Zweikreis-Reaktoren

Diagram of two-circuit water-steam reactor
Das abgebildete Zweikreissystem setzt sich aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf und dem Kühlwasserkreislauf zusammen.

Wasser, das Betriebsmedium, wird in den Dampferzeuger (ganz links) gepumpt, wo es durch Kernspaltung oder Verbrennung erhitzt wird. Der Dampf wandert durch das Rohrsystem zur Turbine und treibt diese an; dabei wird Strom erzeugt. Im Kondensator kondensiert der Dampf, indem er Wärmeenergie an das Kühlwasser abgibt. Danach wird das Wasser wieder in den Dampferzeuger eingespeist und der Prozess beginnt von neuem.

Abstimmung der Wasserchemie für optimalen Reaktorwirkungsgrad

Die Bedingungen im Inneren des Dampferzeugers begünstigen die Korrosion und die Bildung von Ablagerungen, was zu einer beträchtlichen Absenkung des Wirkungsgrads in einem Kraftwerk führen kann. Um dem entgegenzusteuern, muss die Wasserchemie optimiert werden.

Einerseits muss das Wasser ultrarein sein, andererseits muss aber auch die Konzentration der hinzugesetzten Konditioniermittel wie Phosphate oder Sauerstofffänger kontinuierlich überwacht werden.

Die Parameter und Grenzwerte für das im Wasser-Dampf-Kreislauf zirkulierende Wasser sind genau festgelegt, u.a. in den Normen EN 12952 (Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten) sowie EN 12953 (Großwasserraumkessel).

> Anforderungen an das Speisewasser von Dampfkesseln und Heißwasserkesseln (EN 12953) in der Übersicht

Überwachung der Wasserchemie mithilfe von Online-Analysengeräten von Metrohm Process Analytics

Water drop

Ist eine kontinuierliche Überwachung der Stoffmengenkonzentration und Parameterwerte erforderlich, dann sind die Geräte von Metrohm Process Analytics die beste Option. Diese kontrollieren die notwendigen Parameter vollautomatisch und können so konfiguriert werden, dass sie eine spezifische Aktion auslösen, wenn einer der Werte nicht im erwarteten Bereich liegt. Infolgedessen können Sie Ihre Eingriffe auf ein Minimum beschränken.

Die Analysengeräte von Metrohm Process Analytics sind in der Lage, einen breiten Analytbereich zu überwachen und können als einfach zu bedienende Einzelparameter-, Einzelmethoden- oder Multiparametergeräte eingesetzt werden.

> Hier finden Sie eine Übersicht zu Analyten, die kolorimetrisch mit den Analysengeräten von Metrohm Process Analytics überwacht werden können

Hydrazin: ein effizienter Sauerstofffänger

Alert Analyzer with nuclear power plant in background

Gelöster Sauerstoff ist eine der wichtigsten Korrosionsmittel in Wasserkreisläufen. Die thermische Entgasung des Kesselspeisewassers beseitigt einen Großteil dieses Sauerstoffs, es bleiben jedoch Restmengen übrig.

Normalerweise werden Reduktionsmittel wie Hydrazin oder Sulfit eingesetzt, um diesen restlichen Sauerstoff auf chemische Art zu entfernen. Nachteilig wirkt sich aus, dass das Sulfit korrosives Sulfat in den Wasser-Dampf-Kreislauf einbringt, demgegenüber zersetzt sich das Hydrazin nur in flüchtigem Stickstoff und Ammoniak. Ein zusätzlicher Vorteil des Hydrazins ist die Erhöhung des pH-Werts und somit auch die Absenkung des Korrosionspotenzials. Der einzige Nachteil ist seine Toxizität.

Die Hydrazinkonzentration im Kesselspeisewasser muss strengstens überwacht werden. Ideal für diesen Zweck sind ICON-Analyzer. Diese können binnen 10 Minuten den Hydrazingehalt kolorimetrisch bestimmen. Die Nachweisgrenze liegt im unteren µg/L-Bereich.

> Lesen Sie mehr über die Plug-and-Analyze-Systeme-Baureihe von Metrohm Prozessanalytik 

Siliziumdioxid: nicht ganz harmlos in Wasser-Dampf-Kreisläufen

Detail of turbine blade

Hohe Mengen an Siliziumdioxid in Kesselspeise- oder Frischwasser sind kritisch. Kieselsol wird durch die Ionenaustauscher nicht zurückgehalten und im Kessel zu löslichem Siliziumdioxid hydrolisiert. Dank seiner Flüchtigkeit kann es bei höheren Drücken in den Dampfkreislauf eindringen und sich anschließend an Turbinenblättern, insbesondere in Anwesenheit von Erdalkalimetallen, ablagern.

Siliziumdioxid kann bis in den µg/L-Bereich beispielsweise mit Hilfe eines ICON-Analyzers kolorimetrisch bestimmt werden.

> Lesen Sie mehr über die Plug-and-Analyze-Systeme-Baureihe von Metrohm Prozessanalytik

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Bestimmung von Kupfer mittels Voltammetrie

884 Professional VA, semiautomated, for single determinations
Kupferlegierungen kommen heutzutage fast in allen Kondensatoren des Wasser-Dampf-Kreislaufs zum Einsatz. Nachteilig wirkt sich dabei die Korrosionsanfälligkeit des Kupfers und seiner Legierungen gegenüber Ammoniak aus. Die daraus entstehenden Korrosionsprodukte sind dann Auslöser für weitere korrosive Angriffe. Kupferverbindungen scheiden sich ohnehin durch den Druck in den Hochdruckregionen der Dampfturbinen ab und lagern sich an den Turbinenblättern ab.

Voltammetrisch werden diese Kupferverbindungen nach DIN 38406-16 bestimmt. Eine Probenvorbereitung ist nicht notwendig.

> Lesen Sie mehr über die voltammetrische Bestimmung von Kupferverbindungen

Bestimmung von Eisen mittels Voltammetrie

Dampf reagiert bei hohen Temperaturen mit dem Eisen im Kohlenstoffstahl der Dampfkessel. Das führt zur Bildung einer dünnen Magnetitschicht, einem Eisen(II,III)-Oxid, welches die Stahloberfläche passiviert und es so gegen weitere Korrosion schützt (Schikorr-Reaktion).

Unter ungünstigen Bedingungen kann die hemmende Magnetitschicht abblättern, was zu erhöhten Eisenkonzentrationen im Wasser-Dampf-Kreislauf führt. Durch eine regelmäßige Eisenbestimmung ist es möglich, nicht nur die reinen Korrosionsprozesse zu überwachen, sondern auch die Bildung und den Abbau der schützenden Magnetitschicht.
Mithilfe der adsorptiven Stripping-Voltammetrie (AdSV) kann Eisen im Prozesswasser (Kesselspeisewasser, Frischwasser, Kondensat) des Wasser-Dampf-Kreislaufs von Kraftwerken schnell und mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Das geschieht durch Zugabe von Komplexbildnern, damit das Eisen in adsorbierbare Komplexe umgewandelt wird, welche nach einer festgelegten Anreicherungszeit an der Oberfläche einer Elektrode reduziert werden. Die Nachweisgrenzen, die mithilfe von 2,3-Dihydroxynaphthalen (DHN) als Komplexbildner erzielt werden, liegen im unteren μg/L-Bereich.

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Korrosionsinhibitoren

Chromatogram of corrosion inhibitors

Zinkionen, Phosphate sowie Phosphonate werden gewöhnlich als Korrosionshemmer in Rohrleitungen aus Stahl verwendet. Sind Kupfer und Kupferlegierungen involviert, kommen Triazole wie Tolytriazol, Benzotriazol sowie 2-Mercaptobenzothiazol für die Korrosionseindämmung zum Einsatz. Die Kupferverbindungen der Triazole sind anfällig gegenüber Oxidation und reagieren auch mit Mikrobiziden, die hinzugefügt wurden. Infolgedessen müssen die Triazole wieder aufgefüllt werden, was regelmäßige Bestimmungen der Triazol-Konzentration erforderlich macht.

Das kann mittels Ionenchromatographie mit spektrophotometrischer Detektion erfolgen.

> Erfahren Sie mehr über die Ionenchromatographie bei Metrohm

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Überwachung von korrosiven Anionen: Chlorid und Sulfat

Chromatogram for chloride and sulfate

Chlorid ist die Ursache von Lochfraß an Turbinenblättern und Rotoren. Im Zusammenspiel mit Sulfat führt es außerdem zu Korrosionsermüdung (Schwingungsrisskorrosion) und Spannungsrisskorrosion (stress corrosion cracking - SCC). Um diese ungünstigen Auswirkungen zu verhindern, müssen die genannten Anionen im Wasser-Dampf-Kreislauf von Kraftwerken auf Spurenniveau überwacht werden.

Das kann mittels Ionenchromatographie mit Inline-Anreicherung sowie Matrixeliminierung erfolgen.

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Weitere Applikationen und Produkte

Combustion IC complete system

Combustion IC für Brennstoffe

Fossile Brennstoffe können große Mengen Schwefel enthalten. Werden diese Brennstoffe nun verbrannt, wird dabei Schwefeldioxid (SO2) erzeugt und an die Umwelt abgegeben, was eine Überwachung des Schwefelgehalts fossiler Brennstoffe unabdinglich macht.

Halogenide fördern die Korrosion in den Kühlkreisläufen von Kraftwerken und machen deshalb eine Überwachung notwendig.
Sowohl Schwefel als auch Halogene können in festen wie flüssigen Proben durch Combustion Ionenchromatographie (CIC) bestimmt werden. Bei dieser Technik wird die Probe einer Pyrohydrolyse unterzogen, das entstandene Gas wird von einer Lösung absorbiert und anschließend mittels Ionenchromatographie analysiert.

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Power plant with flue gas

Rauchgasreinigung

Um CO2 aus dem Rauchgas zu entfernen, wird das Gas mit einer aminhaltigen Waschlösung behandelt. Das saure CO2 wird von Aminen chemisch reversibel gebunden und anschließend durch Erhitzen, Komprimieren, Trocknen und Verflüssigen wieder gelöst.

Sie können die CO2-Bindungsfähigkeit der Waschlösung mit einem ADI 2045TI Process Analyzer bestimmen. Dieses Analysengerät ist in der Lage, verschiedene Probenströme zu überwachen und nacheinander das CO2-Bindungsvermögen verschiedener Aminwäscher zu analysieren.

ADI 2045TI Process Analyzer Lesen Sie die Applikation
Detail of turbine

Turbinen- und Schmieröle

Turbinen- und Schmieröle sind in Kraftwerken extremen Bedingungen ausgesetzt. In zahlreichen internationalen Normen sind die Anforderungen und Prüfverfahren für die betriebliche Wartung der Turbinen festgelegt.

Die Norm ASTM D 4378 gibt vor, dass die Säure- und Basenzahlen durch potentiometrische Titration und der Wassergehalt durch Karl-Fischer-Titration bestimmt werden müssen.

Metrohm Titration Karl Fischer Titration

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