DE10252652A1

DE10252652A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entgasung von Fluidproben

Info

Publication number: DE10252652A1
Application number: DE10252652A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Hahn; Gerhard Krutina; Lothar Liepe; Arndt Philipp
Original assignee: ECH ELEKTROCHEMIE HALLE GmbH
Current assignee: ECH ELEKTROCHEMIE HALLE GmbH
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: DE10252652B4

Abstract

Die Entgasung von Fluidproben, z. B. Isolierölen, erfolgt bisher entweder mittels einer Quecksilberpumpe oder eines Membrantrennschrittes. Der Umgang mit Quecksilber ist jedoch gefährlich. Der Membrantrennschritt ermöglicht keine quantitative Abtrennung und ist von mehreren einzuhaltenden Parametern abhängig. Die Entgasung soll daher unter Verzicht auf eine Quecksilberpumpe und ohne Membrantrennschritt erfolgen. DOLLAR A Eine quecksilberfrei arbeitende Vakuumpumpe ist vakuumseitig mit einem Entgasungsgefäß für die dosierte Probe und druckseitig mit einem Entspannungsgefäß zur Gassammlung gekoppelt, wobei zur Erzeugung des Ausgangsvakuums das Entspannungsgefäß auf die Vakuumseite durch ein oder mehrere Absperrorgane umschaltbar ist. Die Fluidprobe wird in das evakuierte Entgasungsgefäß dosiert, die freigesetzte Gasmenge durch die Pumpe geführt und in einem Entspannungsgefäß gesammelt, wobei zu Beginn der Analyse ein identisches Vakuum im Evakuierungsgefäß und im Entspannungsgefäß erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Entgasung von Fluidproben, für die Bestimmung ihres Gesamtgasgehaltes sowie der einzelnen Gaskomponenten, wie es z. B. für die Gas-in-Öl-Analyse erforderlich ist.
Durch Fehlfunktionen wie Überhitzung oder elektrische Entladungen bilden sich in Hochstromgeräten fehlerspezifische Gase wie Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Propan und Propen, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, die sich in den Transformatorölen lösen. Aus der Art und Menge dieser Gase lassen sich wichtige Rückschlüsse über den Betriebszustand von Hochstromgeräten wie Transformatoren ziehen. Außerdem ist eine Fehlerdiagnostik möglich. [VDEW-Ölbuch Isolierflüssigkeiten, Verlag VWEW, Frankfurt 1996]
Die Bestimmung dieser Gase erfolgt in zwei Schritten: Zuerst werden die im Öl gelösten Gase aus der Probe extrahiert. Das Gasgemisch wird dann in einem zweiten Schritt mit Hilfe der Gaschromatographie in die einzelnen Gase aufgetrennt, identifiziert und quantitativ bestimmt [H. Müller, J. Bachmann: Elektrizitätswirtschaft 92 (93) 809].
Nach geltender Norm wird die Probe in eine Entgasungs-Apparatur (Töpler-Pumpe) eingefüllt, bei der durch Senken eines Quecksilber-Niveaugefäßes ein Vakuum im Ölbehälter erzeugt wird. Die im Öl gelösten Gase werden dabei teilweise freigesetzt und können durch Heben des Quecksilber-Niveaugefäßes in eine Gasbürette überführt werden. Durch mehrmaliges Heben und Senken des Quecksilber-Niveaugefäßes ist eine quantitative Abtrennung der Gase aus der Probe möglich. [DIN EN 60 567] Dieses Verfahren liefert ausgezeichnete Analysenwerte, ist aber wegen der bekannten Gefahren beim Umgang mit Quecksilber nicht mehr zeitgemäß. Außerdem treten erhebliche Probleme bei der mobilen Anwendung am Transformator oder auf Messwagen auf.
Um die Probleme beim Umgang mit Quecksilber zu vermeiden, wurde eine spezielle Kolben-Zylinder-Einheit vorgeschlagen, in der die Gase im Vakuum aus der Probe abgetrennt und in einem Gassammelbehälter aufgefangen werden [ DE 296 06 210 ]. Abgesehen vom hohen apparativen Aufwand der Messapparatur stellt sich bei dieser Vorgehensweise kein Gleichgewichtszustand zwischen der Öl- und der Gasphase ein, der für die Gasbestimmungen erforderlich ist.
Deshalb wurde in DE 92 10 855.5 vorgeschlagen, die Ölproben durch eine Fritte in ein evakuiertes Gefäß einzudüsen, das über eine Unterdruckdosiereinrichtung mit einem Gaschromatographen verbunden ist. Auf diese Weise vereinfacht sich zwar die Gasanalytik, ist sogar eine kontinuierliche Messung möglich, eine Gleichgewichtsentgasung wird aber nicht erreicht. Außerdem ist es nicht möglich, den Gesamtgasgehalt zu bestimmen, der zur Bestimmung der absoluten Anteile jeder einzelnen Gaskomponente im Öl erforderlich ist.
Von der Firma Hewlett Packard wurde vorgeschlagen, die in Öl gelösten Gase mit Hilfe der Headspace-Technik abzutrennen [HP Application Note 228-310]. Dieses Verfahren konnte sich allerdings in der Praxis nicht durchsetzen, da keine Übereinstimmung der Analysenwerte mit dem Standardverfahren gefunden werden. Bisher wird den Transformatoren bei laufendem Betrieb nach festen Zeitabständen eine Ölprobe entnommen und im Labor analysiert. Das Analysenergebnis steht erst nach Stunden oder gar Tagen zur Verfügung. Diese Zeitspanne kann bei kritischen Entwicklungen viel zu lang sein. Der konsequente Weg zur Reduzierung der Zeit zwischen den Analysen und der Analysenzeit kann nur die online-Gas-in-Öl-Analytik sein.
Für Messungen direkt am Transformator existieren Varianten zur Abtrennung der Gase über eine gasdurchlässige Membran. Über diese Gasdiffusionsstrecke werden die im Öl gelösten Gase in eine Gasspeicherkammer, die mit einem Mehrwegedosierventil mit Probenschleife verbunden ist, überführt. Mit Hilfe eines Trägergases erfolgt der Transport in einen Gaschromatographen [ DE 32 27 631 ]. Nachteilig bei Anwendung einer Gasdiffusionsstrecke ist, dass keine quantitative Abtrennung aus einem fest definierten Ölvolumen erreicht wird. Der Stoffübergang jeder einzelnen Komponente wird durch den spezifischen Transferkoeffizienten beschrieben. Dieser Transferkoeffizient ist dabei abhängig von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Öles auf der Donorseite bzw. des Gases auf der Akzeptorseite der Membran, was zu zusätzlichen Problemen bei der Kalibrierung führt. Außerdem sind die Transferkoeffizienten für jede Substanz verschieden und müssen in Abhängigkeit vom Membranmaterial sowie dessen Alterung und den Analysenbedingungen ermittelt werden. Die Abtrennung über Membranen hat darüber hinaus den Nachteil, dass der Gesamtgehalt des im Öl gelösten Gases nicht ermittelt werden kann. Dieser Messparameter ist jedoch erforderlich, um eine Aussage über die Gaskonzentration jeder einzelnen Gaskomponente im Öl zu treffen. Der in den Patentansprüchen 1 und 9 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Fluidproben, z. B. Isolieröle, ohne Membrantrennschritt oder die Verwendung von Quecksilberpumpen quantitativ auf einfache Weise zu entgasen, um sowohl den Gesamtgasgehalt als auch den Anteil der einzelnen Gaskomponenten bestimmen zu können.
Dieses Problem wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.
Die Entgasungsvorrichtung besteht aus einer quecksilberfrei arbeitenden Vakuumpumpe 6, die vakuumseitig mit einem Entgasungsgerät 1 für die dosierte Probe und druckseitig mit einem Entspannungsgefäß 7 zur Gassammlung gekoppelt ist, wobei zur Erzeugung des Ausgangsvakuums das Entspannungsgefäß auf die Vakuumseite umschaltbar ist.
Es wurde gefunden, dass eine quantitative Entgasung von Ölproben möglich ist, wenn diese in ein Vakuum eindosiert und die freigesetzten Gasbestandteile kontinuierlich abgesaugt und gesammelt werden, nachdem zu Beginn der Analyse ein identisches Vakuum im Evakuierungsgefäß und im Entspannungsgefäß erzeugt worden ist. Zweckmäßig ist, dass ein im Verhältnis zum Volumen der Ölprobe großer Gasaustauschraum zur Verfügung steht. Das Verhältnis der Volumina von Ölprobe zu Gasraum muss mindestens 1 : 3 betragen. Durch die kontinuierliche Gasabsaugung wird erreicht, dass die Gasbestandteile schnell und quantitativ aus dem Öl abgetrennt werden. Dies ist besonders bei den Kohlenwasserstoffen Ethan, Ethen, Ethin, Propan und Propen vorteilhaft. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Bestimmung von Gasen in Transformatorenölen oder Schmier- und Motorölen, Hydraulikflüssigkeiten sowie auch in wässrigen Lösungen vorteilhaft genutzt werden.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Erfindung ist es möglich, Gase in Fluiden entweder vor Ort oder später im Labor sowohl hinsichtlich des Gesamtgasgehaltes als auch der Anteile der einzelnen Gaskomponenten des Fluids zu bestimmen.
Das gesamte freigesetzte Gasvolumen kann über die Längenänderung des Entspannungsgefäßes 7, z. B. an einem Balg, registriert werden. Ein Aliquot des freigesetzten Gases kann anschließend entweder über den Septumanschluss 8 mit einer Spritze entnommen werden oder der Septumanschluss 8 wird durch ein Gasprobendosierventil ersetzt, welches sich direkt mit einem Gaschromato graphen koppeln lässt.
Alternativ kann das gesamte freigesetzte Gasvolumen ermittelt werden, indem vor der Injektion des Öles in das evakuierte Entgasungsgefäß 1 Magnetventil 3 geschlossen und am Drucksensor 2 der Druckanstieg im Entgasungsgefäß 1 registriert wird.
Ausführungsbeispiel:
Es zeigen
1 die Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben im Fall der Evakuierung vor der Bestimmung,
2 die Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben im Fall der Entgasung. Gemäß 1 wird zur Vorbereitung einer Bestimmung die gesamte Vorrichtung evakuiert. Hierzu werden die im Entgasungsgefäß 1 befindlichen Gasreste durch das Magnetventil 3 mit einer Vakuumpumpe 6, z. B. einer mehrstufigen Membranpumpe, abgesaugt. Gleichzeitig wird der Raum im Entspannungsgefäß 7 und im Septumanschluss 8 über das Magnetventil 5 entgast. Dabei drückt die äußere Luft mit dem Stempel des Entspannungsgefäßes einen Balg zusammen. Die Pumpe 6 fördert das Gas über Magnetventil 4 mit Hilfe der letzten Membranstufe in den Ausgang 9. Mit dem Drucksensor 2 wird die Stabilität des erreichten Vakuums kontrolliert. Zur Entfernung von gegebenenfalls vorhandenen Probenresten aus dem Entgasungsgefäß 1 ist eine mehrmalige Spülung mit einem Inertgas, welches nicht analysiert wird, vorzusehen. Während des Evakuierungsprozesses wird zu diesem Zweck ein Inertgas (z. B. Argon, Stickstoff, synthetische Luft) in das Evakuierungsgefäß, z. B. über einen Gasanschluss, ein Gaszuführungsventil oder mit einer Dosierspritze injiziert.
Eine definierte Menge Inertgas kann bei geringen Gehalten an Gas im Fluid zugesetzt werden, um dieses bestimmen zu können.
Die Durchführung einer Fluidentgasung ist in 2 dargestellt. Magnetventil 4 ist dabei auf Durchgang zum Entspannungsgefäß 7 und Septumanschluss 8 geschaltet. Magnetventil 5 ist geschlossen. Das zu untersuchende Fluid wird in das Entgasungsgefäß 1 injiziert. Die Dosierung kann beispielsweise mit einer Injektionsspritze, einem Injektionsventil aus einem Vorratsgefäß oder aus einer durchströmten Fluidleitung erfolgen. Bereits während des Injektionsvorganges saugt die Vakuumpumpe 6 die freigesetzten Gase ab und sammelt diese kontinuierlich im Entspannungsgefäß 7. Der Entgasungsprozess dauert ca. 2 – 5 min und ist beendet, wenn das am Drucksensor 2 angezeigte Vakuum stabil ist. Das freigesetzte Gasvolumen wird über die Längenänderung des Entspannungsgefäßes 7, z. B. an einem Balg, registriert.

1: Entgasungsgefäß
2: Drucksensor
3: Magnetventil
4: Magnetventil
5: Magnetventil
6: Vakuumpumpe
7: Entspannungsgefäß
8: Septumanschluss
9: Gasausgang

Claims

Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben für die Bestimmung ihres Gesamtgasgehaltes sowie der einzelnen Gaskomponenten, gekennzeichnet durch eine quecksilberfrei arbeitende Vakuumpumpe 6, die vakuumseitig mit einem Entgasungsgefäß 1 für die dosierte Probe und druckseitig mit einem Entspannungsgefäß 7 zur Gassammlung gekoppelt ist, wobei zur Erzeugung des Ausgangsvakuums das Entspannungsgefäß auf die Vakuumseite durch ein oder mehrere Absperrorgane umschaltbar ist.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Ventile zur Vakuumzu- und -abschaltung.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein volumenveränderbares Entspannungsgefäß mit Gasentnahmemöglichkeit.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein an das Entspannungssystem angeschlossenes Gasprobendosierventil für ein Gasanalysegerät.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch ein Entspannungsgefäß, in welchem die Volumenzunahme durch die Längenänderung eines Balges registrierbar ist.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch ein Entspannungsgefäß, in welchem die Volumenzunahme durch die Längenänderung einer kolbengeführten Gasbürette registrierbar ist.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vakuumseitig angebrachten Drucksensor 2 zur Registrierung des Vakuums.
Vorrichtung zur Entgasung von Fluidproben gemäß Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch Ventil 3 zur Messung der freigesetzten Gasmenge mit Drucksensor 2.
Verfahren zur Entgasung von Fluidproben in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Fluidprobe in ein mit einer Vakuumpumpe evakuiertes Entgasungsgefäß dosiert, die freigesetzte Gasmenge durch eine Pumpe geführt und in einem Entspannungsgefäß gesammelt wird, wobei zu Beginn der Analyse ein identisches Vakuum im Evakuierungsgefäß und im Entspannungsgefäß erzeugt wird.
Verfahren zur Entgasung von Fluidproben nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine identische Vakuumerzeugung im Entgasungsgefäß und Entspannungsgefäß zu Beginn der Analyse.