ボイラと蒸気輸送の論点｜形式と循環・過熱器・自動制御・水管理・ボイラ効率・トラップ・ドレン回収【エネ管・熱Ⅳ】

熱Ⅳのボイラと蒸気の輸送・貯蔵の論点を、表と例題で並べました。ボイラの形式・循環・過熱器・制御・水管理・効率と、蒸気の輸送・貯蔵・トラップ・ドレン回収です。

ボイラの分類と構造（丸・水管・貫流） ── 丸は保有水が多く、高圧には水管・貫流

• 節炭器（エコノマイザ）は燃焼ガスの余熱で給水を、空気予熱器は燃焼空気を温める。温める相手が違うだけで、どちらも余熱の回収。
• もっとも多く使われる丸ボイラは炉筒煙管ボイラで、パッケージボイラとして据え付けられる。
• 自然循環水管ボイラは蒸発量 10 t/h 程度以上で使われ、亜臨界以下の圧力なら温度条件などに制限はない。

関連：廃熱回収の考え方

自然循環・強制循環・貫流 ── 高圧ほど自然循環の力は弱まる

• 強制循環は、各水管を通るボイラ水の配分をそろえる配慮をすれば、管を細く薄肉にして重量を減らせる。循環ポンプの能力は十分に確保しておく。
• 自然循環放射ボイラは、亜臨界に近い高圧向けにボイラを高くして循環力を確保し、上部の1個のドラムと炉壁水冷管で構成する。
• 貫流ボイラでは途中のブローを原則として行わない（少量のブローを考える場合がある）。
• 高圧になるほど気水の分離にも工夫が要り、遠心力を使う分離装置などで圧力損失が増える。

関連：蒸気の状態（圧縮液から過熱蒸気まで）

過熱器・再熱器と蒸気温度の特性 ── 負荷増で放射形は下がり、対流形は上がる

• タービンへは、膨張後の湿り度が過大にならないよう過熱蒸気を送る。それでも復水タービンの最終段は湿り度が大きく、水滴によるエロージョン対策が要る。
• 飽和蒸気のまま加熱に使う場合を除き、配管中のドレンによる障害を避けるため、多少過熱した蒸気で送ることが多い。
• 燃料量はボイラの圧力を一定にするのに使っているので、蒸気温度の制御には別の方式を使う（自動制御の論点）。

関連：再生サイクルと再熱サイクル／蒸気タービンの原理と形式

ボイラの自動制御 ── 保有水の少ないボイラは蒸気量・給水量も見る

• ボイラの自動制御は、蒸気の使用量が変わっても圧力・温度・水位などが変わらないよう、燃料・燃焼空気・給水の量を調節する。
• 基本の制御はオンオフ・比例・フィードバック。このうちフィードバック制御は、比率・先行値・カスケード・単要素などの各制御を組み合わせて構成する。
• 給水制御は、給水制御弁か給水ポンプの速度を変えて水位を一定に保つ。
• 貫流ボイラにはドラムのようなクッションがない。給水量がそのまま蒸気の流量になって圧力に響き、燃料量は水1 kg あたりの熱を変えて蒸気温度に響く。

関連：比率制御とフィードフォワード制御／フィードバック制御の構成とブロック線図

ボイラの水管理とキャリーオーバ ── 給水処理とブローで濃縮を抑える

• 高圧・高温の蒸気条件ほどスケールの障害が大きく、溶解固形分の持ち込みを極力防ぐ。
• 丸ボイラなどでアルカリ分が濃縮すると、ドラム内部の脆化・亀裂の原因になる（か性脆化）。
• ブローは高温の水を捨てるので、量が多いほど熱損失が増える。ブロー水の熱を給水の予熱に使えば、損失を大きく減らせる。

関連：自然循環・強制循環・貫流

ボイラの効率と熱損失 ── 排ガス温度を下げるのが効率向上の直接の手段

例題

次のボイラの換算蒸発量とボイラ効率を求めます。

• 蒸発量 W_s＝5,000 kg/h、燃料消費量 G_f＝400 kg/h
• 発生蒸気のエンタルピー h₁＝2,770 kJ/kg、給水のエンタルピー h₄＝380 kJ/kg
• 燃料の低発熱量 H_l＝40,000 kJ/kg

①蒸気1 kg に加えた熱：h₁−h₄＝2,770−380＝2,390 kJ/kg。

②換算蒸発量：5,000×2,390/2,257＝約5,290 kg/h。

③蒸気が得た熱：5,000×2,390＝11,950,000 kJ/h。燃料の熱：400×40,000＝16,000,000 kJ/h。ボイラ効率はその比で約74.7%。

④確かめる：2,390 は 2,257 より大きいので、換算蒸発量は実際の蒸発量より大きい。給水温度が高いと h₁−h₄ が小さくなり、換算蒸発量は小さくなる。

• 燃料の硫黄はおもに SO₂ になり、その一部が SO₃ になって水蒸気と硫酸をつくる。酸露点は SO₃ 濃度が高いほど高く、160℃近くになる例もある。
• 完全燃焼できる範囲で燃焼空気を減らすと、排ガス量が減り排ガス温度も下がって、効率が上がる。
• すす・灰やスケールが付くと伝熱面の熱抵抗が増えて排ガス温度が上がり、効率が下がる。
• 熱勘定の入熱には低発熱量も高発熱量も使う。排ガス中の水蒸気の潜熱回収を考えるときは、高発熱量基準でないと不都合な場合がある。

関連：排ガス損失と顕熱・潜熱の回収／高温腐食と低温腐食／空気比とその燃焼管理上の意味

蒸気の輸送と使い方 ── 加熱には低めの圧力の乾いた飽和蒸気

例題

飽和蒸気 0.5 kg/s を、内径 100 mm と 80 mm の管で送るときの流速を比べます。蒸気の比体積は 0.24 m³/kg とします。

①体積流量：Q＝Gv＝0.5×0.24＝0.12 m³/s。

②内径 100 mm：A＝π×0.1²/4＝0.00785 m²、V＝0.12/0.00785＝約15.3 m/s。

③内径 80 mm：A＝π×0.08²/4＝0.00503 m²、V＝0.12/0.00503＝約23.9 m/s。

④確かめる：内径を 0.8 倍にすると断面積は 0.64 倍で、流速は 1/0.64＝1.56 倍。流速は内径の2乗に反比例し、圧力損失は流速の2乗で増える。この蒸気は中圧の範囲で、目安の 20〜50 m/s に照らすと 100 mm はやや遅く、80 mm は目安に入る。

• 弁や継手からの蒸気漏れは圧力と穴の径で大きく変わるので、送気圧力はなるべく低くする。
• 鋼管は温度差 100 K・長さ 1 m で約 1 mm 伸びる。長い直管は曲管部や伸縮継手で伸びを吸収する。
• 放熱で多量のドレンが生じると、ウォータハンマなどの障害を起こすことがある。

関連：飽和蒸気・乾き度と蒸気表

蒸気アキュムレータ ── 余った蒸気を熱水でためて負荷をならす

• 自己蒸発量は、初めの飽和水と終わりの飽和水のエンタルピー差ぶんだけ蒸発するものとして計算する。ドレンのフラッシュ蒸気とほぼ同じ考え方。
• 変圧式では、ボイラ側と需要側の負荷のバランスを調整する制御が要る。
• 定圧式には、熱水をためたアキュムレータからボイラへ常に給水し、蒸気で所定の温度まで温めておく方式もある。ためた熱水の分だけボイラの容量が増える。

関連：ドレン回収とフラッシュ蒸気

スチームトラップ ── 密度・温度・流れの圧力変化で蒸気とドレンを見分ける

• ディスク式は、ドレンが流れ込むとディスクが押し上げられて開き、蒸気が流れ込むと流れで静圧が下がって閉じる。トラップ上部の蒸気が冷えてドレンになると押し下げる力が減り、再び排出が始まる。
• 上向きバケット形は蒸気漏れが少ないが空気抜きの弁が要る。下向きバケット形はバケット頂部の細孔で始動時の空気を抜く。
• ドレンの流入は自然流下が基本。蒸気配管にはドレンだまりを設け、同じ形の機器を並べるときは個別にトラップを付ける。
• 回収管の圧力損失が増えるとトラップの背圧が上がるので、管内の流速を過大にしない。

関連：蒸気・ドレン配管とスチームトラップ

ドレン回収とフラッシュ蒸気 ── フラッシュ蒸気と熱水を両方回収する

例題

飽和ドレン 1,000 kg/h を低い圧力のフラッシュタンクへ出したときの、フラッシュ蒸気の量を求めます。

• ドレンのエンタルピー h₁′＝720 kJ/kg
• タンク内の圧力での飽和水のエンタルピー h₂′＝420 kJ/kg、蒸発潜熱 r₂＝2,260 kJ/kg
• タンク内の圧力での飽和蒸気の比容積 v₂″＝1.7 m³/kg

①余る熱：h₁′−h₂′＝720−420＝300 kJ/kg。

②質量の割合：300/2,260＝0.133。1,000 kg/h なら約133 kg/h。

③体積：G_s＝0.133×1.7＝約0.23 m³/kg。

④確かめる：蒸発に使う熱は 133×2,260＝約300,000 kJ/h。ドレンの余る熱 1,000×300 と合う。残る約867 kg/h の熱水も、給水などへ戻して回収する。

• ドレンは、できるだけ大気へ逃がさず、高い圧力を保ったまま回収するよう努める。
• 回収は、大気に開放したタンクへ送る方法と、閉じたまま回収側のタンクへつなぐ方法に分けられる。
• フラッシュ蒸気は、空気を温める蒸気ヒータなどで再利用できる。

関連：廃熱回収の考え方

出典：エネルギー管理士試験講座 熱分野Ⅳ（省エネルギーセンター）2編1章 1.2・1.3.2・1.5。同 熱分野・電気分野共通Ⅰ 3編2章 2.2.3・2.2.4。同 熱分野Ⅲ 1編6章 6.2.2

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