超臨界蒸気発生器
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 | この記事は更新が必要です。理由は、新たな超臨界発電所プロジェクトに関する言及が不足しているためです。（2025年12月） |
超臨界蒸気発生器は、超臨界圧力と温度で動作するボイラーの一種で、電力生産によく使用されます。
蒸気の泡が形成される亜臨界ボイラーとは対照的に、超臨界蒸気発生器は臨界圧力 （22メガパスカル（3,200 psi）、温度374℃（705℉））以上で動作します。これらの条件下では、液体の水の密度は相変化なしに滑らかに減少し、蒸気と区別がつかなくなります。水は高圧タービンで作動して発電機の凝縮器に入るため臨界点以下に低下し、燃料の使用量がわずかに減ります。超臨界蒸気発生器を備えた発電所の効率は、亜臨界蒸気よりも高くなります。これは、熱力学的効率が温度低下の大きさに直接関係しているためです。超臨界圧力では、より高温の蒸気がタービンでより効率的に機械エネルギーに変換されます（カルノーの定理によります）。
技術的には、超臨界圧蒸気発生器では沸騰が発生しないため、「ボイラー」という用語は正しくありません。
超臨界蒸気発生の歴史
現代の超臨界蒸気発生器はベンソンボイラーと呼ばれることもあります。[ 1 ] 1922年、マーク・ベンソンは高圧で水を蒸気に変換するボイラーの特許を取得しました。
ベンソンの構想の背後にある最大の懸念は安全性でした。初期の蒸気発生器は、当時の蒸気タービン開発の最先端技術に相当し、最大約100 バール（10 MPa、1,450 psi）という比較的低い圧力向けに設計されていました。それらの際立った技術的特徴の一つは、リベット留めされた蒸気水分離器ドラムでした。これらのドラムは、ボイラー炉を通過した水で満たされた管が終端される場所でした。
これらのヘッダードラムは部分的に水を満たすように設計されており、水面上にはバッフルで満たされた空間があり、そこにボイラーの蒸気と水蒸気が集められていました。同伴した水滴はバッフルによって集められ、水受け皿に戻されました。ほぼ乾いた蒸気は、ボイラーの分離蒸気としてドラムからパイプで排出されました。これらのドラムはしばしばボイラー爆発の原因となり、通常は壊滅的な結果をもたらしました。
しかし、蒸発分離プロセスを完全に回避すれば、このドラムは完全に不要になります。これは、水が臨界圧力（3,206ポンド/平方インチ、22.10MPa）を超える圧力でボイラーに入り、臨界温度（706°F、374°C）を超える温度まで加熱され、その後（単純なノズルを通して）膨張して、より低い亜臨界圧力の乾燥蒸気を生成することで実現できます。この圧力は、ボイラーの蒸発器セクションの下流に設置されたスロットルバルブで得られます。
ベンソン技術の発展に伴い、ボイラー設計はマーク・ベンソンが提唱した当初のコンセプトから大きく変化しました。1929年、1927年に製作された試験用ボイラーが、ベルリンのガルテンフェルト火力発電所で、スロットルバルブを全開にした亜臨界モードで初めて運転を開始しました。2台目のベンソンボイラーは、1930年にベルリンのケーブル工場で、加圧バルブなしで40～180バール（4～18 MPa、580～2,611 psi）の圧力で運転を開始しました。この特許出願は、現代の可変圧力ベンソンボイラーの誕生を象徴するものでした。この開発後、元の特許は使用されなくなりましたが、「ベンソンボイラー」という名称は保持されました。
1957年：オハイオ州フィロのフィロ発電所6号機は、世界初の商用超臨界蒸気発電ユニットとなり[ 2 ]、超々臨界レベルでの短期運転が可能となった[ 3 ] 。超々臨界温度で運転できるように設計された米国初の石炭火力発電所が開設されたのは2012年、アーカンソー州のジョン・W・ターク・ジュニア石炭火力発電所まで待たなければならなかった[ 3 ]。
貫流蒸気発生器を改善するために、2つの革新が計画されています。
- ベンソンボイラーをベースにした新しいタイプの熱回収蒸気発生器が、イングランド中部のコッタム複合サイクル発電所で正常に稼働しました。
- 石炭火力蒸気発生器の燃焼室壁に設けられた垂直配管は、ベンソン方式の運転上の利点とドラム型ボイラーの設計上の利点を兼ね備えています。最初の参考プラントである中国のヤオモン発電所の建設は2001年に開始されました。
2014年6月3日、オーストラリア政府の研究機関であるCSIROは、23.5MPa（3,410psi）、570℃（1,060℉）の圧力で「超臨界蒸気」を生成したと発表した。これは太陽熱エネルギーの世界記録であると主張している。[ 4 ]
定義
蒸気発生に関するこれらの定義は、アメリカ進歩センターが調査した中国の石炭生産に関する報告書に記載されている。[ 5 ]
- 亜臨界 – 最大705 °F（374 °C）および3,208psi （ 221.2bar ）（水の臨界点）
- 超臨界 – 1,000～1,050 °F（538～566 °C ）まで 。高度な材料が必要
- 超臨界 – 最高1,400 °F (760 °C )、圧力レベル5,000 psi (340 bar ) (指定されていない追加の技術革新により、さらに効率が向上します)
原子力発電所の蒸気は通常、臨界未満の値（U字管式蒸気発生器の場合は77 bar（1,117 psi）、294 °C（561 °F））でタービンに入り、貫流型蒸気発生器の場合は同等の温度と圧力になります。[ 6 ]
「先進超々臨界」（AUSC）または「700℃技術」という用語は、水温が700℃（1,292°F）を超える発電機を指すために使用されることがあります。[ 7 ]
高効率・低排出（HELE）という用語は、石炭業界では超臨界および超超臨界石炭発電を説明するために使用されています。 [ 8 ] [ 9 ]
業界をリードする（2019年現在）三菱日立パワーシステムズは、ガスタービンコンバインドサイクル発電効率（低位発熱量）を、ガスタービン入口温度1,250℃（2,282℉）で55％を大きく下回り、1,400℃（2,552℉）で約56％、1,500℃（2,732℉）で約58％、1,600℃（2,912℉）で64％と記録しており、いずれも（カルノー効率のため）蒸気温度によって依然として制限される超々臨界圧（AUSC）技術の閾値をはるかに上回っています。[ 10 ]
参照
注記
- ^ 「最大限の費用対効果を実現するBENSONボイラー」（PDF） . steam power plant solutions/benson boiler . 2001年. 2016年12月15日閲覧。
- ^ 「Philo 6 蒸気発電ユニット」 ASME 2018年2月12日閲覧。
- ^ a b「米国初の超々臨界発電所が稼働」 POWER Magazine 2013年2月1日2018年2月12日閲覧。
- ^ジェフリー・コリン（2014年6月3日）「CSIRO、太陽光発電による「超臨界」蒸気生成で世界記録を樹立」 gizmag.com 2014年6月9日閲覧。
- ^ 「中国の石炭についてあなたが知っていると思っていることはすべて間違っている」。2021年5月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年2月10日閲覧。
- ^ 「原子力蒸気発生器」。
- ^ Nicol, Kyle (2013年12月).先進超々臨界微粉炭技術の現状(PDF) (報告書).国際エネルギー機関–米国エネルギー協会経由.
- ^石炭火力発電所の廃止に関する調査への意見書。オーストラリア鉱物協議会。12ページ。
- ^ Wiatros-Motyka, Malgorzata.中国、EU、日本、米国の石炭火力発電所におけるHELE技術導入の概要。IEAクリーンコールセンター。9ページ。
- ^ 「ガスタービン」。
外部リンク
