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火力发电厂防雷betway必威官网手机版设计方案及保护问题

摘要:本文根据某多个火力发电厂betway必威官网手机版项目设计的实践,介绍了设计中采取的降阻与阴保相结合的防雷betway必威官网手机版措施,概括出了火力发电厂betway必威官网手机版设计的三大部分:降阻、防腐、保护。

关键词:发电厂betway必威官网手机版 betway必威官网手机版设计 betway必威官网手机版设计方案

引言
火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能发电的动力设施,包括燃料燃烧释热和热能电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表器件,以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施。主要有蒸汽动力发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂几种类型。不论哪种类型的发电厂,都基本包含给排水系统、燃料系统、热力系统、动力系统、发电系统、变压系统、控制系统、其它设施。在一些火力发电厂betway必威官网手机版项目设计中,总设要求对给排水系统管道进行阴极保护,对其它系统实施全厂联合的降阻betway必威官网手机版设计,并尽量降低所有埋地金属设施的电化学腐蚀。此类要求是近年来火力发电厂betway必威官网手机版设计中最具典型性的,为此,对常规的防雷betway必威官网手机版设计提出了新的要求,尤其是新材料的选取和材料保护的应用十分重要。

第1部分:降阻设计
此处以某海边火力发电厂为例。该厂主要由给排水系统、燃料(煤场)系统、热力系统、动力系统、发电系统、变压系统、控制系统、其它设施构成。整厂可供敷设地网面积约为150000m2,土壤电阻率约为2000Ω.m,而betway必威官网手机版电阻要求≤0.5Ω,有较大难度,同时要保证地网使用寿命≥30年。
由于该厂处于海岸区域,土质一般为沙石,其土壤电阻率较大,同时海岸区域含盐量极高,腐蚀性强,对地网和给排水系统两道海下管道的使用寿命构成威胁,所以,选用抗腐蚀的betway必威官网手机版材料和完善的阴极保护十分重要。

1.1降阻思路。该项目土壤电阻率约为2000Ω.m,要求betway必威官网手机版电阻小于0.5欧姆,难度较大。根据公式估算,常规地网只能打到2.58Ω,若靠传统的betway必威官网手机版材料,只加密betway必威官网手机版网格和增打普通垂直betway必威官网手机版极是无法达到betway必威官网手机版要求的,必须采取高效的降阻材料,此处采用了防雷行业betway必威官网手机版通用的防腐离子betway必威官网手机版体,离子betway必威官网手机版体的降阻性能优越,设计上通过降低单套离子betway必威官网手机版体的betway必威官网手机版电阻的方式,逐套进行优化,然后在多个区域合理布置并联,同时通过水平地网与垂直深井的综合降阻能力,达到betway必威官网手机版要求。由于电厂betway必威官网手机版降阻技术已日趋成熟,且应用广泛,降阻设计中包含的防雷betway必威官网手机版,均压等详细设计此处不再赘述。

1.2防腐思路。
1.2.1钢材:总设分析了当地土壤腐蚀的机理及防止betway必威官网手机版网腐蚀的各种措施,对betway必威官网手机版网采用钢导体、铜导体、锌导体和牺牲阳极的阴极保护等防止腐蚀的方法进行了技术经济比较。一般betway必威官网手机版系统由金属材料组成,由于betway必威官网手机版材料长期埋设在土壤中,通常受到土壤的腐蚀和电气排流造成的杂散电流的影响,导致betway必威官网手机版系统材料产生严重的腐蚀,使betway必威官网手机版材料截面减小(薄)、穿孔甚至断开,严重影响betway必威官网手机版系统的热稳定性和电气的连续性,给发电厂造成严重的安全隐患。据统计,应用镀锌扁钢和镀锌钢管或角钢的betway必威官网手机版网,一般betway必威官网手机版网运行十年,快的3~4年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换,使投资增数倍。传统的betway必威官网手机版装置,大多采用圆钢、扁钢、角钢或钢管等碳素钢材。铁是一种化学性质比较活泼的元素,在常温常湿的条件下就能与多种非金属元素及盐类发生化学反应,会锈蚀和腐蚀。在一般的土壤中,碳钢的年平均腐蚀厚度在0.2mm左右;在严重污染的环境中,最大年平均腐蚀厚度达3mm。为减缓腐蚀速度,多采用热镀锌件,锌的抗腐蚀能力比铁高,在一般土壤中,镀锌扁钢埋于地下的平均腐蚀速度为0.065 mm/a,但是,我国的热镀锌层厚度一般只有0.05~0.06mm,仅起到一年的保护作用。因此,在强腐蚀性土壤介质中,碳钢betway必威官网手机版网仅靠镀锌层来保护是远远不够的,所以,选择钢材作为水平betway必威官网手机版体在海边火力发电厂betway必威官网手机版中使用是不适宜的。
1.2.2铜材:与碳钢相比,多数有色金属电阻值低,且有较好的选择性抗腐蚀能力。常用的有色金属材料有铜、铝、铅、锌等,在betway必威官网手机版材料中用得较多的是铜和锌。其中铜在低浓度的NaOH、CO2、海水等环境中有较好的抗腐蚀能力;常温下年平均腐蚀厚度也不足0.01mm。但在该方案中,如果地网大面积使用铜材,如图:
1区由牺牲阳极为管道提供保护,2区为地网,根据牺牲阳极保护法(在被保护金属上连接一个电位较负的金属作为阳极,它与被保护金属在电解液中形成一个大电池。电流由阳极经过电解液而流入金属设备,并使金属设备阴极极化而得到保护)可知,牺牲阳极为电位更负的金属为管道提供保护,但地网大面积使用铜网后,2区地网的电位更正,1区埋地钢质管道和牺牲阳极一起就变成了2区整个地网的牺牲阳极,这将加速埋地管道的腐蚀,从而违背总设对给排水埋地管道进行防腐蚀保护的要求,所以,此处不可采用电位比钢铁更正的金属材质作为大量使用的betway必威官网手机版材料,见下表1,铁的电位为-0.44,比铁电位更正的铜材不适合使用,所以,本工程不推荐采用铜材作为betway必威官网手机版网的主材。
表1:常用金属材料的电极电位
(单位为V,在温度+25℃以及与标准氢电极比较离子活性为1时)
元素 符号 电位差 元素 符号 电位差
钙   Ca   -2.84   镍   Ni   -0.23
镁   Mg   -2.38   锡   Sn   -0.14
铝   Al   -1.66   铜   Cu   +0.337
锰   Mn   -1.05   银   Ag   +0.80
锌   Zn   -0.763  铅   Pb   +0.80
铁   Fe   -0.44   金   Au   +1.42

1.2.3锌材:众所周知,锌的导电率约为钢的2倍,锌在高腐蚀地区的腐蚀率约为50微米,锌的电位为-0.763,比铁更负。作为导电材料,锌优于钢材,导电性能好,电气性能稳定;作为防腐蚀材料,3毫米厚的锌线可以保持60年,耐腐蚀年限长;更重要的是,锌的电位比铁更负,大面积使用不会对整个电厂的埋地钢质管网的使用寿命构成威胁,是此类电厂设计中最理想的betway必威官网手机版材料。其制造工艺为:通过特殊加热挤压工艺将纯锌(0#锌)压覆到低碳钢上形成双金属复合导体。棒体内部无任何残留物,棒体表面经过防腐蚀处理,从而克服了传统扁钢圆钢betway必威官网手机版的腐蚀造成的使用寿命短的问题。所以,本方案选择了ZSC-16(外径为16mm)锌包钢betway必威官网手机版圆线,锌层厚度大于3毫米。垂直采用经过特殊防腐处理的厚度5mm的钢质防腐离子betway必威官网手机版体,经防腐蚀计算,材料使用年限都大于30年.

1.3地网betway必威官网手机版电阻的理论推算
已知条件:土壤电阻率ρ=2000Ω.m;betway必威官网手机版电阻允许值R≤0.5Ω;水平betway必威官网手机版极采用200mm2锌包钢圆线;垂直betway必威官网手机版极采用ALG防腐离子betway必威官网手机版体;
水平betway必威官网手机版极的betway必威官网手机版电阻R1:
ρ: 土壤电阻率:2000Ω·m
S:地网面积:约为150000m2;
Lc:水平betway必威官网手机版极总长度,4300m;
a:埋设深度,0.8m;
k1:比例系数,1.05;
k2:比例系数,4.9;
要达到0.5欧姆的betway必威官网手机版电阻,增加垂直betway必威官网手机版极的betway必威官网手机版电阻为R2:
η:利用系数,0.95;
单套防腐离子betway必威官网手机版体的betway必威官网手机版电阻R3:
L: ALG防腐离子betway必威官网手机版体的长度:3.0m;
D:betway必威官网手机版极等效直径:0.20m;
垂直betway必威官网手机版系统要达到0.58欧姆的betway必威官网手机版要求,需要垂直betway必威官网手机版极的数目:
n: ALG防腐离子betway必威官网手机版体的数量: 根;
η:多根垂直betway必威官网手机版体利用系数:0.85;
通过理论计算,betway必威官网手机版电阻值即可降到0.5Ω以下,达到betway必威官网手机版要求。由于地网建设中的诸多不可预知因素,如果实测地网betway必威官网手机版电阻不能达到要求,则需增加垂直betway必威官网手机版极数目或采取其他降阻措施。

第2部分:阴保设计

2.1阴极保护的概念:
阴极保护是防止地下金属结构物腐蚀的最为有效的方法。它是通过向被保护的金属结构物表面通入足够的阴极极化电流,使金属的电位向负的方向移动,使之在电解质中难于失去电子,从而使金属的电化学腐蚀得到有效抑制。它是一种电化学防护方法,和别的防腐手段不同的是,它是通过对腐蚀反应进行积极的干预,从根本上抑制电化学的腐蚀的发生,因而保护效果彻底和有效。阴极保护分为牺牲阳极和外加电流阴极保护两种。

2.2阴极保护方法的选择:
牺牲阳极保护法是在被保护金属上连接一个电位较负的金属作为阳极,它与被保护金属在电解液中形成一个大电池。电流由阳极经过电解液而流入金属设备,并使金属设备阴极极化而得到保护。
外加电流阴极保护系统由直流电源、辅助阳极地床和参比电极等组成。依靠外加直流电源的电流来进行极化使金属腐蚀减缓。辅助阳极的作用是将电源提供的直流电经由介质传送到被保护的结构物上去。

2.3牺牲阳极法与外加电流法的技术特点比较
无论是外加电流法还是牺牲阳极法,均可以对被保护结构物实施完全保护,但由于提供电流的方法不同,两种方法又各有其特点。目前这两种方法均已得到广泛应用。根据需要和特点,在某种场合下可能采用牺牲阳极更合适;而在另一场合则采用外加电流法更有利。所以,根据保护对象所处的环境及当地条件,进行保护方法的合理选择是很有必要的。表2列出了这两种方法的比较。
表2 牺牲阳极系统及外加电流系统的比较
牺牲阳极系统 外加电流系统
(1)不需外电源;
(2)由于输出的电流有效,只用于覆盖层良好的结构或局部性保护;
(3)安装较为简单;
(4)要用手提式仪表对每个阳极或相邻两价目阳极之间进行检测;
(5)要用许多阳极;
(6)对邻近的结构物很少有影响;
(7)电流输出不能控制但有自动调节倾向,如果条件改变使电位变正,故电动势增大,因而电流增大,涂层不易损坏;
(8)大块阳极会阻碍水流,引起湍流,对循环水造成阻力;
(9)可用螺栓或焊接方法直接固定在被保护表面上而不必开孔;
(10)铁脚受阴极保护;
(11)不可能接错,所以极性不会变换。
(12)适用于简单的(单一的)地下结构物阴极保护; (1)需要外电源
(2)输出的电流较大,可用于大型的无覆盖层结构
(3)设计要小心,虽然电流输出容易调节;
(4)检测点较少,仪表安装在电源处,易于观察;
(5 )所需的阳极数量一般很少;
(6)对邻近的结构物有影响但容易排除;
(7)不论外界条件如何变化,均可自动控制电位;
(8)可用小型的阳极,阻力可忽略;
(9)在被保护结构物上要开孔;
(10)至电源正极的导线必需很好绝缘,否则会遭受土壤或水的腐蚀;
(11)使用时要核对极性,因为接错后极性变换能加速腐蚀;
(12)适用于地下结构复杂的区域性保护;


从上面分析可以得出,牺牲阳极阴极保护适合于保护碳钢betway必威官网手机版系统。而且牺牲阳极法与外加电流法比较,牺牲阳极法一次性投资较大,运行维护工作量小。外加电流法一次性投资较小,运行维护工作量较大,运行时需要用电,后期投入较大。综上所述,对该电厂工程采用牺牲阳极阴极保护方案。

2.4牺牲阳极材料的选择:
2.4.1作为牺牲阳极材料,应该具备下列条件:
① 阳极的电位要负,即它与被保护金属之间的有效电位差(即驱动电位)要大;电位比铁负而适合做牺牲阳极的材料有锌基(包括纯锌和锌合金)、铝基及镁基三大类合金。
② 在使用过程中电位要稳定,阳极极化要小,表面不产生高电阻的硬壳,溶解均匀。
③ 单位重量阳极产生的电量大,即产生1A时电量损失的阳极重量要小。三种阳极材料的理论消耗量为:镁为0.453g/A?h,铝为0.335g/A?h,锌为1.225g/A?h。
④ 阳极的自溶量小,电流效率高。由于阳极本身的局部腐蚀,产生的电流并不能全部用于保护作用。有效电量的理论发生电量中所占的百分数称为电流效率。三种牺牲阳极材料的电流效率为:镁50%~55%;铝80%~85%;锌90%~95%。
⑤ 价格低廉,来源充分,无公害,加工方便。
下面分别对锌基、铝基及镁基三大类合金牺牲阳极作简单介绍,其性能对比见表3。
阳极种类
性能
锌阳极
Zn-Al-Cd 铝阳极
Al-Zn-In-Cd 铝阳极
Al-Zn-Sn-Cd 镁阳极
Mg-Al-Zn
成分/% Al 0.3~0.6
Zn 0.025~0.1
Fe﹤0.005 Zn 2.5
In 0.02
Cd 0.1 Zn 5
Sn 0.5
Cd 0.1 Al 6

Zn 3
比重/g??cm-3 7.13 2.91 3.02 1.99
理论发生电量/A?g-1 0.82 2.93 2.87 2.21
海水中
1mA/cm2 电流效率/% ﹥90 85 80 60
开路电位(SCE)/V -1.12 -1.2 -1.2 -1.6
实际发生电量/A?g-1 0.74 2.49 2.30 1.19
消耗率
/kg?A-1 11.8 3.8 3.8 7.2
土壤中0.03mA/cm2 电流效率/% 75 65 - 45
实际发生电量A?g-1 0.62 1.90 - 1.00


2.4.2锌基、率基、镁基牺牲阳极的性能比较
2.4.2.1锌与锌合金阳极
锌与铁的有效电位差较小,如果钢铁在海水、纯水、土壤中的保护电位为-0.85V,则锌与铁的有效电位差只有0.2V左右。如果纯锌中的杂质铁含量≥0.0014%,在使用过程中阳极表面上就会形成高电阻的、坚硬的、不脱落的腐蚀产物,使纯锌阳极失去保护效能。这是因为锌中含铁量增加会形成FeZn相,而使其电化学性能明显变劣。
在锌中加入少量铝和镉可以在很大程度上降低铁的不利影响。这时锌中的铁不再形成FeZn相,而优先形成铁和铝等的金属间化合物,这种铁、铝等金属化合物不参与阳极溶解过程,使阳极性能改善。加铝和镉都使腐蚀产物变得疏松易脱落,改善了阳极的溶解性能。另外,加铝和镉还能使晶粒细化,也使阳极性能改善。
我国目前已定型系列化生产含0.6%Al和0.1Cd的锌-铝-镉三元锌合金阳极。该阳极在海水中长期使用后电位仍稳定,自溶量小,电流效率高(一般为90%~95%),溶解均匀,表面腐蚀产物疏松,容易脱落,溶解的表面上呈亮灰色的金属光泽,使用寿命长,价格便宜,在海水中用于保护钢结构效果良好。但由于锌与铁的有效电位差较小,故不宜用于高电阻场合,而适用于电阻率较低的介质中。
2.4.2.2铝合金阳极
铝合金阳极是近期发展起来的新型牺牲阳极材料。与锌合金阳极相比,铝合金具有重量轻、单位重量产生电量大、电位较负、资源丰富、价格便宜等优点,所以铝阳极的使用已经引起了人们的重视。目前我国有不少单位对不同配方的铝基牺牲阳极的熔炼和电化学性能进行了研究,但铝阳极的溶解性不如锌-铝-镉合金阳极。电流效率约为80%,也比锌合金阳极低一些。
常用的有Al-Zn-In-Cd阳极、Al-Zn-Sn-Cd阳极、Al-Zn-Mg阳极及Al-Zn-In阳极等。
2.4.2.3镁合金阳极
目前使用的多为含6%铝和3%锌的镁合金阳极,由于其电位较负,与铁的有效电位差大,故保护半径大,适用于电阻较高的淡水和土壤中金属的保护。但因其腐蚀快,电流效率低,使用寿命短,需经常更换,故在低电阻介质中(如海水)不宜使用。而且镁合金阳极工作时,会析出大量氢气,本身易诱发火化,工作不安全,故现在舰船上已不使用。
在选择阳极材料时,主要应根据阳极的地位、所需电流的大小以及介质的电阻等,并要考虑到阳极寿命、经济效果等因素。综上所述,该方案采用锌合金材料作为牺牲阳极。

2.5阴极保护的简易计算:
已知条件:
管道总保护长度,L=1000m。
土壤电阻率为ρ=20Ω.m。(海水土壤电阻率约为20Ω.m
设计要求30年。
管道用沥青布玻璃布防离层,电阻率:10000Ω.m
2.5.1被保护管道表面积
S=πd.L=3.14×0.12×1000=376.8 m2
d—管道外径,m,
l—管长,m
2.5.2保护管道保护电流
由于采用沥青防腐层,防腐层电阻率为10000Ω.m2,其保护电流密度取10mAm-2 ,全部管道所需保护电流I= 376.8 m2×10mAm-2=3.768(A)
其中考虑20%的富余电流量,其电流为:3.768×1.2=4.52(A)
2.5.3保护电流所需锌包钢的数量
阴极保护驱动电压为0.25V
betway必威官网手机版电阻要求
单根ZSR43-2.5betway必威官网手机版极电阻为
所需betway必威官网手机版极根数

保护30年锌的使用量
考虑1.4倍的富余量
m=1649.8×1.4=2309.72Kg
单根ZSR43-2.5的锌量为21Kg.
锌总量为:154×21=3.2(吨)
考虑需要足够的驱动电压和可靠的保护电流以及实际消耗量,ZSR43-2.5betway必威官网手机版极选取154根。
2.6牺牲阳极的施工方法:
牺牲阳极在管道上的分布宜采用单支或集中成组两种方式,同组阳极宜选用同一批号或开路电位相近的阳极.本方案以6.5米间距等距沿被保护管道立式布置牺牲阳极.阳极距管道外壁3米,阳极与管道用导线相连,埋设深度为距地面1米.
牺牲阳极安装时,先在阳极埋没处挖一个比阳极直径大200mm的坑,底部放入100mm厚的搅拌好的填包料,把处理好的阳极放在填包料上,再在阳极周围和上部各加100mm厚的细土,并均匀浇水,使之湿透,最后覆土填平。

结语
火力发电厂地网使用年限以及埋地给排水管道使用寿命越来越被建设单位重视,如何在betway必威官网手机版设计中综合考虑降阻及阴保问题是十分重要的。在地网材料选择方面,既要考虑降阻,又要考虑防腐,还要考虑与局部阴极保护的配合,以上三方面缺一不可,是地网建设科学合理的重要保证;在阴极保护方法和材料选择上,要结合被保护设施,场所,地质等多个条件进行全方位综合考虑;最后,将阴极保护与整个地网结合,做到安全可靠、技术先进、经济合理、维护管理方便。


参考文献:

SY/T 0019-97 《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》
IEEE Std 80-2000 IEEE guide for safety in AC substation grounding
《交流电气装置的betway必威官网手机版》DL/T621-1997
赵麦群 雷阿丽《金属的腐蚀与防腐》 国防工业出版社 2002年9月第一版
曹楚南 《腐蚀电化学原理》 化学工业出版社 2004年4月第二版


   
 
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