DE102006027344A1

DE102006027344A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Leckrate eines geschlossenen Gassystems

Info

Publication number: DE102006027344A1
Application number: DE102006027344A
Authority: DE
Inventors: Werner Oppermann; Siegfried Grahl
Original assignee: DRAEGER SAFETY MSI GmbH; Drager Safety Msi GmbH
Current assignee: DRAEGER SAFETY MSI GmbH; Drager Safety Msi GmbH
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: DE102006027344B4

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Leckrate eines geschlossenen Gassystems, welchem über eine Gaszufuhr Gas zugeführt wird, wobei die Gaszufuhr abgesperrt und anschließend zwei Druckfallmessungen durchgeführt werden, wobei bei einer Messung ein Druckabfall im bestehenden Gassystem gemessen wird und für eine andere Messung dem Gassystem ein vorbestimmter Vergleichvolumenstrom entnommen und gleichzeitig der Druckabfall des Gassystems gemessen wird, worauf aus beiden gemessenen Druckabfällen der Leckvolumenstrom bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben, soll so verbessert werden, dass eine möglichst genaue Leckratenbestimmung möglich ist. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass vor der Bestimmung des Leckvolumenstromes die beiden gemessenen Druckabfälle unter Berücksichtigung der durch die während der Gasentnahmen bei den beiden Druckabfallmessungen bedingten Gastemperaturreduzierungen hervorgerufenen zusätzlichen Druckabfälle korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leckrate eines geschlossenen Gassystems, welchem über eine Gaszufuhr Gas zugeführt wird, wobei die Gaszufuhr abgesperrt und anschließend zwei Druckabfallmessungen durchgeführt werden, wobei bei einer Messung ein Druckabfall im bestehenden Gassystem gemessen wird und für eine andere Messung dem Gassystem ein vorbestimmter Vergleichsvolumenstrom entnommen und gleichzeitig der Druckabfall des Gassystems gemessen wird, worauf aus beiden gemessenen Druckabfällen der Leckvolumenstrom bestimmt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Für die sicherheitstechnische Beurteilung von technischen Gasanlagen (Behälter, Rohrleitungen und dgl.) muss vielfach die Dichtigkeit der Anlage bzw. des Systems beurteilt werden. Zu diesem Zweck hat es sich als sinnvoll herausgestellt, den Volumenstrom (= Leckrate) eines ggf. vorhandenen Lecks zu bestimmen. Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt, die sich im apparativen Aufwand stark unterscheiden.

Bei der Konstantdruckmethode wird mittels einer Gasquelle, die Gas mit einem konstanten Druck zur Verfügung stellt, soviel Gas in das System geleitet, wie durch das Leck verlorengeht. Mit einem entsprechenden Sensor wird der Volumenstrom des nachgelieferten Gases gemessen. Besonders nachteilig an diesem Verfahren ist der relativ hohe Aufwand für den Einbau des Sensors. Häufig muss dafür die Gaszufuhrleitung des Systems demontiert und der Sensor bzw. das Messgerät adaptiert werden.

Bei der Druckabfallmethode wird die Gaszufuhr zum System geschlossen und der durch das Leck hervorgerufene Druckabfall gemessen. Dazu wird an beliebiger Stelle des Systems ein Druckmessgerät angeschlossen, mit dem der Druckabfall gemessen werden kann. Dieses Verfahren ist z.B. in dem DVGW-Arbeitsblatt G 624 beschrieben und für die Beurteilung von Leckraten in Erdgas-Versorgungssystemen zugelassen.

Um aus dem gemessenen Druckabfall den Leckvolumenstrom bestimmen zu können, ist es allerdings erforderlich, das Volumen des Gassystems zu kennen. In vielen Fällen ist es jedoch sehr aufwändig, ungenau oder sogar unmöglich, das Volumen zu ermitteln, es kann häufig nur abgeschätzt werden, was zu ungenauen Ergebnissen führt.

Um ohne Kenntnis des Volumens des Gassystems eine Leckrate eines geschlossenen Gassystems bestimmen zu können, ist aus DE 199 42 185 A1 bereits ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden zwei Messungen des Druckabfalls durchgeführt, wobei bei einer Messung dem System gezielt über ein Vergleichsleck ein vorbestimmter und somit bekannter Vergleichsvolumenstrom entnommen wird. Damit werden zwei Druckabfallwerte bestimmt, einmal bei normalem geschlossenen Gassystem und bei der anderen Messung mit dem zusätzlichen Vergleichsleck. Aus diesen beiden Messergebnissen kann nun, ohne das Volumen des Gassystems kennen zu müssen, der gesuchte Leckvolumenstrom grundsätzlich bestimmt werden. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass ein solches Verfahren nicht zuverlässig arbeitet, da es zu ungenaue Messergebnisse mit Fehlern in einer Größenordnung bis zu 25 % liefert. Dieses Verfahren hat sich deshalb auch bisher in der Praxis mangels Genauigkeit nicht durchgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung so zu verbessern, dass eine möglichst genaue Leckratenbestimmung möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor der Bestimmung des Leckvolumenstromes die beiden gemessenen Druckabfälle unter Berücksichtigung der durch die während der Gasentnahmen bei den beiden Druckabfallmessungen bedingten Gastemperaturreduzierungen hervorgerufenen zusätzlichen Druckabfälle korrigiert werden.

Es hat sich herausgestellt, dass bei der Druckabfallmethode für die Leckmessung methodisch bedingte Fehler auftreten, die für die korrekte Ermittlung des Messergebnisses korrigiert werden müssen. Die wichtigste Fehlerquelle ist dabei der Dekompressionseffekt. Bei einem Druckabfall wird nämlich dem Gas Energie entzogen. Dieser Energieentzug führt zu einer Abkühlung des Gases. Durch diese Abkühlung verstärkt sich der Druckabfall, da nicht nur die reduzierte Stoffmenge, sondern auch die reduzierte Temperatur zu einem Druckabfall führt. Das Energiedefizit wird zwar nach kurzer Zeit über die Wandung des Rohres oder Behälters nachgeliefert und die Temperatur steigt (nach dem Ende der Gasentnahme) relativ schnell wieder auf den alten Wert. Während der Messung ist die Gasabkühlung jedoch zu berücksichtigen. Der Druckabfall beinhaltet also grundsätzlich einen Fehler. Bei der Vergleichsleckmethode wird erst der Druckabfall des Lecks gemessen und anschließend der Druckabfall durch Leck und Vergleichsleck. Wenn bei der zweiten Messung das Energiedefizit der ersten Messung noch nicht ausgeglichen ist, führt das zu einem weiteren Fehler bei der zweiten Messung. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb vor, diesen Dekompressionseffekt bei der Auswertung der Messergebnisse zu berücksichtigen, indem aus den gemessenen beiden Druckabfallwerten die allein auf das Leck zurückzuführenden Druckabfälle ermittelt werden. Auf diese Weise ist es somit möglich, sozusagen, um den Temperatureffekt bereinigte Druckabfallwerte zu erhalten, aus denen dann die gewünschte Leckrate des geschlossenen Gassystems bestimmt werden kann.

Zur Berücksichtigung dieses Temperatureffektes ist vorgesehen, dass die durch die Gastemperaturreduzierungen hervorgerufenen zusätzlichen Druckabfälle mit Hilfe der Zustandsgleichung für adiabatische Zustandsänderungen ermittelt werden. So lässt sich aus der Zustandsgleichung für adiabatische Zustandsänderung:

der zusätzliche Druckeffekt ermitteln mit

Die rechnerische Umsetzung dieser adiabatischen Zustandsgleichung kann z.B. numerisch erfolgen.

Ferner ist vorgesehen, dass bei der Korrektur der Zeitablauf der Messung berücksichtigt wird. Bei langer Messdauer findet ein Temperaturausgleich statt, was zum Erhalt genauer Ergebnisse zu berücksichtigen ist. Der Korrekturwert ist bei langer Messdauer entsprechend kleiner.

Um möglichst genaue Messergebnisse zu erhalten, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die beiden Messungen jeweils in einem kurzen Zeitintervall bis zu einem vorgegebenen maximalen Druckabfall durchgeführt werden, wobei der maximale Druckabfall bevorzugt wesentlich kleiner ist als der Überdruck des Gassystems, beispielsweise 5 %, bezogen auf den aktuellen Überdruck. Bei derart geringen Druckabfällen sind die Messergebnisse sehr zuverlässig und die rechnerische Ermittlung des Leckvolumenstromes ist besonders einfach durchführbar. Außerdem finden die Messungen sehr nahe am Betriebsdruck statt und liefern deshalb realistische Ergebnisse.

Um das Verfahren besonders einfach für den Anwender ausführen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Messungen vollautomatisch von einer Steuereinheit durchgeführt werden. Der Anwender muss dann lediglich die Messvorrichtung anschließen und die Gaszufuhr des Systems absperren.

Um auch bei unterschiedlichen Temperaturen möglichst exakte Messergebnisse zu erhalten, ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass von der Steuereinheit eine Temperaturkompensation für die dynamische Viskosität durchgeführt wird.

Besonders vorteilhaft ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass aus den beiden Messungen das volumen des Gassystems ermittelt wird. Dies war bei bisher bekannten Systemen praktisch unmöglich und man war auf Schätzungen des Gasvolumens angewiesen. Die Messgenauigkeit des Verfahrens kann ferner durch Kontrolle an einem bekannten leckfreien Gasvolumen überprüft werden.

Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 vor. Dabei ist das z.B. rohrförmige Durchströmungselement strömungstechnisch so gestaltet, dass ein geeigneter Vergleichsleckvolumenstrom realisierbar ist.

Dabei ist vorzugsweise das Durchströmungselement in das Druckmessgerät integriert, was die Handhabung der Vorrichtung für den Anwender besonders einfach macht.

Zur Durchführung der Messungen ist bevorzugt vorgesehen, dass das Druckmessgerät eine Steuereinheit aufweist, mit welcher die Druckabfallmessungen und die Freigabe des Absperrelementes für das Durchströmungselement automatisch möglich ist.

Besonders bevorzugt ist das Durchströmungselement als Kapillare ausgebildet, da der Strömungswiderstand in einem Kapillarrohr eine hohe Linearität über den Differenzdruckbereich gewährleistet.

Zweckmäßigerweise ist eine Kalibriereinrichtung zur Kalibrierung des Durchströmungselementes vorgesehen. Durch Nebeneffekte (Blendenwiderstand) ergeben sich in der Praxis leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften für verschiedene Differenzdrücke, die sich in einer druckabhängigen Leckkonstanten berücksichtigen lassen.

Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in ein Abgasanalysegerät integriert ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine Prinzipdarstellung eines Gassystems mit Vorrichtung zur Leckratenbestimmung und in
2 ein Diagramm, welches den Druckverlauf nach einem kurzen Druckabfall zeigt.
Ein Gassystem ist in der Zeichnung allgemein mit 1 bezeichnet, es kann z.B. aus einem oder mehreren Behältern und Rohrleitungen bestehen und weist ein Gesamtvolumen V und einen Systemdruck P auf. Das Gassystem 1 beinhaltet eine Gaszufuhrleitung 2 mit einem Absperrventil 3. Das Gassystem 1 kann beispielsweise ein Gasbrenner einer Gasheizung eines Ein- oder Mehrfamilienhauses mit Gaszuleitung und Hausanschlussarmatur (Absperrventil 3) sein.
Das Gassystem 1 weist ein mit 4 angedeutetes Leck auf, durch welches Gas aus dem System austreten kann. Dieses Leck soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden.
Die Vorrichtung zur Bestimung der Leckrate des Gassystems 1 weist dazu zunächst ein Druckmessgerät 5 auf, welches über eine Anschlussleitung 6 an das Gassystem 1 anschließbar ist. Ferner weist die Vorrichtung ein vorzugsweise an dieselbe Anschlussleitung 6 an das Gassystem 1 anschließbares Durchströmungselement 7 auf, das bevorzugt in Form einer Kapillare bzw. eines Kapillarrohres ausgebildet ist. Vorzugsweise am Austritt des Durchströmungselementes 7 ist ein Absperrelement 8 angeschlossen, mit welchem der Austritt des Durchströmungselementes 7 an die Umgebung freigegeben oder verschlossen werden kann. Das Durchströmungselement 7 ist so gestaltet, dass es bei geöffnetem Absperrelement 8 einen im Wesentlichen konstanten bekannten Gasvolumenstrom durchlässt.
Um ein mögliches Leck im Gassystem zu bestimmen, wird die Vorrichtung über die Anschlussleitung 6 an das Gassystem 1 angeschlossen. Anschließend wird das Absperrventil 3 geschlossen, so dass keine weitere Gaszufuhr zum Gassystem 1 erfolgt. Nachfolgend wird bei geschlossenem Absperrelement 8 vom Gasmessgerät 5 ein erster Druckabfallwert bestimmt, nach Bestimmung dieses ersten Druckabfallwertes wird das Absperr element 8 geöffnet, so dass durch das Durchströmungselement 7 der bekannte vorbestimmte Vergleichsgasvolumenstrom austritt. Gleichzeitig wird vom Druckmessgerät 5 erneut ein zweiter Druckabfallwert gemessen, der durch das möglicherweise im System vorhandene Leck 4 sowie durch das das Durchströmungselement 7 realisierte Vergleichsleck hervorgerufen wird.
Um möglichst exakte Messergebnisse zu erhalten, werden verfahrensgemäß die Druckabfälle bei hinreichend kleinen Druckdifferenzen in Relation zum aktuellen Überdruck im Gassystem bestimmt. Praktikabel ist z.B. eine Begrenzung des Druckabfalls auf höchstens 5 % vom aktuellen Überdruck. Bei hinreichend kleinen Druckdifferenzen kann nämlich der Druckabfall P . = dP/dt durch
ermittelt werden, wobei P₁ der Überdruck bei Beginn der Messung, P₂ der Überdruck bei Ende der Messung und Δt die Messzeit ist.
Der so ermittelte Druckabfall P ist jedoch noch fehlerbehaftet, da der vorbeschriebene Dekompressionseffekt zu berücksichtigen ist. Der zeitliche Verlauf des Energieaustausches zwischen dem Gas und der Wandfläche, z.B. der Rohrleitung, findet mit einer Zeitkonstante statt, die von der Gasart, dem absoluten Druck und der Geometrie des Rohrquerschnittes abhängig ist. Sie liegt bei realen Systemen zwischen 2 und 20 sek.. Der Druckverlauf nach einem kurzen Druckabfall ist prinzipiell in 2 dargestellt. Gemessen wird eine tatsächliche Druckabfallgeschwindigkeit, die mit der durchgezo genen Linie bzw. der Kurve A bezeichnet ist. Ohne Dekompressionseffekt wäre jedoch die korrekte Druckabfallgeschwindigkeit die gepunktete Darstellung, d.h. die Kurve, die mit B bezeichnet ist. Die Abweichungen zwischen den beiden Kurven A und B müssen deshalb bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt werden, um korrekte Ergebnisse zu erhalten. Der so ermittelte Druckabfall P . wird deshalb entsprechend korrigiert.
So ergibt sich aus der adiabatischen Zustandsgleichung:
und daraus der zusätzliche Druckeffekt mit
Dieser Druckeffekt ΔP stellt somit den Korrekturwert dar, um nur den auf das Leck zurückzuführenden Druckabfall ohne tem peraturbedingten Dekompressionseffekt zu erhalten.
Aus dem dann unter Berücksichtigung von ΔP ermittelten Druckabfall P und dem Ansatz für den Volumenstrom durch ein Leck: V . = PR·L 4)

V .: Volumenstrom durch das Leck
P_R: Überdruck
L: Leckkonstante

V .: Volumenstrom
V: Volumen
P_a: Absolutdruck
P .: Druckabfall

V ._x: Volumenstrom durch das Leck
L_v: Leckkonstante
P ._vx: Druckabfall mit zusätzlichem Vergleichsleck
P ._x: Druckabfall mit gesuchtem Leck
P_Rvx: Überdruck bei Messung vx
P_Rx: Überdruck bei Messung x

Das unbekannte Volumen kann indirekt berechnet werden mit:

V: Volumen des Gassystems
L_v: Leckkonstante des Vergleichslecks
P_a: Absolutdruck im Volumen
P ._x: Druckabfall mit gesuchtem Leck
P ._vx: Druckabfall bei Messung mit Vergleichsleck
P_Rx: Überdruck bei Messung x
P_Rvx: Überdruck bei Messung mit Vergleichsleck.

Die Leckkonstante L_v des Vergleichslecks lässt sich leicht mit Hilfe eines bekannten Volumens ohne Leck x kalibrieren.

L_v: Leckkonstante des Vergleichslecks
V: bekanntes Volumen
P_a: Absolutdruck im Volumen
P ._v: Druckabfall nur mit Vergleichsleck
P_Rv: Überdruck bei Messung mit Vergleichsleck

Durch Nebeneffekte (Blendenwiderstand) ergeben sich in der Praxis leicht unterschiedliche L_v für verschiedene Differenzdrücke. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Funktion L_v = f(P_Rv) beim Kalibrieren aufzunehmen und bei der Berechnung entsprechend zu verwenden.
Die Leckkonstante L_v wird durch die dynamische Viskosität ⁿ des Gases und die Abmessungen der Kapillare bestimmt. Änderungen von ⁿ durch die Temperatur wirken sich umgekehrt proportional auf L_v aus. Mit Hilfe einer Temperaturmessung an dem Vergleichsleck und der Temperaturabhängigkeit ⁿ = f(T) kann L_v korrigiert werden.
L_v kann mit Hilfe des Verhältnisses der dynamischen Viskosität des Messgases und des Kalibriergases für die Verwendung mit unterschiedlichen Messgasen korrigiert werden:

L_vx: Leckkonstante für Messgas x
L_vk: Leckkonstante für Kalibriergas
ⁿ _k: dyn. Viskosität Kalibriergas
ⁿ _x: dyn. Viskosität Messgas x.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Leckrate eines geschlossenen Gassystems, welchem über eine Gaszufuhr Gas zugeführt wird, wobei die Gaszufuhr abgesperrt und anschließend zwei Druckabfallmessungen durchgeführt werden, wobei bei einer Messung ein Druckabfall im bestehenden Gassystem gemessen wird und für eine andere Messung dem Gassystem ein vorbestimmter Vergleichsvolumenstrom entnommen und gleichzeitig der Druckabfall des Gassystems gemessen wird, worauf aus beiden gemessenen Druckabfällen der Leckvolumenstrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bestimmung des Leckvolumenstromes die beiden gemessenen Druckabfälle unter Berücksichtigung der durch die während der Gasentnahmen bei den beiden Druckabfallmessungen bedingten Gastemperaturreduzierungen hervorgerufenen zusätzlichen Druckabfälle korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Gastemperaturreduzierungen hervorgerufenen zusätzlichen Druckabfälle mit Hilfe der Zustandsgleichung für adiabatische Zustandsänderungen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Korrektur der Zeitablauf der Messung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in einer ersten Messung ein erster Druckabfall im Gassystem gemessen wird und anschließend dem Gassystem ein vorbestimmter Vergleichsvolumenstrom entnommen und gleichzeitig ein zweiter Druckabfall im Gassystem gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messungen jeweils in einem kurzen Zeitintervall bis zu einem vorgegebenen maximalen Druckabfall durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene maximale Druckabfall wesentlich kleiner als der Überdruck des Gassystems ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messungen vollautomatisch von einer Steuereinheit durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuereinheit eine Temperaturkompensation für die dynamische Viskosität durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den beiden Messungen das Volumen des Gassystems ermittelt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Leckrate eines Gassystems zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gassystem eine absperrbare Gaszufuhr aufweist, mit einem an das Gassystem anschließbaren Druckmessgerät zur Messung eines Druckabfalles im Gassystem sowie mit einem zusätzlich über ein Absperrelement an das Gassystem (1) anschließbares Durchströmungselement (7) mit vorbestimmtem Vergleichleckvolumenstrom.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchströmungselement (7) in das Druckmessgerät (5) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmessgerät (5) eine Steuereinheit aufweist, mit welcher die Druckabfallmessungen und die Freigabe des Absperrelementes (8) für das Durchströmungselement (7) automatisch möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchströmungselement (7) als Kapillare ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibriereinrichtung zur Kalibrierung des Durchströmungselementes (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese in ein Abgasanalysegerät integriert ist.