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通常運転中の汚染物質の漏洩によって蒸気発生器に発生する可能性のある損傷は、多くの議論の対象です。

寄稿編集者 Brad Buecker およびリンカーン エレクトリック システムのプロジェクト エンジニア Dan Dixon 著

著者の注: 多くの蒸気発生発電所の運転者や技術者は、通常の運転中に化学的異常が発生すると、ボイラー、蒸気システム、タービンに重大な損傷を引き起こす可能性があることを認識しています。 高温と高圧により、不純物の侵入の影響が非常に大きくなります。 ただし、シャットダウンとその後の起動中に発生する可能性のある重大な損傷は見落とされがちです。 現在、電力業界では負荷サイクルが日常的に行われており、多くの装置が再生可能エネルギー源によって生成される負荷変動に追従しています。 問題をさらに悪化させているのは、石炭火力発電所の代替品として複合サイクル装置が普及していることです。 これらのユニットの循環は、多くの工場で基本的に標準的な手順です。

2012 年に、私は HRSG レイアップとスタートアップ化学制御に関する記事を、元リンカーン エレクトリック システムで現在は電力研究所 (EPRI) に勤める Dan Dixon と共著しました。 その記事で提示されたアイデアは今でも非常に有効であるため、この記事は Power Engineering の Web サイトに再掲載されています。 すべてのユニットが異なるため、この記事で概説されている概念は、常に安全性を最優先にして、ケースバイケースで評価する必要があることに留意してください。

通常運転中の汚染物質の漏洩によって蒸気発生器に発生する可能性のある損傷は、多くの議論の対象です。 ただし、オンとオフを繰り返すシステムがシャットダウン、レイアップ、または正しく起動されていない場合は、非常に深刻な損傷が発生する可能性があります。 コンバインドサイクルプラントは、典型的に多数の起動と停止が発生するため、特にこれらの問題の影響を受けやすくなります。 この記事では、オフライン化学に関する最も重要な問題を検討します。

従来の蒸気発生器と排熱回収蒸気発生器 (HRSG) はどちらも、水壁配管、過熱器と再熱器の配管、ボイラー ドラム、その他の機器が入り組んだ複雑な迷路になっています。 負荷要件の低下やその他の問題によりユニットがオフラインになると、回路内の水の体積が収縮します。 この体積の減少により、システム内にわずかな真空が生じ、その結果、外気が引き込まれます。 現在、少なくとも水と空気の界面では、酸素が飽和した停滞状態が確立されています。

酸素による攻撃は、いくつかの理由から非常に深刻になる可能性があります。 腐食メカニズム自体が、酸素濃度の高い領域で重大な金属損失を引き起こす可能性があります。

この攻撃は多くの場合、孔食の形で発生し、集中した腐食により壁を貫通し、短期間に機器の故障が発生する可能性があります。 また、非常に重要なことは、オフラインの酸素攻撃により腐食生成物が生成され、それが起動中に蒸気発生器に持ち込まれることです。 水壁チューブ内に酸化鉄が堆積すると、熱効率が低下し、最も重要なことに、堆積物の下に腐食が発生する場所が形成されます。 これらのメカニズムには、非常に潜行性の水素損傷、[1] 不適切に処理されたユニットでの酸性リン酸塩腐食、および腐食性ガウジングが含まれる可能性があります。

酸素が蒸気発生器に侵入するもう 1 つの方法は、充填またはボイラーのトップオフに保管された凝縮水または新鮮な脱塩水が必要な始動時です。 多くの場合、高純度の水は大気開放型の貯蔵タンクに保管されます。 水は酸素と二酸化炭素を吸収し、これらの化学物質で飽和することもあります。 メイクアップが冷たい蒸気発生器に注入されると、追加の攻撃が発生します。

リンカーン エレクトリック システム (LES) のテリー バンディ コンバインド サイクル プラントでは、電力会社の担当者が酸素の侵入と腐食を防ぐための最も効果的な技術をいくつか導入しました。 これらのテクニックと、効果的である可能性のあるいくつかの代替手段を検討します。

何よりもまず、操業停止の最終段階とそれに続く短期レイアップ中の窒素ブランケットです。 経験によれば、圧力が完全に低下する前にシステムの主要なポイントに窒素を導入すると、空気の侵入が最小限に抑えられます。 その後、システムが冷却し続けると、酸素を含んだ空気ではなく、窒素だけが入ります。 HRSG の窒素保護の重要なポイントには、蒸発器、エコノマイザー、給水回路が含まれます。

テリー バンディでは、一次電力は 2 台の GE LM 6000 燃焼タービンと 2 台の Nooter-Eriksen 二重圧力 HRSG (再熱なし) によって生成され、26 MW の蒸気タービンに供給されます。 給水調整は、給水の pH を 9.6 ～ 10 の範囲に維持するために水酸化アンモニウムを注入する全揮発性処理酸化 [AVT(O)] です。高圧蒸発器の化学反応は、EPRI のリン酸塩連続体ガイドラインに基づいており、リン酸三ナトリウムが使用されます。唯一のリン酸塩種であり、1 ～ 3 ppm の範囲内で制御されます。 HP エバポレーターの pH 制御範囲は 9.5 ～ 10 です。遊離苛性物質の濃度は 1 ppm 以下に維持され、苛性物質のガウジングのリスクを最小限に抑えます。

コンバインドサイクルユニットの初期運転後、プラント職員は高圧蒸発器の 1 つに酸素の孔食を発見しました。 この問題を軽減するための最初のステップは、2005 年に窒素ブランケット システムを設置したことです。よく生じる疑問の 1 つは、窒素をどのように貯蔵または生成するのが最善かということです。 確かに、地元のガス供給会社や溶接会社が提供する窒素ボトルから供給することもできますし、液体窒素を使用することも可能です。 LES の担当者は、圧力スイング吸着 (PSA) システムによる窒素生成という別の方法を選択しました。

このプロセスではカーボン モレキュラー シーブ (CMS) を利用します。CMS は、圧縮空気が高圧で導入されると、酸素、二酸化炭素、水蒸気を吸着しますが、窒素は通過させます。 当然のことながら、窒素は必要に応じて使用するためにレシーバーに収集されます。 事前に選択した間隔でユニットから圧力が解放され、O2、CO2、および H2O が材料から脱離し、その時点でこれらのガスが大気中に排出されます。 以下の表は、このシステムからの窒素純度を生産速度の関数としてまとめたものです。

テリー バンディ N2 発生装置は、湿式レイアップ中に 5 psig の圧力で窒素を LP および HP ドラムに適用し、その窒素は乾式レイアップの排水中に HRSG から水を「押し出す」ために利用されます。 大規模なチューブ作業が必要ない限り、ドライレイアップ中は 5 psig の窒素圧力が維持されます。 窒素ブランケットの明らかな大きな懸念と、一部の工場で窒素ブランケットが拒否される理由は、安全性に関係しています。 もちろん、窒素元素は大気の 78 体積パーセントを占めているため、有毒ではありません。 しかし、窒素がパージされていない密閉空間に入った人は、酸素不足によりほぼ瞬時に失神する可能性があります。 数分以内に死亡する可能性があります。

圧力スイング吸着に代わる方法は、膜技術によるガス分離です。 これらのシステムでは、圧縮空気が特殊な中空糸膜に沿って流れます。 この材料は、酸素と水が各膜を通過することを可能にしますが、N2 は透過せず、出口ポートで収集できます。 文献によれば、このプロセスにより 99.5 パーセントの純度の窒素が生成できることが示されています。

ウェットレイアップ化学に関するもう 1 つの重要な点は、定期的な水の循環です。 これにより、局所的な領域に酸素が集中して孔食を引き起こす可能性のある停滞状態が最小限に抑えられます。

両方のテリー バンディ HRSG には、ウェット レイアップ中に使用するために高圧回路と低圧回路に循環システムが設置されています。 各回路は、2 つの冗長予熱器再循環ポンプのうちの 1 つを利用しており、通常、外部回路の酸露点腐食を軽減するために HRSG 動作中に稼働しています。 各ポンプは、1 回路あたり約 100 gpm の流量を提供します。 レイアップ循環から通常動作へのシームレスな移行を可能にするために、バルブと配管が追加されました。 サンプル/注入システムを使用すると、オペレータはレイアップ化学物質の pH と溶存酸素をテストし (比色アンプルを使用)、pH を上げる必要がある場合は水酸化アンモニウムを注入できます。 また、各ボイラードラムに加えられた変更により、滞留水がドラムバッフルをバイパスできるようになり、循環が促進され、ダウンカマーを介した短絡が最小限に抑えられます。 ポンプは通常、ドラム圧力が 50 psig 未満になると始動し、レイアップ中は稼働し続けます。

非常に多くの場合、脱塩水は大気開放型の貯蔵タンクに保管されます。 したがって、酸素を含んだ水は、通常の運転中に蒸気発生器に入り、ボイラー充填運転中にはさらに危険になります。 後者の場合、冷たい酸素飽和水の流入により、深刻な問題が発生する可能性があります。 この問題を最小限に抑えるために考えられる方法は、貯蔵タンクへの酸素の侵入を制限することですが、これは一般に困難な提案です。 テリー・バンディの担当者は、戻り凝縮水と補給水を処理するために別のガス移動膜技術を選択しました。

このプロセスは、上で概説したガス間移動膜プロセスと似ていますが、この場合のキャリアは水です。 液体が容器内の中空糸膜に沿って流れると、ガスは膜壁を通過しますが、水は拒否されます。 この技術は、溶存酸素濃度を 10 億分の 10 (ppb) 未満に減らすことができます。 最も重要なことは、このシステムにより、ボイラー充填中の空気飽和メイクアップ (酸素濃度が 7.5 ppm (推奨制限の 75 倍) になる可能性がある場合) の導入が排除されることです。

私（著者のブッカー）は 30 年以上、電力業界に携わったり、電力業界に携わったりしてきた中で、復水器の真空が壊れて空気が入った停電中に、復水器のホットウェルが湿ったままになったり、さらには滞留水が入ったりした例を数多く見てきました。コンデンサーとLPタービン。 湿気を多く含んだ大気と、日常運転中に LP タービンブレードに蓄積する塩の堆積が組み合わさると、非常に有害な場合があります。 非常に有害なメカニズムである孔食と応力腐食割れ (SCC) は、潜在的な結果の 2 つです。

この腐食に対抗するための非常に実用的な方法であり、テリー バンディで採用されている方法は、短期間のレイアップ (72 時間未満) を除くすべての場合に、復水器に乾燥空気を注入することです。

このシステムは、湿度 10% で 100oF の空気を 700 標準立方フィート/分 (SCFM) で復水器と低圧タービンに供給できます。 この流れにより、わずか数時間で相対湿度をほぼ 100 パーセントから 30 パーセント未満に下げることができます。

2005 年にドラム検査で重大な穴あきが見つかりました。 上で概説した変更が実装されたのは、この検査の後でした。 2008 年の再検査では新たな孔食は検出されませんでした。

0.45 ミクロンのフィルターでの微粒子捕集による鉄レベルのモニタリングでは、復水ポンプ排出 (CPD) および LP ドラムと HP ドラムの両方からのサンプルが大幅に減少していることが示されました。 より高速な起動は今や当たり前のことです。 主蒸気の陽イオン伝導率は最大 1.5 時間早く推奨ガイドライン (0.2 μS/cm) 以内に低下し、CPD 陽イオン伝導率は一貫して 0.1 μS/cm 未満を維持しますが、過去には 0.45 μS/cm まで上昇する可能性がありました。 非常に重要なのは、ユニットを湿式レイアップ状態に長期間放置できることです。これにより、指令員の要求に応じてプラントが全負荷に達するまでに (乾式レイアップよりも) 6 時間を節約できます。

1. 熱回収蒸気発生器を備えた複合サイクル装置の停止、レイアップおよび始動に関するサイクル化学ガイドライン、EPRI、パロアルト、カリフォルニア州: 2006、1010437。