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　　降阻劑專家淺談火力發(fā)電廠防雷接地設(shè)計(jì)方案第1部分降阻設(shè)計(jì)此處以某海邊火力發(fā)電廠為例。該廠主要由給排水系統(tǒng)、燃料煤場(chǎng)系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、變壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、其它設(shè)施構(gòu)成。整廠可供敷設(shè)地網(wǎng)面積約為150000m2土壤電阻率約為2000Ω.m而接地電阻要求≤0.5Ω有較大難度同時(shí)要保證地網(wǎng)使用壽命≥30年。由于該廠處于海岸區(qū)域土質(zhì)一般為沙石其土壤電阻率較大同時(shí)海岸區(qū)域含鹽量極高腐蝕性強(qiáng)對(duì)地網(wǎng)和給排水系統(tǒng)兩道海下管道的使用壽命構(gòu)成威脅所以選用抗腐蝕的接地材料和完善的陰極保護(hù)十分重要。11降阻思路。該項(xiàng)目土壤電阻率約為2000Ω.m要求接地電阻小于0.5歐姆難度較大。根據(jù)公式估算常規(guī)地網(wǎng)只能打到2.58Ω若靠傳統(tǒng)的接地材料只加密接地網(wǎng)格和增打普通垂直接地極是無(wú)法達(dá)到接地要求的必須采取高效的降阻材料此處采用了防雷行業(yè)接地通用的防腐離子接地體離子接地體的降阻性能優(yōu)越設(shè)計(jì)上通過(guò)降低單套離子接地體的接地電阻的方式逐套進(jìn)行優(yōu)化然后在多個(gè)區(qū)域合理布置并聯(lián)同時(shí)通過(guò)水平地網(wǎng)與垂直深井的綜合降阻能力達(dá)到接地要求。由于電廠接地降阻技術(shù)已日趨成熟且應(yīng)用廣泛降阻設(shè)計(jì)中包含的防雷接地均壓等詳細(xì)設(shè)計(jì)此處不再贅述。12防腐思路。1.2.1鋼材總設(shè)分析了當(dāng)?shù)赝寥栏g的機(jī)理及防止接地網(wǎng)腐蝕的各種措施對(duì)接地網(wǎng)采用鋼導(dǎo)體、銅導(dǎo)體、鋅導(dǎo)體和犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)等防止腐蝕的方法進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。一般接地系統(tǒng)由金屬材料組成由于接地材料長(zhǎng)期埋設(shè)在土壤中通常受到土壤的腐蝕和電氣排流造成的雜散電流的影響導(dǎo)致接地系統(tǒng)材料產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕使接地材料截面減小薄、穿孔甚至斷開(kāi)嚴(yán)重影響接地系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和電氣的連續(xù)性給發(fā)電廠造成嚴(yán)重的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用鍍鋅扁鋼和鍍鋅鋼管或角鋼的接地網(wǎng)一般接地網(wǎng)運(yùn)行十年快的34年后都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕而不得不更換使投資增數(shù)倍。傳統(tǒng)的接地裝置大多采用圓鋼、扁鋼、角鋼或鋼管等碳素鋼材。鐵是一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的元素在常溫常濕的條件下就能與多種非金屬元素及鹽類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)銹蝕和腐蝕。在一般的土壤中碳鋼的年平均腐蝕厚度在02mm左右在嚴(yán)重污染的環(huán)境中最大年平均腐蝕厚度達(dá)3mm。為減緩腐蝕速度多采用熱鍍鋅件鋅的抗腐蝕能力比鐵高在一般土壤中鍍鋅扁鋼埋于地下的平均腐蝕速度為0065mma但是我國(guó)的熱鍍鋅層厚度一般只有005006mm僅起到一年的保護(hù)作用。因此在強(qiáng)腐蝕性土壤介質(zhì)中碳鋼接地網(wǎng)僅靠鍍鋅層來(lái)保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的所以選擇鋼材作為水平接地體在海邊火力發(fā)電廠接地中使用是不適宜的。1.2.2銅材與碳鋼相比多數(shù)有色金屬電阻值低且有較好的選擇性抗腐蝕能力。常用的有色金屬材料有銅、鋁、鉛、鋅等在接地材料中用得較多的是銅和鋅。其中銅在低濃度的NaOH、CO2、海水等環(huán)境中有較好的抗腐蝕能力常溫下年平均腐蝕厚度也不足001mm。但在該方案中如果地網(wǎng)大面積使用銅材如圖1區(qū)由犧牲陽(yáng)極為管道提供保護(hù)2區(qū)為地網(wǎng)根據(jù)犧牲陽(yáng)極保護(hù)法在被保護(hù)金屬上連接一個(gè)電位較負(fù)的金屬作為陽(yáng)極它與被保護(hù)金屬在電解液中形成一個(gè)大電池。電流由陽(yáng)極經(jīng)過(guò)電解液而流入金屬設(shè)備并使金屬設(shè)備陰極極化而得到保護(hù)可知犧牲陽(yáng)極為電位更負(fù)的金屬為管道提供保護(hù)但地網(wǎng)大面積使用銅網(wǎng)后2區(qū)地網(wǎng)的電位更正1區(qū)埋地鋼質(zhì)管道和犧牲陽(yáng)極一起就變成了2區(qū)整個(gè)地網(wǎng)的犧牲陽(yáng)極這將加速埋地管道的腐蝕從而違背總設(shè)對(duì)給排水埋地管道進(jìn)行防腐蝕保護(hù)的要求所以此處不可采用電位比鋼鐵更正的金屬材質(zhì)作為大量使用的接地材料見(jiàn)下表1鐵的電位為-0.44比鐵電位更正的銅材不適合使用所以本工程不推薦采用銅材作為接地網(wǎng)的主材。表1:常用金屬材料的電極電位單位為V在溫度25℃以及與標(biāo)準(zhǔn)氫電極比較離子活性為1時(shí)元素符號(hào)電位差元素符號(hào)電位差鈣Ca-2.84鎳Ni-0.23鎂Mg-2.38錫Sn-0.14鋁Al-1.66銅Cu0.337錳Mn-1.05銀Ag0.80鋅Zn-0.763鉛Pb0.80鐵Fe-0.44金Au1.421.2.3鋅材:眾所周知鋅的導(dǎo)電率約為鋼的2倍鋅在高腐蝕地區(qū)的腐蝕率約為50微米鋅的電位為-0.763比鐵更負(fù)。作為導(dǎo)電材料鋅優(yōu)于鋼材導(dǎo)電性能好電氣性能穩(wěn)定作為防腐蝕材料3毫米厚的鋅線可以保持60年耐腐蝕年限長(zhǎng)更重要的是鋅的電位比鐵更負(fù)大面積使用不會(huì)對(duì)整個(gè)電廠的埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)的使用壽命構(gòu)成威脅是此類電廠設(shè)計(jì)中最理想的接地材料。其制造工藝為通過(guò)特殊加熱擠壓工藝將純鋅0鋅壓覆到低碳鋼上形成雙金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)體。棒體內(nèi)部無(wú)任何殘留物棒體表面經(jīng)過(guò)防腐蝕處理從而克服了傳統(tǒng)扁鋼圓鋼接地的腐蝕造成的使用壽命短的問(wèn)題。所以本方案選擇了ZSC16外徑為16mm鋅包鋼接地圓線鋅層厚度大于3毫米。垂直采用經(jīng)過(guò)特殊防腐處理的厚度5mm的鋼質(zhì)防腐離子接地體經(jīng)防腐蝕計(jì)算材料使用年限都大于30年.1.3地網(wǎng)接地電阻的理論推算已知條件土壤電阻率ρ2000Ω.m接地電阻允許值R≤0.5Ω水平接地極采用200mm2鋅包鋼圓線垂直接地極采用ALG防腐離子接地體水平接地極的接地電阻R1ρ:土壤電阻率2000Ω·mS地網(wǎng)面積約為150000m2Lc:水平接地極總長(zhǎng)度4300ma:埋設(shè)深度0.8mk1:比例系數(shù)1.05k2:比例系數(shù)4.9要達(dá)到0.5歐姆的接地電阻增加垂直接地極的接地電阻為R2:η利用系數(shù)0.95單套防腐離子接地體的接地電阻R3L:ALG防腐離子接地體的長(zhǎng)度3.0mD接地極等效直徑0.20m垂直接地系統(tǒng)要達(dá)到0.58歐姆的接地要求需要垂直接地極的數(shù)目nALG防腐離子接地體的數(shù)量:根η多根垂直接地體利用系數(shù)0.85通過(guò)理論計(jì)算接地電阻值即可降到0.5Ω以下達(dá)到接地要求。由于地網(wǎng)建設(shè)中的諸多不可預(yù)知因素如果實(shí)測(cè)地網(wǎng)接地電阻不能達(dá)到要求則需增加垂直接地極數(shù)目或采取其他降阻措施。第2部分:陰保設(shè)計(jì)2.1陰極保護(hù)的概念:陰極保護(hù)是防止地下金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕的最為有效的方法。它是通過(guò)向被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物表面通入足夠的陰極極化電流使金屬的電位向負(fù)的方向移動(dòng)使之在電解質(zhì)中難于失去電子從而使金屬的電化學(xué)腐蝕得到有效抑制。它是一種電化學(xué)防護(hù)方法和別的防腐手段不同的是它是通過(guò)對(duì)腐蝕反應(yīng)進(jìn)行積極的干預(yù)從根本上抑制電化學(xué)的腐蝕的發(fā)生因而保護(hù)效果徹底和有效。陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)兩種。2.2陰極保護(hù)方法的選擇:犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是在被保護(hù)金屬上連接一個(gè)電位較負(fù)的金屬作為陽(yáng)極它與被保護(hù)金屬在電解液中形成一個(gè)大電池。電流由陽(yáng)極經(jīng)過(guò)電解液而流入金屬設(shè)備并使金屬設(shè)備陰極極化而得到保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由直流電源、輔助陽(yáng)極地床和參比電極等組成。依靠外加直流電源的電流來(lái)進(jìn)行極化使金屬腐蝕減緩。輔助陽(yáng)極的作用是將電源提供的直流電經(jīng)由介質(zhì)傳送到被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物上去。2.3犧牲陽(yáng)極法與外加電流法的技術(shù)特點(diǎn)比較無(wú)論是外加電流法還是犧牲陽(yáng)極法均可以對(duì)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物實(shí)施完全保護(hù)但由于提供電流的方法不同兩種方法又各有其特點(diǎn)。目前這兩種方法均已得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)需要和特點(diǎn)在某種場(chǎng)合下可能采用犧牲陽(yáng)極更合適而在另一場(chǎng)合則采用外加電流法更有利。所以根據(jù)保護(hù)對(duì)象所處的環(huán)境及當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行保護(hù)方法的合理選擇是很有必要的。表2列出了這兩種方法的比較。表2犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)及外加電流系統(tǒng)的比較犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)外加電流系統(tǒng)1不需外電源2由于輸出的電流有效只用于覆蓋層良好的結(jié)構(gòu)或局部性保護(hù)3安裝較為簡(jiǎn)單4要用手提式儀表對(duì)每個(gè)陽(yáng)極或相鄰兩價(jià)目陽(yáng)極之間進(jìn)行檢測(cè)5要用許多陽(yáng)極6對(duì)鄰近的結(jié)構(gòu)物很少有影響7電流輸出不能控制但有自動(dòng)調(diào)節(jié)傾向如果條件改變使電位變正故電動(dòng)勢(shì)增大因而電流增大涂層不易損壞8大塊陽(yáng)極會(huì)阻礙水流引起湍流對(duì)循環(huán)水造成阻力9可用螺栓或焊接方法直接固定在被保護(hù)表面上而不必開(kāi)孔10鐵腳受陰極保護(hù)11不可能接錯(cuò)所以極性不會(huì)變換。12適用于簡(jiǎn)單的單一的地下結(jié)構(gòu)物陰極保護(hù)1需要外電源2輸出的電流較大可用于大型的無(wú)覆蓋層結(jié)構(gòu)3設(shè)計(jì)要小心雖然電流輸出容易調(diào)節(jié)4檢測(cè)點(diǎn)較少儀表安裝在電源處易于觀察5所需的陽(yáng)極數(shù)量一般很少6對(duì)鄰近的結(jié)構(gòu)物有影響但容易排除7不論外界條件如何變化均可自動(dòng)控制電位8可用小型的陽(yáng)極阻力可忽略9在被保護(hù)結(jié)構(gòu)物上要開(kāi)孔10至電源正極的導(dǎo)線必需很好絕緣否則會(huì)遭受土壤或水的腐蝕11使用時(shí)要核對(duì)極性因?yàn)榻渝e(cuò)后極性變換能加速腐蝕12適用于地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域性保護(hù)從上面分析可以得出犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)適合于保護(hù)碳鋼接地系統(tǒng)。而且犧牲陽(yáng)極法與外加電流法比較犧牲陽(yáng)極法一次性投資較大運(yùn)行維護(hù)工作量小。外加電流法一次性投資較小運(yùn)行維護(hù)工作量較大運(yùn)行時(shí)需要用電后期投入較大。綜上所述對(duì)該電廠工程采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案。2.4犧牲陽(yáng)極材料的選擇:2.4.1作為犧牲陽(yáng)極材料應(yīng)該具備下列條件①陽(yáng)極的電位要負(fù)即它與被保護(hù)金屬之間的有效電位差即驅(qū)動(dòng)電位要大電位比鐵負(fù)而適合做犧牲陽(yáng)極的材料有鋅基包括純鋅和鋅合金、鋁基及鎂基三大類合金。②在使用過(guò)程中電位要穩(wěn)定陽(yáng)極極化要小表面不產(chǎn)生高電阻的硬殼溶解均勻。③單位重量陽(yáng)極產(chǎn)生的電量大即產(chǎn)生1A時(shí)電量損失的陽(yáng)極重量要小。三種陽(yáng)極材料的理論消耗量為鎂為0.453g/Ah鋁為0.335g/Ah鋅為1.225g/Ah。④陽(yáng)極的自溶量小電流效率高。由于陽(yáng)極本身的局部腐蝕產(chǎn)生的電流并不能全部用于保護(hù)作用。有效電量的理論發(fā)生電量中所占的百分?jǐn)?shù)稱為電流效率。三種犧牲陽(yáng)極材料的電流效率為鎂5055鋁8085鋅9095。⑤價(jià)格低廉來(lái)源充分無(wú)公害加工方便。下面分別對(duì)鋅基、鋁基及鎂基三大類合金犧牲陽(yáng)極作簡(jiǎn)單介紹其性能對(duì)比見(jiàn)表3。陽(yáng)極種類性能鋅陽(yáng)極ZnAlCd鋁陽(yáng)極AlZnInCd鋁陽(yáng)極AlZnSnCd鎂陽(yáng)極MgAlZn成分/Al0.30.6Zn0.0250.1Fe0.005Zn2.5In0.02Cd0.1Zn5Sn0.5Cd0.1Al6Zn3比重/gcm37.132.913.021.99理論發(fā)生電量/Ag10.822.932.872.21海水中1mA/cm2電流效率/90858060開(kāi)路電位SCE/V-1.12-1.2-1.2-1.6實(shí)際發(fā)生電量/Ag10.742.492.301.19消耗率/kgA111.83.83.87.2土壤中0.03mA/cm2電流效率/7565-45實(shí)際發(fā)生電量Ag10.621.90-1.002.4.2鋅基、率基、鎂基犧牲陽(yáng)極的性能比較2.4.2.1鋅與鋅合金陽(yáng)極鋅與鐵的有效電位差較小如果鋼鐵在海水、純水、土壤中的保護(hù)電位為0.85V則鋅與鐵的有效電位差只有0.2V左右。如果純鋅中的雜質(zhì)鐵含量≥0.0014在使用過(guò)程中陽(yáng)極表面上就會(huì)形成高電阻的、堅(jiān)硬的、不脫落的腐蝕產(chǎn)物使純鋅陽(yáng)極失去保護(hù)效能。這是因?yàn)殇\中含鐵量增加會(huì)形成FeZn相而使其電化學(xué)性能明顯變劣。在鋅中加入少量鋁和鎘可以在很大程度上降低鐵的不利影響。這時(shí)鋅中的鐵不再形成FeZn相而優(yōu)先形成鐵和鋁等的金屬間化合物這種鐵、鋁等金屬化合物不參與陽(yáng)極溶解過(guò)程使陽(yáng)極性能改善。加鋁和鎘都使腐蝕產(chǎn)物變得疏松易脫落改善了陽(yáng)極的溶解性能。另外加鋁和鎘還能使晶粒細(xì)化也使陽(yáng)極性能改善。我國(guó)目前已定型系列化生產(chǎn)含0.6Al和0.1Cd的鋅鋁鎘三元鋅合金陽(yáng)極。該陽(yáng)極在海水中長(zhǎng)期使用后電位仍穩(wěn)定自溶量小電流效率高一般為9095溶解均勻表面腐蝕產(chǎn)物疏松容易脫落溶解的表面上呈亮灰色的金屬光澤使用壽命長(zhǎng)價(jià)格便宜在海水中用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)效果良好。但由于鋅與鐵的有效電位差較小故不宜用于高電阻場(chǎng)合而適用于電阻率較低的介質(zhì)中。2.4.2.2鋁合金陽(yáng)極鋁合金陽(yáng)極是近期發(fā)展起來(lái)的新型犧牲陽(yáng)極材料。與鋅合金陽(yáng)極相比鋁合金具有重量輕、單位重量產(chǎn)生電量大、電位較負(fù)、資源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)所以鋁陽(yáng)極的使用已經(jīng)引起了人們的重視。目前我國(guó)有不少單位對(duì)不同配方的鋁基犧牲陽(yáng)極的熔煉和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究但鋁陽(yáng)極的溶解性不如鋅鋁鎘合金陽(yáng)極。電流效率約為80也比鋅合金陽(yáng)極低一些。常用的有AlZnInCd陽(yáng)極、AlZnSnCd陽(yáng)極、AlZnMg陽(yáng)極及AlZnIn陽(yáng)極等。2.4.2.3鎂合金陽(yáng)極目前使用的多為含6鋁和3鋅的鎂合金陽(yáng)極由于其電位較負(fù)與鐵的有效電位差大故保護(hù)半徑大適用于電阻較高的淡水和土壤中金屬的保護(hù)。但因其腐蝕快電流效率低使用壽命短需經(jīng)常更換故在低電阻介質(zhì)中如海水不宜使用。而且鎂合金陽(yáng)極工作時(shí)會(huì)析出大量氫氣本身易誘發(fā)火化工作不安全故現(xiàn)在艦船上已不使用。在選擇陽(yáng)極材料時(shí)主要應(yīng)根據(jù)陽(yáng)極的地位、所需電流的大小以及介質(zhì)的電阻等并要考慮到陽(yáng)極壽命、經(jīng)濟(jì)效果等因素。綜上所述該方案采用鋅合金材料作為犧牲陽(yáng)極。2.5陰極保護(hù)的簡(jiǎn)易計(jì)算已知條件管道總保護(hù)長(zhǎng)度L1000m。土壤電阻率為ρ20Ω.m。海水土壤電阻率約為20Ω.m設(shè)計(jì)要求30年。管道用瀝青布玻璃布防離層電阻率10000Ω.m2.5.1被保護(hù)管道表面積Sπd.L3.14×0.12×1000376.8m2d—管道外徑ml—管長(zhǎng)m2.5.2保護(hù)管道保護(hù)電流由于采用瀝青防腐層防腐層電阻率為10000Ω.m2其保護(hù)電流密度取10mAm-2全部管道所需保護(hù)電流I376.8m2×10mAm-23.768A其中考慮20的富余電流量其電流為3.768×1.24.52A2.5.3保護(hù)電流所需鋅包鋼的數(shù)量陰極保護(hù)驅(qū)動(dòng)電壓為0.25V接地電阻要求單根ZSR43-2.5接地極電阻為所需接地極根數(shù)保護(hù)30年鋅的使用量考慮1.4倍的富余量m1649.8×1.42309.72Kg單根ZSR43-2.5的鋅量為21Kg.鋅總量為154×213.2噸考慮需要足夠的驅(qū)動(dòng)電壓和可靠的保護(hù)電流以及實(shí)際消耗量ZSR43-2.5接地極選取154根。26犧牲陽(yáng)極的施工方法:犧牲陽(yáng)極在管道上的分布宜采用單支或集中成組兩種方式同組陽(yáng)極宜選用同一批號(hào)或開(kāi)路電位相近的陽(yáng)極.本方案以6.5米間距等距沿被保護(hù)管道立式布置犧牲陽(yáng)極.陽(yáng)極距管道外壁3米陽(yáng)極與管道用導(dǎo)線相連埋設(shè)深度為距地面1米.犧牲陽(yáng)極安裝時(shí)先在陽(yáng)極埋沒(méi)處挖一個(gè)比陽(yáng)極直徑大200mm的坑底部放入100mm厚的攪拌好的填包料把處理好的陽(yáng)極放在填包料上再在陽(yáng)極周圍和上部各加100mm厚的細(xì)土并均勻澆水使之濕透最后覆土填平。