プラント水処理装置、電気脱塩装置の制御方法および蒸気タービンプラント
【課題】系統水に薬剤注入を必要とする蒸気タービンプラントの水処理を、不純物イオン脱塩浄化負荷、アンモニア等の薬剤消費および熱損失が少なく水質の変化に追随し安定に実施する。
【解決手段】プラント水処理システムにおいて、電気脱塩装置は、電気脱塩器本体１３０と、直流電源１５１と、浄化水移送ポンプ１５２と、電気脱塩装置制御部１４０と、入口水質測定部１６０と、出口水質測定部１７０とを備える。電気脱塩器本体は、筐体と、一対の隔膜と、一対の電極と、脱塩部と、各濃縮部とを有する。電気脱塩装置制御部１４０は、入口水質測定部１６０と出口水質測定部１７０からの信号を入力とし、直流電源１５１への電気脱塩器本体１３０への印加電圧指令値と浄化水移送ポンプ１５２への流量指令値とを演算し出力する。
【解決手段】プラント水処理システムにおいて、電気脱塩装置は、電気脱塩器本体１３０と、直流電源１５１と、浄化水移送ポンプ１５２と、電気脱塩装置制御部１４０と、入口水質測定部１６０と、出口水質測定部１７０とを備える。電気脱塩器本体は、筐体と、一対の隔膜と、一対の電極と、脱塩部と、各濃縮部とを有する。電気脱塩装置制御部１４０は、入口水質測定部１６０と出口水質測定部１７０からの信号を入力とし、直流電源１５１への電気脱塩器本体１３０への印加電圧指令値と浄化水移送ポンプ１５２への流量指令値とを演算し出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンプラントの復水給水系の高温電気脱塩による水質改善に係るプラント水処理装置、電気脱塩装置の制御方法および蒸気タービンプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に加圧水型原子力発電プラント（以下、「ＰＷＲ」という。）では、蒸気発生器を介して一次冷却系と二次冷却系とに分かれており、一次冷却系内の原子炉で発生した高温高圧水を蒸気発生器で熱交換し二次冷却系側で蒸気を発生させている。
【０００３】
ＰＷＲの二次冷却系では蒸気発生器で発生した蒸気を蒸気タービンに送り、この蒸気タービンをタービン駆動させて発電を行っている。
【０００４】
一方、火力発電プラントでは、ボイラにおいて石炭や石油を燃焼させ水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを駆動して発電を行っている。
【０００５】
いずれの蒸気タービンプラントにおいても、蒸気タービンを駆動して膨張した蒸気は、復水器に導入されここで冷却されて凝縮し復水となる。
【０００６】
この復水は、必要に応じて復水脱塩装置でイオン交換樹脂等によるイオン除去の脱塩処理がなされ、その後、給水加熱器で加熱されて蒸気発生器やボイラに給水として供給される。
【０００７】
ＰＷＲでは、蒸気発生器に供給される水は二次冷却系内の配管や機器等の構造材の腐食抑制の観点から薬剤が注入される。すなわち、ｐＨ調整剤としてアンモニアやアミン化合物、脱酸素剤としてヒドラジンなどが用いられる。
【０００８】
一方、蒸気発生器では、給水により持ち込まれたイオン等の不純物や腐食生成物が濃縮されるため、蒸気発生器内の伝熱管の腐食や伝熱性能低下を発生させる原因となっている。このため、蒸気発生器内の水の一部を排出（ブローダウン）する操作が行われている。
【０００９】
蒸気発生器からのブローダウン水は、復水脱塩装置等の既設の水質浄化設備に導かれて浄化される。ブローダウン水に含まれる薬剤であるｐＨ調整剤は、復水脱塩装置の脱塩処理で除去された後、別途新しい薬剤が注入される。復水脱塩装置でｐＨ調整剤を除去し、別途新しい薬剤を注入することは、復水脱塩装置でのイオン除去負荷を増大させ、薬剤注入コストを増加させる原因となっている。
【００１０】
蒸気発生器のブローダウン水から、復水脱塩装置でのブローダウン水のイオン除去を軽減し、注入薬剤コストを軽減する方法として、復水脱塩装置（復水脱塩塔）をバイパスする手段が特許文献１に開示されている。
【００１１】
特許文献２には、低温の電気再生式脱塩装置で除去したアンモニアをリサイクルする技術が開示されているが、このリサイクル技術においては、除去されるアンモニアと同時に濃縮される陽イオンを分離精製する技術を必要とし、コスト増につながる欠点がある。
【００１２】
これに対し、特許文献３〜６に記載されている高温脱塩システムにおいては、ブローダウン水を高温高圧において電気脱塩する手段を提供している。
【００１３】
アンモニアは高温においてはほとんどイオンにならないため、電気泳動を利用した電気脱塩システムにおいてはほとんど除去されない。それに対し、除去すべきコバルトやナトリウム、鉄等のイオンについては、イオンの性状であるため、除去が可能である。
【００１４】
このため、高温脱塩システムを用いればブローダウン水から不純物イオンのみを選択的に除去でき、薬剤注入によって不純物イオンに比べ高濃度に注入調整されるアンモニアを残存させる脱塩手法を提供することが可能である。
【００１５】
これにより復水脱塩装置におけるイオン除去負荷を軽減させることができ、かつ、アンモニアの薬剤注入コストの軽減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−１７１５８５号公報
【特許文献２】特開平１１−４７５６０号公報
【特許文献３】特開２００９−２６８９９９号公報
【特許文献４】特開２００８−１７８８２６号公報
【特許文献５】特開２００９−２１６４９５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】原子炉水化学ハンドブック、ｐ．１５８−１６３、コロナ社、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献３〜６に記載されている高温脱塩システムにおいては、ブローダウン水を高温高圧において電気脱塩する。高温水を電極間に通水し、その電極に電圧をかけることにより、陽イオンはマイナス電極の方向に、陰イオンはプラス電極の方向に移動する。
【００１９】
この電気泳動の原理を利用し、さらにすべての材料を耐熱性にし、また、容器を耐圧性にすることによってブローダウン水の条件である温度約３００℃、圧力約１０ＭＰａにて稼働しようとするものである。
【００２０】
ＰＷＲの二次冷却系における不純物は、蒸気発生器での腐食を抑制するため、塩化物イオン濃度を１００ｐｐｂ以下、ナトリウム濃度を７０ｐｐｂ以下とすることが強く求められている。
【００２１】
この水質を維持するために給水の１〜３％を目途にブローダウンしており、代表的な蒸気タービンプラントでは給水流量が５２００ｔ／ｈであることから、５２〜１５６ｔ／ｈの高温水を処理する必要がある。（非特許文献１を参照）
電気脱塩においては、上記流量を処理するために電極間に５０〜３００Ｖ程度の電圧を与える。装置においては絶縁対策を施すことが考えられているが、ある程度の漏えい電流の発生が避けられず、その量は印加電圧に比例して大きくなる。
【００２２】
この電力は本来不必要なエネルギーであり、電気を作るための発電所で電気を浪費してしまい全体の発電効率を低下させるという課題が発生する。
【００２３】
また、炉水濃度の基準値を超えてしまうと蒸気タービンプラントを停止しなければならず、高温脱塩システムは安定的にまた急な水質の変化にも対応することが求められている。
【００２４】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、系統水に薬剤注入を必要とする蒸気タービンプラントの水処理が、不純物イオン脱塩浄化負荷、アンモニア等の薬剤消費および熱損失が少なく、水質の変化に追随して安定に実施できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上述の目的を達成するため、本発明に係るプラント水処理システムは、蒸気タービンプラントの復水器の下流側の復水中のイオンを除去する復水脱塩装置と、前記復水脱塩装置の下流側において、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、を具備するプラント水処理システムにおいて、前記電気脱塩装置は、前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、を備え、前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、ことを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る電気脱塩装置の制御方法は、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整を行う蒸気タービンプラントのプラント水処理システムにおける電気脱塩装置の制御方法であって、電気脱塩器本体入口のブローダウン水の水質を検出するステップと、前記電気脱塩器本体出口の浄化水の水質を検出するステップと、入口水質測定部および出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、前記電気脱塩器本体で印加する電圧指令値を演算し直流電源に出力するステップと、前記入口水質測定部および前記出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させるステップと、を有することを特徴とする。
【００２７】
さらに、本発明に係る蒸気タービンプラントは、蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させ復水を生成する復水器と、前記復水を前記蒸気発生装置に送水するポンプと、前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、前記復水脱塩装置の下流側において、前記蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、を備える蒸気タービンプラントであって、前記電気脱塩装置は、前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、を備え、前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、系統水に薬剤注入を必要とする蒸気タービンプラントにおける水処理が、不純物イオン脱塩浄化負荷、アンモニア等の薬剤消費および熱損失が少なく、水質の変化に追随して安定に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における電気脱塩器本体の構成を示す概念図である。
【図３】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における入口および出口水質測定部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態の説明のための電気脱塩器本体での脱塩率の電圧依存性を示すグラフである。
【図５】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における電気脱塩装置制御部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態の蒸気タービンプラントの起動および停止時のブローダウン水の温度およびアンモニアの解離の概略を示す図である。
【図７】本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明に係るプラント水処理装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明に係るプラント水処理システムの実施形態について説明する。ここで、同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００３１】
[第１の実施形態]
図１は、本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３２】
蒸気発生器１は、たとえば火力発電所のボイラやＰＷＲの蒸気発生器であって、蒸気を発生させるものである。蒸気発生器１で発生した蒸気は、高圧タービン２ａおよび低圧タービン２ｂを有する蒸気タービン２に送られ、高圧タービン２ａ、低圧タービン２ｂにより熱エネルギーは機械的エネルギーに変換され、発電機３により機械的エネルギーが電気エネルギーに変換され、発電がなされる。
【００３３】
復水器４は海水冷却の熱交換器であり、蒸気タービン２で仕事をした蒸気は、復水器４において海水により冷却され凝縮し復水となる。復水器４から出た復水は復水ポンプ１１によって復水系１０を経由して給水系２０に送られる。
【００３４】
復水系１０は、復水脱塩装置１２、低圧給水加熱器１３、脱気器１４を有する。復水脱塩装置１２は、復水中のイオン成分を除去する。また、脱気器１４は直接接触式の熱交換器であり、復水と加熱用蒸気を混合させることにより復水中の溶存酸素量を低減させる。
【００３５】
脱気器１４を出た復水は、熱交換器１５３を経て、給水ポンプ２１により昇圧され、高圧給水加熱器２２を経て蒸気発生器１に送られる。また、給水系２０には、薬液注入装置２３により、給水のｐＨ調整剤としてアンモニアやアミン化合物、脱酸素剤としてヒドラジンなどが注入される。
【００３６】
蒸気発生器１からは、ブローダウン水２０１として給水流量の１〜３％が電気脱塩装置１００に排出される。
【００３７】
電気脱塩装置１００は、電気脱塩器本体１３０、直流電源１５１、浄化水移送ポンプ１５２、給水系２０に設置された熱交換器１５３、電気脱塩器本体１３０の入口、出口に設置される入口水質測定部１６０、出口水質測定部１７０および電気脱塩装置制御部１４０を有する。
【００３８】
ブローダウン水２０１は入口水質測定部１６０で水質をモニタされた後、電気脱塩器本体１３０に入り浄化され、浄化水２０２と濃縮水２０３が生成される。浄化水２０２は出口水質測定部１７０で水質を再測定された後、浄化水移送ポンプ１５２にて送水され、蒸気発生器１の直前の給水系２０に戻される。また、濃縮水２０３は、熱交換器１５３を経由して系外に排出される。
【００３９】
電気脱塩器本体１３０に設置された電極間へは、電気脱塩装置制御部１４０の制御に基づいた電圧の直流電力が直流電源１５１により供給される。
【００４０】
図２は本実施形態における電気脱塩器本体の構成を示す概念図である。
【００４１】
電気脱塩器本体１３０は、筐体１３１およびこれに収納される一対の電極１３２および一対の隔膜１３３を有する。筐体１３１は、ブローダウン水２０１を受け入れ、その内部でイオン成分を濃縮した後にこの濃縮水２０３と、イオン成分を除去した浄化水２０２とを生ずる。
【００４２】
筐体１３１内は、互いに間隔をあけて互いに平行に配置された一対の隔膜１３３により三つの空間に区切られている。このうち隔膜１３３に挟まれた中央の空間は脱塩部１３５であり、隔膜１３３の外側の空間には筐体１３１の側面に沿って広がる一対の電極１３２が備えられている。この電極１３２は、外部の直流電源１５１により、所定の電圧の直流電力を供給される。
【００４３】
脱塩部１３５では、浄化水２０２が生成される。また二つの濃縮部１３６では、濃縮水２０３が生成される。すなわち、脱塩部１３５に流入したブローダウン水２０１のうちのイオン成分は隔膜１３３を介して濃縮部１３６に移行することにより、ブローダウン水２０１は、浄化水２０２と濃縮水２０３とに分離される。
【００４４】
なお、隔膜１３３は、平板状の平行配置のものを例に挙げたが、同心筒状（円筒状、楕円筒状、角筒状等）のものでもよい。
【００４５】
電気脱塩装置制御部１４０は、入口水質測定部１６０の測定結果である入口水質信号１６０ａと出口水質測定部１７０の結果である出口水質信号１７０ａを用い、供給する直流電力の電圧値を決定し、直流電源１５１に印加電圧指令値１４０ａを出力する。また同様にして決定した流量指令値１４０ｂを浄化水移送ポンプ１５２に出力する。
【００４６】
入口水質信号１６０ａによりブローダウン水２０１の水質が低下している側に移行した場合は、電気脱塩装置制御部１４０は直流電源１５１に対する印加電圧指令信号を増加させる。水質が良くなった場合は、効率を重視して、電気脱塩装置制御部１４０は直流電源１５１に対する印加電圧指令信号を減少させる。
【００４７】
電気脱塩器本体１３０の実験において、温度２８０℃、流量５００ｃｃ／ｍｉｎ、ナトリウムイオン１０ｐｐｂを９０％浄化した時の電圧・電流は４５Ｖ、１０．５ｍＡであった。
【００４８】
しかしナトリウムイオンが隔膜間の距離を移動した時に流れる理論電流は０．０１ｍＡ程度であり、ほとんどが漏洩電流であった。このことから印可した電力はほとんどが漏洩電流であり、オームの法則から印可する電圧・電流が低ければ低いほど失われる電力は小さくなる。
【００４９】
そこで入口水質測定部１６０および出口水質測定部１７０の信号から目標とする浄化水２０２の水質を達成できる最小の電圧・電流にすることにより、電力損失を最小にすることができる。
【００５０】
図３は、本実施形態に係るプラント水処理装置における入口および出口水質測定部の構成を示すブロック図である。
【００５１】
入口水質測定部１６０の入口水質測定部冷却器１６１によって室温程度まで冷却された試験水の水質を測定する機器として第１の導電率計１６２、第１のｐＨ計１６３、第１の溶存酸素計１６４、第１の溶存水素計１６５が配置されている。
【００５２】
また、出口水質測定部１７０の出口水質測定部冷却器１７１によって室温程度まで冷却された試験水の水質を測定する機器として第２の導電率計１７２、第２のｐＨ計１７３、第２の溶存酸素計１７４、第２の溶存水素計１７５が配置されている。
【００５３】
導電率はイオンの濃度を直接的に反映する値であり、１ｐｐｂで０．１μＳ／ｃｍに相当する。しかし上述したようにアンモニアは高温と室温ではイオンのなりやすさが変化し、低温ではイオン化しやすくなるため、アンモニアとそれ以外のイオンの濃度を分けるための指標としてｐＨを用いる。
【００５４】
ｐＨによって算出したアンモニア濃度を差し引いた導電率が除去すべき不純物が寄与した導電率となる。また溶存酸素濃度と溶存水素濃度は鉄やニッケル等がどれくらいイオンになるかの指標となるため、必要がある場合にはその値を制御に組み込んでもよい。
【００５５】
図４は、本実施形態に係るプラント水処理装置の電気脱塩器本体での脱塩率の電圧依存性を示すグラフであり、ＰＷＲの蒸気発生器１のブローダウン水２０１を模擬した温度、圧力で不純物濃度が１０ｐｐｂ程度で行った試験結果である。
【００５６】
なお、この実験では電極間距離は５ｍｍないし１０ｍｍ程度と、通常の実機の蒸気タービンプラントに比べると非常に小さい。横軸は電極間にかけた電圧、縦軸は出入口のイオン濃度測定結果から算出した脱塩率である。電圧をかけることによってアンモニア以外は脱塩率が上昇しており、高い脱塩率は、高い電圧をかけることによって達成できる。
【００５７】
例えば、ブローダウン水２０１が給水流量の１％、給水の導電率が０．１μＳ／ｃｍであるとすると、ブローダウン水２０１は１０μＳ／ｃｍ相当の不純物を処理する必要がある。ナトリウムの電気脱塩器本体１３０の効率が例えば７６％となる６０Ｖで行った場合には浄化水２０２は２．４μＳ／ｃｍで再び給水系２０に戻る。
【００５８】
これが混合していくと０．１３μＳ／ｃｍとなる。それを３０Ｖで行うと効率は４５％まで低下し、０．２２μＳ／ｃｍまで低下する。水質の目標値を０．１３μＳ／ｃｍ以下とすると７７％の効率が必要となり、直線性を仮定すると６１Ｖが必要となる。
【００５９】
しかし０．１５μＳ／ｃｍを目標とすると６７％が目標となり、５１Ｖで十分となる。５１Ｖと６１Ｖとでは抵抗が同じと考えると１．４３倍の電力消費量が異なる。
【００６０】
高温電気脱塩として熱損失は最小としていても、高温脱塩装置を利用することにより熱損失が発生する。そのため入口導電率が小さい場合にはポンプ流量を小さくすれば熱損失を小さくできる。効率の目標を７６％から６７％に落とす場合には流量は０．８８倍でいいことになり、熱損失も０．８８倍になる。
【００６１】
このように、効率の目標値を少し下げることにより、熱損失を大幅に下げることができる。
【００６２】
図５は、本実施形態における電気脱塩装置制御部の構成を示すブロック図である。電気脱塩装置制御部１４０は、引き算部１４１、除算部１４２およびゲイン１４３を有する。
【００６３】
引き算部１４１は、第１の導電率計１６２および第２の導電率計１７２からの各導電率信号を入力とし、第１の導電率計１６２の導電率信号から第２の導電率計１７２の導電率信号を差し引いた値を出力する。
【００６４】
除算部１４２は、引き算部１４１からの導電率の差の値を、第１の導電率計１６２の導電率信号の値で除し、その商を出力する。ゲイン１４３は、除算部１４２の出力に所定の値を乗じて制御信号として、直流電源１５１に印加電圧指令値を、浄化水移送ポンプ１５２側に流量指令値を出力する。
【００６５】
なお、電気脱塩器本体１３０の効率については、実験で確認した値を初期値として用いる。さらに、出入口の水質測定の結果からフィードバックすることにより、より正確な制御をすることができる。効率は一般的には除去率を用いており出口入口の導電率の差を入口導電率で割ったものがそれに相当する。
【００６６】
図６は、本実施形態に係る蒸気タービンプラントの起動および停止時のブローダウン水の温度およびアンモニアの解離の概略を示す図である。
【００６７】
蒸気タービンプラントの起動当初は給水の温度が低く、起動プロセスが進行するに従って給水の温度が上昇する。このため、蒸気発生器１からのブローダウン水２０１も、蒸気タービンプラントの起動当初は温度が低く、順次温度が上昇してくる。
【００６８】
アンモニアがイオンになる割合は２５０℃のときに比べて２５℃のときは約４倍である。このため、プラント起動当初は、アンモニアの解離の割合が大きく、蒸気タービンプラントの起動当初から電気脱塩装置１００を動かすと電気脱塩器本体１３０ではアンモニアを除去してしまう。
【００６９】
そのため図６のように、蒸気タービンプラント起動時には２５０℃を超えるまでは電気脱塩器本体１３０はスタンバイ状態にしておき、温度が高くなってから徐々に通水を開始する。また蒸気タービンプラント停止時においては、２５０℃までは電気脱塩器本体１３０を運転しておき、２５０℃以下になってから電気脱塩器本体１３０をスタンバイ状態に移行させる運転方式を採用する。
【００７０】
以上のように構成されたプラント水処理システムにより、電気脱塩器本体１３０に印加する電圧を極力低減し水質が悪化の場合には印加電圧を増加させることにより、電気的負荷を抑制することができる。特にｐＨを指標に電気脱塩器本体１３０に印加する電圧を制御することにより、アンモニアとそれ以外のイオンの濃度の制御が全体として合理的な形で実現できる。また、通常の蒸気タービンプラントの運転状態ではアンモニア水は分解、イオン化しないことから、浄化水とともに再循環するため、アンモニア等の薬剤消費および熱損失も少ない状態で維持することができる。さらに、特に蒸気タービンプラントの起動、停止時に電気脱塩装置を運転することによるアンモニアの無駄な除去を避けることができ、水質の変化に追随して安定で合理的な水処理を実施することができる。
【００７１】
この結果、水質の変化に追随して安定な水処理を実施することができる。
【００７２】
[第２の実施形態]
図７は、本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７３】
高温電気脱塩のシステムを導入しても、海水リークの対策のため復水脱塩装置１２をなくすことはできない。そのため水質が悪化し、導電率が高くなって蒸気タービンプラントの運転に影響を与える場合には、運転中に復水脱塩装置１２を使用する方式とする。
【００７４】
このため、入口水質測定部１６０および出口水質測定部１７０の両者が設定値を超えた場合、電気脱塩装置制御部１４０からは、復水器４下流側の復水を復水脱塩装置１２に通水する指令を発する。具体的には、復水脱塩塔入口弁１２ａを開とし、復水脱塩塔バイパス弁１２ｂを閉とするよう指令信号を発する。
【００７５】
これにより蒸気発生器1に持ち込まれる不純物濃度が増加した場合に対応して、必要な水質を確保することができ、水質の変化に追随して安定な水処理の機能を確保することができる。
【００７６】
[第３の実施形態]
図８は、本発明に係るプラント水処理装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７７】
たとえば加圧水型原子炉の二次冷却水などには水質基準がある。この水質基準を逸脱すると蒸気発生器１への給水ができなくなることから通常運転状態を維持することができなくなり、原子炉を停止する必要がある。そのため高温脱塩システムの故障や不調は早期に発見する必要がある。
【００７８】
このため高温脱塩システムに異常が発生した場合には、中央制御室にある制御盤１４５に警報を発し、さらに安全のため電気脱塩器本体１３０への電圧印加をやめ、また、浄化水移送ポンプ１５２の停止、電気脱塩装置１００の給水系統からの隔離を実施する。
【００７９】
異常の発見には、浄化水移送ポンプ１５２の振動などの機械的なモニタリング以外には、電圧と電流の関係等のモニタリングが可能である。高温脱塩システムでは、４５Ｖ程度で１セル当たり数十ｍＡ程度を予定していることから、この電流がたとえば２倍以上あるいは半分以下になる場合には装置の故障の可能性が高いため、異常と判定する。
【００８０】
（効果）
本実施形態では、特に電気脱塩装置１００に異常があった場合の処置を加えることにより、水質の異常による蒸気タービンプラントの計画外の停止のような事態を回避し、安定で合理的な運転を実現することができる。
【００８１】
〔その他の実施形態〕
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
【００８２】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第１の実施形態に、第２の実施形態の特徴である復水脱塩装置の運用を併せてもよい。また、第１および第２の実施形態において、第３の実施形態の特徴である制御盤での警報を加えてもよい。
【００８３】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８４】
１ ・・・蒸気発生器（蒸気発生装置）
２ ・・・蒸気タービン
２ａ ・・・高圧タービン
２ｂ ・・・低圧タービン
３ ・・・発電機
４ ・・・復水器
１０ ・・・復水系
１１ ・・・復水ポンプ
１２ ・・・復水脱塩装置
１２ａ ・・・復水脱塩塔入口弁
１２ｂ ・・・復水脱塩塔バイパス弁
１３ ・・・低圧給水加熱器
１４ ・・・脱気器
２０ ・・・給水系
２１ ・・・給水ポンプ
２２ ・・・高圧給水加熱器
２３ ・・・薬液注入装置
１００ ・・・電気脱塩装置
１３０ ・・・電気脱塩器本体
１３１ ・・・筐体
１３２ ・・・電極
１３３ ・・・隔膜
１３５ ・・・脱塩部
１３６ ・・・濃縮部
１４０ ・・・電気脱塩装置制御部
１４０ａ ・・・印加電圧指令値
１４０ｂ ・・・流量指令値
１４１ ・・・引き算部
１４２ ・・・除算部
１４３ ・・・ゲイン
１４５ ・・・制御盤
１５１ ・・・直流電源
１５２ ・・・浄化水移送ポンプ
１５３ ・・・熱交換器
１６０ ・・・入口水質測定部
１６０ａ ・・・入口水質信号
１６１ ・・・入口水質測定部冷却器
１６２ ・・・第１の導電率計
１６３ ・・・第１のｐＨ計
１６４ ・・・第１の溶存酸素計
１６５ ・・・第１の溶存水素計
１７０ ・・・出口水質測定部
１７０ａ ・・・出口水質信号
１７１ ・・・出口水質測定部冷却器
１７２ ・・・第２の導電率計
１７３ ・・・第２のｐＨ計
１７４ ・・・第２の溶存酸素計
１７５ ・・・第２の溶存水素計
２０１ ・・・ブローダウン水
２０２ ・・・浄化水
２０３ ・・・濃縮水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンプラントの復水給水系の高温電気脱塩による水質改善に係るプラント水処理装置、電気脱塩装置の制御方法および蒸気タービンプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に加圧水型原子力発電プラント（以下、「ＰＷＲ」という。）では、蒸気発生器を介して一次冷却系と二次冷却系とに分かれており、一次冷却系内の原子炉で発生した高温高圧水を蒸気発生器で熱交換し二次冷却系側で蒸気を発生させている。
【０００３】
ＰＷＲの二次冷却系では蒸気発生器で発生した蒸気を蒸気タービンに送り、この蒸気タービンをタービン駆動させて発電を行っている。
【０００４】
一方、火力発電プラントでは、ボイラにおいて石炭や石油を燃焼させ水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気で蒸気タービンを駆動して発電を行っている。
【０００５】
いずれの蒸気タービンプラントにおいても、蒸気タービンを駆動して膨張した蒸気は、復水器に導入されここで冷却されて凝縮し復水となる。
【０００６】
この復水は、必要に応じて復水脱塩装置でイオン交換樹脂等によるイオン除去の脱塩処理がなされ、その後、給水加熱器で加熱されて蒸気発生器やボイラに給水として供給される。
【０００７】
ＰＷＲでは、蒸気発生器に供給される水は二次冷却系内の配管や機器等の構造材の腐食抑制の観点から薬剤が注入される。すなわち、ｐＨ調整剤としてアンモニアやアミン化合物、脱酸素剤としてヒドラジンなどが用いられる。
【０００８】
一方、蒸気発生器では、給水により持ち込まれたイオン等の不純物や腐食生成物が濃縮されるため、蒸気発生器内の伝熱管の腐食や伝熱性能低下を発生させる原因となっている。このため、蒸気発生器内の水の一部を排出（ブローダウン）する操作が行われている。
【０００９】
蒸気発生器からのブローダウン水は、復水脱塩装置等の既設の水質浄化設備に導かれて浄化される。ブローダウン水に含まれる薬剤であるｐＨ調整剤は、復水脱塩装置の脱塩処理で除去された後、別途新しい薬剤が注入される。復水脱塩装置でｐＨ調整剤を除去し、別途新しい薬剤を注入することは、復水脱塩装置でのイオン除去負荷を増大させ、薬剤注入コストを増加させる原因となっている。
【００１０】
蒸気発生器のブローダウン水から、復水脱塩装置でのブローダウン水のイオン除去を軽減し、注入薬剤コストを軽減する方法として、復水脱塩装置（復水脱塩塔）をバイパスする手段が特許文献１に開示されている。
【００１１】
特許文献２には、低温の電気再生式脱塩装置で除去したアンモニアをリサイクルする技術が開示されているが、このリサイクル技術においては、除去されるアンモニアと同時に濃縮される陽イオンを分離精製する技術を必要とし、コスト増につながる欠点がある。
【００１２】
これに対し、特許文献３〜６に記載されている高温脱塩システムにおいては、ブローダウン水を高温高圧において電気脱塩する手段を提供している。
【００１３】
アンモニアは高温においてはほとんどイオンにならないため、電気泳動を利用した電気脱塩システムにおいてはほとんど除去されない。それに対し、除去すべきコバルトやナトリウム、鉄等のイオンについては、イオンの性状であるため、除去が可能である。
【００１４】
このため、高温脱塩システムを用いればブローダウン水から不純物イオンのみを選択的に除去でき、薬剤注入によって不純物イオンに比べ高濃度に注入調整されるアンモニアを残存させる脱塩手法を提供することが可能である。
【００１５】
これにより復水脱塩装置におけるイオン除去負荷を軽減させることができ、かつ、アンモニアの薬剤注入コストの軽減を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０００−１７１５８５号公報
【特許文献２】特開平１１−４７５６０号公報
【特許文献３】特開２００９−２６８９９９号公報
【特許文献４】特開２００８−１７８８２６号公報
【特許文献５】特開２００９−２１６４９５号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】原子炉水化学ハンドブック、ｐ．１５８−１６３、コロナ社、２０００年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献３〜６に記載されている高温脱塩システムにおいては、ブローダウン水を高温高圧において電気脱塩する。高温水を電極間に通水し、その電極に電圧をかけることにより、陽イオンはマイナス電極の方向に、陰イオンはプラス電極の方向に移動する。
【００１９】
この電気泳動の原理を利用し、さらにすべての材料を耐熱性にし、また、容器を耐圧性にすることによってブローダウン水の条件である温度約３００℃、圧力約１０ＭＰａにて稼働しようとするものである。
【００２０】
ＰＷＲの二次冷却系における不純物は、蒸気発生器での腐食を抑制するため、塩化物イオン濃度を１００ｐｐｂ以下、ナトリウム濃度を７０ｐｐｂ以下とすることが強く求められている。
【００２１】
この水質を維持するために給水の１〜３％を目途にブローダウンしており、代表的な蒸気タービンプラントでは給水流量が５２００ｔ／ｈであることから、５２〜１５６ｔ／ｈの高温水を処理する必要がある。（非特許文献１を参照）
電気脱塩においては、上記流量を処理するために電極間に５０〜３００Ｖ程度の電圧を与える。装置においては絶縁対策を施すことが考えられているが、ある程度の漏えい電流の発生が避けられず、その量は印加電圧に比例して大きくなる。
【００２２】
この電力は本来不必要なエネルギーであり、電気を作るための発電所で電気を浪費してしまい全体の発電効率を低下させるという課題が発生する。
【００２３】
また、炉水濃度の基準値を超えてしまうと蒸気タービンプラントを停止しなければならず、高温脱塩システムは安定的にまた急な水質の変化にも対応することが求められている。
【００２４】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、系統水に薬剤注入を必要とする蒸気タービンプラントの水処理が、不純物イオン脱塩浄化負荷、アンモニア等の薬剤消費および熱損失が少なく、水質の変化に追随して安定に実施できることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上述の目的を達成するため、本発明に係るプラント水処理システムは、蒸気タービンプラントの復水器の下流側の復水中のイオンを除去する復水脱塩装置と、前記復水脱塩装置の下流側において、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、を具備するプラント水処理システムにおいて、前記電気脱塩装置は、前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、を備え、前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、ことを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る電気脱塩装置の制御方法は、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整を行う蒸気タービンプラントのプラント水処理システムにおける電気脱塩装置の制御方法であって、電気脱塩器本体入口のブローダウン水の水質を検出するステップと、前記電気脱塩器本体出口の浄化水の水質を検出するステップと、入口水質測定部および出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、前記電気脱塩器本体で印加する電圧指令値を演算し直流電源に出力するステップと、前記入口水質測定部および前記出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させるステップと、を有することを特徴とする。
【００２７】
さらに、本発明に係る蒸気タービンプラントは、蒸気発生装置と、前記蒸気発生装置で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させ復水を生成する復水器と、前記復水を前記蒸気発生装置に送水するポンプと、前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、前記復水脱塩装置の下流側において、前記蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、を備える蒸気タービンプラントであって、前記電気脱塩装置は、前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、を備え、前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、系統水に薬剤注入を必要とする蒸気タービンプラントにおける水処理が、不純物イオン脱塩浄化負荷、アンモニア等の薬剤消費および熱損失が少なく、水質の変化に追随して安定に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における電気脱塩器本体の構成を示す概念図である。
【図３】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における入口および出口水質測定部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態の説明のための電気脱塩器本体での脱塩率の電圧依存性を示すグラフである。
【図５】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態における電気脱塩装置制御部の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明に係るプラント水処理装置の第１の実施形態の蒸気タービンプラントの起動および停止時のブローダウン水の温度およびアンモニアの解離の概略を示す図である。
【図７】本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明に係るプラント水処理装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明に係るプラント水処理システムの実施形態について説明する。ここで、同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００３１】
[第１の実施形態]
図１は、本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３２】
蒸気発生器１は、たとえば火力発電所のボイラやＰＷＲの蒸気発生器であって、蒸気を発生させるものである。蒸気発生器１で発生した蒸気は、高圧タービン２ａおよび低圧タービン２ｂを有する蒸気タービン２に送られ、高圧タービン２ａ、低圧タービン２ｂにより熱エネルギーは機械的エネルギーに変換され、発電機３により機械的エネルギーが電気エネルギーに変換され、発電がなされる。
【００３３】
復水器４は海水冷却の熱交換器であり、蒸気タービン２で仕事をした蒸気は、復水器４において海水により冷却され凝縮し復水となる。復水器４から出た復水は復水ポンプ１１によって復水系１０を経由して給水系２０に送られる。
【００３４】
復水系１０は、復水脱塩装置１２、低圧給水加熱器１３、脱気器１４を有する。復水脱塩装置１２は、復水中のイオン成分を除去する。また、脱気器１４は直接接触式の熱交換器であり、復水と加熱用蒸気を混合させることにより復水中の溶存酸素量を低減させる。
【００３５】
脱気器１４を出た復水は、熱交換器１５３を経て、給水ポンプ２１により昇圧され、高圧給水加熱器２２を経て蒸気発生器１に送られる。また、給水系２０には、薬液注入装置２３により、給水のｐＨ調整剤としてアンモニアやアミン化合物、脱酸素剤としてヒドラジンなどが注入される。
【００３６】
蒸気発生器１からは、ブローダウン水２０１として給水流量の１〜３％が電気脱塩装置１００に排出される。
【００３７】
電気脱塩装置１００は、電気脱塩器本体１３０、直流電源１５１、浄化水移送ポンプ１５２、給水系２０に設置された熱交換器１５３、電気脱塩器本体１３０の入口、出口に設置される入口水質測定部１６０、出口水質測定部１７０および電気脱塩装置制御部１４０を有する。
【００３８】
ブローダウン水２０１は入口水質測定部１６０で水質をモニタされた後、電気脱塩器本体１３０に入り浄化され、浄化水２０２と濃縮水２０３が生成される。浄化水２０２は出口水質測定部１７０で水質を再測定された後、浄化水移送ポンプ１５２にて送水され、蒸気発生器１の直前の給水系２０に戻される。また、濃縮水２０３は、熱交換器１５３を経由して系外に排出される。
【００３９】
電気脱塩器本体１３０に設置された電極間へは、電気脱塩装置制御部１４０の制御に基づいた電圧の直流電力が直流電源１５１により供給される。
【００４０】
図２は本実施形態における電気脱塩器本体の構成を示す概念図である。
【００４１】
電気脱塩器本体１３０は、筐体１３１およびこれに収納される一対の電極１３２および一対の隔膜１３３を有する。筐体１３１は、ブローダウン水２０１を受け入れ、その内部でイオン成分を濃縮した後にこの濃縮水２０３と、イオン成分を除去した浄化水２０２とを生ずる。
【００４２】
筐体１３１内は、互いに間隔をあけて互いに平行に配置された一対の隔膜１３３により三つの空間に区切られている。このうち隔膜１３３に挟まれた中央の空間は脱塩部１３５であり、隔膜１３３の外側の空間には筐体１３１の側面に沿って広がる一対の電極１３２が備えられている。この電極１３２は、外部の直流電源１５１により、所定の電圧の直流電力を供給される。
【００４３】
脱塩部１３５では、浄化水２０２が生成される。また二つの濃縮部１３６では、濃縮水２０３が生成される。すなわち、脱塩部１３５に流入したブローダウン水２０１のうちのイオン成分は隔膜１３３を介して濃縮部１３６に移行することにより、ブローダウン水２０１は、浄化水２０２と濃縮水２０３とに分離される。
【００４４】
なお、隔膜１３３は、平板状の平行配置のものを例に挙げたが、同心筒状（円筒状、楕円筒状、角筒状等）のものでもよい。
【００４５】
電気脱塩装置制御部１４０は、入口水質測定部１６０の測定結果である入口水質信号１６０ａと出口水質測定部１７０の結果である出口水質信号１７０ａを用い、供給する直流電力の電圧値を決定し、直流電源１５１に印加電圧指令値１４０ａを出力する。また同様にして決定した流量指令値１４０ｂを浄化水移送ポンプ１５２に出力する。
【００４６】
入口水質信号１６０ａによりブローダウン水２０１の水質が低下している側に移行した場合は、電気脱塩装置制御部１４０は直流電源１５１に対する印加電圧指令信号を増加させる。水質が良くなった場合は、効率を重視して、電気脱塩装置制御部１４０は直流電源１５１に対する印加電圧指令信号を減少させる。
【００４７】
電気脱塩器本体１３０の実験において、温度２８０℃、流量５００ｃｃ／ｍｉｎ、ナトリウムイオン１０ｐｐｂを９０％浄化した時の電圧・電流は４５Ｖ、１０．５ｍＡであった。
【００４８】
しかしナトリウムイオンが隔膜間の距離を移動した時に流れる理論電流は０．０１ｍＡ程度であり、ほとんどが漏洩電流であった。このことから印可した電力はほとんどが漏洩電流であり、オームの法則から印可する電圧・電流が低ければ低いほど失われる電力は小さくなる。
【００４９】
そこで入口水質測定部１６０および出口水質測定部１７０の信号から目標とする浄化水２０２の水質を達成できる最小の電圧・電流にすることにより、電力損失を最小にすることができる。
【００５０】
図３は、本実施形態に係るプラント水処理装置における入口および出口水質測定部の構成を示すブロック図である。
【００５１】
入口水質測定部１６０の入口水質測定部冷却器１６１によって室温程度まで冷却された試験水の水質を測定する機器として第１の導電率計１６２、第１のｐＨ計１６３、第１の溶存酸素計１６４、第１の溶存水素計１６５が配置されている。
【００５２】
また、出口水質測定部１７０の出口水質測定部冷却器１７１によって室温程度まで冷却された試験水の水質を測定する機器として第２の導電率計１７２、第２のｐＨ計１７３、第２の溶存酸素計１７４、第２の溶存水素計１７５が配置されている。
【００５３】
導電率はイオンの濃度を直接的に反映する値であり、１ｐｐｂで０．１μＳ／ｃｍに相当する。しかし上述したようにアンモニアは高温と室温ではイオンのなりやすさが変化し、低温ではイオン化しやすくなるため、アンモニアとそれ以外のイオンの濃度を分けるための指標としてｐＨを用いる。
【００５４】
ｐＨによって算出したアンモニア濃度を差し引いた導電率が除去すべき不純物が寄与した導電率となる。また溶存酸素濃度と溶存水素濃度は鉄やニッケル等がどれくらいイオンになるかの指標となるため、必要がある場合にはその値を制御に組み込んでもよい。
【００５５】
図４は、本実施形態に係るプラント水処理装置の電気脱塩器本体での脱塩率の電圧依存性を示すグラフであり、ＰＷＲの蒸気発生器１のブローダウン水２０１を模擬した温度、圧力で不純物濃度が１０ｐｐｂ程度で行った試験結果である。
【００５６】
なお、この実験では電極間距離は５ｍｍないし１０ｍｍ程度と、通常の実機の蒸気タービンプラントに比べると非常に小さい。横軸は電極間にかけた電圧、縦軸は出入口のイオン濃度測定結果から算出した脱塩率である。電圧をかけることによってアンモニア以外は脱塩率が上昇しており、高い脱塩率は、高い電圧をかけることによって達成できる。
【００５７】
例えば、ブローダウン水２０１が給水流量の１％、給水の導電率が０．１μＳ／ｃｍであるとすると、ブローダウン水２０１は１０μＳ／ｃｍ相当の不純物を処理する必要がある。ナトリウムの電気脱塩器本体１３０の効率が例えば７６％となる６０Ｖで行った場合には浄化水２０２は２．４μＳ／ｃｍで再び給水系２０に戻る。
【００５８】
これが混合していくと０．１３μＳ／ｃｍとなる。それを３０Ｖで行うと効率は４５％まで低下し、０．２２μＳ／ｃｍまで低下する。水質の目標値を０．１３μＳ／ｃｍ以下とすると７７％の効率が必要となり、直線性を仮定すると６１Ｖが必要となる。
【００５９】
しかし０．１５μＳ／ｃｍを目標とすると６７％が目標となり、５１Ｖで十分となる。５１Ｖと６１Ｖとでは抵抗が同じと考えると１．４３倍の電力消費量が異なる。
【００６０】
高温電気脱塩として熱損失は最小としていても、高温脱塩装置を利用することにより熱損失が発生する。そのため入口導電率が小さい場合にはポンプ流量を小さくすれば熱損失を小さくできる。効率の目標を７６％から６７％に落とす場合には流量は０．８８倍でいいことになり、熱損失も０．８８倍になる。
【００６１】
このように、効率の目標値を少し下げることにより、熱損失を大幅に下げることができる。
【００６２】
図５は、本実施形態における電気脱塩装置制御部の構成を示すブロック図である。電気脱塩装置制御部１４０は、引き算部１４１、除算部１４２およびゲイン１４３を有する。
【００６３】
引き算部１４１は、第１の導電率計１６２および第２の導電率計１７２からの各導電率信号を入力とし、第１の導電率計１６２の導電率信号から第２の導電率計１７２の導電率信号を差し引いた値を出力する。
【００６４】
除算部１４２は、引き算部１４１からの導電率の差の値を、第１の導電率計１６２の導電率信号の値で除し、その商を出力する。ゲイン１４３は、除算部１４２の出力に所定の値を乗じて制御信号として、直流電源１５１に印加電圧指令値を、浄化水移送ポンプ１５２側に流量指令値を出力する。
【００６５】
なお、電気脱塩器本体１３０の効率については、実験で確認した値を初期値として用いる。さらに、出入口の水質測定の結果からフィードバックすることにより、より正確な制御をすることができる。効率は一般的には除去率を用いており出口入口の導電率の差を入口導電率で割ったものがそれに相当する。
【００６６】
図６は、本実施形態に係る蒸気タービンプラントの起動および停止時のブローダウン水の温度およびアンモニアの解離の概略を示す図である。
【００６７】
蒸気タービンプラントの起動当初は給水の温度が低く、起動プロセスが進行するに従って給水の温度が上昇する。このため、蒸気発生器１からのブローダウン水２０１も、蒸気タービンプラントの起動当初は温度が低く、順次温度が上昇してくる。
【００６８】
アンモニアがイオンになる割合は２５０℃のときに比べて２５℃のときは約４倍である。このため、プラント起動当初は、アンモニアの解離の割合が大きく、蒸気タービンプラントの起動当初から電気脱塩装置１００を動かすと電気脱塩器本体１３０ではアンモニアを除去してしまう。
【００６９】
そのため図６のように、蒸気タービンプラント起動時には２５０℃を超えるまでは電気脱塩器本体１３０はスタンバイ状態にしておき、温度が高くなってから徐々に通水を開始する。また蒸気タービンプラント停止時においては、２５０℃までは電気脱塩器本体１３０を運転しておき、２５０℃以下になってから電気脱塩器本体１３０をスタンバイ状態に移行させる運転方式を採用する。
【００７０】
以上のように構成されたプラント水処理システムにより、電気脱塩器本体１３０に印加する電圧を極力低減し水質が悪化の場合には印加電圧を増加させることにより、電気的負荷を抑制することができる。特にｐＨを指標に電気脱塩器本体１３０に印加する電圧を制御することにより、アンモニアとそれ以外のイオンの濃度の制御が全体として合理的な形で実現できる。また、通常の蒸気タービンプラントの運転状態ではアンモニア水は分解、イオン化しないことから、浄化水とともに再循環するため、アンモニア等の薬剤消費および熱損失も少ない状態で維持することができる。さらに、特に蒸気タービンプラントの起動、停止時に電気脱塩装置を運転することによるアンモニアの無駄な除去を避けることができ、水質の変化に追随して安定で合理的な水処理を実施することができる。
【００７１】
この結果、水質の変化に追随して安定な水処理を実施することができる。
【００７２】
[第２の実施形態]
図７は、本発明に係るプラント水処理装置を備えた蒸気タービンプラントの第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７３】
高温電気脱塩のシステムを導入しても、海水リークの対策のため復水脱塩装置１２をなくすことはできない。そのため水質が悪化し、導電率が高くなって蒸気タービンプラントの運転に影響を与える場合には、運転中に復水脱塩装置１２を使用する方式とする。
【００７４】
このため、入口水質測定部１６０および出口水質測定部１７０の両者が設定値を超えた場合、電気脱塩装置制御部１４０からは、復水器４下流側の復水を復水脱塩装置１２に通水する指令を発する。具体的には、復水脱塩塔入口弁１２ａを開とし、復水脱塩塔バイパス弁１２ｂを閉とするよう指令信号を発する。
【００７５】
これにより蒸気発生器1に持ち込まれる不純物濃度が増加した場合に対応して、必要な水質を確保することができ、水質の変化に追随して安定な水処理の機能を確保することができる。
【００７６】
[第３の実施形態]
図８は、本発明に係るプラント水処理装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００７７】
たとえば加圧水型原子炉の二次冷却水などには水質基準がある。この水質基準を逸脱すると蒸気発生器１への給水ができなくなることから通常運転状態を維持することができなくなり、原子炉を停止する必要がある。そのため高温脱塩システムの故障や不調は早期に発見する必要がある。
【００７８】
このため高温脱塩システムに異常が発生した場合には、中央制御室にある制御盤１４５に警報を発し、さらに安全のため電気脱塩器本体１３０への電圧印加をやめ、また、浄化水移送ポンプ１５２の停止、電気脱塩装置１００の給水系統からの隔離を実施する。
【００７９】
異常の発見には、浄化水移送ポンプ１５２の振動などの機械的なモニタリング以外には、電圧と電流の関係等のモニタリングが可能である。高温脱塩システムでは、４５Ｖ程度で１セル当たり数十ｍＡ程度を予定していることから、この電流がたとえば２倍以上あるいは半分以下になる場合には装置の故障の可能性が高いため、異常と判定する。
【００８０】
（効果）
本実施形態では、特に電気脱塩装置１００に異常があった場合の処置を加えることにより、水質の異常による蒸気タービンプラントの計画外の停止のような事態を回避し、安定で合理的な運転を実現することができる。
【００８１】
〔その他の実施形態〕
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
【００８２】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第１の実施形態に、第２の実施形態の特徴である復水脱塩装置の運用を併せてもよい。また、第１および第２の実施形態において、第３の実施形態の特徴である制御盤での警報を加えてもよい。
【００８３】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８４】
１ ・・・蒸気発生器（蒸気発生装置）
２ ・・・蒸気タービン
２ａ ・・・高圧タービン
２ｂ ・・・低圧タービン
３ ・・・発電機
４ ・・・復水器
１０ ・・・復水系
１１ ・・・復水ポンプ
１２ ・・・復水脱塩装置
１２ａ ・・・復水脱塩塔入口弁
１２ｂ ・・・復水脱塩塔バイパス弁
１３ ・・・低圧給水加熱器
１４ ・・・脱気器
２０ ・・・給水系
２１ ・・・給水ポンプ
２２ ・・・高圧給水加熱器
２３ ・・・薬液注入装置
１００ ・・・電気脱塩装置
１３０ ・・・電気脱塩器本体
１３１ ・・・筐体
１３２ ・・・電極
１３３ ・・・隔膜
１３５ ・・・脱塩部
１３６ ・・・濃縮部
１４０ ・・・電気脱塩装置制御部
１４０ａ ・・・印加電圧指令値
１４０ｂ ・・・流量指令値
１４１ ・・・引き算部
１４２ ・・・除算部
１４３ ・・・ゲイン
１４５ ・・・制御盤
１５１ ・・・直流電源
１５２ ・・・浄化水移送ポンプ
１５３ ・・・熱交換器
１６０ ・・・入口水質測定部
１６０ａ ・・・入口水質信号
１６１ ・・・入口水質測定部冷却器
１６２ ・・・第１の導電率計
１６３ ・・・第１のｐＨ計
１６４ ・・・第１の溶存酸素計
１６５ ・・・第１の溶存水素計
１７０ ・・・出口水質測定部
１７０ａ ・・・出口水質信号
１７１ ・・・出口水質測定部冷却器
１７２ ・・・第２の導電率計
１７３ ・・・第２のｐＨ計
１７４ ・・・第２の溶存酸素計
１７５ ・・・第２の溶存水素計
２０１ ・・・ブローダウン水
２０２ ・・・浄化水
２０３ ・・・濃縮水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンプラントの復水器の下流側の復水中のイオンを除去する復水脱塩装置と、
前記復水脱塩装置の下流側において、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、
前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、
を具備するプラント水処理システムにおいて、
前記電気脱塩装置は、
前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、
前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、
前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、
前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、
前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、
前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、
を備え、
前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、
ことを特徴とするプラント水処理システム。
【請求項２】
前記入口水質測定部と前記出口水質測定部は、導電率、ｐＨ、溶存酸素濃度または溶存水素濃度のうち少なくとも一の計測項目を対象とすることを特徴とする請求項１に記載のプラント水処理システム。
【請求項３】
前記入口水質測定部は少なくとも導電率を対象とし、
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率の増加に応じて前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値を増加させ、前記直流電源へ出力すること、
を特徴とする請求項２に記載のプラント水処理システム。
【請求項４】
前記入口水質測定部は少なくとも導電率を対象とし、
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率と前記電気脱塩器本体出口の浄化水の導電率との差を前記入口の導電率で除した値の増加に応じて前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値を増加させ、前記直流電源へ出力すること、
を特徴とする請求項２に記載のプラント水処理システム。
【請求項５】
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率と前記電気脱塩器本体出口の浄化水の導電率が所定の値を超えた場合に、前記復水脱塩装置に復水脱塩塔入口弁の開指令および復水脱塩塔バイパス弁の閉指令の信号を出力することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項６】
前記電気脱塩装置制御部は、前記蒸気タービンプラントの起動過程において、初期は前記直流電源から前記電気脱塩装置への電力供給を停止し、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の温度が上昇して所定の値に到達したときに電力を供給するよう、指令信号を前記直流電源に出力する請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項７】
前記電気脱塩装置制御部は、前記蒸気タービンプラントの停止過程において、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の温度が低下して所定の値に到達したときに電力供給を停止するよう、指令信号を前記直流電源に出力する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項８】
前記電気脱塩器本体への印加電圧の測定手段をさらに有し、
前記電気脱塩装置制御部は、測定された前記電気脱塩器本体への印加電圧が所定の値を超える場合は、前記直流電源からの電力供給を停止し、前記浄化水移送ポンプを停止し、かつ前記電気脱塩装置を前記給水系から隔離するように、指令信号を発することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項９】
前記電気脱塩器本体は、
筐体と、
それぞれが前記筐体内の空間を仕切る、互いに間隔をあけて配置された一対の隔膜と、
前記隔膜の外側に配置された一対の電極と、
を有して、前記一対の隔膜と前記筐体とで囲まれた脱塩部と、前記各隔膜と筐体とで囲まれた二つの濃縮部とが前記筐体内に形成されるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラント水処理システム。
【請求項１０】
蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整を行う蒸気タービンプラントのプラント水処理システムにおける電気脱塩装置の制御方法であって、
電気脱塩器本体入口のブローダウン水の水質を検出するステップと、
前記電気脱塩器本体出口の浄化水の水質を検出するステップと、
入口水質測定部および出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、前記電気脱塩器本体で印加する電圧指令値を演算し直流電源に出力するステップと、
前記入口水質測定部および前記出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させるステップと、
を有することを特徴とする電気脱塩装置の制御方法。
【請求項１１】
蒸気発生装置と、
前記蒸気発生装置で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させ復水を生成する復水器と、
前記復水を前記蒸気発生装置に送水するポンプと、
前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、
前記復水脱塩装置の下流側において、前記蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、
を備える蒸気タービンプラントであって、
前記電気脱塩装置は、
前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、
前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、
前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、
前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、
前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、
前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、
を備え、
前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、
ことを特徴とする蒸気タービンプラント。
【請求項１】
蒸気タービンプラントの復水器の下流側の復水中のイオンを除去する復水脱塩装置と、
前記復水脱塩装置の下流側において、蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、
前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、
を具備するプラント水処理システムにおいて、
前記電気脱塩装置は、
前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、
前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、
前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、
前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、
前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、
前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、
を備え、
前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、
ことを特徴とするプラント水処理システム。
【請求項２】
前記入口水質測定部と前記出口水質測定部は、導電率、ｐＨ、溶存酸素濃度または溶存水素濃度のうち少なくとも一の計測項目を対象とすることを特徴とする請求項１に記載のプラント水処理システム。
【請求項３】
前記入口水質測定部は少なくとも導電率を対象とし、
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率の増加に応じて前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値を増加させ、前記直流電源へ出力すること、
を特徴とする請求項２に記載のプラント水処理システム。
【請求項４】
前記入口水質測定部は少なくとも導電率を対象とし、
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率と前記電気脱塩器本体出口の浄化水の導電率との差を前記入口の導電率で除した値の増加に応じて前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値を増加させ、前記直流電源へ出力すること、
を特徴とする請求項２に記載のプラント水処理システム。
【請求項５】
前記電気脱塩装置制御部は、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の導電率と前記電気脱塩器本体出口の浄化水の導電率が所定の値を超えた場合に、前記復水脱塩装置に復水脱塩塔入口弁の開指令および復水脱塩塔バイパス弁の閉指令の信号を出力することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項６】
前記電気脱塩装置制御部は、前記蒸気タービンプラントの起動過程において、初期は前記直流電源から前記電気脱塩装置への電力供給を停止し、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の温度が上昇して所定の値に到達したときに電力を供給するよう、指令信号を前記直流電源に出力する請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項７】
前記電気脱塩装置制御部は、前記蒸気タービンプラントの停止過程において、前記電気脱塩器本体入口のブローダウン水の温度が低下して所定の値に到達したときに電力供給を停止するよう、指令信号を前記直流電源に出力する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項８】
前記電気脱塩器本体への印加電圧の測定手段をさらに有し、
前記電気脱塩装置制御部は、測定された前記電気脱塩器本体への印加電圧が所定の値を超える場合は、前記直流電源からの電力供給を停止し、前記浄化水移送ポンプを停止し、かつ前記電気脱塩装置を前記給水系から隔離するように、指令信号を発することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラント水処理システム。
【請求項９】
前記電気脱塩器本体は、
筐体と、
それぞれが前記筐体内の空間を仕切る、互いに間隔をあけて配置された一対の隔膜と、
前記隔膜の外側に配置された一対の電極と、
を有して、前記一対の隔膜と前記筐体とで囲まれた脱塩部と、前記各隔膜と筐体とで囲まれた二つの濃縮部とが前記筐体内に形成されるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラント水処理システム。
【請求項１０】
蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整を行う蒸気タービンプラントのプラント水処理システムにおける電気脱塩装置の制御方法であって、
電気脱塩器本体入口のブローダウン水の水質を検出するステップと、
前記電気脱塩器本体出口の浄化水の水質を検出するステップと、
入口水質測定部および出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、前記電気脱塩器本体で印加する電圧指令値を演算し直流電源に出力するステップと、
前記入口水質測定部および前記出口水質測定部からの前記水質信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させるステップと、
を有することを特徴とする電気脱塩装置の制御方法。
【請求項１１】
蒸気発生装置と、
前記蒸気発生装置で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出された蒸気を凝縮させ復水を生成する復水器と、
前記復水を前記蒸気発生装置に送水するポンプと、
前記蒸気発生装置からのブローダウン水を浄化する電気脱塩装置と、
前記復水脱塩装置の下流側において、前記蒸気発生装置へ供給される給水のｐＨ調整のためにｐＨ調整剤を注入する薬剤注入装置と、
を備える蒸気タービンプラントであって、
前記電気脱塩装置は、
前記ブローダウン水からイオン分を分離し、イオン分離低減後の浄化水およびイオン分の濃縮された濃縮水を生成する電気脱塩器本体と、
前記電気脱塩器本体における電位差を確保するための直流電源と、
前記浄化水を前記蒸気発生装置への給水系に移送する浄化水移送ポンプと、
前記直流電源の電圧および前記浄化水移送ポンプの流量を制御する電気脱塩装置制御部と、
前記電気脱塩器本体入口の前記ブローダウン水の水質を検出する入口水質測定部と、
前記電気脱塩器本体出口の前記浄化水の水質を検出する出口水質測定部と、
を備え、
前記電気脱塩装置制御部は、前記入口水質測定部と前記出口水質測定部からの信号を入力とし、水質の低下に応じて、前記直流電源への前記電気脱塩器本体への印加電圧指令値と前記浄化水移送ポンプへの流量指令値とを増大させる、
ことを特徴とする蒸気タービンプラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−５２３５４（Ｐ２０１３−５２３５４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２６１５（Ｐ２０１１−１９２６１５）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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