Füllstandsensor mit Dampfkondensation für Kernkraftwerk in China
Mächtig unter Druck
Die geführten Radar-Füllstandsensoren Vegaflex 86 wurden von Vega mit einer langlebigen Werkstoffkombination und integrierter Dampfkondensation für anspruchsvollen Umgebungsbedingungen ausgerüstet. Diese Vorteile spielen sie auch in einem Kernkraftwerk im chinesischen Fuqing aus.
 Der Vegaflex 86 zur kontinuierlichen Füllstandmessung verfügt über eine Keramikisolierung und Graphitdichtung, die dem Eindringen von Dampf bis zu 400bar und Temperaturen von +450°C standhält.
Der Vegaflex 86 zur kontinuierlichen Füllstandmessung verfügt über eine Keramikisolierung und Graphitdichtung, die dem Eindringen von Dampf bis zu 400bar und Temperaturen von +450°C standhält.Bild: Vega Grieshaber KG

Das Gasabscheidesystem gilt als Schlüsselsystem zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine eines Kernkraftwerks in China, das über eine Leistung von 1.000MW verfügt. Der Dampf der Hochdruckturbine weist 14% Feuchtigkeit auf, so dass dieser, bevor er in die Niederdruckturbine geleitet wird, zunächst entfeuchtet und anschließend erneut erhitzt wird. Das Kondensat wird gesammelt und in Behältern, die mit einem Ablauf versehen sind, aufbereitet. Die Kondensatbehälter spielen eine wichtige Rolle im Gasabscheidesystem. Das Wasser im Abwassertank darf einen bestimmten Füllstand nicht überschreiten, denn ist der Tank zu voll, besteht die Gefahr, dass das Wasser in das Gasabscheidesystem gelangt. Dadurch würde sich die Feuchtigkeit des Dampfes erhöhen, wodurch die Niederdruckturbine beschädigt werden kann, d.h. die Füllstandmessung übernimmt eine wichtige Aufgabe für den sicheren Betrieb des Gasabscheidesystems sowie der Turbinen. Dabei geht es in den kugelförmigen Tanks mit einem Durchmesser von zwei Metern heiß her, denn die Prozesstemperatur liegt bei +280°C und der Druck bei 66bar. Die bisherige Füllstandmesstechnik waren geführte Radarmessgeräte eines anderen Herstellers, bei der drei Messgeräte pro Behälter eingesetzt wurden, die in einer ‚2-aus-3‘-Auswahlschaltung arbeiteten. Hierbei wurde der durchschnittliche Füllstand der drei Messungen vom System als Niveau des Behälters festgelegt. Die drei Messgeräte waren direkt im Behälter statt in Bypassrohren installiert. Insbesondere der hohe Druck des Dampfes führte zu Schwierigkeiten. Bereits kleinste Wassertropfen können bei hohen Geschwindigkeiten eine enorme Kraft entwickeln und die Werkstoffe angreifen. Abstandshalter und Abdichtung

Auch in dieser Anwendung verursachte der Dampf immer wieder Probleme an mehreren Stellen. Bei der Anwendung sind beispielsweise Abstandshalter im Einsatz, da ansonsten bei jeder Vibration oder mechanischen Stoß die Stabsonde das Koaxialrohr berührt, was zu Messwertsprüngen führen würde. Die Abstandshalter bestanden aus PEEK und wurden durch den heißen Dampf angegriffen, spröde und zerbrachen schließlich. Dabei besteht die Gefahr, dass Teile der Abstandshalter in das Dampfsystem eindringen und den sicheren Betrieb der Turbine gefährden. Man behalf sich, in dem die Koaxialsonde jedes Mal mit der Wartung der Turbine ausgetauscht wurde. Allerdings durchdrang der Dampf auch das Dichtungssystem des Sensors und trat in das Gehäuse ein. Dadurch wurde das Messgerät immer wieder beschädigt. Es stellte sich heraus, dass die O-Ring-Dichtung des Gerätes nur für Temperaturen bis +150°C ausgelegt war und auch beim Isoliermaterial PEEK die Temperaturgrenze +250°C beträgt. Beide Temperaturgrenzen waren also deutlich niedriger als die der Prozesstemperatur von +280°C. Zudem ändert die Dielektrizitätszahl sich je nach Druck und Temperatur. Dampf hat eine höhere Dielektrizitätszahl als Luft. Dies hat zur Folge, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrowellen im Dampf abnimmt. Das Messgerät gibt dadurch einen niedrigeren Füllstand an als tatsächlich vorhanden. Die Messabweichung wurde zwar vom Sensor kompensiert, aber nur unzureichend, betrug aber bei den drei Feldgeräten bei Prozessbeginn immer weniger als 20mm, allerdings nur im abgekühlten Status. Sobald das Turbinensystem aktiviert wurde und die Prozesstemperatur und der Druck im Kondensatbehälter stiegen, wurden auch die Messabweichungen allmählich größer und lagen bei bis zu 100mm oder mehr. Auch hier behalf man sich über viele Jahre mit einer Notlösung, indem man den gemessenen Wert jedes Mal korrigierte, sobald die Abweichung zu groß wurde. Für die Betreiber war dies unbefriedigend und man machte sich auf die Suche nach einer anderen Lösung.

Füllstandssensor mit Dampfkondensation

Fündig wurde man bei Vega und dem Vegaflex 86 mit Dampfkompensation. Der robuste Sensor zur kontinuierlichen Füllstand- und Trennschichtmessung von Flüssigkeiten ist vor allem für extreme Temperatur- und Druckbedingungen ausgelegt. Das Gerät verfügt über eine Keramikisolierung und Graphitdichtung in der Einkopplung, welche dem Eindringen von Dampf mit einem Druck bis zu 400bar und einer Temperatur von +450°C standhält. Hierdurch wird verhindert, dass Dampf in die Elektronik dringt. Auch die Abstandshalter in der Koaxialsonde sind aus Keramik und mechanisch ausreichend stabil, um den Vibrationen und Stößen des Dampfsystems standzuhalten. Für die sich ändernde Dielektrizitätszahl wurde bei dem geführten Radarsensor eine neue Lösung entwickelt. Eine Dampfkompensation bringt eine höhere Messgenauigkeit mit sich. Der Sensor verwendet eine Referenzstrecke, um die durch Hochdruckdampf verursachte Abweichung zu kompensieren. Je länger die Strecke ist, desto genauer die Messung. Da der Vegaflex 86 über die längste Referenzstrecke am Markt verfügt, war er somit ideal für die Anwendung.

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