Ungeplante Stillstandszeiten mit der neuen Technologie zum Erkennen von Wasserstofflecks vermeiden

Die Wartung von wasserstoffgekühlten Generatoren ist eine entscheidende Voraussetzung für den sicheren und effizienten Betrieb eines Kraftwerks. Das Aufspüren und Reparieren von Wasserstofflecks am Kühlsystem kann eine langwierige Suche an Bauteilen, Ventilen, Anschlüssen und anderen Stellen erfordern. Mit herkömmlichen Methoden zum Erkennen von Wasserstofflecks lässt sich oftmals nicht die genaue Leckposition, sondern nur der Bereich ermitteln, in dem sich der ausgetretene Wasserstoff angesammelt hat. Durch den technischen Fortschritt bei den optischen Gasdetektionskameras hat sich die Effizienz und Leistungsfähigkeit der Gasleckerkennung in den letzten Jahren erheblich verbessert. Wenn die Versorger ihren Messgerätebestand durch eine spezielle Wärmebildkamera zur CO2-Leckerkennung ergänzen, steht ihnen eine effiziente Methode zum Aufspüren von Wasserstofflecks unter Verwendung von CO2 als Tracergas zur Verfügung.

Beim Betrieb eines Elektrizitätskraftwerks entstehen große Wärmemengen, die abgeleitet werden müssen, um dessen Effizienz nicht zu beeinträchtigen. Je nach seiner Nennleistung ist ein Generator entweder luft-, wasserstoff- oder wassergekühlt. Bei Generatoren mit besonders hoher Nennleistung erfolgt die Kühlung der Statorwicklungen und des Rotors getrennt voneinander mit Wasser und Wasserstoff. Wegen seiner geringen Dichte und besonders hohen spezifischen Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eignet sich Wasserstoff hervorragend als besonders effizientes Kühlmittel. Wenn sich aber Wasserstoff durch ein Leck unbemerkt in der Umgebung ansammelt, kann er in Verbindung mit Luft ein brandgefährliches und hochexplosives Gemisch bilden. Turbinengeneratoren geben beim normalen Betrieb immer eine gewisse Menge Wasserstoff an die Umgebung ab. Durch eine ordnungsgemäße Belüftung lassen sich hier jedoch potenziell zündfähige und explosive Konzentrationen vermeiden. Deshalb spielt der sichere Umgang mit gasförmigem Wasserstoff für Kraftwerksbetreiber eine entscheidende Rolle.

Da Wasserstoffmoleküle besonders klein und leicht sind, lassen sie sich nur sehr schwer auffangen oder zurückhalten. Zwischen den Stillstandszeiten können sich durch Verschleiß und Abnutzungen an Ventilen, Dichtungen und anderen Komponenten große Lecks bilden. Wenn daraus Wasserstoff entweicht und sich in bestimmten Bereichen ansammelt, ist die Kraftwerkssicherheit ernsthaft gefährdet. Die Wasserstoffmenge, die täglich nachgefüllt werden muss, wird sorgfältig überwacht. Steigt diese plötzlich an, muss die Ursache umgehend ermittelt werden. Herkömmliche Methoden zur Lecksuche und Reparatur (LDAR) sind sehr zeitaufwendig, sodass das Leck in den meisten Fällen nicht rechtzeitig lokalisiert werden kann, um eine einstweilige Stilllegung des Kraftwerks zu verhindern. Solch eine Stilllegung dauert in der Regel zwei bis drei Wochen – dabei kann allein die Lecksuche schon mehrere Tage in Anspruch nehmen. Jede einzelne ungeplante Stilllegung kann dem betroffenen Elektrizitätskraftwerk Kosten in Millionenhöhe verursachen. Um solche Stillstandszeiten zu vermeiden, suchen die Kraftwerksbetreiber schon seit langem nach einer Möglichkeit, mit der sich die Lecksuche und Reparatur (LDAR) online ausführen lässt. Dies scheiterte jedoch bislang stets an einer geeigneten technischen Möglichkeit zum schnellen und einfachen Aufspüren von Lecks.

Herkömmliche Suchmethoden

Bislang wurden zur Lecksuche verschiedene Methoden wie eine Seifenlösung, die an undichten Stellen Blasen schlägt, oder mikroelektronische Wasserstoffsensoren („Sniffer“) verwendet, die Wasserstoffansammlungen in einem größeren Bereich erkennen können. Wenn die Position des Lecks unbekannt ist, kann die Suche mit der Seifenlösung durchaus mehrere Wochen dauern. Diese Methode funktioniert jedoch nur bei relativ kleinen Lecks, da die Seifenlösung bei größeren Lecks einfach durch den ausströmenden Wasserstoff weggeblasen und eine Lokalisierung somit unmöglich wird. Beim sogenannten „Sniffer“ handelt es sich um einen tragbaren Sensor, der einen akustischen Warnton ausgibt, sobald er in einem bestimmten Bereich eine zu hohe Wasserstoffkonzentration feststellt. Obwohl es sich hierbei um eine relativ preiswerte Suchmethode handelt, ist diese auch mit einigen Nachteilen und Unsicherheiten verbunden. Generatoren stehen immer in gut durchlüfteten Bereichen. Dadurch kann die Wasserstoffkonzentration auch im unmittelbaren Umkreis des Lecks soweit absinken, sodass der Sensor erst dann anschlägt, wenn man quasi direkt vor dem Leck steht. Außerdem transportiert der Luftstrom den Wasserstoff oft in entferntere Bereiche, sodass er sich erst dort in Konzentrationen ansammelt, bei denen der „Sniffer“ anschlägt. Dann weiß man zwar, dass irgendwo im System ein Leck besteht, aber noch lange, nicht welche Komponenten undicht sind und repariert werden müssen. Mit einem „Sniffer“ kann der Benutzer das Leck nicht erkennen und visuell lokalisieren. Neben viel Geduld gehört auch immer eine immer gewisse Portion Glück dazu, um die genaue Position eines Lecks zu lokalisieren.

Ein neuer Ansatz

Infrarotkameras, die sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt haben, werden inzwischen von immer mehr Wartungsteams als bevorzugte Gasdetektionsmethode eingesetzt. Infrarotkameras oder – wie sie auch oft genannt werden – Wärmebildkameras werden schon seit langem erfolgreich genutzt, um Dämmungsmängel an Gebäuden oder wärmebasierte Sicherheitsgefahren in elektrischen Installationen aufzuspüren. Seit einigen Jahren werden Wärmebildkameras mit Schwefelhexafluorid (SF6) als Tracergas zur optischen Gasdetektion (OGI – Optical Gas Imaging) eingesetzt. Jedoch haben einige Versorger hinsichtlich der Verwendung von SF6 als Tracergas Bedenken – hauptsächlich wegen der Kosten und des hohen Treibhauspotenzials (GWP-Wert von 23.000) sowie der zusätzlichen Einschränkungen, die in einigen Fällen für die erweiterte Nutzung von SF6 gelten. Deshalb hat FLIR Systems in enger Zusammenarbeit mit der Industrie eine neue Generation von Gasdetektionskameras entwickelt, die ein unbedenkliches Tracergas verwendet. Die neue optische Gasdetektionskamera FLIR GF343 nutzt CO2 als Tracergas, das an jeder Generatorstation verfügbar ist. CO2 kostet weniger, hat einen deutlich geringeren GWP-Wert und ist im Vergleich zu SF6 auch mit weniger Nutzungsbeschränkungen behaftet. Daraus resultieren umfangreichere Anwendungsmöglichkeiten für Gasdetektionskameras bei der Lecksuche. Da dem Wasserstoff nur eine sehr geringe CO2-Konzentration (in der Regel 3 – 5 %) als Tracergas beigemengt werden muss, damit die Gasdetektionskamera potenzielle Lecks erkennen kann, lässt sich nicht nur die Reinheit des Wasserstoffs in der Turbine, sondern auch der normale Generatorbetrieb unterbrechungsfrei gewährleisten. Mit der FLIR GF343 steht den Ingenieuren ein neues Messinstrument zur Verfügung, mit dem sie Lecks schnell, einfach und genau lokalisieren und visualisieren können, ohne dass eine Abschaltung des Generators oder der gesamten Anlage erforderlich ist.

Erkennung von CO2 als Tracergas

Wenn man dem Wasserstoff CO2 in einer geringen Konzentration (<5 %) als Tracergas beimengt, bleibt der sichere und effiziente Betrieb des Generators gewährleistet. Dadurch können der Betreiber und die Wartungsteams die Anlage während des laufenden Betriebs auf potenzielle Wasserstofflecks überwachen und überprüfen. Tests in den USA und Italien haben ergeben, dass sich mit der FLIR GF343 bei einem Leck im System bereits sehr geringe CO2-Konzentrationen (~2,5 %) als Tracergas nachweisen lassen. Dadurch können die Wartungsteams Lecks erkennen, genau lokalisieren und markieren, um diese entweder bei der nächsten geplanten Abschaltung oder – falls diese schwerwiegend sind – sofort zu reparieren. Gegenüber anderen Erkennungstechnologien bietet die GF343 unter anderem den Vorteil, dass sich die Lecksuche damit jetzt auch während des laufenden Betriebs durchführen lässt. Dadurch sparen Sie viel Zeit und Geld und vermeiden unnötige Stillstandszeiten. Die Stillstandszeiten lassen sich damit um zwei oder sogar drei Tage verkürzen. Wenn man bedenkt, dass jeder Stillstandstag (je nach Generatortyp und -größe) Kosten in Höhe von ca. 80.000 – 100.000 Euro verursacht, macht sich die Verwendung von CO2 als Tracergas und die Anschaffung einer FLIR GF343 CO2-Kamera binnen kürzester Zeit mehr als bezahlt. Kleine Lecks treten jedoch nicht nur sehr häufig auf, sondern können sich auch rasch zu größeren Lecks entwickeln. Mit der FLIR GF343 können die Wartungsteams die Wasserstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre rechtzeitig eindämmen, um Brände und Explosionen zu vermeiden.

So funktioniert die FLIR GF343

Die FLIR GF343 Kamera verwendet einen Focal Plane Array (FPA) Indium-Antimonid-(InSb)-Detektor, der bei einer Wellenlänge von 3 – 5 µm reagiert, und einen speziellen Kaltfilter, dessen Spektralbereich zusätzlich auf circa 4,3 µm abgestimmt wurde. Ein Stirlingmotor kühlt den Quantendetektor auf kryogene Temperaturen (von ca. -203 °C) herunter. Diese Spektraltuning- bzw. Kaltfilterungsmethode spielt für die Gasdetektionstechnik eine entscheidende Rolle und macht die FLIR GF343 insbesondere für die Infrarot-Absorption von CO2-Emissionen empfindlich, sodass sie diese besonders schnell erkennen und darstellen kann.

Dabei wird praktisch die Hintergrundenergie – beispielsweise vom Himmel, Boden oder von anderen Quellen, die sich im Blickfeld der Kamera befinden – vom Gas absorbiert. Die Kamera macht diese Energieabsorption durch den Wärmekontrast im Bild sichtbar. Da die Kamera dabei nicht nur die spektrale Absorption, sondern auch die Bewegung des Gases sichtbar macht, lässt sich das ausströmende Gas als „Rauchfahne“ erkennen.

Zusätzlich ist die GF343 mit einem speziellen Bildsubtraktionsverfahren ausgestattet, das die Gasbewegung verstärkt. Der High Sensitivity Mode (HSM) ist eine entscheidende Voraussetzung, um selbst kleinste Lecks aufzuspüren. Der HSM-Modus ist ein bildsubtraktionsbasiertes Videoverarbeitungsverfahren, das die thermische Empfindlichkeit der Kamera effektiv erhöht. Dabei wird ein bestimmter Anteil der einzelnen Pixelsignale von den im Videostream enthalten Einzelbildern von den nachfolgenden Bildern subtrahiert. Das verstärkt die Gasbewegung, verbessert die allgemeine praktische Empfindlichkeit der Kamera und ihre Fähigkeit, auch ohne Verwendung eines Stativs selbst kleinste CO2-Gaslecks zuverlässig zu erkennen und präzise darzustellen.