2024.5に、福島第一原発の見学・調査のため訪問予定、まだ、一度も訪問していないJ-Village近くのJERA広野火力発電所5-6号機の超々臨界圧ボイラーの材料や構造設計や材料腐食について、AIに、「火力発電所の超々臨界圧とは、どのくらいの圧力と水蒸気温度ですか」などと質問 J-Villageから徒歩数分で駅へ、常磐線と平行の南北の道路があり、500 m進むと、分岐点に、常磐線の上を通る橋があり、進むと発電所入口、500 m先に管理棟、計20分
質問
2024.5に、福島第一原発の最新の動向を見学・調査のため、訪問予定ですが、できれば、まだ、一度も訪問していないJ-Villageのごく近くのJERA(東電・中電共同会社)広野火力発電所5-6号機の超々臨界圧ボイラーの材料や構造設計や材料腐食などについて、見学・調査する予定のため、事前準備として、AIに、「火力発電所の超々臨界圧とは、どのような技術で、どのくらいの圧力で、どのくらいの蒸気温度ですか」「超々臨界圧ボイラーの構造材の材質と腐食問題について教えてください」「火力発電所のボイラーの構造はどうなっていますか」「超々臨界圧ボイラーの構造材はどのような材質ですか」「超々臨界圧ボイラーの熱効率は高いですか」と質問。
回答
順次。
日本の電力供給を支える「石炭火力発電」の最新技術である「超々臨界圧石炭火力発電 (USC)」は、石炭を燃焼させて高温高圧の水蒸気を作り、それをタービンで回して発電する技術です。この技術は、水蒸気温度593℃以上、圧力24.1M㎩ (246kgf/cmΛ2)以上という高効率な条件で発電を行います。
具体的には、超々臨界圧石炭火力発電は、従来の石炭火力よりも高い発電効率を持ち、その分CO2の発生量も少ない特徴を持っています。日本では、1993年以降、大型石炭火力発電所でこの技術が採用されており、世界中の石炭火力発電所でも広く適用されています。
この技術は、高温高圧に耐える材料や溶接技術などの高度な技術が要求されており、日本がリードしています。さらに、今後も高効率化を目指した先進型の超々臨界圧石炭火力発電技術の研究開発が進められています。
石炭火力は日本のエネルギー事情に合った重要な資源であり、電力供給の安定性を保つためにも今後も重要な役割を果たしていくことが予想されています。
超々臨界圧ボイラーは、蒸気の温度と圧力を非常に高くすることで、発電効率を向上させるための技術です。そのため、ボイラーの構造材料は高温と高圧に耐えられる必要があります。
・材質: 700°C級先進超々臨界圧ボイラーの開発では、Ni基/Fe-Ni基材料や改良型9Cr鋼材料が使用されています。これらの材料は、溶接試験とクリープ試験を含む溶接継手の性能評価を実施し、良好な結果が得られています。また、オーステナイト系ステンレス鋼も使用され、特に酸化スケールの剥離を抑制するために希土類元素であるセリウムが添加されています。
・腐食問題: 高温高圧の環境下では、腐食やクリープ（長時間にわたる高温での材料の変形）が問題となります。特に、酸化スケール（酸化により形成される硬い層）が剥離すると、ボイラーチューブだけでなくタービンブレードにも深刻なダメージを与える可能性があります。これを防ぐために、新たに開発されたステンレス鋼では、酸化スケールの剥離を抑制するセリウムが添加されています。
以上のように、超々臨界圧ボイラーの構造材の材質と腐食問題は、高効率な発電と持続可能なエネルギー供給のための重要な課題となっています。これらの課題を解決するための研究と開発が進められています。
火力発電所のボイラーの基本的な構造は以下の通りです：
・燃料の燃焼：石油、石炭、天然ガスなどの燃料がボイラーで燃やされます。
・蒸気の生成：燃焼により発生した熱で水が沸騰し、高温・高圧の蒸気が生成されます。
・蒸気タービンの回転：生成された蒸気の力で蒸気タービンが回転し、発電機を動かして電力が発生します。
・蒸気の再利用：蒸気タービンを回転させた後の蒸気は、復水器で冷やされて水に戻り、再びボイラー内に送られて蒸気へと変わるという動きを繰り返します。
また、ボイラーの種類には以下のようなものがあります：
・自然循環ボイラー：蒸発管と降水管の水の比重の差から循環力を得て、蒸気を発生させる方式です。
・強制循環ボイラー：循環ポンプでボイラー水を強制的に循環させる方式です。
・貫流ボイラー：ドラムや降水管を持たず、一端の給水ポンプから水を押し込み、加熱、蒸発、過熱のステップを経て、他端から過熱蒸気を送り出す方式です。
以上が火力発電所のボイラーの基本的な構造と種類になります。具体的な構造や種類は発電所やボイラーの設計によります。
超々臨界圧ボイラーの構造材には以下のような材質が使用されています：
・Ni基/Fe-Ni基材料：これらの材料は、溶接試験とクリープ試験を含む溶接継手の性能評価を実施し、良好な結果が得られています。
・改良型9Cr鋼材料：これも溶接試験とクリープ試験を含む溶接継手の性能評価を実施し、良好な結果が得られています。
これらの材料は700°C級先進超々臨界圧ボイラーの開発に使用されています。これらの材料は高温と高圧に耐える必要があります。また、腐食やクリープ（長時間にわたる高温での材料の変形）が問題となります。以上が超々臨界圧ボイラーの構造材の主な材質になります。具体的な材質はボイラーの設計によります。
超々臨界圧ボイラー（USC）は非常に高い効率を持つとされています。これは、蒸気タービンの圧力や温度を極限まで上昇させることで、欧米やアジア諸国に比べて高い発電効率を実現しています。
具体的には、超々臨界圧ボイラーは、石炭ボイラで温度593℃以上、圧力24.1Ｍ㎩ (246kgf/cm2)以上という高温高圧の水蒸気を発生させ、その水蒸気でタービンを回して発電する技術です。このように、高温高圧の水蒸気を利用することで、より少ない燃料でより多くの電力を取り出すことが可能となり、CO2の発生を抑えることができます。
さらに、現在のUSCよりもさらに高温高圧を目指した先進型のUSCの研究開発も進んでいます。700℃を超える高温と35MPa (357kgf/cm2)の高温高圧水蒸気を使うA (Advanced) -USCです。これにより、発電所全体で見れば、熱サイクルの高温熱源が大幅に引き上げられて、発電所熱効率が、40%台から50%台に引き上げられるという効果が得られるとされています。
以上のことから、超々臨界圧ボイラーは高効率な発電技術であると言えます。ただし、具体的な効率は発電所やボイラーの設計によります。
広野火力発電所訪問計画
広野火力発電所は、2011.3.11、津波被害に遭いましたが、半年後には、再稼働しました。
広野火力発電所1-6号機のうち、1-4号機は、廃止され、現在、5-6号機(各々60万kW)が、石炭燃料で稼働しており、熱効率は、45 %と、意外と普通ですが、超々臨界圧ボイラーの材料や構造設計や材料腐食などについて、見学・調査する予定です。
最近の最新鋭LNGガスタービン複合サイクル火力発電所の最高熱効率は75 %と言う驚異的に高い値に達しています。
私は、2000年初め、茨城県那珂郡東海村にある東電の常陸那珂火力発電所1号機(100万kW、超々臨界圧ボイラー、石炭燃料、熱効率45 %)を訪問したことがあり(高さ200 m排気塔の作業用エレベータで展望台へ)、その当時は、超々臨界圧ボイラー技術について、関心がなく、深い調査に至らず、その後、東電のLNG川崎火力発電所1-2号機(各々100万kW、熱効率45 %)とLNGガスタービン複合サイクル横浜火力発電所7-8号機(150万kW、熱効率55 %)を訪問し(高さ200 m排気塔の作業用エレベータで展望台へ)、最新鋭火力発電の技術と熱効率について調査しました。
私は、これまで、仕事で、J-Villageホテルに、三回、宿泊したことがあり、ホテルから数分の所に、常磐線J-Village駅があり、J-Villageホテルから、すぐ近くに、広野火力発電所の200 m高さの排気塔が、二本、見え、発電所へは、Google Earthを基に判断すれば、J-Villageホテルから徒歩でも行くことができ、まず、J-Villageホテルから徒歩で数分、J-Village駅へ、わずか西に歩くと、常磐線と平行の南北の道路があり、500 m進むと、分岐点に、常磐線の上を通る橋があり、進むと(発電所の正式な入口か)、すぐに、また、常磐線と平行の南北の道路があり、500 m進むと、発電所の大きく立派な管理棟に到着、J-Village駅から管理棟まで、徒歩約20分。
当日の移動予定は、
・J-Villageホテル出発 9:00、
・発電所管理到着 9:20、
・見学・質疑 9:30-10:30、
・J-Village駅戻り 11:00、
・J-Village駅から11:00すぎくらいの普通でいわき駅へ、
・いわき駅12:00から水戸駅13:20まで特急、
です。
質問項目
現場見学
制御室
ボイラー建屋
タービン建屋
屋外
質問
① 発電システム図
② ボイラー構造図(各部構造材質)
③ 運転管理体制(運転体制、保守体制)
④ 定期点検時の点検部位(特に、ボイラ―伝熱管の内外表面の点検法)
⑤ 過去の事故・故障の内容
⑥ 設備利用率(過去10年間の傾向)
⑦ 設計寿命年数と実際の共用年数
⑧ 有害物質除去システム
⑨ 広野火力発電所サイト内外の環境モニタリングポスト
⑩ 日本の火力発電技術の発展の方向(国際比較における優位性)