Natrium

Dampf

Schon Natriumkonzentrationen im Mikrogramm- oder sogar Nanogrammbereich pro Liter können zu einer Spannungskorrosion führen.

Unter den hohen Drücken und Temperaturen der heutigen Kraftwerke gewinnt das Problem der Dampflöslichkeit von anorganischen Verbindungen zunehmend an Bedeutung.

Von Bedeutung ist die Dampflöslichkeit (zusätzlich zum Übertrag) von Natriumverbindungen, also beispielsweise Natriumchlorid (NaCl) und Natriumhydroxid (NaOH), aufgrund der Möglichkeit von Rissen durch Spannungskorrosion im Überhitzerbereich. Die Messung des Natriumgehalts direkt im Dampf, unmittelbar vor dem Eintritt in den Überhitzer, wird inzwischen als deutliches Maß für eine mögliche Spannungskorrosion im Überhitzer angesehen.

Es ist zu beachten, dass die Korrosion nur auftritt, wenn das Natrium in Verbindung mit Chloriden oder Hydroxidanionen vorkommt und nicht beispielsweise mit Sulfaten. Die Chloride und Hydroxide sind korrosiv, nicht das Natrium. Letzteres dient nur als Trägerstoff. Besonders bei Anlagen mit einem geringen Kesseldruck (40 - 80 bar). Da die nicht-flüchtigen Kesselbehandlungsmittel häufig auf Natriumbasis (also einer Mischung aus Natriumphosphat tribasisch und Natriumphosphat dibasisch) hergestellt werden, ist die Messung des Natriumgehalts im Dampf ein ausgezeichnetes Maß für den mechanischen Übertrag vom Wasser in den Dampf.

Kondensat

Die Messung der Natriumkonzentration sollte die bevorzugte Frühwarnmethode für Abweichungen beim Kondensat sein, um die damit verbundenen Risiken zu verringern.

Die Kondensatreinigung spielt eine entscheidende Rolle in der Kreislaufchemie von Kraftwerken, da hiermit die Übertragung von Metalloxiden und ionischen Verunreinigungen in den Dampfgenerator während allen Betriebszuständen und überwiegend während der Inbetriebnahme und bei Störungen verringert werden kann. Vorteile der Kondensatreinigung:

• Verringerte Verzögerungen bei Inbetriebnahme und Anfahren aufgrund störender Chemikalien
• Schutz des Dampfgenerators vor dem Eindringen von Verunreinigungen wie beispielsweise bei einer Undichtigkeit des Kondensators
• Verringerung der in die Dampfgeneratoren eingespeisten Verunreinigungen und damit Verringerung der Häufigkeit von chemischen Reinigungen
• Verbesserte Dampfreinheit, die zu weniger Ablagerungen in der Turbine sowie weniger Korrosion in der Phasenübergangszone führt
• Praktisch Ausschluss von durch Chemikalien verursachte Schäden an den Kesselrohren
• Erreichen der hohen Reinheit des Speisewassers für Trommel- und Durchlaufkessel, die für chemische Prozesse wie die Sauerstoffbehandlung (Oxygenated Treatment, OT) erforderlich ist

Es ist unerlässlich, die Systeme zur Kondensatreinigung sorgfältig zu pflegen. Andernfalls kann es zu zunehmender Verunreinigung des gesamten Systems kommen. Den größtmöglichen Nutzen aus den Systemen zur Kondensatreinigung zu ziehen, hat für viele elektrische Energieversorgungswerke weiterhin oberste Priorität.

Die kationische sowie die spezifische Leitfähigkeit werden häufig zur Ermittlung von Abweichungen im Wasser-Dampf-Kreislauf verwendet. Trotzdem ist die erforderliche Empfindlichkeit zur Messung der sehr kleinen Kondensatorundichtigkeiten, die in modernen Anlagen an Bedeutung zugenommen haben, nicht immer gewährleistet. Unter alltäglichen Bedingungen (bei möglichen Temperatur-, Druck- und Durchflussstörungen oder hohen Grundbelastungen für die Leitfähigkeit) liegt die kleinste messbare Abweichung bei 0,02 mS/cm. Dies entspricht ppb Natrium.

Die Analyse der Natriumkonzentration ist viel empfindlicher. Der NA5600 Natrium-Analysator von Hach ermöglicht präzise Messungen von weniger als 0,1 ppb. Dies ist 100 Mal genauer als bei einer Messung der Leitfähigkeit. Nicht nur die Wasserqualität, sondern auch die frühen Anzeichen von Abweichungen sind von entscheidender Bedeutung. Daher sollte die Messung der Natriumkonzentration die bevorzugte Methode zur Risikovermeidung sein.

Die Dampfreinheit lässt sich durch Messung der Natriumkonzentration sowohl im Dampf als auch im Kondensat genauer messen. So kann das „Natriumgleichgewicht“ ermittelt werden. Die beiden Konzentrationen sollten gleich sein. Eine höhere Natriumkonzentration im Konzentrat weist auf eine Kondensatorundichtigkeit hin. Eine geringere Natriumkonzentration im Kondensat ist ein Anzeichen für Natriumablagerungen im Dampfkreislauf (an Wärmeübertragungsflächen, an Turbinenschaufeln usw.).

Die Natriummessung ist die einzige Online-Methode, die jederzeit genau und schnell anspricht, sodass Spuren von Hydroxiden und Chloriden erkannt werden können. Diese tragen bekanntermaßen zur Spannungskorrosion von Stahl bei.

Das Kühlwasser besteht aus Kondensatwasser. Das Kühlwasser muss von höchster Qualität sein. Sollte es verunreinigt sein, wird diese Verunreinigung direkt in den gekühlten Dampf eingebracht. Am wahrscheinlichsten ist die Stelle am Überhitzer betroffen, an der das Kühlwasser in den Überhitzer eingespritzt wird. Aufgrund der Anforderungen besteht dieser aus austenitischem Stahl (niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient). Allerdings ist er anfälliger für Korrosion (erhöhter Anteil an Eisen im Vergleich zu Kohlenstoff). Um dramatische Auswirkungen von Verunreinigungen im Kühlwasser zu vermeiden, muss jede Abweichung so schnell wie möglich erkannt werden.

Die Online-Messung der Natriumkonzentration ist die einzige Methode, mit der Abweichungen genau bestimmt werden können. Der NA5600sc Natrium-Analysator von Hach spricht durch die regelmäßige Reaktivierung der Elektrode jederzeit schnell an.

Entsalzungsanlage

Bei Entsalzungsanlagen geht es bei der Online-Messung der Natriumkonzentration vor allem um das Management der Ionenaustauschharze. (Weitere Informationen bei Wasserhärte.) Vorteile für den Kunden:

• Verbesserte Ausnutzung der Austauschkapazität der Harze
• Verringerung von Natriumdurchbrüchen
• Optimierung der Säure-Ausspülung
• Optimierung der Regenerationszyklen

Mit Online Natrium-Analysatoren lassen sich die Erschöpfung von Kationenaustauschbetten sowie deren Regenerationszeit mit hoher Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit überwachen. Kationenaustauschharze entfernen Kationen wie Natrium (Na ⁺). Natrium ist das erste Kation, das bei einer Erschöpfung des Kationenaustauschbetts durchbricht.

Die Messung der Natriumkonzentration unmittelbar nach den Kationenaustauschharzen stellt eine Frühwarnung bei Durchbrüchen dar. Der Austausch des gesättigten Harzbetts durch ein neues (regeneriertes) Bett schützt die Ionenaustauschkapazität der nachgelagerten Mischbettharze.

Die Qualität des einströmenden Wassers, die Qualität des Harzes selbst und die Temperatur verändern die Ionenaustauschkapazität des kationischen Harzbetts. Dadurch wird der Zeitraum bis zur nächsten Regeneration beeinflusst. Wenn dieser Zeitraum durch eine einfache Probenmenge, die durch das Harz fließt, angezeigt wird, kann diese zu Schätzung von Sättigung und Durchbruch oder zu einer zu geringen Nutzung der Austauschkapazität der Harze dienen. Die Online-Messung der Natriumkonzentration ermöglicht die Regeneration des Kationenaustauschharzes nach Bedarf.

Nach den Mischbettharzen gewährleistet die Online-Messung der Natriumkonzentration die Qualitätsprüfung des in die Aufbereitungsanlage eingespeisten entsalzten Wassers. Das Mischbettharz enthält eine Mischung aus Kationen- und Anionenaustauschharzen für eine feine Filterung des Reinwassers. Dadurch werden Verunreinigungen im Reinwasser reduziert.

Im Laufe der letzten zehn Jahre wurden beachtliche Fortschritte bei der Verringerung der Menge an Verunreinigungen im aufbereiteten Wasser durch Mischbetten erzielt. Insbesondere wird in Atomkraftwerken die durch Mischbetten behandelte Wasserreinheit in stabilen Werten von 25 bis 35 ppt für Natrium angegeben. Hier werden die Natrium-Analysatoren zur Überwachung der endgültigen Wasserqualität verwendet und dienen als abschließende Qualitätsprüfung. Die NA5600 Natrium-Analysatoren von Hach werden zur Prüfung der endgültigen Wasserqualität bis zu einem Wert von 20 ppt verwendet.

Zusätzlich können durch die Natriumüberwachung Störungen des Regenerationszyklus des Mischbettharzes festgestellt werden. Bei unzureichender Spülung des Mischbettanionenharzes kann durch die versehentliche Freisetzung von Ätzmitteln Natrium freigesetzt werden. Auch hier kann ein Natrium-Analysator früher und mit höherer Präzision warnen, als wenn die Leitfähigkeit geprüft wird.

Messbereich

Natriumkonzentrationen unter 1 ppb treten häufig am Mischbett-Ausgang auf, sowohl im Dampfkreislauf als auch im Kondensat. Unter normalen Arbeitsbedingungen können am Ausgang des Kationenaustauschers Konzentrationen von 0 - 10 ppb festgestellt werden. Bei Harzerschöpfung oder im Kesselwasser können diese aber bis zu 100 ppb betragen.