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oai:iwate-u.repo.nii.ac.jp:00010418 2023-05-15T13:38:48Z 1515:1520:1521

火力発電プラントにおける水処理技術の高度化 廣田, 守 岩手大学 博士（工学） 2011年の東日本大震災以後の我が国の総発電量に占める火力発電の割合は，原子力発電所の再稼働も難しいこともあり，約90％まで高くなっている．そのため，火力発電プラントの安定した稼働は電力の安定供給において最も重要な課題である．そして，火力発電プラントの安定稼働には，高度な水処理技術の開発が必要不可欠である．　国内の大型火力発電プラントには貫流型のボイラが用いられている．貫流型ボイラの水処理には揮発性物質処理(還元型)(All Volatile Treatment(Reducing),以下AVT(R))が適用されている．AVT(R)は給水にアンモニアを添加してpHを8.5～9.7に，脱酸素剤であるヒドラジンを10 ppb以上添加して溶存酸素濃度を7 ppb以下に管理している．このAVT(R)が適用されるプラントでは運転中にボイラ管の内面に波状スケールが生成され，給水の流動抵抗が大きくなる事象が生じる．そのため，給水ポンプの駆動損失が大きくなるため，定検毎（1回/年）に化学洗浄により除去しているが，1回当たり1億円と高額であるため発電コストを上昇させる問題がある．さらに，AVT(R)が適用されているプラントでは溶存酸素が低いために，オリフィス等の水の流れが変化する部位において著しい減肉が発生する問題がある．近年これらの課題に対する有効な水処理方法として欧州等で実績のある複合水処理(Combined Water Treatment,以下CWT)の導入や，揮発性物質処理(酸化型)(All Volatile Treatment (Oxidizing),以下AVT(O))が計画されている．しかし，CWTやAVT(O)は国内での実績もなく，プラント材料に対する腐食影響や最適な水質環境も不明である．そこで，ボイラ用鋼管である炭素鋼，低合金鋼を対象にCWT環境での腐食挙動を明らかにし，最適なCWTやAVT(O)の水処理環境について検討した．さらに，近年ではCWTが適用された貫流ボイラにおいて伝熱管の破損事例が国内で発生している．伝熱管の破損形態はフィッシュマウス状をしており，典型的な異常過熱によるクリープ破損である．その原因と考えられているのが，破損部で確認されている指で触れると容易に剥離する特徴を持つ，赤褐色のヘマタイト（αFe2O3）スケール（以下パウダー状スケール）の存在であるが，その損傷にいたる原因の詳細が分かっていない．以上のこれら問題に対して，それぞれ検討することによって以下の結論を導き出した．　第１章では本研究では火力発電プラントの水処理技術に関わり，ボイラ材料がプラントの運転及び停止した期間における腐食や，運転中の伝熱管が異常な過熱によって損傷することを防ぐ技術を開発することによって，火力発電プラントが計画外に停止することを低減させ安定で高品質な電力を供給することを研究の目的としていることを示した．　第２章ではAVT(R)における腐食問題について検討するため，流れ加速腐食が発生する環境を評価し，水質環境を制御することで流れ加速腐食が抑制可能かを明らかにした．さらに，還元剤であるヒドラジンを添加することによって，流れ加速腐食が加速されることを明らかにした．　第３章ではAVT(O)による腐食抑制について検討し，海水リークが発生してもAVT(O)とAVT(R)では腐食の影響に対して差はないことを明らかにした．また，AVT(O)の最適溶存酸素濃度は腐食評価及び皮膜の構造解析から5～20 ppb で管理することが妥当であることを明らかにした．　第４章ではCWT による腐食抑制と実機への適用性について検討し，CWT は一定の水質条件下において，従来のAVT(R)よりも腐食を抑制できることを明らかにした．また，CWT においては下層のFe304 で形成された酸化皮膜の欠陥を溶解度が小さなα-Fe2O3 が補うように生成することで防食されると考えられた． 　第５章では伝熱管にパウダー状スケールが付着した際の熱的影響について検討し，空隙率0.58 の模擬パウダー状スケール層の熱伝導率は200℃の純水中で2.0W/(m K)であることを明らかにした．さらに，実機環境である超臨界水における空隙率0.7～0.8のパウダー状スケール層の熱伝導率は，0.65～1.1 W/(m K)と通常の硬質酸化スケール層よりも大きく低下すると推定された．これらのことから，実機ボイラで生じている伝熱管の熱損傷は，空隙率の大きなパウダー状スケールが伝熱管の内面に付着し，伝熱管の温度が設計温度から大幅に上昇して損傷すると考えられた．　以上これらの研究成果によって，平成2年に国内初のCWT が実機に適用されるに至った．以後，一部のプラントではパウダー状スケールによる問題が生じているものの，国内の発電用ボイラに54 基にCWT が適用され発電コストを低減しながら良好に稼働されている．さらに，平成23 年に国内初のAVT(O)を適用されるに至った．以後，同プラントにおいては流れ加速腐食によるトラブルもなく良好に稼働がなされている．このように，本研究成果は，火力発電プラントの発電コスト低減やプラントの信頼性向上に大きく寄与してきている． doctoral thesis 岩手大学 2015 2015-03-23 VoR application/pdf application/pdf application/pdf 1 103 甲第252号 https://iwate-u.repo.nii.ac.jp/record/10418/files/Mamoru-Hirota-2015-T.pdf https://iwate-u.repo.nii.ac.jp/record/10418/files/(summary)HIROTA-Mamoru-2015-T.pdf https://iwate-u.repo.nii.ac.jp/record/10418/files/(abstract)Mamoru-Hirota-2015-T.pdf https://doi.org/10.15113/00010412 https://iwate-u.repo.nii.ac.jp/records/10418 jpn open access