JPH10213298A

JPH10213298A - 酸素注入設備

Info

Publication number: JPH10213298A
Application number: JP9016151A
Authority: JP
Inventors: Masamiki Ota; 正幹太田; Yuki Hirose; 由紀廣瀬
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】酸素ガスボンベ等酸素供給源の貯蔵用建造物の
削除、省スペース化、酸素注入配管の短縮化を図り、酸
素供給源の購入や交換作業を省略する。【解決手段】コンプレッサ９，除じん装置10および除湿
装置11が直列接続され、除湿装置11の下流側に自動弁1
3，吸着槽12，自動弁13，タンク18，流量計15，流量調
整弁３，遮断弁17および給水系配管５が酸素注入導管５
を介して直列接続されている。流量計15と流量調整弁３
はコントローラ16に接続している。これにより酸素供給
源の貯蔵場所の削減およびそれらの購入や交換作業が不
要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば沸騰水型原
子力発電所または火力発電所の給水系配管に酸素を注入
するための酸素注入設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子力発電所では、連続的に酸
素ガスを微量注入（連続注入）することにより、給水系
配管や熱交換器等の機器の腐食生成物発生を抑制してい
る。これは、流速のある炭素鋼配管では、純水中の微量
の酸素（20〜200ppb程度）を存在させて管内面に酸化皮
膜を形成することにより鋼材の腐食を抑制するためであ
る。

【０００３】火力発電所においても、従来の揮発性物質
処理（ＡＶＴ）に対し、酸素処理法（複合中性水処理：
ＣＷＴ、中性水処理：ＮＷＴ）が行われる火力発電プラ
ントが建設されてきている。これは、前記同様の腐食抑
制効果から、ボイラの差圧上昇の抑制の対策として有効
とされるためである。

【０００４】また、最近、原子炉内構造材が応力腐食割
れ進展を抑制するため、運転年数の長い一部の原子力発
電所では、原子炉への水素注入運転が行われ始めてい
る。この運転は、水素を給水系に注入（〜１ppm 程度の
連続注入）し、酸素を気体廃棄物処理系へ注入（連続注
入）する。

【０００５】酸素注入は、水素（２容）に対して酸素
（１容）を注入することで、原子炉で作用した後に気体
廃棄物処理系に流入する水素を再結合器で水に結合させ
て処理する目的がある。

【０００６】このように、原子力発電所や火力発電所で
酸素を連続注入するケースは多く、合理的な設備が望ま
れている。図５により、従来の原子力発電所の酸素注入
設備を説明する。

【０００７】酸素ガスボンベ群１から供給される酸素ガ
スは、減圧弁２により圧力調整され、流量調整弁３によ
り所定流量に制御され、酸素注入導管４に導かれ給水系
配管５に注入される。酸素ガスボンベ群１は、発電所の
外部から輸送車で運搬され、使用状況により適宜交換さ
れる。

【０００８】通常、酸素ガスボンベ群１は高純度の高圧
ボンベ20本程度からなり、交換作業の簡便さから、注入
点のあるタービン建屋７とは別建屋（放射線非管理区
域）のガス貯蔵所６に配置される。このため、酸素注入
導管４は、ガス貯蔵所６から屋外配管トレンチ８を経由
し、タービン建屋７内に導かれる。なお、酸素ボンベ群
１のボンベの代わりに液体酸素を充填した容器を蒸発さ
せる方式で酸素を発生させる場合もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来例で
は、酸素ガスボンベ群１のガス貯蔵所が必要であるこ
と、ガス貯蔵所からタービン建屋までの注入導管の布設
が必要であること、定期的なガスの購入とボンベの交換
が必要となることが、設備コストが上昇するなどの課題
となっている。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、酸素ガスボンベ等酸素供給源の貯蔵用建造物
の削除、省スペース化、酸素注入配管の短縮化を図り、
酸素供給源の購入や交換作業の省略に寄与することがで
きる酸素注入設備を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、コン
プレッサ、除じん装置および除湿装置が直列接続され、
前記除湿装置の下流側に接続した酸素注入配管を介して
自動弁、吸着槽、自動弁、タンク、流量計、流量調整
弁、遮断弁および給水系配管が順次直列接続され、前記
流量計と前記流量調整弁との間にコントローラが接続さ
れてなることを特徴とする。

【００１２】請求項１の発明によれば、原料とする空気
の除じん、除湿をする装置と、その中の窒素分を除去す
る吸着・分離することで高酸素濃度ガスを得る装置と、
生成ガスを蓄圧するタンクと、給水系配管への注入導管
と、給水系と遮断するための止め弁と、流量制御装置を
有することにより、酸素供給源（ガスボンベ等）の貯蔵
場所の削減およびそれらの購入や交換作業が不要とな
る。

【００１３】近年、ＰＳＡ法（圧力スイング吸着法）に
よって空気の窒素吸着分離から酸素を得る方法が、精
度、コストパフォーマンスともに向上する技術が開発さ
れている。本発明はこの技術を酸素注入設備に適用して
装置化したもので、ＰＳＡ法は吸着剤（合成ゼオライ
ト）により、一定量（破過点まで）の窒素を吸着し、減
圧・吸引により吸着した窒素を脱着して再生するという
加圧減圧操作を繰り返す方法である。基本的な酸素製造
ＰＳＡ装置においては、原料となる空気は、コンプレッ
サにより送気され、除じん装置および除湿装置を経て吸
着槽に導かれる。

【００１４】なお、製造ガスを高純度とするためには空
気中のアルゴンの分離を行う必要があり、吸着剤にカー
ボンモレキュラーシーブスとゼオライトを併用する方法
を採る。すなわち、カーボンモレキュラーシーブスに
て、酸素を吸着して大部分の窒素とアルゴンを分離し、
この吸着した酸素をゼオライトで窒素吸着分離すること
で、99％以上の高純度酸素が得られる。

【００１５】このような空気中の窒素吸着は、ゼオライ
トは結晶構造が極性の大きい分子を吸着する性質があ
り、酸素、アルゴンに比べ、窒素の極性が大きいことを
利用している。

【００１６】また、空気中の酸素吸着は、カーボンモレ
キュラーシーブスが数アームストロングの微細孔からな
り、分子径の小さい酸素の吸着速度が早いこと（吸着速
度差）を利用している。

【００１７】このようにして生成された酸素は、タンク
18に蓄圧し、酸素注入導管４から移送し、また、その注
入流量を制御することが可能であり、発電所の給水系へ
連続的な酸素注入運転を行うことができる。このよう
な、空気を原料とする酸素注入設備は、配置的な制約を
受け難くタービン建屋内の注入点近傍にも設置できる。
また、自動制御による酸素ガスの連続生成が可能なの
で、運転の無人化が実現可能となる。

【００１８】請求項２の発明は、前記除湿装置と前記タ
ンクとの間に直接接続された自動弁、吸着槽および逆止
弁が、少なくとも３系統並列接続されてなることを特徴
とする。

【００１９】請求項２の発明によれば、請求項１におい
て、吸着・分離系を複数系列として交互に運転すること
で連続的なガス生成を行うこととし、さらに連続注入に
適している。

【００２０】請求項３の発明は、前記吸着槽の上流側に
自動弁を介してコンプレッサを設け、このコンプレッサ
の上流側にエアタンク、除じん装置および計装用圧縮空
気配管を順次直列接続し、かつ前記除湿装置を削除して
なることを特徴とする。

【００２１】請求項３の発明によれば、請求項１におい
て、原料を発電所内の計装用圧縮空気系配管より得るこ
とで、前処理である除じんと除湿装置が不要となり、直
接、吸着・分離系に導くことができる。

【００２２】請求項４の発明は、前記計装用圧縮空気配
管、除じん装置、エアタンク、コンプレッサ、自動弁お
よび吸着槽が直列接続された系統を少なくとも２系統並
列接続してなることを特徴とする。

【００２３】請求項４の発明によれば、請求項２におい
て、原料を発電所内の計装用圧縮空気系配管より得るこ
とで、前処理である除湿手段なしで、直接、吸着・分離
系に導くことができる。

【００２４】請求項５の発明は、前記コンプレッサの上
流側にエアタンク、除じん装置および計装用圧縮空気配
管を設け、前記コンプレッサの下流側に自動弁を介して
酸素を選択吸着する吸着槽と窒素吸着槽を直列接続し、
この窒素吸着槽の下流側を前記貯留タンクに自動弁を介
して接続してなることを特徴とする。

【００２５】請求項５の発明によれば、請求項１〜請求
項４において、吸着・分離系をより高純度酸素を得るよ
うにできるとともに、給水系配管への不純物混入を最小
とすることができる。

【００２６】請求項６の発明は、前記給水系配管は沸騰
水型原子力発電所の気体廃棄物処理系の上流配管からな
ることを特徴とする。

【００２７】請求項６の発明によれば、沸騰水型原子力
発電所の水素注入運転プラントにおける酸素注入設備で
あり、請求項１〜請求項５の構成において、注入先を気
体廃棄物処理系上流配管とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１により本発明に係る酸素注入
設備の第１の実施の形態を説明する。図１において、コ
ンプレッサ９、除じん装置10および除湿装置11が配管に
より直列接続されている。除湿装置11の下流側には自動
弁13，吸着槽12，自動弁13，タンク18，流量計15，流量
調整弁３，遮断弁17および給水系配管５が順次直列接続
されている。

【００２９】流量計15と流量調整弁３はコントローラ16
に電気的に接続している。コンプレッサ９は原料である
空気を導入し、除じん装置10、除湿装置11並びに下流の
吸着・分離系へ送出する。

【００３０】装置は注入点の近傍に配置され、注入先の
給水系配管５のあるタービン建屋に設置される。よっ
て、空気は建屋内の換気空調されたガスを導入する。こ
れは、注入備に特別なガス処理設備を設けなくてもよい
ことからも好都合である。

【００３１】吸着・分離系は吸着槽12と自動弁13からな
り、吸着槽12には窒素を選択吸着する吸着剤が装填され
る。この吸着法は、特定ガス（この場合、窒素ガス）を
多孔質の吸着剤に加圧条件で吸着させ、残ったガス（こ
の場合、酸素ガス）を取り出す方式、いわゆる圧力スイ
ング吸着法（ＰＳＡ法）による。

【００３２】吸着剤としては、多孔質状であり代表的な
ものとしてゼオライトがある。ゼオライトは、結晶構造
中のカオチンが静電引力作用を吸着気体分子に及ぼすこ
とから、極性の大きい分子を多く吸着する性質を有して
いる。

【００３３】酸素／窒素においては、分子径は酸素の方
が若干小さいにも拘らず、極性（四重極子モーメント）
の大きい窒素がゼオライトの静電場に強く吸着されるこ
とにより分離される。ちなみに、主な気体の四重極子モ
ーメントは、次の通りである。（Ａｒ＝０，Ｎ₂＝27，
Ｏ₂＜0.09，Ｈ₂＜0.10，ＣＯ＝0.34，ＮＯ＝0.28，Ｃ
Ｏ₂＝0.65）

【００３４】このように、吸着槽12を通じる空気は、空
気中の約８割を占める窒素が加圧条件下で吸着・除去さ
れ、高濃度の酸素ガスとなる。吸着した窒素は、流れ方
向を一方向に制限する逆止弁14と、自動弁13の開閉切り
替え動作により、流路を変更すると大気開放（放圧）条
件とすることができる。

【００３５】これらの弁切り替え制御を自動化すること
で、吸着槽12に導入される空気中の窒素ガス吸着剤によ
る分離と、放圧による再生を連続的に行うことができ
る。なお、この放圧には、放出端に真空ポンプを接続し
強制排気して減圧する方式も考えられる。

【００３６】ここで、生成した酸素ガスは、タンク18に
所定圧力以上に蓄圧され、酸素注入導管４により給水系
配管５に注入される。注入流量は、給水系の遮断弁17の
上流に位置する流量計15，コントローラ16，流量調整弁
３にて行われる。

【００３７】よって、吸着槽は、吸着、分離、蓄圧の工
程を順次繰り返し、ガスを製造することとなる。この場
合、吸着槽が再生している間もガス注入運転が行われる
ため、タンク18に吸着槽が蓄圧するガス量（蓄圧量）
が、工程中の生産停止している間（吸着剤の再生工程）
も、注入継続するに足りる量となるように生産維持され
なくてはならない。

【００３８】これは、次の関係となるようにタンクを設
計することに他ならない。〔（タンク蓄圧制御上限値）−（タンク必要残圧）〕×
（タンク容積）＞（吸着槽の非生産工程の時間）×（目
標注入流量）

【００３９】なお、流量調整弁３は、通常発電所におけ
る注入運転では給水系配管の酸素濃度が一定となるよう
に、目標注入流量を定めて一定制御する場合が多いた
め、タンク18内充填圧の増減が発生しても流量が制御さ
れるように、調整弁の開度を流量信号をフィードバック
制御して変化することとなる。前述の自動弁17は、これ
らの注入システムの異常により自動閉する構成とし、無
人注入運転における設備の安全性を確保することができ
る。

【００４０】想定される異常状態としては、制御不良に
よる工程渋滞、製造した酸素濃度の異常、タンク圧力の
低下、注入先の流体の逆流発生、注入流量の設定流量に
対する偏差大、注入先であるプラント側の異常から強制
的に注入停止する場合、などが考えられる。なお、原料
となる空気源に特異な成分があって、注入先に対し支障
が生じる場合は、専用の除去装置を介在させることとな
る。

【００４１】図２により本発明の請求項２における酸素
注入設備を説明する。なお、図２中、図１と同一部分に
は同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。本
実施の形態が図１の実施の形態とことなる点は自動弁1
3, 吸着槽12ａ，12ｂおよび逆止弁14を２系統並列接続
したことにある。

【００４２】ここで、吸着槽12ａ，12ｂは請求項１のも
のと同じものをいうが、吸着槽２台を並列に接続した構
成を本項の特徴とする。吸着槽12ａは再生中の吸着槽で
あり、吸着槽12ｂは窒素の吸着分の吸着槽である。

【００４３】このように、必ずどちらかの吸着槽が酸素
ガス生成運転を行うことができるので、タンク18蓄圧不
足に対して裕度があり、タンク圧力の変動が小さくてす
むこと、ひいては、制御弁のコントロール範囲が小さく
てすむという利点がある。さらに、複数系列であること
から、故障時のバックアップが可能なため、連続注入運
転に対して適した構成となる。

【００４４】図３により本発明の請求項３における酸素
注入設備を説明する。なお図３中、図１と同一部分には
同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。本実
施の形態が図１の第１の実施の形態と異なる点は吸着槽
12の上流側に自動弁13，コンプレッサ９，エアタンク2
0，除じん装置10および計装用圧縮空気配管19を順次直
列接続したことにある。ここで、原料は、発電所におけ
る計装用圧縮空気であり、清浄かつ乾燥した空気である
ことから、特別に除湿装置は必要ないので、削除してい
る。

【００４５】計装用圧縮空気配管19から配管分岐し、計
装用圧縮空気系への圧力脈動を抑制させるためエアタン
ク20に貯留し、請求項１同様の吸着・分離系に接続する
ことで、請求項１と同等の機能を有す構成となる。な
お、工事完了後の運転初期など微細な異物の流入が懸念
される場合は、必要に応じて、管路の途中にエアフィル
タを設ける等の対応も考えられる。

【００４６】請求項４における酸素注入設備は、計装用
圧縮空気を原料とする請求項参と吸着・分離系を複数系
列とする請求項２との組み合わせであり、図２および図
３の説明を流用し詳細な説明は省略する。

【００４７】図４により本発明の請求項５における酸素
注入設備を説明する。なお、図４中、図１と同一部分に
は同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。
本実施の形態が図１の第１の実施の形態と異なる点は、
コンプレッサ９の上流側にエアタンク20，除じん装置10
および計装用圧縮空気配管19を接続し、コンプレッサ９
とタンク18との間に酸素を選択吸着する吸着槽12ｄと自
動弁13を介して窒素吸着槽12ｄを直列接続したことにあ
る。

【００４８】ここで、図４は請求項３における吸着・分
離系の吸着槽を２槽直列とした構成であり、吸着槽12ｃ
は、カーボンモレキュラーシーブス等を吸着剤とする酸
素を選択吸着する吸着槽であり、この吸着されたガスは
空気中の大部分の窒素とアルゴンを取り除いたガスであ
る。

【００４９】これは、原料となる空気には0.93％のアル
ゴンが含まれているが、アルゴンはゼオライトには吸着
されないので、結果的に約５％程度に濃縮して残ること
となるためである。これより、得られる酸素純度は、せ
いぜい95％程度止まりといわれている。

【００５０】カーボンモレキュラーシーブス等の吸着剤
は、このアルゴン除去を目的とするものである。つま
り、この吸着剤が、微細孔での拡散速度差により分子径
の小さい酸素が先に吸着され、大部分の窒素とアルゴン
を分離できることにより使用される。なお、このカーボ
ンモレキュラーシーブスは、ゼオライトのように極性に
より分離するものとは異なって、物理的吸着（ファンデ
ルワールス力）が主体となる吸着作用を有する。

【００５１】下流に設けられる吸着槽12ｄは、ゼオライ
ト等を吸着剤とする窒素吸着槽であり、吸着槽12ｃで吸
着されたガスを吸着槽12ｄに通じると、その出口ガス
は、極めて高純度の酸素ガスとなる。このような吸着・
分離系を有する酸素注入装置は、不純物の混入を避けな
くてはならない原子力発電所の給水系酸素注入等に適す
る。

【００５２】請求項６における酸素注入設備は、図２〜
図６における給水系配管５の代りに気体廃棄物処理系再
結合器上流配管に設けるだけなので、図およびその重複
する部分の説明は省略する。このように構成された酸素
注入設備によれば、酸素の設定流量を、水素注入系の注
入量と一定比を維持するようにコントロールされるほか
は、図２〜図６に係るものと同等の作用効果を奏する。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、酸素供給源（ガスボン
ベ等）の貯蔵用建造物を設ける必要がなく、また、省ス
ペース化、酸素注入導管の短縮化、酸素供給源（酸素ガ
スボンベ等）の購入や交換作業を不要とし無人運転が可
能な酸素注入装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る酸素注入設備の第１の実施の形態
を示す配管系統図。

【図２】本発明に係る酸素注入設備の第２の実施の形態
を示す配管系統図。

【図３】本発明に係る酸素注入設備の第３の実施の形態
を示す配管系統図。

【図４】本発明に係る酸素注入設備の第４の実施の形態
を示す配管系統図。

【図５】従来の酸素注入設備を示す配管系統図。

【符号の説明】

１…酸素ボンベ群、２…減圧弁、３…流量調整弁、４…
酸素注入導管、５…給水系配管、６…ガス貯蔵所、７…
タービン建屋、８…屋外配管トレンチ、９…コンプレッ
サ、10…除じん装置、11…除湿装置、12ａ，12ｂ，12
ｃ，12ｄ…吸着槽、13…自動弁、14…逆止弁、15…流量
計、16…コントローラ、17…遮断弁、18…タンク、19…
計装用圧縮空気配管、20…エアタンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンプレッサ、除じん装置および除湿装
置が直列接続され、前記除湿装置の下流側に接続した酸
素注入配管を介して自動弁、吸着槽、自動弁、タンク、
流量計、流量調整弁、遮断弁および給水系配管が順次直
列接続され、前記流量計と前記流量調整弁との間にコン
トローラが接続されてなることを特徴とする酸素注入設
備。
【請求項２】前記除湿装置と前記タンクとの間に直接
接続された自動弁、吸着槽および逆止弁が少なくとも３
系統並列接続されてなることを特徴とする請求項１記載
の酸素注入設備。
【請求項３】前記吸着槽の上流側に自動弁を介してコ
ンプレッサを設け、このコンプレッサの上流側にエアタ
ンク、除じん装置および計装用圧縮空気配管を順次直列
接続し、かつ前記除湿装置を削除してなることを特徴と
する請求項１記載の酸素注入設備。
【請求項４】前記計装用圧縮空気配管、除じん装置、
エアタンク、コンプレッサ、自動弁および吸着槽が直列
接続された系統を少なくとも２系統並列接続してなるこ
とを特徴とする請求項３記載の酸素注入設備。
【請求項５】前記コンプレッサの上流側にエアタン
ク、除じん装置および計装用圧縮空気配管を設け、前記
コンプレッサの下流側に自動弁を介して酸素を選択吸着
する吸着槽と窒素吸着槽を直列接続し、この窒素吸着槽
の下流側を前記貯留タンクに自動弁を介して接続してな
ることを特徴とする請求項１記載の酸素注入設備。
【請求項６】前記給水系配管は沸騰水型原子力発電所
の気体廃棄物処理系の上流配管からなることを特徴とす
る請求項１ないし請求項５記載の酸素注入設備。