JP4494817B2 - 超臨界圧ボイラの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を加熱して臨界状態を超えた高温高圧の蒸気を発生させる超臨界圧ボイラの運転方法に関する。

例えば火力発電施設に設置される超臨界圧ボイラにおいては、ボイラの各部を構成する鉄系材料の腐食を防止するため、加熱する水の水質管理を行っている。従来の水質管理には、水に含まれる酸素濃度を所定の値（例えば７ｐｐｂ）以下に維持することで腐食の進行を抑える全揮発性物質処理（ＡＶＴ；All Volatile Treatment）という方法が採用されていたが、この方法では、例えば蒸発管等の鉄系材料の表面にマグネタイトスケールが付着、析出し、成長して凹凸ができてしまい、管内を流れる水（蒸気）の圧力損失が増大してしまうため、蒸発管の内部を化学洗浄する必要がある。洗浄に際してはボイラの運転を停止させなければならず、機関の停止に伴う相当の損失が見込まれたり、化学洗浄作業自体に費用が嵩んだりといった問題がある。そこで、近年では、この方法にかえて、水に含まれる酸素濃度を２０〜２００ｐｐｂ程度に維持することで腐食の進行ならびにスケールの成長を抑制する複合水処理（ＣＷＴ；Combined Water Treatment）という方法が採用されるようになっている。この方法では、鉄系材料表面が溶解度の低いヘマタイトに変化するようになる。また、水中で析出したヘマタイトスケールは、蒸発管等の鉄系材料の表面への付着力は小さいので、作業費の嵩む化学洗浄に比べて非常に安価でかつ簡単な水洗によって相当のスケールを除去することが可能である。
特開平５−１５７２０７号

上記特許文献では、火炉の熱負荷が高いところにスケールが多く付着するとして、熱負荷の高いバーナ周辺に配設された伝熱管の温度を計測し、その結果を基にスケールの付着状態を監視している。

水質管理に複合水処理法を採用することにより、蒸発管内の圧力損失の増大は回避されるようになったが、近年、火炉内の蒸発管温度が異常に上昇して場合によっては噴破してしまうというという事象が報告されている。このような蒸発管温度の異常上昇は、必ずしも火炉内の熱負荷の高い箇所において発生しているとは限らず、予測が困難な点が大きな問題となっている。

本発明者らは、事前に行った実験等において、加熱状態にある水中のヘマタイトスケールの析出量の分布傾向を調査し、超臨界あるいは亜臨界の状態にあると見なせる水温３００℃から３８０℃付近でヘマタイトスケールの付着・析出が顕著に起こり、熱伝導率が極端に低下することを知見した。蒸発管の内部では、火炉内の熱負荷が高くない箇所でも、蒸発管内を流れる水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となると水の物性が急激に変化しヘマタイトスケールが他の箇所よりも多く付着する。ヘマタイトスケールは結晶性の微粒子で変形が小さく、また溶解度が小さくマグネタイトスケールで見られるような溶解・析出による空隙減少が生じないので、付着層を形成した場合、内部に無数の空隙が形成されることから、管内に付着したヘマタイトスケールが断熱材のように作用して蒸発管の熱伝導率を低下させ、蒸発管温度の異常上昇を発生させると予想されるのである。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、蒸発管温度の異常上昇を早い段階で的確に察知して噴破等の大きな障害の発生を未然に防ぐことを目的としている。

上記の課題を解決するために、次のような手段を採用する。すなわち本発明の超臨界圧ボイラの運転方法は、火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所における前記蒸発管の温度を随時観察し、その観察結果に基づいて前記流体が流通する部分の洗浄を行う時期を決定することを特徴とする。

本発明の超臨界圧ボイラの運転方法は、火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所において前記蒸発管の温度を検出し、前記蒸発管の温度がその耐用温度を超えた場合に運転を停止することを特徴とする。

本発明の超臨界圧ボイラは、火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所に設置されて前記蒸発管の温度を検出する温度検出部と、該温度検出部によって検出された前記蒸発管の温度がその耐用温度を超えた場合にボイラの運転を停止または運転の停止を促す警告を発する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明において、蒸発管温度の異常上昇によって起こる噴破等の障害は、蒸発管内を流れる流体、例えば水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となった箇所にヘマタイトスケールが多く付着することに起因すると予想される。したがって、蒸発管温度の異常上昇が起こり得る箇所が、管内を流れる水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となり得る箇所のなかのどこかであるというように大まかな絞り込みを行い、さらにその大まかに絞り込んだ箇所のなかで蒸発管の温度を随時観察することにより、蒸発管温度の異常上昇を早い段階で的確に察知することが可能になる。

本発明によれば、蒸発管温度の異常上昇が起こり得る箇所の大まかな絞り込みを行い、その大まかに絞り込んだ箇所のなかで蒸発管の温度を随時観察することにより、蒸発管温度の異常上昇を早い段階で的確に察知することが可能なので、噴破等の大きな障害の発生を未然に防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態について説明する。
図１には、火力発電施設用の超臨界圧ボイラの一例を示す。図において、符号１は燃焼装置、２は火炉、３はボイラ本体、４は過熱器、５は節炭器、６は空気予熱器、７は再熱器、８は通風装置である。
燃焼装置１は、微粉石炭や重油、天然ガス等の化石燃料を火炉２に供給して燃焼させ、熱を発生させる。火炉２には、炉内で発生させた高熱に対し炉壁を保護するとともに炉内の高熱を有効に利用して蒸発を行わせるために、図２に示すように炉壁の内側に蒸発管９を配した水冷炉壁が採用されている。ボイラ本体３は、炉内で発生させた高熱を放射や燃焼ガスとの接触によって水に伝達して蒸気を発生させる。蒸発管９を配した水冷炉壁は炉内の炎からの放射熱等を吸収し、燃焼ガスの通路に置かれた各部（過熱器４、節炭器５、空気予熱器６等）は燃焼ガスとの接触によって熱を吸収する。過熱器４は、ボイラ本体３において発生させた飽和蒸気をさらに加熱して高温の過熱蒸気とする。節炭器５は燃焼ガスの余熱を利用してボイラ本体３に供給する水を予熱することで燃料消費量を節約する。空気予熱器６は、燃焼ガスの余熱を利用して燃焼装置１に供給する空気を予熱する。再熱器７は、蒸気タービンで仕事をして温度の下がった蒸気を再び加熱してタービンに送り返す。通風装置８は、火炉２に所要の空気を供給するとともに燃焼ガスをボイラ本体３に流動させる。なお、水質管理には複合水処理法を適用した例で説明する。

上記の超臨界圧ボイラにおいては、事前に、火炉２の水冷炉壁を構成する蒸発管９の内部を流通する水（蒸気）の温度を計測し、どの箇所で水（蒸気）が超臨界状態（水温３７４℃を目安とする）または亜臨界状態（水温３５０℃を目安とする）となるかを調べる。調査にあたっては、まず、任意の蒸発管９に、水が流通する方向すなわち高さ方向に沿って分布するように複数の温度計を貼設し、超臨界圧ボイラを試験的に定格運転させてそれぞれの箇所において蒸発管９の内部を流通する水（蒸気）の温度を計測する。そして、水（蒸気）の温度が上記それぞれの目安温度以上になった箇所では、定格運転時に水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となると認める。図３には、火炉２を画成するボイラ本体３の前面（燃焼装置１が設置されている面）に沿って配設されたある蒸発管９について上記の調査を行った結果を示している。蒸発管９の内部を流通する水（蒸気）の温度は、燃焼装置１による火炉２内の熱負荷には必ずしも比例せず、ボイラ本体３の上方に向かうほど上昇しており、亜臨界状態から超臨界状態に変化する。この箇所は熱負荷最大の位置とは必ずしも一致しない。
なお、上記の調査は火炉２を画成するボイラ本体３のすべての側面において実施することが望ましい。

次に、上記の調査によって水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となると認められた箇所、例えば図１におけるノーズ部１３、火炉を構成する蒸発管、特に定格運転時の温度が３５０℃以上となるような箇所に、図４に示すように蒸発管９を形成する材料の温度を計測する熱電対（温度検出部）１０を取り付け、さらに熱電対１０の出力に基づいて蒸発管９の温度を随時監視する監視装置１１を設置する。監視装置１１は、蒸発管９を形成する材料の耐用温度を超えた場合にボイラの緊急停止を促す警告を発する制御部１２を備える。なお、温度検出部として熱電対以外の計測手段を用いてもよい。

超臨界圧ボイラの操業を本格的に開始して定格運転させたら、熱電対１０を取り付けた蒸発管９の温度を監視装置１１によって随時監視する。操業開始後２〜４年毎に行われる大規模な定期検査では、蒸発管９の温度が最も高い値を示した箇所を中心に蒸発管９の一部を取り出して劣化の状況や管の内面に付着した硬質な自己酸化スケールの付着状況を調査し（これを抜管調査という）、蒸発管９の健全性を確認する。２〜４年毎の大規模定期検査時でなくても、蒸発管９の温度が異常な上昇を示した場合は、その後の定期検査において上記の抜管調査を実施し、蒸発管９の健全性を確認する。

抜管調査において蒸発管９の健全性に不安要素が確認されたら、ボイラの運転を停止し、蒸発管９を含むすべての給水系統の水がすべて凝縮したうえで水抜きを行い、内面に付着していたヘマタイトスケールを系外に排出する（これを水洗という）。その際、燃焼装置１を間欠的に点火して管内の水を突沸させ、水の流量を変化させて管内面からのヘマタイトスケールの剥離を促進する。

蒸発管９が極端に異常な上昇を示し、蒸発管９を形成する材料の耐用温度を超えた場合は、監視装置１１がボイラの緊急停止を促す警告を発するので、警告に従ってボイラの運転を停止し、上記と同様の水洗作業を実施する。

本実施形態によれば、蒸発管９の異常な温度上昇が起こり得る箇所が、管内を流れる水（蒸気）が超臨界状態または亜臨界状態となり得る箇所のなかのどこかであるというように大まかな絞り込みを行い、さらにその大まかに絞り込んだ箇所のなかで蒸発管９の温度を随時観察することにより、蒸発管９の異常な温度上昇を早い段階で的確に察知することが可能になり、異常を察知した段階で水洗を行って蒸発管９の温度上昇の原因となるヘマタイトスケールを除去するので、噴破等の大きな障害の発生を未然に防ぐことができる。

本発明の参考の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態においては、図５に示すように、火炉２内に配設された任意の蒸発管９の全域に分散する複数の箇所に、蒸発管９を形成する材料の温度を計測する熱電対１０を取り付ける。なお、温度計測を実施する蒸発管９は、火炉２を画成するボイラ本体３のすべての側面に分散して選択されることが望ましい。

超臨界圧ボイラの操業を本格的に開始して定格運転させたら、熱電対１０を取り付けた蒸発管９の温度を監視装置１１によって随時監視する。操業開始後２〜４年毎に行われる大規模な定期検査では、蒸発管９の温度が最も高い値を示した箇所を中心に蒸発管９の一部を取り出して劣化の状況や管の内面に付着した硬質な自己酸化スケールの付着状況を調査し（これを抜管調査という）、蒸発管９の健全性を確認する。２〜４年毎の大規模定期検査時でなくても、蒸発管９の温度が異常な上昇を示した箇所が存在する場合は、その後の定期検査において上記の抜管調査を実施し、蒸発管９の健全性を確認する。

抜管調査において蒸発管９の健全性に不安要素が確認されたら、ボイラの運転を停止し、蒸発管９を含むすべての給水系統の水がすべて凝縮したうえで水抜きを行い、内面に付着していたヘマタイトスケールを系外に排出する（水洗）。その際、燃焼装置１を間欠的に点火して管内の水を突沸させ、水の流量を変化させて管内面からのヘマタイトスケールの剥離を促進する。

蒸発管９のどこかが極端に異常な上昇を示し、蒸発管９を形成する材料の耐用温度を超えた場合は、監視装置１１がボイラの緊急停止を促す警告を発するので、警告に従ってボイラの運転を停止し、上記と同様の水洗作業を実施する。

本実施形態によれば、火炉２内に配設された任意の蒸発管９全域の温度を随時観察することにより、蒸発管９の異常な温度上昇を早い段階で的確に察知することが可能になり、異常を察知した段階で水洗を行って蒸発管９の温度上昇の原因となるヘマタイトスケールを除去するので、噴破等の大きな障害の発生を未然に防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態を示す図であって、超臨界圧ボイラの構造を示す概略図である。 図１のII−II線矢視断面図である。 蒸発管の高さ方向の各箇所における水（蒸気）の温度ならびにボイラ内の熱負荷を示すグラフである。 蒸発管の温度変化を監視するシステムの概略図である。 本発明の参考の実施形態を示す図であって、蒸発管の温度変化を監視するシステムの概略図である。

符号の説明

２ 火炉
３ ボイラ本体
９ 蒸発管
１０ 熱電対（温度検出部）
１１ 監視装置
１２ 制御部

Claims (3)

1. 火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所における前記蒸発管の温度を随時観察し、その観察結果に基づいて前記流体が流通する部分の洗浄を行う時期を決定することを特徴とする超臨界圧ボイラの運転方法。
2. 火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所において前記蒸発管の温度を検出し、前記蒸発管の温度がその耐用温度を超えた場合に運転を停止することを特徴とする超臨界圧ボイラの運転方法。
3. 火炉内に配設された蒸発管内を流れる流体が超臨界状態または亜臨界状態となり前記流体の物性が急激に変化する箇所を事前に特定し、該箇所に設置されて前記蒸発管の温度を検出する温度検出部と、該温度検出部によって検出された前記蒸発管の温度がその耐用温度を超えた場合にボイラの運転を停止または運転の停止を促す警告を発する制御部とを備えることを特徴とする超臨界圧ボイラ。

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