月刊「クリーンエネルギー」2008 年 2 月号掲載 原稿

ボイラーの性能改善

性能改善の歴史と技術の変遷
川重冷熱工業株式会社
技術総括室 ボイラ技術部
柳田 高秀
例があり、現在に至っている。

まえがき（２）炉筒煙管ボイラー

省エネルギーと地球環境の維持・改善が大きな関心となっているが、当社は、熱源機器のパイオニアとして、その歴史は古く１９００年頃に、炉筒ボイラとして、１８９９年（明治３２年）の汽車製造（株）を前身とし、コルニッシュボイラーやランカシャーボイラーが製作さ川崎重工業（株）から分離独立し、汎用ボイラーと空調れている。現在の炉筒煙管ボイラーは、１９５０年代に機器を製造販売している。１００年以上の歴史を通じて、 入ってから研究され、炉筒と多数の煙管を組み合わせた高効率化と環境に優しい製品を追求し更なる向上を図っもので、効率改善の為に、炉筒と煙管の配置を工夫し、ている。本稿では、ボイラーの性能改善の歴史と技術の排ガスの反転数を多くして回収熱量を上昇させたものも変遷及び最新式の大型貫流ボイラーを紹介する。

ある。１９６０年代には、本体効率８６％、エコノマイザ付きでボイラー効率９０％であったものが、１９７０１．ボイラーの性能

年代中頃には本体効率８８％、エコノマイザ付きでボイ１．１

ラー効率９２％を達成して現在に至っている。

ボイラーの特徴と効率

容量は１０t/h 程度、蒸気圧力は０．９８ＭＰａのパボイラーで蒸気を発生するために実際に用いられた熱ッケージボイラーが主流である。

量と、火炉に供給された燃料が完全燃焼することによって発生すべき熱量の比をボイラー効率といい、省エネル

大きな炉筒と適正なバーナの採用で、ＮＯｘの発生をギー効果を表す指標である。ボイラーの種類には、その抑え、窒素分の多い重質燃料にも対応可能である。前面

構造から水管ボイラー・炉筒煙管ボイラー・多管式貫流の風箱に押込送風機とバーナ及び煙室をコンパクトに組ボイラー等の種類があり、それぞれ特徴がある。各種ボみ込み、各種ポンプを装備することで、据付は極めて容イラー効率の変遷を図１に示す。

易であり、各種製造業、空調用に幅広く活用されている。

（１）水管ボイラー（３）多管式貫流ボイラー
その歴史は新しく、急速に発展したボイラーである。

パッケージタイプのニ胴式の水管ボイラーで、蒸発量は、４～３０ｔ/h までをラインアップし、蒸気圧力は、 １９８０年代には、本体効率８５％であったものが、１０．９８～２．９４ＭＰａ程度が多く、各種製造業、地９９０年代には、本体効率９０％に達し、現在は、エコ域冷暖房用に広く採用されている。

ノマイザを設けることで、９５～９６％が主流になってドラム外部に水管を配置する為に火炉が自由に設計でいる。但し、効率計算条件（圧力・給水温度・吸気温度）き、かつ伝熱面積を増やすことで、大容量・高圧に対応が、水管ボイラーと異なるので留意が必要である。また、可能である。また、油バーナは蒸気噴霧式を採用し重質本体はコンパクト化が進み、その取り扱い性が容易なこ

油から軽質油に至るまで広い燃焼範囲をカバーし、安定と、多管式貫流ボイラーを多数並べることで大容量化にした燃焼性を得ることができる。

対応し、大型の水管ボイラーや炉筒煙管ボイラー並みの１９６０年代に、ボイラー本体効率は８５％を達成し、 高効率にすることで普及している。なお、ＯＮ－ＯＦＦ
１９７０年代には、エコノマイザを取り付けてボイラー運転が多い為、水管ボイラー等と比べて、一般的に耐久効率は、９２％に上昇した。さらに、１９８０年以降、性が短く、また部分負荷の効率は低いといった傾向があ

エコノマイザの収熱を増加させて９６％まで熱回収した

る。

1

100
定格運転効率 （％）

多管貫流（エコ付きガス焚）

95

多管貫流（エコ付き油焚）

水管（エコ付き）90
炉筒煙管（エコ付き）

85
19601980
西暦 （年）

図1（注）連続燃焼時の効率を示す。
３位置制御等の断続燃焼は部分負荷効率が低下する。

2000
当社比

ボイラー効率の変遷

２．多管式貫流ボイラーの紹介
２．１

変遷

多管式貫流ボイラーでは、燃焼制御は一般的に３位置制御が採用され、断続制御による負荷変動時の追従遅れ、部分負荷効率の低下や小容量ゆえの負荷変動耐力が弱いといった特徴がある。
小型貫流ボイラーは、蒸気圧力１ＭＰa 以下、伝熱面積は１０ｍ２以下という区分で、蒸発量は大型化してきた。
１９６０年代には、１．５t/h であったものが、１９８０年代には、２．０t/h となり、２００４年以降、蒸発量２．５t/h が開発されている。
一方、当社では、２０００年に大型貫流ボイラーとして、小規模ボイラーの区分（伝熱面積は３０ｍ２以下）で、蒸発量６．０t/h の大型貫流ボイラー（写真１）の開発に成功した。

写真 12大型貫流ボイラー（IF-6000）

２．２大型貫流ボイラー

従性の向上が可能となった。

多管式貫流ボイラーでは、史上初６．０t/h の大容量大型貫流ボイラー（IF-6000AGE）では、従来の小型２．

を実現し、高品質、高度制御の水管ボイラーの特徴と高０t/h の３位置制御の多管貫流ボイラーを多缶設置した

効率・コンパクトな小型貫流ボイラーの技術を併せて、場合と比較して、実働部分負荷におけるボイラー効率はより設置台数を軽減することを可能にしたボイラ－であ約３％程向上し、エコノマイザを標準装備することで、る。また、バーナターンダウンは、６：１（ガス焚時）

燃焼制御域で常にボイラー効率は、９５～９６％を維持まで広げることで、バーナをＯＮ－ＯＦＦさせることなすることができる。

く低負荷域まで追従可能となり、パージ損失の低減と追（１）仕様：表 1 にボイラー要目を示す。
表１

ボイラー要目（２）システムフロー標準装備し、広いターンダウンを実現しているので、蒸ＰＩ＆給水補償遮断弁
Ｐ

燃料制御弁

御（オプション対応）を採用することで、システム系統
ＰＩ
水位検出

バーナ

気水分離器

燃料

気負荷変動への追従性に優れている。給水インバータ制圧力センサがさらに安定し蒸気圧力は安定化する。当社独自の気水インバータ

分離器への給水技術で、ボイラー給水中に含まれる溶存ボイラ本体
インバータ酸素を低減し、脱酸素剤の投入量は、溶存酸素低減機能

Ｍ

Ｍがないボイラーに比べて、１／４と少なくて済む。部分給水給水ポンプ

図２

負荷効率の向上と長寿命、水処理薬品の低減などで、ボイラーの生涯運転費低減に寄与している。また、押込送システムフロー風機と給水ポンプをインバータ制御し、省エネルギーを図っている。（図２）

蒸気圧力の安定化の為に、比例積分制御（ＰＩ）制御を

3

３．今後の性能改善への取組み高圧ドレンの直接回収が行われる。
負荷器からの高圧還流ドレンを直接ボイラー（エコノマ

ボイラー性能向上の方向性として、以下の項目について、今後継続的に推進していく。

イザ）へ回収することでボイラー効率は、９０％以上を1）ボイラー効率の向上確保することができる。これは、給水制御を比例制御に潜熱回収を行わない限り、低位発熱量基準でボイラーすることでボイラー水位が安定し、かつ給水が連続して効率の上限は１００％である。一方、排ガス損失や放熱行われる為に、エコノマイザの設置が可能となった為で損失はゼロにする事ができない為、１００％を下回るこあり、当社の独自技術が生かされたものである。また、とになる。特に油焚では、運転時の伝熱面の汚れを考慮

ドレン回収率が低い場合には、給水温度が低下しエコノすると、効率はさらに低下傾向にある。硫黄分を含む燃マイザの収熱量が増えて、ボイラー効率が上昇する傾向

料では、エコノマイザの低温腐食防止の為に、給水を加にあるので、このシステムは非常に好評を頂いている。

熱したり、排ガス温度の低下による結露を防止したりす
３．おわりにるので熱回収に制限がある。
潜熱回収を行う場合は、効率１００％を越える可能性

大型貫流ボイラー（ＩＦ）は、多管式貫流ボイラーでもあり、エネルギーの有効利用からも期待される技術でありながら、従来の水管ボイラーや炉筒煙管ボイラーのある。効率を向上させる為には、使用燃料・給水温度等負荷変動耐力と小型貫流ボイラーの起動性能の長所を取の仕様条件が影響し、腐食成分のない排ガス条件やライり込み、６．０t/h の大容量で多管設置時の台数を減少す

フサイクルを含む投資対効果を確認する必要がある。

ることが可能となり、省電力・省メンテナンスを実現し2）燃焼ターンダウン幅増加による運転管理た高効率ボイラーである。おかげさまで２０００年の発売以来、順調に稼動し納入台数も毎年増加している。

燃焼制御は、一般的に Hi-LO-OFF の３位置制御又は、より小さな負荷まで対応した４位置制御も有るが、何れそこで、さらなるボイラーの性能改善として、省エネも断続制御であり、バーナ燃焼停止により起動前のプレルギー技術の推進、従来技術の改善と新技術の開発、そパージロス及び追従遅れが発生する為、燃焼制御幅を広して、新しいニーズに対応することが重要と認識していく取り、極低負荷まで停止させないことがポイントである。今後、一層積極的に省エネルギー推進を展開している。火炉とバーナのマッチング及びより広い燃焼域を持く所存である。

ったバーナ開発が期待される。
3）断熱・保温及び放熱防止
ボイラー損失の一つである放熱損失の低減は、そのま参考文献

ま効率改善となる。ボイラー表面温度は、火傷防止を目的として６０℃以下程度に低減する事が一般的であるが、・「2010 年に向けての産業用ボイラ需要動向と省エネルギーの観点から、今後より高断熱仕様が望まれ今後の展望」社団法人日本産業機械工業会

る。
4）低Ｏ2 燃焼以

空気過剰率は、通常１．２～１．３％程度に調整されている。一方、過剰な空気を送ることは、押込送風機の動力の無駄でありボイラー効率の低下を招くので、さらに低Ｏ2 燃焼が可能な燃焼装置の開発が望まれると共に、適正な燃焼管理が必要である。
5）システム決定・運転管理等
ボイラーの容量・台数の決定、蒸気の使い方等、最適システムの決定が重要であり、十分な検討を要するものである。蒸気配管系統の漏れ・スチームトラップの点検・管理及びダクト系統の点検保守等の管理が重要である。
6）ドレン回収
従来から、使用済みの蒸気ドレンを回収し、熱効率の向上が図られているが、より熱回収率を向上する為に、

4上