JP2018193998A - 炉頂圧回収タービンの製造方法及び炉頂圧発電設備の建設方法 - Google Patents

Abstract

【課題】経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる炉頂圧回収タービンの製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、ローター２２と、第１段静翼３４、第１段動翼２４、第２段静翼３６、及び第２段動翼２６が高炉ガスフローの上流側からこの順でローター２２の周囲に配置されてなる２段の静動翼と、ケーシング３２と、を備える炉頂圧回収タービン２０の製造方法において、全ての第１段静翼３４の表面および全ての第２段静翼３６の表面に対して平滑化処理を施す工程を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、炉頂圧回収タービンの製造方法及び炉頂圧発電設備の建設方法に関する。

高炉プラントでは、高炉から排出される高温・高圧の高炉ガスが持つ圧力エネルギー及び運動エネルギーを炉頂圧発電設備によって電力として回収することで、製鉄所内の各工場への電力の供給を行っている。具体的には、炉頂圧発電設備は、静翼及び動翼（以下、「静動翼」とも称する）並びにローターを有する炉頂圧回収タービンと発電機とから構成されている。高炉に接続された炉頂圧回収タービンに高炉ガスが導入されると、高炉ガスが静翼により整流され、その後、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーが動翼により回転エネルギーに変換され、ローターが回転する。そして、ローターに連結された発電機の回転軸が回転することにより電力が得られる。

ここで、高炉から排出される高炉ガスには大量のダストが含まれている。このダストは、高炉プラントに設置されているダスト除去設備によりある程度除去されるものの、炉頂圧回収タービンの入口ダクトにおける高炉ガス中には10.0mg/Nm³(dry)程度のダストが除去されずに残存している。ここで、ダスト雰囲気下で稼働する設備としては、炉頂圧回収タービンの他にガスタービンやガス圧縮機などがあり、これらの設備におけるダスト濃度は1.0mg/Nm³(dry)程度である。そのため、炉頂圧回収タービンは、ガスタービンやガス圧縮機に比べて、非常に高濃度のダスト雰囲気下で稼働するので、高炉ガス中に残存しているダストが静翼の表面に顕著に付着する。このダストの付着に対して、例えば炉頂圧発電設備の稼働中に静翼に対して水噴射等を行って、静翼の表面に付着したダストを除去する試みがなされている。しかしながら、静翼に対して水噴射を行っても、高炉ガスの流れは極めて高速であるので、静翼の表面のうち負圧面に水を衝突させることができないと共に、全ての静翼に水を均一に噴射することができず、静翼の表面に付着したダストを十分に除去しきれない。このように静翼の表面にダストが付着していると、炉頂圧発電設備を長期的に安定かつ効率よく稼働できないという問題が生じる。これらのタービン以外にも蒸気タービンがある。蒸気タービンは、その上流側のフローにおいて汽水分離装置を有しており、タービンの作動流体である蒸気中のクロールやシリカ等の粒子は、この汽水分離装置において除去される。そのため、蒸気タービンでは、粒子の付着に伴う発電効率の低下はさほど問題とならない。蒸気タービンでの問題は、タービン出口側が乾湿交播域となり蒸気の湿り度が高く、水滴によるエロージョンにより動静翼が浸食されて減肉すると、発電効率が低下することである。そのため、蒸気タービンにおいては、ステライトレーザー溶接等の既存の技術を適用することで動静翼の浸食部分を肉盛したり、あるいは動静翼を頻繁に交換したりして、エロージョンに伴う発電効率の低下の抑制を図っている。一方で、炉頂圧回収タービンにおいては、発電効率に対するエロージョンの影響は極めて小さく、ダスト付着の影響が支配的となるので、蒸気タービンほど頻繁には動静翼の交換が行われず、動静翼に対する定期的なダスト除去により、発電効率の低下の抑制を図っている。

炉頂圧回収タービンにおいて、ダスト付着に伴う発電効率の低下を抑制するために、特許文献１には以下の技術が記載されている。すなわち、炉頂圧回収タービンは、一般に複数段の静動翼が交互に配置される構造を有しているが、ダストが特に付着するのは第１段静翼であるので、第１段静翼の表面に親水性皮膜を形成する。これによって、第１段静翼の表面にダストが付着しても、水噴射等の水滴によって親水性皮膜とダストとの間には水膜が形成されるので、このダストは第１段静翼の自己洗浄機能によって容易に剥離される。その結果、炉頂圧発電設備を長期間にわたって安定的かつ効率的に連続運転することができる。

特開２０１２−１９７７１４号公報

近年、鉄鋼の生産量が低下しており、鉄鋼を生産する際に副生される高炉ガスの量も減少している。そのため、高炉ガスを使用する炉頂圧発電設備での発電量も減少し、製鉄所内の各工場が必要とする電力を確保することができないという事態が発生する場合がある。このような事態が発生すると外部電力を購入する必要があり、鉄鋼の生産コストの増大につながる。かかる状況下で、従来のようにダスト付着の抑制に着目して炉頂圧発電設備を長期間にわたって安定的かつ効率的に連続運転し、経時的な発電効率の低下を抑制するだけでは、製鉄所内の各工場が必要とする電力を十分に確保することができない。そのため、初期発電効率そのものを向上させる必要がある。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる炉頂圧回収タービンの製造方法、及び当該炉頂圧回収タービンの製造方法を用いた炉頂圧発電設備の建設方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく炉頂圧回収タービン内の高炉ガスについて流体解析を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、炉頂圧回収タービンには、複数段の静動翼が設けられ、各段の静動翼はそれぞれ複数の翼から構成されているが、全ての第１段静翼の表面に対して平滑化処理を施すと経時的な発電効率の低下を抑制することができることがわかった。さらに、全ての第１段静翼の表面だけではなく全ての第２段静翼の表面に対しても平滑化処理を施すと、経時的な発電効率の低下を抑制するだけではなく、初期発電効率もさらに向上させることができることがわかった。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
（１）ローターと、
前記ローターの外周面に設けられ、かつ前記ローターの周方向に複数配置された第１段動翼と、
前記ローターの外周面の前記第１段動翼の後段側に設けられ、かつ前記ローターの周方向に複数配置された第２段動翼と、
前記ローター、前記第１段動翼、及び前記第２段動翼を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内周面の前記第１段動翼の前段側に設けられ、かつ前記ケーシングの周方向に複数配置された第１段静翼と、
前記ケーシングの内周面の前記第１段動翼の後段側かつ前記第２段動翼の前段側に設けられ、かつ前記ケーシングの周方向に複数配置された第２段静翼と、
を備える炉頂圧回収タービンの製造方法において、
全ての前記第１段静翼の表面および全ての前記第２段静翼の表面に対して平滑化処理を施す工程を有することを特徴とする炉頂圧回収タービンの製造方法。

（２）前記第１段動翼および前記第２段動翼の剪断応力の平均値が、前記平滑化処理を施さない場合の前記第１段動翼および前記第２段動翼の剪断応力の平均値の１．０１倍以上である、上記（１）に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。

（３）全ての前記第１段動翼の表面および全ての前記第２段動翼の表面に対して平滑化処理を施す工程をさらに有する、上記（１）または（２）に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。

（４）前記平滑化処理は、コーティングによって皮膜を形成する処理とする、上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の炉頂圧回収タービンの製造方法により炉頂圧回収タービンを製造し、
前記炉頂圧回収タービンを発電機に連結し、
前記炉頂圧回収タービンを高炉ガスの供給配管に接続することを特徴とする炉頂圧発電設備の建設方法。

本発明によれば、経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる炉頂圧回収タービン及び当該炉頂圧回収タービンを備える炉頂圧発電設備を得ることができる。

本発明の第１の実施形態により得られる炉頂圧回収タービン２０を備える高炉プラントを示す模式図である。 本発明の第１の実施形態により得られる炉頂圧回収タービン２０の、ローター２２の中心軸を通る断面における模式断面図である。 図２に示す炉頂圧回収タービン２０のＩ−Ｉ’断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。まず、図１及び図２を参照して、高炉プラントにおける各設備及び当該高炉プラントでの発電方法の一例を説明する。

まず、図１を参照して、高炉プラントには、高炉２から排出された高炉ガスを、ダストキャッチャ４、散水除塵装置６、及びセプタム弁８をこの順に介して製鉄所内の各工場（不図示）に送る第１の排出配管１０と、散水除塵装置６の下流かつセプタム弁８の上流にて第１の排出配管１０から分岐し、散水除塵装置６を通過した高炉ガスの一部を第１のゴッグル弁１２、危急遮断弁１４、及び調整弁１６をこの順に介して、炉頂圧回収タービン２０に供給する供給配管１８と、炉頂圧回収タービン２０から排出される高炉ガスを第２のゴッグル弁４２を介して製鉄所内の各工場に送る第２の排出配管４４と、が設置されている。また、炉頂圧回収タービン２０は発電機４０に接続されており、炉頂圧回収タービン２０と発電機４０とで炉頂圧発電設備１００が構成される。ダストキャッチャ４は、高炉ガスの流れを変えることにより高炉ガス中の粗いダストを除去する。散水除塵装置６は、高炉ガスに水を噴きかけることにより高炉ガス中の細かいダストを除去する。セプタム弁８は、第１の排出配管１０に設けられ、高炉２の炉頂圧を制御する。第１のゴッグル弁１２は、供給配管１８に設けられ、炉頂圧発電設備１００の稼働に伴い全開し、停止に伴い全閉する。危急遮断弁１４は、供給配管１８の第１のゴッグル弁１２の下流に設けられ、炉頂圧発電設備１００の稼働時に全開しており、異常時に全閉する。調整弁１６は、供給配管１８の応急遮断弁１４の下流に設けられ、炉頂圧回収タービン２０に供給される高炉ガスの流量および圧力を調整する。第２のゴッグル弁４２は、第２の排出配管４４に設けられ、炉頂圧発電設備１００の稼働に伴い全開し、停止に伴い全閉する。

次に、上記高炉プラントにおける炉頂圧発電設備１００を説明する。上述したとおり、炉頂圧発電設備１００は、炉頂圧回収タービン２０と発電機４０から構成される。図２も参照して、炉頂圧回収タービン２０は、ローター２２と、第１段動翼２４と、第２段動翼２６と、第１段静翼３４と、第２段静翼３６と、ケーシング３２と、から構成される。第１段動翼２４は、ローター２２の外周面に設けられ、かつローター２２の周方向に複数配置される。第１段動翼２４は、ローター２２の周方向に等間隔に配置することが好ましい。第２段動翼２６は、ローター２２の外周面の第１段動翼２４の後段側に設けられ、かつローター２２の周方向に複数配置される。第２段動翼２６は、ローター２２の周方向に等間隔に配置することが好ましい。また、第１段動翼２４と第２段動翼２６の数は同数とすることが好ましい。ケーシング３２は、ローター２２、第１段動翼２４、及び第２段動翼２６を収容する。第１段静翼３４は、ケーシング３２の内周面の第１段動翼２４の前段側に設けられ、かつケーシング３２の周方向に複数配置される。第１段静翼３４は、ケーシング３２の周方向に等間隔に配置することが好ましい。第２段静翼３６は、ケーシング３２の内周面の第１段動翼２４の後段側かつ第２段動翼２６の前段側に設けられ、かつケーシング３２の周方向に複数配置される。第２段静翼３６は、ケーシング３２の周方向に等間隔に配置することが好ましい。ここで、炉頂圧回収タービン２０の前段側には、図２に示すように入口ダクト３８が設けられており、入口ダクト３８には図１に示すように供給配管１８が接続される。また、炉頂圧回収タービン２０の後段側の端部は、高炉ガスの出口ダクト（不図示）となっており、出口ダクトには図１に示すように第２の排出配管４４が接続される。また、ローター２２の端部のうち前段側の部分は、発電機４０が備える回転軸（不図示）に同軸となるように連結される。

次に、図１及び図２を参照して、このような高炉プラントでの発電方法の一例を説明する。

図１を参照して、高炉２から排出された高炉ガスは、ダストキャッチャ４及び散水除塵装置６を通過することで、高炉ガス中のダストがある程度除去される。その後、高炉ガスの一部は、供給配管１８を通過して、図２に示す入口ダクト３８より炉頂圧回収タービン２０に流入する。ここで、炉頂圧回収タービン２０に流入する際の高炉ガスは、圧力が２００〜２５０ｋＰａ、温度が５５〜７０℃となっており、この圧力と温度に相当する圧力エネルギー及び運動エネルギーを有している。図２も参照して、流入した高炉ガスは、第１段静翼３４により整流された後に、第１段動翼２４の表面に衝突する。この時、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーの一部がローター２２の回転エネルギーに変換される。その後、高炉ガスは、第２段静翼３６により整流された後に、第２段動翼２６の表面に衝突する。この時、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーのさらに一部がローター２２の回転エネルギーに変換される。そして、このように２段階で変換された回転エネルギーによってローター２２が回転すると、ローター２２と同軸となるように接続された発電機４０の回転軸が回転し発電が行われる。このようにして、高炉プラントでは、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーを電力として回収する。なお、高炉ガスは、第２段動翼２６の表面に衝突した後、出口ダクトから炉頂圧回収タービン２０の外に排出され、第２の排出配管４４を通って製鉄所内の各工場に送られ、燃料として使用される。出口ダクトにおける高炉ガスは、圧力が８〜１０ｋＰａ、温度が２０〜３０℃となっている。

（炉頂圧回収タービンの製造方法の第１の実施形態）
図２及び図３を適宜参照して、本発明の第１の実施形態による炉頂圧回収タービン２０の製造方法を説明する。

まず、図２を参照して、ローター２２、複数の第１段動翼２４、及び複数の第２段動翼２６を準備する。その後、ローター２２の外周面に、その周方向に沿ってこれらの第１段動翼２４を装着する。さらに、ローター２２の外周面のうち第１段動翼２４の後段側に、その周方向に沿ってこれらの第２段動翼２６を装着する。ここで、ローター２２、第１段動翼２４、及び第２段動翼２６の形状および素材は特に限定されず、任意または公知の炉頂圧回収タービンにおけるローターや動翼の形状および素材とすることができる。また、第１段動翼２４および第２段動翼２６の数は特に限定されず、同数とすることが好ましい。また、各第１段動翼２４および各第２段動翼２６は、ローター２２の外周面の周方向に沿って等間隔に配置することが好ましい。また、装着の方法も特に限定されず、例えばボルト等を用いて行うことができる。

次に、図２を参照して、複数の第１段静翼３４および複数の第２段静翼３６を準備する。その後、全ての第１段静翼３４の表面および全ての第２段静翼３６の表面に対して平滑化処理を施す。ここで、各第１段静翼３４および各第２段静翼３６の形状は、特に限定されず、任意または公知の炉頂圧回収タービンにおける静翼の形状とすることができる。また、第１段静翼３４および第２段静翼３６は、それぞれ凹面と凸面とから構成される表面を有しており（不図示）、本実施形態では、凹面と凸面の両方、すなわち表面全体に対して平滑化処理を施す。なお、本明細書における「平滑化処理」とは、平滑化処理後の被処理材の表面の摩擦係数を、平滑化処理前の被処理材の表面の摩擦係数よりも低減させることができる処理を意味する。本発明の特徴的部分は、上記平滑化処理を施す工程であり、その技術的意義については後述する。以下では、本実施形態における平滑化処理の方法を説明する。

本実施形態における第１段静翼３４および第２段静翼３６の基材は、ともにステンレス鋼（ＳＵＳ６３０）であり、この基材の表面にＤＬＣ（Diamond-like Carbon）コーティングを施すことによって平滑化処理を行う。ここで、ＤＬＣとは、ダイヤモンドと黒鉛の中間に位置する材料である。ＤＬＣコーティングを施すと、基材の表面よりも摩擦係数が小さく、高い平滑性を有する皮膜が形成される。皮膜の厚さは３．０μｍ以上５．０μｍ以下とすることが好ましい。３．０μｍ以上であれば、十分な皮膜の耐久性が得られ、５．０μｍ以下であれば、皮膜にひび割れが発生するおそれがないからである。また、皮膜の表面の摩擦係数は、高い平滑性を得る観点から小さいほど好ましく、ボールオンディスク試験（Ａｌ₂Ｏ₃製のボールを荷重１０Ｎで被験面に押下し、摺動させる）において０．９未満とすることが好ましい。なお、本発明における第１段静翼３４および第２段静翼３６の基材は、高硬度のマルテンサイト系ステンレス鋼であれば特に限定されず、ＳＵＳ６３０の他に例えばＳＵＳ４１０等のステンレス鋼を好適に用いることができる。

以下では、第１段静翼３４および第２段静翼３６の各基材の表面にＤＬＣコーティングを施す具体的な方法を説明する。本実施形態では、プラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ：plasma-enhanced chemical vapor deposition）法を用いる。ＰＣＶＤ法では、チャンバーと、チャンバー内の固定台と、パルス電圧印加装置と、ガス導入口と、真空装置と、を有するＰＣＶＤ装置を用いて以下のようにしてＤＬＣコーティングを形成する。まず、固定台に基材を固定する。次に、真空装置によりチャンバー内の空気を排出した後に、Ｃ₂Ｈ₂やＣＨ₄等の原料ガスをガス導入口からチャンバー内に導入する。次に、パルス電圧印加装置によって固定台および基材にパルス状の負電圧を印加する。これによって、原料ガスのプラズマを生成するとともに、生成したプラズマ中の炭素を含む正イオンが負に帯電した基材に誘引され、基材の表面にＤＬＣコーティングが形成される。なお、本発明のコーティング方法は、ＰＣＶＤ法に限定されず、公知のイオン化蒸着法やスパッタリング法を用いてもよい。

次に、図２及び図３に示す第１のケーシング部材２８及び第２のケーシング部材３０を準備する。なお、詳細は後述するが、本実施形態におけるケーシング３２は、第１のケーシング部材２８と第２のケーシング部材３０から構成される。次に、平滑化処理した全ての第１段静翼３４のうち半数の翼を、第１のケーシング部材２８の内周面に、その周方向に沿って装着する。この時、各翼を第１のケーシング部材２８の周方向に沿って等間隔に配置することが好ましい。一方、第１段静翼３４のうち残りの半数の翼を第２のケーシング部材３０の内周面に、その周方向に沿って装着する。この時、各翼を第２のケーシング部材３０の周方向に沿って等間隔に配置することが好ましい。また、平滑化処理した全ての第２段静翼３６のうち半数の翼を、第１のケーシング部材２８の内周面のうち第１段静翼３４の装着位置から高炉ガスフローの下流側に、その周方向に沿って装着する。一方、第２段静翼３６のうち残りの半数の翼を第２のケーシング部材３０の内周面のうち第１段静翼３４の装着位置から高炉ガスフローの下流側に、その周方向に沿って装着する。第１段静翼３４および第２段静翼３６の装着の方法は特に限定されず、例えばボルト等を用いて行うことができる。

次に、図３を参照して、第１のケーシング部材２８に装着した第１段静翼３４と第２のケーシング部材３０に装着した第１段静翼３４とが対向し、第１のケーシング部材２８に装着した第２段静翼３６と第２のケーシング部材３０に装着した第２段静翼３６とが対向するように、第１のケーシング部材２８と第２のケーシング部材３０とを結合してケーシング３２を構成する。これによりローター２２、第１段動翼２４、及び第２段動翼２６がケーシング３２によって収容され、炉頂圧回収タービン２０が得られる。なお、結合の方法については特に限定されず、例えばボルト等を用いることができる。

以下では、全ての第１段静翼の表面および全ての第２段静翼の表面に対して平滑化処理を行うことの技術的意義を作用効果とともに説明する。

経時的な発電効率の低下は、第１段静翼３４を通過する際の高炉ガスフローの乱れを低減させることにより抑制される。すなわち、第１段静翼３４の表面に施した平滑化処理によりその表面が平滑化されると、ダストが第１段静翼３４の表面に付着しにくくなるので、第１段静翼３４を通過する際の高炉ガスフローの乱れが低減する。そのため、経時的な発電効率の低下を抑制することができる。この高炉ガスフローの乱れの低減は、そもそもダストの付着量がごく少量の第２段静翼３６においてはほとんど生じない現象である。

一方で、初期発電効率は、高炉ガスと静翼の表面との摩擦によって生じるエネルギー損を低減させることにより向上する。すなわち、高炉ガスは静翼によって整流されるが、整流時には高炉ガスと静翼の表面との間の摩擦によりエネルギー損が生じるので、高炉ガスが本来持つ運動エネルギー及び圧力エネルギーが減少してしまう。これに対して、静翼の表面に対して平滑化処理を施すと、その表面の摩擦係数が静翼の基材の摩擦係数に比べて減少するので、整流時に生じる摩擦が抑制される。すると、整流時における静翼でのエネルギー損が低減するので、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーの減少が抑制される。そのため、高炉ガスは、静翼に衝突する前の圧力エネルギー及び運動エネルギーに近い状態で、その静翼と同じ段の動翼に衝突することができるので、その動翼における剪断応力を増加させることができる。ここで、動翼における剪断応力は、動翼が装着されたローターの回転エネルギーと密接に関連しており、剪断応力が増加するとローターの回転エネルギーも増加する。つまり、動翼における剪断応力の増加はローターの回転エネルギーの増加に繋がり、結果として初期発電効率が向上する。このエネルギー損の低減は、第１段静翼および第２段静翼の両方において生じる現象である。初期発電効率をさらに向上させる観点から、第１段動翼２４および第２段動翼２６の剪断応力の平均値を、全ての第１段静翼３４の表面および全ての第２段静翼３６の表面に対して平滑化処理を施していない場合における第１段動翼２４および第２段動翼２６の剪断応力の平均値の１．０１倍以上とすることが好ましい。なお、詳細は後述するが、本明細書における「剪断応力の平均値」とは、乱流に対する一般的な数値解析法を用いて、炉頂圧回収タービンにおける高炉ガスフローを解析することで得られる第１段動翼および第２段動翼の剪断応力の平均値を意味する。

（炉頂圧回収タービンの製造方法の第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、全ての第１段動翼の表面および全ての第２段動翼の表面についても平滑化処理を施す以外は、第１の実施形態と同様である。ここで、第２の実施形態において、当該平滑化処理を行う段階は、ローターに第１段動翼および第２段動翼を装着する前に行うことが好ましいが、特に限定されない。また、平滑化処理の方法は、第１の実施形態における説明を援用する。以下では、第１段動翼および第２段動翼に対しても平滑化処理を施す技術的意義を作用効果とともに説明する。

動翼では、動翼に衝突する高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーを回転エネルギーに変換している。しかしながら、高炉ガスが動翼に衝突すると、高炉ガスと動翼の表面との間の摩擦によりエネルギー損が生じるので、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換することができない。これに対して、動翼の表面に対して平滑化処理を施すと、平滑化処理後の動翼の表面の摩擦係数が平滑化処理前の動翼の表面の摩擦係数に比べて減少するので、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーを回転エネルギーに変換する時の摩擦が低減する。すると、上記エネルギー損が減少するので、高炉ガスの圧力エネルギー及び運動エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換することができる。これによって、初期発電効率をさらに向上させることができる。このエネルギー損の低減は、第１段動翼および第２段動翼の両方において生じる現象である。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、例えば以下のような変更を適宜行ってもよい。

第１及び第２の実施形態では、平滑化処理の方法としてＤＬＣコーティングによって皮膜を形成する方法を説明したが、本発明における平滑化処理の方法はこれに限定されない。すなわち、平滑化処理後の静動翼の表面の摩擦係数を平滑化処理前の静動翼の表面の摩擦係数よりも低減させることができる処理であれば、機械的方法による平滑化処理であってもよい。この場合、静動翼の表面に対してグラインダー処理を施すことにより平滑化処理を行う。平滑化処理後の表面の摩擦係数を既述のボールオンディスク試験において０．９未満とすることが好ましい。

また、第１及び第２の実施形態では、２段の静動翼を備える炉頂圧回収タービンの例を示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の炉頂圧回収タービンは、３段以上の静動翼を備えてもよく、これらの静動翼に対して平滑化処理を行ってもよい。

（炉頂圧発電設備の建設方法）
次に、図１を参照して、本発明の炉頂圧発電設備１００の建設方法の一実施形態を説明する。なお、本実施形態では、図２に示す炉頂圧回収タービン２０を用いた場合を例として説明する。

本実施形態では、上述した方法により炉頂圧回収タービン２０を製造し、炉頂圧回収タービン２０のローター２２を発電機４０の回転軸（不図示）と同軸になるように連結し、炉頂圧回収タービン２０の入口ダクト３８を高炉ガスの供給配管１８に接続する。なお、発電機４０は、公知または任意のものを用いればよい。このようにして、図１に示す高炉プラント内に炉頂圧発電設備１００を建設することができる。なお、図１に示す高炉プラントのうち上記以外の各設備の建設方法については、任意または公知の方法により行うことができ、また各設備の詳細については既述の説明を援用する。

本実施形態の炉頂圧発電設備１００の建設方法によれば、経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる炉頂圧発電設備を得ることができる。

以上、本発明の炉頂圧発電設備１００の建設方法の一実施形態を、炉頂圧回収タービン２０を用いた場合を例として説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲内において種々変更可能である。

（炉頂圧発電設備のメンテナンス方法）
炉頂圧発電設備１００を長期間にわたって連続運転すると、炉頂圧回収タービン２０の第１，２段静翼３４，３６の表面は、非常に高濃度のダストを含む高炉ガスとの接触によって次第に平滑ではなくなる。例えば、第１，２段静翼３４，３６が基材の表面にＤＬＣコーティングを被覆してなるものである場合、ＤＬＣコーティングの一部が基材から剥離する。これに起因して、発電効率が低下し、十分な電力を確保することができなくなる。そのため、通常、定期的に炉頂圧発電設備１００のメンテナンスを行う。以下では、図１，２を参照して、炉頂圧発電設備１００のメンテナンス方法を説明する。

最初に、炉頂圧回収タービン２０のローター２２を発電機４０の回転軸（不図示）から分離する。次に、第１のケーシング部材２８を取り外す。これにより、ローター２２、第１段動翼２４、第２段動翼２６、及び第２のケーシング部材３０が露出する。

次に、ローター２２及びローター２２に接続された第１段動翼２４および第２段動翼２６を取り外した後、第２のケーシング部材３０を取り外す。なお、第１のケーシング部材２８および第２のケーシング部材３０の内周面には、第１段静翼３４および第２段静翼３６が装着されている。その後、第１のケージング部材２８および第２のケーシング部材３０から第１段静翼３４および第２段静翼３６を取り外し、全ての第１段静翼３４の表面および全ての第２段静翼の表面に対して平滑化処理を施す。例えば、第１段静翼３４および第２段静翼３６が基材の表面にＤＬＣコーティングを被覆してなるものである場合、グラインダー処理により劣化したＤＬＣコーティングを基材から除去して、基材を超音波洗浄する。その後、基材の表面に再びＤＬＣコーティングを施すことによって平滑化処理を行う。なお、第１段静翼３４および第２段静翼３６に対する平滑化処理に加えて、第１段動翼２４および第２段動翼２６に対しても同様の平滑化処理を行うことが好ましい。平滑化処理の詳細については、既述の説明を援用する。

次に、既述の方法で、炉頂圧回収タービン２０を組み立てた後に、炉頂圧回収タービン２０のローター２２を発電機４０の回転軸（不図示）に連結するとともに、炉頂圧回収タービン２０の入口ダクト３８を高炉ガスの供給配管１８に接続する。

このようにして、炉頂圧発電設備１００のメンテナンスを行うことができる。メンテナンス後の炉頂圧発電設備１００によれば、経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる。このメンテナンス方法は、本発明の炉頂圧回収タービンの製造方法および炉頂圧発電設備の建設方法の一実施形態である。

（発明例）
上述した方法に従って、図２に示す炉頂圧回収タービンを作製した後に、図１に示す高炉プラントに炉頂圧発電設備を建設した。ここで、第１段静翼および第２段静翼の基材はＳＵＳ６３０とした。また、平滑化処理は、全ての第１段静翼および全ての第２段静翼の基材の表面に既述のＰＣＶＤ法を用いてＷＩＮ-ＫＯＴＥ（登録商標）を形成することにより行った。なお、原料ガスは炭化水素系ガスとした。また、形成した皮膜の厚さは４μｍであった。

（比較例１）
第１段静翼および第２段静翼のいずれにも平滑化処理を行わなかった以外は、発明例と同様の製造方法により炉頂圧回収タービンを作製した後に、発明例と同様の方法により高炉プラントに炉頂圧発電設備を建設した。

（比較例２）
全ての第１段静翼にのみ平滑化処理を行った以外は、発明例と同様の製造方法により炉頂圧回収タービンを作製した後に、発明例と同様の方法により高炉プラントに炉頂圧発電設備を建設した。

（評価方法）
各発明例、比較例１、及び比較例２の炉頂圧発電設備に、高炉から排出された高炉ガスを導入して炉頂圧発電設備を稼働し、既述の方法によって発電を９０日間連続して行い、以下の評価を行った。

＜剪断応力の評価＞
テトラメッシュを用いた非構造格子により、各発明例および比較例の炉頂圧回収タービンを以下の条件でモデル化した。そして、乱流の数値解析法として一般的な標準ｋ-εモデル（ｋ：乱流エネルギー、ε：乱流エネルギー散逸率）を用いた有限体積法により、この炉頂圧回収タービンにおける高炉ガスフローを解析することによって、第１段動翼および第２段動翼の剪断応力をそれぞれ得た。表１に、第１段動翼および第２段動翼の剪断応力の平均値を示す。なお、表１では、比較例１の剪断応力の平均値を基準として規格化しており、１よりも大きければ剪断応力を向上させることができたことを意味する。ここで、第１段静翼の枚数は２６枚、第２段静翼の枚数は３６枚とし、これらの翼をケーシングの周方向に沿って等間隔に配置した。また、第１，２段動翼の枚数はそれぞれ２７枚とし、これらの翼をローターの外周面の周方向に沿って等間隔に配置した。また、ローターの直径を９５０ｍｍとし、ケーシングの端部のうち高炉ガスフローの上流側の端部の直径を１６６０ｍｍとし、ケーシングの端部のうち高炉ガスフローの下流側の端部の直径を１７４０ｍｍとし、ケーシングの長さを１２００ｍｍとした。また、平滑化処理を施した静翼の表面の粗さ係数を０（すべり壁（Slip））とし、平滑化処理を施さなかった静動翼の表面の粗さ係数を０．５（すべり無し壁（No Slip））とした。また、流入する高炉ガスの圧力を２４８ｋＰａとし、流出する高炉ガスの圧力を０ｋＰａ（自然流出）とした。また、第１，２段動翼の回転数は３０００ｒｐｍとした。なお、解析範囲は、ローターの周方向に沿って４０°の範囲とし、タービンの解析において一般的に用いられている周期境界条件を使用してローター全周にわたる解析と同じ現象を模擬した。

＜初期発電効率の評価＞
炉頂圧発電設備の稼働開始後、２４時間の発電原単位を時間平均することにより初期発電原単位を算出した。ここで、発電原単位は、単位時間当たりの発電量を単位時間当たりの高炉ガスの発生量で除することにより得られる。評価結果を表１に示す。なお、表１では、比較例１の初期発電原単位を基準として規格化している。初期発電効率が１よりも大きければ、初期発電効率を向上させることができたことを意味する。

＜発電効率の低下率の評価＞
下記（１）式によって発電効率の低下率を算出した。評価結果を表１に示す。発電効率の低下率が１よりも小さければ、発電効率の低下を抑制することができたことを意味する。
[発電効率の低下率]=([初期発電原単位]-[稼働開始から90日後の発電原単位])/([比較例１の初期発電原単位]-[比較例１の稼働開始から90日後の発電原単位])・・・（１）

（評価結果の説明）
比較例１では、発電効率が経時的に低下した。これは、平滑化処理を施さなかった第１段静翼の表面に高炉ガス中のダストが付着し、稼働日数が増すにつれてその付着量が増したことに起因する。比較例２では、発電効率の経時的な低下を比較例１に比べて0.837倍に抑制することができた。これは、平滑化処理により第１段静翼の表面が平滑化されたので、ダストが第１段静翼の表面に付着しにくくなったことに起因する。しかしながら、比較例２では、第１段静翼の表面を平滑化したにもかかわらず、初期発電効率は比較例１に比べて1.034倍であり、初期発電効率をそれほど向上させることができなかった。これは、平滑化処理を施さなかった第２段静翼におけるエネルギー損を抑制することができなかったことに起因する。これに対して、発明例では、発電効率の経時的な低下を抑制することができ、さらに初期発電効率は比較例１に比べて1.096倍であり、初期発電効率を大幅に向上させることができた。これは、第１段静翼の表面に施した平滑化処理により、ダストが第１段静翼の表面に付着しにくくなったことに加えて、第２段静翼の表面にも平滑化処理を施したことにより、第１段静翼および第２段静翼の両方においてエネルギー損を低減させることができたことに起因する。つまり、各静翼におけるエネルギー損を低減することにより、その静翼と同じ段の動翼に送られる高炉ガスの運動エネルギー及び圧力エネルギーの減少を抑制することができた。これにより、各動翼に発生する剪断応力が増加して、動翼が装着されたローターの回転エネルギーが増加した結果、初期発電効率が向上した。

本発明によれば、経時的な発電効率の低下を抑制し、かつ初期発電効率を向上させることができる炉頂圧回収タービン及び当該炉頂圧回収タービンを備える炉頂圧発電設備を得ることができる。

２ 高炉
４ ダストキャッチャ
６ 散水除塵装置
８ セプタム弁
１０ 第１の排出配管
１２ 第１のゴッグル弁
１４ 危急遮断弁
１６ 調整弁
１８ 供給配管
２０ 炉頂圧回収タービン
２２ ローター
２４ 第１段動翼
２６ 第２段動翼
２８ 第１のケーシング部材
３０ 第２のケーシング部材
３２ ケーシング
３４ 第１段静翼
３６ 第２段静翼
３８ 入口ダクト
４０ 発電機
４２ 第２のゴッグル弁
４４ 第２の排出配管
１００ 炉頂圧発電設備

Claims (5)

1. ローターと、
   前記ローターの外周面に設けられ、かつ前記ローターの周方向に複数配置された第１段動翼と、
   前記ローターの外周面の前記第１段動翼の後段側に設けられ、かつ前記ローターの周方向に複数配置された第２段動翼と、
   前記ローター、前記第１段動翼、及び前記第２段動翼を収容するケーシングと、
   前記ケーシングの内周面の前記第１段動翼の前段側に設けられ、かつ前記ケーシングの周方向に複数配置された第１段静翼と、
   前記ケーシングの内周面の前記第１段動翼の後段側かつ前記第２段動翼の前段側に設けられ、かつ前記ケーシングの周方向に複数配置された第２段静翼と、
   を備える炉頂圧回収タービンの製造方法において、
   全ての前記第１段静翼の表面および全ての前記第２段静翼の表面に対して平滑化処理を施す工程を有することを特徴とする炉頂圧回収タービンの製造方法。
2. 前記第１段動翼および前記第２段動翼の剪断応力の平均値が、前記平滑化処理を施さない場合の前記第１段動翼および前記第２段動翼の剪断応力の平均値の１．０１倍以上である、請求項１に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。
3. 全ての前記第１段動翼の表面および全ての前記第２段動翼の表面に対して平滑化処理を施す工程をさらに有する、請求項１または２に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。
4. 前記平滑化処理は、コーティングによって皮膜を形成する処理とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の炉頂圧回収タービンの製造方法により炉頂圧回収タービンを製造し、
   前記炉頂圧回収タービンを発電機に連結し、
   前記炉頂圧回収タービンを高炉ガスの供給配管に接続することを特徴とする炉頂圧発電設備の建設方法。

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