ボイラー（発電）

ボイラーまたは蒸気発生器は、水に熱エネルギーを加えて蒸気を生成するために使用される装置です。定義は多少柔軟ですが、古い蒸気発生器は一般的にボイラーと呼ばれ、低圧から中圧（7～2,000  kPaまたは1～290  psi ）で動作していましたが、これを超える圧力では、蒸気発生器と呼ぶ方が一般的です。

ボイラーまたは蒸気発生器は、蒸気源が必要な場所で使用されます。形状とサイズは用途によって異なります。蒸気機関車、ポータブルエンジン、蒸気駆動道路車両などの移動式蒸気エンジンでは、通常、車両と一体化した小型のボイラーが使用されます。固定式蒸気エンジン、産業施設、発電所では、通常、使用場所に配管で接続された、独立した大型の蒸気発生施設が使用されます。注目すべき例外は、蒸気駆動の無火機関車で、別途生成された蒸気は機関車の受容器 (タンク) に送られます。

蒸気発生器または蒸気ボイラーは、原動機として考えた場合、蒸気エンジンの不可欠なコンポーネントです。ただし、ある程度、さまざまな種類の発電機をさまざまなエンジンユニットと組み合わせることができるため、個別に扱う必要があります。ボイラーには、燃料を燃やして熱を発生させるための火室または炉が組み込まれています。発生した熱は水に伝達され、蒸気が生成されます。これが沸騰のプロセスです。これにより、沸騰水の圧力に応じて変化する速度で飽和蒸気が生成されます。炉の温度が高いほど、蒸気の生成が速くなります。このようにして生成された飽和蒸気は、タービンとオルタネーターを介してすぐに電力を生成するか、またはさらに高温に過熱することができます。これにより、浮遊水の含有量が大幅に減少し、一定量の蒸気でより多くの作業が行われ、温度勾配が大きくなるため、結露の可能性が低減します。燃焼ガスに残っている熱は、排出するか、エコノマイザーを通過させることができます。エコノマイザーの役割は、ボイラーに到達する前に 給水を温めることです。

1712 年の最初のニューコメン エンジンでは、ボイラーは動力シリンダーの下に設置された大きな醸造釜に過ぎませんでした。エンジンの動力は蒸気の凝縮によって生じる真空から得られていたため、わずか 1  psi (6.9  kPa ) の非常に低い圧力で大量の蒸気が必要でした。ボイラー全体は、ある程度の熱を保持するレンガ造りに設置されていました。わずかに窪んだ受け皿の下の火格子で大量の石炭火が点火されましたが、加熱面は非常に小さく、そのため大量の熱が煙突から無駄にされていました。後のモデル、特にジョン スミートンによるモデルでは、ガスが煙道を通ってボイラーの側面を加熱するようにすることで、加熱面が大幅に増加しました。スミートンは、ボイラーの下に螺旋状の迷路状の煙道を設けることで、ガスの経路をさらに長くしました。これらの下火ボイラーは、18 世紀を通じてさまざまな形で使用されました。中には円形断面 (ヘイコック) のものもありました。長方形の平面でより長いバージョンは、1775 年頃に Boulton と Watt によって開発されました (ワゴントップボイラー)。これは今日では 3 パスボイラーとして知られているもので、火が下側を加熱し、ガスが中央の四角い管状の煙道を通過して、最終的にボイラーの側面を回ります。

円筒形の初期の提唱者はイギリスの技術者ジョン・ブレイキーで、1774年に設計を提案した。 ^{[1] [2]}もう一人の初期の提唱者はアメリカの技術者オリバー・エバンスで、彼は機械的抵抗の観点から円筒形が最良であると正しく認識し、18世紀末に向けてそれを自分のプロジェクトに取り入れ始めた。^[要出典]おそらく1725年の百科事典に掲載されたロイポルドの「高圧」エンジン方式に関する記述に触発されて、エバンスは「強蒸気」、つまり蒸気圧だけでピストンを動かし、その後大気中に排出される非凝縮エンジンを好んだ。彼が考えた強蒸気の利点は、より少ない量の蒸気でより多くの仕事を行えることだった。これにより、すべての部品を小型化でき、エンジンを輸送や小規模な設備に適応させることができた。この目的のために、彼は長い円筒形の錬鉄製の水平ボイラーを開発した。これには一本の火管が組み込まれ、その一端には火格子が取り付けられていた。ガスの流れは、次にボイラー胴の下の通路または煙道に逆流し、次に分割されて側面の煙道に戻り、煙突で再び合流した (コロンビア式エンジンボイラー)。エバンスは、この円筒形ボイラーを、固定式と移動式の両方のいくつかのエンジンに組み込んだ。スペースと重量を考慮して、後者は火管から煙突に直接排気するワンパス式だった。当時の「強蒸気」のもう一人の提唱者は、コーンウォール出身のリチャード・トレビシックだった。彼のボイラーは 40～50 psi (276～345 kPa) で作動し、最初は半球形で後に円筒形になった。1804年以降、トレビシックは半可搬式および機関車用エンジン用に、小型のツーパス式または戻り煙道式ボイラーを製造した。リチャード・トレビシックが1812年頃に開発したコーンウォール・ボイラーは、それ以前の単純なボイラーよりも強力で効率的でした。長さ約27フィート（8.2メートル）、直径7フィート（2.1メートル）の円筒形の水タンクで構成され、タンク内を縦に通る幅約3フィートの単一の円筒形チューブの一方の端に石炭火格子が取り付けられていました。火は一方の端から管理され、そこからの高温のガスはチューブに沿って移動してもう一方の端から出て、外側に沿って走る煙道に沿って循環し、ボイラー胴体の下で3回目に循環してから煙突に排出されます。これは後に、別の3パス・ボイラーであるランカシャー・ボイラーによって改良されました。これは、2つの炉が別々のチューブに並んで配置されていました。これは重要な改良で、各炉を異なる時間に燃料補給できるため、一方を稼働させながらもう一方を清掃することができました。

鉄道機関車のボイラーは通常 1 パス型でしたが、初期には、特にティモシー・ハックワースが製造した機関車では、2 パスの「戻り煙道」ボイラーが一般的でした。

1828年、フランスで大きな進歩が起こりました。マルク・セガンが、2番目のパスが複数の管の束で形成された2パスボイラーを考案したのです。船舶用に使用された自然誘導を備えた同様の設計は、人気のあったスコッチ船舶ボイラーでした。

1829年のレインヒル試験に先立ち、リバプール・アンド・マンチェスター鉄道の財務担当官ヘンリー・ブースはジョージ・スチーブンソンに、2つのユニットからなる多管式ワンパス水平ボイラーの構想を提案した。1つは水空間で囲まれた火室、もう1つは2つの伸縮リングからなるボイラー胴で、内部に25本の銅管が取り付けられていた。この管束は胴内の水空間の大半を占め、熱伝達が大幅に改善された。ジョージはすぐにこの構想を息子のロバートに伝え、これがスチーブンソンのロケットに使用されたボイラーとなり、試験で圧倒的な勝利を収めた。この設計はその後スチーブンソンが製造したすべての機関車の基礎となり、他の製造業者にもすぐに採用された。この火管ボイラーのパターンはそれ以来ずっと製造されている。

1712年のボイラーは、最初の例では鉛製のドーム型の上部を備えたリベット留めの銅板で組み立てられていた。その後のボイラーは、小さな錬鉄板をリベット留めして作られた。問題は十分に大きな板を製造することであり、約50  psi（344.7  kPa）の圧力でさえ絶対に安全ではなく、リチャード・トレビシックが最初に使用した鋳鉄製の半球形ボイラーも同様であった。小さな板を使用したこの構造は、より大きな板が実現可能になり、ガセットで補強された1つの突き合わせ継ぎ目だけで円筒形に巻くことができるようになった1820年代まで存続した。ティモシー・ハックワースの1849年のサン・パレイル11には、縦方向の溶接継ぎ目があった。^[3]機関車ボイラーの溶接構造が定着するまでには非常に時間がかかった。

Doble、Lamont、Pritchard が使用する貫流型単管水管ボイラーは、かなりの圧力に耐えることができ、爆発の危険なしに圧力を放出することができます。

ボイラーの熱源は、木材、石炭、石油、天然ガスなどの燃料の燃焼です。原子核分裂も蒸気発生の熱源として使用されます。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使用します。

火の燃焼特性を最適にするには、火格子と火の上の両方から空気を供給する必要があります。現在、ほとんどのボイラーは自然通風ではなく機械通風装置に依存しています。これは、自然通風が外気条件、炉から出る排気ガスの温度、煙突の高さに左右されるためです。これらの要因により、効果的な通風を得るのが難しくなり、機械通風装置の方がはるかに経済的になります。機械通風には 3 つのタイプがあります。

1. 誘引通風: これは 3 つの方法のいずれかで得られます。1 つ目は、加熱された煙突の「煙突効果」です。煙突効果では、排気ガスの密度がボイラー周囲の空気より低くなります。周囲の空気の密度が高い柱によって、燃焼空気がボイラーに押し込まれ、ボイラーを通過します。2 つ目の方法は、蒸気ジェットを使用する方法です。蒸気ジェットまたはエジェクターを排気ガスの流れの方向に向けると、排気ガスが煙突に誘引され、排気ガスの速度が上昇して炉全体の通風が増加します。この方法は、高い煙突を設置できない蒸気駆動の機関車では一般的でした。3 つ目の方法は、単に誘引通風ファン (ID ファン) を使用する方法です。ID ファンは、排気ガスを炉から吸い上げて煙突に送り込みます。誘引通風炉のほとんどすべてに負圧がかかります。
2. 強制通風: 通風は、ファン (FD ファン) とダクト ワークによって炉内に空気を強制的に送り込むことによって得られます。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、名前のとおり、炉内に入る空気を加熱してボイラーの全体的な効率を高めます。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、正圧です。
3. バランスのとれた通風: バランスのとれた通風は、誘引通風と強制通風の両方を使用することで得られます。これは、煙道ガスがボイラーの多くの通路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く使用されます。誘引通風ファンは強制通風ファンと連動して動作し、炉の圧力を大気圧よりわずかに低く維持します。

プロセスの次の段階は、水を沸騰させて蒸気を作ることです。目標は、熱源から水への熱の流れを可能な限り完全にすることです。水は、火によって加熱された限られた空間に閉じ込められます。生成された蒸気は水よりも密度が低いため、容器の最高レベルに蓄積されます。その温度は沸点のままで、圧力が上昇するにつれて上昇するだけです。この状態の蒸気 (ボイラー内で蒸発している液体の水と平衡状態) は、「飽和蒸気」と呼ばれます。たとえば、大気圧の飽和蒸気は 100 °C (212 °F) で沸騰します。ボイラーから取り出された飽和蒸気には、混入した水滴が含まれている場合がありますが、適切に設計されたボイラーは、混入した水がほとんどない、実質的に「乾燥した」飽和蒸気を供給します。飽和蒸気をさらに加熱すると、蒸気は「過熱」状態になり、飽和温度を超える温度に加熱され、この状態では液体の水は存在できません。 19 世紀の往復蒸気機関のほとんどは飽和蒸気を使用していましたが、現代の蒸気発電所では一般に過熱蒸気が使用され、蒸気サイクルの効率が向上しています。

LD Porta は、あらゆる種類の蒸気エンジンに適用できる、蒸気機関車の効率を決定する次の式を示しています: 出力 (kW) = 蒸気生産量 (kg h ⁻¹ )/特定の蒸気消費量 (kg/kW h)。

一定量の水を過熱することで、より多くの蒸気を生成できます。火は、発生する飽和蒸気よりもはるかに高い温度で燃えているため、過熱することで、生成された蒸気にはるかに多くの熱を伝達し、その中に浮遊する水滴をより多くの蒸気に変え、水の消費量を大幅に削減できます。

過熱装置は、エアコン装置のコイルのように機能しますが、目的は異なります。蒸気配管（蒸気が流れる配管）は、ボイラー炉内の排気ガス経路に導かれます。この領域は通常、1,300～1,600  °C（2,372～2,912  °F）の間です。一部の過熱装置は放射型（熱放射によって熱を吸収）であり、その他は対流型（流体、つまりガスによって熱を吸収）であり、その2つを組み合わせたものもあります。したがって、対流か放射かにかかわらず、ボイラー炉/排気ガス経路の極度の熱は、過熱装置の蒸気配管と内部の蒸気も加熱します。過熱装置内の蒸気の温度は上昇しますが、蒸気の圧力は上昇しません。タービンまたは可動ピストンが「連続的に膨張する空間」を提供し、圧力はボイラーと同じままです。^[4]蒸気を過熱するプロセスは、タービンブレードや関連する配管の損傷を防ぐために、蒸気に含まれるすべての液滴を除去するように設計されています。蒸気を過熱すると蒸気の体積が膨張し、一定量（重量）の蒸気でより多くの電力を生成できるようになります。

液滴の全体が除去されると、蒸気は過熱状態にあると言われます。

スティーブンソン式火管機関車ボイラーでは、飽和蒸気を大径の火管内に吊り下げた小径のパイプに通して、火室から出る高温ガスと接触させる。飽和蒸気はウェットヘッダーから火室に向かって逆流し、その後再びドライヘッダーに向かう。過熱は、シリンダーと蒸気室の可動部品の過熱と潤滑の問題のため、1900年頃から機関車に一般的に採用され始めた。多くの火管ボイラーは水を沸騰するまで加熱し、その後、蒸気を飽和温度、つまり所定の圧力での水の沸点の温度（飽和蒸気）で使用する。この蒸気にはまだ、浮遊水が大量に含まれていた。飽和蒸気はエンジンで直接使用することができ、実際に使用されてきたが、浮遊水は膨張して仕事をすることができず、仕事をすると温度が下がるため、作動流体の多くは、それを生成するために費やされた燃料とともに無駄になっている。

蒸気を急速に生成する別の方法は、加圧された水を燃焼ガスに囲まれた 1 本のチューブまたは複数のチューブに送り込むことです。この最も初期の例は、 1820 年代後半にゴールドスワーシー ガーニーが蒸気鉄道車両用に開発したものです。このボイラーは超小型で軽量であり、この配置はそれ以来、船舶や固定式用途の標準となっています。チューブには、表面積を最大化するために、多数の曲げ部やフィンが付いていることがよくあります。このタイプのボイラーは、高圧水/蒸気が細いパイプ内に封じ込められ、壁が薄くても圧力を封じ込められるため、高圧用途で一般的に好まれます。ただし、地上輸送機器の振動によって損傷を受ける可能性があります。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ります) では、鋳鉄製セクション内に水が封じ込められます。これらのセクションは、完成したボイラーを作成するために現場で機械的に組み立てられます。

超臨界蒸気発生器は、電力生産によく使用されます。これらは超臨界圧力で作動します。「亜臨界ボイラー」とは対照的に、超臨界蒸気発生器は、実際の沸騰が起こらないほどの高圧（3,200  psiまたは 22.06  MPa以上）で作動し、ボイラーには液体の水と蒸気の分離がありません。圧力が蒸気の泡を形成できる臨界圧力を超えているため、水中に蒸気の泡は発生しません。蒸気は、高圧タービンで作動し、発電機の凝縮器に入るため、臨界点より下を通過します。これにより、燃料の使用量が少なくなり、温室効果ガスの発生も少なくなります。この装置では実際には「沸騰」が発生しないため、超臨界圧力蒸気発生器には「ボイラー」という用語は使用しないでください。

ボイラーの給水は、腐食、泡立ち、水の持ち越しの原因となる浮遊物質や溶解不純物を最小限に抑え、可能な限り純粋である必要があります。ボイラー給水の脱塩方法として最も一般的なのは、逆浸透（RO）とイオン交換（IX）です。^[6]

水が蒸気に変換されると、体積が 1,600 倍に膨張し、蒸気パイプを 25 m/s 以上の速度で移動します。このため、蒸気は、中央のボイラー室から必要な場所までエネルギーと熱を移動するのに適した方法ですが、ボイラー給水を適切に処理しないと、蒸気発生プラントでスケール形成と腐食が発生します。これにより、最良の場合でもエネルギー コストが増加し、蒸気の品質が低下し、効率が低下し、プラント寿命が短くなり、信頼性の低い運用になる可能性があります。最悪の場合、壊滅的な故障や人命損失につながる可能性があります。国によって基準が異なる場合もありますが、このような事態を最小限に抑えるか防止するために、厳格な法律、テスト、トレーニング、認証が適用されます。故障モードには次のものがあります。

• ボイラーの過圧
• ボイラー内の水不足により過熱し、容器が破損する
• 不適切な建設またはメンテナンスによるボイラーの圧力容器の故障。

ドーブル蒸気自動車は、連続したチューブから成る、一回通過型の逆流発生器を使用しています。ここでの火は、コイルの下ではなく上にあります。水はチューブの下部にポンプで送り込まれ、蒸気は上部から排出されます。つまり、水と蒸気の粒子はすべて、必然的に発生器のあらゆる部分を通過し、強力な循環を引き起こし、チューブの内側に沈殿物やスケールが形成されるのを防ぎます。水は、1 秒あたり 600 フィート (183 m) の流速でこのチューブの下部に入り、チューブ内の水は一度に 2 クォート未満になります。

高温のガスがコイルの間を通過すると、熱が水に吸収されて徐々に冷却されます。ガスが接触する発電機の最後の部分は、入ってくる冷たい水のままです。

圧力が所定の点（通常は冷水圧の750psi（5.2MPa）に設定）に達すると、火は確実に止まります。1,200ポンド（544kg）に設定された安全弁が追加の保護を提供します。火は圧力だけでなく温度によっても自動的に止まるため、ボイラーが完全に乾燥している場合は、温度によって火が自動的に止まるためコイルを損傷することは不可能です。^[7]

Pritchard および Lamont や Velox ボイラーなどの 同様の強制循環発電機にも同じ利点があります。

蒸気ボイラーは蒸気や高温の蒸気が必要な場所で使用されます。したがって、蒸気ボイラーはエネルギー事業で電気を生産するための発電機として使用されます。また、精米所ではパーボイルや乾燥に使用されます。暖房システムやセメント製造など、産業のさまざまな用途分野に加えて、蒸気ボイラーは土壌の蒸気処理にも農業で使用されています 。^[8]

米国における燃焼式蒸気発生器の試験に関する最も優れた規格は、アメリカ機械学会（ASME）の性能試験規格 PTC 4 である。関連コンポーネントとして再生式空気加熱器がある。空気加熱器の性能試験規格の大幅な改訂は 2013 年に公開される予定である。草案のコピーは閲覧可能である。^{[9] [10]}蒸気ボイラーの受入試験に関する欧州規格は、EN 12952-15 ^[11]および EN 12953–11 である。^[12]英国規格 BS 845-1 および BS 845-2 も英国で引き続き使用されている。^{[13] [14]}

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