ボイラ設備の構成と機能

ボイラ設備は、燃料の燃焼によって生じる熱を水に与え、所定の圧力と温度の蒸気を発生させる設備である。火力発電所では、この蒸気がタービンに送られて機械的な仕事に変換されるため、ボイラ設備はプラントの出力と熱効率を左右する中核の設備となる。本節では、ボイラを構成する主要機器の機能を、水と蒸気の流れ、燃焼ガスの流れ、通風装置と安全装置の順に整理する。

水と蒸気の流れと主要構成

ボイラ内の水は、給水ポンプによって節炭器を経て蒸気ドラムへ送られ、そこから伝熱管へ入って加熱される。蒸気ドラムは、加熱された水と発生した蒸気を分離する気水分離の機能をもつ部分であり、分離された飽和蒸気が過熱器へ送られる。水ドラムは、水管の下端へ水を供給し、循環水を蓄える部分である。

自然循環ボイラでは、加熱された水が密度差によって上昇し、蒸気ドラムへ戻る循環が生じる。循環の駆動力が密度差であるため、この方式を自然循環と呼ぶ。一方、循環ポンプで水を強制的に循環させる方式を強制循環と呼び、循環の駆動力が異なるものとして自然循環とは区別しなければならない。

水管ボイラと煙管ボイラも区別する。水管ボイラは伝熱管の内部を水が流れ、管の外側を燃焼ガスが通る構造である。煙管ボイラは管の内部を燃焼ガスが通り、管の外側を水が満たす構造であり、水管ボイラとは水と燃焼ガスの配置が逆である。

貫流ボイラは、蒸気ドラムをもたない構造であり、給水ポンプで送られた水を伝熱管に一方向に通して順次蒸気にする。ドラムによる循環を行わないため、貫流ボイラは自然循環ボイラや強制循環ボイラとは別の方式として扱われる。

ボイラの熱効率は、発生蒸気が得た熱量を燃料の発熱量で割った値で表される。

ボイラ効率 ＝ 発生蒸気が得た熱量 ÷ 燃料の発熱量

燃焼装置と火炉・伝熱面

燃焼装置は、バーナによって燃料を火炉内へ噴射し、空気と混合して燃焼させる。火炉は燃料が燃焼する区域であり、火炎の放射熱が最も強く及ぶ部分である。火炉の壁面に配置された水管は、主として火炎と燃焼ガスからの放射伝熱によって熱を受け取る。

火炉の後方に配置された伝熱管群は、燃焼ガスが管群の間を流れることによって熱を受け取るため、対流伝熱が主となる。放射伝熱と対流伝熱は、熱を伝える形態が異なるため、火炉の伝熱面と後方の伝熱管群を区別しなければならない。