DE3027322A1

DE3027322A1 - Kuehlanordnung und verfahren zum betrieb der anordnung

Info

Publication number: DE3027322A1
Application number: DE19803027322
Authority: DE
Inventors: Horst Werner 4330 Mühlheim Emshoff; Walter Dr.rer.nat. 8520 Erlangen Küsebauch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-18
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1982-02-18
Also published as: CH653822A5; US4434058A; JPS5758056A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 7 5 4 7 DE

Kühlanordnung und Verfahren zum Betrieb der Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung, insbesondere zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen mit wassergekühlten elektrischen Leitern, mit ionenarmen Kühlwasser und einem geschlossenen Kühlsystem, das einen Hauptkreislauf und wenigstens einen Parallelkreislauf mit einem Mischbettfilter enthält.

Zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen großer Leistung, beispielsweise Generatoren und Wanderfeldröhren sowie Hochleistungskabel, sind bekanntlich geschlossene Kühlsysteme vorgesehen, die ionenarmes Kühlwasser, sogenanntes Deionat, enthalten. Das Kühlwasser durchfließt die stromführenden Leiter der Einrichtung, die im allgemeinen aus Kupfer oder Kupferlegierungen bestehen.

Zur Kühlung von besonders empfindlichen Kühlstellen, beispielsweise von Kühlköpfen und Dichtungen der Kesselumwälz- und Kesselspeisepumpen in Kraftwerken, werden bekanntlich Nebenkreisläufe geschaffen, die ebenfalls als geschlossene KUhlkreisläufe ausgeführt werden und mit einem Mischbettfilter versehen sein können. Um im Kühlsystem den Elektrolytgehalt möglichst niedrig zu halten, kann ein geringer Teilstrom des Kühlwassers, der beispielsweise etwa 0,5 bis 5 % betragen kann, über einen Parallelkreislauf geleitet werden, der das Mischbettfilter enthält. Das Kühlwasser erhält in solchen Kühlsystemen eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, die weniger als 1 /uS/cm betragen kann.

Durch das Kühlwasser kann ein Teil des Kupfers oder

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der Kupferlegierung durch Korrosion abgetragen und an anderen Stellen oder in nachgeschalteten Anlagenteilen wieder abgelagert werden. Die Korrosionsabtragungsrate ist abhängig vom pH-Wert des Kühlwassers und nimmt mit steigendem pH-Wert ab. Man hat deshalb in Nebenkühlkreisläufen in Kraftwerken den pH-Wert durch Zugabe von Natronlauge auf wenigstens 9 angehoben (VGB-Kraftwerkstechnik 59, Sept. 1979, Seiten 720 bis 724).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in geschlossenen Kühlsystemen mit ionenarmen Kühlwasser, insbesondere zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen großer Leistung mit vom Kühlwasser durchflossenen elektrischen Leitern, Ablagerungen insbesondere aufgrund von Korrosionsprodukten zu verhindern.

Einer Alkalisierung des Kühlwassers im Kühlsystem steht das vorhandene Mischbettfilter entgegen, das bekanntlich die Aufgabe hat, Metallionen, beispielsweise Kupfer-, Nickel- und Eisenionen, und Anionen, beispiels weise HCO^'-Ionen, aus dem Kühlwasser herauszufiltern. Das Mischbettfilter enthält im allgemeinen einen H-beladenen Kationenaustauscher und einen 0H-beladenen Anionenaustauscher. Bei Verwendung von Natronlauge als Alkalisierungsmittel werden durch den Kationenaustauscher Natriumionen wieder aus dem Kreislauf herausgefiltert. Nur durch eine ständige Dosierung von Alkali sierungsmitteln kann ein vorbestimmter pH-Wert aufrechterhalten werden. Dadurch wird der Kationenaustauscher verbraucht und muß entsprechend oft erneuert werden.

Diese Schwierigkeiten können erfindungsgemäß bei einer Kühlanordnung vermieden werden mit den Gestaltungsmerkmalen entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs

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In dieser Kühlanordnung dient das Mischbettfilter nur noch zur Inbetriebnahme der elektrischen Einrichtung und der Nonnalbetrieb wird mit dem Anionenaustauscher durchgeführt.

Bei der Inbetriebnahme der Kühlanordnung kann ein Teilstrom des Kühlwassers über das Mischbettfilter und ein weiterer Teilstrom über den Anionenaustauscher und das Mischbettfilter geleitet werden, bis das Wasser im Hauptkreislauf eine Leitfähigkeit von höchstens etwa 0,1 /uS/cm erreicht hat. Dann wird das Mischbett außer Betrieb gesetzt und nur noch der Anionenaustauscher betrieben. Vor dem Anionenaustauscher wird eine vorbestimmte Menge eines Alkalisierungsmittels, vorzugsweise Natronlauge, das zur Alkalisierung des Kühlwassers benötigt wird, langsam über einen Mischer dem Teil3trom des Kühlwassers im Parallelkreislauf zudosiert und damit der pH-Wert des Kühlwassers im Hauptkreislauf angehoben.

Im Normalbetrieb wird der Teilstrom des Kühlwassers im allgemeinen nur noch über den Anionenaustauscher geleitet, der vor allem Bikarbonate aus dem Kühlwasser entfernt. Eine pH-Wert-Korrektur ist sowohl durch den Einsatz des Mischbettfilters möglich, wenn beispielsweise ein oberer Grenzwert des pH-Wertes erreicht wird, als auch durch Zudosieren von Alkalisierungsmittel, wenn der pH-Wert absinkt. Bei einem pH-Wert von etwa 8,3 sind die unter Gleichgewichtsbedingungen entsprechend dem Pourbaix-Diagramm zu erwartenden gelösten Kupferionenkonzentrationen sowie die Eisen- und Nickelionenkonzentrationen sehr gering und tragen zur Leitfähigkeit des Wassers somit nur wenig bei. Es stellt sich deshalb ein stabiles Gleichgewicht mit einem niedrigen Kupferspiegel ein.

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In einer bevorzugten AusfUhrungsforsa der Anordnung zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen kann noch ein zusätzlicher Parallelkreislauf vorgesehen sein, der eine Reihenschaltung eines H-beladenen Kationenaustauschers mit einer Leitfähigkeitsmeßzelle enthält. Mit dieser Anordnung kann der pH-Wert des Kühlwassers in einfacher Weise in weitgehender Annäherung bestimmt werden. Das Verfahren besteht darin, daß die elektrische Leitfähigkeit des Kühlwassers im Hauptkreislauf und zugleich die Leitfähigkeit im zusätzlichen Parallelkreislauf des Kühlwassers hinter dem Kationenaustauscher gemessen wird. Aus diesen Messungen läßt sich in einfacher Weise die H-Ionenkonzentration des Kühlwassers ableiten, aus der sich der pH-Wert ergibt. Mit Hilfe dieser einfachen pH-Wert- Be Stimmung kann der Kühlkreislauf in einem vorbestimmten Bereich zwischen zwei Grenzwerten des pH-Wertes gefahren werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Kühlanordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

In der Figur ist eine Anordnung zur Kühlung einer elektrischen Einrichtung mit wassergekühlten elektrischen Leitern dargestellt, die beispielsweise ein Generator 2 sein kann, mit getrennten Kühlrohrsystemen für die Ständerwicklung 3, Läuferwicklung und das Ständerblechpaket 5. Die Rohrsysteme sind im Hauptkühlkreislauf jeweils in Reihe mit zwei Ventilen parallel zueinander angeordnet. In der Ständerwicklung 3 und der Läuferwicklung 4 wird das Kühlrohrsystem jeweils im wesentlichen durch die elektrischen Leiter gebildet. Die in der Figur mit 8 bis

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13 bezeichneten Ventile können vorzugsweise Drosselventile sein. Der Hauptkreislauf enthält ferner einen Wärmetauscher 16, eine Umwälzpumpe 17, ein mechanisches Filter 18 sowie ein Magnetfilter 19.

In einem Parallelkreislauf ist ein Mischbettfilter 22 vorgesehen, dessen Eingang auch über ein Magnetventil 24 mit einem Ausdehnungsgefäß 26 verbunden sein kann, das zur Zuführung von frischem Kühlwasser υ dient und durch ein Stickstoffpolster 27 gegen die Außenatmosphäre abgeschlossen ist. Aus dem Ausdehnungsgefäß 26 werden die Kühlwasserverluste des Kühlkreislaufes ergänzt, die beispielsweise etwa 1 1 pro Tag betragen können. Dieses frische Kühlwasser kann Sauerstoff, Kohlendioxid und weitere Fremdionen enthalten. Die Leitfähigkeit dieses zugeführten Frischwassers kann deshalb zweckmäßig über das Ventil 24 und das Mischbettfilter 22 in den Kühlkreislauf eingeleitet werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, das

k:O frische Kühlwasser über ein besonderes Mischbettfilter 28 der Niederdruckseite des Kühlkreislaufes zuzuführen.

Parallel zum Mischbettfilter 22 ist ein weiterer Parallelkreislauf 30 vorgesehen, der einen Anionenaustauscher

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VPA 80 P 7 5 4 7 OE 36 in der GH-Fcrm enthält, der über ein Ventil 37, das vorzugsweise ein ferngesteuertes Magnetventil sein kann, sowie eine in der Figur nicht näher bezeichnete Verbindungsleitung mit den Eingang des Mischbettfilters 22 verbunden ist. Der Anionenaustauscher 36 kann somit sowohl dea Mischbettfilter 22 parallelgeschaltet als auch Mit diesem in Reihe geschaltet werden. Der Parallelkreislauf 30 enthält ferner eine Leitfähigkeitsmeßzelle 38_r die hinter dea Anionenaustauscher 36 angeordnet ist. Eine weitere Leitfähigkeitsmeßzelle 40 ist in Reihe mit eine» Ventil 42, das vorzugsweise ein Magnetventil sein kann, ia Parallelkreislauf 20 hinter dea Mischbettfilter 22 angeordnet. Es dient zur Überwachung der Funktion des Mischbettfilters 22. Ia Parallelkreislauf 30 ist vor dem Anionenaustauscher 36 eine Zuführung 44 für ein Alkalisierungsmittel vorgesehen, das beispielsweise Natronlauge sein kann. Die Zuführung 44 besteht aus einem Behälter 45, einer Dosierpumpe und einem Mischer 47.

Parallel zum Hauptkreislauf ist ferner eine Meßeinrichtung 58 zur Messung des Sauerstoffgehaltes in Kühlwasser vorgesehen.

Durch den Aufbau des Kühlsystems mit den Parallelkreisläufen 20 und 30 soll in der Anordnung zur Kühlung des Generators 2 der pH-Wert vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 8 und 8,4, gehalten werden.

Bei der Inbetriebnahme ist zunächst die Dosierpumpe abgestellt und ein im Parallelkreislauf 30 angeordnetes Magnetventil 62 geschlossen. Die Ventile 37 und 42 sowie ein im Parallelkreislauf 20 vor dem Mischbettfilter 22 angeordnetes Ventil 66 sind offen. Das KUhI-

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.VPA 80 P 75 47 DE wasser wird entionisiert mit Hilfe des Mischbettfilters 22, das einen H-beladenen Kationenaustauscher und einen OH~-beladenen Anionenaustauscher enthält. Der vom Teilstrom im Parallelkreislauf 30 durchspülte Anionenaustauscher 36 wird gereinigt. Sobald die elektrische Leitfähigkeit X₁ im Hauptkreislauf, die mit der Leit^ fähigkeitsmeßzelle 66 gemessen werden kann, und die, : Leitfähigkeit %, hinter dem Anionenaustauscher 36 einen vorbestimmten unteren Grenzwert, beispielsweise etwa 0,1 /uS/cm, erreicht haben, werden die Ventile 37 und 64 geschlossen, das Ventil 62 geöffnet und die Zuführung 44 von Alkalisierungsmittel durch Einschalten der Dosierpumpe 46 in Betrieb gesetzt. Durch die Zuführung 44 wird beispielsweise Natronlauge im allgemeinen in verdünnter Form, beispielsweise in einer _; Konzentration von 2.10 ^J η NaOH-Lösung, zudosiert und . der pH-Wert des Wassers im Kühlsystem angehoben, bis .; ein vorbestimmter pH-Wert, beispielsweise 8,3, erreicht ist. Dann wird die Dosierpumpe 46 abgestellt.

ο Erreicht der pH-Wert im Normalbetrieb einen oberen Grenzwert, beispielsweise 8,4, so wird das Ventil 66 geöffnet und die überschüssigen Na⁺-Ionen werden im Mischbettfilter 22 gegen H⁺-Ionen ausgetauscht. Sinkt ■ der pH-Wert unter den vorbestimmten Wert, so werden · die Ventile 37 und 66 wieder geschlossen und die Zuführung 44 von Natronlauge bei geöffnetem Ventil 62 wieder in Betrieb gesetzt.

Das Ventil 24 bleibt und wird zur Zuführung von Frischwasser nur geöffnet, wenn das Ventil 66 wegen der unterschiedlichen Druckverhältni3se geschlossen ist.

Es wird somit der Anordnung zunächst »in Teilatrom des Kühlwassers Über den An ionenaustauscher 36 und

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zusätzlich über das Mischbettfilter 22 zugeführt, bis die elektrische Leitfähigkeit >?j im Hauptkreislauf und die elektrische Leitfähigkeit -^ hinter dem Anionenaustauscher 36 einen vorbestimmten niedrigen Wert erreichen.. ..Dannytfir.4 das Mischbettfilter. 22 abgeschaltet „

V; und nur der Anionenaustauscher 36 wird betrieben, und \ dem Hauptkreislauf wird aus der Zuführung 44 über den Anionenaustauscher 36 Natronlauge -als Alkalisierungsmittel zugeführt, bis der vorbestimmte pH-Wert erreicht ist. Es stellt sich bei dieser Betriebsweise \ ein stabiles Gleichgewicht-mit-einem niedrigen Kupfer- \ spiegel im Kühlkreislauf ein;- I

,_. Die Leitfähigkeitsmeßzellen 38 und-64 sowie eine - > weitere Leitfähigkeitsmeßzeile 54 können vorzugsweise ; zugleich als Signalgeber für die überwachung und- Steue-* rung des pH-Wertes dienen und aus einer Kombination ■ einer Meßzelle mit einem Meßwertumformer bestehen. _;

Im Ausführungsbeispiel ist die Zuführung 44 des - ■ Alkalisierungsmittels vor dem Anioänenaustäuscher 56 ■ angeordnet. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Zuführung 44 im Hauptkreislauf, vorzugsweise vor _: der Umwälzpumpe 17, anzuordnen. ;

In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlanordnung kann der pH-Wert des Kühlwassers in einfacher Weise ermittelt werden mit üilfe «Ines zusätzlichen Paralleikrelslaufes 50._t der .einen Kat.icmenaustauscher 53» eine Leitfähigkeitsmeßzelle 54 und ein DrosselventilT5& enthält. Der pH-Wert wird ermittelt durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit ^ im.üauptkreLslauf mit Uer XeltfähigkeltsmeBzeile 64 und 5Le r Ties aurig einer weiteren Leitfähigkeit K^ mit der LettfählgkeitsmeßzeUe 54 im ParaileLkreiülauf 50 hinter dem KaJtionen-

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austauscher 52, der vorzugsweise ein H-beladenes Harz enthalten kann.

Die Leitfähigkeit im Hauptkreislauf wird hervorgerufen durch Kationen und Anionen, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen. Zur ersten Gruppe gehören die Na⁺- Ionen des Alkalisierungsmlttels und Metallionen, wie beispielsweise positive Kupfer-, Eisen- oder Nickelionen, bei denen das OH"-Anion als Partner vorliegt.

"O Zur zweiten Gruppe gehören alle Kationen, die ein anderes Anion als Partner haben. Strömt dieses Wasser über den wasserstoffbeladenen Kationenaustauscher 52, so werden die Kationen der ersten Gruppe gegen die H⁺- Ionen ausgetauscht und es bildet sich Wasser. Der Leitfähigkeitsbeitrag erfolgt nur über die Dissoziation des Wassers. Die Kationen der zweiten Gruppe werden ebenfalls gegen H⁺-Ionen ausgetauscht, sie tragen aber zur Leitfähigkeit bei ebenso wie die zugehörigen Anionen. Bei geringer Konzentration kann vollständige

<0 Dissoziation angenommen werden und die Leitfähigkeit ergibt sich somit aus dem Dissoziationsgrad & 1, der Ladungszahl und der Beweglichkeiten sowie der Konzentration der Ionen. Die Grenzwerte der Ionenbeweglichkeit in wäßriger Lösung sind bekannt. Da sich die Leitfähigkeiten der Kationen zu den Anionen verhalten wie deren Beweglichkeiten, kann man die Leitfähigkeit der OH~-Ionen mit weitgehender Annäherung berechnen und erhält dann den pH-Wert als negativen Logarithmus der H-Ionenkonzentration aus

¹ ^S

H⁺¹A

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Darin ist

Ig. die mittlere Ionenbeweglichkeit der bei Verwendung von Natronlauge als Alkalisierungsmittel im Kühlkreislauf vorhandenen Kationen Na⁺, Cu**, Ni⁺⁴",. Fe⁺* und

¹OH ^die °H"*-Ionenbeweglichkeit und K das Ionenprodukt des Wassers und 1_Ä die mittlere lonenbeweglichkeit der im Kühlkreislauf vorhandenen Anionen HCOv", CO,""_v SQ^ , Cl~ und

Ir, die H⁺-Ionenbeweglichkeit.

Diese Größen sind temperaturabhängig. Für eine Temperatur von beispielsweise 298 K ergibt sich der pH-Wert in weitgehender Annäherung aus der vereinfachten Beziehung
pH - 14,6 + log (^₁ - 0,2768 *₄K

Mit dieser einfachen pH-Wert-Ermittlung kann man den pH-Wert im Kühlkreislauf in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Grenzwert halten.

Im Ausführungsbeispiel ist als Alkalisierungsmittel Natronlauge NaOH vorgesehen. Es können aber auch andere Alkalisierungsmittel, beispielsweise Kalilauge KOH, Litiumhydroxid LiOH oder auch Hydrazin ^H^ sowie Ammoniak NH-, verwendet werden.

Wird anstelle der Natronlauge ein anderes Alkalisierungsmittel verwendet ., so werden die konstanten Werte in der angegebenen Beziehung für den pH-Wert entsprechend angepaßt.

5 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Patentansprüche

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/ 1. kühlanordnung mit ionar.'armeri Kühlwasser in einem geschlossenen Kühlsystem, das einen Hauptkreislauf und einen Parallelkrel3lauf mit eLnem Mischbettfilter enthält, und bei dem die Zufuhiung eines Alkalisierungsmittels vorgesehen ist:, dadurch gekennzeichnet, daU ein Anionenaustauscher (36) in der OH-Form vorgesehen ist, der sowohl dem Mischbettfilter (22) parallelschaltbar als auch mit dem Mischbettfilter (22) in Reihe schaltbar ist.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (44) eines AlkalisierungsmitteLs im ParaLlelkreislauf (30) vor dem Anionenaustauscher (36) vorgesehen ist.
3. Kühlanordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Parallelkreislauf (50) mit einer Reihenschaltung eines Kationenaustauschers (52) in der H-Porm mit einer Leitfähigkeitsmeßzelle (54) vorgesehen ist und daß der Hauptkreislauf eine Leitfähigkeitsmeßzelle (64) enthält.
4. Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teilstrom des Kühlwassers über den Anionenaustauscher (36) geleitet wird, und daß ein Alkalisierungsmittel zugeführt wird, wenn der pH-Wert im Hauptkreislauf absinkt, und daß der Anionenaustauscher (36) mit dem Mischbettfilter (22) in Reihe geschaltet wird, wenn der pH-Wert des Kühlwassers einen oberen Grenzwert erreicht.

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■ι-

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5. Verfahren zuai Betrieb einer Kühlanordnung nach einem der Anspruch:* I hts 3, dadurch g e k e η η ~ zeichne t , claü zur Inbetriebnahme ein Teilstrom des Kühtwaasers Qber dio Reihenschaltung des Anionenaustausch^rs (36) mit dem MLschbsttftiter (22) geleitet wird bin die elektrische Leitfähigkeit ( Ti j) im Hauptkrelr.lauf und die elektrische Leitfähig'«it (^₂) hinter dem Anlononnustauscher Ob) auf einen vorbestimmten geringen Wert vermindert ist und daß dann das Mischb*ittftiter (22) ausgeschaltet und der Teilstrom ausschließlich über den Antonenauatauscher (36) geleitet wird und ein Alkalisierungsinittel zugeführt wird bis der pH-Wert auf einen vorbestimmten Wert angehobon ist.

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