DE19522358C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Leckageüberwachung bei der Befüllung einer elektrischen Maschine mit einem Füllgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leckageüberwa­ chung bei einer Befüllung einer elektrischen Anlage mit Füll­ gas, welche Vorrichtung eine Zuleitung, über die Füllgas von einem Gasreservoir in die elektrische Maschine führbar ist, aufweist und die eine Regeleinrichtung zur Regelung des Volu­ menstroms des Füllgases besitzt. Die Erfindung betrifft wei­ terhin ein Verfahren zur Leckageüberwachung bei einer Befül­ lung einer elektrischen Maschine.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren für eine dynamoelektrische Großmaschine, beispielsweise einen Turbogenerator, bei der als Kühlmittel das Füllgas Wasserstoff eingesetzt ist.

Im Hinblick auf die Problematik der Leckerkennung sind in un­ terschiedlichen Bereichen der Technik verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist in einem Kurzauszug zur JP 3-148 0 315 A1 in Patents abstracts of Japan, P-1255, 24.09.1991, Vol. 15, No. 376 ein Verfahren zur Leckerkennung und Erkennung der Änderung in Druck- und Durchflußmenge eines Fluidspeisesystems angegeben.

Dieses nicht näher spezifizierte Fluidspeisesystem weist Durchflußmesser und Druckmesser auf, die vorab mittels hochpräziser Meßinstrumente kalibriert werden. Die Kalibrierwerte werden gespeichert und zur Korrektur der Ausgangssignale des Durchflußmessers und des Druckmessers verwendet. Bei dem Ver­ fahren zur Detektion einer Leckage wird bei einer Mehrzahl von Speisefluidtanks für jeden Tank der Wert des Druckes bzw. der Menge an Fluid vor und nach einer Änderung durch den Druckmesser bzw. den Durchflußmesser bestimmt. Die so be­ stimmten Werte der unter gleichen Betriebsbedingungen gehal­ tenen Tanks werden verglichen und aus dem Vergleich der Werte auf eine Leckage geschlossen. Hierzu ist es erforderlich, daß die Tanks unter gleichen Betriebsbedingungen stehen, die Meß­ geräte vorab kalibriert werden und eine Mehrzahl von Tanks vor­ handen sind, so daß aus einer Abweichung der Druck- und Durchflußwerte zwischen den Tanks auf eine Leckage geschlössen werden kann.

In der US-PS 4,776,206 ist hingegen ein Verfahren zur Lecker­ kennung in einem Hohlraum beschrieben, bei dem der Hohlraum mit einem unter einem vorgegebenen Druck stehenden Gas beauf­ schlagt und die Gasströmung in den Hohlraum hinein gemessen wird. Die Leckerkennung erfolgt anhand der Strömungsdaten des Gases, welches unter einem konstanten Druck in den Hohlraum hineinströmt. Die US-PS 4,776,206 bezieht sich auf die Leck­ erkennung für eine Endprüfung von Kühlschränken, wobei die Endprüfung als schnelle Prüfung einer großen Menge von Kühl­ schränken durchgeführt wird.

In der DE 44 10 234 C1 ist ein Verfahren zur Prüfung der Dichtigkeit eines Abgasmeßgerätes kleinen Volumens mit einer daran angeschlossenen Meßsonde beschrieben. Aufgabe ist es hierbei, das Volumen der Meßsonde bei einer Dichtigkeits­ prüfung einzuschließen sowie eine Manipulation bei der Dich­ tigkeitsprüfung auszuschließen. Die Dichtigkeitsprüfung be­ steht darin, daß in dem Abgasmeßgerät ein Unterdruck aufge­ bracht wird, und das Unterdruck-Zeitverhalten mit einem Refe­ renz-Unterdruck-Zeitverhalten verglichen wird. Das Verfahren wird durchgeführt, wenn das Abgastestgerät nicht im Einsatz ist.

Aufgrund geltender Vorschriften und Normen wird zwar während des Betriebes von mit Füllgas befüllten elektrischen Maschi­ nen, insbesondere mit Wasserstoff gekühlten dynamoelektri­ schen Großmaschinen, eine Überwachung der Menge des Füllgases durchgeführt. Hierbei wird in der Regel über einen in der Zeitdauer von 24 Stunden gemessenen Volumenstrom die Menge des Füllgases in der elektrischen Maschine bestimmt. Eine Be­ füllung der elektrischen Maschine erfolgt ohne Überwachung in der Regel, bis ein vorgegebener maximaler Fülldruck erreicht ist, wobei davon ausgegangen wird, daß bei Erreichen dieses maximalen Fülldruckes auch die erforderliche Menge an Füllgas in der elektrischen Maschine eingebracht ist. Mögliche Lecka­ gen innerhalb des Befüllungssystems sowie der elektrischen Maschine werden dabei weder berücksichtigt, noch werden sie erkannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Er­ kennung von Leckagen während einer Befüllung einer elektri­ schen Maschine mit einem Füllgas anzugeben. Eine weitere Auf­ gabe der Erfindung besteht darin, ein entsprechendes Verfah­ ren zur Leckageüberwachung und Leckageerkennung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Auf­ gabe zur Leckageüberwachung bei einer Befüllung einer elek­ trischen Maschine mit Füllgas dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung eine Zuleitung, über die Füllgas von einem Gasre­ servoir in die elektrische Maschine führbar ist, eine Regel­ einrichtung zur Regelung des Volumenstroms des Füllgases, ei­ ne Druckmeßeinrichtung zur Messung des Fülldruckes in der elektrischen Maschine sowie eine Vergleichseinheit vorgesehen sind, wobei der Vergleichseinheit während der Befüllung Meßwerte des Fülldruckes und des Volumenstroms zuführbar sind und in ihr die Bestimmung einer eindeutigen Beziehung zwischen Fülldruck und zugeführter Menge an Füllgas sowie ein Vergleich dieser Meßwerte mit Referenzwerten statt­ findet. Das Füllgas dient bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Kühlmedium. Über eine während der Befüllung stattfindende Erfas­ sung sowohl des Fülldruckes als auch des Volumenstroms des zugeführten Füllgases sind zu jedem Zeitpunkt der Befüllung Meßwerte über die der elektrischen Maschine zugeführten Menge an Füllgas sowie des Fülldruckes vorhanden, anhand derer über einen Vergleich mit Referenzwerten nicht nur prinzipiell eine Leckage sondern auch die Größe der Leckage erfaßt werden kann. Die Referenzwerte sind vorzugsweise bei einer Referenz­ befüllung ermittelt worden, wie beispielsweise einer Erstbe­ füllung der elektrischen Maschine, bei der ein Zusammenhang zwischen Fülldruck und eingefüllter Menge an Füllgas im Rah­ men der Meßgenauigkeit verwendeter Meßapparaturen exakt gege­ ben ist.

Vorzugsweise ist die Vergleichseinheit daher mit einer Spei­ chereinheit verbunden, in der eine Referenzkennlinie einer Referenzbefüllung gespeichert ist. Die Referenzkennlinie ordnet in bekannter Weise einen aktuellen Wert eines Füll­ drucks eindeutig die Menge des in die elektrische Maschine eingefüllten Füllgases zu, wobei die Befüllung mit einem kon­ stanten Volumenstrom des Füllgases erfolgt. Für unterschied­ liche Volumenströme ergibt sich hierbei jeweils eine entspre­ chende Referenzkennlinie. Durch Messung des Volumenstroms und des Fülldruckes zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ist durch Multiplikation des gemessenen Volumenstroms und der seit Be­ ginn des Füllvorgangs verstrichenen Zeit die Menge des der elektrischen Maschine zugeführten Füllgas bestimmbar. Hieraus ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Fülldruck und Menge des zugeführten Füllgases.

Um eine Leckageüberwachung bei Füllvorgängen mit unter­ schiedlichen jeweils konstanten Volumenströmen des Füllgases zu erreichen, ist vorzugsweise in der Speichereinheit eine Schar von Referenzkennlinien für unterschiedliche jeweils konstante Volumenströme gespeichert. Je nach gewähltem Volu­ menstrom erfolgt dann in der Vergleichseinheit automatisch eine Auswahl der zu dem Volumenstrom zugehörigen Referenz­ kennlinie, so daß die gemessenen Werte jeweils mit den ent­ sprechenden Referenzwerten verglichen werden und somit sicher eine Leckage während der Befüllung erkannt wird.

Vorzugsweise erfolgt eine Erkennung der Leckage dadurch, daß durch Vergleich der Meßwerte mit den Referenzwerten eine Ab­ weichung zwischen diesen bestimmt wird, wobei durch eine Mel­ deeinrichtung bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwell­ wertes der Abweichung eine Meldung erfolgt und/oder die Be­ füllung unterbrochen wird. Hierdurch wird einerseits das War­ tungspersonal über das Vorhandensein einer Leckage infor­ miert sowie andererseits eine automatische Unterbrechung der Befüllung gewährleistet. Dies ist insbesondere bei Befüllung eines Turbogenerators mit Wasserstoff von großem Interesse, da austretender Wasserstoff mit dem in der Atmosphäre befind­ lichen Sauerstoff ein explosives Gemisch bilden könnte. Durch eine automatische und frühzeitige Unterbrechung der Befüllung mit Wasserstoff kann die Bildung eines explosiven Wasser­ stoff-Sauerstoff-Gemisches sicher unterbunden werden.

Die auf ein Verfahren zur Leckageüberwachung bei einer Be­ füllung einer elektrischen Maschine mit Füllgas gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Fülldruck der elektri­ schen Maschine und die der elektrischen Maschine zugeführte Menge an Füllgas bestimmt und mit Referenzwerten des Füll­ drucks und der zugeführten Menge verglichen werden sowie bei Vorliegen einer einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten­ den Differenz zwischen den während der Befüllung bestimmten Werten und den Referenzwerten eine Alarmanzeige abgegeben und/oder die Befüllung unterbrochen wird. Das Füllgas dient hierbei bei einem Betrieb der elektrischen Maschine des Kühlmediums. Die Menge des der elektrischen Maschine zugeführten Füllgases wird vorzugsweise an einer Vielzahl von Zeitpunkten bestimmt. Dies wird vor­ zugsweise so durchgeführt, daß die Befüllung mit einem kon­ stanten Volumenstrom stattfindet und aus einer zeitlichen In­ tegration des Volumenstroms die zu dem jeweiligen Zeitpunkt zugeführte Menge an Füllgas bestimmt wird. Durch gleichzei­ tige Messung des Fülldruckes wird hieraus eine eindeutige Be­ ziehung zwischen Fülldruck und zugeführter Menge an Füllgas erhalten. Durch Vergleich mit einer Referenzkennlinie, die aus einer Referenzbefüllung mit dem selben konstanten Volu­ menstrom erhalten wurde, kann bei jedem gemessenen Fülldruck sowohl die zugehörige Referenzmenge als auch die tatsächlich gemessene Menge miteinander verglichen werden. Ergibt der Vergleich eine Differenz zwischen der Referenzmenge und der tatsächlich bestimmten Menge, so kann im Rahmen der Meßgenau­ igkeit bei der Durchflußmessung sowie der Druckmessung nicht nur das Vorhandensein einer Leckage sondern auch die Größe der Leckage bestimmt werden.

Anhand der schematischen Zeichnung wird eine Vorrichtung zur Leckageüberwachung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Leckageüberwachung bei der Befüllung einer elektrischen Maschine mit Füllgas und

Fig. 2 schematisch und nicht maßstäblich den Verlauf von Kennlinien zwischen Druck und zugeführter Menge bei der Befüllung einer elektrischen Maschine.

Fig. 1 stellt eine elektrische Maschine 1, die aus einem Gasreservoir 2 mit einem Füllgas, insbesondere Wasserstoff, befüllt wird dar. Das Gasreservoir 2 ist im einfachsten Fall eine Gasflasche oder eine Batterie aus Gasflaschen mit ent­ sprechender Anschlußvorrichtung, oder ein dem gegenüber be­ liebig aufwendigeres System, welches im übrigen auch die Mög­ lichkeit zur Rückgewinnung von Füllgas, welches aus der elek­ trischen Maschine 1 verlorengegangen ist, bieten kann. Zwi­ schen dem Gasreservoir 2 und der elektrischen Maschine 1 ist zur Zuführung des Füllgases eine Zuleitung 3 vorgesehen, die eine Meßanordnung in Form eines Durchflußmessers 4, zwei Ab­ sperrventile 5a, 5b, und ein Regelventil 6 aufweist. Das Re­ gelventil 6 und der Durchflußmesser 4 sind jeweils mit einer Regeleinrichtung 7 und mit einer Vergleichseinheit 15 verbun­ den. Der Durchflußmesser 4 meldet die Durchflußwerte, die er mißt, an die Regeleinrichtung 7, die ihrerseits entsprechend das jeweils zugehörige Regelventil 6 einstellt, so daß ein konstanter Volumenstrom erreicht wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Steuerung des Durchflusses von Füllgas durch die Zuleitung 3. Die Zuleitung 3 ist über eine Maschinenzuleitung 8, unmittelbar mit der elektrischen Maschine 1 verbunden. In der Maschinenzuleitung 8 ist ein Sicherheitsventil 9 ange­ schlossen, das einen unzulässig hohen Füllgas-Druck verhin­ dert. Weiterhin befindet sich in der Maschinenzuleitung 8 ein Magnetventil 11, das bei einer Störung, z. B. bei einer Abwei­ chung von der Kennlinie aus Fig. 2, der Unterbrechung des Füllvorgangs dient. Hierzu ist es beispielsweise mit der Vor­ richtung zur Leckageüberwachung 13 verbunden, die ihrerseits mit der Regeleinrichtung 7, einer Vergleichseinheit 15 und einer Speichereinheit 16 verbunden ist. Die Zuleitung 3 ist über eine Quellenzuleitung 10 unmittelbar mit dem Gasreser­ voir 2 verbunden. Zwischen dem dem Gasreservoir 2 zugeordne­ ten Absperrventil 5a und dem Durchflußmesser 4 ist zusätzlich ein Filter 12 angeordnet, der beliebiger Art sein kann und sicherstellt, daß das Füllgas in einer geforderten Reinheit zur elektrischen Maschine 1 gelangt. Speziell bei einem Tur­ bogenerator 1 ist eine hohe Reinheit des Füllgases sehr wich­ tig, insbesondere dann, wenn das Füllgas Wasserstoff ist, denn Beimischungen im Füllgas erhöhen deutlich die Reibung des Füllgases an den rotierenden Komponenten der elektrischen Maschine 1 und können deren Leistung merklich beeinträchti­ gen. Von der elektrischen Maschine 1 führt eine Druckmeßlei­ tung 22 zu der Vergleichseinheit 15. In der Druckmeßleitung 22 ist eine Druckmeßeinrichtung 14 angeordnet. Der hiermit gemessene Druck liegt in einem Bereich zwischen 1 sind 6 bar. Die Vergleichseinheit 15 ist an eine Speichereinheit 16 sowie an eine Meldeeinrichtung 18 angeschlossen. Die Meldeeinrich­ tung 18 ihrerseits ist mit dem Magnetventil 11 verbunden, so daß über die Meldeeinrichtung 18 ein Absperren, d. h. eine Un­ terbrechung des Füllvorgangs ereichbar ist. Weiterhin ist die Meldeeinrichtung 18 an einen Monitor 19 angeschlossen.

Während des Füllvorganges werden in vorgebbaren Zeitabständen der Vergleichseinheit 15 die zu den jeweiligen Meßzeitpunkten vorhandenen Meßwerte des Fülldruckes sowie des Volumenstroms zugeführt. Hieraus wird zu dem gemessenen Fülldruck eindeutig die zugeführte Menge an Füllgas bestimmt und diese mit einer Referenzmenge verglichen, welche beispielsweise in Form einer Fülldruck-Füllgasmenge-Kennlinie in der Speichereinheit 16 abgespeichert ist. In der Vergleichseinheit 15, die in einem Computer realisiert sein kann, wird ein Vergleich der gemes­ senen Menge sowie der Referenzmenge des Füllgases durchge­ führt. Weichen diese beiden Mengen voneinander ab, so kann auf das Vorhandensein sowie auf die Größe einer Leckage ge­ schlossen werden. Wird auf diese Art und Weise eine Leckage erkannt, so erfolgt über die Meldeeinrichtung 18 einerseits eine entsprechende Alarmmeldung, die über den Monitor 19 an­ gezeigt wird, sowie andererseits eine automatische Absperrung des Magnetventils 11. Hierdurch wird automatisch bei Erkennen einer Leckage der Füllvorgang unterbrochen, d. h. eine weitere Zuführung von Füllgas wird unterbunden. Typische Werte des Volumenstroms während des Füllvorganges liegen bei ca. 100 bis 200 m³ pro Stunde, wobei während eines Betriebes der elektrischen Maschine 1 ein Durchfluß von ca. 100 bis 5000 Liter pro Stunde an Füllgas erfolgt.

Fig. 2 zeigt schematisch und nicht maßstäblich vier Kennli­ nien, die die eindeutige Abhängigkeit zwischen Fülldruck P und eingefüllter Menge V an Füllgas in der elektrischen Ma­ schine 1 angeben. Der Fülldruck beträgt zu Beginn des Füll­ vorgangs, bei dem noch kein Füllgas zugeführt wurde, P₀ und am Ende des Füllvorgangs P_max. Fig. 2 zeigt zwei Referenz­ kennlinien 17, welche als Parameter jeweils einen unter­ schiedlichen jeweils konstanten Volumenstrom des Füllgases aufweisen. Der oberen Referenzkennlinie 17 ist der konstante Volumenstrom ₁ zugeordnet und der unteren Referenzkennlinie 17 der Volumenstrom ₂. Hierbei ist der Volumenstrom ₁ größer als der Volumenstrom ₂, was einen schnelleren Druck­ anstieg bedeutet. Um die obere Referenzkennlinie 17 mit dem Volumenstrom ₁ herum ist ein Toleranzband 20 strichliert eingezeichnet, welches einen Toleranzbereich der zulässigen Meßwerte für den Fülldruck angibt. Bei einem Verlauf einer gemessenen Kennlinie 21 zwischen Fülldruck und Menge des Füllgases bei einer zu überwachenden Füllung, welche strichliert mit unterschiedlicher und alternierender Strich­ länge dargestellt ist, und die innerhalb des Toleranzbandes 20 liegt, ist entweder keine Leckage vorhanden oder diese so gering, daß sie tolerierbar ist. Bei einer gemessenen Kennli­ nie 21, die außerhalb des Toleranzbandes 20 der zugehörigen Referenzkennlinie 17 liegt, ist eine nicht tolerierbare Leckage vorhanden, so daß eine Alarmmeldung sowie eine Unter­ brechung der Befüllung erfolgt.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung zur Lecka­ geüberwachung bei einer Befüllung einer elektrischen Maschi­ ne, insbesondere eines Turbogenerators mit Füllgas, insbe­ sondere mit Wasserstoff, aus, bei der sowohl der Fülldruck als auch die zugeführte Füllmenge an Füllgas bestimmt und mit Referenzwerten verglichen werden. Aus diesem Vergleich zwi­ schen gemessenen Werten und Referenzwerten wird bei einem Un­ terschied zwischen gemessener Menge und Referenzmenge eine quantitative Erfassung einer Leckage durchgeführt. Wird eine Leckage erkannt, so erfolgt vorzugsweise automatisch eine Un­ terbrechung des Füllvorganges, wodurch insbesondere bei Ver­ wendung von Wasserstoff frühzeitig die Gefahr der Bildung ei­ nes explosiven Gasgemisches verhindert wird. Die Erfindung trägt somit zur Verbesserung der Sicherheit einer elektri­ schen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators mit Was­ serstoffkühlung, bei.

Claims (5)

1. Vorrichtung (13) zur Leckageüberwachung bei einer Befül­ lung einer elektrischen Maschine (1) mit Füllgas, welches bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Kühlmedium dient, mit einer Zuleitung (3), über die Füllgas von einem Gasreservoir (2) in die elektrische Maschine (1) führbar ist, mit einer Regelein­ richtung (7) zur Regelung des Volumenstroms des Füllgases, mit einer Druckmeßeinrichtung (14) zur Messung des Füll­ druckes in der elektrischen Maschine (1) und mit einer Ver­ gleichseinheit (15), der während der Befüllung Meßwerte des Fülldruckes und des Volumenstroms zuführbar sind und in der die Bestimmung einer eindeutigen Beziehung zwischen Fülldruck und zugeführter Menge an Füllgas sowie ein Vergleich dieser Meßwerte mit Referenzwerten stattfindet.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der in einer mit der Vergleichseinheit (15) verbundenen Speichereinheit (16) zu­ mindest eine Referenzkennlinie (17) gespeichert ist, die die Referenzwerte des Fülldrucks in Abhängigkeit der Menge des in die elektrische Maschine (1) bei einem konstanten Volumenstrom eingefüllten Füllgases darstellt.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der die Speicherein­ heit (16) eine Schar von Referenzkennlinien für unterschied­ liche konstante Volumenströme enthält.

4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Meldeeinrichtung (18), die bei einer einen vorgeb­ baren Schwellwert überschreitenden Abweichung zwischen Meß­ wert und Referenzwert dieses anzeigt und/oder die Befüllung unterbricht.

5. Verfahren zur Leckageüberwachung bei einer Befüllung einer elektrischen Maschine (1) mit Füllgas , welches bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Kühlmedium dient, wobei der Fülldruck der elektrischen Maschine (1) und die der elektrischen Ma­ schine (1) zugeführte Menge an Füllgas bestimmt und mit Refe­ renzwerten des Fülldrucks und der zugeführten Menge vergli­ chen werden sowie bei Vorliegen einer einen vorgebbaren Schwellwert überschreitenden Differenz zwischen den bestimm­ ten Werten und den Referenzwerten eine Alarmanzeige abgegeben und/oder die Befüllung unterbrochen wird.