月刊「クリーンエネルギー」2009 年 10 月号掲載 原稿

大型貫流ボイラ『イフリート』シリーズ
川重冷熱工業株式会社
技術総括室 ボイラ技術部
村田 哲彦

はじめに（２）優れた圧力制御
一般に小型貫流ボイラで採用される燃焼制御は『高燃焼－低燃焼－燃焼停止』を断続的に繰り返す三位置制御が採用されている。これに対してイフリートの燃焼制御はＰＩ制御を採用し、負荷に応じて連続的に燃焼量を制御している。
また、小型貫流ボイラで採用されている給水制御は、ＯＮ－ＯＦＦの断続制御であり、対してイフリートは給水制御にもＰＩ制御を採用している。
ＯＮ－ＯＦＦの給水制御では、給水オフ時は０％、オン時は１２０～１５０％の給水を繰り返し、燃焼制御は０％－５０％－１００％の繰返しで、これらは各々関連なく動作する。この入出力の不一致が外乱となり、蒸気圧力変動・燃焼量増減・水位変動を繰り返すことになる。
イフリートに採用しているＰＩ制御は、連続的に制御することにより、蒸気発生量＝燃焼入熱＝給水量の平衡を行うことで、水位を安定させることができ、安定した蒸気圧力で運転することが可能となる。
図１に負荷静定時の蒸気圧力変化を示す。燃焼・給水ともにＰＩ制御を採用したイフリート６０００ｋｇ／ｈ×１台の圧力変動幅と、燃焼制御が三位置制御、給水制御がＯＮ－ＯＦＦ制御の当社製小型貫流ボイラ２０００ｋｇ／ｈ×３台とを比較した場合、イフリートの圧力変動幅は小型貫流ボイラのそれに対して、約１／３の０．００９ＭＰａ以下に抑制することが可能である。

ボイラ設備において、小型貫流ボイラは取扱資格や、法定検査の関係で事業者にとって利便性が良いことから一般産業分野で多く採用されている。反面、大容量負荷に対応する小型貫流ボイラの多缶設置の場合、保守費用の増加、簡易な制御方式であることから、実働熱効率の低下などの課題がある。
一方、水管ボイラなどの大容量ボイラは燃焼・給水制御にＰＩ(比例積分)制御を採用するなど高い性能を有するが、資格・検査の面で利便性が劣ることから需要は減少している。
本稿では、小型貫流ボイラの利便性と大容量ボイラの高機能・高性能を合わせ持った大型貫流ボイラ『イフリート』、さらに、２００９年４月に販売を開始した、最高使用圧力０．９８ＭＰａ仕様で『イフリート』の姉妹機種である『イフリートビート』シリーズについても紹介する。

『イフリート』の特徴（１）容量・取扱資格
イフリートは換算蒸発量６０００、５０００、４０００、３０００ｋｇ／ｈをシリーズ化している。表１にイフリートの要目を示す。さらに最大１６缶を同時に制御できる台数制御装置と組み合わせることで、最大換算蒸発量９６ｔ／ｈの大容量ユーザにも対応が可能である。バーナのターンダウンは６：１（１３Ａガス焚き）を達成しているため、換算蒸発量１０００～６０００ｋｇ／ｈまでバーナをＯＮ－ＯＦＦさせることなく追従できる。このターンダウンの広さが部分負荷（ボイラの実働部分負荷運転領域）においても高いボイラ効率の維持に有効な技術となっている。
貫流ボイラは保有水量が少ないことから伝熱面積３０ｍ２以下のボイラについては取扱資格の軽減処置が受けられる。これはボイラの最高使用圧力やボイラを複数台設置した場合でも適応される。つまり、３．２ＭＰａの高圧ボイラであっても、そのボイラの設置台数に関係なくボイラー技士免許は不要であり『ボイラー取扱技能講習』修了者で取り扱うことができる。

MPa0.79

イフリート
IF-6000GE×1 缶0.785

変動幅0.009MPa

0.780.775

変動 幅0.034MPa

0.770.765

小型貫流ボイラ
KF-2000GE×3 台0.76

表１ イフリート要目（１３Ａガス焚き）
換算蒸発量ｋｇ／ｈ
６０００，５０００，４０００，３０００
ターンダウン－
６：１
伝熱面積ｍ２３０以下
最高使用圧力 ＭＰａ
０．９８／１．５６／１．９６／２．３５／３．２
ボイラー区分 －小規模ボイラー取扱資格－
ボイラー取扱技能講習修了者
制御方式－
燃焼：ＰＩ制御 給水：ＰＩ制御

0100200300

図１ 負荷静定時の蒸気圧力変化

1

（３）部分負荷効率の向上
カタログ等に記載されるボイラ効率の仕様値はすべて定格運転条件での数値である。しかし、ユーザでの消費蒸気量は一定でなく、多缶設置ボイラにおいては頻繁なボイラ発停があることから、実際の蒸気負荷に対するトータル的なボイラ効率の把握は容易でなかった。
そこで蒸気負荷を任意に設定できる当社のボイラ運転設備(図２、３)を利用して、ＰＩ制御(連続制御)のイフリー
トと三位置制御(断続制御)の小型貫流ボイラでの部分負荷における燃料使用量の違いを確認した。以下にその一例を示す。

比較するボイラはイフリート４０００ｋｇ／ｈ×２缶と当社製小型貫流ボイラ２０００ｋｇ／ｈ×４缶であり、両方とも合計の換算蒸発量は８０００ｋｇ／ｈである。
図４に実機確認を行った蒸気負荷パターンを示す。負荷は実際蒸発量２０００ｋｇ／ｈをベースに１分間で１０００ｋｇ／ｈから最大３０００ｋｇ／ｈの負荷の増減を与えた。このときの設定蒸気圧力は０．７ＭＰａ、ボイラの制御は台数制御装置で行った。

蒸気量（ton/h）654321005101520253035時間（分）図４ 蒸気負荷変動パターン

比較結果の一例を表２に示す。１時間あたりの発生蒸気は両機種ともおおよそ３０００ｋｇであるが、燃料の使用量がイフリートの２０６．８m３N に対し小型貫流ボイラでは２２１．２m３N と多く、ボイラ効率の差で比較すると５．６ポイントもイフリートの方が良いことが分かる。
これは、以下に挙げる項目により小型貫流ボイラの部分負荷効率が低下したものと考えられる。
①燃焼を停止するとポストパージや再着火時のプレパージの損失が増加②バーナの高燃焼⇔低燃焼の切替時に、発煙や未燃分発生抑制として過渡的に空気過剰にする必要があり排ガス損失が増加③発停による蒸気の質(乾き度)低下に伴う熱損失の発生④停止待機中のドラフトによる熱損失の発生
ボイラの発停が伴う多缶設置小型貫流ボイラの台数制御に比べ、連続制御と広いターンダウンを有するイフリートの方が部分負荷領域の燃料消費量に対して有効であることが確認できる。

小型貫流ボイラ
KF-2000GE×4台
イフリート
IF-6000ＡGE×2台

図２ ボイラ運転設備(設備フロー)

図３ ボイラ運転設備(外観写真)
表２ 比較結果

機種

種類

イフリート
IF-4000AGE×2缶
小型貫流ボイラ
KF-2000GE×4缶

蒸気流量
ガス流量
蒸気流量
ガス流量

データ
(kg、m3N)

運転時間（ｈ）

1500
103.4
1510
110.6

0.5
0.5

2

1時間当たりの負荷(kg、m3N)
3000
206.8
3020
221.2

ボイラ効率(%)
95.4
89.8

ボイラ効率 ％に、給水をＯＮ－ＯＦＦ制御とすると、給水が停止した時、（４）イフリートの適用例
エコノマイザで蒸発が発生しウォーターハンマ現象を招く。
① 高圧ドレン回収システム
さらに燃焼三位置制御では給水ＯＦＦ状態で最大燃焼とな
イフリートの特徴を活かしたシステムとして高圧ドレンる組み合わせも有り得るため、ウォーターハンマ現象を避回収システムが挙げられる。ドレン回収システムは蒸気使けることはできない。このため、エコノマイザを省略する用設備から排出された使用済み蒸気のドレンをボイラ給水ことが行われるが、ボイラ効率はおよそ８７％まで低下すとして回収するシステムである。高圧のドレンは、特に高ることになる。
いエンタルピを有するため、その回収率は燃料原単位に大イフリートの場合は、燃焼・給水制御ともにＰＩ制御をきく影響を及ぼす。
採用しており、コルゲートマシンが運転している間は、そ従来から高圧ドレン回収を行っている代表的負荷機にはの蒸気負荷に見合った給水量を安定かつ連続して供給できコルゲートマシン、抄紙機、フライヤー、ゴム加硫器等がるため、回収ドレンもエコノマイザを経てボイラ本体に供挙げられる。これらは使用した蒸気をほぼ１００％高圧ド給することが可能である。このため、ドレン回収率がほぼレンとして排出する機械で、高圧ドレン回収を行うことに１００％でもエコノマイザを使用することが可能である。
より、その省エネルギー効果を得やすい。
図５に回収ドレン圧力が１．２７ＭＰａ、ボイラの蒸気コルゲートマシンを例にとると、その必要蒸気圧力はお圧力が０．７８ＭＰａでのドレン回収率－ボイラ効率の関
よそ１．２７ＭＰａであり、かつ高圧のドレン回収を行う係を示す。エコノマイザを使用することで９０％程度のボため、水管・炉筒煙管ボイラが使用されてきた。高い回収イラ効率を確保することが可能である。
率でドレン回収を実現するのに必要な条件としては、①ボイラの容積(水側)が大きく、回収ドレンの変動を吸収でき94る。②ボイラの給水・燃料流量が安定しており、かつ系のエコノマイザ付流量変動が小さいことが挙げられる。水管・炉筒煙管ボイ
エコノマイザ無ラが使用されてきたのは①の理由によるためである。
92
一般的な燃焼三位置制御、給水ＯＮ－ＯＦＦ制御の貫流ボイラを採用した場合、前述のとおり、給水ＯＮ－ＯＦＦが外乱となり、圧力変動・負荷増減・水位変動が必ず発生90する。
ドレン回収を行う場合、給水ＯＦＦ時は高圧ドレンが余ってしまう。それを溜め込むタンク(ドレン回収タンク)が88ない限り、給水タンクへ放出する以外になく、通常、給水タンクは大気開放であるから、回収ドレンの温度あるいは86回収率が高い場合、余剰熱量が給水タンクから排気蒸気と405060708090100して大気中に放出され無駄が生じる。この無駄を無くすた
ドレン回収率 ％めに一般に燃焼三位置制御、給水ＯＮ－ＯＦＦ制御の貫流
図５ ドレン回収率－ボイラ効率
ボイラにおいてはドレン回収タンク(第一種圧力容器に該当)を用いて回収ドレンの変動を吸収している。
イフリートはボイラ水位制御をＰＩ制御としているため、 ② コージェネバックアップシステム
ボイラ水位は安定し、かつ、給水も連続して行われるため、貫流ボイラの特性の一つである起蒸の速さと、イフリー蒸気圧力及び回収ドレン系統の圧力並びに流量も水管ボイトの高追従性および少缶設置による保守作業・費用が低減
ラ並の安定が得られる。そのため、ボイラ蒸発量と回収ドできるメリットで特に大容量のコージェネ設備におけるバレン流量は、ドレン回収率で表される一定の関係を持続でックアップボイラとして導入事例が増えてきている。
き、回収ドレンを遅滞なくボイラへ給水することが可能でコージェネ排熱ボイラのバックアップはコージェネが正ある。その結果、系の流量変動を吸収するためのドレン回常運転の場合、ほとんど蒸気を発生することがなく、いざ収タンクを省略しても高いドレン回収を維持することがでコージェネが緊急停止した場合、すばやく起蒸し、蒸気利きる。
用プロセスへ影響を与えないことが要求される。蒸気利用
これは、水管・炉筒煙管ボイラにおいては特筆すべきこプロセスの影響度はユーザによりさまざまであり、その要とではないが、イフリートの場合は、貫流ボイラであって求の度合い(たとえば供給する蒸気圧力に下限値がある)にもそれと同等の装置の簡素化と、同時に高い回収率を実現
よりバックアップ待機状態の制御設定を行う。
することが可能である。
コージェネ正常運転時は、イフリート台数制御の設定蒸また、高圧ドレンをボイラに直接回収しようとする場合気圧力をＬｏｗ設定(通常、蒸気ヘッダ圧力より低く設定)

3

める前に各ボイラに対し制御を行うことができる。図６ではコージェネ緊急停止により台数制御の設定蒸気圧力がＨｉ設定（通常運用の蒸気ヘッダ圧より高く設定）に変更する例を示す。台数制御の設定蒸気圧を高く変更すること
で、各ボイラはすばやく順次立ち上がり、蒸気ヘッダ圧を必要以上に下げることなく、プロセス負荷の担当をスムーズにイフリートに変更させることができる。ボイラの立ち上がり間隔や台数の設定を最適値に調整することで各ユーザ要求の最低蒸気圧力をキープするバックアップ制御が可能となる。とする。この場合排熱ボイラからの蒸気により、蒸気ヘッダ圧が台数制御設定圧より高く維持されるため、イフリー
トは燃焼する缶数が減少する。そこで最低負荷で燃焼を維持させておくイフリートの缶数を設定し、コージェネ緊急停止時のすばやい起蒸に備える制御を行っている。また、自動ローテーション機能により順次燃焼させる缶を変更することで、すべての缶が待機状態となり、よりすばやい起蒸が可能となる。
コージェネ緊急停止時には、コージェネ側から異常信号を台数制御装置に受け入れることで、ヘッダ圧が下がり始コージェネ正常運転時

排熱ボイラ プロセス
よりへ

Low設定

蒸気ヘッダ・・・

台数制御盤・・・
最低燃焼缶数を設定・自動ローテーション
コージェネ異常運転時

排熱ボイラ
蒸気断プロセスへ
コジェネ緊急停止
Hi設定

蒸気ヘッダ・・・

・・・
すばやくバックアップ・プロセス負荷に応じ負荷制御

台数制御盤

図６ コージェネバックアップ制御の概略フロー『イフリートビート』の紹介

従来のイフリートから引き継いだ燃焼ＰＩ制御による高い部分負荷効率により、下記の条件でメリットを試算すると、三位置制御の当社製小型貫流ボイラと比べ、年間燃料費は年間７００万円の削減、ＣＯ２排出量では２００ｔｏｎ－ＣＯ２の削減が可能となった。(図７、８)
年間燃料費、ＣＯ２排出量ともに約６％削減することになり、これは従来型イフリートの持つ同比約４％という削減率を２ポイント向上させている。

前述したイフリートの優れた特徴を引き継ぎながら、最高使用圧力０．９８ＭＰａ仕様に最適化し、更なる高効率化を実現した新シリーズ『イフリートビート』をラインナップしたので紹介する。
（１）イフリートビートの特徴①抜群の省エネルギー新開発の高性能コンパクト缶体を採用することにより、ボイラ効率を従来の９６％から９８％へ２ポイント向上させ、業界トップクラスの高効率を有している。

4燃料費（百万円/年）
118②コンパクト
ボディデザインを一新し(図９)、設置スペースを当社の小型貫流ボイラと比較して約２５％低減させている。
③簡単な操作操作性を重視して、操作部に液晶カラータッチパネ
ルを採用し直感的な操作を実現している。また、LED状態表示灯を採用し、遠くからでも誰にでもボイラの状態が把握することが可能である。

燃料費削減
年間 700 万円

116114112110108106

小型貫流ボイラ
KF-2000GE×3台

イフリート
IF-6000AGE×1台

イフリートビート
IF-6000BGE×1台

おわりに

図７ 年間燃料費

イフリートは、貫流ボイラでありながら、従来の水管ボイラや炉筒煙管ボイラの優れた圧力制御と小型貫流ボイラの起動性能、扱いやすさ等の長所を取り込み、最大６０００ｋｇ／ｈの大容量で多缶設置時の台数を減少することが可能となり、省メンテナンスを実現した高効率ボイラである。イフリートは２０００年の発売以来、順調に稼動し納入台数も年々増加している。
イフリートビートはイフリートの優れた特性を受け継ぎながら省エネルギー性能を向上させたボイラである。このイフリートビートを軸に、従来技術の改善と新技術の開発を行い、今後も積極的に省エネルギー推進を展開していく所存である。

CO2排出量（ton-CO2/年）
3300

CO2 削減年間 200 ton-CO23200
3100
3000

2900

小型貫流ボイラ
KF-2000GE×3台

イフリート
IF-6000AGE×1台

イフリートビート
IF-6000BGE×1台

図８ 年間ＣＯ2 排出量

以 上＜計算条件＞
年間運転時間：７２００ｈ、平均負荷率：６０％ 、
CO2 排出係数：０．０５１３ｋｇ－ＣＯ２／ＭＪにて算出

図９ イフリートビート外観5