三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013) 発電技術特集

技 術 論 文24

垂 直 管 型 超 臨 界 圧 変 圧 貫 流 ボイラの最 新 設 計 技 術（第 一 報 ：実 用 化 の歴 史 と新 型 ライフル管 ）Latest Design Technology for Vertical Water Wall Boilers-The First report: History of their Practical Application and Enhanced Rifled Tube-

山 本 健 次 郎 *1

菅 沼 博 *2

Kenjiro Yamamoto

Hiroshi Suganuma

堂 本 和 宏 *3

山 崎 義 倫 *4

Kazuhiro Domoto

Yoshinori Yamasaki

金 巻 裕 一 *5

中 拂 博 之 *6

Yuichi Kanemaki

Hiroyuki Nakaharai

垂直管型超臨界圧変圧貫流ボイラは，冷却能力の高いライフル管を火炉壁に用いることにより複雑なスパイラル構造を回避して火炉壁を垂直管で構成したもので，性能，信頼性とともに経済性を向上することのできるボイラ形式である。
当社はこの形式のボイラを，世界に先駆けて 1989 年に九州電力(株)松浦発電所１号機(700MW)，同年及び 1990 年に中部電力(株)川越火力発電所１，２号機(各 700MW)で商用運転に投入した。以来，国内で 10 缶，海外でも技術供与先を含め約 40 缶，合計約 50 缶の実績がある。
その後本形式のボイラの優位性が広く認知され，ここ数年間にはいくつかのボイラメーカでも本形式が導入され始めている。
ボイラ火炉壁に更に冷却能力の優れたライフル管を用いることにより，熱吸収量変化に伴う流量配分変化に対する自己修正能力が向上し，垂直管型ボイラの性能，信頼性の向上に効果があることが確認されており，近年の火力発電所に求められる温室効果ガスの排出を抑制するための高蒸気条件化や再生エネルギー導入に対応するための負荷追従性能の向上に大きく貢献するものである。
本報（第一報）では，運転データを反映した火炉水冷壁系統の最適化，及び継続的な火炉伝熱管の研究等を基にして確立された高度な設計手法や運転指針を解説し，次報（第二報）で詳述する新型ライフル管を適用した更に高性能な垂直管型ボイラの検証の一部を掲載する。

|1. はじめに
当社は 1980 年代後半より，数多くの垂直管型超臨界圧変圧貫流ボイラを市場投入しており，実機で想定される様々な運転条件下での炉内熱負荷分布や，火炉壁管の伝熱流動特性を詳細に把握するに至っている。加えて，最新の CFD 解析技術と当社長崎研究所の超臨界圧伝熱試験設備を用いた研究開発により，火炉壁管として用いられるライフル管の伝熱流動特性を大幅に改善することに成功している。

*1 原動機事業本部ボイラ統括技術部 主幹技師 技術士（機械部門）*2 原動機事業本部ボイラ統括技術部 課長*3 原動機事業本部ボイラ統括技術部 主席技師

*4 原動機事業本部ボイラ統括技術部*5 技術統括本部長崎研究所 主席研究員*6 技術統括本部長崎研究所 工博

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これらの設計技術と伝熱技術の高度化により，高い性能，運用性，信頼性を有する垂直管型ボイラの設計が可能となった。本報では，このような垂直管型ボイラの高度な設計技術及び伝熱技術を紹介する。

|2. 三菱垂直管型ボイラの開発，実用化の歴史
図１に示すように，当社の超臨界圧変圧貫流ボイラ初号機はスパイラル型が採用されたが，本型式は質量速度（Mass Velocity）が高く、蒸発管が長いため蒸発管圧損が大きく，後述する流動安定性に課題があり，給水・蒸発器系統の設計圧力も上がり，給水ポンプ容量・消費動力が増大すること，及び火炉壁構造が複雑になるという課題もあった。

※1：初の国産超臨界圧ボイラ※2：当社スパイラル型火炉ボイラ初号機※3：世界初垂直管型火炉の超臨界圧変圧運転ボイラ（当社独自開発技術）

図１ 三菱重工におけるボイラ蒸発管伝熱流動研究及びボイラ循環形式開発の沿革

この課題を解消するため，亜臨界圧ボイラで既に実用化に成功していたライフル管の優れた伝熱流動特性に着目し，当社は独自に超臨界圧変圧運転ボイラ向けのライフル管の研究開発に着手し，検証を行い，垂直管方式を超臨界圧変圧貫流ボイラに採用した(1)。
初号機は 1989 年に運転を開始した九州電力(株)松浦火力発電所 1 号機(700MW)(2)，同年及び 1990 年の中部電力（株）川越火力発電所 1 号機（700MW）(3)であり，簡素な構造・高性能・高信頼性を実現している。
以来，今日に至るまで，当社は多くの運転実績に基づくたゆみない技術革新により，火炉の設計技術を継続的に向上させてきた(4)。その成果として近年運開した海外プラントでは，火炉出口エンタルピが大きく変動しても，安定した火炉出口温度分布を維持することが可能であり，5%/分以上の良好な高負荷変化率で実運用されている(5) (図 2) 。
本報で述べる最新の垂直管型ボイラでは，後述する高度な火炉設計技術と改良されたライフル管の採用により良好な火炉壁内流体の流動特性，安定性が得られ，更なるボイラの高蒸気条件化対応も可能とするめどを得ている。

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図２ 海外プラントの負荷変化特性 (5%/分の実績)|3. 三菱垂直管型ボイラのメリット
スパイラル型ボイラに対する垂直管型ボイラのメリットを以下の図３と表１(6)に示す。

図３ 垂直管型とスパイラル型火炉構造の比較
表１ 垂直管ボイラの技術優位性(A)三菱低 MV 設計(B)スパイラル火炉

1 000～1 900kg/m2s

3 000kg/m2s

火炉壁管タイプ

ライフル管

平滑管

流体側熱伝達率

高ベース

流動特性

良〃

質量速度(Mass Velocity)@BMCR

火炉出口流体温度分布1）高負荷1）適正な流量分配

2）低負荷

2）低 MV により均等実績

1989 年より 50 缶以上〃多数

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3.1 圧力損失特性
スパイラル型に比べ質量速度が低くなり，かつ蒸発管長が短くなるため，圧力損失が小さく，給水ポンプ容量・消費動力の低減が可能である。

3.2 据付性
垂直管型はスパイラル型に比べ構造が簡素であるため，火炉壁の支持，補強部材，付着金物を大幅に減らすことができ，据付性，信頼性，メンテナンス性に優れている。

3.3 灰付着性
火炉壁管が垂直に配置されており，灰が容易に剥がれ落ちるため，火炉壁への灰付着量が少ない。亜瀝青炭のような高スラッギング炭を燃料とする場合，特にメリットが大きい。

3.4 流動特性（Flow Characteristic）
スパイラル型では，スラグ脱落等に伴い火炉壁を構成する特定管の吸収熱量が増加した際，流体比容積の急増により摩擦損失が増加し，流量が大きく減少するためメタル温度が過上昇する傾向がある。この火炉壁面内の温度差により，短時間での火炉壁の変形や，長期的な繰り返し応力による寿命消費を誘発する可能性がある。
他方，垂直管型では，比較的低い質量速度及び短い蒸発管長のため，火炉出入口の圧力差に占める摩擦損失の割合が小さく，静水頭の割合が大きいことから，熱吸収が過渡的に増加した管の流量減少が小さく，良好な流動特性を発揮することが特徴である。
また垂直管型の中でも，低質量速度設計のボイラは，火炉系統圧損のうち静水頭の割合が更に支配的となるため，より高い流動特性が得られることが知られている。
具体的には，スラグ脱落等により特定の火炉壁管が過剰に熱吸収した場合，管内流体の比容積増加に伴い，流速増加による摩擦損失の増加と静水頭の減少が同時に起こるが，系統圧力差に占める摩擦損失の割合が少ない低質量速度設計のボイラでは，結果として当該管の流量は増加する。

3.5 流動安定性（Flow Stability）
流動特性(Flow Characteristics)は，一般的に垂直管型ボイラが良好であることは前述のとおりであるが，極端な低質量速度を追及した設計は，熱吸収量変化に対する流量変化が過敏になり，流動安定性(Flow Stability)の悪化が懸念される。
当社は，これまでに確立した設計技術と数多くの垂直管型ボイラの実績に基づき，選定質量速度に応じた火炉壁管圧力損失特性の最適化を行うことでこのような流動安定性の悪化を回避し，かつ良好な流動特性を確保している(7)。
これとは別に流路系中のボイド率，圧力損失，流量の伝達遅れによる不安定流動（密度波振動）も発生する可能性がある。一般的に密度波振動は入口流速が小さく，圧力が低いほど発生しやすいことが知られており，垂直管型ボイラにおいて質量速度を過剰に低くした場合，流体圧力が低い低負荷運転時にその発生が懸念され，設計上の考慮が必要な点である。

3.6 負荷追従性
負荷変化率が小さい場合には，火炉に投入する燃料と給水の両方をバランスさせながらそれぞれの投入量を変化させる。一方，火炉のみならず過熱器(SH)，再熱器(RH)の熱吸収量も，入熱変動の影響を受けるため，負荷変化率が高い場合は，SH，RH の定常温度からの偏差が起こり得る。言い換えれば，SH，RH の蒸気温度偏差が負荷変化率の一つの限界となり得るため，SH，RH の蒸気温度偏差を拡大しない燃料・給水の投入方法が負荷変化率向上の鍵となる(図４)。
負荷変化率が高い場合には，過渡的に燃料投入量と給水流量を定常時に比べて個別かつ急速に大きく変化させる必要があるため，流動特性と流動安定性に優れた火炉システムを採用することが負荷変化率の向上に大きく貢献する対策となる。

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図４ 最新の垂直管ボイラの負荷追従性|4. 垂直管型ボイラの設計技術を支える要素技術と実績
超臨界圧ボイラの火炉壁(ライフル管)設計時における代表的な配慮点として，下記 3 つが挙げられる。
・ 亜臨界圧域での核沸騰からの遷移現象（DNB：Departure from Nucleate Boiling）の抑制
・ 超臨界圧域での伝熱劣化現象の防止
・ 面内温度差の低減
以下では，これらに対して当社が有する高度な設計手法の技術的背景を紹介する。

4.1 継続的なライフル管開発により蓄積された豊富なデータの活用
ライフル管に代表される内面溝付伝熱管の研究は比較的古くから行われている(8)。熱流束の増加あるいは質量速度の減少によって，管壁温度が急上昇する伝熱劣化現象(Heat transferdeterioration)が存在することが多くの研究者によって報告されている(9)～(12)。
当社においては，長崎研究所に高温･高圧伝熱試験設備を設置した 1960 年代に，平滑管や自然循環ボイラ用大口径ライフル管の伝熱試験が開始された。1979 年には同長崎研究所に超臨界圧伝熱テストループ(図５)を設置し，本格的にライフル管の伝熱流動試験を開始し，その結果の一部をまとめた最初の論文を 1982 年の第 7 回国際伝熱会議にて発表した(13)。これは，臨界圧近傍における，熱伝達率と圧力の関係を詳細に報告した世界最初の論文である。その後，系統的なデータ収集が続けられ，ライフル管伝熱流動特性に関する豊富なデータが蓄積されている(14)。

最高圧力
最大流量
加熱量
伝熱管長

図５ 超臨界圧伝熱テストループ

30MPa
10t/h
2500kW～8m三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013)

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他社，他研究機関の実験的研究においては，Ackerman(15)はライフル管による超臨界圧域伝熱劣化現象の抑制効果を報告している一方，西川らの研究(16)によるとライフル管でも超臨界圧伝熱劣化現象の発生が確認されており，リブ形状（内面溝形状）の違いによって伝熱劣化の発生しやすさが異なる可能性が示唆されている。また、近年では，J. Wang ら(17)や J. Pan ら(18)によってもライフル管の超臨界圧伝熱特性について報告がなされている。
1990 年代に入り，超臨界圧流体の CFD 解析についていくつかの報告(19)～(22)がなされたが，それらはすべて平滑管など比較的単純な形状に限られていた。当社では独自にライフル管の超臨界圧域伝熱流動解析手法を構築し，CFD 解析による効率的な研究開発を進めている。
本報で紹介する最新の垂直管型ボイラの根幹技術である新型ライフル管は，このような長年にわたり蓄積された豊富な試験データを背景に，最新の CFD 解析と超臨界圧伝熱テストループを用いた実験の組合せにより開発されたものである。

4.2 実缶伝熱特性の詳細把握
超臨界圧変圧貫流ボイラは，運転負荷に応じて圧力が亜臨界圧から超臨界圧まで変化するため，火炉壁管内では水単相/蒸気単相，気液二相流の強制対流熱伝達（核沸騰熱伝達，膜沸騰熱伝達）をはじめとし，超臨界圧熱伝達までの様々な伝熱形態が生じている。そのため，火炉壁管内面の熱伝達に対して適切な評価手法を整備することが，火炉の最適設計には不可欠である。
図６は、当社の豊富な試験データに基づく各運転圧力についてのライフル管の熱伝達率を示したものである。このように、実機で想定される各流動状態に対して適切な評価を可能とする設計技術を保有している。

図６ 各運転圧力におけるライフル管の熱伝達率

4.3 実缶実績に基づく熱負荷データの蓄積
超臨界圧垂直管型ボイラの特に亜臨界圧の部分負荷においては，火炉壁出口部の流体の蒸気比熱が比較的小さく，火炉壁の面内に蒸気温度差が発生しやすくなるため，火炉壁管の熱吸収量偏差により生じる温度差も火炉壁強度設計の重要な配慮点である。
当社のボイラは，高効率燃焼を目的とした旋回燃焼方式を採用していることから，炉内の熱負荷分布は，対向燃焼方式に比べて比較的緩慢なものの，一定の分布が生じる。炭種やボイラ負荷による熱負荷分布の相違に対しては，当社は豊富な実機データと解析技術に基づき，あらかじめ適正な流量バランスで火炉壁系統を設計することで，この熱負荷分布の相違に起因する火炉壁チューブ間の出口エンタルピ差（温度差）を最小化している。また，石炭焚きボイラの場合は，火炉壁に付着したスラグの脱落による火炉壁管熱吸収量の断続的変動も配慮する必要がある

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等，様々な熱吸収量のパターンを想定したロバストな設計が重要となる。
当社は蓄積された多くの垂直管型ボイラの運転データを活用して，あらゆる炉内状況を想定することが可能であり，火炉壁管流量調整及び火炉出口連絡管等を含む火炉全体システムの最適化設計を行うことにより，すべての運転条件において火炉壁出口の安定した温度特性を得ることに成功している。

|5. 垂直管型ボイラ質量速度選定の最適化
5.1 火炉断面熱負荷と選定質量速度
４章で述べた垂直管型ボイラの設計上の留意点である DNB，伝熱劣化，火炉出口面内温度差
は，いずれも火炉壁管内の流体質量速度と密接な関係があるが，本質量速度は任意に選定されるものではなく，一般に下記条件により決定されるものである。
(1)火炉壁管通過流量
蒸気条件及び過熱低減器のスプレイ量にもよるが，おおむねユニット出力に依存する。
(2)火炉壁管本数
当社は，火炉壁に水冷壁管とフィンで構成されるメンブレンウォールを採用しているが，フィンの冷却性を考慮すると火炉壁管のピッチは制限され，火炉壁管本数はおおむね火炉の周長，すなわち火炉の断面積に依存する。
火炉体格（断面積，体積，等）の選定はユニット出力だけでなく，火炉のスラッギング性に配慮する必要があり，当社は多種燃料に対応した実績を基に，燃料の種類に応じた火炉体格を選定している。
(3)火炉壁管流路面積
管外径と肉厚等のチューブ仕様に依存する。
ただし，火炉壁管の最低必要肉厚は耐圧強度の観点から一意的に決まるため，本来，質量速度の選定可能範囲はある程度制限されるものであり，この選定可能な質量速度の範囲から，若干の肉厚調整等により火炉壁管内の質量速度が決定される。

5.2 火炉壁管伝熱特性と質量速度の関係
図７(23)は亜臨界圧域における DNB 発生条件を，質量速度とクオリティ（蒸気含有率）で整理したものであり，実線より高クオリティ側で DNB が発生することを表している。図より，ライフル管は平滑管より高クオリティまで DNB の発生を抑制できることが分かる。一般的に DNB 発生クオリティが低いほど熱伝達率が低くなる傾向があるため，平滑管を用いた貫流ボイラにおいては質量速度を高く保ち，より高クオリティまで DNB を発生させないことが重要である。一方、ライフル管を用いれば低い質量速度でも高クオリティまで DNB を発生させないことが可能である。
図８ (23) は超臨界圧域における伝熱劣化発生条件を質量速度と熱流束で整理した例であり，図７と同様に，高熱流束，低質量速度側が伝熱劣化発生領域である。伝熱劣化が発生した場合，管壁温度が急激に上昇し火炉壁の健全性が維持できなくなる恐れがある。
伝熱劣化現象は，短期的なクリープ破壊の懸念だけでなく，熱負荷の変動により生じる場合に火炉壁管メタル温度の突変を起こし、繰り返し熱応力を発生させる懸念がある。後者の場合は、長期的に溝状腐食(エレファントスキン)のような腐食減肉を誘発する可能性がある。このため，伝熱劣化現象は実機において回避すべき現象の一つである。
4.1 節で記載したとおり，伝熱劣化はリブ形状の違いによって発生条件が異なる可能性があり，垂直管型ボイラの信頼性向上のためには，低い質量速度及び高い熱負荷でも伝熱劣化が発生し難いライフル管を開発することが重要である。

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図７ 亜臨界圧におけるライフル管と平滑管の DNB 特性

図８ 超臨界圧における伝熱劣化発生条件（平滑管）

5.3 新型ライフル管の開発
垂直管型ボイラの信頼性を高めるためには，5.2 節で述べたように，亜臨界圧運転時の DNB 抑制だけではなく，超臨界圧運転時に低質量速度で伝熱劣化が発生しないライフル管が必要である。一般的に，亜臨界圧域の DNB 抑制のためにはリブ高さを高め，リード角を流れに対して大きくすることが有効であると言われている一方で，4.1 節で述べたとおり，超臨界圧の伝熱劣化に関してもリブ形状が影響していることが示唆されている。当社は，亜臨界圧運転時の DNB と，超臨界圧運転時の伝熱劣化の両方を回避させうるライフル管を開発し，実機適用に向けて設計中である。開発に際しては，これまでに蓄積した様々な形状のライフル管試験データを詳細に分析し，内面の溝形状と伝熱特性の関係を明らかにするとともに，最新の CFD 解析技術(図９)を基に伝熱劣化発生メカニズムの分析を行った。それに基づき開発した新型ライフル管は，超臨界圧伝熱テストループでの実圧力，実温度検証試験の結果，良好な性能を有していることを確認した(図 10) 。

図９ CFD に基づくライフル管解析
図 10 新型ライフル管の伝熱特性

なお，一般的知見としても，DNB の抑制のためには，リブ高さを高め，リード角を流れに対して大きくすることが有効であるが，逆にこのようなライフル管は，超臨界圧域での伝熱劣化を起こしやすいことも，多くの研究者から報告されており(17）,（18），亜臨界圧域の DNB と超臨界圧域の伝熱三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013)32

劣化の抑制を両立し得るライフル管の仕様選定には，コンセプト立案から実証まで，これら CFDと超臨界圧伝熱テストループの両面から入念な検証を行った。

5.4 新型ライフル管の特性を加味したボイラ設計
上記新型ライフル管は従来ライフル管と比べて，より低質量速度でも，亜臨界圧での DNB と超臨界圧での伝熱劣化の両者が抑制可能なことが確認されたことから，上述された伝熱劣化に起因するボトルネックは解消され，十分な低質量速度設計が可能となった。しかし，3.5 節に述べたとおり，極端な低質量速度化は，流動安定性の低下を誘発するため，新型ライフル管の実機への適用に当たっては，適正な火炉系統設計への配慮が必要となる。検証の詳細は第二報で報告する予定である。

|6. まとめ
本報では，火炉壁の伝熱流動特性を大幅に改善させた最新の垂直管型ボイラの設計技術について紹介した。この最新の垂直管型ボイラは，豊富な実缶実績に基づく設計技術の高度化と，継続的に行われてきたライフル管開発により確立したもので，より高い運用性と信頼性が実現されるものである。

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