JP2018145514A - 発電所の防食方法及び発電所 - Google Patents

Abstract

【課題】発電所の抽気系における防食性を高めることのできる発電所の防食方法及び発電所を提供する。
【解決手段】給水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生機構と、前記蒸気発生機構にて発生した蒸気を導入して仕事をさせる高圧タービンと、前記高圧タービンを通過した蒸気を導入して仕事をさせる低圧タービンと、前記高圧タービンから抽気する高圧タービン抽気系と、前記低圧タービンから抽気する低圧タービン抽気系とを具備した発電所の防食方法であって、前記蒸気発生機構内の温度よりも沸点が低く、かつ、前記高圧タービン抽気系内の温度よりも沸点が高いとともに、水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第１の防食用薬剤を含む注入剤を、前記給水内に注入する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発電所の防食方法及び発電所に関する。

腐食は機器構造材料が環境中の液体、気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現象であり、構造材料としての機能が低下する経年劣化事象である。鉄構造材を例に水環境で発生する代表的な腐食反応を式１に示す。
Ｆｅ→Ｆｅ^２＋＋２ｅ⁻ 式１

式1に示す反応は構造材であるＦｅの酸化反応であるとともに、反応生成物として電子が放出される反応である。電子は単独での存在が不安定であることから、通常の構造材環境においては腐食反応と同時に電子を消費する反応が対となって発生する。水環境で発生する電子消費反応の例を式２、式３に示す。式２の反応は酸素、式３の反応は水素イオンが酸化剤として反応し、腐食反応により発生した電子を消費する反応である。
２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２ ＋４ｅ⁻ →４ＯＨ⁻ 式２
２Ｈ^＋ ＋２ｅ⁻ →Ｈ_２ 式３

これらの式で表されるように、腐食は酸化剤の電子消費反応と対で発生する。そのため、発電所などの環境では、腐食性を低減するため、酸化剤を極力低減する処理が行われている。腐食に寄与する酸化剤としては、大気中の酸素などが挙げられる。

大気に接する環境の水は、およそ７−１０ｐｐｍの酸素が溶解し含まれている。発電所では、この酸素濃度を数ｐｐｂまで下げることで、腐食性を低減している。さらに水素、アンモニアなどを添加することで環境の酸化性を低減し、腐食性をさらに低減することができる。

水素、アンモニアなどの成分は、液相のみの環境では液相内に存在する。しかし、高温で気相が共存する環境では、大部分が気相に移行し、液相内の水素、アンモニア濃度が低下する。水素には気相に移行しやすい特性があることから、酸化性低減を目的とした水素施工が可能な対象機器は、発電所の復水器、給水配管、給水加熱器、原子炉の炉内構造物、火力発電所のボイラーなど、内部が水環境となる機器となる。

これに対し、タービンと給水加熱器をつなげる抽気系配管は、水蒸気の気相と、凝縮した水の２相環境である。このため、水素、アンモニアなどの成分は気相に移行してしまうので、液相の酸化性が増大し腐食性が高い環境である。この抽気系に対する水処理技術としては、不純物除去を目的とした除去フィルタに関する技術、除去フィルタの運用方法に関する技術、抽気系の異物沈殿除去に関する技術など、異物除去に関する技術が提案されている。しかしながら、これらの技術は、不純物除去や異物除去を目的としたものであり、防食性を高めることを目的としたものではない。

特開２００６−１９９６００号公報 特開２０１２−４３８０２号公報 特開２００９−２８９１７０号公報

上記のとおり、発電所の抽気系においては、水中に注入されている防食効果を示す揮発成分が凝縮した液相に移行しないため、防食が不十分となっているという課題がある。

本発明の目的は、発電所の抽気系における防食性を高めることのできる発電所の防食方法及び発電所を提供することにある。

実施形態の発電所の防食方法は、給水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生機構と、前記蒸気発生機構にて発生した蒸気を導入して仕事をさせる高圧タービンと、前記高圧タービンを通過した蒸気を導入して仕事をさせる低圧タービンと、前記高圧タービンから抽気する高圧タービン抽気系と、前記低圧タービンから抽気する低圧タービン抽気系とを具備した発電所の防食方法である。前記蒸気発生機構内の温度よりも沸点が低く、かつ、前記高圧タービン抽気系内の温度よりも沸点が高いとともに、水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第１の防食用薬剤を含む注入剤を、前記給水内に注入する。

第１実施形態における発電所の構成を示す図。 第２実施形態における発電所の構成を示す図。

以下、発電所の防食方法及び発電所の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して第１実施形態について説明する。図１は、発電所１００として、加圧水型原子力発電所の二次系の構成を模式的に示すものである。

発電所１００において、復水器１０１で水に戻された冷却水は、給水配管１０２によって、復水器１０１から送出される。給水配管１０２には、低圧給水加熱器１０３、低圧給水加熱器１０４、脱気器１０５、高圧給水加熱器１０６が介挿されており、冷却水はこれらによって加熱及び脱気された後、蒸気発生器１０7へ送られる。

蒸気発生器１０７は、加圧水型原子炉で発生させた熱により蒸気を発生させる。この蒸気は、高圧タービン１０８に送られ、高圧タービン１０８を駆動した後、湿分分離器１０９を経て低圧タービン１１０に送られる。そして、低圧タービン１１０を駆動した後、復水器１０１で水に戻される。

低圧タービン１１０には、低圧給水加熱器１０３に接続された低圧タービン抽気系配管１１１が設けられている。また、湿分分離器１０９には、低圧給水加熱器１０４に接続された湿分分離器抽気系配管１１２が設けられている。さらに、高圧タービン１０８には、脱気器１０５及び高圧給水加熱器１０６に接続された高圧タービン抽気系配管１１３が設けられている。

上記構成の発電所１００では、各機器で腐食により発生した鉄酸化物が、冷却水とともに移行し、蒸気発生器１０７に蓄積する。蒸気発生器１０７への鉄酸化物の堆積は、熱効率の低下や、腐食の局所化等の問題を起こすことから、鉄酸化物を低減することが求められる。

一般に、加圧水型原子力発電所では、腐食低減対策として、揮発成分による水化学技術適用を行っている。具体的には、アンモニアによる高ｐＨ環境、ヒドラジンによる脱酸素を実施している。これらの対策では、機器構造材である鉄等の金属の腐食を低減することができるとともに、注入する薬剤が揮発性であることから蒸気発生器１０７への堆積も発生しない。

一方、腐食発生する鉄酸化物のうち、およそ半分は高圧タービン１０８、低圧タービン１１０、低圧タービン抽気系配管１１１、湿分分離器抽気系配管１１２、高圧タービン抽気系配管１１３などの気液二相部環境で使用される機器から発生している。これらの機器にアンモニアなどの揮発成分が移行した場合、気相部にアンモニアが移行してしまい、腐食反応の発生する液相部に溶解しないため、腐食低減の効果を得ることができない。

このような課題に対応するためには、第一に蒸気発生器１０７で揮発し堆積しないこと、第二に腐食予防対象である抽気系で液相に存在すること、第三に水溶液状態で高ｐＨ等の防食環境を提供できることの３点の特徴を持つ防食用薬剤の注入により対応することが可能である。なお、抽気系の温度は、高圧タービン抽気系配管１１３が一番高く、次に、湿分分離器抽気系配管１１２、そして低圧タービン抽気系配管１１１が一番低くなる。

第一の条件である、蒸気発生器１０７での堆積防止のためには防食用薬剤の沸点が蒸気発生器温度以下であることが求められる。また、第二の条件である抽気系で液相として存在するためには、防食用薬剤の沸点が抽気系配管温度以上、あるいは、同環境での薬剤の水への溶解度が１％以上であることのいずれかが必要である。

加圧水型原子力発電所の二次系の場合、蒸気発生器温度は、例えば２７０℃程度である。また、抽気系のうち、一番温度の高い高圧タービン抽気系配管１１３内の温度は２００℃以上、例えば２２０℃程度が想定されることから、求められる防食用薬剤の沸点は、２００℃以上、２７０℃以下、さらに好ましくは２２０℃以上、２７０℃以下の条件となる。

また、第三の条件である高ｐＨとなる薬剤としては、アミノ基を持つ有機化合物が考えられる。これらの３つの条件をいずれも満たす防食用薬剤として、例えば、ウンデシルアミン（沸点２４２℃）、ヘキサノールアミン（沸点２０６℃）、ヘプチノールアミン（沸点２２２℃）などが挙げられる。

これらの防食用薬剤の注入を行った場合、蒸気発生器１０７でこれらの防食作用物質は揮発し、蒸気と共にタービン系へ移行する。タービン系では蒸気の仕事により温度が低下するため、これらの防食用薬剤は液体に変化し、凝縮水とともに高圧タービン抽気系配管１１３などの抽気系に移行する。防食用薬剤の一部は水溶し、液性を高ｐＨとするため、抽気系の腐食性を低下させ、腐食生成の鉄酸化物が低減されるため、蒸気発生器１０７への鉄酸化物移行を低減することができる。

本実施形態の発電所１００では、高圧給水加熱器１０６と蒸気発生器１０７との間の給水配管１０２に、注入剤注入機構１１４が配設されている。そして、この注入剤注入機構１１４によって、給水配管１０２内を流通する給水内に、上記の防食用薬剤を含む注入剤を注入する。これによって、高圧タービン抽気系配管１１３などの抽気系における防食性を高めることができる。

この場合、注入剤の注入量が微量であってもある程度の効果を得ることができるので、給水中の防食用薬剤の濃度は、０％より高ければよい。また、防食用薬剤の溶解度以上に注入しても効果を高めることができないため、注入量の上限は実質的に防食用薬剤の溶解度によって決定される。具体的には、防食用薬剤の濃度は、例えば、１３ｐｐｍ程度とすることが好ましい。

ところで、上記した沸点が、２００℃以上、２７０℃以下の防食用薬剤（第１の防食用薬剤）を注入した場合、防食用薬剤の多くが高圧タービン抽気系配管１１３で液化し、下流の低圧タービン抽気系配管１１１、湿分分離器抽気系配管１１２における防食用薬剤の効果が不十分になる可能性がある。これらの機器における防食性をより高めるためには、各抽気系温度で凝縮、あるいは水溶するとともに、水溶時に高ｐＨとなる他の防食用薬剤を同時に注入することが好ましい。

具体的には、湿分分離器抽気系配管１１２内の温度、例えば１７０℃から１９０℃の範囲に沸点を持ちアミノ基を持つ防食用薬剤（第２の防食用薬剤）、及び低圧タービン抽気系配管１１１内の温度、例えば２５℃から１２０℃の範囲に沸点を持ちアミノ基を持つ防食用薬剤（第３の防食用薬剤）を第１の防食用薬剤とともに注入する。

上記の条件を満たす第２の防食用薬剤としては、例えば、アミノオクチン（沸点１７８℃）、プロパノールアミン（沸点１８８℃）、エタノールアミン（沸点１７０℃）などが挙げられる。これらのいずれか1つ以上を第２の防食用薬剤として注入することが好ましい。

また、上記の条件を満たす第３の防食用薬剤としては、例えば、アミノブチン（沸点７７℃）が挙げられる。このような第３の防食用薬剤を注入することが好ましい。

上記のように、第１の防食用薬剤に加えて、第２の防食用薬剤及び第３の防食用薬剤を注入することによって、さらに発電所１００の各部の防食性を高めることができる。

なお、上述した第１〜３の防食用薬剤は、腐食性の低い高ｐＨ環境とするための薬剤であり、これに脱酸素効果のあるヒドラジンなどの脱酸素剤を加えることで、より高い防食性能とすることができる。ヒドラジンは揮発性であるが、抽気系上流での脱酸素が行われるため、抽気系においても低酸化性の低腐食環境とすることができる。

次に、図２を参照して第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態に係る発電所２００として、火力発電所の構成を模式的に示すものである。第２実施形態に係る発電所２００では、図１に示した第１実施形態に係る発電所１００の蒸気発生器１０７に換えてボイラーにおける燃料の燃焼による熱によって蒸気を発生させる蒸気発生器２０７としたものである。その他の部分の構成は、図１に示した第１実施形態に係る発電所１００と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

防食用薬剤の効果も同様であり、蒸気発生器２０７でこれらの防食用薬剤は揮発し、蒸気と共にタービン系へ移行する。タービン系では蒸気の仕事により温度が低下するため、これらの防食用薬剤は液体に変化し、凝縮水とともに高圧タービン抽気系配管１１３などの抽気系統に移行する。防食用薬剤の一部は水溶し、液性を高ｐＨとするため、高圧タービン抽気系配管１１３などの抽気系統の腐食性を低下させ、腐食生成の鉄酸化物が低減されるため、腐食発生を低減することができる。なお、火力発電所のボイラーによる蒸気発生器２０７内の温度、抽気系温度は、加圧水型原子力発電所の二次系における蒸気発生器１０７内の温度、抽気系温度と異なっており、防食用薬剤に求められる沸点の条件も異なるため、これに合わせた、薬剤を選定する必要がある。

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。これら新規な実施形態は、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る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１００，２００……発電所、１０１……復水器、１０２……給水配管、１０３……低圧給水加熱器、１０４……低圧給水加熱器、１０５……脱気器、１０６……高圧給水加熱器、１０７，２０７……蒸気発生器、１０８……高圧タービン、１０９……湿分分離器、１１０……低圧タービン、１１１……低圧タービン抽気系配管、１１２……湿分分離器抽気系配管、１１３……高圧タービン抽気系配管、１１４……注入剤注入機構。

Claims (9)

1. 給水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生機構と、
   前記蒸気発生機構にて発生した蒸気を導入して仕事をさせる高圧タービンと、
   前記高圧タービンを通過した蒸気を導入して仕事をさせる低圧タービンと、
   前記高圧タービンから抽気する高圧タービン抽気系と、
   前記低圧タービンから抽気する低圧タービン抽気系と
   を具備した発電所の防食方法であって、
   前記蒸気発生機構内の温度よりも沸点が低く、かつ、前記高圧タービン抽気系内の温度よりも沸点が高いとともに、水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第１の防食用薬剤を含む注入剤を、前記給水内に注入する発電所の防食方法。
2. 前記蒸気発生機構が、加圧水型原子力発電所の二次系に設けられた蒸気発生器である請求項１記載の発電所の防食方法。
3. 前記蒸気発生機構が、火力発電所のボイラーに設けられた蒸気発生器である請求項１記載の発電所の防食方法。
4. 前記第１の防食用薬剤の沸点が、２００℃以上、２７０℃以下である請求項２記載の発電所の防食方法。
5. 前記第１の防食用薬剤が、ウンデシルアミン、ヘキサノールアミン、ヘプチノールアミンのうちの少なくともいずれか1つである請求項４記載の発電所の防食方法。
6. 前記注入剤が、沸点が１７０℃乃至１９０℃の範囲内であるとともに水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第２の防食用薬剤と、沸点が２５℃乃至１２０℃の範囲内であるとともに水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第３の防食用薬剤のうちの少なくとも一方を含む請求項４又は５記載の発電所の防食方法。
7. 前記第２の防食用薬剤が、アミノオクチン、プロパノールアミンの少なくともいずれか１つであり、前記第３の防食用薬剤が、アミノブチンである請求項６記載の発電所の防食方法。
8. 前記注入剤が、脱酸素剤を含む請求項１乃至７いずれか１項記載の発電所の防食方法。
9. 給水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生機構と、
   前記蒸気発生機構にて発生した蒸気を導入して仕事をさせる高圧タービンと、
   前記高圧タービンを通過した蒸気を導入して仕事をさせる低圧タービンと、
   前記高圧タービンから抽気する高圧タービン抽気系と、
   前記低圧タービンから抽気する低圧タービン抽気系と、
   前記蒸気発生機構内の温度よりも沸点が低く、かつ、前記高圧タービン抽気系内の温度よりも沸点が高いとともに、水に溶解した水溶液状態において７よりも高いｐＨを示す第１の防食用薬剤を含む注入剤を前記給水内に注入する注入剤注入機構と、
   を具備した発電所。

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