負荷サイクリングとボイラー金属: 発電所を救う方法

ベースロードサービス向けに設計された石炭火力発電所の多くはサイクル運転を求められているため、ボイラーの圧力部品に予期せぬ応力が生じています。影響を理解し、緩和戦略を実施することで、コンポーネントの早期故障を防ぎ、施設の信頼性の高い稼働を維持できる可能性があります。

2015 年 8 月 3 日、米国環境保護庁は、既存の発電所からの炭素汚染の削減を求めるクリーンパワープランを完成させました。この規則は、天然ガス価格の低さと相まって、天然ガス火力施設がベースロード電力としてより頻繁に使用され、系統要件を満たすためにこれまで以上に石炭火力発電所がサイクル化される可能性があります。

石炭火力発電所の大部分は、大幅な負荷の変化を予想することなく、ベースロードユニットとして設計および建設されました。しかし、燃焼タービンと排熱回収ボイラーは、石炭焚きボイラーよりも高い熱効率（約 60%）を実現しており（最高の蒸気プラントは最大効率約 40% で動作する可能性があります）、これも配電傾向の変化に寄与しています。

石炭火力発電所の需要は依然として高いものの、代替電源は環境の観点から非常に魅力的です。太陽光発電や風力発電などの変動する再生可能エネルギー資源の増加により、石炭火力発電所には負荷の追随を求めるさらなる圧力がかかっています。しかし、石炭火力発電所における負荷サイクルは、機器の信頼性と可用性に長期的および短期的に悪影響を及ぼします。

負荷サイクルには、低負荷状態、ホットスタートアップ、ウォームスタートアップ、および/またはコールドスタートアップが含まれる場合があります。用語が示すように、出力が低下し、ユニットがシャットダウンせずに最小負荷で動作する場合に低負荷状態が発生します。ユニットが毎日オンとオフを繰り返す場合、通常はホットスタートアップが行われます。通常、温間始動は 4 ～ 5 日間連続して稼働し、その後週末に停止するユニットで行われますが、冷間始動は長期にわたる保守停止の後に行われます (通常、プラントはこれらの長期間の維持期間にレイアップ手順を実施します)。

この種の循環操作による最も一般的な望ましくない影響を次に示します。

クリープ疲労。ユーティリティボイラーは、さまざまな材料と厚さを使用して構築されています。これらの材料は異なる速度で膨張および収縮します。クリープ損傷に加えて、過熱器や再加熱器などの高温部品は熱疲労や機械疲労を経験します。累積的な影響はクリープ疲労として知られています。

結果として生じる損傷は、単独のクリープ損傷や疲労損傷よりもはるかに深刻です。周期的な荷重がかかると、疲労応力とフープ応力の組み合わせにより、チューブとヘッダーの溶接部に亀裂が発生します。疲労応力は、特にウォームアップ中またはクールダウン中、または過渡応力によって負荷変化が発生した場合に、コンポーネント間の相対的な動きによって発生する可能性があります。疲労応力は、チューブ脚の柔軟性が不十分であること、サポート/アタッチメントの欠陥、または圧力部品の硬いアタッチメントの結果としても発生する可能性があります。

靭帯のひび割れ。個々の高温過熱 (SH) チューブと再熱 (RH) チューブは、熱分布、スラグ、汚れ、位置ずれのばらつきにより、異なる温度で動作する可能性があります。したがって、蒸気はさまざまな温度でヘッダーに入ります。

圧力と温度を維持するために負荷の変化中に点火速度が調整されるため、負荷サイクルにより個々のチューブ間の温度差が悪化します。負荷が増加するとボイラーは一時的に過燃焼し、負荷が減少すると状態は逆転します。これによりヘッダーに一時的な熱衝撃が生じ、靭帯に亀裂が生じます。

高温回路の熱疲労。これらの熱応力に加えて、ヘッダーの膨張と収縮に関連する外部応力がサイクリングユニットに損傷を与え、その結果、アタッチメントに疲労亀裂が発生する可能性があります。部品が異なれば膨張率や収縮率も異なるため、部品が溶接によって接合される場合には、追加の疲労部品が存在する可能性があります。疲労コンポーネントは耐久限界内にありますが、コンポーネントのクリープ特性に影響を与えます。

過度のテンパリング。 T91 や T23 などのクリープ強度強化フェライト鋼 (CSEF) は、T22 や T11 などの祖先グレードの鋼よりも高い許容応力と優れたクリープ特性を提供するため、現代の発電所で非常に人気があります。ただし、CSEF 鋼には長期メンテナンスに関する本質的な問題がいくつかあります。負荷サイクルの高いユニット、特に再熱回路で CSEF を使用すると、精密な熱処理によって得られる優れた特性に大きな影響があり、早期故障が発生します。

異種金属の溶接。異種金属溶接 (DMW) は、材料の移行を促進するために高温回路で非常に頻繁に使用されます。負荷の変動により、DMW に重大な過渡的な熱応力と差分応力が生じます。これらの溶接部はクリープを受けるだけでなく、クリープ疲労破壊の影響を受けやすくなります。負荷サイクルにより、DMW の耐用年数が大幅に短縮されます。

低点での凝縮。凝縮水は通常、SH 回路と RH 回路の離れたセクションに集まり、その結果、熱疲労と短期的な過熱という 2 つの大きな問題が発生します。ヘッダーと蒸気の間に存在する温度差により、熱疲労亀裂や靭帯亀裂が発生する可能性があります。温かい始動では、温度差が通常より高くなるため、重大な熱疲労損傷が発生します。

システムの低点での凝縮により下流の金属温度が上昇する可能性があるため、急速な起動条件は短期的な過熱故障につながる可能性があります (図 1)。鋼の引張強さは、設計温度を超えると大幅に低下します。また、急激な起動や停止、負荷変化により内径の酸化スケールの剥離が発生する場合があります。剥離が過剰であると、タービンの曲げ部の詰まりや浸食損傷を引き起こす可能性があります。

低温回路の熱疲労。ボイラーの低温領域では、負荷サイクルにより、エコノマイザー入口ヘッダーまたはチューブ、炉下部の壁のチューブまたはヘッダー、および蒸気ドラムの内部構造に熱疲労亀裂が発生します。この疲労亀裂は主に、比較的冷たい水が高温のボイラー部品に侵入したり、その逆によって発生します。

腐食疲労。始動時や負荷変動時に水壁チューブの差応力が高くなるため、負荷サイクルによって水壁チューブの腐食疲労が悪化します。腐食疲労は信頼性の問題であるだけでなく、通常、故障はボイラーの低温側で発生するため、安全性の問題でもあります。

腐食疲労が発生するために必要な条件には、ボイラー水の酸素濃度が高すぎるか、pH が管理範囲外であると同時に、応力がマグネタイト層を破壊するのに十分な高さであることが含まれます (図 2)。腐食疲労は、動作時または残留応力によって保護マグネタイト (Fe3O4) 層が破壊され、裸の鋼が腐食環境にさらされるときに発生します (図 3)。これらのストレスは過渡期に最も高くなります。

腐食性ガウジング。腐食性ガウジングは、自然循環ユニット、特に低負荷条件で発生するよく知られた問題です。自然循環ユニットでは、冷媒の流れは熱い流体と冷たい流体の密度差に作用するため、特定のチューブに偏ります。低負荷条件と負荷変動は、常に変化する条件が冷却剤の流れに繰り返しの乱れをもたらすため、苛性ガウジングにおいて大きな役割を果たします。流れの乱れにより、苛性物質が蒸気泡の端に集中します。苛性物質の濃度により酸化鉄の保護層が除去され、チューブが消耗します (図 4)。

リン酸の隠れ家。リン酸塩の隠れた部分は、堆積物不足の腐食のいくつかの形態の 1 つであり、通常、ユニットがリン酸塩ベースの処理で動作しているときに発生します。リン酸塩の隠れ場所は、高入熱条件下ではイオン性リン酸塩を消失または吸収させますが、入熱が減少するとボイラー水に戻るか溶解します。リン酸塩の隠れ場所は酸性リン酸塩の腐食を促進します。隠れ場所は、熱入力を変化させながらの負荷変動または起動中に明らかになります。ボイラーが汚れていると、リン酸塩の隠れ場所や酸性リン酸塩による腐食が発生しやすくなります。

低負荷状態、ホットスタートアップ、ウォームスタートアップ、またはコールドスタートアップにより、機器の信頼性に何らかの悪影響が常に発生します。これらの各状態は、圧力部品の完全性に何らかの影響を与えます。他のサイクル条件に比べて温度差が高く、空気漏れの影響を受けやすいため、温かい状態での始動が機器に最も大きなダメージを与えることが全体的に観察されています。

以下に、機器の損傷を軽減するためのいくつかの有用な戦略を示します。

チューブの柔軟性をさらに高めます。疲労応力は、チューブの貫通部とヘッダーの間のチューブ脚の柔軟性が不十分であることや、チューブ上の硬い取り付け部によって発生することがよくあります。より高い柔軟性とより優れた取り付け設計により、疲労応力が軽減されます。柔軟性を高めるためにヘッダーの再配置が必要になる場合があります。

アタッチメントはスリップタイプをご使用ください。古いユニットの多くは、固定アタッチメントを使用して設計されていました。熱膨張差に対応するには、リジッドアタッチメントの代わりにスリップタイプのアタッチメントを使用する必要があります。

対称的で広い間隔のチューブ貫通部を実現するために再設計されました。いくつかの古いプラントは、密集した非対称のチューブ貫通部を備えて設計されており、靭帯の亀裂が発生しやすいです。等間隔に配置された大きな靱帯は、クリープ疲労損傷を受けにくいことはよく知られています (図 5)。

チューブの穴の貫通部とチューブとヘッダーの溶接構成を再設計し、特にチューブの貫通部の端にある溶融の欠如をなくすことによっても、耐クリープ疲労性を向上させることができます。ヘッダーのボア穴の内径に滑らかな面取りを含めることにより、応力集中が軽減され (図 6)、耐クリープ疲労性が向上します。

定期点検を行ってください。配管関連の問題の大部分は、ハンガーとサポートシステムに関連しています。クリープ疲労を最小限に抑えるには、適切なアタッチメント設計が不可欠です。定期的に付属品を検査し、欠陥を修正すると、疲労に関連する問題が軽減されます。局所的な応力集中を軽減するために、アタッチメントの終端は表面に向かって先細になる必要があります。取り付け溶接部の溶け込みが不足すると、熱が効果的に放散されないホットスポットが発生したり、応力集中が増加したりする可能性があります。適切な溶接設計と溶接手順の順守が不可欠です。

ランプレートの低下。負荷サイクルによる一時的な応力は、DMW の耐用年数に影響を与えます。一時的なストレスは、起動を遅くすることで軽減できます。

ニッケルベースの溶加材を使用してください。 DMW は溶加材の有無にかかわらず作成できますが、溶加材の寿命は有限です。 EPRI P87 またはインコネルフィラーメタルで作られた DMW は、フィラーメタルを使用しないものよりも長寿命であることが期待されます。ニッケルベースの溶加材を使用して製造された DMW は、ステンレス鋼とフェライト鋼の熱膨張差の影響を軽減します。

DMW を再配置します。応力と温度は DMW の寿命を決める重要な要素です。これらの要因を制御することでパフォーマンスを向上させることができます。溶接接合部は、より低い温度にさらされる位置に移動できます。チューブハンガー、サポート、スペーサーの頻繁な検査とメンテナンスを実行して、二次負荷を軽減できます。

チューブを焼きます。高温回路内の凝縮物は、起動時に大きな問題を引き起こします。熱入力を増やす前に、凝縮液を蒸発させるのに十分な時間チューブをベークする必要があります。始動時の流体と金属間の温度勾配を軽減します。負荷サイクルは熱疲労に大きな役割を果たしますが、コンポーネントが平衡状態に達すると、熱疲労は重要な要素ではなくなります。

ライフル付きチューブを使用してください。アンダーデポジット腐食の影響を受けやすい領域でライフル付きチューブを使用すると、流れの混合が改善され、潜在的な腐食の問題を回避できます。負荷サイクルにより、水壁チューブの腐食疲労に対する感受性が大幅に増加します。高速起動では、さまざまな部品が異なる速度で膨張および収縮し、保護酸化物が破壊され、裸のチューブが腐食環境にさらされるため、過渡応力が増加します。

溶接技術を向上させます。腐食疲労を受けやすい領域ではパッド溶接を避けてください。溶接による残留応力は腐食疲労を悪化させます。さらに、応力集中を軽減するために、不良な溶接プロファイルを排除する必要があります。取り付け溶接部の溶け込みが不足すると、金属の温度が上昇し、応力が集中する可能性があります。

適切な水の化学的性質を維持します。腐食疲労のリスクを軽減するには、特に始動時や負荷変動中に、水の化学的性質が pH と酸素含有量の範囲内にあることを確認することが重要です。リン酸塩の隠れ場所に関連するリスクを軽減するには、ボイラーの清浄度を維持する必要があります。リン酸塩の測定値を上げるには、リン酸一ナトリウムまたは二ナトリウムの代わりにリン酸三ナトリウムを使用します。リン酸三ナトリウムの添加は酸性リン酸塩腐食を引き起こしませんが、リン酸一ナトリウムおよび二ナトリウムの添加は酸性リン酸塩腐食を促進する可能性があります。

激しいブローダウンはリン酸ナトリウム比に大きな影響を与え、酸性リン酸腐食を受けやすいユニットの状況を悪化させるため避けてください。定期的に堆積重量密度テストを実行して、ボイラーの汚れの程度を確認します。ボイラーを清潔に保つことで、水回りの問題の大部分が大幅に軽減されます。 ■

—Rama S. Koripelli 博士 ([email protected]) は、David N. French Metallurgists のテクニカルディレクターです。

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