JP2016109367A

JP2016109367A - 蒸気タービン設備の水質管理装置及び方法

Info

Publication number: JP2016109367A
Application number: JP2014248294A
Authority: JP
Inventors: 柴崎　理; Osamu Shibazaki; 理柴崎; 孝次根岸; Koji Negishi; 山本　誠二; Seiji Yamamoto; 誠二山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】蒸気タービン設備内の凝縮水のｐＨを調整することで、蒸気タービン設備を構成する機器及び配管の腐食を防止できること。【解決手段】ボイラ１１にて発生した蒸気を、主蒸気系１２を経て高圧タービン１３、低圧タービン１４へ導いて仕事させると共に、復水器１５にて凝縮して復水とし、この復水を給水として給水系１６を経てボイラ１１へ供給する蒸気タービン設備１０の水質管理装置２５であって、蒸気中のＣＯ２の濃度を低減させるＣＯ２低減手段２６を有し、このＣＯ２低減手段は、Ｃａを含むアルカリ土類元素またはその化合物を備えて構成されたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン設備における凝縮水のｐＨを管理して、蒸気タービン設備を構成する機器及び配管の腐食を防止する蒸気タービン設備の水質管理装置及び方法に関する。

腐食は、反応性のある液体または気体環境で使用される機器や配管の構造材料が環境中の液体等と化学反応を起こし、金属状態からイオンなど他の化学形態に変化することで、材料としての機能が低下する経年劣化事象である。この腐食は、発電プラントや化学プラントなどにおいて機器や配管の寿命に影響する重要な因子であり、この腐食反応の一例を式（１）に示す。
Ｆｅ→Ｆｅ^２＋＋２ｅ⁻ …（１）

この式（１）では、腐食反応と同時に電子の放出が行われる。電子は単体では非常に不安定であることから、通常の環境では腐食反応と電子消費反応とが対で発生する。特に、酸素濃度が低い場合の電子消費反応を式（２）に示す。
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻＋Ｈ_２ …（２）

この式（２）の反応は、ＯＨ⁻を放出する反応であり、ＯＨ⁻濃度の関数であるｐＨが高い環境では反応が抑制される。従って、対となって起こる式（１）の腐食反応も、高ｐＨ環境では抑制される材種が多く存在する。このため、高ｐＨ水質を保持することで、蒸気タービン設備を構成する機器及び配管の腐食を低減して、経年劣化を抑制することが可能になる。

火力発電所や加圧水型原子力発電所においては、ボイラ水質や炉内水質を高ｐＨに保持して防食を行うアルカリ処理、リン酸塩処理、揮発性物質処理などが知られている（非特許文献１参照）。

また、これらの発電所において、特に腐食性の高い機器として抽気系などの機器が挙げられる。抽気系は、蒸気系またはタービン系から蒸気の一部を抽気して給水加熱器へ導く系統である。この抽気系では、蒸気とその凝縮水との２相が存在する環境であるため、薬剤の適用が困難である。

そこで、抽気系の機器及び配管の防食として、上述の防食処理の１つである揮発性物質処理が考えられている。これは、蒸気とともに流入する揮発性物質（アンモニア、揮発性アミン）が凝縮水中に溶解することで、凝縮水を高ｐＨとして防食する方法である。

ＪＩＳＢ８２２３（「ボイラの給水及びボイラ水の水質」）

ところで、蒸気タービン設備においては、蒸気中に、ＣＯ_２などのように揮発性であると共にｐＨを低下させうる物質が不純物として含まれている場合があり、この場合には、凝縮水のｐＨが低下して腐食性が高まることが考えられる。

また、高ｐＨとするために注入を行っているアンモニアまたはリン酸ナトリウム等の薬剤と化合物を形成する不純物（ＣＯ_２や有機物など）が含まれている場合には、この不純物によって、高ｐＨ化させる薬剤効果が低減することが考えられる。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、蒸気タービン設備内の凝縮水のｐＨを調整することで、蒸気タービン設備を構成する機器及び配管の腐食を防止できる蒸気タービン設備の水質管理装置及び方法を提供することにある。

本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理装置は、蒸気発生源にて発生した蒸気を、主蒸気系を経てタービンへ導いて仕事をさせると共に、復水器にて凝縮して復水とし、この復水を給水として給水系を経て前記蒸気発生源へ供給する蒸気タービン設備の水質管理装置であって、前記蒸気中のＣＯ_２の濃度を低減させるＣＯ_２低減手段を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理方法は、蒸気発生源にて発生した蒸気を、主蒸気系を経てタービンへ導いて仕事をさせると共に、復水器にて凝縮して復水とし、この復水を給水として給水系を経て前記蒸気発生源へ供給する蒸気タービン設備の水質管理方法であって、前記蒸気中でＣａを含むアルカリ土類元素またはその化合物をこの蒸気中のＣＯ_２に接触させて反応させ、この蒸気中に含まれる二酸化炭素の濃度を低減させることを特徴とするものである。

本発明によれば、蒸気中のＣＯ_２を例えばＣＯ_２低減手段により低減することで、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨを、腐食を防止できる所定ｐＨ以上に高く維持できる。このようにして、蒸気タービン設備内の凝縮水のｐＨを調整することで、蒸気タービン設備を構成する機器及び配管の腐食を防止できる。

本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理装置における第１実施形態を示す系統図。本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理装置における第２実施形態を示す系統図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１）
図１は、本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理装置における第１実施形態を示す系統図である。この図１に示す蒸気タービン設備１０は、例えば火力発電所における蒸気タービン設備であり、蒸気発生源としてのボイラ１１と、主蒸気系１２と、高圧タービン１３及び低圧タービン１４と、復水器１５と、給水加熱器１７を備えた給水系１６と、抽気系１８とを有して構成される。

ボイラ１１は、図示しない熱源及び蒸気乾燥器１９等を備え、熱源により水（ボイラ水）を加熱して蒸気とし、この蒸気中の水分が蒸気乾燥器１９により除去される。蒸気発生源は、火力発電所では上述のようにボイラ１１であるが、加圧水型原子力発電所では２次系の蒸気発生器であり、沸騰水型原子力発電所では炉心を備えた原子炉圧力容器である。

主蒸気系１２は、第１主蒸気系配管２１及び第２主蒸気系配管２２を備える。第１主蒸気系配管２１は、ボイラ１１と高圧タービン１３との間に、第２主蒸気系配管２２は、高圧タービン１３と低圧タービン１４との間にそれぞれ配設される。ボイラ１１で発生した蒸気が第１主蒸気系配管２１を経て高圧タービン１３へ導かれ、この高圧タービン１３から排出された蒸気が第２主蒸気系配管２２を経て低圧タービン１４へ導かれる。これにより、高圧タービン１３及び低圧タービン１４が駆動され、発電機が回転して発電がなされる。

復水器１５は、低圧タービン１４にて仕事をした蒸気を凝縮し、凝縮水としての復水とする。また、給水系１６は、復水器１５からの復水を給水として、給水加熱器１７により加熱してボイラ１１へ供給する。また、抽気系１８は、主蒸気系１２または高圧タービン１３（本実施形態では高圧タービン１３）からの蒸気の一部を抽気して給水加熱器１７へ導く。給水加熱器１７は、この蒸気と給水とを熱交換して給水を加熱する。

更に、蒸気タービン設備１０は、この蒸気タービン設備１０内の凝縮水のｐＨを所定ｐＨ以上（例えばｐＨ≧９）に管理して、蒸気タービン設備１０を構成し且つ凝縮水に接触する機器及び配管の腐食を防止するための水質管理装置２５を備える。この水質管理装置２５は、ＣＯ_２低減手段２６、炭酸濃度測定器２７及び制御手段２８を有して構成される。

ここで、上述の蒸気タービン設備１０内の凝縮水は、復水及び給水のほか、高圧タービン１３、低圧タービン１４、第２主蒸気系配管２２及び抽気系１８の抽気系配管２３に存在する凝縮水も含まれる。これらの高圧タービン１３、低圧タービン１４、第２主蒸気系配管２２及び抽気系配管２３に存在する凝縮水は、高圧タービン１３及び低圧タービン１４の仕事により蒸気圧力が低下することで、蒸気が凝縮して生じたものである。

ＣＯ_２（以下、ＣＯ２と記す）低減手段２６は、蒸気中のＣＯ２（二酸化炭素）濃度を低減するものである。このＣＯ２は、蒸気タービン設備１０においては、揮発性であると共に凝縮水に溶解してこの凝縮水のｐＨを低下させ得る揮発性不純物である。更に、このＣＯ２は、凝縮水を高ｐＨとするために注入されるアンモニア（ＮＨ_３）やリン酸ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）などの薬剤と反応して化合物（例えば、Ｎａ_２ＣＯ_３）を形成することで、上述の薬剤の効果（高ｐＨ化）を減少させる弊害がある。上述のように凝縮水のｐＨが低下することで、この凝縮水に接触する機器及び配管の腐食が促進されてしまう。

ＣＯ２低減手段２６は、ＣａやＭｇを含むアルカリ土類元素またはその化合物（酸化物もしくは水酸化物）を備える。このＣＯ２低減手段２６は、ＣａやＭｇを含むアルカリ土類元素またはその化合物をＣＯ２に接触させて反応させることで、ＣＯ２を、ＣａやＭｇを含むアルカリ土類元素の炭酸化合物（例えばＣａＣＯ３）として除去する。これにより、ＣＯ２による凝縮水のｐＨの低下が抑制される。

このＣＯ２低減手段２６は、ボイラ１１内の気相領域（例えば蒸気乾燥器１９を含む下流領域）と、主蒸気系１２の蒸気のみが流れる気相領域（即ち第１主蒸気系配管２１）との少なくとも一方に設置される。このようにＣＯ２低減手段２６を、凝縮水が発生する高圧タービン１３よりも上流側の気相領域に設置することで、ＣａやＭｇを含むアルカリ土類元素またはその化合物（例えばＣａ化合物）の溶出が確実に防止される。本実施形態では、ＣＯ２低減手段２６は、ボイラ１１内の蒸気乾燥器１９の下流領域に設置される。

炭酸濃度測定器２７は給水系１６に設置されて、この給水系１６を流れる給水中の炭酸濃度を測定する。この測定値は、炭素濃度測定器２７に接続される制御手段２８に取り込まれる。

制御手段２８は、炭酸濃度測定器２７にて測定された給水中の炭酸濃度から、蒸気へ移行するＣＯ２量を推定し、蒸気が凝縮したときの凝縮水（特に、第２主蒸気系配管２２、抽気系配管２３内の凝縮水）のｐＨが所定のｐＨ未満（例えばｐＨ＜９）に低下すると判断したときに、ＣＯ２低減手段２６を動作させて蒸気中のＣＯ２濃度を低減させる。

具体的には、制御手段２８は、炭酸濃度測定器２７にて測定された炭酸濃度が２．５ｐｐｍ以上のときに、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨが所定のｐＨ未満（例えばｐＨ＜９）になると判断して、ＣＯ２低減手段２６を動作させる。給水の炭酸濃度が２．５ｐｐｍ未満であれば、ＣＯ２が凝縮水のｐＨに与える影響が小さいので、ＣＯ２の除去による腐食低減効果は小さい。このため、炭酸濃度測定器２７にて測定される炭酸濃度が２．５ｐｐｍ以上の場合にのみ、ＣＯ２低減手段２６を動作させて蒸気中のＣＯ２を除去し、蒸気タービン設備１０内（特に、第２主蒸気系配管２２、抽気系配管２３内）の凝縮水のｐＨを９以上に保持する。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）蒸気中のＣＯ２をＣＯ２低減手段２６により低減することで、蒸気が凝縮したときの凝縮水（特に、第２主蒸気系配管２２、抽気系配管２３内の凝縮水）のｐＨを、腐食を防止できる所定ｐＨ以上（ｐＨ≧９）に高く維持できる。このようにして、蒸気タービン設備１０内の凝縮水のｐＨを調整することで、蒸気タービン設備１０を構成する機器及び配管の腐食を防止できる。

（２）制御手段２８は、炭酸濃度測定器２７により測定された給水の炭酸濃度が所定値（例えば２．５ｐｐｍ）以上のときに、蒸気へ移動するＣＯ２によって凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満（例えばｐＨ＜９）に低下すると判断してＣＯ２低減手段２６を動作させ、それ以外のときにはＣＯ２低減手段２６を動作させない。このため、必要なときのみＣＯ２低減手段２６を動作させることになるので、アルカリ土類元素またはその化合物の消費量を抑制できる。

［Ｂ］第２実施形態（図２）
図２は、本発明に係る蒸気タービン設備の水質管理装置における第２実施形態を示す系統図である。この第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態における蒸気タービン設備３０の水質管理装置３１が第１実施形態と異なる点は、炭酸濃度測定器２７に代えて、Ｎａ濃度測定器３２及びＰＯ_４濃度測定器３３を備えた点である。

これらのＮａ濃度測定器３２及びＰＯ_４（以下、ＰＯ４と記す）濃度測定器３３は、ボイラ１１の気相領域（例えば、蒸気乾燥器１９を含む気相領域）と、主蒸気系１２の蒸気のみが流れる気相領域（即ち、第１主蒸気系配管２１）との少なくとも一方、本実施形態では第１主蒸気系配管２１に設置される。これらのＮａ濃度測定器３２、ＰＯ４濃度測定器３３が蒸気中のＮａ濃度、ＰＯ４濃度をそれぞれ測定する。これらの測定値は、Ｎａ濃度測定器３２及びＰＯ４濃度測定器３３に接続される制御手段３４に取り込まれる。

蒸気中の（Ｎａ濃度）／（ＰＯ４濃度）の比率が低下したときには、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨは連動して低下する。従って、制御手段３４は、Ｎａ濃度測定器３２、ＰＯ４濃度測定器３３にて測定されたＮａ濃度、ＰＯ４濃度について、（Ｎａ濃度）／（ＰＯ４濃度）の比率は所定値（例えば２）未満、即ちＮａ濃度がＰＯ４濃度の所定倍（例えば２倍）未満の場合には、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満（例えばｐＨ＜９）に低下すると判断して、ＣＯ２低減手段２６を動作させて蒸気中のＣＯ２濃度を低減させる。

つまり、ＰＯ４（リン酸）のナトリウム塩としては、Ｎａ_３ＰＯ_４（リン酸ナトリウム）、Ｎａ_２ＨＰＯ_４（リン酸一水素ナトリウム）、ＮａＨ_２ＰＯ_４（リン酸二水素ナトリウム）が考えられる。これらのＮａ_３ＰＯ_４、Ｎａ_２ＨＰＯ_４、ＮａＨ_２ＰＯ_４は、それぞれの（Ｎａ濃度）／（ＰＯ４濃度）の比率が３、２、１であり、それぞれのｐＨが１２、９、４である。（Ｎａ濃度）／（ＰＯ４濃度）の比率が高いほど、ｐＨが高くなって腐食が抑制される。

しかしながら、凝縮水中に炭酸が高濃度で存在する環境では、ＮａがＮａ_２ＣＯ_３として析出されて消費されるので、凝縮水中のＮａ濃度が低下する。このため、Ｎａ_３ＰＯ_４、Ｎａ_２ＨＰＯ_４はＮａＨ_２ＰＯ_４へと変化して、凝縮水のｐＨが低下してしまう。そこで、Ｎａ濃度がＰＯ４濃度の２倍になるＮａ_２ＨＰＯ_４（ｐＨ＝９）の場合に鑑み、蒸気中のＮａ濃度がＰＯ４濃度の２倍未満の場合にＣＯ２低減手段２６を動作させて蒸気中のＣＯ２を除去し、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨをｐＨ≧９に保持するのである。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様の効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

（３）炭酸濃度よりも測定が容易なＮａ濃度、ＰＯ４濃度をＮａ濃度測定器３２、ＰＯ４濃度測定器３３によりそれぞれ測定し、制御手段３４は、これらの（Ｎａ濃度）／（ＰＯ４濃度）の比率が２未満のときに、凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満（例えばｐＨ＜９）に低下すると判断してＣＯ２低減手段２６を動作させ、それ以外のときにはＣＯ２低減手段２６を動作させない。このため、必要なときのみＣＯ２低減手段２６を動作させるので、アルカリ土類元素またはその化合物の消費量を抑制できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０蒸気タービン設備
１１ボイラ（蒸気発生源）
１２主蒸気系
１３高圧タービン
１４低圧タービン
１５復水器
１６給水系
２５水質管理装置
２６ＣＯ２低減手段
２７炭酸濃度測定器
２８制御手段
３０蒸気タービン設備
３１水質管理装置
３２Ｎａ濃度測定器
３３ＰＯ４濃度測定器
３４制御手段

Claims

蒸気発生源にて発生した蒸気を、主蒸気系を経てタービンへ導いて仕事をさせると共に、復水器にて凝縮して復水とし、この復水を給水として給水系を経て前記蒸気発生源へ供給する蒸気タービン設備の水質管理装置であって、
前記蒸気中のＣＯ_２の濃度を低減させるＣＯ_２低減手段を有することを特徴とする蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記ＣＯ_２低減手段は、Ｃａを含むアルカリ土類元素またはその化合物を備え、このＣａを含むアルカリ土類元素またはその化合物をＣＯ_２に接触させて反応させ、前記ＣＯ_２を、前記Ｃａを含むアルカリ土類元素の炭素化合物として除去するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記ＣＯ_２低減手段は、蒸気発生源の気相領域と主蒸気系の蒸気のみが流れる領域との少なくとも一方に設置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記給水系には、炭酸濃度を測定する炭酸濃度測定器が設置され、この炭酸濃度測定器が制御手段に接続され、
この制御手段は、前記炭酸濃度測定器にて測定された炭酸濃度から蒸気へ移行するＣＯ_２量を推定し、前記蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満に低下すると判断したときに、ＣＯ_２低減手段を動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記制御手段は、炭酸濃度測定器が測定した炭酸濃度が２．５ｐｐｍ以上のときに、凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満に低下すると判断してＣＯ_２低減手段を動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記蒸気発生源の気相領域と前記主蒸気系の蒸気のみが流れる領域との少なくとも一方に、前記蒸気中のＮａ濃度を測定するＮａ濃度測定器、及び前記蒸気中のＰＯ_４濃度を測定するＰＯ_４濃度測定器が設置され、これらのＮａ濃度測定器及びＰＯ_４濃度測定器が制御手段に接続され、
この制御手段は、前記Ｎａ濃度測定器と前記ＰＯ_４濃度測定器のそれぞれにて測定されたＮａ濃度とＰＯ_４濃度について、（Ｎａ濃度）／（ＰＯ_４濃度）の比率が所定値未満のときに、前記蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満に低下すると判断して、ＣＯ_２低減手段を動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記制御手段は、（Ｎａ濃度）／（ＰＯ_４濃度）の比率が２未満のときに、凝縮水のｐＨが所定ｐＨ未満に低下すると判断してＣＯ_２低減手段を動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項６に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
前記制御手段は、蒸気が凝縮したときの凝縮水のｐＨがｐＨ＜９に低下すると判断したときに、ＣＯ_２低減手段を動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の蒸気タービン設備の水質管理装置。
蒸気発生源にて発生した蒸気を、主蒸気系を経てタービンへ導いて仕事をさせると共に、復水器にて凝縮して復水とし、この復水を給水として給水系を経て前記蒸気発生源へ供給する蒸気タービン設備の水質管理方法であって、
前記蒸気中でＣａを含むアルカリ土類元素またはその化合物をこの蒸気中のＣＯ_２に接触させて反応させ、この蒸気中に含まれる二酸化炭素の濃度を低減させることを特徴とする蒸気タービン設備の水質管理方法。