JP6774148B2 - スケール除去方法及びスケール除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電プラントに適用されるスケール除去方法及びスケール除去装置に関する。

一般的に、大型火力発電プラントの給水系における水処理には、ＡＶＴ（Ｒ）（Ａｌｌ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ（Ｒｅｄｕｃｉｎｇ））やＯＴ（Ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）が適用される。ＡＶＴ（Ｒ）を適用する場合、給水にアンモニアを添加してｐＨを８．５〜９．７にし、脱酸素剤であるヒドラジンを１０μｇ／Ｌ以上添加して溶存酸素濃度を７μｇ／Ｌ以下に管理している。一方、ＯＴを適用する場合、給水にアンモニアを添加してｐＨを８．０〜９．３にし、微量の酸素を添加することで溶存酸素濃度を２０〜２００μｇ／Ｌに管理している。

ところで、発電プラントの給水系における水処理にＯＴを適用する場合、貫流ボイラの伝熱管（蒸発管）に破損、具体的に、破損部分がフィッシュマウス形状となる、異常過熱によるクリープ破損が生じる可能性がある。伝熱管の異常過熱は、破損部分に確認することができ指で触れると容易に剥離する、主に粒径が１μｍ以下である赤褐色のヘマタイト（αＦｅ２Ｏ３）スケール（パウダー状スケール）が原因と考えられる。例えば、火力発電プラントに備えられるボイラにおいて、給水中に微量の酸素を添加し溶存酸素濃度を２０〜２００μｇ／Ｌに管理すると、配管から微量に溶解した鉄が酸化されて粒径が１μｍ以下のパウダー状スケールが生成され、ボイラの伝熱管（配管）、タービン、給水加熱器等に付着する。通常の伝熱管では、配管の内周面に硬質の水蒸気酸化スケールが時間に対し１／２〜１／４乗則にしたがって成長するが、パウダー状スケールは配管の内周面に付着し堆積するため時間に比例して成長する。特に、過熱損傷の発生状況から、伝熱管における流体の流れ方向の下流側で流体の流速が数ｍ／ｓと比較的緩やかな部分でパウダー状スケールの付着及び堆積が著しく、伝熱管の内周面にパウダー状スケールが１００μｍ以上の厚みで堆積する場合もある。

一般的に、パウダー状スケールは、非常に軟質で空隙率が５０％以上（５０％〜９０％程度）と高い。発電プラントの運転中は、パウダー状スケールの空隙部（隙間）に熱伝導率の小さい超臨界水が入り込むため、空隙率が高いほど熱伝導率が低下する。これにより、伝熱管の過熱損傷が発生し得る。伝熱管が過熱損傷した場合、発電プラントを緊急停止させて補修する必要があり、補修費用や補修期間の売電損失が莫大なものとなる。

スケールを除去する方法として、給水中の溶存酸素量が２００ｐｐｂ以上となるように酸素供給部から給水の酸素を供給して、スケール内にボイド層を形成し、ボイド層より上部にある外層スケールの剥離を誘発するものがある（特許文献１等を参照）。

特開２００９−１９２２０３号公報

特許文献１では、自己酸化による硬質の外層酸化スケールを対象としているが、パウダー状スケールについては考慮されていない。一般的に、酸化スケールの空隙率は１０％未満であり、パウダー状スケールに比べて低い。また、酸化スケールは、主にＦｅ（Ｎｉ）（Ｃｒ）０４で構成されており、主にヘマタイトで構成されているパウダー状スケールとは組成が異なる。また、特許文献１では、過熱器を適用対象としているが、パウダー状スケールの付着が著しい、過熱器の上流側にあるボイラについては考慮されていない。更に、特許文献１では、適用対象をステンレス鋼製の配管に限定している。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、ボイラの配管に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去方法及びスケール除去装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、給水を蒸発させて蒸気を発生させる伝熱管と、前記伝熱管を加熱する加熱装置と、前記加熱装置に燃料を供給する燃料系統と、前記燃料系統に設けられ、前記加熱装置に供給される燃料の流量を制御する燃料制御弁とを備えるボイラと、前記ボイラで発生した蒸気により駆動されるタービンと、前記タービンを駆動した蒸気を復水し前記給水を生成する復水器と、前記復水器で生成された給水を前記ボイラに導く給水系統と、前記給水系統に設けられ、前記給水を加圧する給水ポンプとを備える発電プラントの前記伝熱管の内周面に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去方法において、前記給水の温度及び圧力に基づき前記燃料制御弁及び前記給水ポンプを制御し、前記発電プラントを定常起動の起動速度より早い速度で起動させて、前記給水を超臨界流体とすることを特徴とする。

本発明によれば、ボイラの配管に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去方法及びスケール除去装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの一構成例を表す概略図である。 パウダー状スケールが付着し堆積した実機の配管の断面を表す写真である。 給水の温度上昇率とパウダー状スケールの除去率との関係を例示する図である。 発電プラントを急速起動させた場合のパウダー状スケールの付着厚さを例示する図である。 パウダー状スケールの熱伝導率と空隙率との関係を例示する図である。 パウダー状スケールの付着厚さと配管の温度上昇との関係を例示する図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。 本実施形態に係るスケール除去方法の手順を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの一構成例を表す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。 本発明の第４実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。

＜第１実施形態＞
（構成）
１．蒸気タービン発電プラント
図１は、本実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの一構成例を表す概略図である。以下、本実施形態に係るスケール除去装置及びスケール除去方法を蒸気タービン発電プラントに適用した場合について説明する。

図１に示すように、蒸気タービン発電プラント（以下、発電プラント）１００は、ボイラ（蒸気発生源）１、高圧タービン２、中圧タービン３、低圧タービン４、復水器５、給水加熱器６，７，８、負荷機器９、給水ポンプ３０及びスケール除去装置１０１を備えている。

ボイラ１は、復水器５から供給された給水を加熱し、蒸気を発生させるものである。ボイラ１は、伝熱管１０、加熱装置（バーナ）３１、燃料系統３２及び燃料制御弁３３を備えている。伝熱管１０は、加熱装置３１で形成される火炎との熱交換により給水を蒸発させて、蒸気を発生させるものである。加熱装置３１は、伝熱管１０を加熱するものである。燃料系統３２は、加熱装置３１に接続しており、加熱装置３１に燃料を供給するものである。燃料制御弁３３は、燃料系統３２に設けられており、加熱装置３１に供給される燃料の流量を制御するものである。

ボイラ１で発生した蒸気は、主蒸気管１１を経由して過熱器１４に導かれる。過熱器１４は、ボイラ１で発生させた蒸気を加熱し高温の過熱蒸気を生成するものである。過熱器１４で生成された高温の過熱蒸気は、過熱蒸気管１５を経由して高圧タービン２に導かれ、高圧タービン２を駆動する。本実施形態では、過熱蒸気管１５に流量調節弁（第１の流量調節弁）２２が設けられている。流量調節弁２２は、高圧タービン２に供給される蒸気の流量を調節するものである。高圧タービン２を駆動して減圧した蒸気は、高圧タービン排気管１６を経由してボイラ１の再過熱器１７に導かれる。再過熱器１７は、高圧タービン２を駆動した蒸気を再度加熱して再熱蒸気を生成するものである。

再過熱器１７で生成された再熱蒸気は、再熱蒸気管１８を経由して中圧タービン３に導かれ、中圧タービン３を駆動する。本実施形態では、再熱蒸気管１８に流量調節弁（第２の流量調節弁）２５が設けられている。流量調節弁２５は、中圧タービン３に供給される蒸気の流量を調節するものである。中圧タービン３を駆動して減圧した蒸気は、中圧タービン排気管１９を介して低圧タービン４に導かれ、低圧タービン４を駆動する。本実施形態では、中圧タービン排気管１９に流量調節弁（第３の流量調節弁）２８が設けられている。流量調節弁２８は、低圧タービン４に供給される蒸気の流量を調節するものである。低圧タービン４を駆動して減圧した蒸気は、ディフューザー（不図示）を流れて復水器５に導かれる。復水器５は冷却水配管（不図示）を備えており、復水器５に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水（例えば、海水）とを熱交換させて蒸気を復水し給水を生成するものである。

復水器５で生成された給水は、配管２０を経由して給水ポンプ３０に導かれる。給水ポンプ３０は、復水器５で生成された給水を加圧し吐出するものである。給水ポンプ３０で加圧された給水は、配管３４を介して給水加熱器（第１の給水加熱器）６に導かれる。給水加熱器６は、給水ポンプ３０で加圧された給水を加熱するものである。本実施形態では、給水加熱器６は、配管２１を介して低圧タービン４に接続しており、低圧タービン４を駆動した蒸気の一部を利用して給水ポンプ３０で加圧された給水を加熱する。給水加熱器６で加熱された給水は、配管２３を介して給水加熱器（第２の給水加熱器）７に導かれる。給水加熱器７は、給水加熱器６で加熱された給水を加熱するものである。本実施形態では、給水加熱器７は、配管２４を介して中圧タービン３に接続しており、中圧タービン３を駆動した蒸気の一部を利用して給水加熱器６で加熱された給水を加熱する。給水加熱器７で加熱された給水は、配管２６を経由して給水加熱器（第３の給水加熱器）８に導かれる。給水加熱器８は、給水加熱器７で加熱された給水を加熱するものである。本実施形態では、給水加熱器８は、配管２７を経由して高圧タービン２に接続しており、高圧タービン２を駆動した蒸気の一部を利用して給水加熱器７で加熱された給水を加熱する。給水加熱器８で加熱された給水は、配管２９を経由してボイラ１の伝熱管１０に導かれる。なお、配管２０，３４，２３，２６，２９は、復水器５で生成された給水をボイラ１に導く給水系統５５を構成している。

高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４は、タービンロータ４６によって同軸上に連結されている。負荷機器（本実施形態では、発電機）９は、タービンロータ４６に連結されており、高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４の回転動力により発電機９が駆動され、高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４の回転動力が電力に変換される。なお、本実施形態では、連結された高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４が発電機９を駆動する構成を例示したが、高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４がそれぞれ発電機９を駆動し個別に電力に変換する構成としても良いし、高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４のうち任意の２つを連結したもので発電機９を駆動し電力に変換する構成としても良い。また、高圧タービン２、中圧タービン３及び低圧タービン４を備える構成を例示したが、中圧タービン３を省略し、高圧タービン２及び低圧タービン４を備える構成としても良い。

図１の点線で囲んだ領域Ａ（伝熱管１０における給水の流れ方向の下流側の部分）では、パウダー状スケールが付着し堆積し易い。パウダー状スケールは、主に給水加熱器から給水中に溶出した鉄が給水中の溶存酸素により酸化されて生成された、粒径が１μｍ以下のヘマタイト粒子が付着し堆積することで形成される。以下、パウダー状スケールについて説明する。

図２は、パウダー状スケールが付着し堆積した実機の配管の断面を表す写真である。図２の下側から上方向に向かって、管材（配管）、酸化スケール、パウダー状スケール、配管内の順に並んでいる。図２の例では、配管の内周面（具体的には、配管の内周面に生じた酸化スケール）から配管内に向かって、パウダー状スケールが１５０μｍ程度の厚さで堆積している。図２に示すように、パウダー状スケールは、黒色で示された空隙部を多数有している。一方、酸化スケールは、空隙部をほとんど有していない。一般的に、パウダー状スケールは、空隙率が５０％以上のヘマタイトが９０％以上の割合を占めて構成されており、パウダー状スケールをＸ線回折で分析するとヘマタイトしか検出されない。なお、本実施形態では、パウダー状スケールは、空隙率が５０％から９０％のヘマタイトを９０％以上含むものとする。なお、本明細書において「空隙率」とは、ヘマタイトの単位体積あたりの隙間の割合を百分率で表したものを言う。

図３は、給水の温度上昇率とパウダー状スケールの除去率との関係を例示する図である。縦軸は、スケール除去率を示している。図３には、給水の温度上昇率が１３０℃／ｈ（急速起動）、１００℃／ｈ（定常起動）及び５０℃／ｈ（低速起動）の場合を並べて示している。

一般的に、給水の温度上昇率が高いほどパウダー状スケールの除去率が高くなる。図３の例では、給水の温度上昇率が５０℃／ｈの場合に比べて１００℃／ｈの場合のほうがパウダー状スケールの除去率が高い。同様に、給水の温度上昇率が１００℃／ｈの場合に比べて１３０℃／ｈの場合のほうがパウダー状スケールの除去率が高くなり、給水の温度上昇率が１３０℃／ｈの場合におけるパウダー状スケールの除去率は９０％程度となる。したがって、実機でパウダー状スケールを効率的に除去するためには、給水の温度上昇率を高くした急速起動が有効である。なお、除去されたパウダー状スケールは、伝熱管を流れて下流側に運ばれるが、粒径が１μｍ未満と小さいため、低合金鋼やステンレス鋼表面に生成される硬質酸化スケールの剥離スケールで生じ得る、配管の内周面やタービンブレードの表面へのエロージョン損傷は発生し難い。タービンよりも下流側に運ばれたパウダー状スケールは、復水器の底部に沈殿するか或いは電磁フィルター、コンデミ等により除去される。

図４は、発電プラントを急速起動させた場合のパウダー状スケールの付着厚さを例示する図である。縦軸はパウダー状スケールの付着厚さ、横軸は発電プラントの運転時間を示している。図４の例では、パウダー状スケールの付着速度を実機における過去の実績値の最大値である８０μｍ／８０００ｈ、発電プラントを急速起動させた場合のパウダー状スケールの除去率を３７％とそれぞれ仮定している。なお、パウダー状スケールの付着速度及び除去率は、給水中の鉄濃度や給水の流量、流速等に影響を受け得るため、発電プラント毎に評価する必要がある。

図４に例示するように、発電プラントを連続運転した場合、パウダー状スケールの付着厚さは、発電プラントの運転時間に比例して直線的に増加し得る。そして、パウダー状スケールの付着厚さは、１００００時間程度で過熱損傷が生じ得る１００μｍ以上に達し得る。一方、発電プラントを定期的に（図４では、２０００時間毎に）急速起動させる場合、パウダー状スケールの付着厚さはノコギリ状（櫛歯状）に推移し、一定値以上に増加し難い。図４の例では、パウダー状スケールの付着厚さは、５０μｍ程度の厚さで推移している。このように、発電プラントを定期的に急速起動させることで、パウダー状スケールの付着厚さを抑制することができ、パウダー状スケールの成長を抑止することができる。

図５は、パウダー状スケールの熱伝導率と空隙率との関係を例示する図である。縦軸はスケール層の熱伝導率（見かけの熱伝導率）、横軸は空隙率を示している。図５において、点線はスケール層の熱伝導率の上限値、実線はスケール層の熱伝導率の下限値を示している。図５では、給水の温度を４００℃、圧力を２５ＭＰａとしている。なお、本明細書において「見かけの熱伝導率」とは、給水（超臨界水）が配管内を流通しない（配管内で停滞している）と仮定した場合のスケール層の熱伝導率を言う。

図５に例示するように、空隙率が０％（つまり、配管の内周面にパウダー状スケール単体が堆積している状態）の熱伝導率は、凡そ３．５〜４．５Ｗ／ｍＫの範囲となる。一方、空隙率が高くなると、パウダー状スケールの空隙部に超臨界水が入り始める。温度が４００℃、圧力が２５ＭＰａの場合における超臨界水の熱伝導率は０．１６６Ｗ／ｍＫと小さい。そのため、空隙率が高くなるにつれてパウダー状スケールの見かけの熱伝導率は減少する。一般的に、パウダー状スケールの空隙率は、６０％〜８０％程度であるため、この場合の見かけの熱伝導率は０．６５〜１．５Ｗ／ｍＫの範囲となる。

図６は、パウダー状スケールの付着厚さと配管の温度上昇との関係を例示する図である。縦軸は配管の温度上昇、横軸はパウダー状スケールの付着厚さを示している。図６では、熱負荷を３５０ｋＷ／ｍ２、硬質スケールの熱伝導率を４．０Ｗ／ｍＫ、厚みを０．１ｍｍ、硬質スケールの表層に付着し堆積するパウダー状スケールの熱伝導率を０．６５Ｗ／ｍＫとしている。

一般的に、伝熱管のスケールによる温度上昇の許容値ΔＴは式（１）で求まる。
ΔＴ＝Ｑ×（ｔｐｓ／λｐｓ＋ｔｈｓ／λｈｓ）・・・（１）
但し、Ｑ：熱負荷、ｔｐｓ：パウダー状スケール厚さ、λｐｓ：パウダー状スケール熱伝導率、ｔｈｓ／：硬質スケール厚さ、λｈｓ：硬質スケール熱伝導率である。なお、温度上昇の許容値とは、配管が使用される条件下（温度、圧力、材質、形状等）において、許容可能な強度から求められる値であり、温度上昇の許容値を超えると配管が損傷する可能性がある。

図６に示すように、温度上昇の許容値ΔＴを６０℃とすると、パウダー状スケールの付着厚さの許容値は９５μｍとなる。なお、実機における実際の温度上昇の許容値は、伝熱管の材質、硬質スケールの厚さ、評価部位の温度や圧力、ヘマタイトスケールの性状等により異なる。一方、実機では、パウダー状スケールの付着厚さが１００μｍ以上の場合には損傷する可能性があり、パウダー状スケールの付着厚さが５０μｍ未満の場合には損傷が生じ難い。また、図６に例示するように、一般的な数値を入力した試算結果では、パウダー状スケールの付着厚さの許容値は９５μｍである。これらのことから、パウダー状スケールの付着厚さの許容値は５０〜１００μｍの間に存在するものと考えられ、安全側で評価すると実績のある５０μｍとすることができる。

２．スケール除去装置
以下、本実施形態に係るスケール除去装置について説明する。

図１に示すように、スケール除去装置１０１は、温度計（温度検出器）１２、圧力計（圧力検出器）１３及び制御装置３５を備えている。

温度計１２は、伝熱管１０における給水の流れ方向の下流側の部分に設けられており、伝熱管１０内の給水の温度を計測するものである。

圧力計１３は、伝熱管１０における給水の流れ方向の下流側の部分に設けられており、伝熱管１０内の給水の圧力を計測するものである。

制御装置３５は、温度計１２の計測値（給水の温度）及び圧力計１３の計測値（給水の圧力）を入力し、燃料制御弁３３及び給水ポンプ３０を制御して、発電プラント１００を定常起動の起動速度よりも早い速度で起動させ、伝熱管１０内の給水を超臨界水とするものである。本実施形態では、制御装置３５は、パウダー状スケールの空隙部に給水を満たした状態から、燃料制御弁３３を駆動して伝熱管１０内の給水の温度を３５０℃未満に降下させ、給水ポンプ３０を駆動して伝熱管１０内の給水の圧力を２４．１ＭＰａ以上に上昇させた後、燃料制御弁３３を駆動して伝熱管１０内の給水の温度を１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させて、給水を超臨界流体とする。ここで、超臨界流体とは、気体と液体とが共存できる限界の温度・圧力（臨界点）を超えた状態の流体で、溶質を溶解する液体的挙動、拡散性に優れた気体的挙動の両方の特性を有している。

図７は、本実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。図７に示すように、制御装置３５は、運転時間計測部３６、時間判定部３７、入力部３８、動作モード設定部３９、第１温度判定部４０、第２温度判定部４１、圧力判定部４２、駆動量演算部４３、信号生成部４４及び信号出力部４５を備えている。

・運転時間計測部
運転時間計測部３６は、発電プラント１００の起動完了後の運転時間を計測するものである。

・時間判定部
時間判定部３７は、運転時間計測部３６で計測された発電プラント１００の運転時間を入力し、発電プラント１００の運転時間と設定時間（例えば、２０００時間）とを比較して、発電プラント１００の運転時間が設定時間以上であるか否か判定するものである。時間判定部３７は、発電プラント１００の運転時間が設定時間以上であると判定した場合、動作モード設定部３９に信号（動作信号）を出力する。

・入力部
入力部３８は、温度計１２の計測値に関する信号Ｓｔ及び圧力計１３の計測値に関する信号Ｓｐを入力するものである。

・動作モード設定部
動作モード設定部３９は、制御装置３５の動作モードを設定するものである。本実施形態では、制御装置３５の動作モードには、「給水の温度を降下させる動作モード」、「給水の圧力を上昇させる動作モード」及び「給水の温度を１３０℃／ｈ以上で上昇させる動作モード」が含まれる。以下、「給水の温度を降下させる動作モード」を第１の動作モード、「給水の圧力を上昇させる動作モード」を第２の動作モード、「給水の温度を１３０℃／ｈ以上で上昇させる動作モード」を第３の動作モードと適宜称する。

・第１温度判定部
第１温度判定部４０は、温度計１２の計測値が設定温度（例えば、３５０℃）未満であるか否かを判定するものである。

・第２温度判定部
第２温度判定部４１は、温度計１２の計測値が設定温度範囲（例えば、３５０℃以上４００℃以下）の間にあるか否かを判定するものである。

・圧力判定部
圧力判定部４２は、圧力計１３の計測値が設定圧力（例えば、２４．１ＭＰａ）以上であるか否かを判定するものである。

・駆動量演算部
駆動量演算部４３は、温度計１２の計測値及び圧力計１３の計測値を入力し、入力した温度計１２の計測値及び圧力計１３の計測値に基づいて、燃料制御弁３３及び給水ポンプ３０の駆動量を演算するものである。

・信号生成部
信号生成部４４は、駆動量演算部４３で演算された燃料制御弁３３及び給水ポンプ３０の駆動量を入力し、入力した駆動量に基づいて、燃料制御弁３３及び給水ポンプ３０を駆動する駆動信号Ｓ１，Ｓ２を生成するものである。

・信号出力部
信号出力部４５は、信号生成部４４で生成された駆動信号Ｓ１，Ｓ２を入力し、入力した駆動信号Ｓ１，Ｓ２を燃料制御弁３３及び給水ポンプ３０に出力するものである。

（動作）
図８は、本実施形態に係るスケール除去方法の手順を示したフローチャートである。以下、本実施形態に係るスケール除去方法の手順について説明する。

運転時間計測部３６は、発電プラント１００の運転時間Ｔａを計測する（ステップＳ１）。

次に、時間判定部３７は、運転時間計測部３６で計測された発電プラント１００の運転時間Ｔａを入力し、発電プラント１００の運転時間Ｔａが設定時間Ｔ１以上であるか否か判定する（ステップＳ２）。発電プラント１００の運転時間Ｔａが設定時間Ｔ１以上の場合（Ｙｅｓ）、時間判定部３７は、動作モード設定部３９に動作信号を出力する（ステップＳ３）。反対に、発電プラント１００の運転時間Ｔａが設定時間Ｔ１未満の場合（Ｎｏ）、時間判定部３７はステップＳ１に手順を戻す。

ステップＳ３において、動作モード設定部３９は、時間判定部３７から出力された動作信号を入力すると、制御装置３５の動作モードを第１の動作モードに設定する（ステップＳ４）。制御装置３５の動作モードが第１の動作モードに設定されると、入力部３８は、温度計１２の計測値に関する信号Ｓｔを入力する（ステップＳ５）。

次に、第１温度判定部４０は、温度計１２の計測値に関する信号Ｓｔを入力し、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２未満であるか否か判定する（ステップＳ６）。温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２未満の場合（Ｙｅｓ）、第１温度判定部４０は、動作モード設定部３９に第１の動作モード完了信号を出力する。反対に、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２以上の場合（Ｎｏ）、第１温度判定部４０はステップＳ７に手順を移す。

ステップＳ６において、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２以上の場合、駆動量演算部４３は、温度計１２の計測値Ｔｂに基づいて、燃料制御弁３３の駆動量（開度）を演算する（ステップＳ７）。本実施形態では、駆動量演算部４３は、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２未満となるように燃料制御弁３３の駆動量を演算する。続いて、信号生成部４４は、駆動量演算部４３で演算された燃料制御弁３３の駆動量に基づいて、燃料制御弁３３を駆動する駆動信号Ｓ１を生成する（ステップＳ８）。続いて、信号出力部４５は、信号生成部４４で生成された駆動信号Ｓ１を燃料制御弁３３に出力する（ステップＳ９）。そして、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２未満になるまで、ステップＳ５〜Ｓ９を繰り返す。

ステップＳ６において、温度計１２の計測値Ｔｂが設定温度Ｔ２未満であり、第１温度判定部４０から動作モード設定部３９に第１の動作モード完了信号が出力されると、動作モード設定部３９は、制御装置３５の動作モードを第２の動作モードに設定する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０において、制御装置３５の動作モードが第２の動作モードに設定されると、入力部３８は、圧力計１３からの計測値に関する信号Ｓｐを入力する（ステップＳ１１）。

次に、圧力判定部４２は、圧力計１３の計測値に関する信号Ｓｐを入力し、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１以上の場合（Ｙｅｓ）、圧力判定部４２は、動作モード設定部３９に第２の動作モード完了信号を出力する。反対に、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１未満の場合（Ｎｏ）、圧力判定部４２はステップＳ１３に手順を移す。

ステップＳ１２において、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１未満の場合、駆動量演算部４３は、圧力計１３の計測値Ｐａに基づいて、給水ポンプ３０の駆動量を演算する（ステップＳ１３）。本実施形態では、駆動量演算部４３は、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１以上となるよう給水ポンプ３０の駆動量を演算する。続いて、信号生成部４４は、駆動量演算部４３で演算された給水ポンプ３０の駆動量に基づいて、給水ポンプ３０を駆動する駆動信号Ｓ２を生成する（ステップＳ１４）。続いて、信号出力部４５は、信号生成部４４で生成された駆動信号Ｓ２を給水ポンプ３０に出力する（ステップＳ１５）。そして、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ２以上になるまで、ステップＳ１１〜Ｓ１５を繰り返す。

ステップＳ１２において、圧力計１３の計測値Ｐａが設定圧力Ｐ１以上であり、圧力判定部４２から動作モード設定部３９に第２の動作モード完了信号が出力されると、動作モード設定部３９は、制御装置３５の動作モードを第３の動作モードに設定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６において、制御装置３５の動作モードが第３の動作モードに設定されると、駆動量演算部４３は、燃料制御弁３３の駆動量を設定値に演算する。（ステップＳ１７）。なお、本明細書において「燃料制御弁３３の駆動量の設定値」とは、給水の温度を１３０℃／ｈ以上で上昇させる燃料制御弁３３の駆動量を言う。続いて、信号生成部４４は、駆動量演算部４３で演算された燃料制御弁３３の駆動量に基づいて、燃料制御弁３３を駆動する駆動信号Ｓ３を生成する（ステップＳ１８）。続いて、信号出力部４５は、信号生成部４４で生成された駆動信号Ｓ３を燃料制御弁３３に出力する（ステップＳ１９）。

ステップＳ１９において、燃料制御弁３３に駆動信号Ｓ３が出力されると、入力部３８は、温度計１２からの計測値に関する信号Ｓｔを入力する（ステップＳ２０）。

次に、第２温度判定部４１は、温度計１２の計測値に関する信号Ｓｔを入力し、温度計１２の計測値Ｔｃが設定範囲（Ｔ３≦Ｔｃ≦Ｔ４）の間に位置するか否かを判定する（ステップＳ２１）。温度計１２の計測値Ｔｃが設定範囲の間に位置する場合（Ｙｅｓ）、第２温度判定部４１は、動作モード設定部３９に第３の動作モード完了信号を出力し制御装置３５は動作を終了する。反対に、温度計１２の計測値Ｔｃが設定範囲の間に位置しない場合（Ｎｏ）、計測値Ｔが設定範囲の間に位置するまで、ステップＳ１９〜Ｓ２１を繰り返す。

（効果）
（１）本実施形態では、パウダー状スケールの空隙部に給水を満たした状態から、燃料制御弁３３を駆動し給水の温度を３５０℃未満に低下させ、給水ポンプ３０を駆動し給水の圧力を２４．１ＭＰａ以上に上昇させた後、燃料制御弁３３を駆動し給水の温度を１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させて、発電プラントを定常起動の起動速度よりも早い起動速度で起動させることにより、パウダー状スケールの空隙部に存在する給水を超臨界流体とし急激に膨張させる。そのため、伝熱管の内周面に付着し堆積したパウダー状スケールを剥離させて除去することができる。これにより、伝熱管の過熱損傷を抑止し、発電プラントの補修による緊急停止を回避することができるので、補修費用の負担や補修期間の売電損失を抑制することができる。

パウダー状スケールを除去する一方策として化学洗浄もあり得る。しかし、化学洗浄の費用は１回当たり１億円程度と高額であり発電コストを押し上げる要因となり得る。また、化学洗浄を実施する場合、発電プラントを停止させる必要があるため、発電プラントの停止期間の売電損失を考慮するとその費用は更に多額となる。加えて、化学洗浄では排水処理による環境への負荷も懸念される。

これに対して、本実施形態では、パウダー状スケールの空隙部に存在する給水を超臨界流体とし急激に膨張させて、パウダー状スケールを剥離させて除去しているので、化学洗浄に比べて費用を抑制することができ、その分、発電コストの増加を抑制することができる。また、排水処理を行う必要がないため、化学洗浄に比べて環境への負荷を大幅に低減させることができる。更に、本実施形態では、パウダー状スケールの空隙部に給水を満たした状態から、燃料制御弁３３を駆動し給水の温度を３５０℃未満に低下させ、給水ポンプ３０を駆動し給水の圧力を２４．１ＭＰａ以上に上昇させた後、燃料制御弁３３を駆動し給水の温度を１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させれば良いので、必ずしも発電プラント１００を停止させる必要はない。そのため、発電プラント１００の停止期間の売電損失を抑制することができる。

（２）発電プラント１００の連続運転により、パウダー状スケールは一定の速度で配管の内周面に再び付着し堆積し得る。そのため、パウダー状スケールの厚さが設定値（例えば、５０μｍ）以上にならないように、定期的に発電プラント１００を急速起動させることが望ましい。

これに対し、本実施形態では、発電プラント１００の運転時間を計測し、発電プラント１００の運転時間が設定時間以上の場合に急速起動させてパウダー状スケールを除去している。そのため、パウダー状スケールが伝熱管の内周面に厚く堆積することを回避することができ、伝熱管の過熱損傷の発生を未然に防ぐことができる。これにより、ボイラの熱効率の低下を抑制することができるとともに、伝熱管の温度上昇を抑制し伝熱管の短命化を抑止することができる。また、伝熱管の温度上昇を抑制することにより、硬質の酸化スケールの発生を抑制することができるので、その分、酸化スケールを除去するための化学洗浄の頻度を減らすことができる。

＜第２実施形態＞
図９は、本実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。図９において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態に係る発電プラントは、制御装置２３５が運転時間計測部３６及び時間判定部３７の代わりに記憶部４７及び起動判断部４８を備える点で第１実施形態に係る発電プラントと異なる。その他は、第１実施形態に係る発電プラントと同様である。

記憶部４７は、発電プラント１００の運転パターンを記憶するものである。本実施形態では、発電プラント１００の運転パターンは、発電プラント１００の起動開始時期、起動完了時期、停止開始時期、停止完了時期等を含んでいる。

起動判断部４８は、記憶部４７から発電プラント１００の運転パターンを読み込んで、読み込んだ運転パターンに基づいて、発電プラント１００の起動開始時期に到達したか否か判断するものである。起動判断部４８は、発電プラント１００の起動開始時期に到達したと判断した場合、動作モード設定部３９に動作信号を出力する。

本実施形態でも、発電プラントを急速起動させて、パウダー状スケールの空隙部に存在する給水を超臨界流体とし急激に膨張させることができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
図１０は本実施形態に係る蒸気タービン発電プラントの一構成例を表す概略図、図１１は本実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。図１０，１１において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態に係る発電プラント３００は、図１０に示すように、伝熱管１０に配管温度計４９が更に設けられている点で第１実施形態に係る発電プラント１００と異なる。また、本実施形態に係る発電プラント３００は、図１１に示すように、制御装置３３５が運転時間計測部３６及び時間判定部３７の代わりに配管温度入力部５０及び温度比較部５１を備える点で第１実施形態に係る発電プラント１００と異なる。その他は、第１実施形態に係る発電プラント１００と同様である。

配管温度計４９は、伝熱管１０における給水の流れ方向の下流側の部分に設けられており、伝熱管１０の温度を計測するものである。

配管温度入力部５０は、配管温度計４９の計測値（配管の温度）に関する信号Ｓｑを入力するものである。

温度比較部５１は、配管温度入力部５０が入力した配管温度計４９の計測値を入力し、配管温度計４９の計測値と閾値（設定値）とを比較して、配管温度計４９の計測値が閾値以上であるか否か判断するものである。また、温度比較部５１は、配管温度計４９の計測値が閾値以上であると判断した場合、動作モード設定部３９に動作信号を出力する。

本実施形態でも、発電プラントを急速起動させて、パウダー状スケールの空隙部に存在する給水を超臨界流体とし急激に膨張させることができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第４実施形態＞
図１２は、本実施形態に係る制御装置の構成要素の一部を示す概略図である。図１２において、第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態に係る発電プラントは、制御装置４３５が運転時間計測部３６及び時間判定部３７の代わりに速度演算部５２、除去率演算部５３及び起動開始時期設定部５４を備える点で第１実施形態に係る発電プラントと異なる。その他は、第１実施形態に係る発電プラントと同様である。

速度演算部５２は、伝熱管１０の内周面に対するパウダー状スケールの付着速度を演算するものである。伝熱管１０の内周面に対するパウダー状スケールの付着速度は、例えば、発電プラント１００の運転前後の配管の重量差を測定し、測定した配管の重量差を発電プラント１００の運用期間及び配管の内周面の表面積で除して演算する。

除去率演算部５３は、発電プラント１００の急速起動によるパウダー状スケールの除去率を演算するものである。パウダー状スケールの除去率は、例えば、発電プラント１００の急速起動前後の配管の重量を測定し、発電プラント１００の急速駆動後の配管の重量を急速起動前の配管の重量で除して百分率値として演算する。

起動開始時期設定部５４は、速度演算部５２で演算されたパウダー状スケールの付着速度と除去率演算部５３で演算されたパウダー状スケールの除去率とを入力し、入力したパウダー状スケールの付着速度と除去率とに基づいて、発電プラント１００の起動開始時期を設定するものである。起動開始時期設定部５４は、例えば、パウダー状スケールの付着速度と除去率とに基づいて、パウダー状スケールの付着厚さが５０μｍ程度で推移するように、発電プラント１００の起動開始時期を設定する。また、起動開始時期設定部５４は、設定した起動開始時期に到達したと判断した場合、動作モード設定部３９に動作信号を出力する。

本実施形態でも、発電プラントを急速起動させて、パウダー状スケールの空隙部に存在する給水を超臨界流体とし急激に膨張させることができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜その他＞
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することも可能である。また、各実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

上述した各実施形態では、燃料制御弁３３を駆動して伝熱管１０内の給水の温度を３５０℃未満に降下させるステップを含む構成を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の本質的効果は、ボイラの配管に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去装置及びスケール除去方法を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。発電プラント１００の急速起動は、給水が常温で発電プラント１００が完全に停止している状態と発電プラント１００が完全に停止していないまでも給水の温度が３５０℃よりも低い状態とから、１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させることができれば達成することができる。そのため、例えば、夜間等の比較的に電力の供給に余裕のある時期にボイラ１の燃焼を調整して実施することも可能である。

上述した各実施形態では、動作モード設定部３９が制御装置の動作モードを設定する構成を例に挙げて説明した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。例えば、オペレータが、温度計１２及び圧力計１３の計測値等を見ながら、制御装置の動作モードを入力するようにしても良い。

また、上述した各実施形態では、本発明を伝熱管１０における流体の流れ方向の下流側で流体の流速が比較的緩やかな部分に適用した場合を例に挙げて説明したが、パウダー状スケールが付着し堆積し得る部分であれば適用部分は限定されない。

１ ボイラ
２，３，４ タービン
５ 復水器
１０ 伝熱管
１２ 温度計
１３ 圧力計
３０ 給水ポンプ
３１ 加熱装置
３２ 燃料系統
３３ 燃料制御弁
３５ 制御装置
５５ 給水系統
１００ 発電プラント
１０１ スケール除去装置

Claims (14)

1. 給水を蒸発させて蒸気を発生させる伝熱管と、前記伝熱管を加熱する加熱装置と、前記加熱装置に燃料を供給する燃料系統と、前記燃料系統に設けられ、前記加熱装置に供給される燃料の流量を制御する燃料制御弁とを備えるボイラと、
   前記ボイラで発生した蒸気により駆動されるタービンと、
   前記タービンを駆動した蒸気を復水し前記給水を生成する復水器と、
   前記復水器で生成された給水を前記ボイラに導く給水系統と、
   前記給水系統に設けられ、前記給水を加圧する給水ポンプとを備える発電プラントの前記伝熱管の内周面に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去方法において、
   前記ヘマタイトスケールの空隙部に給水を満たした状態から、前記給水の温度及び圧力に基づき前記燃料制御弁及び前記給水ポンプを制御し、前記発電プラントを定常起動の起動速度より早い速度で起動させて、前記給水を超臨界流体とすることを特徴とするスケール除去方法。
2. 請求項１に記載のスケール除去方法において、前記給水ポンプを駆動して前記給水の圧力を２４．１ＭＰａ以上に上昇させた後、前記燃料制御弁を駆動して前記給水の温度を１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させることを特徴とするスケール除去方法。
3. 請求項２に記載のスケール除去方法において、
   前記給水の温度及び圧力を入力するステップと、
   前記給水の温度及び圧力に基づいて、前記燃料制御弁及び前記給水ポンプの駆動量を演算するステップと、
   前記燃料制御弁及び前記給水ポンプの駆動量に基づいて、前記燃料制御弁及び前記給水ポンプを駆動する駆動信号を生成するステップと、
   前記駆動信号を前記燃料制御弁及び前記給水ポンプに出力するステップとを備えることを特徴とするスケール除去方法。
4. 請求項３に記載のスケール除去方法において、
   前記発電プラントの起動完了後の運転時間を計測するステップと、
   前記運転時間と設定時間とを比較するステップとを備え、
   前記運転時間が前記設定時間以上の場合に、前記給水の温度及び圧力を入力することを特徴とするスケール除去方法。
5. 請求項３に記載のスケール除去方法において、
   前記発電プラントの起動開始時期を含む前記発電プラントの運転パターンに基づいて、前記発電プラントの起動開始時期を判断するステップを備え、
   前記発電プラントの起動開始時期に到達した場合に、前記給水の温度及び圧力を入力することを特徴とするスケール除去方法。
6. 請求項３に記載のスケール除去方法において、
   前記伝熱管の温度を計測するステップと、
   前記伝熱管の温度を入力するステップと、
   前記伝熱管の温度と閾値とを比較するステップとを備え、
   前記伝熱管の温度が前記閾値以上の場合に、前記給水の温度及び圧力を入力することを特徴とするスケール除去方法。
7. 請求項３に記載のスケール除去方法において、
   前記ヘマタイトスケールの付着速度を演算するステップと、
   前記発電プラントの起動による前記ヘマタイトスケールの除去率を演算するステップと、
   前記ヘマタイトスケールの付着速度と除去率とに基づいて、前記発電プラントの起動開始時期を設定するステップとを備え、
   前記発電プラントの起動開始時期に到達した場合に、前記給水の温度及び圧力を入力することを特徴とするスケール除去方法。
8. 給水を蒸発させて蒸気を発生させる伝熱管と、前記伝熱管を加熱する加熱装置と、前記加熱装置に燃料を供給する燃料系統と、前記燃料系統に設けられ、前記加熱装置に供給される燃料の流量を制御する燃料制御弁とを備えるボイラと、
   前記ボイラで発生した蒸気により駆動されるタービンと、
   前記タービンを駆動した蒸気を復水し前記給水を生成する復水器と、
   前記復水器で生成された給水を前記ボイラに導く給水系統と、
   前記給水系統に設けられ、前記給水を加圧する給水ポンプとを備える発電プラントの前記伝熱管の内周面に付着したヘマタイトスケールを除去するスケール除去装置において、
   前記伝熱管に設けられ、前記給水の温度を計測する温度計と、
   前記伝熱管に設けられ、前記給水の圧力を計測する圧力計と、
   前記ヘマタイトスケールの空隙部に給水を満たした状態から、前記給水の温度及び圧力に基づき前記燃料制御弁及び前記給水ポンプを制御し、前記発電プラントを定常起動の起動速度より早い速度で起動させて、前記給水を超臨界水とする制御装置とを備えることを特徴とするスケール除去装置。
9. 請求項８に記載のスケール除去装置において、
   前記制御装置は、前記給水ポンプを駆動して前記給水の圧力を２４．１ＭＰａ以上に上昇させた後、前記燃料制御弁を駆動して前記給水の温度を１３０℃／ｈ以上で３５０℃から４００℃の間まで上昇させることを特徴とするスケール除去装置。
10. 請求項９に記載のスケール除去装置において、
    前記制御装置は、
    前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値を入力する入力部と、
    前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値に基づいて、前記燃料制御弁及び前記給水ポンプの駆動量を演算する駆動量演算部と、
    前記駆動量演算部で演算された前記燃料制御弁及び前記給水ポンプの駆動量に基づいて、前記燃料制御弁及び前記給水ポンプを駆動する駆動信号を生成する信号生成部と、
    前記信号生成部で生成された駆動信号を前記燃料制御弁及び前記給水ポンプに出力する信号出力部とを備えることを特徴とするスケール除去装置。
11. 請求項１０に記載のスケール除去装置において、
    前記制御装置は、
    前記発電プラントの起動完了後の運転時間を計測する運転時間計測部と、
    前記運転時間と設定時間とを比較する時間判定部とを備え、
    前記入力部は、前記時間判定部において前記運転時間が設定時間以上であると判定した場合に、前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値を入力することを特徴とするスケール除去装置。
12. 請求項１０に記載のスケール除去装置において、
    前記制御装置は、
    前記発電プラントの起動開始時期を含む前記発電プラントの運転パターンを記憶する記憶部と、
    前記運転パターンに基づいて、前記発電プラントの起動開始時期を判断する起動判断部とを備え、
    前記入力部は、前記起動判断部が前記発電プラントの起動開始時期であると判断した場合に、前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値を入力することを特徴とするスケール除去装置。
13. 請求項１０に記載のスケール除去装置において、
    前記伝熱管に設けられ、前記伝熱管の温度を計測する配管温度計を備え、
    前記制御装置は、
    前記配管温度計の計測値を入力する配管温度入力部と、
    前記配管温度計の計測値と閾値とを比較する温度比較部とを備え、
    前記入力部は、前記温度比較部が前記配管温度計の計測値が閾値以上であると判断した場合に、前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値を入力することを特徴とするスケール除去装置。
14. 請求項１０に記載のスケール除去装置において、
    前記制御装置は、
    前記ヘマタイトスケールの付着速度を演算する速度演算部と、
    前記発電プラントの起動による前記ヘマタイトスケールの除去率を演算する除去率演算部と、
    前記ヘマタイトスケールの付着速度と除去率とに基づいて、前記発電プラントの起動開始時期を設定する起動開始時期設定部とを備え、
    前記入力部は、前記起動開始時期設定部で設定された起動開始時期に到達した場合に、前記温度計の計測値及び前記圧力計の計測値を入力することを特徴とするスケール除去装置。