技術紹介

新設火力発電設備における CWT 適用時のボイラ水の水質管理実績
長島陽一 *1

Nagashima Yoichi

古澤進也 *2

Furusawa Shinya

火力発電設備におけるボイラ給水の水質管理は、水質の汚染や劣化に起因するさまざまな障害を未然に防止する重要な技術である。近年では、給水系統の酸化腐食防止の目的で脱酸素剤として用いられていたヒドラジン（約 3％濃度）の使用を、発がん性の観点から抑制する取り組みが進んでいる。ヒドラジンを用いない水処理方法である酸素注入制御による「酸素処理法（OT：Oxygen Treatment）」には、ボイラ化学洗浄時期の延長や pH 調整のための薬品使用量の低減など運用面でのコスト低減の利点が多い。また、酸素処理法にはアンモニアによって pH8.0 ～ 9.3 程度のアルカリ性条件とし、溶存酸素と共存させることで腐食を抑制させる「複合水処理法（CWT：Combined Water Treatment）」がある。この水処理方法の適用時には、給水系統鋼管の内壁に生成される鉄系酸化物の特性上、水中への鉄溶出の低減が期待できる。そのため、CWT（1）適用時には 1 ～ 2ppb 程度の低濃度での全鉄挙動の把握のため、フィルタ濃縮法 による分析方法が推奨されている。本稿では、フィルタ濃縮法による全鉄分析を含め、実際のプラント試運転時における CWT 適用時の水質分析について実績事例を紹介する。
キーワード：水質管理、水質分析、貫流ボイラ、CWT、OT、フィルタ濃縮法、全鉄プラントを安全かつ継続的に運用し、水質に起因1. はじめにする障害や事故を未然に防いでいくためには、高温・高圧環境下にある火力発電設備では、復JIS（日本産業規格）や ASTM（ASTM インターナ

水・給水・ボイラ水などの水質が設備全体の運転ショナル）などの規格に準じた水質分析方法で適に大きな影響を与える。例えば、給水系統内での切に水質管理（監視・評価）をすることが大変重要

腐食発生、スケールの生成・付着や水中から蒸気となる。

中への不純物のキャリーオーバーなどに起因する新設の火力発電設備の起動・運転にあたり、腐障害は、エロージョンに起因した配管噴破による食やスケールの生成・付着などを防ぐために水質蒸気漏れやタービンブレードの破損などプラント純化（水中の不純物を除くこと）する必要がある。

を緊急停止させる重大事故につながりかねず、給特にドラムを敷設していない水管をメインとする電にも大きな影響を与えることになる。そこで、

貫流ボイラでは、比較的小口径の鋼管に通水する*1：計測事業部*2：計測事業部

化学・材料部
化学・材料部

磯子グループ磯子グループ

主査

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（3）ため、鋼管の閉塞や破損には注意が必要である。

食防止に努めている 。しかし、近年は脱ヒドラ

また、その構造から給水系統に含まれる不純物がジンの流れから、CWT が選択されることが多い。

ボイラやタービンに運ばれやすいため、ドラム式

その結果給水系統の全鉄管理目標値について、ボイラと比較して、監視項目は低濃度での水質管AVT と比較するとより低濃度での管理が求めら理が求められる。

れることになった。

水質純化を目的とするボイラ起動工程には、鋼

本稿では、貫流ボイラにおける CWT 適用時の管内の不純物を除去する目的で、給水系統内の通全鉄において、フィルタ濃縮法による分析の概要

水量を増減させることにより懸濁物の溶出を促す

および実績について紹介する。

コールドクリーンアップがあり、ボイラの点火後

2. CWT 適用時における水質管理には鋼管内の水温を変動させることで給水系統内の汚染を除去するホットクリーンアップがある。

CWT では、水中における難溶解性の酸化物をいずれも、懸濁物を多く含む水をブローすること給水系統の鋼管内壁表面に生成・保持することににより給水系統外へ排出させるか、脱塩設備のより、鋼管の腐食および水中への腐食成分の溶出フィルタに通水し循環させることで水質純化を実を抑制することを目的としている。

（2）

施する 。

AVT 適用時に生成されるマグネタイト鉄が、酸クリーンアップ工程中は、水質純化の進捗を判素処理により溶解度の低いヘマタイト鉄へと変化断するために適切な水質管理が必要となる。水質することで、水中への鉄溶出の低減となり、水質管理の項目は複数あるが、ボイラの腐食やスケーの高純度化が期待できる 。これに伴い、水質管ルの生成・付着・堆積に大きく寄与する項目とし理においてもより低濃度の全鉄の監視が重要となて全鉄の水質分析がある。全鉄とは、溶存鉄・懸る。

（4）

濁鉄などさまざまな形態で存在する鉄の総称のこ

ボイラ給水中の全鉄の分析法として多く用いらとを指す。比較的不純物が高く検出されやすいク

れている 2,4,6-トリ-2-ピリジル-1,3,5-トリアジン吸光

リーンアップ工程初期においては、全鉄の挙動が光度法（TPTZ 法）において、加熱濃縮の場合、吸不安定であり、かつクリーンアップ完了水質を高収セル 50mm 使用時の定量範囲は 4 ～ 160mg/L で頻度な分析で迅速に確認し運転次工程へ進めるこある。しかし CWT 適用時には、より高精度かつとが求められることから、迅速な分析が可能であ低濃度域を定量する必要がある。CWT 適用中のプる加熱濃縮法による全鉄定量分析が望ましい。一ラントでの、給水中の鉄の形態は、粒子状のヘマ方、一定の定格負荷連続運転時など運転状況が安タイト鉄および水に溶解したイオン状の溶存鉄で定した時期においては、より低濃度の定量が可能ある。そこで、これに適したフィルタ濃縮法を用となるフィルタ濃縮法での分析が望ましい。

いれば、これらの鉄を捕集・濃縮することにより1mg/L 程度の微量鉄の定量が可能となる。

従来多く採用されている水処理方法である揮発性物質処理法（AVT：All Volatile Treatment）では、フィルタ濃縮法においては、メンブレンフィルアンモニア水により pH を制御し、ヒドラジンにタ（四ふっ化エチレン樹脂製、直径 47mm、孔径より酸素濃度制御している。特に溶存酸素に関し0.4mm）およびキレートフィルタ（基材：四ふっ化ては、ボイラの腐食に大きく関与する項目のたエチレン樹脂製、樹脂：イミノ二酢酸（IDA）型、め、低濃度を維持しつつ pH を調整することで腐直径 47mm、樹脂サイズ 10mm、または同等の性能—36—

をもつもの）の 2 種類を使用する。

タで鉄を捕集できることを確認しておく。また、

図 1 に示すように、減圧ろ過用焼結ガラス製試料のフィルタへの通水後、水 20mL を通水させフィルタホルダー（ろ紙ホルダー）をマニホールドることでフィルタを洗浄する。と呼ばれる管に接続し、吸引ホースおよび真空ポ洗浄後、メンブレンフィルタのみをフィルタホンプをマニホールドの一端に取り付け、吸引するルダーからコニカルビーカーへ移す。メンブレンことで迅速にフィルタへの通水が可能となる。

フィルタを入れたコニカルビーカーを受器とし次に、図 2 に示すように、メンブレンフィルタて、キレートフィルタに塩酸（3mol/L）を 10mL ずおよびキレートフィルタを塩酸（3mol/L）で洗浄

つ 100mL 添加し、キレートフィルタで捕集した鉄し、フィルタホルダーへ取り付ける。この際、下を溶出させる（図 4）。
塩酸溶出後、20mL 程度まで加熱濃縮し（図 5）、からキレートフィルタ、メンブレンフィルタの順に取り付ける。

冷却後にメンブレンフィルタを取り出し水で洗浄その後、フィルタホルダーにファンネルを取り後（図 6）、再度 10mL まで加熱濃縮する。以降は付け、クランプにより固定し（図 3）、水、塩酸

加熱濃縮法と同様、各種試薬を添加・発色させ、（3mol/L）、 酢 酸 ア ン モ ニ ウ ム 溶 液（0.1mol/L）を100mL に定容したのち波長 595nm 付近の吸光度をフィルタへ通水させることで、フィルタに付着し測定することで全鉄を定量する。
AVT 運用時における水質分析結果の一例を表 1ている鉄の除去およびキレートフィルタを活性化させる。に示す。全体を通して溶存酸素濃度は低く、全鉄続いて、試料を 1000mL 採取し、フィルタへ通の定量値はおおよそ 20mg/L を推移した。

水させ試料中の鉄をフィルタに捕集させる。この一方、当社が CWT 適用プラントで実施した水とき、試料の pH は 5.5 以上とし、キレートフィル質分析結果の一例を表 2 に示す。ここで全鉄につ

図1

ろ紙ホルダーの設置

図2

フィルタ洗浄・取付

図3

ファンネルの設置

図4

塩酸による鉄の溶出

図5

フィルタの加熱濃縮

図6

フィルタ洗浄・取出—

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表1

サンプリング箇所

AVT 運用時の水質（一例）

表2

CWT 切替後の水質（一例）

AVT 運用時（CWT 切替前）

CWT 運転時△△月□□日（650MW）〇〇月××日（650MW）

pH
酸電気（25℃） 伝導率

全鉄

サンプリング箇所

溶存酸素（－） （mS/cm）（mg/L）（mg/L）
復水ポンプ
出口

9.51

0.110

26脱気器入口

9.54－

15脱気器出口

9.51－

節炭器入口

9.53

0.087

ボイラ出口
主蒸気

9.51

0.068

5pH
酸電気（25℃） 伝導率

全鉄

溶存酸素

（－） （mS/cm）（mg/L）（mg/L）<2復水ポンプ出口

9.310.078

224<2脱気器入口

9.30－<5982329<2※

脱気器出口

9.29－26<2

節炭器入口※

9.300.075<1110

3ボイラ出口
主蒸気※9.320.078<155※：フィルタ濃縮法による分析箇所
いて、フィルタ濃縮法による分析箇所は、※をつボイラ検出された（点線部）。これは、濃度制御下けた脱気器出口、節炭器入口、およびボイラ出口で注入している酸素が給水系統内に充てんされて主蒸気である。データは酸素注入から十分日数がいることを示し、酸化被膜形成が進行することでたった時点で採取した水質だが、鉄の定量値は、安定状態となり、酸素が飽和状態となることでボCWT 適用時の安定状態においてはおおよそ検出

イラ出口主蒸気から検出されたことを示している下限以下となった。また、溶存酸素は給水系統（脱と考えられる。
同時に溶存酸素差分（×印）は減少傾向にあり、気器入口、節炭器入口）で検出されている。
図 7 に CWT 切替後の、 節炭器入口（ECO in：負荷静定時における全鉄、酸電気伝導率（陽イオEconomizer Inlet：■印）とボイラ出口主蒸気（MS：ン交換樹脂通水による揮発性物質除去後の電気伝Main Steam：□印）での溶存酸素量およびその差分導率）についても安定している。このことから、給（×印）を示す。酸素注入直後は、ボイラ出口主蒸水系統内においてヘマタイト鉄の酸化被膜が安定気で溶存酸素が検出されなかったが、15 日後には形成されつつあると考えられる。

図7

CWT 切替期間中の溶存酸素の推移—38—

機の動向からも、今後の JIS の改正への影響や、3. まとめより高水準での水質管理が求められることが予想

火力発電設備において、CWT による水処理をされる。当社においても、本手法をはじめ、水質採用する場合には、より高精度な水質管理が求め評価技術の発展による規格改正をタイムリーに反られる。本稿では微量の全鉄の定量分析方法とし映しながら、実際の現場運用における経験・知見て、フィルタ濃縮法による分析実績について紹介を今後も積んでいく所存である。本稿が現場分析した。

評価の一例として役立てば幸いである。

フィルタ濃縮法は 2016 年の JIS 改定に伴い新た参考文献に制定された手法のため、加熱濃縮法と比較して実績が少ない。今回、実際の CWT 適用中のプラ（1） JIS B 8224:2022：ボイラの給水，ボイラ水及ントにおいて、微量の全鉄の定量分析方法としてび蒸気の質－試験方法、一般財団法人日本規フィルタ濃縮法を採用し、酸化被膜の安定形成の格協会、p.115（2） 飯田ら：酸素処理適用ボイラにおけるパウ評価として有効な結果を得ることができた。
火力発電設備現場における今後の水質管理におダースケール排出対策と効果について、火力いて、本手法を用いる現場分析の機会は増大する

原子力発電、Vol.71、No.10、2020、pp.435-441ことが予想される。近年では CWT 適用によるプ（3） JIS B 8223:2021：ボイラの給水，ボイラ水及ラントの実運用のなかで、ヒドラジン無使用かつび 蒸 気 の 質、 一 般 財 団 法 人 日 本 規 格 協 会、溶存酸素の微共存とした、新しい AVT 基準によるp.18運用が試され、成功事例が挙げられている。一方、（4） 一般社団法人火力原子力発電技術協会：火力

すでに CWT 適用によるプラント運用実績が各社

発電プラントにおける水質管理ハンドブッで培われているなか、CWT 特有の事象である、火ク、2018、p.33

炉壁におけるパウダースケール発生への対策も模（5） JIS B 8223:2021：ボイラの給水，ボイラ水及索されている。一因とされている低圧ヒータードび 蒸 気 の 質、 一 般 財 団 法 人 日 本 規 格 協 会、レン系統からの鉄の流入を抑制するため、2015 年

p.62（6） JIS B 8223:2021：ボイラの給水，ボイラ水及改正の JIS において pH 管理基準が引き上げられて（5）び 蒸 気 の 質、 一 般 財 団 法 人 日 本 規 格 協 会、おり 、給水の全鉄濃度管理目標値についても（6）< 2mg/L とすることを推奨している 。こうした実

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