47 1.7.2 Strukturieren der Sicherheitsarbeit im Projekt... 50 1.8 Vorbemerkungen zur Dokumentation... 53 1.8.1 Lebenszyklus und Phasen der Dokumentation... 53 1.8.2 Einheit von Engineering und Dokumentation... 56 1.8.3 Hinweise zur Beachtung der Dokumentation im Projekt... 60 1.9 Besonderheiten von Pharmaprojekten... 62 1.9.1 Überblick und Spezifika... 62 1.9.2 Modifizierung des Phasenmodells für Pharmaprojekte... 65
XII Inhalt 1.9.3 Qualifizierung und Validierung gemäß Good Manufacturing Practice (GMP)... 67 1.9.4 Good Engineering Practice (GEP) und Dokumentation... 72 Literatur... 75 2 Projektvorbereitung und Grundlagenermittlung... 79 2.1 Vorbemerkungen... 79 2.2 Verfahrensentwicklung und Durchführbarkeitsstudie... 81 2.3 Planungsrelevante Rechtsvorschriften der EU und BRD... 87 2.3.1 Relevante Rechtsvorschriften der EU... 87 2.3.1.1 Übersicht zum fachspezifischen Recht der EU... 87 2.3.1.2 EU-Rechtsvorschriften für Anlagenkomponenten und Stoffe.. 88 2.3.1.3 EU-Rechtsvorschriften für verfahrenstechnische Anlagen... 112 2.3.2 Relevante Gesetze und Verordnungen der BRD... 120 2.3.2.1 Übersicht zum Recht der BRD... 120 2.3.2.2 Genehmigungsrecht und Umweltrecht... 125 2.3.2.3 Produktsicherheitsrecht und Anlagensicherheitsrecht... 138 2.3.2.4 Arbeitssicherheitsrecht und Gesundheitsschutzrecht... 148 2.4 Lastenheft inklusive Dokumentation... 154 2.4.1 Definition und Aufgaben des Lastenhefts... 154 2.4.2 Inhalt des Lastenhefts... 155 2.4.3 Vorgaben zur Dokumentation im Lastenheft.... 160 2.5 Vertragsmodelle für Engineeringleistungen... 164 2.5.1 Rechtsformen von Verträgen nach Bürgerlichen Gesetzbuch.. 164 2.5.2 Vertragsarten im Anlagenbau... 172 2.5.3 Vertragsmodelle für Engineering und Realisierung... 178 2.5.3.1 Vertragsmodelle vor der Investitionsentscheidung... 178 2.5.3.2 Vertragsmodelle nach der Investitionsentscheidung... 180 2.5.3.3 Vertragsmodelle über alle Projektphasen... 185 2.5.4 Gewährleistung und Garantie im Anlagenvertrag... 186 2.5.4.1 Ausführungen zu GEWÄHRLEISTUNG... 187 2.5.4.2 Ausführungen zu GARANTIE... 191 Literatur... 193 3 Vorplanung (Pre-Basic)... 199 3.1 Aufbau der Projektorganisation... 200 3.2 Erarbeiten des Dokumentationskonzepts... 201 3.3 Erarbeiten von Lösungsalternativen und -vorschlägen... 208 3.3.1 Verfahrensauswahl und Verfahrensentwurf... 208 3.3.2 Lageplanung und Grob-Layoutplanung... 217 3.3.3 Baukonzept... 222
Inhalt XIII 3.3.4 PLT-Konzept... 225 3.3.5 TGA-Konzept... 231 3.3.6 Logistik- und Infrastrukturkonzepte... 235 3.3.7 Beschaffungskonzept... 239 3.4 Sicherheitstechnische Grundlagenermittlung... 241 3.5 Bewertung der Lösungsvarianten, Lösungsvorschlag... 245 3.6 Ergebnisse der Vorplanung... 247 3.7 Schutzrechtliche Sicherung der Ergebnisse... 248 Literatur... 267 4 Entwurfsplanung (Basic Engineering)... 269 4.1 Begriffsdefinition, Aufgaben, Trends... 269 4.2 Ausführen der Entwurfsplanung... 271 4.2.1 Verfahrensplanung (Basic Design)... 271 4.2.1.1 Fließschemaarbeit inklusive Beschreibung... 273 4.2.1.2 Massen-, Stoff- und Energiebilanzierung... 289 4.2.1.3 Festlegen der Betriebsparameter und Druckstufen... 292 4.2.1.4 Auswahl und Auslegung der Hauptausrüstungen... 294 4.2.1.5 Auslegung der Rohrleitungen... 302 4.2.1.6 Auswahl und Auslegung der Sicherheitsarmaturen gegen Drucküberschreitung... 303 4.2.2 Entwurfsplanung Rohrleitungstechnik... 308 4.2.2.1 Rohrklassen und Rohrleitungs-Kennzeichen... 309 4.2.2.2 Dichtungs- und Armaturenklassen sowie Kennzeichnung... 315 4.2.3 Werkstoffauswahl und Korrosionsschutz... 318 4.2.4 3D-Anlagenentwurfsplanung und Aufstellungsentwurf... 331 4.2.5 Entwurfsplanung Bau und Stahlbau... 335 4.2.6 Entwurfsplanung Prozessleittechnik (PLT).... 349 4.2.7 Entwurfsplanung Technische Gebäudeausrüstung (TGA)... 371 4.2.8 Logistik- und Infrastrukturentwurfsplanung... 372 4.2.9 Montage- und inbetriebnahmegerechte Planung... 377 4.2.10 Instandhaltungsaudit und Instandhaltungskonzeption... 383 4.3 Sicherheitstechnische Entwurfsplanung, Risikobeurteilung.... 386 4.3.1 Notwendigkeit und Abgrenzung von Risikobeurteilung und Gefährdungsbeurteilung... 386 4.3.2 Durchführen der Risikobeurteilung und SIL-Einstufung... 391 4.3.3 Erarbeiten des Explosionsschutzdokuments... 399 4.4 Basic-Engineering-Dokumentation, Pflichtenheft... 414 Literatur... 420
XIV Inhalt 5 Genehmigungsplanung (Planning for permission)... 425 5.1 Begriffsdefinitionen und Grundsätzliches... 425 5.2 Einordnung der Genehmigungsplanung in die Projektabwicklung... 427 5.3 Überblick zu Genehmigungsverfahren in der BRD... 429 5.4 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)... 433 5.5 Genehmigungsverfahren nach BImSchG... 436 5.5.1 Einfluss des Antragstellers auf das Genehmigungsverfahren.. 437 5.5.2 Genehmigungsantrag inklusive Antragsunterlagen... 441 5.5.3 Ablauf des Genehmigungsverfahrens... 443 5.5.4 Genehmigungsbescheid... 447 5.6 Nutzung und Änderung der Genehmigung... 448 Literatur... 451 6 Kostenermittlung (Cost Estimation)... 453 6.1 Kosten für Engineering... 455 6.2 Investitionskostenermittlung... 457 6.2.1 Vorbemerkung und Überblick... 457 6.2.2 Kapazitätsmethoden... 461 6.2.3 Zuschlagsfaktorenmethoden... 462 6.2.4 Modulmethode... 467 6.2.5 Ergänzende Bemerkungen und Folgerungen... 470 6.3 Betriebskostenermittlung... 471 6.4 Investitionsrechnung... 472 Literatur... 475 7 Ausführungsplanung (Detail Engineering)... 477 7.1 Begriffsdefinition und Aufgaben... 477 7.2 Ausführen der Ausführungsplanung... 478 7.2.1 Verfahrensausführungsplanung... 478 7.2.2 Spezifikation und Konstruktion der Apparate, Behälter und Maschinen... 482 7.2.3 3D-Anlagenmodell und Detail-Aufstellungsplanung... 500 7.2.4 Ausführungsplanung Bau und Stahlbau... 509 7.2.5 Ausführungsplanung Rohrleitungstechnik... 522 7.2.6 Ausführungsplanung Prozessleittechnik (PLT)... 537 7.2.7 Ausführungsplanung Technische Gebäudeausrüstung (TGA).. 559 7.2.8 Logistik- und Infrastrukturausführungsplanung... 565 7.2.9 Besondere Vorgaben und Hinweise für die weitere Projektabwicklung... 569
Inhalt XV 7.3 Sicherheitstechnische Detailplanung... 570 7.4 Detail Engineering-Dokumentation... 572 Literatur... 575 8 Ausblick zu Beschaffung, Bau/Montage, Inbetriebnahme... 579 8.1 Übergreifende Hinweise (Phasen 7 bis 9)... 579 8.2 Hinweise zur Beschaffungsphase (Phase 7)... 580 8.3 Hinweise zur Bau-/Montagephase (Phase 8)... 585 8.4 Hinweise zur Inbetriebnahmephase (Phase 9)... 592 Literatur... 594 Glossar... 595 Sachwortverzeichnis... 607