大阪府立大学

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開始

更新日:2019年9月17日

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開始

―「従来法での計測不能領域を革新的手法により計測可能にする産業プロセス用センサー」の開発がNEDO エネルギー・環境新技術先導研究プログラムに採択―

ポイント

  • 「従来法での計測不能領域を革新的手法により計測可能にする産業プロセス用センサー」の開発をNEDOの委託事業で実施
  • 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度以上の高温下における温度・ひずみ等の状態監視・解析技術を開発
  • 将来的にデジタル空間でプラント状態を再現できるようにすることで、溶接部分にかかる応力分布といった重要な情報に容易に仮想空間上でアクセスすることが可能に

概要

公立大学法人大阪 大阪府立大学(以下、大阪府立大)工学研究科 柴原 正和 准教授、一般財団法人 電力中央研究所(以下、電中研)、中国電力 株式会社(以下、中国電力)、北海道電力 株式会社(以下、北海道電力)、 沖電気工業 株式会社(以下、OKI)、非破壊検査 株式会社(以下、非破壊検査)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)の委託事業である「エネルギー・環境新技術先導研究プログラム」の研究開発項目の一つである「従来法での計測不能領域を革新的手法により計測可能にする産業プロセス用センサー」の開発を実施します。本研究開発では、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度以上の高温下における温度・ひずみ・AE(解説1)計測技術や、光ファイバセンサー用リアルタイム信号処理技術、実構造物の高速クリープ解析技術の開発を行います。

なお、本委託事業は7月24日付で採択され、現在契約手続きを進めております。

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(解説2)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が、起動停止時や負荷変動時に生じる異常過熱によって伝熱管クリープ破断(解説3)やエネルギーロスが生じやすくなるため、異常過熱箇所をリアルタイムで特定することが望まれています。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よるホットスポット(解説4)の検出や、ノズル溶接部に発生するき裂の監視が望まれています。

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、耐久性が低く、一般的なクリープ解析手法は計算に長時間を要することから、超高温で稼動する産業設備の温度分布、ひずみ分布、き裂のオンライン監視とクリープ解析にもとづくリアルタイムでの余寿命評価は不可能でした。

2. 研究目標・実施項目

このたび開始するプロジェクトでは,750度以上の高温下での安定的な計測を実現する光ファイバコーティング技術と、この光ファイバを使った温度・ひずみ・AEセンサー、10cm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センサー用信号処理技術、理想化陽解法FEM(解説5)により従来比100倍以上の高速化を実現することで実構造のクリープ解析を可能にする技術の開発をめざします。

さらに将来的には、今回開発する各要素技術を組み合わせて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(解説6)化を実現していきます。これにより、リアルタイムの状況把握が可能になり、装置の余寿命管理や装置動作への高精度なフィードバックによる省エネルギー化、ならびに熟練の技術者の暗黙知の伝承に繋げていきます。

具体的には、2019年7月から2か年の計画で以下の研究実施項目を推進しています。(詳細は「プレスリリース全文」の別紙参照)

  • 実施項目A:光ファイバ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
  • 実施項目B:光ファイバを750度で長期間使用可能とするためのコーティング技術の開発
  • 実施項目C:750度で長期間使用可能で計測精度の高い光ファイバセンサーの開発
  • 実施項目D:大規模クリープ解析技術およびそれを用いたデジタルツイン技術の開発
  • 実施項目E:オンライン監視システムの構築および実証

3. 将来の社会実装イメージ

高精度なシステムフィードバック制御の説明図

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

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化が実現することで、稼動しているシステムにおけるホットスポットの発生状況、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、装置の省エネ化や長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。

用語解説

解説1 AE(アコースティック・エミッション)

材料や構造物内での損傷にともなって弾性波が生じる現象であり、その弾性波を検出・解析することにより、破壊過程の解明や破壊箇所の見極めが可能となる。

解説2 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度級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度級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ton/年(2015年の全世界CO2総排出量330億tonの6.6%)のCO2排出量削減が可能となる。

解説3 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行く現象)条件下で生じる破断のこと。

解説4 ホットスポット

超高温ボイラ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。

解説5 理想化陽解法FEM:

大阪府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。

解説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。

お問合せ先

研究全般について

電力中央研究所 広報グループ(担当 樋口、林田)

Tel 03-3201-5349

上記以外について

大阪府立大学 広報課 広報グループ(担当 西野)

Tel 072-254-9103