DE19521018A1 - Rohrleitungssystem, insbesondere für die Übertragung von Fernwärme - Google Patents

Rohrleitungssystem, insbesondere für die Übertragung von Fernwärme

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Description

Rohrleitungssysteme für die Übertragung von Fernwärme oder sonstigen flüssigen Medien sind bekannt. Sie enthalten meist ein das Medium führendes Innenrohr, ein das Innenrohr mit Abstand umgebendes Außenrohr sowie Füllmaterial im Raum zwischen den beiden Rohren zur Wärmedämmung. Das Füllmaterial besteht beispielsweise aus Polyurethan.
Undichte Stellen im Rohrleitungssystem können Energieverluste, aber auch weitreichende Schäden verursachen. Es ist daher üblich, solche Rohrleitungssysteme ständig zu überwachen. Zur Detektion und Ortung von Undichtigkeiten am Innenrohr ist es bekannt, Sensorelemente direkt in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr, also in die Wärmedämmung einzubringen. Solche Sensoren sind auf die verwendete Meßtechnik abgestimmt. Sie enthalten im wesentlichen elektrische Leiter. Bei einer Undichtigkeit des Innenrohres dringt Flüssigkeit in den Zwischenraum ein. Die dadurch verursachte Feuchtigkeit wird durch den Sensor ermittelt. Durch elektrische Messung der Leitfähigkeit oder erhöhten Leitfähigkeit des an sich nicht oder schlecht leitenden, aber durch die Feuchte leitend gewordenen Füllmaterials kann die undichte Stelle detektiert und geortet werden. Für die Detektion und Ortung solcher undichten Stellen sind unterschiedliche Systeme und Verfahren mit meist zwei Leitern bekannt und üblich.
Bei einem ersten Meßverfahren mit einer Widerstandsmeßbrücke werden zwei elektrische Leiter verwendet. Ein Leiter besteht aus Nickelchrom (NiCr) und ist mit 5,6 Ohm/meter relativ hochohmig, hat also einen großen spezifischen Widerstand. Die Ortung der undichten Stelle erfolgt nach dem Widerstandsmeßverfahren, indem der ohmsche Widerstand zwischen diesem NiCr-Leiter und einem niederohmigen zweiten Leiter, leitfähigen Rohr oder Erde gemessen und nach dem Prinzip des unbelasteten Spannungsteilers die Lage der Fehlerstelle ermittelt wird. Dieses Verfahren ist vorteilhaft bei der Bauüberwachung, ermöglicht eine präzise, frühzeitige Ortung und zeigt vorzugsweise die Quelle des Fehlers an. Im folgenden wird dieses bekannte Verfahren abgekürzt Widerstandsortung genannt.
Bei einem zweiten Meßverfahren wird die undichte Stelle durch Messung der Laufzeit eines Impulses geortet, der an der niederohmig gewordenen nassen Stelle reflektiert wird. Bei diesem Meßverfahren werden als Sensoren zwei niederohmige unisolierte Kupferdrähte verwendet. Die Ortung erfolgt dabei zwischen Leiter und Rohr. Dieses Verfahren ist vorteilhaft bei einer relativ späten Ortung, wenn der Fehler also schon weit fortgeschritten ist, also bei schon sehr feuchten Fehlerstellen und starken Schadensbildern und zeigt vorzugsweise die Grenzen des Schadens an. Im folgenden wird dieses bekannte Verfahren abgekürzt Laufzeitortung genannt.
Die beiden beschriebenen Meßverfahren beruhen auf unterschied­ lichen Prinzipien. Das erste Meßverfahren eignet sich mehr für weniger feuchte Fehlerstellen und hat eine Einsatzgrenze in Richtung sehr feuchter Fehlerstellen. Das zweite Meßverfahren eignet sich besonders für sehr feuchte Fehlerstellen und hat eine Einsatzgrenze hin zu weniger feuchten Fehlerstellen. Beide Meßverfahren werden bisher je nach Anwenderwunsch alternativ eingesetzt. Die Sensoren für die beiden Meßverfahren müssen nahezu entgegengesetzte Bedingungen erfüllen, nämlich einmal niederohmig und einmal hochohmig sein.
Es ist ein Rohrleitungssystem bekannt (DE 41 24 640 A1), mit dem die Vorteile beider Meßverfahren kombiniert werden können. Dieses Rohrleitungssystem enthält drei Leiter unterschiedlicher Widerstände und daher Leitungsmaterialien. Für einen Leiter wird beispielsweise NiCr verwendet und für die beiden anderen Leiter blankes Kupfer bzw. isoliertes Kupfer. Eine Einigung auf dieses System steht noch aus.
Eine Herstellergruppe hat einen Standard für alle Beteiligten vorgeschlagen (FWI 9/94), der künftig nur noch zwei Kupferleiter für den Sensor vorsehen soll. Dieser Standard mag für die Laufzeitortung nützlich sein, für die Widerstandsortung ist er nahezu ungeeignet. Gerade diese Meßtechnik bietet aber beträchtliche Vorteile, wie vorstehend erläutert. Der neue Vorschlag ist daher auf erhebliche Kritik gestoßen (Energie & Management 12/94, Seiten 28-31).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohrleitungssystem mit Sensoren aus elektrischen Leitungen im Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr zu schaffen, das im einfachsten Fall mit zwei Leitungen auskommt und damit die alternative Anwendung beider Meßverfahren, also des ersten und zweiten Meßverfahrens, mit einem einzigen Sensorsystem ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen definiert.
Im Prinzip besteht die Erfindung darin, daß als Material der Sensorleitung eine Legierung verwendet wird, die einen solchen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TK) hat, die einen weitgehend konstanten Temperaturkoeffizienten (TK) hat, und die einen Widerstand hat, der einerseits so klein ist, daß mit der Leitung die Laufzeitortung durchgeführt werden kann und der andrerseits so groß ist, daß die Widerstandsortung durchführbar ist. Die Bemessung ist so gewählt, daß Übergangswiderstände (Rü) keinen Einfluß haben. Das ist der Fall, wenn Rü < RSensor, bezogen auf eine Länge von z. B. 10 cm.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für die Wider­ standsortung dann Leiter mit vergleichsweise niedrigem Wider­ standswert eingesetzt werden können, wenn dieser Leiter einen kleinen und weitgehend konstanten Temperaturkoeffizienten hat.
Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel ist das Material des Sensorleiters eine Kupfer-Nickel-Legierung. Der Leiterquerschnitt betrug 1,0 mm². Der Widerstandswert für diesen Leiter (CuNi10) betrug 0,15 Ohm je Meter, also etwa ein vierzigstel des Widerstandes des bisher verwendeten Widerstandsdrahtes NiCr 8020. Der Temperaturkoeffizient für diese Legierung ist zwar etwa 4× so groß wie für den bisher für die Widerstandsortung verwendeten Widerstandsdraht NiCr 8020, beträgt aber nur ein zehntel des Wertes der bisher für die Laufzeitortung verwendeten Kupferleitungen. Für die Widerstands­ ortung ist dieser Sensorleiter vorzugsweise mit einer perforier­ ten Isolierung versehen, weil dies die Auflösung der Meßwerte erhöht. Im Grenzfall kann aber auch ein blanker Sensorleiter verwendet werden. Die zweite Ader, die Rückführader, kann aus einem isolierten Kupferdraht bestehen. Für die Lösung der Aufga­ be, ein System für beide Ortungsverfahren zu schaffen, hat sich eine Rückführader mit einem Querschnitt bewährt, der größer ist als der der Sensorleitung, beispielsweise 2,5 mm². Dadurch wird bezüglich der Widerstandsortung eine günstige Widerstandspro­ portion von Sensor- zur Rückführader erreicht, ohne dem Sensor­ leiter einen an sich erwünschten größeren Widerstand zuzuordnen.
Neben der bereits erprobten CuNi10 Legierung kommen für den Sensorleiter alle jene Materialien in Betracht, die bei geeignetem Querschnitt einen Gleichstrom-Widerstandswert 0,1<x<1,1 Ohm/m haben und einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 500 10-6/K.
Das soweit geschilderte Ausführungsbeispiel kann mit gutem Ergebnis hinsichtlich der Widerstandsortung mit Leitungslängen von 1000 m arbeiten. Für Laufzeitortung kann es zur Überwachung für beliebige Längen eingesetzt werden. Beispielsweise ist für den Bereich von 1000 bis 300 Meter eine Vorortung und für den Bereich von 300 bis 0 Meter eine Feinortung möglich. Für die Feinortung bei Laufzeitortung war auch bisher schon alle 250 m ein Prüfpunkt vorgesehen. Mit der erfindungsgemäßen Sensorlei­ tung können künftig nicht nur beide Ortungsverfahren wahlweise verwendet werden. Es wird künftig auch möglich sein, beide Ortungsverfahren zur Erhöhung der Aussagekraft einanderergänzend zugleich oder nacheinander oder abwechselnd einzusetzen. Das kann beispielsweise für automatisch arbeitende Meßgeräte durch alternative vorbestimmte Einschaltung beider Verfahren gesche­ hen. Die Lösung gemäß der Erfindung ist daher praxisorientiert und darüberhinaus robust. Die Leiter aus einem mit perforierter Isolierung versehenen massiven Runddraht können in bewährter Weise längswasserdicht ausgebildet werden. Eine Stabilisierung der Meßleitungen (Sensor/Rückführader) durch Verdrillung der beiden Adern ist wegen etwa gleicher mechanischer Eigenschaften problemlos möglich. Es ist aber auch möglich, den Wechselstrom­ widerstand der Sensorleitung durch Verwendung von Litzen noch weiter herabzusetzen und dann Prüfpunkte alle 1000 m einzu­ setzen. Für die Erzielung eines längswasserdichten Sensorleiters mit perforierter Isolierung müssen dann allerdings einige Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann das für die Lötung erforderliche Lotmittel in das Litzenmaterial integriert und zugleich als Lot- und Dichtungsmittel verwendet werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in
Fig. 1 den Querschnitt einer Fernwärmeleitung mit Innenrohr, Außenrohr und Sensor,
Fig. 2 eine Widerstandsmeßbrücke mit Rohr und zwei Sensor- Leitungen,
Fig. 3 eine Isolationsmessung zu Fig. 2,
Fig. 4 eine Laufzeitmeßeinrichtung mit Rohr und zwei Sensor- Leitungen.
In Fig. 1 ist ein Rohrleitungssystem mit dem Querschnitt einer Fernwärmeleitung R dargestellt, die ein Innenrohr 1, ein Außenrohr 2 und einen Sensor 4 enthält. Der Zwischenraum zwischen Innenrohr 1 und Außenrohr 2 ist mit einem bei der Einfüllung möglichst trockenen Füllmaterial 3, z. B. einem Polyurethan (PU), gefüllt. Der Sensor 4 ist im Füllmaterial 3 angeordnet und besteht aus einer Cu-Ni-Legierung mit einem im wesentlichen konstanten und kleinen Temperaturkoeffizienten sowie einem Widerstandswert von etwa 0,15 Ohm/m, das ist ein Wert, der die Laufzeitmessung gerade noch erlaubt und für die Widerstandsmessung ausreichend groß ist.
Fig. 2 zeigt ein Meßverfahren mit Ortung durch eine Widerstandsmeßbrücke. Eine Spannungsquelle 5 ist zwischen den Anfang A der Sensorleitung 4 und das Ende E der Rückführader 6 geschaltet, die beide am quellenfernen Abschluß 7 des Innenrohres 1 miteinander verbunden sind. Ein Spannungsmeßgerät 8 ist zwischen den Anfang A der Sensorleitung 4 und den Anfang des Innenrohres 1 geschaltet. Im Falle einer undichten Stelle F wird ein Fehlerwiderstand RF zwischen Sensorleitung 4 und Innenrohr 1 wirksam. Damit der Ort des Fehlerwiderstandes genau geortet werden kann, muß die Sensorleitung stets durch die Feuchte kontaktierbar sein, also blank oder mit perforierter Isolation versehen sein. Aus den Widerstandswerten R1, R2 der Teilleitungen, dem Gesamtwiderstand Rges der Sensorleitung 4 läßt sich der Ort des Fehlers bestimmen.
In Fig. 3 ist gezeigt, wie durch andere Schaltung des Meßgerätes 8 die Isolation zwischen Innenrohr 1 und Sensorleitung 4 überprüfbar ist. Hierzu bedarf es keiner Rückführader 6. Im Falle einer undichten Stelle des Innenrohres ändert sich der Isolationswiderstand von beispielsweise 10 MOhm auf 10 kOhm, die vom Meßgerät 8 angezeigte Spannung von 0 Volt auf 24 Volt.
In Fig. 4 ist eine Ortung durch eine Laufzeitmessung darge­ stellt. Zwischen den Anfang des Innenrohres 1 und den Anfang A der Sensorleitung 4 ist ein Impulsgenerator 10 geschaltet. Parallel dazu die Ablenkplatten eines Oszillographen 11. Bei intaktem Innenrohr 1 und trockener Isolation 3 ist die Anpassung perfekt und Impulse werden dicht reflektiert. Sobald durch eine undichte Stelle im Innenrohr 1 der Widerstand RF der Fehlerstelle klein wird, werden Impulse an der Sprungstelle reflektiert. Der Oszillograph zeigt dann die Differenz zwischen der Lage des abgehenden Impulses und des zum Anfang A rückkehrenden Impulses. Der Abstand der Impulse ist ein Maß für die Lage der Fehlerstelle.
Eine für beide Meßverfahren geeignete Sensorleitung 4 muß also zwei in sich gegensätzliche Anforderungen erfüllen. Zur Erfüllung der gegensätzlichen Anforderungen wird ein Material ausgewählt, mit dem das Anforderungsprofil für das Widerstands­ ortungsverfahrens einerseits und das Anforderungsprofil des Laufzeitverfahrens andererseits befriedigend erfüllt werden. Das ist für einen Sensorleiter aus dem Material CuNi10 der Fall. Ein Leiter aus dieser Legierung hat nämlich trotz eines vergleichs­ weise zu Kupfer höheren Gleichstromwiderstandes einen für die Laufzeitmessung genügend niedrigen Hochfrequenzwiderstand. Das ist bedeutsam, weil bei den beiden Meßverfahren zu unter­ scheiden ist zwischen dem elektrischen Gleichstromwiderstand RDC der bei der Widerstandsortung gemessen wird, und dem wirksamen Wechselstromwiderstand RAC, der bei der Laufzeitortung zu beachten ist. Schon bei einem Sensorleiter aus massivem CuNi10 beträgt der Wechselstromwiderstand RAC nur etwa ein achtel des entsprechenden Wertes eines Widerstandsdrahtes. Durch die Konstruktion einer Sensorleitung mit verringertem Skin-Effekt, beispielsweise als litzenförmiger Leiter, wird der Widerstand RAC auf einen Wert herabgesetzt, der nur unwesentlich über dem entsprechenden Wert von Kupfer liegt. Es kann also wenigstens ein Material verwendet werden, das für die kompatible Verwendung desselben Sensorleiters für beide Meßverfahren geeignet ist. Die folgende Tabelle zeigt für verschiedene Materialien die Widerstandswerte RDC und RAC, wobei für die Legierung CuNi10 einerseits ein Massivleiter und andrerseits eine Litze 30×0.25 verwendet wurde. Die Massivleitungen hatten für diese Messung einen Durchmesser von 1,5 mm². Die Temperaturkoeffizienten betragen für
Kupfer 3000 × 10-6/K
NiCr8020 100 × 10-6/K
OuNi10 400 × 10-6/K
Die elektrischen Widerstandswerte für die einzelnen Leiter sind:
Bei der Impulsmeßtechnik werden hochfrequente Signale erzeugt und verwendet, bei denen es im Leiter zu einer Stromverdrängung an den äußeren Leiterrand kommt (Skin-Effekt) . Das bedeutet, daß der wirksame Wechselstromwiderstand RAC je nach verwendeter Frequenz, Leiterdurchmesser und Leiterart (massiver Draht oder Litze) einen anderen Wert annehmen kann. Für die vorstehende Tabelle wurde eine Frequenz von 10 MHz zugrundegelegt.
Der Werkstoff CuNi10 hat zwar gegenüber dem bisher für die Widerstandsortung üblichen Material NiCr8020 einen deutlich geringeren spezifischen Widerstand, doch ist dieser Widerstand noch ausreichend groß gegenüber dem unerwünschten Einfluß von Verbindungsstellen, Zuführungsleitungen und dergleichen. Evtl. noch verbleibende unerwünschte Einflüsse können weiterhin verringert werden durch entsprechende Wahl der Querschnitte. Der Temperaturkoeffizient von CuNi10 ist zwar größer als der von NiCr8020, liegt aber noch in der selben Größenordnung. CuNi10 und Legierungen mit ähnlichen elektrischen Daten in der Form von Massivdrähten oder Litzen sind als Sensorleiter für kompatible Verwendung bei beiden Meßverfahren geeignet.
Sensoren mit Litzenleitern sollten mit einem geeigneten Material zur Erzielung der Längswasserdichtigkeit getränkt werden. Das Material kann ein sowieso erforderliches Lot sein. Die Isolierung sollte temperaturfest sein (z. B. PTFE). Sensoren können alternativ mit Poren und/oder geschlossener leitfähiger Isolierung (z. B. Kohlenstoff dotiert) versehen sein. Die Perforation ist wenigstens für die bessere Auflösung der Meßergebnisse vorteilhaft.
Bei Meßleitungen, die zur Erhöhung der Stabilität oder aus anderen Gründen verdrillt werden, kann der erhöhte Widerstand der durch die Verdrillung längeren Leitung durch Erhöhung des Querschnitts der Leiter wieder reduziert werden.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß ein Leitertyp für alle Arten von Meßverfahren mit Sensorleitern einsetzbar ist. Das bringt den weiteren Vorteil für die Hersteller der Fernwärme­ leitungen, daß nicht schon bei der Herstellung der Fernwärme­ leitung entschieden werden muß, welches Meßverfahren einzusetzen ist. Vielmehr können alle diese Meßverfahren später alternativ oder sequentiell eingesetzt werden. Dadurch werden die Lager­ haltung für die Sensoren vereinfacht und die Fertigungsabläufe und Kontrollen rationalisiert. Schließlich kann die Messung entsprechend dem jeweiligen Feuchtegrad des möglichen Fehlers gewählt und die Genauigkeit der Ortung verbessert werden. Das schließt auch den Einsatz beider Meßverfahren für eine Fehler­ stelle ein, um die Kosten einer evtl. Reparatur zu minimieren. Ein Schaden ist im allgemeinen nämlich teurer als die Kosten der zu ersetzenden Materialien. Bei automatischem Meßablauf mit z. B. sequentieller Einschaltung der jeweiligen Meßschaltung können die durch die beiden Meßverfahren erzielten Ergebnisse nebeneinander auf einem Datenstreifen abgebildet werden.

Claims (18)

1. Rohrleitungssystem mit einem ein Medium führenden Innenrohr, einem das Innenrohr mit Abstand umgebenden Außenrohr sowie Füllmaterial im Raum zwischen den beiden Rohren zur Wärmedämmung, sowie mit einem eine Sensorleitung enthaltenden System zur Detektion und Ortung von Undichtigkeiten, insbesondere für die Übertragung von Fernwärme, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Sensorleitung (4) eine Legierung verwendet wird, die einen solchen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TK) hat, die einen weitgehend konstanten Temperaturkoeffizienten hat und die einen Widerstand hat, der einerseits so klein ist, daß mit der Sensorleitung (4) die Laufzeitmessung durchgeführt werden kann und die andrerseits so groß ist, daß das Widerstandsmeßverfahren durchführbar ist.
2. Rohrleitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Sensorleitung (4) eine Kupfer-Nickel- Legierung ist.
3. Rohrleitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Sensorleitung (4) eine Kupfer-Nickel- Legierung der Type CuNi10 ist.
4. Rohrleitungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorleitung (4) eine blanke Leitung verwendet wird.
5. Rohrleitungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorleitung (4) eine isolierte Leitung verwendet wird, bei der die Isolierung leitfähig oder perforiert ist.
6. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorleitung (4) eine Litzenleitung verwendet wird.
7. Rohrleitungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorleitung (4) eine Litzenleitung mit mehr als 20, insbesondere 30 Litzen verwendet wird.
8. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorleitung (4) längswasserdicht ausgebildet ist, insbesondere durch das Lot-Mittel.
9. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sensorleiter (4) Materialien verwendet werden, die bei geeignetem Querschnitt einen Gleichstrom-Widerstandswert 0,1<×<1,1 Ohm / m haben und einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 500 10-6/K.
10. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Widerstandsortung und für die Laufzeitortung Leitungslängen von vorbestimmter Länge zugrundegelegt werden, insbesondere von je 1000 m, und daß für die Laufzeitortung die Leitungen vorbestimmter Länge in zwei Teil-Längen für eine Vorortung und eine Feinortung aufgeteilt werden, wobei der Verbindungspunkt der beiden Teillängen als Prüfpunkt ausgebildet ist.
11. Rohrleitungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von 1000 Meter bis 300 Meter die Teil-Leitung für die Vorortung und im Bereich von 300 Meter bis 0 Meter die Teil-Leitung für die Feinortung vorgesehen ist.
12. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sensorleitung (4) und/oder die Rückführleitung beide Ortungsverfahren wahlweise anschließbar sind.
13. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die eine Umschaltung der Sensorleitung (4) und/oder der Rückführleitung auf eines der Mittel für die Durchführung des Widerstands- und/oder des Laufzeit-Ortungsverfahrens ermöglichen.
14. Rohrleitungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ortungsverfahren zur Erhöhung der Aussagekraft einander ergänzend nacheinander oder abwechselnd wirksam geschaltet werden.
15. Rohrleitungssystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ortungsverfahren automatisch und vorbestimmt eingeschaltet werden.
16. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor-Leitung (4) und Rückführleitung miteinander verdrillt sind, und daß der erhöhte Widerstand der durch die Verdrillung längeren Leitung durch Erhöhung des Querschnitts der Leiter wieder reduziert werden.
17. Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführader eine isolierte Kupferleitung mit einem Durchmesser ist, der größer ist als der Durchmesser der Sensorleitung, insbesondere 2,5 mm².
18. Sensorleitung für ein Rohrleitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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