JP5267672B2 - 腐食環境モニタリングシステム及び腐食環境モニタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンの内部における構造部材の損傷劣化に関与する腐食因子の計測を行う腐食環境モニタリングシステム及び腐食環境モニタリング方法に関する。

蒸気タービンにおいては、運転温度による部材の高温熱劣化、クリープ・熱疲労劣化および蒸気水質によるタービン構成部材の腐食損傷に基づく材料の劣化は、寿命に対する重要な要因となっている。
前者については、部材そのものの材質変化であり、定期点検時に部材材料の硬さ変化や析出物の変化を、非破壊的に調査・計測して把握し、予め取得された測定パラメータの劣化基準カーブと比較することによって、余寿命評価を行うことができる。

しかしながら、腐食が関与する後者の材料劣化の場合には、前者のような温度、応力、時間のような、タービンの運転に則した比較的安定した要因と異なり、多種要因が重畳し、複雑である。具体的には、稼働中の蒸気水質の変化、各部材の耐食性、部位による環境条件の差すなわち蒸気流、タービン内温度分布、蒸気に晒される面、隙間部、停止時凝縮の程度、異種材の接触部などである。運転・停止の頻度、凝縮頻度、タービン開放頻度も重要な要因である。特に、地熱蒸気を用いたタービンの場合には、各プラントの現地毎に、水質の変動が大きく、硫化水素による材料への影響要因が加わる。地熱蒸気タービンの寿命としては、タービン内部における部材の、蒸気水質による腐食損傷が支配的要因となっている。

このような蒸気水質を検出する装置として、従来、例えば地熱発電設備における地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を測定・監視する蒸気純度監視装置であって、前記地熱蒸気を冷却し、地熱蒸気中の水蒸気を凝縮・液化する蒸気ドレン化装置と、液化された蒸気ドレン中の含有物と陰イオン交換反応を行う陰イオン交換樹脂と、陰イオン交換反応後の蒸気ドレンの電気伝導率を測定する電気伝導率測定手段とを有し、地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を表す指標として、前記電気伝導率を測定・監視することを特徴とする蒸気純度監視装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、常時、腐食環境の機械構造部品材料に対する腐食促進パラメータと、機械構造部品材料の腐食抵抗パラメータとを検出・監視し、前記腐食促進パラメータの検出結果から当該腐食環境が当該機械構造部品材料へ腐食損傷を与えるか否かを判定し、かつ前記腐食抵抗パラメータの検出結果から腐食損傷抵抗特性を演算し、当該腐食環境が当該機械構造部品材料へ腐食損傷をもたらす期間に限って、当該腐食損傷抵抗特性を基に腐食損傷の進行状態を逐次演算することにより前記機械構造部品を診断することにより、機械構造部品の腐食環境損傷診断を定量的に扱うことができる機械構造部品の腐食環境損傷診断方法及びその装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、蒸気タービン翼表面近傍の凝縮条件を模擬した凝縮室により凝縮水を得、その凝縮水を分析することにより水質をモニタしてｐＨ、電気伝導度、化学種の成分および濃度、腐食電位、全有機炭素濃度を測定し、この測定結果により蒸気タービンの運転条件の制御、薬品の注入を行うようにした蒸気凝縮水の水質モニタおよびそれを用いたエネルギー変換システムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらにまた、腐食形態に適した腐食防止用の薬品を適正量だけ注入することにより、タービン構造材の腐食損傷を未然且つ効果的に防止することを目的として、低圧タービンから排出される凝縮水を一時貯蔵する凝縮水貯蔵部を設け、凝縮水貯蔵部の凝縮水中に、低圧タービンの構造材と同一成分の材料で構成された試料電極と、電位の基準となる参照電極とを浸漬させ、薬品注入制御装置が参照電極と試料電極間の電位差を測定し、その測定電位差が低圧タービンの構造材について凝縮水のｐＨおよび塩化物イオン濃度を測定して設定される電位範囲内となるよう、注入薬品の種類と注入量を算出するようにした蒸気タービンシステムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００２−１３１２６１号公報 特開２００１−４１８６０号公報 特開平９−１７０７０４号公報 特開平８−７４０７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来例にあっては、蒸気タービンに供給する地熱蒸気を蒸気ドレン化装置に供給して冷却し、地熱蒸気中の水蒸気を凝縮・液化し、液化された蒸気ドレン中の含有物と陰イオン交換樹脂で陰イオン交換反応を行い、陰イオン交換反応後の蒸気ドレンの電気伝導率を測定することにより、地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を測定するようにしているが、実際の蒸気タービン内での凝縮水を使用するものではなく、蒸気タービンの翼部の腐食環境を正確にモニタリングすることはできないという未解決の課題がある。

また、特許文献２に記載の従来例にあっては、低圧タービンのケーシングに腐食環境監視センサのセンサ部を配置し、このセンサ部のケーシング内面位置に蒸気タービン低圧部又はガスタービン圧縮機と同一、又はこれと電気化学的に同等若しくは類似の材料からなる試料電極と、白金電極対と、参照電極とを配置することにより、白金電極対の先端に微小水滴（凝縮水）が存在したときに腐食促進パラメータを計測し、試料電極及び参照電極間に微小水滴（凝縮水）が存在するときに腐食抵抗パラメータを計測することができるが、凝縮水の腐食因子となるｐＨや塩素イオン濃度等を直接計測することはできないという未解決の課題がある。

さらに、特許文献３に記載の従来例にあっては、蒸気タービン翼表面近傍の凝縮条件を模擬した凝縮室によって凝縮水を得て、その凝縮水の水質をｐＨセンサ、参照電極、溶存酸素センサ、温度計、イオンセンサ、金属電極、伝導度計、対極等で測定するようにしているが、実際の蒸気タービン翼表面近傍の凝縮水を分析するものではないので、実際の蒸気タービン翼表面近傍の正確な分析結果を得ることはできないという未解決の課題がある。

さらにまた、特許文献４に記載の従来例にあっては、低圧タービンから排出される凝縮水を凝縮水貯蔵部に一時貯蔵し、この貯蔵された凝縮水にｐＨ計及び塩化物イオン濃度計を浸漬させてｐＨ及び塩化物イオン濃度を検出するようにしているが、この場合も、低圧タービン内でｐＨや塩化物イオン濃度を検出するものではなく、正確な腐食環境モニタリングを行うことができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、蒸気タービン内で腐食因子を計測して、腐食環境モニタリングを正確に行うことができる腐食環境モニタリングシステム及び腐食環境モニタリング方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、一の実施形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、蒸気タービンの内部における構造部材の損傷劣化に関与する腐食因子の計測を行う腐食環境モニタリングシステムであって、前記蒸気タービン内の蒸気が流入可能な構造に形成されているとともに、流入してきた蒸気を凝縮させる凝縮室を備え、前記凝縮室には、流入してきた前記蒸気が凝縮されて生成された凝縮水を貯留可能であるとともに、前記蒸気タービンの内部における隙間部を模擬した構造とされた凝縮水貯留部を設け、且つ、該凝縮水貯留部内の前記凝縮水の腐食因子を計測する腐食因子センサを備えた腐食因子計測装置を前記蒸気タービンの内部に設置したことを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記凝縮室に流入してきた蒸気を凝縮させる冷却機能を有する温度調節部を備えていることを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子計測装置は、前記腐食因子センサが、少なくとも腐食電位センサ、ｐＨセンサ及び塩化物イオンセンサの３種類で構成されていることを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食電位センサは、前記構造部材と同じ材料からなる試料部材電極と、参照電極とを備え、前記試料部材電極及び前記参照電極が前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水に浸漬されて配設されていることを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子計測装置は、前記３種類のセンサの他に導電率センサを備えていることを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子計測装置は、前記３種類のセンサの他に炭酸ガスセンサ及び硫化水素センサを備えていることを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記凝縮水貯留部は、前記蒸気タービンの内部における動翼とタービンロータとの嵌合隙間部を模擬した構造とされていることを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記蒸気タービンは、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンで構成され、
前記腐食因子計測装置は、前記低圧タービンのケーシングの内部における、タービン翼列内の蒸気流に影響を与えることなく当該タービン翼列内の蒸気流の一部を補集可能な位置に設置されていることを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、該腐食因子分析装置には、前記腐食因子計測装置で計測した腐食因子計測データと、対応する腐食因子の管理基準範囲とを比較し、前記腐食因子計測データが前記管理基準範囲を逸脱したときに警報を発する腐食環境状態判定装置を備えたことを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、該腐食因子分析装置には、前記腐食因子計測装置で計測した腐食因子計測データをもとに、予め作成されている前記構造部材の腐食損傷への影響度との相関関係に基づき、前記構造部材の腐食損傷の進行を予測し、当該構造部材の余寿命を求める余寿命診断装置を備えたことを特徴としている。

また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、前記蒸気タービンの稼動停止時に当該蒸気タービン内部の構造部材における凝縮水を採取して当該凝縮水の腐食因子を検出したデータを前記腐食因子分析装置に供給することにより、前記蒸気タービンの稼動時の腐食因子計測値と前記蒸気タービンの稼動停止時の腐食因子計測値との相関関係を求めて管理指標としてなることを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記凝縮水貯留部は、その低圧側にオリフィスが形成されていることを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記凝縮水貯留部が、その一端が、前記ケーシングの内周壁に形成された連通孔に連通し、他端が、オリフィスを介して前記ケーシングの内部の低圧側に連通してなることを特徴としている。
また、他の形態に係る腐食環境モニタリングシステムは、前記蒸気タービンに最外周の外部ケーシングから内部ケーシングを貫通して前記凝縮水貯留部に達する導管を配設し、該導管内に前記腐食因子センサを挿通して、該腐食因子センサの下端を前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水に浸漬させるとともに、前記導管は下面が前記凝縮水貯留部の底面に接触する凝縮水遮断位置と、前記凝縮水貯留部の上面と略面一となる凝縮水通過位置との間で可動可能に装着されていることを特徴としている。
また、本発明の一の形態に係る腐食環境モニタリング方法は、蒸気タービンの内部における構造部材の損傷劣化に関与する腐食因子の計測を行う腐食環境モニタリング方法であって、前記蒸気タービンの稼動時に、前記蒸気タービン内の蒸気を当該蒸気タービン内に配設した凝縮室に流入させて凝縮して凝縮水を生成し、生成した凝縮水に腐食因子センサを接触させて腐食因子を前記蒸気タービンの稼働中に測定する腐食因子の計測を常時行うとともに、前記蒸気タービンの稼働停止時に、当該蒸気タービン内部の構造部材における凝縮水を採取して当該凝縮水における腐食因子の分析を行い、前記蒸気タービンの稼働時の腐食因子計測データと前記蒸気タービンの稼働停止時の腐食因子分析データとを比較して、両者の相関関係を求めて管理指標としたことを特徴としている。

本発明によれば、蒸気タービン内に蒸気を凝縮させる凝縮機構を形成し、この凝縮機構で生成された凝縮水の腐食因子を腐食因子センサで計測するので、稼働状態の蒸気タービンにおける腐食因子を直接計測することができ、正確な腐食環境モニタリングを行うことができるという効果が得られる。

本発明を適用し得る蒸気タービンの概略構成を示す模式図である。 低圧タービンを示す断面図である。 低圧タービンの腐食因子モニタリング装置の装着部を示す拡大図である。 腐食因子モニタリング装置の第１の実施形態を示す拡大図である。 腐食因子モニタリング装置の第２の実施形態を示す拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を適用し得る蒸気タービンの概略構成を示す模式図である。図中、１は蒸気タービンであって、この蒸気タービン１は、高圧タービン２、中圧タービン３及び２台の低圧タービン４Ａ及び４Ｂとで構成されている。高圧タービン２には、例えば地熱発電設備の生産井５から供給される地熱蒸気が高圧セパレータ６で蒸気と熱水とに分離し、分離された蒸気が蒸気を洗浄してミストを除去するスクラバー７を介して供給される。この高圧タービン２に供給された蒸気によって、タービンロータ２ｒが回転される。この高圧タービン２でタービンロータ２ｒを回転させる運動エネルギーを放出した蒸気は中圧タービン３に供給されてタービンロータ３ｒが回転される。この中圧タービン３でタービンロータ３ｒを回転させる運動エネルギーを放出した蒸気は最後に低圧タービン４Ａ及び４Ｂに供給されて、タービンロータ４ｒが回転される。

そして、低圧タービン４Ａ及び４Ｂから排出される殆どのエネルギーを使い果たした蒸気は復水器８で凝縮して復水し、その復水はホットウェルポンプ９で加熱され、その大部分が冷却塔１０に供給されて冷却されるとともに、残りが凝縮水再注入ポンプ１１で再加熱されて還元井１２に供給されて地中に戻される。
冷却塔１０で冷却された冷水は、復水器８の散水ヘッダ８ａに戻される。

ここで、低圧タービン４Ａ及び４Ｂのそれぞれは、図２に示すように、ケーシング２１と、このケーシング２１内に回転自在に配設されたタービンロータ４ｒとを有する。ケーシング２１にはその中央部に中圧タービン３から供給される蒸気が入力される蒸気供給口２２が形成されている。タービンロータ４ｒの蒸気供給口２２に対向する位置に一対の反動翼２３が形成されている。そして、タービンロータ４ｒの反動翼２３の外側にそれぞれタービン翼列としての低圧翼列２４が形成され、これら低圧翼列２４の軸端部側に蒸気排出口２５が形成されている。

低圧翼列２４は、図３に拡大図示するように、タービンロータ４ｒに取付けられた動翼２４ｍとケーシング２１に取付けられた静翼２４ｓとが交互に設けられて構成されている。動翼２４ｍ及び静翼２４ｓの半径方向の長さはタービンロータ４ｒの中心側から外側に向かうにしたがって順次長くなるように設定されている。ここで、タービンロータ４ｒは例えば１％ＣｒＭｏＶ鋼、１２％Ｃｒ鋼等で形成され、動翼２４ｍは例えば１３％Ｃｒ鋼で形成されている。
そして、低圧翼列２４の軸方向の中央部における動翼２４ｍの先端と近接対向するケーシング２１の内周面のロータ嵌め込み部側の上部位置に腐食因子モニタリング装置３０の腐食因子計測装置３１が配設されている。

図３および図４に示すように、この腐食因子計測装置３１は、ケーシング２１のケーシング内壁２１ａにおける動翼２４ｍの先端より軸方向に内側にずれた位置に穿設されたケーシング２１の内周面に開口する連通孔３２を有する。また、腐食因子計測装置３１は、図４に示すように、連通孔３２の内側端に連通する凝縮機構３３を有する。凝縮機構３３は、連通孔３２に連通する凝縮室３４とこの凝縮室３４を囲む温度調節部３５とを有する。

凝縮室３４は、一端が連通孔３２に連通し、他端が単段又は多段のオリフィス３６を介してケーシング２１の内部の低圧側に連通してタービンロータ４ｒの軸方向に延長する凝縮水貯留部３７と、この凝縮水貯留部３７の中間部から上方に延長する凝縮部３８とで構成されている。ここで、凝縮水貯留部３７は、ケーシング２１の内周側の腐食し易い部位の隙間を模擬した構造とされている。この隙間を模擬した構造としては、動翼２４ｍとタービンロータ４ｒとの嵌合隙間部や、動翼２４ｍの先端とケーシング２１のケーシング内壁２１ａとの間の隙間部等がある。

温度調節部３５は、凝縮部３８を囲む冷却部３９と、この冷却部３９に連通してケーシング２１の外部に連通する連通部４０とを有する。冷却部３９には、凝縮部３８の周壁の外側に配設された冷却部材としてのペルチェ素子４１が配設されている。そして、冷却部３９及び連通部４０には、それらの外周側にケーシング２１の外部からの冷却空気を冷却部３９に供給する空気通路４２が形成され、この空気通路４２の内側が放熱ファン４３の給気口に連通されている。これによって、放熱ファン４３を作動させることにより、冷却部３９内に籠もるペルチェ素子４１の外周側の加熱部で加熱された空気をケーシング２１の外部に放散する。

そして、凝縮水貯留部３７に貯留される凝縮水に、腐食因子センサとしての腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２、塩化物イオンセンサ５３の先端が浸漬されている。腐食電位センサ５１は、構造部材としての動翼２４ｍと同一材質（１３％Ｃｒ鋼）で形成された試料部材電極５１ａと、参照電極５１ｂとを備えている。これら腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３から導出されるリード線５１ｃ，５１ｄ、５２ａ及び５３ａが冷却部３９内及び連通部４０の内部を通じてケーシング２１の外部に延長されて腐食因子分析装置５４に接続されている。

腐食因子分析装置５４では、腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３で検出された腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度に基づいて腐食因子の評価判定処理を行う。
（ａ）蒸気タービンにおける複数の腐食因子（腐食電位、ｐＨ、塩化物イオン濃度）について、
塩化物イオン濃度は、蒸気タービンにおける主要な腐食因子であり、塩化物の形成、その加水分解による水素イオン発生、水素イオン濃度の上昇をもたらす。つまり、塩化物イオンにより孔食ピットを生じた場合、孔食ピット内で塩化物イオン濃度が増加しやすくなる。
ｐＨは、溶液中の水素イオン濃度を現すものである。水素イオン濃度の増加（ｐＨの低下）は、部材のイオン化（酸化反応）を加速することになる。
腐食電位は、各部材の接している溶液に対する腐食性を示すものであり、電位が大きいほど腐食し易くなる。水素イオン濃度が増加すると腐食電位は高くなる。

（ｂ）地熱蒸気タービンにおける特有な腐食因子について、地熱蒸気タービンにおいては、炭酸ガス、硫化水素を含む。
炭酸ガスは、凝縮水では炭酸となり水素イオンを生じる。
硫化水素は、硫化鉄を形成し部材表面の保護的役割も生じ得るが、塩化物イオンにより分解することが考えられ、孔食の原因となる。
以上のように、腐食電位は、塩化物イオン濃度、ｐＨの影響を受け、部材の腐食性状況のパラメータとなるが、予防保全上重要な点は、腐食電位変動の要因を知ることであり、ｐＨや塩化物イオン濃度などの基本因子についても計測することによって、腐食状況のより正確な把握及び予測と、蒸気環境に対する注意点もより精度が向上し、的確な維持管理対応策が判断可能となる。

ここで、維持管理対応策としては、動翼２４ｍの交換周期の設定や、腐食防止薬品の注入制御等が挙げられる。
そして、腐食因子の評価判定処理としては、腐食電位センサ５１で検出した試料部材電極５１ａの電位と参照電極５１ｂの電位とを電位差計で測定して、腐食電位を測定し、測定した腐食電位の変動と同時に測定したｐＨや塩化物イオン濃度の変動とを比較することにより、腐食電位の変動要因がｐＨの低下及び塩化物イオン濃度の増加によるものかを判定し、その判定結果に応じてｐＨの低下や塩化物イオン濃度の増加を抑制する腐食防止薬品の注入制御を行う。

また、腐食因子分析装置５４は、腐食電位と、例えば動翼２４ｍの損傷劣化特性データとを用いて動翼２４ｍの寿命予測を行う余寿命診断装置を備えている。ここで、損傷劣化特性データは、例えば動翼２４ｍの腐食損傷への影響度を表す損傷劣化速度と腐食電位との相関関係を予め実験で求め、この相関関係を特性マップ又は予測モデル式として表したものであり、特性マップ又は予測モデル式を予め記憶装置に記憶しておく。そして、測定した腐食電位に基づいて特性マップを参照するか測定した腐食電位を予測モデル式に代入することにより、動翼２４ｍの損傷劣化の進行状況を予測し、動翼２４ｍの余寿命を予測する。そして、予測した動翼２４ｍの余寿命に基づいて動翼２４ｍの交換周期を設定する。
また、腐食因子分析装置５４では、腐食因子計測装置３１で計測した腐食電位、ｐＨ、塩化物イオン濃度等の腐食因子計測データと、対応する腐食因子の管理基準範囲とを比較し、前記腐食因子計測データが前記管理基準範囲を逸脱したときに警報を発する腐食環境状態判定装置を内装している。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
図１に示すように、生産井５から噴出する地熱蒸気は、高圧セパレータ６で蒸気と熱水とに分離され、分離された蒸気がスクラバー７に供給されて蒸気を洗浄してミストを除去してから蒸気タービン１の高圧タービン２に入力される。この高圧タービン２でタービンロータ２ｒを回転させて運動エネルギーを放出し、次いで中圧タービン３に供給されてタービンロータ３ｒを回転させ、最後に低圧タービン４Ａ，４Ｂに供給されてタービンロータ４ｒを回転させる。低圧タービン４Ａ，４Ｂから排出される殆どのエネルギーを使い果たした蒸気は、復水器８で凝縮して復水し、その復水はホットウェルポンプ９で加熱され、その大部分が冷却塔１０に供給されて冷却されるとともに、残りが凝縮水再注入ポンプ１１で再加熱されて還元井１２に供給されて地中に戻される。

そして、蒸気タービン１の運転中の蒸気温度は、高温部では、５００〜６００℃付近に達し、低圧部においても１００〜２００℃に上昇している。腐食要因となるものが、発生・進行するのは、主として、蒸気が凝縮し、水溶液となり水が生成され、部材の電気化学的な腐食反応が発生し、これが進行することによるものである。
凝縮水は、運転停止時にタービン内温度低下に伴う凝縮が生じたり、また運転中においては、動翼２４ｍとタービンロータ２ｒ〜４ｒとの嵌合隙間部などに生成したりする可能性がある。これらの凝縮水は、タービン内温度が比較的低い低圧部において生じ易い。

このため、低圧タービン４Ａ及び４Ｂで、腐食因子を監視することによって、腐食環境状態を把握することが可能となる。
本発明では、図３及び図４に示すように、低圧タービン４Ａ及び４Ｂのケーシング２１におけるタービンロータ４ｒの動翼２４ｍの先端と僅かな隙間を隔てて対向する内周面に連通して蒸気を導入可能な腐食因子モニタリング装置３０の腐食因子計測装置３１が配設されている。

この腐食因子計測装置３１では、ケーシング２１の内周壁に形成された連通孔３２を通じて蒸気が凝縮室３４に導入される。すなわち、連通孔３２から導入された蒸気は、低圧側端部にオリフィス３６を設けた凝縮水貯留部３７を介してその上方の凝縮部３８に入る。この凝縮部３８では、その周囲にペルチェ素子４１が配設されているので、このペルチェ素子４１に直流電流を供給することにより、冷却効果を発揮させて、凝縮部３８内を冷却する。これにより、蒸気が凝縮されて凝縮水となり、凝縮水貯留部３７に貯留される。このとき、ペルチェ素子４１では、外周側の加熱部が発熱することになるが、放熱ファン４３を駆動することにより、この放熱ファン４３で温度調節部３５内の加熱空気が吸引されてケーシング２１の外部に放散される。これに応じて空気通路４２を介してケーシング２１の外部の冷却空気が冷却部３９内に導入される。

そして、凝縮水貯留部３７には、腐食因子センサとして腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の先端が凝縮水に浸漬されているので、これら腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３で、低圧タービン４Ａ及び４Ｂが稼働中に、腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度を検出することができる。これらセンサ５１、５２及び５３は、それらのリード線５１ｃ，５１ｄ、５２ａ及び５３ａが温度調節部３５の冷却部３９及び連通部４０を介してケーシング２１の外部に配設された腐食因子分析装置５４に連結されている。

このため、腐食因子分析装置５４では、所定時間間隔で、腐食電位センサ５１の試料部材電極５１ａ及び参照電極５１ｂ間の電位差を電位差計で測定して腐食電位を計測して、計測した腐食電位を記憶装置の腐食因子記憶領域に記憶するとともに、入力されたｐＨ検出値及び塩化物イオン濃度検出値も同様に腐食因子記憶領域に記憶する。
このように、腐食因子記憶領域には所定時間間隔で、腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度が記憶されるので、現在の腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度と腐食因子記憶領域に記憶されている過去の腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度とを比較することにより、腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度の変動を正確に把握することができる。

このとき、腐食電位の変動と、ｐＨ及び塩化物イオン濃度の変動とを比較することにより、腐食電位の変動要因がｐＨの低下による水素イオン濃度の増加によるものであるか、塩化物イオン濃度の増加による水素イオン濃度の増加によるものであるか、さらにはｐＨの低下及び塩化物イオン濃度の増加の双方によるものであるかを判別することができる。このため、ｐＨの低下による場合には、蒸気タービン１の蒸気系統にｐＨを高める腐食防止薬品の注入制御を行って水素イオン濃度の増加を抑制し、塩化物イオン濃度の増加による場合には、蒸気タービン１の蒸気系統に塩化物イオン濃度の増加を抑制する腐食防止薬品の注入制御を行って、腐食防止処理を行う。

また、測定した腐食電位に基づいて記憶装置に記憶されている損傷劣化特性データの特性マップを参照するか、測定した腐食電位を予測モデル式に代入することにより、動翼２４ｍの余寿命を予測し、予測した動翼２４ｍの余寿命に基づいて動翼２４ｍの交換周期を設定する。
このように、上記実施形態によると、蒸気タービン１の低圧タービン４Ａ及び４Ｂのケーシング２１内に、動翼２４ｍとケーシング内壁２１ａとの間の蒸気を導入して凝縮させる凝縮機構３３を配設した。このため、低圧タービン４Ａ及び４Ｂが稼働中の蒸気を凝縮機構３３で凝縮して凝縮水を生成し、生成した凝縮水に含まれる腐食因子としての腐食電位、ｐＨ及び塩化物イオン濃度をそれぞれ腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３で検出し、検出信号を腐食因子分析装置５４に供給することができる。したがって、稼働中の低圧タービン４Ａ及び４Ｂ内の蒸気に含まれる腐食因子を常時正確に測定することができる。このため、腐食因子分析装置５４で、測定した腐食因子に基づいて動翼２４ｍの余寿命の予測や腐食防止薬品の注入制御等の維持管理対応策を的確に行うことが可能となる。

しかも、凝縮機構３３で、凝縮部３８をペルチェ素子４１に通電することにより、冷却して蒸気を凝縮するようにしているので、凝縮機構３３の構成を小型化することができる。さらに、凝縮機構３３の凝縮水貯留部３７の低圧側にオリフィス３６を形成したので、連通孔３２から供給される比較的高圧の蒸気がケーシング２１内の低圧側に直接流出することが阻止することができ、凝縮水貯留部３７内の圧力を比較的高い圧力に維持することができるので、ケーシング２１のケーシング内壁２１ａ内の蒸気に圧力変動の影響を与えることがない。
なお、上記実施形態においては、温度調節部３５内に冷却空気を導入するために放熱ファン４３を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、放熱ファン４３に代えて空気通路４２に送風ファンを連通させるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、稼働中の低圧タービン４Ａ及び４Ｂの腐食因子を分析する腐食因子分析装置５４を低圧タービン４Ａ及び４Ｂの双方に設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、１つの腐食因子分析装置５４で低圧タービン４Ａ及び４Ｂの腐食因子の分析を行うようにしてもよい。さらには、腐食因子分析装置５４で、稼働中の腐食因子の測定値に基づいて動翼２４ｍの損傷劣化寿命を予測する場合について説明したが、低圧タービン４Ａ及び４Ｂを停止させたときのケーシング２１内の温度低下に伴って蒸気が凝縮された凝縮水を採取し、採取した凝縮水の腐食因子を腐食電位センサ、ｐＨセンサ、塩化物イオンセンサで検出して、腐食因子分析装置５４に供給することにより、稼働中の腐食因子計測値と停止時の実機部位から採取した凝縮水の腐食因子計測値との相関関係を求めて管理指標とすることによって、腐食因子の計測値の精度向上を図ることができる。この場合、実機の凝縮水採取部位としては、動翼２４ｍとタービンロータ４ｒとの嵌合隙間部、動翼２４ｍの表面、タービンロータ４ｒの表面等の腐食し易い部位を選定することが好ましい。

また、上記実施形態においては、腐食因子分析装置５４をケーシング２１の外側に設置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、温度や湿度の影響を受けないようにすればケーシング２１の内部に腐食因子分析装置５４を設置することができる。
さらに、上記実施形態においては、凝縮機構３３に凝縮水貯留部３７を形成したので、この凝縮水貯留部３７に貯留した凝縮水をケーシング２１の外部に取り出す凝縮水採取機構を設けることにより、稼働中の凝縮水を採取することができ、採取した凝縮水の腐食因子を腐食因子センサで検出することにより、腐食因子計測装置３１の腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の経年劣化を判定することが可能となり、各センサ５１〜５３の検出値を校正することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図５について説明する。
この第２の実施形態では、腐食因子センサの交換を容易に行えるようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態においては、図５に示すように、低圧タービン４Ａ及び４Ｂのケーシング２１に最外周の外部ケーシング２１ｏから内部ケーシング２１ｉを貫通して凝縮機構３３の凝縮水貯留部３７に達する導管６１を配設し、この導管６１内に腐食因子センサとしての腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３を挿通して、これらセンサ５１〜５３の下端を凝縮水貯留部３７に貯留された凝縮水に浸漬させるようにしたものである。この導管６１の外部ケーシング２１ｏから突出する端部には、腐食電位センサ５１のリード線５１ｃ，５１ｄ、ｐＨセンサ５２のリード線５２ａ及び塩化物イオンセンサ５３のリード線５３ａを挿通保持する着脱自在な密閉蓋６２で密閉されている。また、導管６１は下面が凝縮水貯留部３７の底面に接触する凝縮水遮断位置と、凝縮水貯留部３７の上面と略面一となる凝縮水通過位置との間で可動可能に装着されている。

この第２の実施形態によると、腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の１つ又は複数のセンサを交換する場合には、先ず、導管６１の下面が凝縮水貯留部３７の底面に接触して、ケーシング内壁２１ａ内の高圧蒸気の導管６１内への侵入を阻止する。この状態で、導管６１の上端から密閉蓋６２を取り外して導管６１の上端を開放し、交換するセンサのリード線を引き上げることにより、交換するセンサを導管６１から外部ケーシング２１ｏの外側に取り出し、密閉蓋６２からもリード線を取り外す。次いで、新たなセンサのリード線を密閉蓋６２に挿通して、センサが凝縮水に浸漬される長さに調整した状態で、センサを導管６１内に挿通し、密閉蓋６２を導管６１の上端に装着する。次いで、導管６１をその下面が凝縮水貯留部３７の上面に略面一となるように上昇させることにより、導管６１内に凝縮水が入って腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の下面が凝縮水に浸漬される。

このように、導管６１を凝縮水遮断位置と凝縮水通過位置との間で可動自在とすることにより、低圧タービン４Ａ及び４Ｂが稼働中であっても、導管６１を通じてケーシング内壁２１ａの内側の蒸気がケーシング２１の外部に流出することが阻止されるので、腐食因子センサとしての腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の１つ又は複数の交換を容易に且つ安全に行うことができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、腐食因子センサとして腐食電位センサ５１、ｐＨセンサ５２及び塩化物イオンセンサ５３の３つを適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、腐食電位センサ５１のみを設けるようにしてもよいとともに、凝縮水の導電率を検出する導電率センサを付加して、凝縮水の導電率も同時に測定して、腐食因子分析の精度向上を図るようにしてもよい。さらには、地熱発電設備の蒸気のように炭酸ガス及び硫化水素を含む場合には、腐食因子センサとして炭酸ガスセンサ及び硫化水素センサを付加して、腐食因子分析の精度をより向上させるようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、蒸気タービン１を地熱発電設備に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、火力発電設備や他の任意の設備に適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、蒸気タービン１に２つの低圧タービン４Ａ及び４Ｂが設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、低圧タービンが１つである場合にも本発明を適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、凝縮機構３３の冷却部材としてペルチェ素子を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の冷却装置を適用することができる。

産業上の利用分野

本発明によれば、蒸気タービン内で腐食因子を計測して、腐食環境モニタリングを正確に行うことが可能な腐食環境モニタリングシステム及び腐食環境モニタリング方法を提供できる。

１…蒸気タービン、２…高圧タービン、３…中圧タービン、４Ａ，４Ｂ…低圧タービン、４ｒ…タービンロータ、２１…ケーシング、２４…低圧翼列、２４ｍ…動翼、２４ｓ…静翼、３０…腐食因子モニタリング装置、３１…腐食因子計測装置、３２…連通孔、３３…凝縮機構、３４…凝縮室、３５…温度調節部、３６…オリフィス、３７…凝縮水貯留部、３８…凝縮部、３９…冷却部、４０…連通部、４１…ペルチェ素子、４２…空気通路、４３…放熱ファン、５１…腐食電位センサ、５１ａ…試料部材電極、５１ｂ…参照電極、５１ｃ，５１ｄ…リード線、５２…ｐＨセンサ、５２ａ…リード線、５３…塩化物イオンセンサ、５３ａ…リード線、５４…腐食因子分析装置、６１…導管、６２…密閉蓋

Claims (15)

1. 蒸気タービンの内部における構造部材の損傷劣化に関与する腐食因子の計測を行う腐食環境モニタリングシステムであって、
   前記蒸気タービン内の蒸気が流入可能な構造に形成されているとともに、流入してきた蒸気を凝縮させる凝縮室を備え、
   前記凝縮室には、流入してきた前記蒸気が凝縮されて生成された凝縮水を貯留可能であるとともに、前記蒸気タービンの内部における隙間部を模擬した構造とされた凝縮水貯留部を設け、且つ、
   該凝縮水貯留部内の前記凝縮水の腐食因子を計測する腐食因子センサを備えた腐食因子計測装置を前記蒸気タービンの内部に設置したことを特徴とする腐食環境モニタリングシステム。
2. 前記凝縮室に流入してきた蒸気を凝縮させる冷却機能を有する温度調節部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の腐食環境モニタリングシステム。
3. 前記腐食因子計測装置は、前記腐食因子センサが、少なくとも腐食電位センサ、ｐＨセンサ及び塩化物イオンセンサの３種類で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の腐食環境モニタリングシステム。
4. 前記腐食電位センサは、前記構造部材と同じ材料からなる試料部材電極と、参照電極とを備え、前記試料部材電極及び前記参照電極が前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水に浸漬されて配設されていることを特徴とする請求項３に記載の腐食環境モニタリングシステム。
5. 前記腐食因子計測装置は、前記３種類のセンサの他に導電率センサを備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載の腐食環境モニタリングシステム。
6. 前記腐食因子計測装置は、前記３種類のセンサの他に炭酸ガスセンサ及び硫化水素センサを備えていることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
7. 前記凝縮水貯留部は、前記蒸気タービンの内部における動翼とタービンロータとの嵌合隙間部を模擬した構造とされていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
8. 前記蒸気タービンは、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンで構成され、
   前記腐食因子計測装置は、前記低圧タービンのケーシングの内部における、タービン翼列内の蒸気流に影響を与えることなく当該タービン翼列内の蒸気流の一部を補集可能な位置に設置されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
9. 前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、
   該腐食因子分析装置には、前記腐食因子計測装置で計測した腐食因子計測データと、対応する腐食因子の管理基準範囲とを比較し、前記腐食因子計測データが前記管理基準範囲を逸脱したときに警報を発する腐食環境状態判定装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
10. 前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、
    該腐食因子分析装置には、前記腐食因子計測装置で計測した腐食因子計測データをもとに、予め作成されている前記構造部材の腐食損傷への影響度との相関関係に基づき、前記構造部材の腐食損傷の進行を予測し、当該構造部材の余寿命を求める余寿命診断装置を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
11. 前記腐食因子の評価判定処理を行う腐食因子分析装置を設け、
    前記蒸気タービンの稼動停止時に当該蒸気タービン内部の構造部材における凝縮水を採取して当該凝縮水の腐食因子を検出したデータを前記腐食因子分析装置に供給することにより、
    前記蒸気タービンの稼動時の腐食因子計測値と前記蒸気タービンの稼動停止時の腐食因子計測値との相関関係を求めて管理指標としてなることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
12. 前記凝縮水貯留部は、その低圧側にオリフィスが形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
13. 前記凝縮水貯留部は、その一端が、前記ケーシングの内周壁に形成された連通孔に連通し、他端が、オリフィスを介して前記ケーシングの内部の低圧側に連通してなることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
14. 前記蒸気タービンに最外周の外部ケーシングから内部ケーシングを貫通して前記凝縮水貯留部に達する導管を配設し、該導管内に前記腐食因子センサを挿通して、該腐食因子センサの下端を前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水に浸漬させるとともに、前記導管は下面が前記凝縮水貯留部の底面に接触する凝縮水遮断位置と、前記凝縮水貯留部の上面と略面一となる凝縮水通過位置との間で可動可能に装着されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の腐食環境モニタリングシステム。
15. 蒸気タービンの内部における構造部材の損傷劣化に関与する腐食因子の計測を行う腐食環境モニタリング方法であって、
    前記蒸気タービンの稼動時に、前記蒸気タービン内の蒸気を当該蒸気タービン内に配設した凝縮室に流入させて凝縮して凝縮水を生成し、生成した凝縮水に腐食因子センサを接触させて腐食因子を前記蒸気タービンの稼働中に測定する腐食因子の計測を常時行うとともに、
    前記蒸気タービンの稼働停止時に、当該蒸気タービン内部の構造部材における凝縮水を採取して当該凝縮水における腐食因子の分析を行い、
    前記蒸気タービンの稼働時の腐食因子計測データと前記蒸気タービンの稼働停止時の腐食因子分析データとを比較して、両者の相関関係を求めて管理指標とした
    ことを特徴とする腐食環境モニタリング方法。

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