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Aug 09, 2023

Einsatz von Sensortechnologien zur Optimierung der Wartung von Kraftwerkswassersystemen

Zerstörungsfreie Technologien machen die Inspektion der am wenigsten zugänglichen Komponenten einer Anlage relativ einfach und liefern Ergebnisse, die unerwartete Ausfälle – und Kosten – minimieren. Als wir eine unternahmen

Zerstörungsfreie Technologien machen die Inspektion der am wenigsten zugänglichen Komponenten einer Anlage relativ einfach und liefern Ergebnisse, die unerwartete Ausfälle – und Kosten – minimieren.

Als wir bei Granite Ridge Energy (GRE) eine Initiative ergriffen, um Komponenten zu identifizieren, zu priorisieren und zu bewerten, die für ihre 10-Jahres-Bewertung anstehen, wussten wir nicht genau, was wir vorhatten oder wie wir es angehen sollten. Wir hatten jedoch davon gehört, dass sich fortschrittliche Sensoren bei der Inspektion von Rohrleitungen und Tankinnenräumen bewährt haben, die nicht leicht zugänglich sind und daher normalerweise nicht in Standard-Ausfalliterationen enthalten sind. Nach langen Diskussionen auf Ausschussebene haben wir beschlossen, einen Pfeil auf dieses Brett zu werfen.

Granite Ridge ist eine 753 MW erdgasbefeuerte Kombikraftwerksanlage etwas außerhalb von Manchester, NH (Abbildung 1). Die Anlage ist mit zwei Siemens 501G-Verbrennungsturbinen und einer Siemens KN-Dampfturbine ausgestattet.

1. Kostengünstiger Strom. Über seinen Betreiber NAES Corp. hat der Eigentümer Granite Ridge Holdings LLC mehrere Initiativen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit ergriffen, um den Verfügbarkeitsfaktor bei Granite Ridge Energy in Londonderry, NH, zu verbessern. Mit freundlicher Genehmigung von Granite Ridge Energy

Das im März 2003 in Betrieb genommene GRE arbeitet mit einer Wärmeleistung von weniger als 7.000 Btu/kWh und profitiert von einem langfristigen, unter dem Marktpreis liegenden Rohstoffvertrag, was es zu einem der kostengünstigsten Gasturbinenkraftwerke mit kombiniertem Kreislauf im New England Power Pool macht Vorratsstapel. Über seinen Betreiber NAES Corp. hat der Eigentümer Granite Ridge Holdings LLC mehrere Initiativen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit ergriffen, um den Verfügbarkeitsfaktor kontinuierlich zu verbessern.

Wir haben drei Systeme ins Visier genommen, von denen seit der Inbetriebnahme der Anlage keines bewertet wurde:

■ Eine 16-Zoll-Kühlwasserleitung aus Sphäroguss, die aufbereitetes Wasser aus der Aufbereitungsanlage der Stadt Manchester für die Kühlturmaufbereitung liefert.

■ Eine 84 Zoll lange, 708 Fuß lange unterirdische Umlaufwasserleitung (eine 344 Fuß lange Zuleitung und eine 364 Fuß lange Rücklaufleitung), bestehend aus 40 Abschnitten eines vorgespannten Betonzylinderrohrs (PCCP).

■ Die Innenräume und Unterseiten des 500.000-Gallonen-Tanks für entmineralisiertes Wasser und des 800.000-Gallonen-Kühlturm-Nachspeisewassertanks von GRE.

Nachdem ich mit meinen Kollegen in anderen Einrichtungen über die Idee gesprochen und einige Empfehlungen eingeholt hatte, nahm ich Kontakt mit der in Maryland ansässigen Structural Group auf, die die Sensordienstleistungen von Pure Technologies US Inc. und der in Houston ansässigen Mistras Group behält. Structural Group hat unser Management gut davon überzeugt, dass fortschrittliche Sensoren kostengünstige und zerstörungsfreie Möglichkeiten bieten würden, die mit diesen Vermögenswerten verbundenen Risiken besser zu verstehen und Grundlagen festzulegen, um die langfristige Planung und Beschaffung effektiver zu gestalten.

Auf Anraten von Structural Preservation Systems, einer Einheit der Structural Group, entschieden wir uns für die Verwendung von Akustiktechnologie von Pure Technologies, um den Zustand der Kühlwasserleitung zu bestimmen, die behandeltes Abwasser etwa 3,5 Meilen von Manchesters öffentlichen Kläranlagen (POTW) entfernt transportiert ) zum Kraftwerk. Das Pure-Team stellte entlang des Laufs zehn Transceiver auf und wir sorgten dafür, dass der Wasserfluss während des Tests eine konstante Geschwindigkeit aufrechterhielt.

Anschließend startete das Team einen SmartBall – einen kleinen akustischen Sensor, der in eine schwimmfähige, komprimierbare Kunststoffschaumkugel eingebettet ist – und führte ihn durch einen 4-Zoll-Hahn an der Pumpstation des POTW ein (Abbildung 2). Sie holten es 6,5 Stunden später in der Actifloc-Filtereinheit des GRE-Standorts ab.

2. Folgen Sie dem Ball. Das Team von Pure Technologies verwendete einen SmartBall-Akustiksensor und Tracking-Geräte, um die Kühlwasserleitung von GRE mit einem Durchmesser von 16 Zoll zu inspizieren, die gereinigtes Abwasser 3,5 Meilen von Manchesters öffentlich betriebenen Kläranlagen entfernt transportiert. Mit freundlicher Genehmigung: Pure Technologies

Ein integrierter Beschleunigungsmesser zeichnete die Drehung des SmartBall auf und übersetzte sie in ein Geschwindigkeitsprofil des Geräts, während es die Länge der Pipeline durchquerte. Die Verfolgung der Position des SmartBall über die 10 Empfänger lieferte einen Zeit- und Positionsstempel auf dem Geschwindigkeitsprofil, der zur Meldung der Position eines Lecks oder einer Gasblase verwendet wurde (Abbildung 3).

3. Pipeline-Reise. Die künstlerische Darstellung eines SmartBalls, der die 16-Zoll-Linie durchquert, zeigt akustische Signaturen, die einem Leck (links) und einer vollständig entwickelten Gas- oder Lufttasche (Mitte) entsprechen. Mit freundlicher Genehmigung: Pure Technologies

Wenn sich der SmartBall einem Leck nähert, erhöht sich das akustische Signal, das er erkennt. Es erreicht ein Crescendo, wenn die Kugel das Leck passiert, und nimmt ab, während der Sensor seinen Weg fortsetzt. Die Pure-Analysten vergleichen die Daten mit den Signalen der zehn Transceiver, um den Ort einer Anomalie zu lokalisieren. Sie werten außerdem die akustische Signatur aus, um die ungefähre Größe eines Lecks abzuschätzen. Pure kategorisiert Lecks als klein (0 bis 2 imperiale Gallonen pro Minute, gpm), mittel (2 bis 10 gpm) oder groß (größer als 10 gpm).

Das Pure-Team konnte in der Kühlleitung keine Undichtigkeit oder einen anderen Grund zur Besorgnis feststellen. Sie fanden jedoch akustische Anomalien, die auf eingeschlossene Gastaschen an zehn Stellen hindeuteten, an denen sich die Höhe des Laufs änderte (Abbildung 4). Diese zeigten typischerweise einen „hydraulischen Sprung“ an der Stelle, an der das Rohr in der Höhe abfällt, wodurch eine turbulente Strömung entstand. Diese Turbulenzen, zusammen mit häufigen Nass-/Trocken-Zyklen, die durch Strömungsänderungen verursacht werden, erhöhen das Risiko eines Ausfalls in diesen Bereichen. Deshalb haben wir diese 10 Standorte markiert, um sie in regelmäßigen Abständen im Auge zu behalten.

4. Gastasche erkannt. Die akustische Signatur einer voll entwickelten Gastasche in der Leitung zeigt typischerweise ein breiteres, weniger definiertes Spektrum an Signalen als die abrupte Spitze der Signatur eines Lecks. Mit freundlicher Genehmigung: Pure Technologies

Wir haben auch die Strukturgruppe für die PCCP-Umlaufwasserleitung konsultiert, und sie haben erneut Pure Technologies mit der Durchführung der Inspektion beauftragt. Dieses Mal brachte Pure ein elektromagnetisches (EM) Gerät mit, um das PCCP zu untersuchen, aus dem unsere zirkulierende Wasserleitung mit einem Durchmesser von 84 Zoll besteht.

Bei der EM-Technologie wird ein variierendes elektrisches Feld an den Spanndrähten im Beton induziert und die entsprechende Magnetfeldreaktion gemessen. Das Pure-Team konzentrierte sich hauptsächlich auf den Vorspanndraht – die Strukturkomponente, die dem Rohr seine Festigkeit verleiht. Sie untersuchten jeden Rohrabschnitt, um Anomalien im Zusammenhang mit Zonen mit Kabelschäden zu identifizieren.

Das Gerät besteht aus einer Senderspule, die das elektrische Feld erzeugt, und einer Empfängerspule, die die induzierte Reaktion aufnimmt. Während die Ausrüstung durch die Rohrleitung oder entlang einer äußeren Rohroberfläche bewegt wird, zeichnet ein Datenlogger die Daten auf.

Um zu verstehen, wie das Datensignal unter verschiedenen Bedingungen reagiert, führte das Pure-Team Kalibrierungsscans an Rohren durch, die denen von GRE ähneln. Daraus erstellten sie eine Kalibrierungskurve, die sie dann auf die in der GRE-Pipeline gemessenen „Not“-Signale anwendeten, um die Anzahl der Drahtbrüche in jeder gestörten Region zu quantifizieren.

Nachdem sie das Basissignal ermittelt hatten, führten sie zusätzliche Scans des Rohrs unter verschiedenen Drahtbruchbedingungen durch, um Folgendes festzustellen:

■ Die Fähigkeit des Systems, das Vorhandensein gebrochener Drähte zu erkennen.

■ Die Auflösung des Systems, wenn die Anzahl der gebrochenen Drähte geändert wird.

■ Die optimalen Systemeinstellungen, die für dieses bestimmte Rohr verwendet werden sollten.

Anschließend integrierte das Team die Kalibrierungskurve in seine Analysesoftware. Dies ermöglichte es ihren Analysten, ein Notsignal zu messen und es mit der Kurve zu vergleichen, um die Anzahl der durch dieses Signal repräsentierten Kabelbrüche zu quantifizieren.

Das vom Pure-Team für diese Inspektion verwendete Transportmittel sah aus wie ein übergroßer Sägebock aus bearbeitetem Aluminium mit an den Beinen montierten Fahrradrädern (Abbildung 5). Wir mussten es in acht Teilen durch ein Mannloch herablassen und es dann unten mit Flügelmuttern zusammenschrauben. Der Techniker montierte seine Sensoren und seinen Laptop am Querträger und stellte den Winkel der Räder ein, damit er ihn stabil halten konnte, während er ihn durch die Vor- und Rücklaufleitungen führte.

5. Die Linie gehen. Ein Techniker von Pure Technologies führt den elektromagnetischen Sensor und den Datenlogger auf einem stabilisierten Förderband entlang der Umlaufwasserleitung, das in acht Teilen durch ein Mannloch abgesenkt und unten wieder zusammengebaut werden musste. Mit freundlicher Genehmigung: NAES

Dies war das erste Mal seit 10 Betriebsjahren, dass wir einen Blick auf diese Linie werfen konnten. Wir wussten, dass es bei einem Ausfall katastrophal ausfallen würde – was wahrscheinlich zu einem längeren und teuren ungeplanten Ausfall und noch kostspieligeren Umweltsanierungen führen würde.

Nachdem das Pure-Team die Daten auf Drahtschäden und deren Schwere analysiert hatte, konnte es daraus ein wahrscheinliches Ausfalldatum prognostizieren, was uns einen Vorsprung bei der Materialbeschaffung im Voraus verschaffen würde. Nach der Untersuchung von insgesamt 40 PCCP-Abschnitten über die Gesamtlänge der beiden Leitungen von 708 Fuß meldeten sie jedoch nur leichte Anzeichen von Drahtschäden in zwei Abschnitten.

Wir haben ein Team der in Houston ansässigen Mistras Group hinzugezogen, um die 500.000-Gallonen-Tanks für demineralisiertes und 800.000-Gallonen-Zusatzwasser auf Beschädigungen zu untersuchen (Abbildung 6). Sie empfahlen eine visuelle Inspektion – mit einem Tauchroboter, wie er zur Inspektion von Schiffsrümpfen verwendet wird (Abbildung 7) – sowie eine Inspektion mit gepulstem Wirbelstrom (PEC), um die Wandstärke des Kohlenstoffstahls der Tanks zu messen.

6. Füge keinen Schaden zu. Die Techniker der Mistras Group verwenden die Pulsed-Eddy-Current-Technologie (PEC), die auf einem Tauchroboter eingesetzt wird, um das Innere der großen Wasserspeichertanks der Anlage zu inspizieren, ohne die Isolierung oder die Epoxidauskleidungen zu beschädigen. Mit freundlicher Genehmigung: NAES

7. Roboterinspektor. Der Tauchroboter, den die Mistras Group zur Inspektion des Tankinneren einsetzte, war mit einer Fernsehkamera zur visuellen Erkundung sowie einem PEC-Impulsgeber und einer Empfängersonde ausgestattet, die Unterschiede in der Dicke der Kohlenstoffstahlwände erkannten. Mit freundlicher Genehmigung: NAES

Wie genau funktioniert PEC? Es ist wie etwas aus einem alten Science-Fiction-Film, aber ohne dass die Handlung dazwischenkommt. Im Grunde handelt es sich um ein volumetrisches Prüfgerät, mit dem isolierte Kohlenstoffstahlkomponenten auf innere und äußere Korrosion untersucht werden können. Es verwendet ein Stufensignal – im Gegensatz zum Sinussignal, das bei herkömmlichen Wirbelstromprüfungen verwendet wird – und kann so mehrere verschiedene Frequenzen in einem einzigen Schritt messen. Dadurch konnte das Mistras-Team die Wandstärke und Auskleidungsfehler indirekt messen, ohne die Isolierung zu beeinträchtigen.

Das PEC-System besteht aus einem Impulsgeber/Empfänger, einem Laptop und einer Sender/Empfängerspule (Sensor oder Sonde). Anstatt wie bei der herkömmlichen Wirbelstromprüfung (EC) ein sinusförmiges Wechselstromsignal zu verwenden, erregt PEC die Spule mit einem Gleichspannungsimpuls. Wenn dieser Strom abgeschaltet wird, induziert die plötzliche Änderung des Magnetfelds Wirbelströme in allen leitenden Bauteilen in der Nähe der Sendespule. Wenn eine Tankwand ausgekleidet oder isoliert ist, werden Wirbelströme durch die Isolierung in die Wand selbst induziert.

Wenn die Wirbelströme nach der Sättigung des Wandmaterials ihren Maximalwert erreichen, beginnen sie wieder in einen neutralen Zustand abzufallen. Dieser Zerfall wird vom PEC-System erkannt, das die Dauer dieses aktiven Feldes in eine Entfernung umwandelt, die wiederum als durchschnittliche Wandstärke berechnet wird. Die Erzeugung und der anschließende Zerfall des Wirbelstroms variieren mit der Dicke des Materials unter der „Grundfläche“ der Sonde. Die Software ermittelt ein Vergleichsergebnis, indem sie die angezeigte Dicke mit einer bekannten (oder angenommenen) Wandstärke an einem ausgewählten Referenzpunkt in Beziehung setzt.

Die Haupteinschränkung dieser Technik besteht darin, dass PEC die Wandstärke über ihren „Fußabdruck“ mittelt, einen ungefähr kreisförmigen Bereich, in dem die Wirbelströme fließen. Der Durchmesser des Footprints entspricht ungefähr dem Abstand zwischen der Sonde und der Metalloberfläche. PEC eignet sich daher gut zur Bestimmung von Wandverlusten über einen relativ großen Bereich, nicht jedoch zur Erkennung sehr lokaler Schäden.

PEC basiert auf relativen Werten, was eine weitere Einschränkung darstellt. Es kann Unterschiede in der Dicke eines einzelnen Objekts erkennen, beispielsweise einer Tankwand. Dies reicht für viele Anwendungen aus, und wenn Sie ein quantitatives Ergebnis benötigen, können Sie die Kalibrierung an einem bestimmten Punkt innerhalb des Prüfkörperrasters mit einer anderen Methode durchführen.

Die PEC-Inspektion ergab, dass sich der Tank für demineralisiertes Wasser in einem hervorragenden Zustand befand und die Wandstärke und die Epoxidauskleidung völlig intakt waren. Es wurde jedoch auch bestätigt, dass der Zusatzwassertank Anzeichen eines Linerversagens mit aktiver Korrosion der Stahlwand aufwies. Glücklicherweise liegen die gemessenen Wandstärken immer noch im akzeptablen Bereich.

Die PEC-Ergebnisse ermöglichten es uns, die Entleerung und Reparatur eines einzelnen Tanks zu budgetieren und richtig zu planen. Andernfalls wären wir auf die kostspielige und arbeitsintensive Maßnahme zurückgegriffen, beide Tanks während unseres jährlichen Ausfalls zu entleeren und auf die Ergebnisse konventioneller zerstörender Tests zu reagieren.

Durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien, die bei routinemäßigen Ausfällen normalerweise nicht zum Einsatz kommen, konnten wir die Bedingungen in den am wenigsten zugänglichen Komponenten von GRE katalogisieren und ermitteln. Wir können jetzt langfristig genauer planen und unsere künftigen Ausfallbemühungen besser ausrichten.

Obwohl zunächst skeptisch, schätzte der Eigentümer von GRE, Granite Ridge Holdings LLC, unsere Wahl der zerstörungsfreien Sensorprüfung zur Durchführung dieser 10-Jahres-Bewertungen sehr. Das Unternehmen erzielte nicht nur von vornherein Kosteneinsparungen gegenüber der Verwendung herkömmlicher destruktiver Methoden, sondern verringerte auch erheblich das Risiko, von einem katastrophalen Ausfall überrascht zu werden.

– Larry Hawk, NAES Corp., ist Anlageningenieur bei Granite Ridge Energy, Londonderry, NH

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