DE3027362C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung, insbesondere zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen mit wassergekühlten elektrischen Leitern, mit ionenarmem Kühlwasser und einem geschlossenen Kühlsystem, das einen Hauptkreislauf und einen Parallelkreislauf mit einem Mischbettfilter enthält. Eine derartige Kühlanordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 20 37 794 bekannt.

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 Kühlkreisläufe 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 µS/cm betragen kann. Durch das Kühlwasser kann ein Teil des Kupfers oder der Kupferlegierung durch Korrosion abgetragen und an anderen Stellen oder in nachgeschalteten Anlagenteilen wieder abgelagert werden. Die Korrosionsabgaberate 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 ionenarmem 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, beispielsweise HCO₃^--Ionen, aus dem Kühlwasser herauszufiltern. Das Mischbettfilter enthält im allgemeinen einen H⁺-beladenen Kationenaustauscher und einen OH^-- beladenen Anionenaustauscher. Bei Verwendung eines Alkalisierungsmittels werden durch den Kationenaustauscher des Mischbettfilters die Kationen wieder aus dem Kreislauf herausgefiltert. Nur durch eine ständige Dosierung von Alkalisierungsmitteln kann ein vorbestimmter pH-Wert aufrechterhalten werden. Dadurch wird der Kationenaustauscher verbraucht und muß entsprechend oft erneuert werden.

Diese Schwierigkeiten können bei einer Kühlanordnung erfindungsgemäß vermieden werden mit den Gestaltungsmerkmalen entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Das Mischbettfilter kann über den Bypass umgangen werden.

Bei der Inbetriebnahme der zu kühlenden Einrichtung wird ein Teilstrom über das vorgeschaltete Ionenaustauschersystem geleitet. Bei Verwendung beispielsweise von Natronlauge als Alkalisierungsmittel wird ein Na⁺-beladener Kationenaustauscher verwendet, der vorhandene Metallionen gegen Natriumionen austauscht. Der Anionenaustauscher tauscht vorhandene Anionen gegen Oh^--Ionen aus. Weiterhin wird das Alkalisierungsmittel physikalisch ausgespült. Dieses mit dem Alkalisierungsmittel versetzte Kühlwasser kann dann über das nachgeschaltete Mischbettfilter geleitet werden, um einen Überschuß an Alkalisierungsmittel abzufangen. Ein Teilstrom wird unter Umgehung des Mischbettfilters dem Hauptkreislauf zugeführt und damit der pH- Wert im Hauptkreislauf erhöht.

Während des Betriebes läßt sich der pH-Wert im Hauptkreislauf über das Verhältnis der Volumenströme über das Mischbettfilter und unter Umgehung des Mischbettfilters über den Bypass regeln. Das Kühlwasser im Parallelkreislauf wird über den Kationenaustauscher und den Anionenaustauscher sowie den Bypass geleitet. Der Bypass wird geschlossen und das Mischbettfilter zugeschaltet, sobald der pH-Wert des Kühlwassers einen oberen Grenzwert erreicht hat. Das Mischbettfilter wird abgeschaltet und der Bypass geöffnet, sobald der pH-Wert des Kühlwassers wieder abnimmt.

Es stellt sich allmählich ein stabiles Gleichgewicht ein, bei dem der Volumenstrom über das Mischbettfilter ganz ausgeschaltet werden kann.

Der alkalisierende Kationenaustauscher und der OH^--beladene Anionenaustauscher, die dem Mischbettfilter vorgeschaltet sind, können sowohl gemischt als auch getrennt vorliegen.

Das System ist auch gegen Lufteinbrüche, insbesondere einen Kohlendioxid-Einfluß, stabil, weil das gelöste Bicarbonat für pH-Werte größer als 8 vom Anionenaustauscher vollständig abgefangen wird.

Die Zuführung einer basisch wirkenden Substanz, vorzugsweise Natronlauge, kann zweckmäßig im Parallelkreislauf vor dem Kationenaustauscher vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlanordnung kann noch ein Parallelkreislauf mit einer Reihenschaltung eines Kationenaustauschers mit einer Leitfähigkeitsmeßzelle vorgesehen sein. Als Kationenaustauscher wird vorzugsweise ein stark saures Harz in der H-Form eingesetzt, das besonders rein ist. Mit dieser Anordnung kann in einfacher Weise in weitgehender Annäherung der pH-Wert des Kühlwassers bestimmt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen in der als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Anordnung zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen 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, dessen Ständerwicklung mit 3, Läuferwicklung mit 4 und Ständerblechpaket mit 5 bezeichnet und im Hauptkühlkreislauf jeweils in Reihe mit zwei Ventilen parallel zueinander angeordnet sind. Die in der Figur mit 8 bis 13 bezeichneten Ventile können vorzugsweise Drosselventile sein. Der Hauptkreislauf enthält ferner einen Wärmetauscher 16 sowie eine Pumpe 17 und ein mechanisches Filter 18 und ein Magnetfilter 19. In einem Parallelkreislauf 20 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 dient und durch ein Stickstoffpolster 27 von der Atmosphäre getrennt ist. Das aus dem Ausdehnungsgefäß 26 dem Kühlkreislauf zugeführte Frischwasser kann somit durch das Mischbettfilter 22 gereinigt werden. Aus dem Ausdehnungsgefäß 26, das als Wasser-Vorratsbehälter dient, wird pro Tag beispielsweise etwa 1 l Frischwasser dem Kühlkreislauf zugeführt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, dem Ausdehnungsgefäß 26 ein Mischbettfilter 28 nachzuschalten.

Dem Mischbettfilter 22 ist ein Dreiwegeventil 31 vorgeschaltet, das vorzugsweise aus einer Kombination von zwei Magnetventilen bestehen kann und das die Kühlwasserströmung über das Mischbettfilter 22 und den Bypass 32 steuert. Dem Mischbettfilter 22 ist ein Na⁺-beladener Kationenaustauscher 34 und ein Anionenaustauscher 36 in der OH-Form vorgeschaltet. Dieser Parallelkreislauf enthält ferner eine Leitfähigkeitsmeßzelle 38, die hinter dem Anionenaustauscher angeordnet ist, und eine weitere Leitfähigkeitsmeßzelle 40, die in Reihe mit einem Ventil 42, das vorzugsweise ein Magnetventil sein kann, hinter dem Mischbettfilter 22 angeordnet ist. Im Parallelkreislauf 20 ist ferner eine Zuführung 44 für Natronlauge vorgesehen, die als Alkalisierungsmittel verwendet wird. Die Zuführung 44 besteht aus einem Behälter 45, einer Laugenpumpe 46 und aus einem Mischer 47.

In einem Parallelkreislauf 50 ist ein Kationenaustauscher 52 in Reihe mit einer Leitfähigkeitsmeßzelle 54 und einem Drosselventil 56 vorgesehen. Die Leitfähigkeitsmeßzelle 54 ermöglicht zusammen mit einer im Hauptkreislauf angeordneten Leitfähigkeitsmeßzelle 64 die Ermittlung des pH-Wertes des Kühlwassers.

Die Leitfähigkeitsmeßzellen 38, 40, 54 und 64 können vorzugsweise zugleich als Signalgeber für die Überwachung und Steuerung des pH-Wertes dienen und aus einer Kombination einer Meßzelle mit einem Meßwertumformer bestehen.

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

Durch den Aufbau des Kühlsystems mit dem Parallelkreislauf 20 soll in der Anordnung zur Kühlung des Generators 2 der pH-Wert beispielsweise zwischen etwa 8 und 8,4, vorzugsweise etwa auf 8,3, gehalten werden, weil sich bei höherem pH-Wert eine unzulässig hohe elektrische Leitfähigkeit einstellt.

Während der Inbetriebnahme des Kühlsystems ist die Natronlaugezuführung 44 zunächst geschlossen. Auch der Bypass 32 kann vorzugsweise geschlossen werden. Das Dreiwegeventil 31 öffnet den Kühlstrom zum Mischbettfilter 22 und auch das Ventil 42 hinter dem Mischbettfilter 22 ist geöffnet. Das Kühlwasser wird entionisiert mit Hilfe des Na⁺-beladenen Kationenaustauschers 34 und des OH^--beladenen Anionenaustauschers 36 und mit Hilfe des Mischbettfilters 22. Weiterhin wird der Na⁺-beladene Kationenaustauscher 34 von überschüssiger Natronlauge befreit. Sobald die Leitfähigkeit x₁ im Hauptkreislauf einen unteren Grenzwert von beispielsweise etwa 0,1 µS/cm und die Leitfähigkeit x₃ hinter dem Anionenaustauscher 36, die mit der Leitfähigkeitsmeßzelle 38 ermittelt werden kann, ebenfalls einen unteren Grenzwert von beispielsweise etwa 1 bis 2 µS/cm erreicht, wird der Bypass 32 über das Dreiwegeventil 31 geöffnet und das Mischbettfilter 22 ausgeschaltet. Damit wird der pH-Wert im Hauptkreislauf angehoben und kann einen oberen Grenzwert erreichen, der 8,4 nicht wesentlich überschreiten wird.

Wird während des Betriebes dieser obere Grenzwert erreicht, so wird der Bypass 32 geschlossen und das Mischbettfilter 22 wieder zugeschaltet. Das Mischbettfilter 22 wird wieder abgeschaltet und der Bypass 32 wieder geöffnet, sobald der pH-Wert des Kühlwassers sinkt.

Sinkt der pH-Wert bei geöffnetem Bypass 32 und geschlossenem Mischbettfilter 22 bis auf einen unteren Grenzwert, beispielsweise 8,0, so wird die Natronlaugezuführung 44 geöffnet und der Kationenaustauscher 34 mit Natriumionen beladen.

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 Kühlwassers nur wenig bei. Es stellt sich deshalb ein stabiles Gleichgewicht mit einem niedrigen Kupferspiegel ein.

Ein Regenerieren des Na⁺-beladenen Kationenaustauschers 34 während des Betriebes der Kühlanordnung ist in einfacher Weise dadurch möglich, daß Natronlauge aus dem Behälter 45 dem Parallelkreislauf zugeführt wird, wenn der Kationenaustauscher 34, der Anionenaustauscher 36 und das Mischbettfilter 22 vom Kühlwasser durchströmt sind. Dadurch werden Metallionen im Kationenaustauscher 34 gegen Natriumionen ausgetauscht, und die freiwerdenden Ionen werden im Mischbettfilter 22 herausgefiltert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlanordnung kann der pH-Wert des Kühlwassers ermittelt werden durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit x₁ im Hauptkreislauf mit Hilfe der Leitfähigkeitsmeßzelle 64 und der Messung einer weiteren Leitfähigkeit x₄ im zusätzlichen Parallelkreislauf 50 hinter dem H⁺-beladenen Kationenaustauscher 52 mit Hilfe der Leitfähigkeitsmeßzelle 54. Die Leitfähigkeit im Hauptkreislauf wird hervorgerufen durch Kationen und Anionen, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen. Zur ersten Gruppe gehören die Na⁺-Ionen und Metallionen, wie beispielsweise positive Kupfer-, Eisen- oder Nickelionen, bei denen das OH^--Anion als Partner vorliegt. Zur zweiten Gruppe gehören alle Kationen, die ein anderes Anion als Partner haben. Strömt dieses Wasser über den H⁺-beladenen 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 Dissoziation angenommen werden und die Leitfähigkeit ergibt sich somit aus dem Dissoziationsgrad ≈1, der Ladungszahl, der Beweglichkeit sowie der Konzentration der Ionen. Die Grenzwerte der Ionenbeweglichkeit in wäßriger Lösung sind bekannt. Da sich die Leitfähigkeiten der Kationen zu denen der Anionen verhalten wie die Beweglichkeiten, kann man die Leitfähigkeit der OH^--Ionen näherungsweise berechnen und erhält dann den pH-Wert als den negativen Logarithmus der H⁺-Konzentration zu

Darin ist

l _K die mittlere Ionenbeweglichkeit der bei Verwendung von Natronlauge als Alkalisierungsmittel im Kühlkreislauf vorhandenen Kationen Na⁺, Cu⁺⁺, Ni⁺⁺, Fe⁺⁺,
l _OH die OH^--Ionenbeweglichkeit,
K _w das Ionenprodukt des Wassers,
l _A die mittlere Ionenbeweglichkeit der im Kühlkreislauf vorhandenen Anionen HCO₃^-, CO₃^--, SO₄^--, Cl^- und
l _H 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 (x₁ - 0,2768 x₄).

Im Ausführungsbeispiel ist als Alkalisierungsmittel Natronlauge vorgesehen und der Kationenaustauscher 34 ist dementsprechend ein Na⁺-beladener Kationenaustauscher. In Verbindung mit Kalilauge KOH als Alkalisierungsmittel wird ein K⁺-beladener Kationenaustauscher vorgesehen sein. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, auch andere Alkalisierungsmittel, beispielsweise Hydrazin N₂H₄ oder Ammoniak NH₃ sowie Lithiumhydroxid LiOH, zu verwenden.

Wird anstelle der Natronlauge ein anderes Alkalisierungsmittel verwendet, so erhält man eine geringe Abweichung der konstanten Werte in der angegebenen Beziehung für den pH-Wert.

Claims (6)

1. Kühlanordnung, insbesondere zur Kühlung von elektrischen Einrichtungen mit wassergekühlten elektrischen Leitern, mit ionenarmem Kühlwasser und einem geschlossenen Kühlsystem, das einen Hauptkreislauf und einen Parallelkreislauf mit einem Mischbettfilter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischbettfilter (22) ein Ionenaustauschersystem vorgeschaltet ist, das einen alkalisierenden Kationenaustauscher (34) und einen Anionenaustauscher (36) in der OH-Form enthält, und daß das Mischbettfilter (22) mit einem Bypass (32) versehen ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelkreislauf (20) mit einer Zuführung (44) für ein Alkalisierungsmittel versehen ist, die in der Strömungsrichtung vor dem Kationenaustauscher (34) angeordnet ist.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Parallelkreislauf (50) mit einer Reihenschaltung eines Kationenaustauschers (52) mit einer Leitfähigkeitsmeßzelle (54) vorgesehen ist.

4. Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Kühlwassers im Parallelkreislauf (20) über den Kationenaustauscher (34) und den Anionenaustauscher (36) sowie den Bypass (32) geleitet wird, und daß der Bypass (32) geschlossen und das Mischbettfilter (22) zugeschaltet wird, sobald der pH-Wert des Kühlwassers einen oberen Grenzwert erreicht hat, und daß das Mischbettfilter (22) abgeschaltet und der Bypass (32) geöffnet wird, sobald der pH-Wert des Kühlwassers wieder sinkt.

5. Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (44) für das Alkalisierungsmittel geöffnet wird, wenn bei geöffnetem Bypass (32) und geschlossenem Mischbettfilter (22) der pH-Wert des Kühlwassers bis auf einen unteren Grenzwert absinkt.

6. Verfahren zum Betrieb einer Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Parallelkreislauf (20) vor dem Kationenaustauscher (34) das Alkalisierungsmittel zugeführt wird, wenn das Kühlwasser über den Kationenaustauscher (34), den Anionenaustauscher (36) und das Mischbettfilter (22) geleitet wird.