DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Helium-Lecksuche in Kraftwerken

Andreas Schopphoff/ Pfeiffer Vacuum
Kontakt: Schopphoff Andreas

1. Auswirkung von Leckagen in Kraftwerken

In den meisten Großkraftwerken wird durch Verbrennung von - z.B. Kohle- Nassdampf erzeugt. Dieser, unter hohem Druck stehende Nassdampf wird über eine Turbine entspannt. Diese wiederum treibt einen Generator an, der aus der Bewegungsenergie elektrische Energie formt.


Abb 1: Schematische Darstellung eines Kraftwerkes.

Der Nassdampf wird nicht auf Atmosphärendruck entspannt, sondern wird in einen Kondensator geleitet, der mit Hilfe von Vakuumpumpen auf ca. 97% (30.36 mbar) evakuiert wird. Jede Undichtigkeit in diesem System sorgt dafür, dass die Effizienz des Kraftwerks nachlässt. Entsprechend einer Faustregel kann man sagen, dass ein Druckanstieg von einem mbar einer Reduktion der erzeugten elektrischen Energie von 1 kW entspricht. Um die geforderte Nennleistung des Kraftwerks zu ereichen, muss also, im Falle von Leckagen, eine erhöhte Menge Primärenergie eingesetzt werden.


Abb 2: Kühlsystem eines Kraftwerkes.

Die Betreiber von Großkraftwerksanlagen haben aus diesen Gründen ein großes Interesse daran Undichtigkeiten in Ihren Anlagen zu vermeiden.

2. Möglichkeiten zur Detektion von Leckagen

2.1 Undichtigkeitsbestimmung an Hand von Sekundäreffekten
Zur Detektion von Leckagen gibt es verschieden Methoden. Sehr oft werden nur die Sekundäreffekte der Leckagen detektiert Diese Vorgehensweise erlaubt nur eine Aussage über das Vorhandensein aber nicht über den Ort, der Undichtigkeit.

Wird eine Anlage neu angefahren, so kann über die Bestimmung der Auspumpzeit festgestellt werden, ob der Kondensator dicht ist. Ähnlich funktioniert die Messung des Gasstroms am Auspuff. Liegt der Abgasstrom über einem festgelegten Schwellwert, so ist dieses ein Indiz für eine Undichtigkeit im Kühlsystem des Kraftwerkes.

Eine andere Methode ist die Detection des Sauerstoffanteils im Abgas. Der Sauerstoff der atmosphärischen Luft, der durch die Leckagen dringt, kann mit relativ einfachen Instrumenten nachgewiesen werden.

2.2 Lokalisierung von Leckagen
Mit den zuvor dargestellten Methoden lässt sich aber nur das Vorhandensein von Undichtigkeiten bestimmen. Leckagen können aber nicht lokalisiert werden.

2.2.1 Ortung mit Hilfe eines Wärmeleitungsvakuummeters
Ein Verfahren mit dem auch der Ort bestimmt werden kann, ist dass Wärmeleitungsprinzip. Bei dieser Methode macht sich den Umstand zu nutze, dass bei einem Wärmeleitungsvakuummeter die Bestimmung des Druckes gasartabhängig ist. Wird die Leckstelle mit einem Gas abgesprüht, welches einen anderen Wärmeleitungskoeffizienten als Luft hat, so lässt sich diese mit einem entsprechenden Vakuummeter detektieren. Ein Nachteil dieser Methode ist die relative Unempfindlichkeit, so dass nur große Leckagen gefunden werden können.

Ebenfalls machen sich bei diesem Verfahren Umwelt und Systemparameter negativ auf die Genauigkeit bemerkbar. Besonders zu erwähnen ist der Temperatureinfluss sowie der Effekt der unterschiedlichen Enddrücke im Kondensator.

2.2.2 Rauchtest zur Lecksuche
Mit Hilfe einer chemischen Rauchquelle wird der Kondensator eingenebelt. An undichten stellen wird der Rauch eingesogen und damit ein Leck indiziert. Die Nachteile diese Methode sind die mangelnde Nachweisgrenze und die Möglichkeit der Fehlinterpretationen bei Luftströmungen.

2.2.3 Lokalisierung von Undichtigkeiten mit Ultraschall
Bei diesem Verfahren macht man sich den Umstand zu nutze, dass die in ein Leck einströmende Luft Schallwellen im Bereich von Ultraschall erzeugen. Diese akustischen Wellen können mit Hilfe eines Schallsensors detektiert werden. Schwierig wird die Anwendung dieser Methode bei einem hohen Schalluntergrund. Ebenso hat das Ultraschallverfahren den Nachteil einer sehr geringen Nachweisgrenze.

2.2.4 Lecksuche mit Tracergasen
Tracergasen sind gase die eine niedrige Konzentration in der atmosphärischen Luft haben und damit leicht detektiert werden können.

2.2.5 Lecksuche mit Halogenen
Zur Lecksuche mit Tracergasen bieten sich verschiedene Gase an. Mit abnehmender Tendenz werden Halogene in diesen Anwendungen verwendet. Das Verfahren basiert auf einem halogensensitiven Sensor, mit dem sich z.B. R12 detektieren lässt. Werden Leckagen mit R12 abgesprüht, so kann man das Gas am Auspuff der Vakuumpumpen messen. Ein Nachteil diese Vorgehensweise ist die langsame Ansprechzeit bedingt durch die niedrige Diffusionsgeschwindigkeit der Halogene. Als weitere ist zu beachten das R12 wasserlöslich ist und damit Teile des Tracergases im Kühlwasser des Kraftwerks verschwinden können. Zu beachten ist, dass die Verwendung von R12 aus Umweltschutzgründen in der Zwischenzeit rechtlich untersagt ist.

2.2.6 Helium Lecksuche
Im Gegensatz zu R12 ist Helium ein inertes Edelgas, dessen Verwendung keine negativen Einflüsse auf die Umwelt hat. Als weitere Vorteile von Helium als Tracergas sind zu erwähnen, dass es nicht brennbar ist und in der Atmosphärischen Luft nur einen Anteil hat von 5 ppm. Bedingt durch diesen niedrigen Untergrund und die hohen Driftgeschwindigkeiten lassen sich mit Helium selbst kleinste Undichtigkeiten in kürzester Zeit nachweisen.

Als Gassensor wird in den meisten handelsüblichen Geräten ein Massenspektrometer verwendet. Die heutigen mikroprozessorgesteuerten Geräte sind sehr einfach und sicher bedienbar. Es lassen sich sowohl Behälter, die mit einem Heliumüberdruck beaufschlagt sind, abschnüffeln als auch Vakuumlecksuche betreiben. Bei diesem Verfahren wird der Prüfling mit Hilfe des Lecksuchers evakuiert und von außen mit Helium besprüht.

Die Messungen mit Heliumlecksuchern sind reproduzierbar und quantifizierbar. Somit ist es auch möglich die Ergebnisse zu protokollieren.

Variante 1: Vakuumlecksuchmode mit Pfeiffer Vacuum HLT 260


Abb 3: Schematische Darstellung der Verwendung des Lecksuchers im Vakuummode.

Der Lecksucher wird über einen Wellschlauch DN 25 KF ( L < 1m) zwischen die Wälzkolbenpumpe und die Vorpumpe angeschlossen. Zur Druckreduktion ist ein handbetätigtes Drosselventil in die Leitung eingebaut. Um den eingestellten Druck zu überprüfen ist an den Lecksucher HLT 260 eine Totaldruckmessröhre TPR 265 angeschlossen. Es ist darauf zu achten, dass bei einem erhöhten Anfall von Wasserdampf ein Kondensatabscheider zu verwenden ist.

Variante 2: Schnüffellecksuchmode mit Pfeiffer Vacuum HLT 260


Abb 4: Schematische Darstellung der Verwendung des Lecksuchers im Schnüffelmode.

Über eine Quetschverbindung wird die Schnüffelleitung des Lecksuchers an den Auspuff der Vorvakuumpumpe angeschlossen. Ebenso wie bei der Verwendung des Lecksuchers im Vakuummode ist darauf zu achten, dass bei erhöhtem Anfall von Wasserdampf ein Kondensatabscheider vorgeschaltet wird.

2.2.6.1 Rechenbeispiel
Beispielkonfiguration:
Durch Leckage verschlechtert sich das Vakuum von 97 % um 1,6 % auf 95,4 %Bei p ATM = 1023 mbar entspricht 97% 30,36 mbar
95,4% 46,60 mbar

Saugvermögen des Wälzkolbenpumpstands:
S= 180 m3 /h ( 50 l/s)
Gasstrom:
Q = p *S
Q Gesamt = 46,60 mbar * 50 l/s = 2329,9 mbar l/s
Q Kon = 30,36 mbar * 50 l/s = 1519,5 mbar l /s
Q Leck = Q Gesamt- Q Kon = 810,4 mbar l/s

Vakuumlecksuchmode:
Maximaler Einlassdruck Lecksucher: p max = 15 mbar
Eingestellter Einlassdruck: p = 1 mbar
S TwinFlow Low = 2,5 l/s
Q LS = p* S = 1 mbar * 2,5 l/s = 2,5 mbar l/ s
Teilstromverhältnis:
Y= Q LS / (Q LS + Q Gesamt ) = 2,5 / (2,5 + 2329,9) Y = 1,07 E-3
Q Leckrate LS = Y * Q Leck=1,07 E-3 * 810,4 mbar l/ s =8,6 E-01 mbar l/s
Beim Betreib des Lecksuchers im Vakuummode ist die zu detektierende Leckrate in einem Bereich der sicher mit dem HLT 260 gemessen werden kann.

Schnüffelleckmode:
Q Schnüffel =25 sccm = 0,42 mbar l/s
Teilstromverhältnis:
Y = Q Schnüffel / (Q Schnüffel + Q Gesamt ) = 0,42 / (0,42 + 2329,9) Y = 1,8 E-4
Q Leckrate LS = Y * Q Leck=1,8 E-4 * 810,4 mbar l/ s = 1,4 E-01 mbar l/s

Beim Betreib des Lecksuchers im Schnüffelmode ist die detektierte Leckrate 1;4 mbar l/s.

Mit einem HLT 260 lassen sich diese Leckraten ohne Probleme detektieren.

3. Zusammenfassung

Die Heliumlecksuche in Kraftwerken bietet den Anwendern vielfältige Vorteile:

  • Die Heliumlecksuche ermöglicht eine Lokalisierung von Leckagen.
  • Helium als Tracergas ist ungiftig und nicht brennbar. Bedingt durch den niedrigen Untergrund in der atmosphärischen Luft lassen sich sehr kleine Lechraten detektieren.
  • Mit diesem Verfahren lassen sich quantifizierbare und reproduzierbare Leckraten ermitteln.
  • In dem Rechenbeispiel konnte gezeigt werden, dass mit den verschiedenen Möglichkeiten, die eine HLT 260 bietet, diese Lecksuchaufgabe zu lösen ist.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net