降阻剂专家浅谈火力发电厂防雷接地设计方案

　　降阻剂专家浅谈火力发电厂防雷接地设计方案第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而接地电阻要求≤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接地材料和完善的阴极保护十分重要。11降阻思路。该项目土壤电阻率约为2000Ω.m要求接地电阻小于0.5欧姆难度较大。根据公式估算常规地网只能打到2.58Ω若靠传统的接地材料只加密接地网格和增打普通垂直接地极是无法达到接地要求的必须采取高效的降阻材料此处采用了防雷行业接地通用的防腐离子接地体离子接地体的降阻性能优越设计上通过降低单套离子接地体的接地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接地要求。由于电厂接地降阻技术已日趋成熟且应用广泛降阻设计中包含的防雷接地均压等详细设计此处不再赘述。12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接地网腐蚀的各种措施对接地网采用钢导体、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。一般接地系统由金属材料组成由于接地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接地系统材料产生严重的腐蚀使接地材料截面减小薄、穿孔甚至断开严重影响接地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接地网一般接地网运行十年快的34年后都会产生严重的腐蚀而不得不更换使投资增数倍。传统的接地装置大多采用圆钢、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02mm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0065mma但是我国的热镀锌层厚度一般只有005006mm仅起到一年的保护作用。因此在强腐蚀性土壤介质中碳钢接地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接地体在海边火力发电厂接地中使用是不适宜的。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、锌等在接地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001mm。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接地材料见下表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接地网的主材。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Cu0.337锰Mn-1.05银Ag0.80锌Zn-0.763铅Pb0.80铁Fe-0.44金Au1.421.2.3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接地材料。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接地的腐蚀造成的使用寿命短的问题。所以本方案选择了ZSC16外径为16mm锌包钢接地圆线锌层厚度大于3毫米。垂直采用经过特殊防腐处理的厚度5mm的钢质防腐离子接地体经防腐蚀计算材料使用年限都大于30年.1.3地网接地电阻的理论推算已知条件土壤电阻率ρ2000Ω.m接地电阻允许值R≤0.5Ω水平接地极采用200mm2锌包钢圆线垂直接地极采用ALG防腐离子接地体水平接地极的接地电阻R1ρ:土壤电阻率2000Ω·mS地网面积约为150000m2Lc:水平接地极总长度4300ma:埋设深度0.8mk1:比例系数1.05k2:比例系数4.9要达到0.5欧姆的接地电阻增加垂直接地极的接地电阻为R2:η利用系数0.95单套防腐离子接地体的接地电阻R3L:ALG防腐离子接地体的长度3.0mD接地极等效直径0.20m垂直接地系统要达到0.58欧姆的接地要求需要垂直接地极的数目nALG防腐离子接地体的数量:根η多根垂直接地体利用系数0.85通过理论计算接地电阻值即可降到0.5Ω以下达到接地要求。由于地网建设中的诸多不可预知因素如果实测地网接地电阻不能达到要求则需增加垂直接地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接地系统。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/Ah铝为0.335g/Ah锌为1.225g/Ah。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5055铝8085锌9095。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ZnAlCd铝阳极AlZnInCd铝阳极AlZnSnCd镁阳极MgAlZn成分/Al0.30.6Zn0.0250.1Fe0.005Zn2.5In0.02Cd0.1Zn5Sn0.5Cd0.1Al6Zn3比重/gcm37.132.913.021.99理论发生电量/Ag10.822.932.872.21海水中1mA/cm2电流效率/90858060开路电位SCE/V-1.12-1.2-1.2-1.6实际发生电量/Ag10.742.492.301.19消耗率/kgA111.83.83.87.2土壤中0.03mA/cm2电流效率/7565-45实际发生电量Ag10.621.90-1.002.4.2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0.6Al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9095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AlZnInCd阳极、AlZnSnCd阳极、AlZnMg阳极及AlZnIn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L1000m。土壤电阻率为ρ20Ω.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.m2.5.1被保护管道表面积Sπd.L3.14×0.12×1000376.8m2d—管道外径ml—管长m2.5.2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I376.8m2×10mAm-23.768A其中考虑20的富余电流量其电流为3.768×1.24.52A2.5.3保护电流所需锌包钢的数量阴极保护驱动电压为0.25V接地电阻要求单根ZSR43-2.5接地极电阻为所需接地极根数保护30年锌的使用量考虑1.4倍的富余量m1649.8×1.42309.72Kg单根ZSR43-2.5的锌量为21Kg.锌总量为154×213.2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ZSR43-2.5接地极选取154根。26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。