｢高温材料入門」 火力発電の高効率化を目指して

｢高温材料入門」 火力発電の高効率化を目指して

著者 丸山 公一

知能デバイス材料学専攻

丸山 公一

｢高温材料入門」

火力発電の高効率化を目指して

話 の 内 容

• 火力発電の現状

– なぜ高温材料?

• 発電効率向上における材料

の課題

– 蒸気タービン発電 – ガスタービン発電

30% 電力 運搬 (含 自動車) 20% 鉄鋼 13% 一般産業 18% 民生等 19%

発電での

CO

₂

排出削減

は重要課題

地球温暖化

CO

₂

が主原因

CO

₂

発生源

発電が最大

発電の様式

• 蒸気タービン

– 原子力 (CO₂排出無し) 30% – 石炭，石油 (CO₂排出) 35%

• ガスタービン （蒸気タービンと複合)

– LNG (CO₂排出) 25%

• 水力

10%

• 自然エネルギー (太陽光，風力)

0 100 200 300 原子力 LNG火力 LNG複合発電 石油火力 石炭火力 石炭超々臨界圧発電 水力 太陽光 風力 太陽熱 CO₂ 排出原単位 [ g(炭素)/kWh ] 燃料 その他

「CO

₂

の排出原因」

建設，運転，廃棄： 総CO

₂

排出量

火力発電所の 運転中に排出 （燃焼過程が 問題）

原発廃止後の電力供給

火力 原子力 水力 自然エネルギー フランス 10% 77% 11% 2% ドイツ 61% 24% 3% 12% イタリア 81% 0% 13% 6% 原子力の減少を火力で代替。 ドイツでも再生可能エネルギー利用は15% 火力発電は，今後も最も重要 世界全体を見れば，46%が蒸気タービン火力

Carnot Cycle と同様に 高温作動 高効率 CO₂削減

火力発電プラントの熱効率

0 400 800 1200 1600 2000 30 40 50 60 熱効 率 [ % ] 作動温度 [℃] 先進GT– 蒸気タービン GT–蒸気タービン 複合サイクル ガスタービン 沸騰水炉 火力 高速増殖炉 超々臨界 圧火力 高温ガス炉 火力，原子力 高温_GT–GT GT–蒸気 タービン A-USC

発電効率向上における

材料の課題

火力発電プラントの原理

ボイラ過熱器管(小径管) 管寄せ (大径管) 主蒸気管 (大径管)

蒸気発電プラント配管

先進超々臨界圧蒸気： 250～300気圧 (A-USC) 700～800℃ (USC 600o_C) 直径 10cm 直径 60cm，長さ 約200m

許容応力と配管サイズ

火SUS4_10J3TP 薄肉化 温 度 [℃] 許 容 引 張 応 力 [ M P a ] 火ST_PA28 ST_PA 24 600 525 550 575 600 625 650 140 120 100 80 60 40 20 0 5 6 6 ℃ 6 0 0 ℃ 高温化 a

σ

r

p

t



s

a p t 重い 熱疲労 材料の弱点: 高温 になるとs_aが低下

許容応力と配管サイズ

火SUS4_10J3TP 薄肉化 温 度 [℃] 許 容 引 張 応 力 [ M P a ] 火ST_PA28 ST_PA 24 600 525 550 575 600 625 650 140 120 100 80 60 40 20 0 5 6 6 ℃ 6 0 0 ℃ 高温化 a

σ

r

p

t



s

a p t 重い 熱疲労 軽い 熱疲労軽減 運転温度高 温化の実現

許容応力と配管サイズ

火SUS4_10J3TP 薄肉化 温 度 [℃] 許 容 引 張 応 力 [ M P a ] 火ST_PA28 ST_PA 24 600 525 550 575 600 625 650 140 120 100 80 60 40 20 0 5 6 6 ℃ 6 0 0 ℃ 高温化 a

σ

r

p

t



s

a p t 重い 熱疲労 軽い 熱疲労軽減 高強度の高温材料 を開発しないと高温 化はできない

A-USC候補材料の許容応力

0 50 100 150 200 400 500 600 700 800 温度　（℃） 許容引張応力　 （ Ｍ Ｐ ａ） STPA24 (2.25Cr-1Mo) 火STPA28 (Mod.9Cr) 火SUS410J3TP (HCM12A) 火SUS304J1HTB (Super304H) 火SUS310J2TB (NF709R) 火SUS310J1TB (HR3C) HR6W SB167 N06617 (Alloy617) CCA617 SB622 N06230 (Haynes230) Alloy 740 Nimonic263 大径管の開発目標 小径管の開発目標 許容引張応力 （ M P a） 温度 （℃） ５００ ６００ ４００ _７００ ８００ ５０ １００ ０ １５０ ２００ s a フェライト鋼 オーステナイト 系ステンレス鋼 鉄Ni基合金 Ni基合金 A-USC実用化を考える会 主蒸気管の要求値: 700o_{C, 67MPa}

フェライト鋼 オーステナイト 系ステンレス鋼 鉄Ni基合金 Ni基合金 0 50 100 150 200 400 500 600 700 800 温度　（℃） 許容引張応力　 （ Ｍ Ｐ ａ） STPA24 (2.25Cr-1Mo) 火STPA28 (Mod.9Cr) 火SUS410J3TP (HCM12A) 火SUS304J1HTB (Super304H) 火SUS310J2TB (NF709R) 火SUS310J1TB (HR3C) HR6W SB167 N06617 (Alloy617) CCA617 SB622 N06230 (Haynes230) Alloy 740 Nimonic263 大径管の開発目標 小径管の開発目標 温度 （℃） 許容引張応力 （ M P a） ５００ ６００ ４００ ７００ ８００ ５０ １００ ０ １５０ ２００ Ni基： 加工性向上と低コスト化が必要 鉄，鉄Ni基： 薄肉化には高強度化が必要 A-USC実用化を考える会 s a

A-USC候補材料の許容応力

高温材料の設計方針

D

n

s

o m

ε

ε







)

/(

o r

t

D

t



s

n

変形速度が遅い

破断時間が長い

𝛆

_𝐨

が小さい （材料組織に依存）

t

_o

が大きい （材料組織に依存）

D が小さい （母相となる物質に依存）

「

s

_a

_{が高い高温材料の設計」}

1. 母相の選択

拡散係数Dの小さい母相

(現在(600

o

C)はフェライト鋼)

D



m

ε

t

_r



1

/

D

変形速度 = 𝜺 _𝐨 𝝈𝒏 𝑫 破断時間 = 𝒕_𝐨 /(𝝈𝒏 𝑫) 純鉄 FCC 常磁性 BCC FCC or 強磁性 体はDが小さい

拡散係数に対する結晶構造，磁気

変態の影響

700 600o_C 強磁性

HR6W の高温強度と Laves相析出

HR6W (Ni-23Fe-23Cr-7W-0.08C) 10 103 ₁₀5 _[h] Laves相が析出 を続けている間 は，高強度を保 つ。析出が終わ ると，析出物は 凝集し，強度が 低下。 Fe₂Wの 析出 析出物の成長抑 制 高強度化 岡田 (2012) 700o_C

2. 粒子による材料の強化

𝛆 = 𝛆 _𝐨 {s / E}n D

粒子強化材料の高温変形挙動

𝛆 = 𝛆 _𝐨 {(s – s_th) / E}n D しきい応力 s_th ∝ 1 / l l: 析出物の間隔 lを小さく保てば，高強度が維持可能 s_th

l

3

₌

l

o3

+

k

t

析出物凝集(Ostwald成長)の抑制

k

∝ 𝜸 𝑫 𝑪

析出物間隔 l を小さく保てば高強度を維持可能 g : 析出物界面エネルギー D : 元素Mの拡散係数 C : 元素Mの母相中濃度 低い界面エネルギー(整合析出物)，低い母 相中濃度(酸化物)が凝集の抑制に効果的

𝛆 ∝ (

s

–

s

_th

)

n

_,

s

th

∝ 1 /

l

析出物のOstwald成長 （粒子体積比は一定）

耐熱鋼の強化

組織安定性（特に変形中の析出物の成長 挙動）に関する更なる研究を期待したい

発電効率向上における

材料の課題

Carnot Cycle と同様に 高温作動 高効率 CO₂削減

火力発電プラントの熱効率

0 400 800 1200 1600 2000 30 40 50 60 熱効 率 [ % ] 作動温度 [℃] 先進GT– 蒸気タービン GT–蒸気タービン 複合サイクル ガスタービン 沸騰水炉 火力 高速増殖炉 超々臨界 圧火力 高温ガス炉 火力，原子力 高温_GT–GT GT–蒸気 タービン A-USC

ガスタービン

発電機の構造

ガスタービン

発電機の構造

高温のガス中でタービン 動翼が高速回転 動翼が伸びて破壊し ないように運転する タービン 動翼が Key Material

ガスタービン動翼の材料

燃焼ガス温度 1500℃

• 動翼母材

– Ni基超合金 T_m = 1400℃

母材の温度を下げる（900℃付近）

• Thermal Barrier Coating (TBC)

– 熱伝導率の小さい皮膜 (ZrO₂) を利用

Thermal Barrier Coating (TBC)

TBC

TBC blade Conventional blade Cooling

air Coolingair

ΔT Hot gas Temp. Effect of TBC Hot gas _Substrate Bond layer Ceramic layer Top coat Under coat Substrate Cross-section of TBC

Thermal barrier coated blade

100μm

TBC

TBC blade Conventional blade Cooling

air Coolingair

ΔT Hot gas Temp. Effect of TBC Hot gas _Substrate Bond layer Ceramic layer Top coat Under coat Substrate Cross-section of TBC

Thermal barrier coated blade

100μm

動翼が高温で高速回転 伸びる

TBCと冷却で金属温度を下げ，伸びを防ぐ

Under coat (Top coat)

電力の使い方 (日内変動)

火力発電

変動可能

石炭は安価

原子力発電

変動不可

ガスタービンの起動停止

温度変動 (

D

T = 1500 K) の影響

• 母材： Ni基超合金

a = 16.3×10-6K-1

• Under Coat： NiAl + Ni₃Al

a = 15.3×10-6K-1, 17.0×10-6K-1

• Top Coat： ZrO₂-8%Y₂O₃

a = 9.3×10-6K-1

熱サイクル 熱応力 皮膜剥離

De =

ガスタービンの冷却とエネルギー損失

冷却による損失 無冷却動翼にすれば解消

無冷却動翼に必要な材料

• 1500℃以上の融点

• 高温で高強度を持つ

– Ni基超合金の900℃と同等の1500℃の強度

Mo-T

₂

(Mo

₅

SiB

₂

) 2相超高温材料

T₂: 強化相

Mo: 靱性

ガスタービン用材料

CMX10 の 900℃に匹敵する1500℃の強度

900o_{C 1500}o_C

無冷却タービン翼用材料

Mo-T₂ 二相材料

高温強度を維持しつつ，靱性を向上する 今後の研究を期待したい

終 り に

• 火力発電プラントからのCO₂排出の削減に は，プラント作動温度の高温化が不可欠 • 高温で作動可能な火力発電プラントを作る には，高温材料の高強度化が必要 • 作動温度の高温化は，省エネ，省資源の基 盤技術