【毎日一題】化学工学原理414：直流ボイラー（8月25日）

1、直流ボイラーとは、給水ポンプの圧力によって給水を順番に省エネボイラー、蒸発加熱面（水冷壁）、過熱器を通過させ、すべてを過熱水蒸気に変えるボイラーのことです。 2. 直流ボイラーとは、給水ポンプの圧力によって、給水が順次節炭器、蒸発加熱面（水冷壁）、過熱器を通過し、全て過熱水蒸気となるボイラーのことである。給水がボイラーに入ってから、水の加熱、蒸発、水蒸気の過熱はすべて加熱面内で連続的に行われるため、加熱途中で気水分離を行う必要はない。したがって、自然循環ボイラーのような蒸気ドラムがありません。節炭器伝熱面、蒸発伝熱面、過熱器伝熱面の間に一定の境界点はなく、ボイラーの負荷の変化に応じて変動する。汽包（ボイラードラム）がなく、給水ポンプの圧力によって給水が予熱・蒸発を経て過熱され、一度に各段階の伝熱面を通過することで定格のパラメータと容量の蒸気を生成する発電用ボイラーである。その蒸発区の循環倍率は1である。 3、直流ボイラーは、蒸発面と過熱面の間に明確な境界がないため、その蒸発面で流動の不安定や脈動などの問題が生じることがある。これを改善するために、管群の入口に節流孔板を設置したり、入口・出口の連結箱の間に呼吸用連結箱を設置するなどの対策が必要である。また、蒸発加熱面では膜状沸騰（つまり、加熱面上で生成した気泡が離脱する間もなく連なって気膜を形成する現象）が発生し、熱伝導が妨げられるため、管壁の過熱を引き起こし、ボイラーの運転安全性に影響を及ぼします。これに対して、高熱負荷領域の水冷壁に乱流子を取り付けたり、内螺旋管を使用したりすることで、膜状沸騰の発生を遅らせることができる。煙ガス再循環やバーナーの配置調整などの措置を用いて、炉内の最高熱負荷を低減することも可能である。 直流ボイラーにおいて、作動流体の流れには自己平衡性がない。つまり、吸熱量が多い管では作動流体の比容積が増加し、抵抗が大きくなるため、逆に通過流量が減少し、熱偏差が生じる。したがって、UP型直流ボイラーでは、中間混合器が多用される。これにより、水冷壁管内の流体を途中で炉外に引き出して混合器に入れ、各管内の流体の熱含量、温度、圧力が十分に均一に混合された後、再び水冷壁に戻すことで、各管間の熱偏差を解消する。混合の回数、位置、方法は、ボイラーの容量と特性によって決まります。 運用条件によってボイラーのピーク調整性能への要求が高まる中、直流ボイラーの負荷変動への適応能力が重視されている。一方、螺旋状に上昇する管ループを持つ直流ボイラーは、炉内の熱偏差に対する感度が最も低く、管間での二相流体の分配問題が存在せず、管口にオリフィスを設置する必要もないため、優れた低負荷運転特性を有している。 しかし、給水品質と自動調節に高い要求があり、蒸気水系統の抵抗が大きく、給水ポンプの消費電力も多くなる。

直流ボイラーの給水は、補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの受熱面を通過し、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の各過程が完了し、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ボイラー内の水に含まれる不純物を排出することができないため、ボイラー内の水処理やスケール防止・排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物はボイラーチューブ内に沈着物を形成したり、蒸気と共にタービン内へ運ばれて腐食や沈着物の原因となり、機器の運転の安全性および経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。

直流ボイラーの水蒸気システムの動作特性について簡単に説明する。答：直流ボイラーにおいて、給水は補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの加熱面を通過する。水は一度だけ流れることで加熱・蒸発・過熱のプロセスを経て、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ドラム式ボイラーのようにボイラーを通じて炉水内の不純物を排出することはできず、またボイラー内での炉水処理によるスケール防止や排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物は炉管内に沈着物を形成したり、蒸気によってタービン内に運ばれて腐食や沈着物の生成を引き起こし、機器の運転安全性や経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。

最も重要なのは、直流炉にはボイラーがなく、水がすべて蒸気に変わるため、炉水の循環が存在しないことです。水質に対する要求も高い。 具体的には以下の通りです。1　給水品質の要求が高い。直流ボイラーにはドラムがないため、ドラム式ボイラーのようにスラッジ排出や炉内水処理を行うことができず、給水中の塩分は排出先がなく、すべてボイラーの加熱面に沈着するか、過熱蒸気と共にタービンに持ち込まれる。したがって、機組が長期間運転される間に塩分が各所の加熱面に堆積し、伝熱効率に悪影響を及ぼすのを防ぎ、深刻な場合には炉管の破裂などが発生する可能性があるため、給水の品質に対してより高い要求が求められる。 2 自動調節制御の要求が高い。直流ボイラーにはドラムがなく、ドラムを利用して水や蒸気、熱を蓄えることができないため、外部負荷が変動すると蒸気圧が大きく変動する。また、給水の加熱、蒸発、過熱の過程においては、各加熱面に固定された境界線はなく、給水や燃料に乱れが生じると、すべて蒸気温度の変動を引き起こす。したがって、直流ボイラーが良好な静的・動的制御特性を持つためには、より優れた自動制御システムを採用する必要がある。 1.3 蒸気システムの抵抗が大きく、給水ポンプの消費動力も大きい　直流ボイラーは、給水ポンプの圧力によって蒸発伝熱面内での作動流体の流動抵抗を克服し、作動流体が水冷壁内で安定して流れるようにしている。また、直流ボイラーでは水冷壁の安全な運転を確保するため、水冷壁内の作動流体の重量流量γwの値を大きくする必要がある。その結果、水の抵抗が大きくなり、給水ポンプの消費動力も増大することになる。 1.4 起動・停止が速い 直流ボイラーにはドラムがないため、急速な起動・停止時にドラムのように厚壁による制約を受けて曲げ変形や過度な熱応力が生じることはない。したがって、迅速に起動・停止できる。その起動・停止時間は、シリンダーの膨張や振動によってのみ制限される。 1.5直流ボイラーにおいて過熱蒸気温度を制御する主な手段は、給水量と燃料量の比率、すなわち炭水比を一定に保つことである。 なぜなら、直流ボイラーには蒸気ドラムがなく、給水の加熱・蒸発・過熱のプロセスにおいて、節炭器、水冷壁、過熱器といった各伝熱面間に一定の境界線が存在せず、その境界線は運転状態の変化に応じて変動するからである。ボイラーの熱負荷およびその他の条件が一定の場合、給水量を減少させると、作動流体の加熱面内での蒸発点や過熱点が早まるため、過熱器出口の蒸気温度が上昇する；逆に、給水量を増やすと過熱蒸気温度は低下する。多段噴水減温は、その基礎の上で蒸気温度を微調整するものに過ぎない。 1.6 蒸発加熱面における膜状沸騰 直流ボイラーの蒸発加熱面では、媒体の含気率Xが0から1へと絶えず増大するため、管内の蒸気水混合物の含気率がある一定値に達すると、管内壁に付着している水膜が蒸気流によって引き裂かれたり、水膜が蒸発してなくなったりし、管内壁に付着していた水膜の代わりに蒸気膜が形成される。蒸気の放熱係数は水よりもはるかに低いため、伝熱が悪化することで管壁温度が急激に上昇し、深刻な場合には管が焼損してしまう。直流ボイラーの蒸発加熱面で見られるこのような沸騰を膜状沸騰と呼ぶ。明らかに、ボイラーの蒸発加熱面が安全に運転されるためには、このような現象が発生しないよう対策を講じるべきである。 1.7 独立した起動バイパスシステム 直流ボイラーでは各加熱面間に明確な境界線がないため、起動初期には温水が生成され、ボイラーの燃焼量が増えるにつれて徐々に湿り蒸気、飽和蒸気、過熱蒸気が生じる。起動初期に生成される温水、スチーム水の混合物、飽和蒸気、および低過熱度の過熱蒸気が流れる通路を確保するため；回収起動過程における工質と熱量；タービンの急始動時に主蒸気が一定の過熱度（一般的に50℃以上）を持つ必要があるという要件を満たし、起動時間をできるだけ短縮するため、直流ボイラーには起動用バイパスシステムを設置しなければならない。

直流ボイラーの給水は、補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの受熱面を通過し、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の各過程が完了し、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ドラム式ボイラーのようにボイラーを通じて炉水内の不純物を排出することはできず、またボイラー内での炉水処理によるスケール防止や排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物は炉管内に沈着物を形成したり、蒸気によってタービン内に運ばれて腐食や沈着物の生成を引き起こし、機器の運転安全性や経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。

直流ボイラーは、ほとんどが19.2MPaを超える圧力の条件下で使用される。このような高圧下では蒸気と水の密度差はほぼゼロとなり、そのため密度差による上昇力もゼロになる。そこで降下管内に循環水ポンプを直列に接続し、作動媒体を直接過熱器に送り込むことで、予熱・気化・過熱を一度に行う。このため、この種のボイラーは強制循環ボイラーとも呼ばれる

直流ボイラーの給水は、補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの受熱面を通過し、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の各過程が完了し、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ドラム式ボイラーのようにボイラーを通じて炉水内の不純物を排出することはできず、またボイラー内での炉水処理によるスケール防止や排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物は炉管内に沈着物を形成したり、蒸気によってタービン内に運ばれて腐食や沈着物の生成を引き起こし、機器の運転安全性や経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。

直流ボイラーの給水は、補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの受熱面を通過し、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の各過程が完了し、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ドラム式ボイラーのようにボイラーを通じて炉水内の不純物を排出することはできず、またボイラー内での炉水処理によるスケール防止や排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物は炉管内に沈着物を形成したり、蒸気によってタービン内に運ばれて腐食や沈着物の生成を引き起こし、機器の運転安全性や経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。

答：直流ボイラーの給水は、補給ポンプの圧力によって順番に節約器、水冷壁、過熱器などの加熱面を流れ、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の過程が完了し、すべて過熱蒸気となってボイラーから排出されます。直流炉にはドラムがなく、水も蒸発させるために何度も循環させる必要がない。そのため、ドラム式ボイラーのように水中の不純物を排出したり、炉内の水にスケール防止処理を施して排出することもできない。給水の純度には非常に高い要求がある。

直流ボイラーの給水は、補給水ポンプの圧力により、順番に節炭器、水冷壁、過熱器などの受熱面を通過し、一度の流れで水の加熱・蒸発・過熱の各過程が完了し、全て過熱蒸気となってボイラーから送出される。直流炉にはドラムタンクがなく、蒸発過程を完了させるために水を何度も循環させる必要もない。ドラム式ボイラーのようにボイラーを通じて炉水内の不純物を排出することはできず、またボイラー内での炉水処理によるスケール防止や排出も行えない。給水に不純物が含まれて直流ボイラーに入ると、これらの不純物は炉管内に沈着物を形成したり、蒸気によってタービン内に運ばれて腐食や沈着物の生成を引き起こし、機器の運転安全性や経済性に直接的な影響を与える。したがって、直流ボイラーの給水純度は非常に高い要求がされる。