移動式ボイラー（ポーランド、タルノフスキェ・グルィの歴史的な銀鉱山に
保存）。
定置式ボイラー
（米国）。

ボイラーは、流体（通常は水）を加熱する密閉容器です。流体は必ずしも沸騰するわけではありません。加熱または気化した流体はボイラーから排出され、給湯、セントラルヒーティング、ボイラー発電、調理、衛生管理 など、様々なプロセスや加熱用途に使用されます。 [1] [要ページ] [2] [要ページ]

熱源

蒸気サイクルを発電に用いる化石燃料発電所では、主な熱源は石炭、石油、天然ガスの燃焼である。場合によっては、コークス炉からの一酸化炭素を多く含む排ガスなどの副産物燃料を燃焼させてボイラーを加熱することができる。また、経済的に入手可能な場合には、バガスなどのバイオ燃料も使用できる。原子力発電所では、蒸気発生器と呼ばれるボイラーが原子核分裂で発生した熱で加熱される。何らかのプロセスから大量の高温ガスが得られる場合、熱回収ボイラー または回収ボイラーでその熱を利用して蒸気を生成でき、余分な燃料をほとんどまたは全く消費しない。このような構成は、ガスタービンと蒸気ボイラーが使用される複合サイクル発電所では一般的である。いずれの場合も、燃焼生成物の廃ガスは蒸気サイクルの作動流体とは分離されているため、これらのシステムは外燃機関の例となっている。

材料

ボイラーの圧力容器は通常、鋼（または合金鋼）で作られますが、歴史的には錬鉄で作られることもありました。ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は、腐食や応力腐食割れの恐れがあるため、ボイラーの接液部には使用されません。[3] [要ページ]しかし、沸騰水にさらされない過熱部ではフェライト系ステンレス鋼が使用されることが多く、電気加熱式ステンレス鋼製シェルボイラーは、欧州の「圧力機器指令」に基づき、滅菌器や消毒器用の蒸気生成に使用されています。[4]

ライブスチーム 模型では、小型ボイラーへの加工が容易なため、銅や真鍮がよく使用されます。歴史的には、銅は成形性に優れ、熱伝導率も高いことから、火室（特に蒸気機関車）によく使用されていました。しかし、近年では銅の価格が高騰しているため、経済的に不利な選択となり、より安価な代替品（鋼など）が使用されることが多くなっています。[要出典]

ビクトリア朝時代の「蒸気時代」の大部分において、ボイラー製造に使用された唯一の材料は最高級の錬鉄であり、リベット接合によって組み立てられていました。この鉄は、英国クリーター・ムーア地域のような専門の製鉄所から調達されることが多かった。これらの工場は、高品質の圧延鋼板で知られ、高圧ボイラーなどの重要な用途に特に適していました。20世紀には、設計実務は鋼鉄の使用へと移行し、溶接構造を採用しました。これはより強度が高く、より安価で、より迅速かつ少ない労力で製造できます。錬鉄製ボイラーは、現代の鋼鉄製ボイラーよりもはるかに腐食が遅く、局所的な孔食や応力腐食の影響を受けにくいです。そのため、古い錬鉄製ボイラーの耐用年数は、溶接鋼製ボイラーよりもはるかに優れています。[要出典]

鋳鉄は家庭用給湯器の加熱容器に使用されることがあります。一部の国ではこのような給湯器は通常「ボイラー」と呼ばれますが、その目的は蒸気ではなくお湯を生成することであるため、低圧で運転し、沸騰を避けるように設計されます。鋳鉄は脆いため、高圧蒸気ボイラーには適していません。

エネルギー

ボイラーの熱源は、木材、石炭、石油、天然ガスなど、様々な燃料の燃焼です。電気式蒸気ボイラーは、抵抗型または浸漬型の発熱体を使用します。原子核分裂も蒸気発生の熱源として利用され、直接（BWR）または多くの場合「蒸気発生器」（PWR）と呼ばれる特殊な熱交換器を介して使用されます。排熱回収蒸気発生器（HRSG）は、ガスタービンなどの他のプロセスから排出される熱を利用します。[要出典]

ボイラー効率

ASME性能試験規格（PTC）には、ボイラーのASME PTC 4 [5]とHRSGのASME PTC 4.4、水管ボイラーの EN 12952-15 [6]の2つのボイラー効率の測定方法があります。

  1. 入出力方式（直接法）
  2. 熱損失法（間接法）

入出力方式（または直接方式）

ボイラー効率テストの直接的な方法の方がより使用可能であり、より一般的です。

ボイラー効率 = 出力電力 / 入力電力 = Q × (Hg − Hf) / (q × GCV) × 100%

どこ

Q、蒸気流量（kg/h）
Hg、飽和蒸気のエンタルピー（kcal/kg）
Hf、給水エンタルピー（kcal/kg）
q、燃料使用量（kg/h）
GCV、総発熱量（kcal/kg）（例：ペットコーラ8200  kcal/kg）

熱損失法（または間接法）

間接法でボイラー効率を測定するには、次のようなパラメータが必要です。

構成

ボイラーは次の構成に分類できます。

ポットボイラーまたはヘイコックボイラー/ヘイスタックボイラー
原始的な「やかん」。火で下から水を張った容器を温める仕組みです。18世紀のヘイコックボイラーは、通常、大気圧とほとんど変わらない低圧の蒸気を大量に生成・貯蔵していました。燃料は木材、あるいは石炭が主流でしたが、効率は非常に低かったです。
煙突付きボイラー
1 つまたは 2 つの大きな煙突を備えた、火管ボイラーの初期のタイプまたはその前身。
火管ボイラー
火管ボイラーの図
ここでは、水がボイラー胴体の一部を満たし、上部に蒸気を収容するための小さな空間（蒸気空間）が残されています。これは、ほぼすべての蒸気機関車で使用されているタイプのボイラーです。熱源は炉または火室の中にあり、加熱面の温度を沸点以下に維持するために、炉または火室は常に水に囲まれていなければなりません。炉は、高温ガスの経路を長くする煙管の一端に配置することができ、それによって加熱面が拡大します。さらに、ガスを2本目の平行管または複数の管の束（2パスまたは戻り煙道ボイラー）を通して逆方向に流すことで、加熱面を拡大できます。あるいは、ガスを側面に沿って導き、その後、煙道を通ってボイラーの下に導くこともできます（3パスボイラー）。機関車型のボイラーの場合、ボイラー胴体が火室から伸びており、高温ガスは胴体内の火管の束を通過します。これにより、単管の場合と比較して加熱面が大幅に拡大し、熱伝達がさらに向上します。火管ボイラーは、通常、蒸気発生量は比較的低いものの、蒸気貯蔵容量は大きい。火管ボイラーは主に固形燃料を燃焼させるが、液体燃料やガス燃料にも容易に適応できる。火管ボイラーは「スコッチマリン」型ボイラーまたは「マリン」型ボイラーとも呼ばれる。[7]
水管ボイラー
水管ボイラーの図。
このタイプでは、水で満たされた管が炉内に様々な配置で配置されます。多くの場合、水管は大きなドラムに接続され、下部のドラムには水、上部のドラムには蒸気と水が入っています。モノチューブボイラーなどでは、ポンプによって水が一連のコイルを通して循環されます。このタイプは一般的に蒸気生成率が高いですが、貯蔵容量はモノチューブボイラーよりも小さくなります。水管ボイラーはあらゆる熱源を利用できるように設計でき、高圧水/蒸気が小径のパイプ内に封じ込められるため、壁が薄くても圧力に耐えられるため、高圧用途に適しています。これらのボイラーは通常、現場で組み立てられ、ほぼ正方形の形状で、複数階建てになることもあります。[7]
フラッシュボイラー
フラッシュボイラーは、水管ボイラーの一種で、管が密集しており、その間を水がポンプで送り込まれます。フラッシュボイラーは、管が常に水で満たされている単管式蒸気発生器とは異なります。フラッシュボイラーでは、管が非常に高温に保たれているため、供給された水は急速に蒸気に変換され、過熱されます。フラッシュボイラーは19世紀に自動車に使用され、20世紀初頭まで使用が続きました。
水管式火室を備えた火管ボイラー
上記の2つのタイプは、次のような方法で組み合わせられることもあります。火室にはサーミックサイフォンと呼ばれる水管の集合体が設けられ、ガスは従来の火管ボイラーを通過します。水管式火室はハンガリーの多くの機関車に搭載されましたが[要出典]、他の国ではあまり成功していません。
セクショナルボイラー
鋳鉄製セクショナルボイラー（「ポークチョップボイラー」と呼ばれることもある）では、水は鋳鉄製のセクション内に収容されます。[要出典]これらのセクションは現場で組み立てられ、完成したボイラーが作られます。

安全性

ボイラーの安全性を定義し、確保するために、米国機械学会（ASME）などの専門機関が規格や規制コードを策定しています。例えば、ASMEボイラー・圧力容器規格は、ボイラーやその他の圧力容器が安全、セキュリティ、設計基準に適合していることを保証するための幅広い規則と指令を規定した規格です。[8]

歴史的に、ボイラーは工学原理の理解が不十分だったために、多くの深刻な傷害や物的損害の原因となってきました。薄く脆い金属殻は破裂する可能性があり、溶接やリベット留めが不十分な継ぎ目は開いて、加圧された蒸気が激しく噴出することにつながります。水は蒸気に変換されると、元の体積の1,000倍以上に膨張し、時速100キロメートル（62マイル）を超える速度で蒸気管を移動します。このため、蒸気は中央のボイラー室から必要な場所にエネルギーと熱を移動させる効率的な方法ですが、ボイラー給水が適切に処理されていないと、蒸気発生プラントでスケール形成や腐食が発生します。これは、最良の場合でもエネルギーコストの増加、蒸気品質の低下、効率の低下、プラント寿命の短縮、動作の信頼性の低下につながります。最悪の場合、壊滅的な故障や人命の損失につながる可能性があります。ボイラー管が破損または脱落すると、吸気口や燃焼シュートから熱湯と煙が噴き出し、火室に石炭を積み込む消防士が負傷する恐れがあります。工場の稼働に必要な数百馬力の超大型ボイラーは、建物全体を破壊してしまう可能性があります。[9]

給水が不足し、空焚き状態になったボイラーは非常に危険です。空のボイラーに給水が送られると、少量の水が過熱した金属殻と接触して瞬時に沸騰し、安全蒸気弁でも制御できない激しい爆発を引き起こします。また、補給水供給量では対応できないほどの蒸気供給ラインの漏れが発生した場合にも、ボイラーから水が漏れることがあります。ハートフォード・ループは、1919年にハートフォード蒸気ボイラー検査保険会社によって、このような事態の発生を防ぎ、保険金請求額を削減するための方法として考案されました。[10] [11]

過熱蒸気ボイラー

蒸気機関車の過熱ボイラー

水を沸騰させると、飽和蒸気（湿り蒸気とも呼ばれる）が発生します。飽和蒸気は大部分が水蒸気で構成されていますが、蒸発していない水が液滴の形で含まれています。飽和蒸気は、調理、暖房、衛生など多くの用途に便利ですが、船舶の推進システムや蒸気機関車の「運動」など、機械にエネルギーを伝達することが期待される場合には望ましくありません。これは、蒸気がボイラーから機械に移動する際に避けられない温度損失や圧力損失が発生し、凝縮を引き起こし、液体の水が機械内に持ち込まれるためです。蒸気に同伴された水はタービンブレードを損傷する可能性があり、往復蒸気エンジンの場合は、静水圧ロックにより深刻な機械的損傷を引き起こす可能性があります。

過熱蒸気ボイラーは水を蒸発させ、その後過熱器で蒸気をさらに加熱するため、排出される蒸気温度はボイラーの運転圧力における沸点よりも大幅に高くなります。結果として得られる「乾き蒸気」は、蒸気状態を維持するのに必要な温度よりもはるかに高いため、蒸発していない水分はほとんど含まれません。また、飽和蒸気よりも高い蒸気圧を実現できるため、蒸気はより多くのエネルギーを運ぶことができます。過熱は熱という形で蒸気にエネルギーを付加しますが、圧力には影響しません。圧力は、ボイラーから蒸気が引き出される速度と安全弁の圧力設定によって決まります。 [ 12] 過熱蒸気を生成するために必要な燃料消費量は、同量の飽和蒸気を生成するために必要な燃料消費量よりも多くなります。しかし、蒸気プラント（ボイラー、過熱器、配管、機械類の組み合わせ）全体のエネルギー効率は、通常、燃料消費量の増加を十分に相殺できるほど向上します。

過熱器の動作は、エアコンのコイルの動作と似ていますが、目的は異なります。蒸気配管はボイラー炉内の排気管に導かれ、その温度は通常1,300～1,600℃（華氏2,372～2,912度）になります。過熱器には、その名の通り放射によって熱を吸収する輻射型と、流体から熱を吸収する対流型があります。また、これら2つのタイプを組み合わせたものもあります。どちらの方法でも、排気管内の高熱は過熱器の蒸気配管と内部の蒸気を加熱します。

過熱蒸気プラントの設計は、高い作動温度と圧力のため、いくつかの技術的課題を伴います。考慮すべき点の一つは、ボイラーへの給水の導入です。ボイラーへの給水に使用するポンプは、ボイラーの運転圧力を上回らなければならず、そうでなければ水は流れません。過熱ボイラーは通常高圧で運転されるため、それに伴う給水圧力もさらに高くする必要があり、より堅牢なポンプ設計が求められます。

安全性も考慮すべき事項です。高圧で過熱された蒸気は、うっかり漏れ出した場合、極めて危険です。参考までに、第二次世界大戦中に建造された 多くの米海軍 駆逐艦で使用されていた蒸気プラントは、600 psi (4,100  kPa ; 41  bar ) の圧力と 850 度 F (454 度 C) の過熱で稼働していました。戦闘中の軍艦では常に危険ですが、システムの主要な破裂が発生した場合、漏れ出した過熱蒸気の膨大なエネルギー放出は、閉じ込められた容積の 1,600 倍以上に膨張し、破滅的な爆発に相当します。その影響は、船の機関室などの限られた空間で蒸気が放出されると悪化します。また、漏れた時点では目に見えない小さな漏れでも、人が蒸気の漏れる経路に足を踏み入れると致命的になる可能性があります。そのため、設計者はシステムの蒸気処理コンポーネントの完全性を維持するために、可能な限りの強度を持たせるよう努めます。蒸気管の接合には特別な方法が用いられ、漏れを防止します。特に高圧システムでは、ねじ込み接続やガスケット接続による漏れの問題を回避するために溶接継手が採用されています。

超臨界蒸気発生器

発電所のボイラー

超臨界蒸気発生器は電力生産に頻繁に利用されています。超臨界圧力で動作します。「亜臨界ボイラー」とは対照的に、超臨界蒸気発生器は非常に高い圧力（3,200psiまたは22MPa以上）で動作するため、沸騰を特徴付ける物理的な乱流は発生しません。流体は液体でも気体でもなく、超臨界流体です。圧力は蒸気泡が生成できる臨界圧力点を超えているため、水中で蒸気泡は発生しません。流体がタービン段を通過するにつれて、その熱力学的状態は臨界点を下回りますが、タービンを回転させる仕事を行い、発電機を回転させ、最終的に電力が取り出されます。この時点での流体は、凝縮器を通過する際に蒸気と液滴の混合物となる場合があります。これにより燃料使用量がわずかに削減され、温室効果ガスの排出量も削減されます。超臨界圧力蒸気発生器では「沸騰」が発生しないため、「ボイラー」という用語は使用すべきではありません。

アクセサリー

1938年、ヤムサンコスキ製パルプ工場の熱交換器付きボイラー

ボイラー継手および付属品

  • ボイラー内の蒸気圧力を制御する圧力コントロール。ボイラーには通常2つまたは3つの圧力コントロールがあります。手動リセット式圧力コントロールは蒸気圧力の上限を設定することで安全装置として機能します。運転圧力コントロールはボイラーの点火時期を制御して圧力を維持します。また、モジュレーティングバーナーを備えたボイラーの場合は、点火量を制御するモジュレーティング圧力コントロールもあります。
  • 安全弁：圧力を解放し、ボイラーの爆発を防ぐために使用されます。
  • 水位計:ボイラー内の液体のレベルをオペレーターに表示します。サイトグラス、水位計、水柱とも呼ばれます。
  • 底部ブローダウンバルブ：ボイラーの底部に凝縮して堆積した固形粒子を除去するための手段です。その名の通り、このバルブは通常ボイラーの底部に直接設置されており、ボイラー内の圧力を利用してこれらの粒子を排出するために時々開かれます。
  • 連続ブローダウン弁：少量の水を連続的に排出します。ボイラー内の水が溶解塩分で飽和状態になるのを防ぐためです。飽和状態になると泡が発生し、水滴が蒸気とともに運ばれてしまいます。この状態はプライミングと呼ばれます。ブローダウンは、ボイラー水の化学組成を監視するためにもよく使用されます。
  • トライコック：タンク内の液面を手動で確認するためによく使われるバルブの一種。最も一般的には給湯器に使用されています。
  • フラッシュタンク:高圧ブローダウンがこの容器に入り、ここで蒸気は安全に「フラッシュ」されて低圧システムで使用されるか、大気中に放出され、一方、大気圧ブローダウンは排水に流れます。
  • 自動ブローダウン／連続熱回収システム：このシステムでは、ボイラーに補給水が流入している場合にのみブローダウンを行い、ブローダウンから補給水へ最大限の熱伝達を実現します。排出されるブローダウンは補給水の温度に近いため、フラッシュタンクは通常不要です。
  • ハンドホール：チューブの点検・設置や内面の検査ができるように「ヘッダー」の開口部に設置された鋼板です。
  • 蒸気ドラムの内部、一連のスクリーン、スクラバー、缶（サイクロンセパレーター）。
  • 低水位遮断装置：水位が一定値を下回った場合にバーナーを停止したり、ボイラーへの燃料供給を遮断したりする機械的な装置（通常はフロートスイッチ）または安全スイッチ付きの電極です。ボイラーが空焚き（水を入れずに燃焼させる）状態になると、破裂や壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。
  • 表面ブローダウンライン:ボイラー内の水面に浮上する泡やその他の軽量の非凝縮性物質を除去する手段を提供します。
  • 循環ポンプ：熱の一部を放出した後の水をボイラーに循環させるように設計されています。
  • 給水チェック弁またはクラック弁：給水ラインに設置される逆止弁。ボイラー側面、水位直下、またはボイラー上部に設置される。[13]
  • 上部給水：この給水注入方式では、給水はボイラーの上部から供給されます。これにより、熱応力によるボイラーの疲労を軽減できます。給水を複数のトレイに噴霧することで、水は急速に加熱され、水垢の発生を軽減します。
  • 過熱蒸気除去チューブまたはチューブ束:水ドラムまたは蒸気ドラム内の一連のチューブまたはチューブ束。乾燥蒸気を必要としない、または乾燥蒸気によって損傷を受ける可能性のある補助機器に供給するために、過熱蒸気を冷却するように設計されています。
  • 薬品注入ライン：給水のpHを制御するために薬品を添加するための接続部。

スチームアクセサリ

  • 主蒸気止め弁：
  • スチームトラップ：
  • 主蒸気停止/チェックバルブ: 複数のボイラーを設置する場合に使用します。

燃焼付属品

  • 燃料油システム：燃料油ヒーター
  • ガスシステム:
  • 石炭システム:

その他の必需品

下書き

燃料加熱式ボイラーは、燃料を酸化するために空気を供給する必要があります。初期のボイラーでは、燃焼室の排気口に接続された煙突における自然対流によって、この空気の流れ（通風）が確保されていました。加熱された排気ガスはボイラー周囲の空気よりも密度が低いため、排気ガスは煙突内を上昇し、より密度の高い新鮮な空気を燃焼室に引き込みます。[要出典]

現代のボイラーのほとんどは、自然通風ではなく機械通風に依存しています。これは、自然通風が外気条件、炉から排出される排気ガスの温度、そして煙突の高さに左右されるためです。これらの要因により適切な通風を得ることが困難になり、機械通風装置の方がはるかに信頼性が高く経済的です。[要出典]

通風の種類は、排気ガスをボイラーから引き出す誘引通風、新鮮な空気をボイラーに押し込む強制通風、そして両方の効果を利用する平衡通風に分けられます。煙突を用いた自然通風は誘引通風の一種であり、機械通風は誘引通風、強制通風、平衡通風のいずれかです。

機械式誘引通風には2つの種類があります。1つ目は蒸気ジェットを使用する方法です。蒸気ジェットは排気ガスの流れの方向に向けられ、排気ガスを煙突に誘引し、排気ガスの流速を増加させることで炉全体の通風量を増加させます。この方法は、高い煙突を設置できない蒸気駆動機関車では一般的でした。2つ目は、誘引通風ファン（IDファン）を使用する方法です。IDファンは炉から排気ガスを除去し、排気ガスを煙突に押し上げます。ほぼすべての誘引通風炉は、わずかに負圧の状態で運転されます。

機械的な強制通風は、ファンによって燃焼室に空気を送り込むことで実現されます。空気は多くの場合、エアヒーターを通過します。エアヒーターは、その名の通り、炉内に入る空気を加熱することでボイラー全体の効率を高めます。ダンパーは、炉内に入る空気の量を制御するために使用されます。強制通風炉は通常、正圧になっています。

バランスの取れた通風は、誘引通風と強制通風の両方を用いることで実現されます。これは、煙道ガスが多数のボイラーパスを通って長距離を移動する必要がある大型ボイラーでより一般的です。誘引通風ファンは強制通風ファンと連動して動作し、炉内圧力を大気圧よりわずかに低く維持します。

参照

参考文献

  1. ^ Steingress, Frederick M. (2001).低圧ボイラー（第4版）. American Technical Publishers. ISBN 0-8269-4417-5。
  2. ^ Steingress, Frederick M.; Frost, Harold J.; Walker, Darryl R. (2003).高圧ボイラー（第3版）. American Technical Publishers. ISBN 0-8269-4300-4。
  3. ^ ASMEボイラーおよび圧力容器規格、セクションI、PG-5.5。アメリカ機械学会。2010年。
  4. ^ BS EN 14222：「ステンレス鋼シェルボイラー」 [全文引用必要]
  5. ^ 「ASME 性能試験コード」。
  6. ^ 「EN 12952-15」.
  7. ^ ab 「缶詰工場における蒸気発生」米国食品医薬品局. 2018年3月25日閲覧。
  8. ^ 「ASMEに準拠したボイラーおよび圧力容器の検査」。
  9. ^ ハートフォード蒸気ボイラー検査保険会社 (1911年). 『機関車』. ハートフォード蒸気ボイラー検査保険会社 – Googleブックス経由.1909年に発生したパブスト醸造会社のボイラー大爆発に関する記事。この爆発により建物が破壊され、破片が近隣の建物の屋根に吹き飛ばされました。この文書には、日別のボイラー事故一覧、年別の事故概要、そしてボイラー損害賠償請求に関する議論も含まれています。
  10. ^ Holohan, Dan. 「ハートフォードループについて知っておくべきこと」
  11. ^ 「蒸気ボイラーのハートフォードループ」。
  12. ^ ベル、AM（1952年）『機関車』第1巻、ロンドン：ヴァーチュー・アンド・カンパニー社、46ページ。
  13. ^ ベル 1952、35ページ。
  • 「ボイラー計算」。FireCADボイラー計算. 2020年2月11日閲覧。

さらに読む

ウィキメディア コモンズには、ボイラーに関連するメディアがあります。
  • アメリカ機械学会：ASMEボイラーおよび圧力容器規格、セクションI。3年ごとに更新されます。
  • 水技術協会: 水技術協会 (AWT)。
  • バブコック・アンド・ウィルコックス社 (2010) [1902]. 『蒸気、その発生と利用』（再版）. ニューヨーク・ロンドン: ナブ・プレス. ISBN 978-1147-61244-8。