Helium-Lecksuche in Kraftwerken
...auch bei Solarkraftwerken, damit die Effizienz
des Kraftwerks mit Tausenden von Verbindungen nicht
nachlässt
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.
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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.
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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
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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
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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.