Luftdichtheitsprüfung des Generatorstators

Die Rolle der Dichtheitsprüfung bei wasserstoffgekühlten Generatoren

Bei großen Turbogeneratoren ist die Luftdichtheitsprüfung keine gewöhnliche „Ist der Druck gefallen oder nicht?“-Kontrolle. Besonders bei wasserstoffgekühlten Maschinen ist dieser Test der praktische Weg, um zu sehen, ob der Generator das Gas sicher hält. In Hochleistungsgeneratoren, die in Gasturbinen-, Dampfturbinen- und Kombikraftwerken eingesetzt werden, entsteht im Stator- und Rotorbereich erhebliche Wärme. Diese Wärme muss stabil abgeführt werden; andernfalls altert die Isolierung, die Wicklungstemperaturen steigen und die Lastaufnahmefähigkeit sinkt.

Die Bevorzugung von Wasserstoff ist nicht ohne Grund. Seine Wärmeleitfähigkeit ist deutlich höher als die von Luft. Ungefähr beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff etwa 0,168 W/(m·K); bei Luft liegt dieser Wert bei etwa 0,026 W/(m·K). Wasserstoff transportiert Wärme also viel leichter als das gleiche Volumen Luft. Außerdem ist seine Dichte sehr gering. Bei 0 °C und 1 atm beträgt die Dichte von Wasserstoff etwa 0,09 kg/m³, die von Luft etwa 1,29 kg/m³. Wenn sich der Rotor dreht, entstehen Reibungs- und Windungsverluste im Gas; die geringe Dichte bietet hier einen Vorteil.

In der Praxis bedeutet das: Wasserstoff kühlt gut und reduziert den Gaswiderstand des rotierenden Teils. Bei großen Maschinen macht sich dieser Unterschied in Effizienz, Temperatur und Belastbarkeit bemerkbar.

Aber Wasserstoff hat auch eine harte Seite. In bestimmten Mischungsverhältnissen mit Luft kann er ein brennbares und explosives Gemisch bilden. Ein Wasserstoffgehalt in Luft zwischen etwa 4 % und 75 % gilt als riskant. Daher werden vor der Wasserstoffbefüllung das Gehäuse, die Verbindungen, Dichtungen, der Kühlerbereich, das Ölversorgungssystem und der Gaskreislauf so zuverlässig wie möglich getestet. Es geht nicht nur um die Gasrechnung. Es geht um Sicherheit.

Warum wird der Test meist mit Luft durchgeführt?

Die erste Kontrolle nach Inbetriebnahme oder Wartung erfolgt in der Regel nicht mit Wasserstoff. Das System wird zunächst mit Luft oder je nach Verfahren mit einem geeigneten Inertgas unter Druck gesetzt. Ziel ist es zu sehen, ob das Gehäuse und der Gaskreislauf den Druck halten. Wenn der Test akzeptabel ausfällt, werden Spülschritte durchgeführt; die Luft wird entfernt, das erforderliche Zwischengas verwendet und das System für den Wasserstoffbetrieb vorbereitet.

Diese Reihenfolge kann je nach Hersteller variieren. In den Dokumenten von Herstellern wie GE, Siemens, Alstom oder Mitsubishi können Volumen, Prüfdruck, Wartezeit, Akzeptanzgrenze und Spülschritte unterschiedlich definiert sein. Dennoch ändert sich die praktische Vernunft nicht: Vor dem Einlassen von Wasserstoff wird das Gasrückhaltevermögen des Systems geprüft.

Wenn bei gefülltem Wasserstoff die Leckage hoch ist, verschlechtern sich mehrere Dinge gleichzeitig. Der Gasverbrauch steigt. Die Wasserstoffreinheit kann sinken. Das Ölversorgungssystem wird stärker belastet. In einigen Bereichen besteht die Gefahr der Wasserstoffansammlung. Wenn Feuchtigkeit und Luft eindringen, verschlechtert sich auch die Kühlleistung. Dann beginnt die Frage „Warum läuft der Generator heiß?“. Die Antwort liegt manchmal nicht auf der elektrischen Seite, sondern auf der Gasseite.

Die Gaslogik hinter der Messung

Bei Dichtheitsprüfungen erscheint die Druckdifferenz auf den ersten Blick als der offensichtlichste Datenpunkt. Wenn Sie anfangs 300 kPa und am Ende 290 kPa sehen, sagen Sie „10 kPa gefallen“. Aber dieser Satz allein ist unvollständig. Denn der Gasdruck ändert sich mit der Temperatur.

Wenn das Gas abkühlt, sinkt der Druck. Wenn das Gas erwärmt wird, steigt der Druck. Selbst wenn kein Leck im System vorhanden ist, erzeugt eine Temperaturänderung eine Bewegung am Manometer. Daher muss bei der Berechnung der Statorleckage der Druck nicht nackt, sondern zusammen mit der Temperatur abgelesen werden.

Der Berechnung liegt folgendes Verhältnis zugrunde:

Hier wird der Statordruck nicht allein verwendet; er wird zusammen mit dem Atmosphärendruck bewertet. Denn der vor Ort abgelesene Statordruck ist meist der Überdruck. Das ist der Wert über dem Atmosphärendruck. Um sich dem absoluten Druck anzunähern, wird der Atmosphärendruck addiert:

In einem Kraftwerk nahe dem Meeresspiegel verursacht die Annäherung „100 kPa, einfach so“ manchmal keine großen Probleme. Aber an einem Standort in großer Höhe oder bei einer empfindlichen Abnahmeprüfung verfälscht diese Gewohnheit die Berechnung. Wenn der barometrische Druck tatsächlich bei 88-90 kPa liegt, ist die Eingabe von 100 kPa keine harmlose Rundung.

Auch auf der Temperaturseite ist die gleiche Sorgfalt erforderlich. Wenn der Statorkörper nach der Wartung noch abkühlt, misst der Test, bevor sich das Temperaturgleichgewicht eingestellt hat, eher den thermischen Übergang als die Leckage. Auf dem Papier funktioniert die Formel korrekt; wenn die Daten schlecht sind, ist das Ergebnis trotzdem schlecht.

Kann auch bei steigendem Druck eine Leckage auftreten?

Ja, in einigen Beispielen erscheint der Enddruck höher als der Anfangsdruck, aber der Temperatureffekt ist größer, sodass die Berechnung dennoch einen Gasverlust anzeigen kann. Das Gegenteil ist ebenfalls möglich. Der Druck fällt leicht, aber die Temperatur ist ebenfalls gefallen; in diesem Fall kann die tatsächliche Leckage geringer sein als die nackte Druckdifferenz.

Daher ist es voreilig, nur den Druck in das Testformular einzutragen und eine Entscheidung zu treffen. Druck, Atmosphärendruck, Temperatur und Zeit müssen zusammen abgelesen werden. Darin liegt die Logik des Tests.

In der Berechnung verwendete Daten

Das Statorgasvolumen repräsentiert das geprüfte geschlossene Volumen. Im Rechner wird als Hilfsinformation angegeben, dass bei eingebautem Rotor in der Regel 110 m³ und ohne Rotor 120 m³ verwendet werden können. Das ist eine gute praktische Erinnerung; aber es ist kein genauer Wert. Selbst bei zwei Generatoren derselben Leistungsklasse können Gehäusevolumen, Kühleranordnung und Innen geometrie unterschiedlich sein. Es muss das Volumen aus dem Herstellerprüfblatt verwendet werden.

Auch das Zeitintervall beeinflusst das Ergebnis direkt. Kurze Tests vergrößern den Messfehler. Beispielsweise kann bei einem 10-minütigen Test ein Ableseunterschied von 1 kPa zu einem großen täglichen Leckagewert werden. Ein stabilerer Test über mehrere Stunden erscheint in der Regel zuverlässiger. Allerdings muss auch hier die Systemtemperatur stabilisiert sein.

Für Anfang und Ende werden jeweils drei Werte erfasst: Statorüberdruck, Atmosphärendruck und Statortemperatur. Diese müssen gleichzeitig oder in sehr kurzer zeitlicher Nähe abgelesen werden. Vor Ort werden manchmal zuerst die Drücke notiert, dann die Temperaturen abgelaufen. Wenn sich die Maschinentemperatur ändert, wirkt sich selbst diese kleine Verzögerung auf das Testergebnis aus.

Bei der Druckeinheit ist Vorsicht geboten. Wenn in das Feld für den Statordruck der absolute Druck eingetragen wird, wird der Atmosphärendruck ein zweites Mal hinzugefügt. Dieser Fehler bläht das Ergebnis auf. Der Rechner erwartet den Statordruck als Überdruck; der Atmosphärendruck wird separat eingegeben.

Auch für die Temperatur ist die Repräsentativität wichtig. Bei großen Gehäusen reicht eine einzelne Temperaturmessstelle manchmal nicht aus. Wenn die Prüfprozedur mehrere Temperaturpunkte vorsieht, sollte die Durchschnittstemperatur oder eine definierte repräsentative Temperatur verwendet werden. Die Bequemlichkeit „wir schreiben 20 °C“ ist nicht immer richtig.

Formel und das 110-m³-Szenario

Die Hauptformel im Rechner hat folgende Struktur:

In dieser Formel gibt \(Q\) die Gasleckrate an. \(V_1\) ist das Statorgasvolumen. \(P_1\) und \(P_2\) sind die Statorüberdrücke zu Beginn und Ende des Tests. \(B_1\) und \(B_2\) sind die Atmosphärendrücke zu denselben Zeitpunkten. \(T_1\) und \(T_2\) sind die Temperaturen zu Beginn und Ende. \(h\) ist die Testdauer.

Nehmen wir an, wir führen einen 1-stündigen Test an einem Generator mit einem Volumen von 110 m³ (mit eingebautem Rotor) durch. Zu Beginn beträgt der Statordruck 300 kPa, der Atmosphärendruck 100 kPa und die Statortemperatur 20 °C. Am Ende beträgt der Statordruck 290 kPa, der Atmosphärendruck wieder 100 kPa und die Temperatur ebenfalls 20 °C. Die erste Kontrolle ist:

Da die Temperatur gleich bleibt, ist dieses Beispiel relativ einfach. Der Druckabfall wird direkt als Gasverlust interpretiert. Aber in der Praxis sind die meisten Tests nicht so sauber. Die Anfangstemperatur kann 23 °C betragen, die Endtemperatur 27 °C. Oder das Gehäuse kühlt während des Tests langsam ab. Deshalb bezieht der Rechner die Temperatur in die Formel ein.

Im gegebenen Testszenario wurden das Statorvolumen 110 m³, die Dauer 7,5 Stunden, die Anfangswerte P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C und die Endwerte P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C eingegeben. Beachten Sie, dass der Endstatordruck höher ist. Trotzdem kann die Gasmengeninterpretation nicht allein anhand des Druckanstiegs erfolgen, da auch die Temperatur gestiegen ist. Dies ist ein gutes Testbeispiel; es hält einen von Routinedenken fern.

Interpretation des Ergebnisses vor Ort

Wenn die Gasleckrate in einen Wert wie m³/Tag umgerechnet wird, werden Tests unterschiedlicher Dauer vergleichbar. Es wäre nicht korrekt, einen 2-Stunden-Test und einen 8-Stunden-Test anhand der nackten Druckdifferenz nebeneinanderzustellen. Das tägliche Leckageäquivalent ist daher nützlich.

Dennoch sollte das Ergebnis nicht allein entscheiden. Die Akzeptanzgrenze ist in der Herstellerprozedur, der Kraftwerksbetriebsanweisung oder dem Wartungsprüfplan festgelegt. Ein für einen Generator akzeptabler Leckagewert kann für eine andere Maschine zu hoch sein. Gehäusevolumen, Wasserstoffbetriebsdruck, Ölversorgungssystem, Kühlerkonfiguration und das Alter der Maschine beeinflussen das Ergebnis.

Wenn im Wasserstoffbetrieb eine hohe Leckage vorliegt, steigt zunächst der Gasverbrauch. Der Bediener erkennt dies am erhöhten Wasserstoff-Nachfüllbedarf. Aber das eigentliche Problem sind Sicherheit und Reinheit. Wenn die Wasserstoffreinheit sinkt, verschlechtert sich die Kühlleistung. Bei Feuchtigkeit entsteht ein für die Isolierung ungünstiges Umfeld. Wenn es Probleme mit der Ölversorgung gibt, kann Wasserstoff in das Ölsystem gelangen oder es können in umgekehrter Richtung Luft-/Gasübertritte auftreten.

Leckstellen werden oft nicht an einem einzigen Ort gesucht. Gekästen, Kühleranschlüsse, Flanschflächen, Mannlochdeckel, Ölversorgungsbereiche, Gas trockneranschlüsse und Messinstrumentenleitungen werden überprüft. Erfahrungsgemäß: Manchmal kommt eine vermeintlich große Leckage aus einer kleinen Instrumentenverschraubung. Manchmal summieren sich alle kleinen Lecks und beeinträchtigen das Systemverhalten.

Die am häufigsten übersehenen Details bei Tests

• Der barometrische Druck wird unterschätzt. Besonders in Kraftwerken in großer Höhe verfälscht diese Gewohnheit das Ergebnis.
• Der Test wird gestartet, bevor sich die Temperatur stabilisiert hat. Wenn das Gehäuse noch aufheizt oder abkühlt, weicht die Berechnung direkt ab.
• Das Statorvolumen wird als Annahme eingegeben. Der Unterschied zwischen 110 m³ und 120 m³ beträgt etwa 9 %; das Ergebnis ändert sich im gleichen Maße.
• Anstelle des Überdrucks wird der absolute Druck eingegeben. Dieser Fehler ist still, aber er verfälscht das Ergebnis.
• Die Anfangs- und Endwerte werden mit unterschiedlicher Sorgfalt abgelesen. Die Zuverlässigkeit eines Tests kommt vor der Formel aus der Messdisziplin.

Kurzes Fazit

Der Dichtheitstest des Generatorstators, insbesondere bei großen wasserstoffgekühlten Generatoren, ist ein sicherer Kontrollschritt vor der Wasserstoffbefüllung. Der Zweck des Tests ist nicht nur, den Druckabfall zu sehen, sondern die Gasleckrate zu berechnen, indem Volumen, Dauer, Atmosphärendruck und Temperatureffekt zusammen abgelesen werden.

Wasserstoff ist ein gutes Kühlmittel, reduziert die Verluste um den Rotor und bietet bei großen Maschinen erhebliche Vorteile. Aber wenn die Leckagekontrolle schwach ist, verwandelt sich dieser Vorteil schnell in ein Sicherheits- und Betriebsproblem. Daher sollte das Testergebnis zusammen mit der Messqualität und den Herstellerakzeptanzgrenzen bewertet werden. Die Formel hilft; die Entscheidung trifft solide Daten.