JP2008107040A - ボイラシステム及びボイラシステムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣを抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックを抑制して孔食の発生を抑制することができる安価なボイラシステム及びそのボイラシステムの制御方法を提供する。
【解決手段】
熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラ（例えば排熱回収ボイラ１０）と、ボイラの蒸気により作動する蒸気タービン２０と、蒸気タービンの排気を復水する復水器３０と、復水器で凝縮された水をボイラに供給するボイラ給水系４０とを具備し、ボイラ給水系４０に接続されて水にアンモニアを注入するｐＨ値調整手段を設けて、ボイラに供給される水のｐＨ値を９．１０〜９．４０の範囲内の値に調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラシステム及びそのシステムの制御方法に関する。

排熱回収ボイラ（以下、「ＨＲＳＧ」という）などを有するボイラシステムでは、給水管などが炭素鋼で構成されているために、流れ加速腐食（以下、「ＦＡＣ」という）により、ボイラ給水系の配管（主に節炭器系の配管）などの減肉が著しく進行してしまうことがあった。したがって、定期点検に至るまでの単位営業運転期間（通常１年）中にＦＡＣが発生した場合には、ボイラシステムを停止させてＦＡＣが発生した部分の修理を行う必要があった。

そこで、このようなＦＡＣを抑制するために、ボイラの給水管内を流れる水にアンモニアを注入してｐＨ値を上げる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２６８１０１号公報

本発明者は、上述したＦＡＣが以下のような条件で発生しやすいことを見出し、本発明に至った。（１）給水管などの温度が５０〜２５０℃の範囲内であること。（２）給水管を流れる水のｐＨ値が９．１より小さいこと。（３）給水管を流れる水の溶存酸素が少ないこと（低溶存酸素）。（４）給水管中に乱流（偏流、循環流）などが発生する場所があること。

これらの条件から、例えば給水管を流れる水の溶存酸素を多くすることによりＦＡＣを抑制する方法が考えられるが、酸素が増加することによって給水管に孔食が発生してしまうという問題があった。

また、乱流を発生させないように給水管の構造を変えることによりＦＡＣを抑制するという方法も考えられるが、ボイラシステムの構造上、そのような構造を採用することは難しいという問題があった。

さらに、ＦＡＣに対して高い耐性を有するＣｒ鋼を用いてボイラシステムの給水管を構成することによりＦＡＣを抑制するという方法も考えられるが、コスト上の問題があり、ボイラシステムの一部にしか採用できないのが現状である。

一方、上述したような給水管を流れる水にアンモニアを注入してｐＨ値を上げる方法を用いると、銅合金で構成された復水器の冷却管へのアンモニアアタック（腐食減肉）が増加することにより孔食が発生して、復水器の冷却管が損傷してしまうという問題があった。これに対して、復水器の冷却管としてチタン管を用いることによりＦＡＣを抑制するという方法も考えられるが、コスト上の問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑み、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣを抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックを抑制して孔食の発生を抑制することができる安価なボイラシステム及びそのボイラシステムの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラの蒸気により作動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの排気を復水する復水器と、前記復水器で凝縮された水を前記ボイラに供給するボイラ給水系とを具備し、前記ボイラ給水系に接続されて前記水にアンモニアを注入するｐＨ値調整手段を設けて、前記ボイラに供給される水のｐＨ値を９．１０〜９．４０の範囲内の値に調整することを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第１の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣを抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックを抑制して孔食を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のボイラシステムにおいて、前記水のｐＨ値は、９．２８〜９．３２の範囲内の値であることを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第２の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣをより抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックをより抑制して孔食の発生をより抑制することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載のボイラシステムにおいて、前記ボイラは、排熱回収ボイラであることを特徴とするボイラシステムにある。

かかる第３の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣをさらに抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックをさらに抑制して孔食の発生をさらに抑制することができる。

本発明の第４の態様は、熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラに、ｐＨ値が９．１０〜９．４０の範囲内の値に調整された水を供給することを特徴とするボイラシステムの制御方法にある。

かかる第４の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣを抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックを抑制して孔食を抑制することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載のボイラシステムの制御方法において、前記水のｐＨ値は、９．２８〜９．３２の範囲内の値であることを特徴とするボイラシステムの制御方法にある。

かかる第５の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣをより抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックをより抑制して孔食の発生をより抑制することができる。

本発明の第６の態様は、第４又は第５の態様に記載のボイラシステムの制御方法において、前記ボイラは、排熱回収ボイラであることを特徴とするボイラシステムの制御方法にある。

かかる第６の態様では、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣをさらに抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックをさらに抑制して孔食の発生をさらに抑制することができる。

本発明に係るボイラシステム及びボイラシステムの制御方法によると、ボイラシステムを構成する配管のＦＡＣを抑制することができると共に、復水冷却管へのアンモニアアタックを抑制して孔食の発生を抑制することができる安価なボイラシステム及びそのボイラシステムの制御方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るボイラシステムを示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係るボイラシステム１は、排熱回収ボイラ１０を有している。排熱回収ボイラ１０は、排気ダクト１０１を介して発電機１１０を駆動させるガスタービン１００に接続されており、ガスタービン１００から高温の排気ガスが送られるようになっている。また、排熱回収ボイラ１０は、蒸気配管１１、１２を介して蒸気タービン２０に接続されており、送られた高温の排ガスから蒸気を発生させると共に、発生した蒸気を蒸気タービン２０に送ることができるようになっている。蒸気タービン２０は発電機１１０及び復水器３０に接続されており、蒸気タービン２０から送られた蒸気を用いて、ガスタービン１００と協働して発電機１１０を駆動させると共に、発電機１１０を駆動させるために用いられた蒸気を復水器３０に排気することができるようになっている。そして、復水器３０は、ｐＨ値調整手段を有するボイラ給水系４０を介して排熱回収ボイラ１０に接続されており、蒸気タービン２０から排気された蒸気を復水すると共に、その水を排熱回収ボイラ１０に再度供給することができるようになっている。

ここで、本発明は、排熱回収ボイラ１０に給水する水のｐＨ値を制御して、孔食やアンモニアアタックなどを抑制するというものであり、ボイラ給水系４０の構成及びボイラ給水系４０における水のｐＨ値の調整方法に特徴を有する。

そこで、ボイラ給水系４０について詳細に説明する。図２は、ボイラ給水系４０のブロック図である。図２に示すように、ボイラ給水系４０は復水器３０と排熱回収ボイラ１０との間に設けられた管状部材４１を有し、復水器３０から排熱回収ボイラ１０に水を供給することができるようになっている。管状部材４１の復水器３０側には復水ポンプ４２が設けられると共に、その下流側にはグランドコンデンサ４３が設けられている。

そして、グランドコンデンサ４３より下流側の管状部材４１には、アンモニア供給管４４の一端が接続されている。アンモニア供給管４４の他端には、アンモニアが貯蔵されたアンモニアタンク４５が接続されており、アンモニアポンプ４６を介して管状部材４１内にアンモニアを供給することができるようになっている。

アンモニアポンプ４６はアンモニア供給管４４が接続された管状部材４１の部分よりも下流側に設けられた給水量測定手段４７と、さらに下流側に設けられたｐＨ値測定手段４８とに接続されている。そして、アンモニアポンプ４６は、給水量測定手段４７により測定された管状部材４１内を流れる水の水量ｖとｐＨ値測定手段４８とにより測定された管状部材４１内を流れる水のｐＨ値Ｄとに基づいて、管状部材４１内を流れる水に適量のアンモニアを注入して、排熱回収ボイラ１０に供給される水のｐＨ値が所定の値ＡになるようにｐＨ値を調整することができるようになっている。なお、本実施形態では、ｐＨ調整手段は、アンモニアポンプ４６と、給水量測定手段４７と、ｐＨ値測定手段４８とにより構成されている。

ここで、排熱回収ボイラ１０に供給される水のｐＨ値は９．１０〜９．４０の範囲内の値が好ましく、９．２８〜９．３２の範囲内の値が特に好ましい。排熱回収ボイラ１０はＦＡＣが発生しやすい５０〜２５０℃の範囲で運転されるので、排熱回収ボイラ１０に供給される水のｐＨ値が９．１０よりも低くなると管状部材４１などにＦＡＣが発生しやすくなる。また、そのｐＨ値が９．４０よりも高くなると、アンモニアアタックが増加し、復水冷却管などに孔食が発生しやすくなる。それに対して、排熱回収ボイラ１０に供給される水のｐＨ値が９．２８〜９．３２の範囲内になると、ＦＡＣ及びアンモニアアタックをより抑制することができるという効果を奏する。

次に、ボイラ給水系４０を構成する構成要素について具体的に説明する。ｐＨ値測定手段４８は、管状部材４１内を流れる水のｐＨ値Ｄを測定することができるものであれば特に限定されない。ｐＨ値測定手段４８としては、例えば管状部材４１内を流れる水の導電率（電気伝導率）を測定し、その導電率からｐＨ値を算出するｐＨ測定装置などが挙げられる。

給水量測定手段４７は、管状部材４１内を流れる水の水量ｖを測定することができるものであれば特に限定されず、例えば市販されている水量測定装置であってもよい。

アンモニアポンプ４６は、給水量測定手段４７により測定された水量ｖとｐＨ値測定手段４８とにより測定されたｐＨ値Ｄとに基づいて、管状部材４１内を流れる水のｐＨ値が所定の値Ａになるようなアンモニアの量Ｗと、単位時間当たりに注入するアンモニアの量Ｖを算出し、それらの値に基づいて管状部材４１内を流れる水にアンモニアタンク４５に貯蔵されたアンモニアを注入することができるものであれば特に限定されない。アンモニアポンプ４６としては、例えば水量とｐＨ値との関係に対して、注入すべきアンモニアの量と単位時間当たりに注入すべきアンモニアの量とが規定されているテーブルＴを有し、そのテーブルＴから給水量測定手段４７により測定された水量ｖとｐＨ値測定手段４８とにより測定されたｐＨ値Ｄとに対応するアンモニアの量Ｗと単位時間当たりに注入すべきアンモニアの量Ｖを抽出した後、それらの値に基づいて管状部材４１内を流れる水にアンモニアを注入することができるポンプなどが挙げられる。なお、テーブルＴは、予め水量とｐＨ値との関係に対して、注入すべきアンモニアの量と単位時間当たりに注入すべきアンモニアの量を求める試験などを行って、予め求めておいたものである。

アンモニアタンク４５は、アンモニアを貯蔵することができるものであれば特に限定されない。なお、アンモニアタンク４５に貯蔵されるアンモニアの状態は、気体であってもよいし、水に溶かした水溶液などの状態であってもよい。

管状部材４１は特に限定されないが、耐アンモニア性を有する物質で構成されるものが好ましいのはいうまでもない。

復水ポンプ４２及びグランドコンデンサ４３は特に限定されない。

さらに、本実施形態のボイラ給水系４０の動作について説明する。図３は、ボイラ給水系４０の動作のシーケンスである。図３に示すように、管状部材４１内を水が流れると、給水量測定手段４７により管状部材４１内を流れる水の水量ｖが測定されると共に（Ｓ１）、ｐＨ値測定手段４８により管状部材４１内を流れる水のｐＨ値Ｄが測定される（Ｓ２）。すると、水量ｖ及びｐＨ値Ｄがアンモニアポンプ４６に送信される（Ｓ３）。そして、それらのデータがアンモニアポンプ４６に受信されると、アンモニアポンプ４６によって管状部材４１内を流れる水のｐＨ値が所定の値になるようなアンモニアの量Ｗと、単位時間当たりに注入するアンモニアの量Ｖとが算出され（Ｓ４）、それらの値に基づいて管状部材４１内を流れる水にアンモニアタンク４５に貯蔵されたアンモニアを注入する（Ｓ５）。そして、管状部材４１内を流れる水のｐＨ値が所定の値Ａになるように、Ｓ１〜Ｓ５の動作が繰り返される（Ｓ６）。以上の操作が営業運転期間（通常１年間）の間継続して行われる（Ｓ７）。

このように本実施形態に係るボイラシステム１を動作させることにより、ＦＡＣの発生を効果的に抑制することができると共に、アンモニアアタックを効果的に抑制することにより孔食の発生を抑制することができる。また、既存のボイラシステムに、ｐＨ値調整手段を設けることにより、同様の効果が得られるボイラシステムを安価に提供することができるという効果を奏する。

＜実施例＞
本件出願人が有する既設の排熱回収ボイラシステムのボイラ給水系に、上述したｐＨ値調整手段（センサ：SC3100-1061F、アンモニアポンプ：１SAHQE−0.4U−7S2K １連式ダイヤフラムタイプ エレクトロサーボユニット ＶＳモータ付（日機装株式会社製）、アンモニアタンク内に貯蔵されたアンモニア：３重量％のアンモニア水溶液）を設け、排熱ボイラに供給される水のｐＨ値が９．３０になるように調整して、１年間稼働させた。

＜比較例＞
実施例１に用いた排熱回収システムと同型の本件出願人が有する既設の排熱回収システムのボイラ給水系に、実施例と同様のｐＨ値調整手段を設け、排熱ボイラに供給される水のｐＨ値が９．０７になるように調整して、１年間稼働させた。

＜実験結果＞
実施例及び比較例に対して、各ボイラシステムを構成する排熱回収ボイラの部材及び復水冷却管の減肉率を算出した。ここで、減肉率とは設計肉厚に対して何％肉厚が減肉したかを示すものであり、（減肉肉厚／設計肉厚）×１００で算出される。なお、減肉肉厚は、過流探傷検査により測定した。

比較例における最大減肉率は５０％以上であるのに対し、実施例における最大減肉率は３０％より小さいことが確認された。すなわち、排熱ボイラに供給される水のｐＨ値を９．３０になるように調整することにより、排熱回収ボイラの部材及び復水冷却管の減肉率を抑制できることが分かった。

なお、上述した結果から、排熱回収ボイラの部材及び復水冷却管の減肉率を把握することができたことにより、営業期間中のトラブルを防止することができると共に、得られた結果に基づいてメンテナンス計画を作成することができた。

実施形態１に係るボイラシステムの概略図である。 実施形態１のボイラ給水系の概略図である。 実施形態１のボイラ給水系の動作のシーケンスを示す図である。

符号の説明

１ ボイラシステム
１０ 排熱回収ボイラ
２０ 蒸気タービン
３０ 復水器
４０ ボイラ給水系
４１ 管状部材
４２ 復水ポンプ
４３ グランドコンデンサ
４４ アンモニア供給管
４５ アンモニアタンク
４６ アンモニアポンプ
４７ 給水量測定手段
４８ ｐＨ値測定手段
１００ ガスタービン
１１０ 発電機

Claims (6)

1. 熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラと、
   前記ボイラの蒸気により作動する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンの排気を復水する復水器と、
   前記復水器で凝縮された水を前記ボイラに供給するボイラ給水系とを具備し、
   前記ボイラ給水系に接続されて前記水にアンモニアを注入するｐＨ値調整手段を設けて、前記ボイラに供給される水のｐＨ値を９．１０〜９．４０の範囲内の値に調整することを特徴とするボイラシステム。
2. 請求項１に記載のボイラシステムにおいて、
   前記水のｐＨ値は、９．２８〜９．３２の範囲内の値であることを特徴とするボイラシステム。
3. 請求項１又は２に記載のボイラシステムにおいて、
   前記ボイラは、排熱回収ボイラであることを特徴とするボイラシステム。
4. 熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラに、ｐＨ値が９．１０〜９．４０の範囲内の値に調整された水を供給することを特徴とするボイラシステムの制御方法。
5. 請求項４に記載のボイラシステムの制御方法において、
   前記水のｐＨ値は、９．２８〜９．３２の範囲内の値であることを特徴とするボイラシステムの制御方法。
6. 請求項４又は５に記載のボイラシステムの制御方法において、
   前記ボイラは、排熱回収ボイラであることを特徴とするボイラシステムの制御方法。

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