JP2011127869A - 湿分分離加熱器及び給水加熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べてさらに耐エロージョン・コロージョン性を向上させることができるとともに、製造コストの低減を図ることのできる湿分分離加熱器等を提供する。
【解決手段】 発電プラントの高圧タービンからの排気中の湿分を除去し、加熱して、過熱状態とした後低圧タービンに送るための湿分分離加熱器であって、炭素鋼から構成された本体胴と、前記本体胴の内部に収容された、加熱用蒸気を流通させるための加熱用伝熱管と、前記本体胴の所定部位に開口する。前記本体胴内に高圧タービンからの排気蒸気を取り入れるための蒸気入口と、前記本体胴内の前記蒸気入口と前記加熱用伝熱管との間に設けられたバッフル板とを具備し、前記本体胴内面の一部の領域であって、少なくとも、前記蒸気入口部分を含む領域に、耐食性合金の溶射皮膜が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電プラント等に配置される湿分分離加熱器及び給水加熱器に関する。

一般に原子力発電プラントは、蒸気発生器、高圧タービン、湿分分離加熱器、低圧タービン、復水器、給水ポンプ、給水加熱器を順次経て、再び蒸気発生器へ戻る循環サイクルで構成されており、蒸気発生器で発生した蒸気によって高圧タービンおよび低圧タービンを駆動して発電機を作動させ、発電を行うようになっている。沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）においては、循環水を原子炉で沸騰させており、原子炉が蒸気発生器を兼ねている。

湿分分離加熱器は、高圧タービンからの排気中の湿分を除去し、さらに加熱して、過熱状態とした後、低圧タービンに送るための湿分分離器と加熱器を内蔵した設備である。初期のＢＷＲでは加熱器のない湿分分離器が用いられてきたが、タービン熱効率の向上を狙って、改良型ＢＷＲプラント（ＡＢＷＲ）等に湿分分離加熱器が設置されている。給水加熱器は、復水あるいは給水をタービンからの抽気蒸気で加熱し、タービン熱効率の向上を図るための設備である。

現在の原子力向け湿分分離加熱器や給水加熱器には、高温高速水蒸気流に対する耐エロージョン・コロージョン性に優れるクロムモリブデン鋼が胴部や内部構造物に使用されている。クロムモリブデン鋼は、鉄にクロムやモリブデンを微量添加した低合金鋼であり、炭素鋼に比べて高温高速水蒸気流に対する耐エロージョン・コロージョン性に優れる。その一方、炭素鋼に比べて素材価格が高価であり、さらに機器を製造する際、溶接後熱処理を行う必要があるため、製造コストが増大する。

オーステナイト系ステンレス鋼は、高温高速水蒸気流に対する耐エロージョン・コロージョン性がクロムモリブデン鋼に比べて優れ、溶接後熱処理も不要であるが、クロムモリブデン鋼に比べてさらに素材価格が高価である。

クロムモリブデン鋼で構成される湿分分離加熱器や給水加熱器の製造コストを低減するために素材単価の安い炭素鋼を使用した場合、溶接後熱処理の製造工程が削減されるものの、高温高速水蒸気流が衝突する本体胴内面や内部構造物のバッフル板にエロージョン・コロージョンが発生する可能性がある。

なお、炭素鋼部品の流動性腐食を低減する方法として、白金族金属の皮膜を形成し、流水中の水素量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この技術は、流動性腐食の促進される１５０ｐｐｂ以下の低酸素濃度の流水に暴露される炭素鋼部品の流動性腐食を低減する技術であって、湿分分離加熱器や給水加熱器が暴露される高温高速水蒸気流に対して、エロージョン・コロージョンを防止する効果があるとはいえない。

また、復水器の純チタン製の冷却管の外面に、耐食性合金の溶射皮膜を形成して冷却管の耐エロージョン性を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この技術は復水器の純チタン製の冷却管に関する技術である。

特許第３３５１６８６号公報 特開平５−４５０８９号公報

上記したとおり、従来の湿分分離加熱器及び給水加熱器は、高温高速水蒸気流に対する耐エロージョン・コロージョン性に優れたクロムモリブデン鋼から構成されているため、その製造コストが高いという問題がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べてさらに耐エロージョン・コロージョン性を向上させることができるとともに、製造コストの低減を図ることのできる湿分分離加熱器及び給水加熱器を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、発電プラントの高圧タービンからの排気中の湿分を除去し、加熱して、過熱状態とした後低圧タービンに送るための湿分分離加熱器であって、炭素鋼から構成された本体胴と、前記本体胴の内部に収容された、加熱用蒸気を流通させるための加熱用伝熱管と、前記本体胴の所定部位に開口する、前記本体胴内に高圧タービンからの排気蒸気を取り入れるための蒸気入口と、前記本体胴内の前記蒸気入口と前記加熱用伝熱管との間に設けられたバッフル板とを具備し、前記本体胴内面の一部の領域であって、少なくとも、前記蒸気入口部分を含む領域に、耐食性合金の溶射皮膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様は、発電プラントに配置され、復水あるいは給水をタービンからの抽気蒸気で加熱するための給水加熱器であって、炭素鋼から構成された本体胴と、前記本体胴の内部に収容された、復水あるいは給水を流通させるための伝熱管と、前記本体胴の所定部位に開口する、前記本体胴内にタービンからの抽気蒸気を取り入れるための抽気蒸気入口と、前記本体胴内の前記抽気蒸気入口と前記伝熱管との間に設けられた仕切り板とを具備し、前記本体胴内面の一部の領域であって、少なくとも、前記抽気蒸気入口部分を含む領域に、耐食性合金の溶射皮膜が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてさらに耐エロージョン・コロージョン性を向上させることができるとともに、製造コストの低減を図ることのできる湿分分離加熱器及び給水加熱器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る湿分分離加熱器の構成を示す模式図。 図１の湿分分離加熱器のＡ−Ａ断面図。 耐食性合金の溶射皮膜の形成領域を説明するための図。 図３の要部を拡大して示す断面図。 高温蒸気流によるエロージョン・コロージョンの試験結果を示すグラフ。 本発明の一実施形態に係る給水加熱器の構成を示す模式図。 図６の給水加熱器のＡ−Ａ断面図。

以下、本発明の一実施形態に係る湿分分離加熱器および給水加熱器を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る湿分分離加熱器１００の構成を模式的に示した図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面構成を示す縦断面図である。これらの図に示すように、湿分分離加熱器１００は、円筒形の容器状に形成された炭素鋼製本体胴１を具備している。この炭素鋼製本体胴１の下部には、長手方向に沿って複数箇所（本実施形態では４箇所）に蒸気入口２が設けられ、炭素鋼製本体胴１の上部には、長手方向に沿って複数箇所（本実施形態では３箇所）に蒸気出口３が設けられている。また、炭素鋼製本体胴１の長手方向両側端部には、加熱用蒸気入口４と加熱用蒸気出口５が夫々設けられている。

炭素鋼製本体胴１の内部には、上記した加熱用蒸気入口４及び加熱用蒸気出口５と接続された加熱用伝熱管７が設けられており、加熱用伝熱管７と蒸気入口２との間には、バッフル板６が設けられている。また、加熱用伝熱管７の下端部と炭素鋼製本体胴１の内壁との間には、仕切り板９が設けられており、この仕切り板９によって、バッフル板６の部分を通過した蒸気を、加熱用伝熱管７に向けてガイドするようになっている。

上記構成の湿分分離加熱器１００では、高圧タービンから排気された蒸気が、４ヶ所の蒸気入口２から炭素鋼製本体胴１の内部に流れ込み、３ヶ所の蒸気出口３から炭素鋼製本体胴１の外部に出ていく。この過程で、高圧タービンから排気された蒸気から湿分を分離し、加熱する。加熱用伝熱管７には、蒸気の加熱のため、加熱用蒸気を加熱用蒸気入口４から導入し、加熱用伝熱管７内を通して加熱用蒸気出口５から導出する。

図２に示す矢印は蒸気の流れであり、蒸気入口２から炭素鋼製本体胴１内に流れ込んだ蒸気がバッフル板６により左右に分岐して湿分が除去される。さらに、湿分が除去された蒸気が加熱用伝熱管７の間を通過して加熱され、蒸気出口３から流出する。このときバッフル板６によって左右に分岐された高温高速の蒸気流が炭素鋼製本体胴１の内面やバッフル板６の下面に衝突する。

一般にＡＢＷＲプラントの場合、湿分分離加熱器の本体胴の高さは約４ｍ、長さは約３０ｍの大きさであり、１プラントに２基設置される。また、現在の原子力向け湿分分離加熱器には、本体胴やバッフル板等にクロムモリブデン鋼が相当量使用されている。

本実施例の湿分分離加熱器１００では、高さ約４ｍ、長さ約３０ｍの本体胴が、炭素鋼から構成された炭素鋼製本体胴１とされている。そして、この炭素鋼製本体胴１の内壁の一部の領域、本実施形態では蒸気入口２から仕切り板９に至る部分の領域に、耐食性合金の溶射皮膜８が形成されている。この耐食性合金の溶射皮膜８は、蒸気入口２から炭素鋼製本体胴１の内部に流入する高温高速蒸気流が衝突する部分に形成する必要があり、特に蒸気流速が３０ｍ／ｓｅｃ以上となる部分に形成することが好ましい。

ここで、タービン排気蒸気は、本体胴の内面に一様に強く衝突するのではなく、内部構造物の影響を受けて流速の早い箇所と遅い箇所があり、エロージョン・コロージョンが発生する範囲はある程度限定される。具体的には、湿分分離加熱器１００の場合、蒸気入口２から炭素鋼製本体胴１の内部に流入した蒸気は、まずバッフル板６に衝突してここで蒸気流が変わるので、蒸気入口２からバッフル板６の側方に至る領域、すなわち、図３に示すように、バッフル板６の両端部から仮想線（図中一点鎖線で示す。）を水平方向に伸ばした時にこの仮想線と炭素鋼製本体胴１の内壁と接触する点Ｐ_１と蒸気入口２との間の領域が、特にエロージョン・コロージョンが発生する領域となる。したがって、この領域に少なくとも耐食性合金の溶射皮膜８を形成する必要がある。図２に示す実施形態では、上記点Ｐ_１の上側に位置する仕切り板９の領域まで、耐食性合金の溶射皮膜８が形成されており、より耐エロージョン・コロージョン性を高めた構成となっている。

上記の炭素鋼製本体胴１を構成するための炭素鋼としては、例えばＳＧＶ４８０を用いることができる。また、耐食性合金の溶射皮膜８を構成するための耐食性合金としては、例えばオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができ、オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等を用いることができる。

また、図４に示す耐食性合金の溶射皮膜８の厚さＴは、例えば、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下程度とすることが好ましい。本実施形態では、溶射方法として、緻密で密着力の大きい溶射層が得られる超高速フレーム溶射を用いたが、コールドスプレー法や、高速フレーム溶射、プラズマ溶射、アーク溶射を用いてもよい。

図５は、各種材料を高温蒸気流に暴露してエロージョン・コロージョン特性を評価した試験結果であり、縦軸はエロージョン・コロージョン速度を、炭素鋼ＳＢ４５０を１として規格化した値である。具体的な試験条件は次のとおりである。
蒸気温度：１５６℃
蒸気流速：６２ｍ／ｓｅｃ
蒸気湿り度：１１％
試験時間：２１日間
試験片表面積：１０．３８ｃｍ^２
試験材料：炭素鋼ＳＢ４５０、クロムモリブデン鋼ＳＣＭＶ３、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４

エロージョン・コロージョン速度を材質間で比較すると、炭素鋼ＳＢ４５０が最も大きく、クロムモリブデン鋼ＳＣＭＶ３、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４の順に小さくなり、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４のエロージョン・コロージョン速度は０．００１２ｍｍ／年であった。なお、ここで示した値は、定検等を考慮せず１年間連続運転を行った場合の数値である。実際の機器の蒸気流速は約３０ｍ／ｓｅｃであり、より流速が大きい実験条件のエロージョン・コロージョン速度から、想定運転時間６０年におけるエロージョン・コロージョン量を算出すると、０．００１２ｍｍ／年×６０年＝０．０７２ｍｍである。したがって、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を用い、想定運転時間６０年の場合、耐食性合金の溶射皮膜８の厚さ（Ｔ）は、０．０７２ｍｍ以上とすることが好ましい。一般的には、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を用いた場合、
厚さ（Ｔ）≧０．００１２ｍｍ／年×想定運転時間（年）
とすることが好ましい。

また、さらに余裕を持たせるためには、上記のように算出された値に安全率を乗じた耐食性合金の溶射皮膜８の厚さ（Ｔ）とすることが好ましく、例えば想定運転時間６０年の場合、上記した０．０７２ｍｍに安全率２を乗じ、０．０１ｍｍの位を切り上げると、０．２ｍｍとなる。

一方、耐食性合金の溶射皮膜８の厚さ（Ｔ）を必要以上に厚くすると、溶射に必要な施工時間が過大になり、また、必要とされる材料の量も多くなるため、製造コストの増加を招く。このため、耐食性合金の溶射皮膜８の厚さ（Ｔ）の上限は、１ｍｍ以下程度とすることが好ましい。

なお、溶射材料として、ＳＵＳ３０４と同じオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６やＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌを用いても、ＳＵＳ３０４の場合と同様な耐エロージョン・コロージョン性の効果が得られる。また、オーステナイト系ステンレス鋼以外でも、耐エロージョン・コロージョン性が良好な耐食性合金であれば使用することができる。

上記のように、本実施形態では、大きさの大きい湿分分離加熱器の本体胴を炭素鋼からなる炭素鋼製本体胴１とし、かつ、炭素鋼製本体胴１内の蒸気流速の速い部分にのみ選択的に耐食性合金の溶射皮膜８を形成することによって、必要な耐エロージョン・コロージョン性を確保しつつ、クロムモリブデン鋼を使用した従来の湿分分離加熱器に比べて製造コストの低減を図ることができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る給水加熱器２００の構成を模式的に示した図であり、図７は、図６のＡ−Ａ断面構成を示す縦断面図である。これらの図に示すように、給水加熱器２００は、円筒形の容器状に形成された炭素鋼製本体胴１０を具備している。この炭素鋼製本体胴１０の長手方向の一方の端部には、復水あるいは給水を取り入れるための給水入口１１と、給水を導出するための給水出口１２が設けられている。また、炭素鋼製本体胴１０の上部には、タービンからの抽気蒸気を取り入れるための抽気蒸気入口１３が設けられ、炭素鋼製本体胴１０の下部側面には、ドレン水を排出するためのドレン水出口１４が設けられている。

また、図７に示すように、炭素鋼製本体胴１０の内部には、伝熱管１５が配設されており、この伝熱管１５は、給水入口１１と、給水出口１２に接続されている。また、伝熱管１５と抽気蒸気入口１３との間には、仕切り板１６が配設されている。

上記構成の給水加熱器２００では、給水入口１１から伝熱管１５内に給水が供給され、この給水は、伝熱管１５内を通って給水出口１２から外部に導出される。また、炭素鋼製本体胴１０内には、抽気蒸気入口１３から、タービンからの抽気蒸気が導入され、この抽気蒸気は伝熱管１５内を通る給水を加熱した後、凝縮してドレン水としてドレン水出口１４から導出されるようになっている。

図７に矢印で示すように、抽気蒸気入口１３から炭素鋼製本体胴１０内に入った加熱用蒸気は、仕切り板１６で流れの方向を変え、伝熱管１５の外面を通って伝熱管１５内部の給水を加熱し、ドレン水出口１４へ流れていく。このとき伝熱管１５への蒸気の直撃を避けるために設けられた仕切り板１６により、高温高速流の蒸気が炭素鋼製本体胴１０内面に強く衝突する。

そこで、従来は本体胴にクロムモリブデン鋼が用いられている。ＡＢＷＲプラントの場合、給水加熱器の本体胴の高さは約２ｍ、長さ約１３ｍの大きさであり、給水加熱器は、１プラントに４基設置される。このため、従来は本体胴等にクロムモリブデン鋼が相当量使用されている。

これに対して、本実施形態の給水加熱器２００では、本体胴を炭素鋼製本体胴１０とするとともに、抽気蒸気入口１３から伝熱管１５の上端の側方に至る領域の炭素鋼製本体胴１０の内壁に、高耐食性合金の溶射皮膜８が形成された構成となっている。これによって、必要な耐エロージョン・コロージョン性を確保しつつ、クロムモリブデン鋼を使用した従来の給水加熱器に比べて製造コストの低減を図ることができる。

上記高耐食性合金の溶射皮膜８の形成領域は、少なくとも、仕切り板１６の端部から仮想線（図７に一点鎖線で示す。）を水平方向に伸ばし炭素鋼製本体胴１０の内壁と接触する点Ｐ_２と、抽気蒸気入口１３との間の領域とすればよい。前述した気水分離加熱器１００の場合と同様な理由で、この領域において特にエロージョン・コロージョンが発生するからである。

給水加熱器２００の場合も、前述した気水分離加熱器１００と同様の理由で、高耐食性合金として、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等を用いることができ、必要な耐エロージョン・コロージョン性が得られる。また、オーステナイト系ステンレス鋼以外でも、耐エロージョン・コロージョン性が良好な耐食性合金であれば使用することができる。

また、高耐食性合金の溶射皮膜８の厚さは、気水分離加熱器１００の場合と同様にすればよく、一般的には、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を用いた場合、
厚さ（Ｔ）≧０．００１２ｍｍ／年×想定運転時間（年）
とすることが好ましい。具体的には、例えば、０．２ｍｍ以上１ｍｍ程度の厚さとすればよい。また、溶射方法についても、気水分離加熱器１００の場合と同様に、緻密で密着力の大きい溶射層が得られる超高速フレーム溶射や、コールドスプレー法、高速フレーム溶射、プラズマ溶射、アーク溶射等を用いることができる。

１……炭素鋼製本体胴、２……蒸気入口、３……蒸気出口、４……加熱用蒸気入口、５……加熱用蒸気出口、６……バッフル板、７……伝熱管、８……高耐食性合金の溶射皮膜、９……仕切り板、１０……炭素鋼製本体胴、１１……給水入口、１２……給水出口、１３……抽気蒸気入口、１４……ドレン出口、１５……伝熱管、１６……仕切り板、１００……気水分離加熱器,２００……給水加熱器。

Claims (8)

1. 発電プラントの高圧タービンからの排気中の湿分を除去し、加熱して、過熱状態とした後低圧タービンに送るための湿分分離加熱器であって、
   炭素鋼から構成された本体胴と、
   前記本体胴の内部に収容された、加熱用蒸気を流通させるための加熱用伝熱管と、
   前記本体胴の所定部位に開口する、前記本体胴内に高圧タービンからの排気蒸気を取り入れるための蒸気入口と、
   前記本体胴内の前記蒸気入口と前記加熱用伝熱管との間に設けられたバッフル板とを具備し、
   前記本体胴内面の一部の領域であって、少なくとも、前記蒸気入口部分を含む領域に、耐食性合金の溶射皮膜が形成されていることを特徴とする湿分分離加熱器。
2. 前記耐食性合金の溶射皮膜が形成された前記本体胴内面の一部の領域が、
   少なくとも、前記本体胴内面の前記蒸気入口から前記バッフル板の側方に至る領域である
   ことを特徴とする請求項１記載の湿分分離加熱器。
3. 前記耐食性合金は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌのいずれかのオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１又は２記載の湿分分離加熱器。
4. オーステナイト系ステンレス鋼からなる前記耐食性合金の溶射皮膜の厚さＴ（ｍｍ）が、
   Ｔ（ｍｍ）≧０．００１２ｍｍ／年×想定運転時間（年）
   とされていることを特徴とする請求項３記載の湿分分離加熱器。
5. 発電プラントに配置され、復水あるいは給水をタービンからの抽気蒸気で加熱するための給水加熱器であって、
   炭素鋼から構成された本体胴と、
   前記本体胴の内部に収容された、復水あるいは給水を流通させるための伝熱管と、
   前記本体胴の所定部位に開口する、前記本体胴内にタービンからの抽気蒸気を取り入れるための抽気蒸気入口と、
   前記本体胴内の前記抽気蒸気入口と前記伝熱管との間に設けられた仕切り板とを具備し、
   前記本体胴内面の一部の領域であって、少なくとも、前記抽気蒸気入口部分を含む領域に、耐食性合金の溶射皮膜が形成されていることを特徴とする給水加熱器。
6. 前記耐食性合金の溶射皮膜が形成された前記本体胴内面の一部の領域が、
   少なくとも、前記本体胴内面の前記抽気蒸気入口から前記仕切り板の側方に至る領域である
   ことを特徴とする請求項５記載の給水加熱器。
7. 前記耐食性合金は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌのいずれかのオーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項５又は６記載の給水加熱器。
8. オーステナイト系ステンレス鋼からなる前記耐食性合金の溶射皮膜の厚さＴ（ｍｍ）が、
   Ｔ（ｍｍ）≧０．００１２ｍｍ／年×想定運転時間（年）
   とされていることを特徴とする請求項７記載の給水加熱器。

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