プレスリリース
2022 年 5 ⽉ 26 ⽇

沖電気⼯業株式会社
中国電⼒株式会社
⼀般財団法⼈電⼒中央研究所

光ファイバーセンサーを⽤いた空間分解能 10 cm での温度計測技術を開発〜750℃で⻑時間使⽤でき最⾼ 950℃まで計測可能であることを実証〜
ポイント
・「超⾼温設備の⾰新的オンライン監視システムの技術開発」を NEDO の委託業務で実施
・次世代⽕⼒発電プラントの配管や化学プラントの反応装置などの 750℃以上の⾼温下における温度分布の監視技術を開発
概要
沖電気⼯業株式会社(社⻑執⾏役員︓森 孝廣、本社︓東京都港区、以下、OKI)、中国電⼒株式会社(代表取締役 社⻑執⾏役員︓清⽔希茂、本社︓広島県広島市、以下、中国電⼒)、⼀般財団法⼈電⼒中央研究所(理事⻑︓松浦昌則、本部︓東京都千代⽥区、以下、電中研)は、次世代⽕⼒発電プラントや化学プラントなどの超⾼温設備の運⽤課題に着⽬した温度計測技術を開発しました。伝熱管や反応装置など、精密かつ超⾼温となる設備の異常をリアルタイムに検出するため、750℃以上の環境下で動作し、空間分解能 10 cm で光ファイバーに沿った温度分布を計測可能とする次世代の技術です。これにより超⾼温設備の負荷変動時に⽣じる異常過熱をリアルタイムに解析することができ、装置の省エネ化や⻑寿命化に貢献します。
この成果は、国⽴研究開発法⼈ 新エネルギー･産業技術総合開発機構(以下、NEDO)の委託業務(JPNP14004)の結果得られたものです。
１．背景
わが国で技術開発が進められている次世代⽕⼒発電プラント(*1)は、再⽣可能エネルギーの出⼒変動を調整する役割が期待されています。しかし、起動停⽌時や負荷変動時に⽣じやすい異常過熱により、伝熱管クリープ破断(*2)やエネルギーロスを引き起こす課題があります。また、化学プラントのような⾼温反応装置では、不均⼀な化学反応に起因するホットスポット(*3)の発現による安全性や効率、耐久性の低下が課題となっています。
しかしながら既存の⾼温⽤センサーは、計測精度、空間分解能、耐久性を両⽴できず、超⾼温で稼動する産業設備の温度分布から異常過熱箇所をリアルタイムで把握することは困難でした。
２．研究⼿法・成果の特徴
本研究では、750℃以上の⾼温下での安定的な計測を実現する光ファイバーコーティング技術と、この光ファイバーを使ったセンサー技術、10 cm の分解能でリアルタイムでの温度分布計測を実現する光ファイバーセンサー⽤信号処理技術を開発しました。さらに、ボイラー伝熱管への敷設⽅法を開発し、伝熱管の模擬環境としてプロパンバーナー燃焼ガス中に保持した SUS(*4)管の表⾯温度計測に適⽤することで、750℃での⻑時間使⽤と、最⾼ 950℃までの計測、さらに 750〜900℃の超⾼温において⼀般的な熱電対と同等の精度での温度計測が可能であることを実証しました。

３．将来の社会実装イメージ
NEDO 委託業務(JPNP14004)には電中研、中国電⼒、OKI、北海道電⼒株式会社、⼤阪府⽴⼤学（現︓⼤阪公⽴⼤学）、⾮破壊検査株式会社が参画し、750℃以上の⾼温下での安定的な計測を実現する光ファイバーコーティング技術と、この光ファイバーを使ったセンサー技術、10 cm の分解能でリアルタイムでの温度・ひずみ分布計測を実現する光ファイバーセンサー⽤信号処理技術、理想化陽解法 FEM(*5)による従来⽐ 100 倍以上の⾼速化で実構造のクリープ解析を可能にする技術の開発を⾏いました。今後、上記の要素技術を組み合わせ、超⾼温下で動作する設備・機器をデジタルで完全に再現するデジタルツイン(*6)を実現していきます。
超⾼温環境下で動作する⼤規模な産業システムのデジタルツインが実現することで、稼動しているシステムにおけるホットスポットの発現状況、溶接部分の応⼒分布といった重要な情報に、仮想空間上で容易にアクセスすることが可能になります。これらのデータから装置の余寿命を予測したり、データをフィードバックして装置の動作を制御したりすることが容易になるため、装置の省エネ化や⻑寿命化が期待できます。さらに、このフィードバック制御を短時間で繰り返すことで装置の余寿命の予測精度が⾶躍的に向上することが期待できます。

図︓デジタルツイン技術による⾼精度なシステムフィードバック制御＜⽤語説明＞*1 次世代⽕⼒発電プラント︓
現状の発電⽅式に⽐べ発電効率が 10%程度以上⾼い、将来の⾼効率の発電⽅式のプラントの総称である。具体的には、A-USC(先進超々臨界圧)、1700℃級 GTCC(超⾼温ガスタービン複合発電)、GTFC(ガスタービン燃料電池複合発電)、IGFC(⽯炭ガス化燃料電池複合発電)、1700℃級 IGCC(⽯炭ガス化複合発電)、⽔素ガスタービン発電プラント等であり、今後、世界中のプラントでこれらの発電⽅式に置き換えることができれば、発電効率を現状の平均 35%から 45%に向上でき、世界で 22 億トン/年(2015 年の全世界 CO2 総排出量 330 億トンの 6.6%)の CO2 排出量削減が可能となる。
*2 クリープ破断︓
クリープ(⾼温下において物体に⼀定の応⼒を加えると時間とともに変形していく現象)条件下で⽣じる破断のこと。

*3 ホットスポット︓
超⾼温ボイラーの燃焼が不安定になると、伝熱管の表⾯が局所的に加熱されることがある。また化学プラントの⾼温反応装置も反応が局所で急激に進むことがあり、それらの⾼温集中エリアをホットスポットと呼ぶ。これが発⽣すると、エネルギーロスや安全性の低下を引き起こす。
*4 SUS
鉄にクロムなどを合⾦したステンレス鋼の総称。耐⾷性、耐熱性に優れる SUS304 が代表的である。
*5 理想化陽解法 FEM︓
⼤阪公⽴⼤学が開発した超⾼速シミュレーション⼿法。主に溶接解析⽤として産業⽤に広く使⽤されている。
*6 デジタルツイン︓
実空間上にある物理情報(機器や設備の稼働状況、環境情報など)をリアルタイムで収集する⼀⽅、仮想空間上においてもシミュレーションを実施することで、未来の物理情報を予測する⽅法。
＜関連リンク＞
2019 年度「エネルギー・環境新技術先導研究プログラム」公募採択テーマ⼀覧︓

https://www.nedo.go.jp/content/100895623.pdf

以 上

別紙
【技術開発の概要】
A. 光ファイバーセンサーの空間分解能向上のための信号処理技術の開発（担当機関︓OKI）
光ファイバーの温度変化やひずみを、光ファイバーを伝搬する光信号の反射光に⽣じる周波数変化から精度良く抽出する⾃⼰遅延ホモダイン信号処理⽅式(*)を新規に開発し、⻑さ 500m の光ファイバーの任意の場所に⽣じた温度とひずみの変化を 10 cm の位置精度で瞬時に計測する技術を実現しました。

図 1︓⾃⼰遅延ホモダイン光ファイバーセンサーの原理

B. 光ファイバーを 750℃で⻑期間使⽤可能とするためのコーティング技術の開発（担当機関︓電中研）

C. 750℃で⻑期間使⽤可能で計測精度の⾼い光ファイバーセンサーの開発（担当機関︓電中研、中国電⼒）
800℃以上での⻑時間保持によって耐久性を確認した Au コートファイバーと、取り付け時のファイバー表⾯の損傷を防⽌するための保護管(SUS304)から構成される光ファイバーセンサーを開発しました。また、実機ボイラー伝熱管を損傷させずにセンサーを取り付けることが可能なフランジカバーを開発しました。

D. 光ファイバーセンサーの実証試験（担当機関︓電中研、中国電⼒、OKI）
伝熱管を模擬した円管試験⽚(SUS304、直径 60.5mm、厚み 4mm)をプロパンバーナー燃焼ガス中に保持し、750℃から 950℃まで 50℃刻みで温度を上昇させ、各温度で 1 時間保持する試験の結果、750〜900℃では光ファイバー温度センサーの精度が JIS C1602 K 基準熱電対クラス 1 と同等の精度であることが確認できました。さらに、950℃で計 11 時間保持する試験の結果、センサーが断線することなく温度を計測できたことから、開発したセンサーが 750℃換算で 16 年間相当の耐久性を有することが⽰されました。

図２︓⾼温保持中の温度計測結果

＜⽤語説明＞* ⾃⼰遅延ホモダイン信号処理⽅式︓
検出すべき光信号を⼆分岐した後、⼀⽅を時間的に少し遅らせて再び合波することにより、同じ信号の時間的に異なる部分同⼠を⼲渉させる⽅式。光信号に周波数変化があると、周波数変化の程度によって⼲渉波形が変化するため、⼲渉波形の変化から光信号に⽣じた周波数変化を逆算することが可能となる。
以 上