JP5523563B2 - 回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法、並びに装置 - Google Patents
回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法、並びに装置 Download PDFInfo
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Description
同様に、大型電動機においても、循環風路内において高電界に起因する部分放電などにより、オゾン、窒素酸化物、硝酸などが生成することがある。そのため、大型電動機においても、金属部材の腐食抑制や作業環境の改善の観点から、オゾン、硝酸などを低減することが必要とされている。
例えば、特許文献1では、オゾン及び硝酸ガスの少なくとも一方を除去する除去剤を有するフィルタ装置を回転電機の循環風路内に配置する方法が提案されている。この方法では、オゾンの除去剤として活性炭(吸着剤)、硝酸ガスの除去剤として化学吸着剤を使用し、各吸着剤によってオゾン及び硝酸ガスの濃度を低減させている。
また、特許文献2では、吸着され難いNOx(NO及びNO2)をオゾンと反応させて硝酸を生成させ、この硝酸をケイ素吸着剤を用いて吸着除去した後、オゾン分解触媒を用いて残留オゾンを分解除去する方法が提案されている。
特許文献1の方法では、オゾンを活性炭、硝酸を化学吸着剤によって個別に除去しているため、循環風路内に活性炭や化学吸着剤を多く配置する必要がある。そのため、循環風路内の圧力損失が増大し、循環風路内を循環する冷却空気の量が低下する。その結果、特許文献1の方法を適用した空気冷却式の回転電機においては、所望の冷却性能が得られないことがある。また、化学吸着剤によって硝酸を吸着除去する場合、比較的短時間でその性能が低下するため、化学吸着剤の交換又は再生が頻繁に必要となる。この化学吸着剤の交換や再生には装置を停止させる必要があるため、装置の稼働率低下をもたらす。
また、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする方法である。
また、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする装置である。
図1は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
図1において、空気冷却式タービン発電機は、フレーム1と、回転子2と、固定子3と、ファン5と、空気冷却器6と、オゾン分解ユニット7と、軸受8とを備えている。この空気冷却式タービン発電機では、全閉構造のフレーム1内に、ファン5が取り付けられた回転子2、固定子3、空気冷却器6、オゾン分解ユニット7が配置されており、回転子2の回転軸が軸受8によってフレーム1に支持されている。また、ファン5により圧送される冷却空気が、回転子2、固定子3、空気冷却器6、オゾン分解ユニット7、ファン5の順に循環するように循環風路4が形成されている。なお、この空気冷却式タービン発電機では、空気冷却器6の下流側にオゾン分解ユニット7が配置されているが、このオゾン分解ユニット7の位置は特に限定されない。オゾン分解ユニット7の位置は、発電機の構成やオゾン分解ユニット7の脱着の容易さなどを考慮して適宜決定することができる。
本実施の形態の空気冷却式タービン発電機では、循環風路4内にオゾン分解ユニット7を配置しているため、冷却空気がオゾン分解ユニット7を通過する際にオゾンが分解され、冷却空気中のオゾン濃度が低下し、これに伴って硝酸も生成が抑制される。その結果、空気冷却式タービン発電機内の金属材料の腐食を抑制することが可能になる。
図2は、空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路4内を流れる冷却空気中のオゾン濃度との関係を示すグラフである。このグラフは、実際の空気冷却式タービン発電機の動作条件を想定し、固定子3の部分放電に伴うオゾン生成、軸受8のクリアランスなどからの冷却空気と外気との置換、オゾン分解ユニット7によるオゾンの分解を考慮して作成したものである。ただし、この図では、基準として、オゾン分解ユニット7を配置しない場合の循環風路4を流れる冷却空気中の定常オゾン濃度を1(任意単位:a.u.)とし、オゾン分解ユニット7を配置した場合のオゾン濃度を相対値で示している。
循環風路4内に配置されるオゾン分解ユニット7において、循環風路4内を流れる全冷却空気に対してオゾン分解ユニット7を通過する冷却空気の割合をkとし、オゾン分解ユニット7を一度通過する際に分解されるオゾンの割合(ワンパスオゾン除去率)をAとした場合(ただし、循環風路4内を流れる冷却空気の全てがオゾン分解ユニット7を通過する場合を1とし、オゾン分解ユニット7を一度通過する際に全てのオゾンが分解される場合を1とする)、kA=0(すなわち、オゾン分解ユニット7を配置しない場合)は、空気冷却式タービン発電機の起動から1時間程度で、オゾン濃度は定常値に到達する。これに対してkA値を増加させると(すなわち、オゾン分解ユニット7を配置する場合)、オゾン濃度が大幅に減少する。例えば、kA=0.6の場合、kA=0の場合に比べて、オゾン濃度が1/100以下にまで低減される。
湿潤した冷却空気が循環風路4内を流れる際、固定子3で部分放電が生じると、一般に下記の(1)〜(9)の反応が起こる。
e+O2→e+2O (1)
e+N2→e+2N (2)
O+O2+M→O3+M (3)
N+O+M→NO+M (4)
O2+2NO→2NO2 (5)
O3+NO→NO2+O2 (6)
O3+NO2→NO3+O2 (7)
NO2+NO3+M→N2O5+M (8)
N2O5+H2O→2HNO3 (9)
図3及び4は、空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路4内を流れる冷却空気中のO3、窒素酸化物(NO、NO2、NO3、N2O5)の濃度との関係を示すグラフである。ここで、図3及び4では、図2と同様に、基準としてオゾン分解ユニット7を配置しない場合の循環風路4を流れる冷却空気中の定常オゾン濃度を1(任意単位:a.u.)とし、所定の場合の各成分の濃度を相対値で示している。図3はkA=0(すなわち、オゾン分解ユニット7を配置しない場合)、図4はkA=0.6(すなわち、オゾン分解ユニット7を配置する場合)の結果である。
kA=0の場合、起動から100分後、オゾン濃度は1、N2O5濃度は約0.013であった。上記の(9)の反応を考慮すると、N2O5は、空気中に含まれる水や部材表面に付着した水と反応して2つの硝酸分子を生成させる。従って、この場合、最大0.026の硝酸が発生すると考えられる。
これに対してkA=0.6の場合、起動から100分後、オゾン濃度は約0.008、N2O5濃度は0.001以下(図示していない)となった。従って、この場合、0.002以下の硝酸が発生すると考えられる。
以上の結果から、オゾン濃度を低減することによって、硝酸の発生を抑制することが可能になる。
図5において、オゾン分解ユニット7を配置しない場合、O3濃度/NO2濃度が約230であり、N2O5濃度も約0.013と高かったのに対し、オゾン分解ユニット7を配置する場合、オゾン分解ユニット7を配置しない場合に比べてO3濃度/NO2濃度やN2O5濃度が低くなった。特に、O3濃度/NO2濃度を1以下にすることにより、N2O5濃度がオゾン分解ユニット7を配置しない場合の1/10程度まで低減された。つまり、O3濃度/NO2濃度を1以下にすることにより、硝酸の発生もオゾン分解ユニット7を配置しない場合の1/10程度まで抑制することができる。そして、金属部材の腐食や有機材料の劣化速度は、オゾン及び硝酸の濃度に依存するため、本発明の方法を適用することで、これらが大幅に抑制されることになる。
一方、高いkA値を得るためには、オゾン分解ユニット7を通過する冷却空気の割合を増加させることが重要であり、循環風路4の断面全体を遮るようにオゾン分解ユニット7を配置することが好ましい。
また、オゾン分解ユニット7に用いられるオゾン分解触媒としては、オゾンを分解し得るものであれば特に限定されず、例えば、二酸化マンガン系触媒、PtやPdなどの貴金属系触媒、Fe、Ni、Ag、Coなどの卑金属系触媒などが挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、オゾン分解ユニット7の大きさも、特に限定されず、本実施の形態の方法が適用される装置の構成などに応じて適宜決定すればよい。
本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機によれば、循環風路4内に配置されたオゾン分解ユニット7に冷却空気を通過させることにより、圧力損失を抑えつつ長期間にわたってオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。特に、この空気冷却式タービン発電機では、オゾン分解ユニット7によって硝酸の発生が抑制されることから、オゾン及び硝酸を個別に処理する必要がなく、硝酸除去用の吸着剤を使用する必要もない。そのため、吸着剤の交換や再生などの作業が不要となり、長期間の連続運転が可能になる。
図6は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態1の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図6において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路4内に光源9を備えている。
NO3+hν→NO2+O (10)
NO3+hν→NO+O2 (11)
なお、この空気冷却式タービン発電機では、固定子3と空気冷却器6との間の循環風路4内に光源9が配置されているが、この光源9の位置は特に限定されない。光源9の位置は、循環風路4の構造などを考慮して適宜決定すればよい。
図7は、本実施の形態の方法に用いられるオゾン分解ユニット及び硝酸吸着ユニットの斜視図である。図7において、オゾン分解ユニット7及び硝酸吸着ユニット10は、冷却空気の流れ(矢印)に対して並列に配置されている。
実施の形態1では、オゾンを分解することによって硝酸の生成を抑制することができ、また、実施の形態2では、NO3を光分解することによって硝酸の生成を抑制することができる。しかしながら、湿潤した空気中で部分放電が生じると、以下の反応によっても微量の硝酸が生成することがある。
e+H2O→e+OH+H (12)
NO2+OH→HNO3 (13)
一方、部分放電によって生じる硝酸の濃度は一般にオゾン濃度の10%程度以下であり、要求される硝酸の除去量はオゾンの除去量に比べて大幅に少ない。
図2に示したように、循環風路4内にオゾン分解ユニット7を配置した場合、冷却空気中のオゾン濃度は、kA値の増加に伴って減少する。同様に、循環風路4内にオゾン分解ユニット7と並列して硝酸吸着ユニット10を配置した場合、冷却空気中のオゾン濃度だけでなく硝酸濃度についても同じ原理が成り立つ。つまり、冷却空気中の硝酸濃度に関し、循環風路4内を流れる全冷却空気に対して硝酸吸着ユニット10を通過する冷却空気の割合をkとし、硝酸吸着ユニット10を一度通過する際に吸着される硝酸の割合(ワンパス硝酸吸着率)をAとした場合(ただし、循環風路4内を流れる冷却空気の全てが硝酸吸着ユニット10を通過する場合を1とし、硝酸吸着ユニット10を一度通過する際に全ての硝酸が吸着される場合を1とする)、図8及び9に示されるように、kA=0の場合(すなわち、オゾン分解ユニット7及び硝酸吸着ユニット10を配置しない場合)は、空気冷却式タービン発電機の起動から1時間程度で、オゾン濃度及び硝酸濃度の定常値は、1及び約0.03にそれぞれ到達する。
これに対してkA値が増加すると(すなわち、オゾン分解ユニット7及び硝酸吸着ユニット10を配置する場合)、オゾン濃度及び硝酸濃度が大幅に減少する。例えば、オゾンに対するkA値が0.5(例えば、k=0.9、A=0.55)、硝酸に対するkA値が0.05(例えば、k=0.1、A=0.5)の場合、図8及び9に示されるように、オゾン濃度及び硝酸濃度の定常値は、約0.008及び約0.003にまで低減される。
また、硝酸吸着ユニット10の大きさも、特に限定されず、本実施の形態の方法が適用される装置の構成などに応じて適宜決定すればよく、オゾン分解ユニット7の大きさと同じであっても異なっていてもよい。
図10は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態1の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
空気冷却式タービン発電機には、図10のように循環風路4が分岐され、分岐した循環風路4内にそれぞれ独立して空気冷却器6を備えた構成を有するものが多い。このような構成を有する空気冷却式タービン発電機では、固定子3を通過した冷却空気が、分岐された循環風路4を通過することになる。
図10において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路4内の一方の空気冷却器6の上流側にオゾン分解ユニット7が配置され、循環風路4内の他方の空気冷却器6の下流側に硝酸吸着ユニット10が配置されている。このような構成とすることにより、一方の空気冷却器6の上流側に配置されたオゾン分解ユニット7が、オゾンを除去することで硝酸発生量を低減させると共に、他方の空気冷却器6の下流側に配置された硝酸吸着ユニット10が、微量発生する硝酸を吸着除去する。その結果、冷却空気中の硝酸濃度を一層低減することが可能になる。
また、触媒によるオゾン分解の性能は高温であるほど高く、吸着剤による硝酸の吸着性能は低温であるほど高い。そこで、オゾン分解ユニット7を空気冷却器6の上流側の高温部に設置し、硝酸吸着ユニット10を空気冷却器6の下流側の低温部に配置することで、それぞれの性能を最大限に発現させることができる。
本実施の形態の空気冷却式タービン発電機は、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物から形成される混合ユニットを循環風路4内に備えている。
実施の形態3では、冷却空気の流れに対して並列的に配置したオゾン分解ユニット7及び硝酸吸着ユニット10に冷却空気を通過させることによってオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。一方、本実施の形態では、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物から形成される混合ユニットを冷却風路4内に配置し、この混合ユニットに冷却空気を通過させることによって、実施の形態3の場合と同様にオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。特に、混合ユニットのみでこれが実現されることから、構成を簡素化することが可能になる。
実施の形態3で説明したように、部分放電で生じる硝酸濃度はオゾン濃度の10%程度以下であることから、混合ユニットにおいても、オゾン分解触媒の割合を90%以上とし、残りを硝酸吸着剤とすることが好ましい。これにより、硝酸発生量を大幅に抑制した上で、残存する微量の硝酸を効率的に吸着除去することができる。
本実施の形態の方法において、混合ユニットを通過した後の冷却空気中のオゾン濃度は、混合ユニットを通過する前の冷却空気中のオゾン濃度の10%以上90%以下であることが好ましい。このような範囲であれば、硝酸の発生を十分に抑制することが可能である。
本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機では、混合ユニットに含まれるオゾン分解触媒によって発生したオゾンを分解することで硝酸の発生を抑制することができる。また、発生した微量の硝酸を混合ユニットに含まれる硝酸吸着剤によって吸着除去することで、その濃度をさらに低減することができる。さらに、この空気冷却式タービン発電機では、実施の形態3の場合のようにオゾン分解ユニット7及び硝酸吸着ユニット10を独立に設ける必要が無いことから、構成を簡素化することもできる。
図11は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態1の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図11において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路4内を流れる冷却空気の一部を迂回させるバイパス風路12に硝酸除去ユニット11を備えている。バイパス風路12には、硝酸除去ユニット11の前後にバルブ14a及び14bが配置されており、硝酸除去ユニット11とバルブ14a及び14bとの間には分岐した再生風路13が形成されている。そして、再生風路13にはバルブ15a及び15bが配置されている。
なお、冷却空気中の硝酸濃度が十分に低く、硝酸除去ユニット11の性能が長期間低下しない場合には、再生風路13、バルブ14a、14b、15a及び15bを設ける必要はない。硝酸除去ユニット11の再生の機会が少なく、硝酸除去ユニット11を交換した方が安価になるためである。
また、上記では硝酸除去ユニット11の再生に高温空気を用いているが、硝酸除去ユニット11を再生する手段は、これに限定されない。硝酸除去ユニット11を再生する手段としては、硝酸除去ユニット11を再生し得る媒体を用いることができ、例えば、硝酸を含まない室温程度の空気、水蒸気、水などを用いることができる。
また、この空気冷却式タービン発電機では、硝酸除去ユニット11の再生ができるため、実施の形態3のような硝酸吸着ユニット10の交換が必要ない。さらに、この空気冷却式タービン発電機では、ファン5前後の圧力差によって冷却空気の一部をバイパス風路12に引き込むことができるため、ブロアなどの動力源を用いる必要もない。
図12は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態1の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図12において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路4内に直流電源17に接続された帯電板16を備えている。
なお、この空気冷却式タービン発電機では、固定子3と空気冷却器6との間の循環風路4内に帯電板16が配置されているが、この帯電板16の位置は限定されない。帯電板16の位置は、循環風路4の構造などを考慮して適宜決定すればよい。また、帯電板16の大きさも特に限定されず、発生する硝酸イオンの量などを考慮して適宜決定すればよい。
Claims (10)
- 回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする方法。 - 回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、
前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする方法。 - 前記オゾン分解ユニットは、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記循環風路を流れる冷却空気の一部を迂回させるバイパス風路内に硝酸除去ユニットが配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記循環風路を流れる冷却空気に600nm以上700nm以下の波長を含む光を照射することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記循環風路を流れる冷却空気を、正に帯電した帯電板と接触させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷却空気中の二酸化窒素濃度に対するオゾン濃度の比(オゾン濃度/二酸化窒素濃度)を1以下に制御することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記オゾン分解ユニットを通過した後の冷却空気中のオゾン濃度が、前記オゾン分解ユニットを通過する前の冷却空気中のオゾン濃度の10%以上90%以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする装置。 - 回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、
前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする装置。
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