VGB POWERTECH Issue 1/2 (2020)

Identifizierung von Leckagen in Kraftwerken VGB PowerTech 1/2 l 2020
Identifizierung von Leckagen in
Kraftwerken basierend auf passiver
akustischer Bildgebungstechnologie
Katharina Keller, Fritz Menzer, Florian Perrodin und Walter Umbricht
Abstract
Leakage detection in power-plants based
on passive acoustic imaging
Unplanned outages have a major impact on the
profitability of thermal power plants. This impact
is becoming even larger due to the advent
of capacity markets, which incur heavy penalties
on plants that do not produce the negotiated
amount of power. Gas leaks are an identified
cause of such unplanned plant outages, and
leaks are often difficult to locate due to the time
consuming nature of leak detection and the resource
constraints on the maintenance crews.
Moreover, the variety of gases (methane, hydrogen,
compressed air or even steam and vacuum)
makes it difficult for the operators to have a
detection tool that suits all situations. The novel
technology presented here uses ultrasound
waves, created by gas leaks independently of the
type of gas. This imaging technique has a wide
field of view and allows for fast inspections. Its
functioning principle is demonstrated in this
article using the example of leak detection in a
power plant. With this technology, air, methane,
LNG and CO 2 leakages have been detected
from several components of the power plant,
such as the aeroderivative turbine or the LNG
storage block. In addition to the leaks found, it
was possible to detect partial discharges in the
power plant switchyard.
l
Autoren
Katharina Keller
Fritz Menzer
Florian Perrodin
Walter Umbricht
Distran, Zürich, Schweiz
Einleitung
Die Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit
von Kraftwerken werden
durch zahlreiche Faktoren beeinflusst.
Wichtige Aspekte sind dabei die Verhinderung
von ungeplanten Ausfällen oder die
Verkürzung von Standzeiten, die Instandhaltung,
der Energieverbrauch, die Effizienz,
sowie der Austritt von sicher- und umweltgefährdenden
Gasen und Schadstoffen.
All diese Aspekte werden durch
Le ckagen beeinflusst.
So belegte eine interne Studie von Alstom
das bis zu 7 % der Verfügbarkeitsverluste
der gesamten Anlage durch Leckagen verursacht
wurden. Wird der Druck in einer
Anlage zu niedrig oder fällt ein Aktuator
Leckagen-bedingt aus kann dies bis zu einer
ungeplanten Abschaltung der Anlage,
mit einhergehenden starken thermischen
Belastungen der Komponenten, führen.
Solche Ereignisse reduzieren die Lebenszeit
der Turbinen und verkürzen die Unterhaltsintervalle
zwischen großen Revisionen.
Ein kompletter Stillstand des Kraftwerks
bedingt jedoch nicht nur eine
Reduktion der Anlagenrentabilität, sondern
kann auch hohe Sanktionen der Netzbehörden
zur Folge haben.
Eine unbeabsichtigte Freisetzungen von
Gasen, beispielsweise von Wasserstoffoder
dem umweltschädlichen Treibhausgas
Methan, stellt auch ein Sicherheitsund
Umweltrisiko dar. Des weiteren reduzieren
Leckagen die Effizienz der Anlage.
So zeigte eine Studie [1] aus dem Jahr
2012, dass Leckagen für einen erheblichen
Anteil des Verlusts (40 bis 50 % des Verbrauchs)
verantwortlich sein können. Leckagen
schnell und zuverlässig zu detektieren
ist daher unablässig für die Sicherheit,
Effizienz und Umweltverträglichkeit einer
Anlage.
Die heutigen Techniken zur Lecksuche sind
häufig sehr zeitaufwändig und ermöglichen
somit keine umfassende Inspektion
von Drucksystemen zu vertretbaren Kosten.
Mit Seifensprays, Gasdetektoren
(‚Sniffer‘) oder einzelnen Mikrophonen
müssen undichte Stellen an beispielsweise
Flanschen, Rohrverbindungen oder Armaturen
individuell inspiziert werden, um
diese zu lokalisieren. Dies erfordert detaillierte
Anlagenkenntnisse sowie umfangreiche
personelle Ressourcen, welche durch
die heutige Personalsituation nicht immer
verfügbar sind. Einen Vorteil bieten hier
optische Gasdetektions-Kameras, die Leckagen
direkt im Raum lokalisieren können.
Allerdings lassen sich nur Gase erkennen,
die in der Infrarotregion absorptionsfähig
sind. Dies sind typischerweise
kohlenstoffhaltige Verbindungen, wobei
für verschiedene Verbindungen teils unterschiedliche
Spektralfilter verwendet werden
müssen. [2]
Eine Methode, die unabhängig vom zu detektierenden
Gas, ist beruht auf der Detektion
von Ultraschallwellen, die durch das
ausströmende Medium am Leck erzeugt
werden. Dieses Prinzip wird bei Einzel-Mikrophon
Detektoren verwendet. Zudem ist
Ultraschalltechnologie ein zentrales Element
in der Zustandsüberwachung, der
zustandsorientierten Instandhaltung von
Industrieanlagen und der zerstörungsfreien
Prüfung. [3] Der Gebrauch von bildgebender
Ultraschalltechnologie, in der
hochfrequente, für den Menschen nicht
hörbare Schallimpulse zur Messung ausgesendet
werden, ist vor allem aus der medizinischen
Anwendung bekannt. Die bildgebende
Technologie kann jedoch auch in
Form von akustischen Kameras zur Lecksuche
eingesetzt werden. In diesem Fall ist
die Technologie passiv, das heißt das Messinstrument
ist nur ein Ultraschalldetektor
und sendet selbst keine Ultraschallwellen
aus. Inspektionen in der Schwerindustrie
konnten die Wirtschaftlichkeit dieser Technik
aufzeigen. Durch die abbildende Technologie
werden Leckagen direkt im Raum
identifiziert, wodurch die Inspektion deutlich
schneller und mit erhöhter Sicherheit
für das Personal durchführbar ist. Im folgenden
Artikel wird der Einsatz der passiven
akustischen Bildgebung zur Lecksuche
in Kraftwerken beschrieben.
Der Artikel ist wie folgt aufgebaut. Zuerst
wird ein Überblick über die passive bildgebende
Ultraschalltechnologie gegeben.
Danach wird das Vorgehen zur Detektion
von Leckagen mittels passiver bildgeben-
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