閉鎖の監視と治療

Oct 01, 2023

閉ループ システムであることもあり、発電機のステーター バーから供給ポンプやエアコンプレッサーの熱交換器用の重要なポンプ ベアリングに至るまで、あらゆるものの信頼できる機能をサポートする発電所の冷却水システムは無視されがちです。 これらの給水システムを適切に監視し、メンテナンスすることにより、冷却する機械システムのより高価な修理を回避できます。

発電所には複数の閉ループ冷却システムがある場合があります。 非常に重要なコンポーネントの冷却や温度制御を行っている可能性が高いです。 存在する可能性が最も高い 2 つは、いわゆるベアリング冷却水システム (ベアリング以外にも機能します) と、水冷ステーターを備えたプラント用のステーター冷却システムです。 閉ループ冷却システムは、燃焼タービンの吸気口の空気冷却器にも見られます。

その性質上、閉ループ システムは長期間閉じたまま適切に動作していると、忘れ去られるか、少なくとも無視されることがよくあります。 システム全体の化学的性質や流量、差圧の小さな変化には気付かない場合があります。 ただし、これらのシステムに腐食プロセスが発生すると、それを修正するのは非常に困難になります。 その間に、重要なデータ機器がプラントの稼働能力に影響を与えるほど損傷する可能性があります。

特殊なケースであるステータ冷却水システムを検討する前に、閉ループ冷却水システムの一般原則と実践から始めます。

(蒸気サイクルではなく) 機械システムに閉ループ水冷を使用するほとんどの発電所には、いくつかのサブシステムがあります。 ベアリング冷却水システムは通常、重要なポンプのベアリングとシール、発電機の水素クーラー、潤滑油、およびエアコンプレッサーのクーラーを冷却します。 他の閉ループ冷却システムには、コンバインド サイクル発電所および化学サンプル パネルのガス タービンへの空気入口で使用される空気冷却器用の冷水システムが含まれる場合があります。

閉ループ冷却システムは、従来のチューブアンドシェル熱交換器またはプレートアンドフレーム熱交換器の主冷却水システムと熱交換できます。 冷水システム (エアチラー) はコンプレッサーと熱を交換し、コンプレッサーは冷却塔を使用して熱を環境に戻します。

一般に、クローズドループ冷却水の補給には脱塩水が使用されますが、腐食や一部のシステムでは凍結を防ぐために化学処理が必要です。 最も一般的には、閉ループ システムの配管は炭素鋼です。 空気冷却器アセンブリなどの熱交換面は、銅またはアルミニウムである場合もあります。 プレートおよびフレーム熱交換器は、多くの場合、ステンレス鋼プレートで作られています。 これらのシステムの手入れと保管には、すべての金属に注意を払う必要があります。

閉ループ システムでは、酸素孔食が最も一般的なタイプの腐食です (図 1)。 酸素ピッチングの症状は、腐食生成物によるシール表面の摩耗による錆びた水やベアリングの定期的なメンテナンスなどです。

酸素孔食が発生するには、まず金属表面の一部を覆う堆積物が存在し、堆積物の下の酸素含有量とバルク水中の酸素含有量の間に差が生じる必要があります。 堆積物の下の酸素欠乏領域がアノードとなり、バルク水にさらされる堆積物の周囲の領域がカソードになります。 この「大きなカソード、小さなアノード」構成により、限られた領域に集中して加速された孔食が発生し、ピンホール リークが発生します。

細菌が閉ループシステム内で繁殖すると、「生きた」堆積物が形成される可能性があります。 細菌の呼吸による副産物は酸性であることが多く、呼吸によって酸素も消費されるため、バイオフィルムの基部が卑金属の腐食を促進します。 これにより、一部の種類の細菌は代謝に酸化金属を使用するため、さらに増殖が促進されます。

閉ループ冷却システムが密閉されており、水の損失が発生していない場合、適用される化学処理は更新が必要になるまで数週間または数か月続くことがあります。 これは自己満足につながる可能性があります。 一方、漏れがあり、水の損失が大きい閉ループ冷却システムでは、適切な処理レベルを維持することがほぼ不可能になる可能性があります (場合によっては非常に高価)。 不適切な処理レベルでは、常にこれらのシステムの腐食が発生します。

以下に、軸受冷却水システムや閉ループ空気冷却システムなどの閉ループ冷却システムの処理に使用できるいくつかのオプションを示します。 一般に、システム内のさまざまな金属やシステム要件に適した処理プログラムを見つけて (たとえば、凍結防止が必要かどうかを判断します)、それを使い続けます。

3 つの化学処理のどれを選択するかに関係なく、アルカリ性の pH を維持するための pH 緩衝剤 (苛性アルカリとホウ酸ナトリウムが一般的) も含まれる可能性が高く、これは炭素鋼の腐食を最小限に抑えるのに役立ちます。 閉ループシステムに銅が存在する場合、露出した銅金属表面の上部に保護化学層を維持するために、アゾールを処理に追加することができます。

亜硝酸ナトリウム。 亜硝酸ナトリウムは、さまざまな閉ループシステムの腐食を防止するために長年使用されてきました。 亜硝酸塩は酸化剤であり、すべてを均一に「腐食」させることで基本的に腐食を止めます。 これは直観に反しているように思えますが、すべてが陰極になり、陽極がなくなると、腐食は止まります。

システム内に亜硝酸塩が常に供給されるため、生じた裸のスポットがすぐに不動態化されます。 ただし、冷水ループ内の亜硝酸塩が不十分な場合、配管内にアノードが形成される可能性があり、再び大きなカソード/小さなアノード腐食セルが発生します。 亜硝酸塩ベースの処理の一般的なガイドラインは、最低 700 ppm の亜硝酸塩です。

亜硝酸塩は一部の細菌によってエネルギー源として利用されます。 閉ループシステムがこれらの細菌で汚染されると、亜硝酸塩レベルが急速に低下する可能性があります。 バクテリアはバイオフィルムも生成し、堆積物を生成して配管の残りの部分の陽極となる領域を生成します。 亜硝酸塩をさらに追加すると、細菌の繁殖がさらに加速され、問題が悪化します。 亜硝酸塩を使用するシステムでは、細菌の有無を定期的に検査する必要があります。 一部のシステムでは、細菌の増殖を防ぐために、グルタルアルデヒドやイソチアゾリンなどの非酸化性殺生物剤が治療に追加されます。

モリブデン酸ナトリウム。 モリブデン酸ナトリウムは一般に陽極酸化防止剤として分類されます。 モリブデン酸塩は水中の溶存酸素と作用して、鋼上に保護用モリブデン酸第二鉄錯体を形成します。

モリブデン酸塩処理レベルは、モリブデン酸塩として 200 ppm から 800 ppm の間の任意の場所にあります。 脱塩水を使用する閉ループ システムは、この範囲の下限にある傾向があります。 残念なことに、世界のモリブデン酸金属の供給は歴史的に政情不安があった地域に集中する傾向があり、長年にわたってモリブデン酸塩の価格は​​大幅に変動しています。 この価格変動により、モリブデン酸塩処理が亜硝酸塩と競合したり、はるかに高価になったりする可能性があります。

皮肉なことに、非常に密閉された閉ループ システムでは、溶存酸素レベルが低下する可能性があり、そのためモリブデン酸塩処理 (不動態層の形成には溶存酸素が必要です) の有効性が最小限に抑えられます。 専門家は、モリブデン酸塩処理システムでは最低 1 ppm の溶存酸素を推奨しています。

ポリマートリートメント。 ポリマー処理は、開放型冷却塔内でのスケールや腐食生成物の蓄積を防ぐために長年使用されてきました。 同様のポリマーも現在、閉ループシステムで使用するために販売されています。 このポリマーは、形成される可能性のある腐食生成物やスケールの分散剤として機能するようです。そのため、表面を清潔に保ち、水中の溶存酸素がすべての表面を均一に攻撃することで腐食を防ぎます。 これにより、全体的には低いレベルの腐食が発生します。

この処理の利点の 1 つは、閉ループ システムが閉じられたままである限り、環境に影響を与えることはないはずですが、非常に環境に優しいと考えられていることです。

閉ループ システムを適切に機能し続けるための鍵は、定期的な監視です。 治療に含まれる活性剤が何であれ（亜硝酸塩、モリブデン酸塩、またはポリマー）、その濃度を定期的に監視する必要があります。 一般に、治療レベルが低下していない限り、毎週の検査で十分です。 (定期的に監視していないとわかりません。) 炭素鋼と銅の腐食処理は通常 1 つの製品に混合されているため、処理レベルが低いと炭素鋼配管以外にも影響を及ぼす可能性があります。

水のpHも定期的に検査する必要があります。 化学処理における pH 緩衝の量を考慮すると、水の pH は堅固である必要があります。 pH の低下は、特に亜硝酸塩ベースの処理による細菌汚染を示している可能性があります。 pH を低下させるもう 1 つの原因は、システム内の漏れであり、新鮮な脱塩水が流入します。

サイトグラスやフローインジケーターでのぬるぬるした増殖や、サンプル採取時の腐敗臭など、細菌汚染の他の兆候に注意してください。 プレートおよびフレーム熱交換器は、非常に大きな表面積と、プレート間の熱交換のための小さな間隔を持っています。 細菌汚染は熱伝達に重大な影響を与えるだけでなく、ステンレス鋼プレートにピンホール漏れを引き起こす可能性もあります。 この時点での閉ループ システムと開ループ システムの圧力に応じて、軸受冷却水が漏れたり、開いた冷却水が漏れたりする可能性があります。

重度に汚染されたシステムから回復するよりも、細菌汚染を防ぐ方がはるかに簡単であることを忘れないでください。

ステーター冷却水システムは、いくつかの理由から非常に特殊な閉ループです。 まず、最も重要な機器の 1 つである発電機を保護します。 このシステムで問題となる金属は銅 1 つだけです。 そして、このシステムは非常にクリーンな、さらには純粋な状態を維持する必要があります。 ステーター冷却バーの温度がわずかに上昇すると、発電機の負荷が制限されたり、発電機が停止したりする可能性があります。 したがって、このシステムには特別な理解、注意、監視が必要です (図 2)。

ステータ冷却水は、水冷発電機の銅ステータ バーを冷却する閉ループ システムに含まれています。 銅コイルのステーター バーには中空の素線が含まれており、冷却水が中を通過します (図 3)。 ステーターバーの端は、発電機の構成に合わせて曲げられることがよくあります。

ステーターバー全体にわたって、ステーター冷却水を含む銅のより線の位置がバー自体の中で変わります。 たとえば、冷却水の流れのための中空ストランドは、一方の端ではステーター バーの右上隅にあり、もう一方の端ではステーター バーの中央のどこかに出ている場合があります。 単一バー内のストランドの位置のこのような変更はローベル転位と呼ばれ、ステーター バー内の循環電流を減らすために行われます。

ローベル転位によって引き起こされるものも含め、中空の銅素線の狭い通路、曲がり、ねじれにより、少量の移動性腐食生成物が冷却水の経路を部分的または完全に遮断する多くの場所が生じ（図 4）、ステーターバーの破損の原因となります。過熱する。 ステーターバーが過熱すると、発電能力が低下したり、発電機に致命的な故障が発生したりする可能性があります。

ステータ冷却水システムには次のコンポーネントが含まれています。

■ ポンプに吸引力を与える純水が入ったヘッドタンク

■循環ポンプ

■熱交換器

■ フィルター (カートリッジフィルター、メッシュストレーナー、またはその両方)

■ 混合床式純水装置

■ 流量、温度、導電率、溶存酸素、場合によっては pH のモニタリング

多くの場合、2 つの脱イオン装置容器と 2 セットのフィルターがあり、フィルター カートリッジの交換または混合床樹脂の交換のために 1 つをバルブで取り外すことができます。

冷却ループはステーターバーから熱を取り除き、熱交換器を通して熱を運びます。 水は混合床研磨機を連続的に通過し、水に混入する可溶性イオン汚染物質が除去されます。 これらの不純物は通常、溶解した二酸化炭素とイオン化した (溶解した) 銅の腐食生成物です。

イオン交換樹脂は酸化銅の微粒子も捕捉する可能性がありますが、これはカートリッジ フィルターの方が適切です。 イオン交換樹脂は時間の経過とともに消耗する可能性があります (導電率の増加によって示されます)。 しかし、樹脂床全体の差圧（樹脂内の腐食生成物の収集によって引き起こされる）により、樹脂の交換が必要になることの方が一般的です。

ステータ冷却水システムの伝熱面は通常、純銅です。 酸化および還元条件における銅の化学は多くの研究の対象となっており、現在では一般的な問題である腐食を引き起こす条件についての理解が深まってきています。

高純度水の存在下、低溶存酸素条件 (<20 ppb) では、銅は酸化亜銅 (Cu2O) の不動態層を形成します。 酸化第二銅 (CuO) は、溶存酸素が多い (>2 ppm) 場合に生成される可能性があります。 これらの酸化物はいずれも安定しており、ステーター バーのチャネル上に不動態酸化物層を形成します。 わずかにアルカリ性の pH は、どちらかの酸化物層の安定性を高めます。

溶存酸素の大幅な変化により、水の電気化学ポテンシャルが変化します。 これにより、酸化銅が 1 つの形態 (第二銅) から別の形態 (第一銅) に変換される可能性があります。 この変換中に酸化物層が不安定になり、水中に放出され、下流に移動して別の領域に再付着します。 水の現在の状態に応じて、それらが再付着するにつれて、堆積物には上記の 2 つの酸化銅のいずれか、または銅金属が含まれる可能性があります。 この再結合にはさまざまな形が考えられます。 図 5 は、銅の表面に羽のような構造で析出した酸化銅を示しています。 図 6 は、チャネル内の堆積物の粗くてランダムな性質を示しています。

必ずしもステーターバー自体の腐食が問題を引き起こすわけではないことを理解することが重要です。 このような純水の条件では、局所的な腐食によって生じるピットは非常に小さいです。 問題は、ある領域から酸化銅が放出され、それが別の領域に集まることです。 銅の「腐食」速度は非常に遅い可能性がありますが、酸化銅の水中への放出速度が速まる条件は、システムの状態に非常に悪影響を与える可能性があります。 酸化銅の放出速度は、pH や温度にも影響される可能性があります。

ここには悪循環の影響が多少あります。 ステーター冷却水の温度が上昇すると、水中への酸化銅の放出速度が増加します。 堆積物や部分的に詰まったストランドにより、水の流量が低下する可能性があります。 水がステーターバーを通過する速度が遅いほど、水は暖かくなります。 このサイクルにより、ステーター冷却の問題が突然発生する可能性があります。

銅腐食の問題を回避し、ステーター バーの流れと冷却を維持する最善の方法は、使用する処理オプションを理解し、ステーター水冷システムを適切に監視することです。

すべてのステーターバーの開口部を通る妨げられない流れは、発電機の動作にとって重要であり、詰まりの原因となる可能性のある場所への粒子の輸送を最小限に抑えます。 そのため、ステーター冷却水の導電率と溶存酸素を継続的に監視する必要があります。 導電率は重要であり、通常は 0.5μS/cm 未満に保たれます。 (OEM のメーカーは異なる制限を設けている場合があります。)

固定子水システムの健全性の監視には、溶存酸素や導電率などの化学パラメータだけが含まれるわけではありません。 また、接近する問題を予測できる傾向を得るために、関連するさまざまな温度と圧力を調べることも含まれます。

固定子システムでは、導電率と溶存酸素をオンライン (現場) で監視することをお勧めします。 グラブサンプリングは、正確なサンプルを確実に取得できるようになる前にサンプルラインを洗い流すのに多量の水が必要となり、サンプルラインを交換する必要があるため、通常は行われません。 これは問題になる可能性があります。

カートリッジフィルターと混合床脱イオン装置間の圧力差も重要です。 微粒子の詰まりによりフィルターを交換する必要がある頻度は、システム内の腐食状態を示します。 差圧が必要なときにカートリッジフィルターを交換したり、脱塩樹脂を交換したりしないと、ステーターバーの詰まりが促進されます。 導電率が 0.5μS/cm を超える場合、または脱イオン装置全体の圧力差が 15 psid を超える場合は、脱塩樹脂を交換することをお勧めします。 予防措置として、樹脂は 18 か月から 2 年ごとに交換する必要があります。

通常供給されるカートリッジ フィルターは 5µm ですが、一部の工場では 1µm カートリッジ フィルターに移行すると効果があることがわかっています。 フィルターまたは脱イオン樹脂によって捕捉された粒子は、ステーター冷却チャネルの表面に再付着することができない粒子です。

ステーター冷却システムにおける補給水の使用量を監視することも重要です。 システムが低溶存酸素環境で動作している場合、補給水は溶存酸素だけでなく二酸化炭素も取り込み、ステータ冷却水の pH を低下させ、酸化銅の放出速度を高め、温度の問題を加速させます。

同様に、純水装置またはカートリッジ フィルター全体で大幅な圧力降下がある場合、またはステーター冷却水ポンプに問題がある場合、これらすべてがシステムを通るステーター冷却水の流れを遅くし、銅の放出を加速する可能性があります。酸化物が発生し、目詰まりが発生する可能性が高くなります。

以前の記事で、ステーター冷却水の処理オプションについて詳しく説明しました (POWER 2007 年 12 月号の「忘れられた水: ステーター冷却水の化学」)。 水冷ステータを備えた発電所では、高酸素環境と低酸素環境がほぼ均等に分かれており、高溶存酸素環境で運転している発電所が数値的にわずかに有利です。

溶存酸素が高い場合は、ステーター冷却水中の溶存酸素を常に 2 ppm 以上に維持する必要があります。 これにより、銅が強制的に酸化物の CuO の形になり、冷却水への酸化物の放出がほとんどなく、不動態化層が維持されます。 1 ppm 未満のレベルの場合は、問題を修正するための即時措置を講じる必要があります。 多くの場合、ヘッド タンクを通気したままにしておくだけで、ステーター冷却水に酸素を供給しておくのに十分ですが、水素が冷却水に漏れると、酸素と置き換わって腐食を引き起こす可能性があります。 また、オープンヘッドタンクにより二酸化炭素が流入し、ステータ水の pH が低下し、腐食が増加する可能性があります。 工場によっては、空気がタンクに入る前にヘッドタンクの通気口に二酸化炭素吸収剤を設置して二酸化炭素を除去する場合もあります。

低溶存酸素領域で動作するには、ステーター冷却水の溶存酸素を常に 20 ppb 未満に維持し、理想的には可能な限り低い溶存酸素を維持する必要があります。 これにより、Cu2O 不動態層が生成されますが、それには長い時間がかかります。 亜酸化銅の生成は、水中の溶存酸素の量によって制限されます。 システムの漏れをなくし補給水の量を制限することで、低い溶存酸素を維持できます。 酸素は、フランジ、ポンプ、シールからも漏れる可能性があります。 場合によっては、緩んだ接続部やフランジを介して酸素が漏れ、ベンチュリ効果が生じ、空気が吸い込まれます。プラントによっては、空気を遮断するためにヘッドタンクを窒素、さらには水素で覆っている場合もあります。 大規模な停止中は低酸素状態を維持する必要があり、それにはある程度の計画が必要になる場合があります。

ステーター冷却水の pH を上げることも、銅の腐食と放出速度を減らすのに非常に効果的であることが示されています。 しかし、アルカリ性の pH を生成および維持するために必要な追加の手順を選択する電力会社はほとんどありません。

アルカリ性 pH 処理は、低溶存酸素状態または高溶存酸素状態を改善します。 水の目標 pH は一般に 8.5 ～ 9.0 の間と考えられており、水に少量の苛性アルカリを添加するか、脱イオン装置容器の 1 つで水素型カチオン樹脂の代わりにナトリウム交換樹脂を使用し、これを通して水を計量することによって得られます。 pHが所望のレベルに達するまで交換器を動かします。 ■

—David Daniels ([email protected]) は、POWER に頻繁に寄稿しており、M&M Engineering Associates Inc. の上級主任科学者です。

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