[S-VC27] 火山防災の基礎と応用

[SVC27-08] 下向き吸気口から吸引される自由沈降粒子に関する基礎的研究

*尾関 高行¹、酒井 英司¹、西田 啓之¹ (1.一般財団法人　電力中央研究所)

キーワード：火山灰、吸気設備、粒子吸引、数値解析

ガスタービン (GT) とディーゼル発電機 (DG) は、燃料の燃焼のために吸気を必要とするため、火山噴火による降灰現象中に火山灰粒子を取り込む可能性がある。特に重要施設に設置されている非常用発電機では、脆弱性の評価が重要である。火山灰粒子を吸引すると、圧縮機上流に設置された発電機の吸気系のフィルタが目詰まりを起こしたり、圧縮機ブレードが損傷してGTやDGが停止したりする可能性がある。一方で、火山灰の粒子は粒子状物質（PM）よりも大きく重いため、落下速度が速く、慣性も大きくなる。そのため、吸気口付近の火山灰粒子の軌道は、粒子の物性に応じて決定され、気流に追随するPM粒子と異なる。吸気による粒子の取り込みを定量化するために、下向きの開口部を備えた吸気口を備えたチャンバに天井から粒子を落下させる実験と解析による評価を行った。

試験装置はW4.5m×D4.5m×H5.3mのチャンバと吸気ダクト、粒子供給装置で構成され、チャンバの中央の高さ1mに設置された吸気口（W0.24m×D0.24m）から空気が吸引される。粒子供給装置には供給速度を制御できるフィーダを用い、供給した試験粒子はニードルを通して試験チャンバ内に自由沈降させる。このニードルの位置を移動して、入口までの水平距離を変更した。試験粒子には50μmの球形ガラスビーズと70μmの球形樹脂ビーズを用いた。両粒子の終端速度は同程度である。試験では吸気口の平均断面風速が5m/sで安定したところで試験粒子を1g/minで沈降させた。沈降した粒子の一部や吸気ダクトに吸引されてフィルタで回収され、取り込まれなかった粒子はチャンバの床に落下する。吸気口からの距離を試験条件として、供給した粒子の質量に対する吸引した試験粒子の質量の比で定義される吸引質量比を求めた。

数値解析にはソフトウェアOpenFOAM8を用い、ラージエディシミュレーションによる非定常解析を実施した。粒子の解析はラグランジュ的手法であるMP-PIC法とし、粒子と流体の相互作用を考慮するTwo-way couplingを用いた。初めにチャンバ内の流れを解析し、流れが安定した後に試験粒子と同一の粒子径と密度を与えた球形粒子を、試験と同条件で沈降させた。粒子を投入してから十分に時間が経過した30秒以降の流れ場に対して吸引質量比を求めた。

試験および数値解析ともに、いずれの試験粒子でも吸気口からの距離が遠ざかるほど吸引質量比が低くなることを確認した。解析から得られた吸引質量比は、試験で得られた吸引質量比と差異はあるものの、ほぼ同程度になることを確認した。したがって、本解析手法により、球形粒子の吸引を推定できると考えられる。

終端速度が同程度である2種類の試験粉体の吸引質量比の試験結果を比較すると、粒子径の小さいガラスビーズの方が高くなる傾向があるものの、ほぼ同程度であった。解析結果からは、両者にほぼ違いは見られていない。このことから、終端速度が同程度の粒子は吸引質量比も同程度になることが示唆された。終端速度に基づく火山灰の吸引量推定手法を確立するために、引き続き粒子径や粒子形状が異なる粉体での試験を行う。