JP2009192203A - ボイラ運用方法及びボイラ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管内壁の酸化スケールの大量剥離によって配管が閉塞して発生するトラブルを未然に回避することができるボイラ運用方法及びボイラ制御装置を提供する。
【解決手段】ボイラの給水中の溶存酸素量を所定時間増加させ、ボイラの配管の内壁に発生する酸化スケール内部にボイド層を形成する工程と、配管の内壁に発生した酸化スケールの厚さを算出する工程と、酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達する前に、ボイド層より上部に形成された外層酸化スケールを剥離させる工程とを備えるボイラ運用方法。及び、ボイラの給水中の溶存酸素量を制御する溶存酸素量制御部と、ボイラの配管の温度とボイラの運転時間とから、配管内壁に発生する酸化スケールの厚さを算出する酸化スケール厚さ算出部と、酸化スケール厚さ算出部で算出された前記酸化スケールの厚さが設定量に到達した場合に、前記配管の温度を低下させる配管温度制御部とを備えるボイラ制御装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、蒸気発電用ボイラの運用方法及びボイラ制御装置に関する。

発電プラント用ボイラの給水処理法として、ＣＷＴ（複合給水処理）が適用されている。ボイラの伝熱管及びプラント配管の材料として、ステンレス鋼が用いられる。ＣＷＴ運用時にステンレス鋼が高温水蒸気雰囲気下に長時間曝されると、ステンレス鋼製の管の内壁が酸化され、母材の減肉や酸化スケールの生成により機器性能が低下するといった経年劣化が発生する。

特に、ステンレス鋼製配管の酸化スケールの厚さが厚くなった場合、あるいは、ボイラの起動時及び停止時において温度差が発生した場合に、酸化スケールの剥離が生じる。剥離した酸化スケールにより、機器の重大な損傷を招く危険性がある。例えば、外径が５０ｍｍから６０ｍｍ程度と細い伝熱管で酸化スケールの剥離が発生した場合、剥離量が多いと、酸化スケールが伝熱管内部を閉塞して蒸気の流れを阻害し、局部的なオーバーヒートが発生する。また、剥離した酸化スケールが後流側の蒸気タービンに流れ込み、タービンブレードを浸食して減肉させる。外径が６００ｍｍ程度の大径の配管で酸化スケールの剥離が発生した場合、内壁の表面積が大きいため剥離酸化スケール量が多くなる。剥離した酸化スケールが後流側の機器へ飛来し、配管の減肉やタービンブレードの浸食などの被害が懸念される。特に、伝熱管の曲がり部において、酸化スケールが堆積して配管が閉塞するによる機器停止のリスクが大きいことが問題となっている。

上記の問題を回避するために、現状では次のような対策が行われる。
プラントを定期的に停止した際に機器を点検してスケールの剥離状況を検査し、配管内に蓄積した酸化スケールを除去することが行われる。スケールの剥離は、電磁力を利用し伝熱管内部を非破壊的に計測する（スケールディテクタ）、放射線検査により非破壊的に堆積量を計測する、または、配管を切断し内部を目視で点検するなどによって確認する。

また、例えば特許文献１に開示されるように、配管内壁に生成した酸化スケールを、薬品を用いて洗浄除去する場合もある。

また、配管材料にスケールが発生しにくい材質を適用することが検討されている。例えば、高クロム含有ステンレス鋼や、製造時に結晶粒径を小さくしたステンレス鋼を用いる。また、ステンレス鋼表面へショット加工などの酸化スケールが発生しにくい表面処理を施すことも行われる。

特開２００２−５５９６号公報

剥離酸化スケールの堆積による閉塞が原因で発生するトラブルを回避するために、ＣＷＴ適用時に酸化スケールの大量剥離時期を予測することが重要であるが、現状では困難である。従来のように、ボイラ停止時に酸化スケールの発生状況を検査して堆積酸化スケールを除去するだけでは、ＣＷＴ適用時のトラブルを未然に防ぐことはできず、保守管理コストが高かった。このため、ボイラ運用面から、酸化スケールの大量剥離が原因で発生するトラブルを未然に防止する必要が生じていた。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、配管内壁の酸化スケールの大量剥離によって配管が閉塞して発生するトラブルを未然に回避することができるボイラ運用方法及びボイラ制御装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、ボイラの給水中の溶存酸素量を所定時間増加させ、前記ボイラの配管の内壁に発生する酸化スケール内部にボイド層を形成する工程と、前記配管の内壁に発生した酸化スケールの厚さを算出する工程と、前記算出された酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達する前に、前記ボイド層より上部に形成された外層酸化スケールを剥離させる工程とを備えるボイラ運用方法を提供する。

給水中の溶存酸素量は水蒸気酸化スケールの構造に影響し、高溶存酸素条件で酸化スケール内にボイドが発生する。酸化スケール内にボイド層が形成されると、ボイド層より上部に形成された外層酸化スケールが剥離しやすくなる。配管内壁に発生する酸化スケールの厚さは、配管の温度及びボイラの運転時間から算出することができる。算出された酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達する前に、外層酸化スケールを剥離させる。こうすることで、一度に剥離する酸化スケールの量を減少させ、ボイラ運用中の細径配管の閉塞によるトラブルを未然に防止することが可能となる。

上記発明において、前記溶存酸素量を、２００ｐｐｂ以上に増加させることが好ましい。給水中の溶存酸素量が２００ｐｐｂ以上、好ましくは１０００ｐｐｂ以上であれば、ボイド層を酸化スケール内に形成することができる。

上記発明において、前記溶存酸素量を、２０００時間以上３０００時間以下の間増加させることが好ましい。上記時間で溶存酸素量を増加させれば、外層酸化スケールを剥離させるのに十分な量のボイド層を酸化スケール内に形成することができる。

上記発明において、前記酸化スケールに対する前記ボイド層の幅方向の割合が８０％以上となるように、前記ボイド層を形成することが好ましい。上記割合でボイド層が形成されれば、外層酸化スケールを確実に剥離させることができる。

上記発明において、前記配管の温度を変化させて、前記外層酸化スケールを剥離させても良い。

配管温度が変化するとボイド層により酸化スケール内に歪みが生じ、外層酸化スケールが剥離しやすくなる。酸化スケールが剥離限界厚さに到達する前に、配管の温度を変化させて外層酸化スケールを剥離させる。これにより、スケールの剥離量及び剥離時期を制御して、ボイラ運用時における配管の閉塞を防止することができる。

また、本発明は、ボイラの給水中の溶存酸素量を制御する溶存酸素量制御部と、前記ボイラの配管の温度と前記ボイラの運転時間とから、前記配管内壁に発生する酸化スケールの厚さを算出する酸化スケール厚さ算出部と、前記酸化スケール厚さ算出部で算出された前記酸化スケールの厚さが設定量に到達した場合に、前記配管の温度を低下させる配管温度制御部とを備えるボイラ制御装置を提供する。

上記のボイラ制御装置では、溶存酸素量制御部が、溶存酸素量及び溶存酸素量を増加させる期間を制御して、配管内壁に発生する酸化スケール内にボイド層を形成する。酸化スケール厚さ算出部が、配管の温度とボイラの運転時間とから、酸化スケールの厚さの推定値を算出する。そして、配管制御部が、算出された酸化スケールの厚さが所定値に到達した場合に配管の温度を低下させ、ボイド層より上部に形成された外層酸化スケールを剥離させる。上記のボイラ制御装置を用いれば、酸化スケールの剥離量及び剥離時期を制御することができる。その結果、一度に大量の酸化スケールが剥離することで生じる配管の閉塞を防止することができる。

本発明によれば、給水中の溶存酸素量を増加させて酸化スケール内にボイド層を形成し、ボイド層より上部の外層酸化スケールを剥離しやすくする。例えば配管に温度変化を与えることにより、酸化スケールが剥離限界厚さに到達する前に、外層酸化スケールを剥離させる。ボイド層の形成量や配管内壁に発生する酸化スケールの厚さを管理し、酸化スケールの剥離量及び剥離時期を制御する。これにより、ボイラ運用時に一度に大量の酸化スケールが剥離するのを防止し、配管閉塞によるトラブルを回避できる。その結果、保守管理コストを大幅に削減することが可能である。

以下に、本発明に係るボイラ運用方法及びボイラ制御装置の一実施形態を説明する。
本実施形態のボイラ制御装置は、溶存酸素量制御部と、酸化スケール厚さ算出部と、配管温度制御部とを備える。

溶存酸素量制御部は、給水中の溶存酸素量を計測するための溶存酸素量測定部と、酸素供給量を調整するための酸素供給量制御部と、酸素源から酸素を供給するための酸素供給部とを備える。溶存酸素量測定部は、ボイラ運用時の給水中の溶存酸素量を測定する。溶存酸素量測定部で測定された溶存酸素量が２００ｐｐｂ未満である場合、酸素供給量制御部は、溶存酸素量測定部で測定される溶存酸素量が２００ｐｐｂ以上、好ましくは１０００ｐｐｂ以上となるように、酸素供給部から給水に酸素を供給する。これにより、水蒸気によって伝熱管やプラント配管の内壁に生成する酸化スケール内にボイドが発生する。

給水中の溶存酸素量２００ｐｐｂ以上の高溶存酸素条件にて２０００時間以上３０００時間以下の範囲内でボイラが運転されると、酸化スケール内にボイド層が形成される。高溶存酸素条件でボイラが運転された後、酸素供給量制御部は、溶存酸素量測定部で測定される溶存酸素量が２００ｐｐｂ未満となるように、酸素供給部からの酸素供給量を減少させる。溶存酸素量２００ｐｐｂ未満でボイラが運転されると、ボイド層の上部に外層酸化スケール層が形成される。

酸化スケール厚さ算出部は、ボイラ運転時の配管温度及び運転時間を基に、配管内壁に生成した酸化スケールの推定される厚さを算出する。水蒸気酸化スケールの成長速度は、水蒸気中の酸素分圧の影響を受けず、温度と時間の関数となる。

図１に、温度５５０℃、給水中の溶存酸素量７ｐｐｂ未満、運転時間５０００時間にてボイラを運転した場合の配管断面の電子顕微鏡写真を示す。図２に、温度５５０℃、給水中の溶存酸素量１０００ｐｐｂでの運転時間２０００時間、総運転時間５０００時間にてボイラを運転した場合の配管断面の電子顕微鏡写真を示す。図１及び図２において、酸化スケールの厚さは同程度であった。低溶存酸素条件でボイラ運転を実施した配管（図１）では、酸化スケール中にボイドは確認されなかった。一方、高溶存酸素条件で２０００時間ボイラを運転した配管（図２）では、酸化スケール中にボイド層が形成された。

図３に、酸化スケールの厚さとボイド率、運転時間との関係を示す。同図において、横軸は酸化スケール厚さ、縦軸はボイド率及び運転時間である。ここで、ボイド率とは、配管断面の電子顕微鏡写真において、酸化スケールの幅方向の長さに対するボイド層の幅方向の長さと定義する。酸化スケールの厚さは、運転時間の約１／２乗で増加する。ボイド率は酸化スケール厚さの約１／２乗で増加し、同じ酸化スケール厚さでは溶存酸素量が多いほどボイド量が多くなる。

酸化スケール厚さ算出部で算出された酸化スケールの厚さが設定量に到達すると、配管温度制御部は、配管の温度を低下させる。設定量は、酸化スケールの剥離限界厚さである１００μｍ以下の任意の値とする。剥離限界厚さとは、温度低下に伴って発生したひずみによって酸化スケールの剥離が生じるために最低限必要な酸化スケールの厚さである。配管の温度は、ボイラの停止またはボイラ出力の負荷変動によって低下させると良い。配管の温度変化によって酸化スケール内の歪みが増加し、ボイドより下側の内層酸化スケールと外層酸化スケールとの密着強度が低下して、ボイド層より上部の外層酸化スケールが剥離する。

本実施形態のボイラ運用方法では、上記した一連の工程を繰り返し実施する。

図４は、従来のボイラ運用方法における運転時間と酸化スケール厚さとの関係を表す図である。同図において、横軸は運転時間、縦軸は酸化スケール厚さである。図中の点線は剥離限界厚さを表す。従来のボイラ運用方法では、酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達していると、ボイラ停止やボイラ出力低下によって配管温度が低下したときに、大量の酸化スケールが一度に剥離する。この結果、剥離した酸化スケールが内径の小さい伝熱管内部に堆積して伝熱管が閉塞する恐れがあった。

図５は、本実施形態のボイラ運用方法における運転時間と酸化スケール厚さとの関係を表す図である。同図において、横軸は運転時間、縦軸は酸化スケール厚さである。図中の点線は剥離限界厚さを表す。本実施形態のボイラ運用方法では、ボイラ停止やボイラ出力低下により配管の温度を低下させる回数を増やし、酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達する前に酸化スケールを剥離させる。このため、配管温度低下時に剥離する酸化スケール量を減少させる。配管温度制御部における酸化スケール厚さの設定量を適宜変更することによって、剥離する酸化スケールの量、剥離時期、剥離頻度をコントロールすることが可能である。この結果、酸化スケールが大量剥離して配管が閉塞して発生するオーバーヒートなどのトラブルを未然に防止できる。

低溶存酸素条件で５０００時間ボイラを運転した場合の配管断面の電子顕微鏡写真である。 総運転時間５０００時間のうち、高溶存酸素条件で２０００時間ボイラを運転した場合の配管断面の電子顕微鏡写真である。 酸化スケールの厚さとボイド率、運転時間との関係を示す図である。 従来のボイラ運用方法における運転時間と酸化スケール厚さとの関係を表す図である。 本実施形態のボイラ運用方法における運転時間と酸化スケール厚さとの関係を表す図である。

Claims (6)

1. ボイラの給水中の溶存酸素量を所定時間増加させ、前記ボイラの配管の内壁に発生する酸化スケール内部にボイド層を形成する工程と、
   前記配管の内壁に発生した酸化スケールの厚さを算出する工程と、
   前記算出された酸化スケールの厚さが剥離限界厚さに到達する前に、前記ボイド層より上部に形成された外層酸化スケールを剥離させる工程とを備えるボイラ運用方法。
2. 前記溶存酸素量を、２００ｐｐｂ以上に増加させる請求項１に記載のボイラ運用方法。
3. 前記溶存酸素量を、２０００時間以上３０００時間以下の間増加させる請求項１または請求項２に記載のボイラ運用方法。
4. 前記酸化スケールに対する前記ボイド層の幅方向の割合が８０％以上となるように、前記ボイド層を形成する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のボイラ運用方法。
5. 前記配管の温度を変化させて、前記外層酸化スケールを剥離させる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のボイラ運用方法。
6. ボイラの給水中の溶存酸素量を制御する溶存酸素量制御部と、
   前記ボイラの配管の温度と前記ボイラの運転時間とから、前記配管内壁に発生する酸化スケールの厚さを算出する酸化スケール厚さ算出部と、
   前記酸化スケール厚さ算出部で算出された前記酸化スケールの厚さが設定量に到達した場合に、前記配管の温度を低下させる配管温度制御部とを備えるボイラ制御装置。

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