Überwachung und Aufbereitung von Kühlwassersystemen mit geschlossenem Kreislauf

In Ihrem Kraftwerk gibt es möglicherweise mehrere geschlossene Kühlsysteme. Die Chancen stehen gut, dass sie einige sehr kritische Komponenten kühlen oder die Temperatur regeln. Die beiden, die am wahrscheinlichsten existieren, sind das sogenannte Lagerkühlwassersystem (das sich um mehr als nur Lager kümmert) und das Statorkühlsystem für Anlagen, die über einen wassergekühlten Stator verfügen. Geschlossene Kühlsysteme finden sich auch in Luftkühlern am Einlass von Verbrennungsturbinen.

Wenn ein geschlossenes System über einen längeren Zeitraum geschlossen bleibt und ordnungsgemäß funktioniert, wird es naturgemäß oft vergessen – oder zumindest vernachlässigt. Kleine Änderungen in der Chemie oder den Durchflussraten und Differenzdrücken im gesamten System werden möglicherweise nicht bemerkt. Sobald jedoch Korrosionsprozesse in diesen Systemen Einzug halten, kann es sehr schwierig sein, sie zu beheben. In der Zwischenzeit können kritische Datengeräte so stark beschädigt werden, dass die Betriebsfähigkeit der Anlage beeinträchtigt wird. Wir beginnen mit einigen allgemeinen Grundsätzen und Praktiken für Kühlwassersysteme mit geschlossenem Kreislauf, bevor wir uns dem Statorkühlwassersystem zuwenden ein Sonderfall.

Geschlossene Kühlsysteme verstehen

Die meisten Kraftwerke, die eine Wasserkühlung mit geschlossenem Kreislauf für mechanische Systeme (anstelle des Dampfkreislaufs) verwenden, verfügen über mehrere Subsysteme. Das Lagerkühlwassersystem sorgt im Allgemeinen für die Kühlung kritischer Pumpenlager und Dichtungen, Wasserstoffkühler für den Generator, Schmieröl und Luftkompressorkühler. Andere Kühlsysteme mit geschlossenem Kreislauf können Kaltwassersysteme für Luftkühler umfassen, die am Lufteinlass der Gasturbinen in einem Kombikraftwerk und an der Chemieprobenplatte verwendet werden.

Ein geschlossenes Kühlsystem kann in herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern oder Plattenwärmetauschern Wärme mit dem Hauptkühlwassersystem austauschen. Kaltwassersysteme (Luftkühler) tauschen Wärme mit dem Kompressor aus, der wiederum über einen Kühlturm Wärme an die Umgebung abgibt.

Im Allgemeinen wird entmineralisiertes Wasser für die Kühlwasserzubereitung im geschlossenen Kreislauf verwendet, es sind jedoch chemische Behandlungen erforderlich, um Korrosion und in einigen Systemen Gefrieren zu verhindern. Am häufigsten bestehen die Rohrleitungen in einem geschlossenen Kreislaufsystem aus Kohlenstoffstahl. Wärmeaustauschflächen, wie z. B. Luftkühlerbaugruppen, können aus Kupfer oder sogar Aluminium bestehen. Platten- und Rahmenwärmetauscher bestehen häufig aus Edelstahlplatten. Die Pflege und Wartung dieser Systeme erfordert, dass Sie auf alle Metalle achten.

In einem geschlossenen Kreislaufsystem ist Sauerstofflochfraß die häufigste Korrosionsart (Abbildung 1). Symptome von Sauerstofflochfraß können rostiges Wasser oder wiederkehrende Wartungsarbeiten an Lagern aufgrund des durch die Korrosionsprodukte verursachten Abriebs an den Dichtungsoberflächen sein.

1. Sauerstofflochfraß in einem geschlossenen Kühlwassersystem. Mit freundlicher Genehmigung: M&M Ingenieurwesen

Damit Sauerstofflochfraß auftreten kann, muss zunächst eine Ablagerung vorhanden sein, die einen Teil der Metalloberfläche bedeckt, wodurch ein Unterschied zwischen dem Sauerstoffgehalt unter der Ablagerung und dem Sauerstoffgehalt im Hauptwasser entsteht. Der sauerstoffarme Bereich unter der Ablagerung wird zur Anode, und der Bereich um die Ablagerung, der dem großen Wasser ausgesetzt ist, wird zur Kathode. Diese „große Kathode, kleine Anode“-Konfiguration führt zu konzentrierter und beschleunigter Lochfraßbildung in einem begrenzten Bereich, was zu nadelfeinen Lecks führt.

Wenn sich Bakterien innerhalb des geschlossenen Kreislaufsystems vermehren können, können sie eine „lebende“ Ablagerung bilden. Die Nebenprodukte der Bakterienatmung sind oft sauer, und die Atmung verbraucht auch Sauerstoff, was dazu führt, dass die Basis des Biofilms die Korrosion des Grundmetalls begünstigt. Dies begünstigt einige Bakterienarten zusätzlich, da sie das oxidierte Metall in ihrem Stoffwechsel nutzen.

Chemische Behandlungen für die Wasserkühlung im geschlossenen Kreislauf

Wenn ein geschlossenes Kühlsystem dicht ist und kein Wasserverlust auftritt, kann die angewendete chemische Behandlung Wochen oder Monate dauern, bevor eine Auffrischung erforderlich ist. Dies kann zu Selbstzufriedenheit führen. Andererseits kann es nahezu unmöglich (und manchmal sehr teuer) sein, geschlossene Kühlsysteme mit Undichtigkeiten und erheblichem Wasserverlust auf den richtigen Behandlungsniveaus aufrechtzuerhalten. Unsachgemäße Behandlungsgrade führen immer zur Korrosion dieser Systeme.

Nachfolgend listen wir einige Optionen auf, die Sie erfolgreich zur Behandlung von Kühlsystemen mit geschlossenem Kreislauf einsetzen können, wie z. B. das Lagerkühlwassersystem oder das Luftkühlersystem mit geschlossenem Kreislauf. Im Allgemeinen finden Sie ein Behandlungsprogramm, das für die verschiedenen Metalle in Ihrem System und die Systemanforderungen gut geeignet ist (z. B. bestimmen Sie, ob Sie einen Frostschutz benötigen) und bleiben dann dabei.

Unabhängig davon, für welche der drei chemischen Behandlungen Sie sich entscheiden, enthalten sie wahrscheinlich auch pH-Puffer (Ätzmittel und Natriumborat sind üblich), um einen alkalischen pH-Wert aufrechtzuerhalten, der zur Minimierung der Korrosion in Kohlenstoffstahl beiträgt. Wenn Kupfer im geschlossenen Kreislaufsystem vorhanden ist, kann der Behandlung ein Azol zugesetzt werden, um eine schützende chemische Schicht auf den freiliegenden Kupfermetalloberflächen aufrechtzuerhalten.

Natriumnitrit. Natriumnitrit wird seit vielen Jahren zur Korrosionsverhinderung in zahlreichen geschlossenen Kreislaufsystemen eingesetzt. Nitrit ist ein Oxidationsmittel und stoppt im Wesentlichen die Korrosion, indem es alles gleichmäßig „korrodiert“. Das scheint kontraintuitiv zu sein, aber wenn alles zur Kathode wird und es keine Anode gibt, hört die Korrosion auf.

Eine ständige Versorgung mit Nitrit im System sorgt dafür, dass entstehende Blankstellen schnell passiviert werden. Wenn jedoch nicht genügend Nitrit im Kühlwasserkreislauf vorhanden ist, kann sich in den Rohrleitungen eine Anode bilden, und es entsteht wieder die Korrosionszelle mit großer Kathode und kleiner Anode. Die allgemeinen Richtlinien für Behandlungen auf Nitritbasis sehen einen Nitritgehalt von mindestens 700 ppm vor.

Nitrite werden von einigen Bakterien als Energiequelle genutzt. Wenn das geschlossene Kreislaufsystem mit diesen Bakterien kontaminiert wird, kann der Nitritspiegel schnell sinken. Die Bakterien erzeugen auch Biofilme, die Ablagerungen bilden und Bereiche erzeugen, die Anoden für den Rest der Rohrleitungen darstellen. Die Zugabe von mehr Nitrit beschleunigt die Vermehrung der Bakterien nur noch weiter und verschlimmert das Problem. Systeme, die Nitrit verwenden, sollten regelmäßig auf das Vorhandensein von Bakterien getestet werden. In einigen Systemen werden der Behandlung nichtoxidierende Biozide wie Glutaraldehyd oder Isothiazolin zugesetzt, um das Bakterienwachstum zu verhindern.

Natriummolybdat. Natriummolybdat wird im Allgemeinen als anodischer Oxidationshemmer eingestuft. Molybdat bildet mit dem im Wasser gelösten Sauerstoff einen schützenden Eisenmolybdatkomplex auf dem Stahl.

Die Konzentrationen der Molybdatbehandlung können zwischen 200 ppm und 800 ppm Molybdat liegen. Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die entmineralisiertes Wasser verwenden, liegen tendenziell am unteren Ende dieses Bereichs. Leider konzentriert sich das weltweite Angebot an Molybdatmetall tendenziell auf Gebiete mit historischen politischen Unruhen, und im Laufe der Jahre schwankten die Molybdatpreise dramatisch. Diese Preisschwankungen können dazu führen, dass die Behandlung mit Molybdat mit der Behandlung mit Nitrit konkurrenzfähig oder weitaus teurer wird.

Ironischerweise kann in Systemen mit geschlossenem Kreislauf, die sehr dicht sind, der Gehalt an gelöstem Sauerstoff sinken und somit die Wirksamkeit einer Molybdatbehandlung (die zur Bildung einer Passivschicht gelösten Sauerstoff erfordert) minimieren. Experten empfehlen mindestens 1 ppm gelösten Sauerstoff in mit Molybdat behandelten Systemen.

Polymerbehandlungen. Polymerbehandlungen werden seit vielen Jahren eingesetzt, um die Ansammlung von Ablagerungen und Korrosionsprodukten in offenen Kühltürmen zu verhindern. Ähnliche Polymere werden mittlerweile auch für den Einsatz in geschlossenen Kreislaufsystemen verkauft. Es scheint, dass das Polymer als Dispergiermittel für eventuell entstehende Korrosionsprodukte oder Ablagerungen wirkt. Es verhindert also Korrosion, indem es die Oberfläche sauber hält und dafür sorgt, dass der im Wasser gelöste Sauerstoff alle Oberflächen gleichmäßig angreift. Dies führt zu einem allgemeinen, aber insgesamt geringen Korrosionsgrad.

Einer der Vorteile dieser Behandlung besteht darin, dass sie als sehr umweltfreundlich gilt. Solange das geschlossene Kreislaufsystem jedoch geschlossen bleibt, sollte es keine Auswirkungen auf die Umwelt geben.

Überwachung von Kühlwasser im geschlossenen Kreislauf

Der Schlüssel zur ordnungsgemäßen Funktion Ihres geschlossenen Kreislaufsystems liegt in der regelmäßigen Überwachung. Ganz gleich, um welchen Wirkstoff es sich bei Ihrer Behandlung handelt (Nitrit, Molybdat oder Polymer), die Konzentration muss regelmäßig überwacht werden. Im Allgemeinen sind wöchentliche Tests ausreichend, es sei denn, die Behandlungswerte sinken. (Sie werden das nicht bemerken, wenn Sie nicht regelmäßig überwachen.) Da die Korrosionsbehandlung von Kohlenstoffstahl und Kupfer normalerweise in einem Produkt vermischt wird, können geringe Behandlungsmengen mehr als nur die Kohlenstoffstahlrohre beeinträchtigen.

Auch der pH-Wert des Wassers sollte regelmäßig überprüft werden. In Anbetracht des Ausmaßes der pH-Pufferung bei der chemischen Behandlung sollte der pH-Wert des Wassers absolut stabil sein. Ein Abfall des pH-Werts kann auf eine bakterielle Kontamination hinweisen, insbesondere bei Behandlungen auf Nitritbasis. Eine weitere Ursache, die den pH-Wert senken kann, sind Lecks im System, durch die frisches demineralisiertes Wasser ins Wasser gelangt.

Halten Sie Ausschau nach anderen Anzeichen einer bakteriellen Kontamination, wie z. B. schleimigem Wachstum in Schaugläsern oder Durchflussanzeigern oder septischen Gerüchen bei der Probenentnahme. Platten- und Rahmenwärmetauscher haben eine sehr große Oberfläche und kleine Abstände für den Wärmeaustausch zwischen den Platten. Eine bakterielle Kontamination kann nicht nur die Wärmeübertragung ernsthaft beeinträchtigen, sondern auch zu nadelfeinen Undichtigkeiten in den Edelstahlplatten führen. Abhängig vom Druck des Systems mit geschlossenem Kreislauf gegenüber dem System mit offenem Kreislauf zu diesem Zeitpunkt kann das Lagerkühlwasser austreten oder das offene Kühlwasser eintreten.

Denken Sie daran, dass es viel einfacher ist, eine bakterielle Kontamination zu verhindern, als zu versuchen, sich von einem System zu erholen, das stark kontaminiert ist.

Statorkühlwassersysteme

Das Statorkühlwassersystem ist aus mehreren Gründen ein ganz besonderer geschlossener Kreislauf. Erstens schützt es eines der kritischsten Geräteteile – den Generator. In diesem System gibt es nur ein Metall, das Anlass zur Sorge gibt: Kupfer. Und dieses System muss sehr sauber, sogar makellos bleiben. Geringe Temperaturerhöhungen in den Statorkühlstäben können die Belastung des Generators einschränken oder ihn sogar abschalten. Daher erfordert dieses System besonderes Verständnis, Aufmerksamkeit und Überwachung

■ Ein Kopftank mit entionisiertem Wasser, das die Pumpen ansaugt

■ Umwälzpumpen

■ Wärmetauscher

■ Filter (Patronenfilter, Maschensiebe oder beides)

■ Mischbett-Deionisator

■ Überwachung von Durchfluss, Temperatur, Leitfähigkeit, gelöstem Sauerstoff und in einigen Fällen pH-Wert

Oft sind zwei Entionisierungsgefäße und zwei Filtersätze vorhanden, sodass einer zum Austausch der Filterkartusche oder zum Austausch der Mischbettharze mit einem Ventil herausgenommen werden kann.

Der Kühlkreislauf entzieht den Statorstäben Wärme und leitet sie über Wärmetauscher ab. Das Wasser wird kontinuierlich durch einen Mischbettpolierer geleitet, der alle löslichen ionischen Verunreinigungen entfernt, die in das Wasser gelangen. Bei diesen Verunreinigungen handelt es sich im Allgemeinen um gelöstes Kohlendioxid und ionisierte (gelöste) Kupferkorrosionsprodukte.

Die Ionenaustauscherharze können auch feine Kupferoxidpartikel zurückhalten, dies gelingt jedoch besser mit den Patronenfiltern. Das Ionenaustauscherharz kann mit der Zeit erschöpft sein (erkennbar an steigender Leitfähigkeit). Es kommt jedoch häufiger vor, dass der Differenzdruck im Harzbett (verursacht durch die Ansammlung von Korrosionsprodukten in den Harzen) einen Austausch der Harze erfordert.