JP5987354B2 - タービン設備及びヒータドレイン水の水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン設備に係り、特にヒータドレイン水を濾過して給水管に回収する機構を備えたタービン設備に関する。また、本発明は、このタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法に関する。

火力及び原子力発電プラント等では、発生させた高温・高圧の蒸気をタービンに供給し、この蒸気によりタービンを駆動して発電を行っている。タービンを駆動した後の蒸気は、復水器により冷却されて水の状態に戻された後、再び加熱されてボイラ、原子炉、蒸気発生器に供給され、再使用される。

大型の発電設備では、高圧、低圧の直列多段の蒸気タービンが用いられる場合が多い。ボイラもしくは蒸気発生器において発生した高温・高圧の蒸気により、タービンを回転させ、発電機を回転させる。蒸気は膨張する過程で、エンタルピが低下し、湿り蒸気となる。湿り蒸気の状態では、タービンにおけるエネルギー変換効率が低下するため、タービンの所定の段で抽気が行われる。この抽気は、蒸発潜熱を含む多大エネルギーを保有している。そこで、熱回収を目的として、タービンの所定の段から出た蒸気の抽気を熱交換器に導き、復水と間接熱交換することによって、復水を加熱することが行われる。高圧タービンの抽気を用いて復水を加熱する熱交換器は高圧ヒータと呼ばれ、低圧タービンの抽気を用いて復水を加熱する熱交換器は低圧ヒータと呼ばれている。

低圧タービンからの抽気の方が、高圧タービンからの抽気に比べ、温度・圧力共に低いため、復水は凝縮器を出たあと、先に低圧ヒータを通り、脱気器、続いて高圧ヒータ、節炭器（エコノマイザ）を経て、再度、ボイラに給水として循環される。また、高圧ヒータ及び低圧ヒータでそれぞれ凝縮して生じた高圧ヒータドレイン、低圧ヒータドレインは、復水本管に導かれ、ボイラ給水として循環使用される。

ボイラでは、伝熱管の腐食による損傷を防止するために、給水の水質管理が重要である。従来は、ボイラ給水のｐＨをアルカリ側に維持することを目的として、揮発性のアミン類や、ヒドラジン、アンモニア等の窒素化合物が用いられてきた。また、これらｐＨ調整剤は還元剤としても作用し、ボイラ管表面に黒色のマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の酸化被膜を形成させ、防食作用を奏する。このようなボイラ水処理方法は、ＡＶＴ（Ａｌｌ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）と呼ばれ、長くボイラ水質管理の基準とされてきた。

なお、マグネタイトの被膜が過度に厚くなると、伝熱係数が低下する。また、マグネタイトは、ボイラ管表面に波状の酸化被膜を形成し、ボイラ水の通水抵抗を増加させるので、総合的なエネルギー変換効率の低下を招くことになる。そのため、発電設備では、３〜４年に一度、定期修理期間中に化学洗浄を行い、マグネタイト酸化被膜の過度な成長を制御し、ボイラ管の腐食防止と、伝熱抵抗や通水抵抗の低下を図るようにしている。

約２０年前から、欧米を中心に、ＣＷＴ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）と呼ばれるボイラ水質管理技術が普及してきた。この方法では、復水と補給水を併せた給水を脱気器で処理し、酸素や不活性ガスなどを除去した後、純酸素を加え、給水中の酸素濃度を５ｐｐｂ程度に制御する。ＣＷＴへの移行初期では、酸素と共にアンモニアを用いた複合処理が主流であったが、近年は、酸素添加のみを行う酸素処理が主流となってきた。この酸素処理により、ボイラ管表面には、マグネタイトよりも酸化が進んだヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）層が形成されるようになる。ヘマタイト層は非常に緻密であり、その表面はマグネタイト層に比べて平滑であり、通水抵抗を増加させない。また、ヘマタイト層は化学的にも安定であり、防食効果も高いことから、ＡＶＴに比べ、化学洗浄の頻度も少なくて足りる。このようなことから、日本国内の大型火力発電所でも、ＣＷＴ処理を適用したボイラが、増えてきている。

ところで、前述のように、タービンを出た復水は、抽気を熱源とした給水ヒータで加温される。また、給水ヒータからのドレインが復水に合流し、給水として循環利用される。

ＣＷＴ処理したタービン設備において、復水、高圧ヒータドレイン及び低圧ヒータドレインに含まれる全鉄濃度を計測したところ、低圧ヒータドレインの鉄濃度が他の水に比べて顕著に高く、ボイラ給水の鉄濃度を上昇せしめている原因は低圧ヒータドレインであることが明らかとなった。

また、有効濾過孔径が３、１、０．４５、０．２、０．１μｍのメンブレンフィルタを直列に配したフィルタユニットに、ＣＷＴ処理したタービン設備の低圧ヒータドレインを通水したところ、酸化鉄のスケールの９０％以上が有効濾過孔径３μｍのメンブレンフィルタに捕捉されることが見出された。なお、本発明においてフィルタの孔径（有効濾過孔径と記載する場合がある）は、対象となる粒径の粒子を９９％以上の確率で除去可能な絶対濾過孔径で示されるものである。

この酸化鉄微粒子を電子顕微鏡で観察したところ、粒子の断面直径に対する長さの比（形状比）の非常に大きな針状結晶であることが認められた。また、この酸化鉄微粒子を分離し、メスバウア分光分析法で、形態を同定したところ、α−Ｆｅ_２Ｏ_３、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３、α−ＦｅＯＯＨ等の複合酸化物が８０％以上を占め、針状結晶が形成されることを裏付ける結果となった。

ＣＷＴ処理では、給水に溶解された酸素は、ボイラ管を通過する過程で、酸化被膜形成に消費され、次第に酸素溶解濃度は低下していく。ボイラで発生した高温・高圧の蒸気は、タービンで膨張するに従って、温度・圧力が低下していき、低圧ヒータでは、飽和温度が１３０℃以下となる。また、低圧ヒータでは、低圧タービンの抽気が凝縮するため、ヒータ内は発達した乱流となる。そのため、安定したヘマタイト被膜が低圧ヒータの伝熱面に形成することが困難な状況にあると考えられる。また、低圧ヒータは、ボイラ管に比べ温度が低いことから、伝熱管母材の酸化反応速度が小さくなり、さらにヘマタイト酸化被膜の形成が困難になる。このように、低圧ヒータの伝熱面では、物理的・化学的にヘマタイト酸化被膜の形成が充分に進みにくい状況となっている。そのため、母材からの鉄の溶解（腐食）が進行するものと思われる。なお、このような腐食形態は、ＦＡＣ（Ｆｌｏｗ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）として知られている。

上記の低圧ドレイン中の酸化鉄微粒子は、この溶解した鉄がドレインバルク内で酸化を受け、溶解度の低い、化学的に安定なヘマタイトやゲーサイト（ＦｅＯＯＨ）粒子として析出したものと考えられる。

一方、ボイラ給水の鉄酸化物微粒子除去を目的とした技術が提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献１には、復水を０．０１〜０．３μｍの孔径を有した膜で濾過することが記載されている。特許文献２には、復水を１μｍの孔径を有した膜で濾過することが記載されている。しかしながら、これらの特許文献１，２には、低圧ヒータのドレインを濾過処理することは記載されていない。

特許文献３には、低圧ヒータドレインを濾過して給水系統に送水するように構成したタービン設備及びタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法が記載されている。特許文献３では、ドレイン水の鉄濃度が、所定濃度を超えた場合にドレイン水を系外に排出し、鉄濃度が低い場合のみフィルタで除鉄してボイラ給水の一部として使用する。これは、基本的には濾過できない細かな鉄がドレイン水に含まれているため、鉄濃度が所定の濃度以下の場合を除き、フィルタ処理してもボイラ給水の使用限度を超えて鉄が含有されるためである。このような特許文献３の構成では、設備が大掛かりとなるという問題のほか、鉄含有量の高いドレイン水は系外へ排出するためヒータドレイン水からの水の回収率が低くなり、また、排水量が多くなるという問題がある。

特開平９−２０６５６７ 特開２０００−２１８１１０ 特開２００８−２５９２２

本発明は、ボイラ管の内面に付着して伝熱阻害を招く鉄酸化物粒子スケールをヒータドレイン水から効率よく除去することができるタービン設備及びタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法を提供することを目的とする。

本発明のタービン設備は、熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラと、該ボイラの蒸気により作動する蒸気タービンと、該蒸気タービンからの蒸気を復水する復水器と、該復水器で凝縮された復水を給水として前記ボイラ側に送給する給水系統と、該給水系統に介装され、前記蒸気タービンから再熱器に送給する蒸気の一部を抽気として抜出し、これを用いて前記給水を加熱する給水ヒータと、該給水ヒータから排出されるヒータドレイン水を濾過して前記給水系統に送水して回収する濾過装置とを有するタービン設備において、前記ヒータドレイン水はＣＷＴ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）適用のタービン設備の低圧ヒータドレイン水であり、該濾過装置は孔径２〜４μｍのフィルタを有することを特徴とするものである。

本発明のタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法は、熱源からの熱によってボイラの給水を蒸発・過熱し、発生する蒸気により蒸気タービンを作動させ、該蒸気タービンから排出される蒸気を復水器で凝縮して給水とし、前記ボイラ側に前記給水を送給し、前記蒸気タービンから再熱器に送給する蒸気の一部を抜出した抽気を用いて給水ヒータにおいて前記給水を加熱し、該給水ヒータにおいて前記抽気が冷却されて生成されるヒータドレイン水を濾過し、給水系統に回収するタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法において、前記ヒータドレイン水はＣＷＴ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）適用のタービン設備の低圧ヒータドレイン水であり、該ヒータドレイン水を孔径２〜４μｍのフィルタで濾過することを特徴とするものである。

本発明では、ヒータドレイン水の全量を濾過して給水系統に送水することが好ましい。また、ドレイン水を濾過するフィルタは、不織布の両面をスパンボンドシートで挟んでエンボス加工により一体化した三層構造のフィルタが好ましい。

本発明では、ヒータドレイン水を孔径１〜５μｍのフィルタで濾過することにより、酸化鉄微粒子がヒータドレイン水から効率よく除去されるため、ボイラ管内面への酸化鉄微粒子の付着が防止される。

本発明では、ヒータドレイン水中の鉄濃度を測定してそれに応じてヒータドレイン水の送水先を変更する機構が不要である。

本発明では、ヒータドレイン水の全量を濾過して給水系統に送水することが可能であり、水の回収率が高くなる。

なお、ボイラ給水に持ち込まれる鉄酸化物微粒子のほとんどは、低圧ヒータドレインに起因している。一般にフィルタでは使用する適正な通水流速が存在する。そこで、低圧ヒータドレインを濾過処理することは、復水全量を濾過処理する場合に比べて、約１０分の１の処理水量で済む。従って、濾過装置に取り付けるフィルタ本数の少ないコンパクトな濾過装置を提供することができる。

また、低圧ヒータで発生する鉄酸化物微粒子の多くは、有効濾過孔径３μｍのメンブレンで捕捉可能な針状結晶であることから、用いるフィルタの有効濾過孔径は、１〜５μｍのもので、充分に捕捉することが可能である。しかも、濾過孔径が１〜５μｍと大きいこと、及び微粒子形状が針状であることから、連続使用しても、通水圧損は上昇しにくい。

実施の形態に係るタービン設備のブロック図である。 実験結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。

図１は実施の形態に係るタービン設備を示すものであり、復水器１内の水（復水と補給水）は、電磁フィルタ２、イオン交換樹脂による純水装置３を経て、ライン４を介して低圧給水ヒータ５に送水され、加熱される。加熱された水は、ライン６を介して脱気器７に送水され、脱気処理された後、高圧給水ヒータ８で加熱され、ボイラ９に送給される。ボイラ９で生じた蒸気は、過熱器１０で過熱された後、蒸気ライン１１を介して高圧タービン１２に供給される。

高圧タービン１２から流出した蒸気は、蒸気ライン１３を介して再熱器１４に送られ、再加熱された後、蒸気ライン１５を介して低圧タービン１６に供給され、その流出蒸気が復水器１に戻される。

前記蒸気ライン１３からは、抽気ライン１７が分岐しており、ライン１７から一部の蒸気が分流して低圧給水ヒータ５の熱源側に供給され、水と熱交換してドレイン水（低圧ヒータドレイン水）となる。この低圧ヒータドレイン水は、ライン１８を介して濾過器１９に送水され、濾過された後、返送ライン２０を介して低圧給水ヒータ５の水側に供給される。なお、この返送ライン２０は、低圧給水ヒータ５の流入側のライン４又は流出側のライン６に接続されてもよい。

上記濾過器１９に用いられているフィルタは、孔径（有効濾過孔径）が１〜５μｍ、好ましくは２〜４μｍ、更に好ましくは２〜３μｍである。フィルタの孔径が１μｍよりも小さいと通水圧損が大きくなり、５μｍよりも大きいと酸化鉄微粒子の捕捉が不十分となる。濾過器１９のＬＶは０．２〜１．２ｍ／Ｈｒ特に０．３〜１．０ｍ／Ｈｒ程度が好適である。

フィルタ素材は、特に限定されるものではない。しかしながら、低圧ヒータドレイン水は温度が８０〜１３０℃であるため、この温度で、最低でも一年間の使用に耐える素材であることが好ましい。具体的には、ポリフェニレンサルファイド繊維や、フッ素樹脂繊維から成る不織布が好適に用いられる。また、不織布フィルタ単独で用いる場合、濾滓の堆積や、濾過流体の流れによって、繊維層の偏りが発生し、所定の濾過効率が得られないことがある。そのため、フィルタとしては、不織布の両面を機械強度のあるスパンボンドシートで挟み、エンボス加工してこれらを一体化した三層構造のフィルタが好適である。

この実施の形態によると、低圧ヒータドレイン水から酸化鉄微粒子が十分に除去されるので、ボイラ管内面への酸化鉄微粒子の付着が防止（抑制を包含する。）される。また、低圧ヒータドレイン水の全量を濾過するので、水の回収率が高いと共に、濾過器１９に通水する構成も簡易で低コストである。

実験例１
有効濾過孔径が３、１、０．４５、０．２、０．１μｍである第１ないし第５のメンブレンフィルタを直列に配したユニットに、火力発電所のＣＷＴ処理したタービン設備の低圧ヒータドレインを、３μｍのメンブレンの方から通水線速度（ＬＶ）２．３ｃｍ／分にて４Ｈｒ通水し、各孔径のフィルタに捕捉された酸化鉄の量の分布を測定した。結果を表１に示す。

第１ないし第５メンブレンフィルタで捕捉された酸化鉄量の合計量を積算通水流量で除してＦｅ（鉄）量に換算すると、２５μｇ−Ｆｅ／Ｌであった。また、この第１〜第５メンブレンフィルタをすべて通過した濾過水中の全鉄濃度は１．４μｇ−Ｆｅ／Ｌであった。

実験例２
ポリフェニレンサルファイド製のメルトブロー法で紡糸した細繊維からなる不織布をスパンボンドシートで挟みエンボス加工したＳＭＳシートを３枚折り込んで製作された直径７０ｍｍ、濾過面有効長さ２５ｍｍのプリーツ型フィルタ（有効濾過孔径２μｍ）に、１２５℃（圧力０．２５ＭＰａ（Ｇ））のボイラドレインを５８０ｍＬ／分で通水した。この流入水の全鉄濃度は４８μｇ−Ｆｅ／Ｌであり、プリーツ型フィルタ出口の濾過水中の全鉄濃度は２．０μｇ−Ｆｅ／Ｌであった。

また、連続通水して得られた濾滓の粒径分布を超音波式粒度計で測定したところ、図２のように、５０重量％平均径は７〜８μｍで、また、粒径１μｍ以下の粒子および粒径５μｍ以下の粒子の累積含有率はそれぞれ５重量％、４０重量％程度であった。このことより、有効濾過孔径が１μｍ未満のフィルタを用いても粒子の補足率は向上せず、有効濾過孔径が５μｍより大きいフィルタを用いた場合には粒子の補足率が悪化することがわかる。

更に、この状態で、１２０日の通水を継続しても、その差圧は５ｋＰａ程度であり、２０μｇ−Ｆｅ／Ｌ程度の濃度のドレンを一年間通水しても、通水が阻害されるような差圧上昇を生じないことが明らかとなった。

１ 復水器
５ 低圧給水ヒータ
７ 脱気器
８ 高圧給水ヒータ
９ ボイラ
１０ 過熱器
１２ 高圧タービン
１４ 再熱器
１６ 低圧タービン
１９ 濾過器

Claims (6)

1. 熱源からの熱によって蒸気を発生させるボイラと、
   該ボイラの蒸気により作動する蒸気タービンと、
   該蒸気タービンからの蒸気を復水する復水器と、
   該復水器で凝縮された復水を給水として前記ボイラ側に送給する給水系統と、
   該給水系統に介装され、前記蒸気タービンから再熱器に送給する蒸気の一部を抽気として抜出し、これを用いて前記給水を加熱する給水ヒータと、
   該給水ヒータから排出されるヒータドレイン水を濾過して前記給水系統に送水して回収する濾過装置とを有するタービン設備において、
   前記ヒータドレイン水はＣＷＴ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）適用のタービン設備の低圧ヒータドレイン水であり、
   該濾過装置は孔径２〜４μｍのフィルタを有することを特徴とするタービン設備。
2. 請求項１において、前記濾過装置は前記ヒータドレイン水の全量を濾過して前記給水系統に送水することを特徴とするタービン設備。
3. 請求項１又は２において、前記濾過装置のフィルタは、エンボス加工品であって、スパンボンドシート／不織布／スパンボンドシートの三層一体化構造を有するフィルタであることを特徴とするタービン設備。
4. 熱源からの熱によってボイラの給水を蒸発・過熱し、
   発生する蒸気により蒸気タービンを作動させ、
   該蒸気タービンから排出される蒸気を復水器で凝縮して給水とし、
   前記ボイラ側に前記給水を送給し、
   前記蒸気タービンから再熱器に送給する蒸気の一部を抜出した抽気を用いて給水ヒータにおいて前記給水を加熱し、
   該給水ヒータにおいて前記抽気が冷却されて生成されるヒータドレイン水を濾過し、給水系統に回収するタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法において、
   前記ヒータドレイン水はＣＷＴ（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）適用のタービン設備の低圧ヒータドレイン水であり、
   該ヒータドレイン水を孔径２〜４μｍのフィルタで濾過することを特徴とするタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法。
5. 請求項４において、前記ヒータドレイン水の全量を前記フィルタで濾過して前記給水系統に回収することを特徴とするタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法。
6. 請求項４又は５において、前記フィルタは、不織布の両面をスパンボンドシートで挟んでエンボス加工により一体化した三層構造のフィルタであることを特徴とするタービン設備におけるヒータドレイン水の水処理方法。

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