VGB POWERTECH Issue 1/2 (2020)

Identifizierung von Leckagen in Kraftwerken VGB PowerTech 1/2 l 2020
(a)
Bild 3. ‚Identifikation eines Echos durch Detektion der Schallquelle aus verschiedenen Einstellungen.
(a) Einstellung 1. (b) Einstellung 2. Primärquelle (gelb umrandet) und Echo (schwarz umrandet).
Der gestrichelte Kreis gibt die Echoposition in der jeweils anderen Einstellung an.
gungen in der Signalverarbeitung präzise
zu identifizieren. Da Detektion und Signalverarbeitung
kaum Zeit in Anspruch
nehmen, können die Ultraschallquellen
in Echtzeit als Bild angezeigt werden.
Wird das akustische Bild mit einem optischen
Bild überlagert, kann die Ultraschallquelle
direkt im Raum identifiziert
werden.
Es muss beachtet werden das die Sensoren
nicht zwischen einer primären und reflektierten
Schallwelle unterscheiden können
und somit Echos ebenfalls als Ultraschallquelle
angezeigt werden. Allerdings verändert
sich die Position des Echos mit der
Detektionsposition und kann dadurch von
Primärquellen unterschieden werden (siehe
B i l d 3 ). Echos können aber auch wertvolle
Hinweise auf primäre Schallquellen
geben, wenn der direkte Weg von der
Schallquellen zum Empfänger unterbrochen
ist.
Die kleinste detektierbare Schallamplitude
wird durch die Sensitivität und die Anzahl
der Mikrophone in der Anordnung limitiert.
Die Amplitude von Schallwellen
nimmt mit größerem Abstand zur Schallquelle
ab. Gründe hierfür sind die frequenzunabhängige
geometrische Divergenz, die
frequenzabhängige Absorption der Schallwelle
in Luft sowie auch Hindernisse zwischen
Schallquelle und Schallempfänger.
[4] Aus diesem Grund ist die Sensitivität
der Kamera gegenüber Leckagen nicht bei
allen Messfrequenzen dieselbe und abhängig
vom Abstand des Empfängers zur Leckage.
Es gilt: je kleiner der Abstand desto
höher die Sensitivität (leisere Geräusche
können noch empfangen werden) und je
höher die Frequenz desto tiefer die Sensitivität
(stärkere Luftabsorption der Schallwellen).
Das Signal-zu-Rausch Verhältnis
nimmt mit der Anzahl der Mikrophone zu,
wodurch die Sensitivität der akustische Kamera
höher als in einem einzelnem Mikrophon
ist.
Das Detektionslimit wird auch durch Hintergrundgeräusche
begrenzt. Der maximale
Amplitudenunterschied für zwei simultan
detektierbare Schallquellen ist abhängig
vom akustischem Kontrast der Kamera.
Dadurch können laute Schallquellen leisere
Schallquellen maskieren. Dies können
(b)
größere (lautere) Leckagen oder auch
Schallquellen anderen Ursprungs sein.
Untersuchung eines Kraftwerks
mittels einer akustischen Kamera
(a)
Bild 4. Identifikation einer Leckage (türkiser Pfeil) am Druckluftsystem.
Aus einem Abstand von (a) 11 m und (b) 1 m.
Im folgenden Beispiel wird die präventive
Untersuchung eines kombinierten Wärme-
Kraftwerks mittels einer akustischen Kamera
(Modell Distran Ultra M) vorgestellt.
Der Vorteil einer solchen Untersuchung
liegt in der Schnelligkeit und Zuverlässigkeit
bei höherer Sicherheit im Vergleich zu
herkömmlichen Methoden. In dem hier gezeigten
Beispiel konnte eine umfassende
Standortinspektion in 2 Tagen durchgeführt
werden. Zu den inspizierten Bereichen
gehörten das Herzstück der Anlage,
die Aeroderivative Gasturbine, deren Hilfssysteme,
der Abgastrakt mit Kompensatoren,
der Generator sowie die Elemente des
Druckluftsystems, LNG Leitungen, das
elektrische Schaltfeld und die auf CO 2 basierende
Feuerlöschanlage.
Um einen optimalen Ablauf der Inspektion
zu Gewährleisten wurde bereits vor Beginn
der Inspektion ein anlagen-spezifischer
Zeitplan erstellt um die Anlage in verschiedene
Untersuchungsbereiche einzuteilen.
Die Inspektion kann während des normalen
Anlagenbetriebs durchgeführt werden.
Dadurch können die Komponenten des
Kraftwerks bei voller Belastung und Betriebstemperatur
untersucht werden. Dies
stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber
einer statischen Druckprobe, die zudem
nur unter hohem Aufwand durch den Einbau
von Steckscheiben, Blindflanschen,
etc. durchgeführt werden kann, dar.
Mit der passiven akustischen Bildgebung
können Leckagen unabhängig von der Art
des Gases innerhalb des akustischen Kontrasts
simultan (siehe B i l d 1 a ) und somit
bereits aus größere Entfernung identifiziert
werden. Größere Bereiche bzw. auch
schwer zugängliche Bereiche können daher
zeitgleich untersucht werden. Ein Beispiel
hierfür ist ein Luftleck an einem
Druckluftsystem, das bereits aus 11 m Entfernung
abgebildet werden konnte (siehe
B i l d 4 a ). Sobald eine Ultraschallquelle
gefunden ist, wird diese genauer lokalisiert
und dokumentiert. Dazu sollte der Abstand
zwischen Detektor und Schallquelle verringert
werden (siehe B i l d 4 b ) und der
Ursprung der Schallquelle überprüft werden,
da auch andere Mechanismen Ultraschallwellen
erzeugen können (siehe B i l d
1 b - d ). Turbulenzen in Leitungen (Fließrauschen)
oder Vibrationen können in der
Regel gut von einer Leckage unterschiedenen
werden, da eine solche Ultraschallquelle
typischerweise weniger stark lokalisiert
ist und sich unregelmäßig bewegt.
Häufig können auch einfache Überlegungen
– sehe ich hier eine rotierende Komponente
oder hochfrequente Vibrationen –
bei der Identifikation nützlich sein. Falls
Unklarheiten bestehen bleiben, kann eine
zweite unabhängige Methode zur Verifikation
verwendet werden, z.B. Seifenspray,
sensorische Wahrnehmung von Luftzug,
Gas-Detektor, thermische Kamera, etc.
In einem zweiten Schritt sollte die Position
des Detektors zur Schallquelle translational
verändert werden. Somit wird ein Echo
als Quelle ausgeschlossen. Bewegt sich die
Position der Schallquellen mit einer translationalen
Bewegung des Empfängers handelt
es sich um ein Echo. Bleibt die Schallquellen
hingegen lokalisiert handelt es sich
um eine Leckage. Dies ist am Beispiel einer
LNG-Leckage in B i l d 5 a - c gezeigt. Wird
ein Echo (siehe B i l d 3 a ) identifiziert ist
dies ein wertvoller Hinweis auf eine Leckage,
da es durch – teils mehrfache – Reflexion
von Primärwellen entsteht.
Sehr laute Schallquellen können weniger
signifikante Schallquellen maskieren. Bei
der Inspektion sollte der Operator daher
(b)
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