電験3種「電力」のポイント その7 火力発電におけるボイラの種類と役割

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電験3種「電力」のお勉強7回目のテーマは「火力発電におけるボイラの種類と役割」です。

 

水管ボイラの種類

発電用ボイラは水の循環方式により「自然循環ボイラ」「強制循環ボイラ」「貫流ボイラ」の3種類に分類できます。

汽力発電に用いられる水管ボイラは、水の循環方式によって分類すると、上の3種類に分かれます。

 

自然循環ボイラの説明

自然循環ボイラは、温度変化による水の密度差を利用して、ボイラ水を自然に循環させます。

蒸発管を流れる水は加熱され、汽水混合物となるため、密度が減少して上昇し、ドラムで蒸気と分離された水は、重力によって降水管を伝って降下します。

強制循環ボイラの説明

強制循環ボイラは、降水管の途中に循環ポンプを設置して、ボイラ水を強制的に循環させます。

強制循環ボイラは自然循環ボイラと比較して、水管の径を小さくでき、ボイラの高さも低く抑えることができます。始動・停止に要する時間も短くなります

 

貫流ボイラの説明

貫流ボイラはドラムがなく、水管だけで構成されるボイラであり、水の循環はありません

貫流ボイラは管系のみで構成され、最終的に水が全て蒸発することにより水の循環はありません。保有水量が少ないので、始動・停止の時間が非常に短く、負荷変動への応答性に優れています。高圧条件にも適しています。

 

発電用ボイラの構成と役割

発電用のボイラは、火炉・水管・ドラム・過熱器・給水過熱器・節炭器・空気予熱器、再熱器、通風装置、集じん装置などで構成されています。

火炉は、燃料を燃焼させる部分で、燃焼室ともいいます。火炉の周囲には、水管を配置した水冷壁が設けられ、火炎による放射熱がボイラ水に伝えられます。

水管は、燃焼ガスと接触する部分にも設けられ、燃焼ガスの熱が伝わります。

ドラムは、蒸気と水を分離し、蒸気を取り出す部分ですが、貫流ボイラにはありません。

節炭器エコノマイザ)は、燃焼ガスが通る煙道の内部に設けられ、燃焼ガスの熱を利用してボイラへの給水を加熱します。
節炭器を設置する事によって熱効率を良くすることで、燃料の消費量を抑えることができます。

空気予熱器は、煙道のガスの熱を利用して、燃料を燃焼させるための空気を加熱する装置です。

給水過熱器は再生サイクル、再熱器は再熱サイクルを行う場合に設けられます。
ボイラの運転中は、ボイラの燃焼に必要な空気を供給し、燃焼によって生じた燃焼ガスの熱を利用したのち、煙突から大気に放出しなければなりません。この空気と燃焼ガスの流れをボイラの通風といいます。
小規模なボイラでは、煙突の吸引力のみによる自然通風を行うものもありますが、発電所に設置されるような大規模ボイラでは、送風機を用いた人工通風が行われます。煙突や送風機を通風装置といいます。

集じん装置は、燃焼ガスに含まれるばいじんを除去するための装置です。

 

飽和蒸気と飽和水

飽和温度の蒸気を飽和蒸気といい、飽和温度の水を飽和水といいます。

容器に入れた水を、一定の圧力のもとで加熱すると、水温はだんだん上昇しますが、一定の温度に達すると温度の上昇が止まり、水が沸騰します。このときの温度を、飽和温度といいます。

飽和温度はまず沸点と同じ意味と考えていいでしょう。

標準大気圧においては、水の飽和温度は100℃ですが、飽和温度は圧力が高くなるにしたがって高くなります。

たとえば、圧力が1MPa (標準大気圧の約10倍)のとき、水の飽和温度は約180℃になります。つまり、圧力1MPaで運転中のボイラの内部では、水は約180℃になるまで沸騰しないのです。

沸騰とは、液体が表面から蒸発するだけでなく、液体の内部からも気化していく現象です。

飽和温度に達した水は沸騰し、さらに加熱すると、水がすべて蒸発するまで沸騰し続けますが、その間は飽和温度のままで温度上昇をしません。言いかえれば、飽和温度においては水と気体の水蒸気が混在することになります。

飽和温度の飽和水が蒸発して飽和蒸気になるためには、他から熱を吸収することが必要で、その熱を潜熱といいます。飽和水を加熱しても温度が上昇しないのは、その熱エネルギーが、温度を上げるためでなく、水を蒸気にための潜熱(蒸発熱、気化熱)として使われるためです。

標準大気圧において、0℃の水1kgを、100℃の飽和水にするためには、419kJの熱量を要します。
1kgの飽和水を蒸発させて飽和蒸気にするには、さらに2257kJの熱量が必要で、これが潜熱です。つまり1 kgの飽和水と1kgの飽和蒸気は、温度は同じ100℃ですが、飽和蒸気のほうが、潜熱を加えられた分だけ大きなエネルギーをもっていることになります。それを比エンタルピという値を使って示すことができます。

物質がもつ内部エネルギーをU、圧力をp、体積をVとすると、エンタルピHは、H=U+pVと定義されますが、圧力が一定という条件のもとでは、物質に吸収または放出された熱量を、エンタルピの変化で示すことができます。

比エンタルピは、単位質量当たりのエンタルピのことで、標準大気圧において、飽和水の比エンタルピは419kJ/kg、飽和蒸蒸気の比エンタルピは 419 + 2257 = 2676 [kJ/kg] と表せます。

 

湿り飽和蒸気と乾き飽和蒸気

水分を含む飽和蒸気を、湿り飽和蒸気といい、水分を含まない飽和蒸気を、乾き飽和蒸気といいます。飽和温度より高温になった蒸気を過熱蒸気といいます。

飽和温度では飽和水と飽和蒸気が混在し、通常は飽和蒸気の中に微細な水滴が含まれています。

そのような蒸気を、湿リ飽和水蒸気といいます。湿り泡和蒸気をさらに加熱すると、やがて水分がすべて蒸発し、水分を含まない乾き飽和蒸気になります。乾き飽和蒸気をさらに加熱すると、蒸気の温度が上昇し、飽和温度よりも高くなります。そのような蒸気を、過熱蒸気といいます。

汽力発電用のボイラでは、過熱器でさらにに加熱して、過熱蒸気にした状態で蒸気タービンに送ります。

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