三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013) 都市交通を支える技術特集

技 術 論 文40

垂直管型超臨界圧変圧貫流ボイラの最新設計技術（第二報：新型ライフル管の開発と実機適用）
Latest Design Technology for Vertical Water Wall Boilers-The Second report : Development of 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，経済性とともに性能，信頼性を向上することのできるボイラ形式である。前報（第一報）(1)では，当社の垂直管型ボイラの実用化の歴史と，その豊富な実績データに基づく，垂直管ボイラの最適な設計技術をまとめた。また，炉内熱負荷分布の変動に対してロバストな火炉システムを設計する重要技術の一つとして，火炉壁管内流体の質量速度を適正に下げることを挙げたが，この質量速度は，ユニット出力，燃料種，管の耐圧強度等から決定される為，垂直管ボイラに適用されるライフル管は適正な冷却能力が求められている。ただし，質量速度を下げる場合，超臨界圧域における伝熱劣化，及び亜臨界圧域における核沸騰からの遷移現象（DNB: Departure from Nucleate Boiling）のような熱伝達率の低下が起こり得ることが一般に知られており，当社は長年，長崎研究所の超臨界圧伝熱テストループや CFD（Computational Fluid Dynamics）解析を用いて，超臨界圧伝熱劣化と DNB の現象把握，及びその抑制原理を研究してきた。本報では，ライフル管の最新の研究，技術開発の動向を紹介すると共に，この最新技術を活用した最新鋭の超臨界圧変圧貫流ボイラの特徴についても紹介する。

|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。
これら設計技術と伝熱技術の高度化により，高い性能，運用性，信頼性を有する最新の垂直管型変圧貫流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変圧貫流ボイラの高度な設計を可能にした技術の中で，火炉壁管として用いているライフル管の伝熱特性の改善について主に紹介する。
*1 エネルギー・環境ドメイン 火力発電システム事業部 ボイラ技術本部 ボイラ戦略部 主幹技師 技術士(機械部門)*2 エネルギー・環境ドメイン 火力発電システム事業部 ボイラ技術本部 ボイラ技術部 課長*3 エネルギー・環境ドメイン 火力発電システム事業部 ボイラ技術本部 ボイラ技術部 主席技師
*4 エネルギー・環境ドメイン 火力発電システム事業部 ボイラ技術本部 ボイラ技術部*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 工学博士

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)41|2. ライフル管開発の歴史
当社におけるライフル管開発の歴史は比較的古く，1979 年には長崎研究所に超臨界圧伝熱テストループ（図１）を設置し，本格的にライフル管の伝熱流動試験を開始している。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(2)。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現在も継続されており，ライフル管の伝熱流動特性に関する豊富なデータが蓄積されている(3)。

最高圧力
最大流量
加熱量
伝熱管長30MPa
10t/h
2500kW～8m

図１ 超臨界圧伝熱テストループ

他社，他研究機関の実験的研究においては，Ackerman(4)はライフル管による超臨界圧伝熱劣化現象（熱伝達率が急激に低下する現象）の抑制効果を報告している一方，西川らの研究(5)により，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，リブ形状の違いによって本事象の発生し易さが異なる可能性が示唆されている。近年では，J. Wang ら(6)や J.Pan ら(7)により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が，リブ高さを高めてリード角を大きく取った場合の超臨界圧伝熱劣化現象と思われる急峻な管壁温度上昇が報告されている。
超臨界圧流体の CFD 解析については，1990 年代に入り，幾つかの報告(8)～(11)がなされているが，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変圧貫流ボイラ成立の一翼を担う新型ライフル管は，このような長年に亘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試験設備を用いた実験の組合せにより開発されたものである。

|3. 超臨界圧伝熱劣化現象
3.1 伝熱劣化現象
内部に超臨界圧水が流れる伝熱管では，超臨界圧伝熱劣化現象と呼ばれる熱伝達率の急激な低下が生じることが知られている。図２は比較的急峻なメタル温度上昇を示しており，超臨界圧伝熱劣化現象の一例である。この現象は図３に示す超臨界圧特有の擬臨界温度近傍における急激な物性値変化に起因すると考えられている。
つまり，図４右下の密度の温度依存性を示した図において，管中心部の流体温度と壁面近傍の流体温度の差が小さい場合（図中Ａの状態），両者の間の密度差も小さく，壁面近傍での浮力が生じ難い。そのため，流速分布に差が存在し，乱流エネルギーがある程度のレベルにあるため正常伝熱を維持できる。しかし，壁面近傍流体の温度が擬臨界温度を超えた際に（図中Ｂの状態），管中心部と壁面近傍流体の密度差が大きくなり，浮力が生じると考えられる。即ち，超臨界圧伝熱劣化現象は，壁面近傍の密度が擬臨界温度近傍で急激に低下し，壁面近傍に局所的に

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働く浮力によって，流速分布が平坦化することで乱流エネルギーが低下する分，熱輸送が阻害されるため発生すると考えられている。

図２ 超臨界圧領域での伝熱劣化現象の一例

図３ 超臨界圧水の物性値（24.5MPa）

図４ 超臨界圧領域での伝熱劣化メカニズム

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3.2 超臨界圧伝熱劣化現象のメカニズム検証
前記の超臨界圧伝熱劣化現象のメカニズムを検証するため，Particle Image Velocimetry（略称：PIV）による管内流速分布計測を行った。Jackson and Hall(12)は 1980 年の報告で，超臨界圧水と超臨界圧二酸化炭素を用いた伝熱試験において，管内の熱伝達率が低下する条件を，グラスホフ数 Gr とレイノルズ数 Re の関係で示している。当社では，この Jackson and Hall の論文を参考に常圧の空気を用いて，超臨界圧伝熱劣化が発生しやすいとされる条件（Gr/Re2.7≒10-5～10-4）に調整し，そのときの流速分布を PIV で計測した。装置の概略を図５に示す。

図５ PIV 試験装置概要

その結果，超臨界圧水で伝熱劣化現象が発生しやすい Gr と Re の条件（Gr/Re2.7≒10-5～10-4）では，空気でも前記の流速分布の平坦化が発生していることが計測で確かめられた（図６）。
また，Gr と Re の関係を超臨界圧伝熱劣化現象が発生しやすい条件から遠ざけた場合（Gr/Re2.7＜10-6），通常の放物形に近い流速分布になることも併せて確認した。よって，超臨界圧伝熱劣化現象には流速分布の平坦化が大きく影響していると考えている。

図６ PIV 計測結果

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44|4. 超臨界圧伝熱劣化シミュレーション
4.1 平滑管
近年，コンピュータ性能の向上に伴い CFD が様々な分野で活用されており，超臨界圧伝熱劣化現象の解明においても CFD 解析は重要なツールである。当社においても，超臨界圧熱流動解析を実施し，伝熱劣化現象を解析上で再現することに成功している。
２節で紹介した公知文献(8)～(11)にも共通であるが，超臨界圧伝熱劣化現象の解析では比較的メッシュ解像度を高める必要がある。これら公知文献では粘性底層内部までメッシュを作成しているものもあるが，これは前節で述べたように，超臨界圧伝熱劣化現象の解析では壁面近傍の物性値変化を精緻に捉える必要があるためである。
図７は当社試験と CFD 解析における管壁温度の比較であるが，CFD 解析でも超臨界圧伝熱劣化現象と思われる管壁温度の急峻な上昇が再現できている。なお，試験では熱負荷を下げて行くとメタル温度の急上昇は解消し，正常な円管の熱伝達率に戻るが，同様の傾向は CFD 解析でも再現することができる。
図８は超臨界圧伝熱劣化発生時の流速分布と乱流エネルギーを示しているが，前述の流速分布の平坦化が解析上でも明確に現れている。図８に示すように，このような流速分布及び乱流エネルギー分布の変化は Koshizuka らの報告(8)とも良好に一致している。

図７ 超臨界圧領域でのメタル温度急上昇の一例

流体: 超臨界圧水（24.5MPa）
A: q=100W/m2, G=39kg/m2s
C: q=550W/m2, G=39kg/m2s
q: 熱流速G: 質量速度

図８ 伝熱劣化発生時の流速分布と乱流エネルギー分布

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4.2 ライフル管
平滑管と同様の手法でライフル管の解析も行っている。ライフル管内の流れ場は旋回成分が存在する三次元的なものであるため，解析に際しては精緻な三次元メッシュが必要である。このような精緻な解析ではメッシュのアスペクト比を適正に保つ必要があり，半径方向，管軸方向共にメッシュ解像度を上げる必要がある。そのため，ライフル管の超臨界圧伝熱劣化解析では比較的大規模な解析が必要となる。
このような大規模解析の結果，ライフル管においても超臨界圧伝熱劣化現象と思われる熱伝達率の急激な低下が再現できることを確認した。
このときライフル管内の流速分布は平滑管と同様に平坦化しており，乱流エネルギーが低下していることが確認された。しかし，ライフル管では溝部，リブ部，またその境界部もあり，平滑管のように周方向に一様な分布ではない。加えて，溝に沿って流れる旋回流とリブを乗り越える直進流が混在し，複雑な流動状態になっている。このような複雑な流れ場においては乱れを生成することによって，前述の物性変化に起因する乱流エネルギーの低下を補って乱流エネルギーを高めようとする効果も存在しており，このことからもリブ形状の適正化が超臨界圧伝熱劣化現象の抑制に対して非常に重要であることが確認された。

|5. 亜臨界圧における DNB 特性
一般的にライフル管の限界熱流束は平滑管と比べて高いが，これは管内に発生する旋回力により，比重の大きい液相が壁面に押し付けられるためと考えられている。図９は過去に伝熱試験を実施した多くのライフル管の限界熱流束を平滑管と比較した結果である。縦軸はライフル管の限界熱流束が平滑管に対してどの程度向上したかを示しおり，横軸の1 は旋回力の指標である。
当社は，このような試験結果を基に，(1)式に示すライフル管限界熱流束評価式を構築しており，運転条件に応じた DNB クオリティが評価可能である。

図９ 旋回力と CHF(Critical Heat Flux)の関係
     1 / 3  L / D qCHF
 PR Re l 0.25  ··············· (1) R 1    v   2 l  
GH fg
G L   1  0.0031L / D   l  R 1   A1R 1   1B1  0.04 ············································································ (2)1  0.04

ここで，qCHF, G,, Hfg, v ,l, , L, D, PR, Rel はそれぞれ，限界熱流束，質量流速，蒸発潜熱，飽和蒸気密度，飽和水密度，表面張力，加熱長，管内径，臨界圧に対する圧力比，水状態におけるレイノルズ数であり， はこれまでに蓄積した試験データから決定した定数である。また，係数 R(1)は(2)式に示すとおり，旋回力の指標1 の関数であり，当社が蓄積した多くのライフル管試験データを基に決定した。(1)式では，旋回力の指標である1 が増加すると限界熱流三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)

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束が上昇するが，逆に1 が小さい場合，R(1)は１に漸近するよう定義されており，R(1)=1 は，平滑管の限界熱流束予測式となる。
このような評価式及びこれまでの試験データを基に，新型ライフル管に求められる DNB 特性（必要な旋回力）を評価し，ライフル管形状のスクリーニングを行った。

|6. ライフル管形状スクリーニング
垂直管型超臨界圧変圧貫流ボイラは超臨界圧と亜臨界圧の両圧力域での運転状態が存在する為，本ボイラに適用されるライフル管には，超臨界圧における伝熱劣化現象を抑制することと，亜臨界圧における DNB 発生を抑制することの２つが同時に求められる。
前記の通り，超臨界圧伝熱劣化現象は流速分布の平坦化などで乱流エネルギーの生成が弱まることにより生じると考えられる。一方，DNB は旋回力が不足し壁面が蒸気膜に覆われることにより生じると考えられる。
当社では，前記の CFD 解析結果を基に乱流エネルギーを維持しつつ，旋回力を高め DNB 特性を向上させるライフル管形状を選定した。

|7. 実機条件下での検証試験
前記のアプローチで形状を決定したライフル管の伝熱特性を，当社超臨界圧伝熱テストループ（図１）を用いて検証した。本テストループは管内流体を超臨界圧まで昇圧し，かつ半円周加熱の高熱負荷条件を作ることで超臨界圧ボイラの実機条件下での伝熱試験が可能な設備である。
入口温度を主加熱器（Main Preheater）で調整することで，火炉入口（低エンタルピ領域）から，火炉出口（高エンタルピ領域）まで，幅広く実機条件を再現できる。試験条件は第一報でも述べたとおり，蓄積された豊富な運転データを基にあらゆる運転条件を想定したものになっている。検証
試験は，このように実機条件をすべて網羅した試験条件で行い信頼性を確保し，設計に必要なデータを確実に取得している。
図 10 は亜臨界圧での DNB 特性を評価した結果である。試験は約 9MPa～22MPa まで，様々な熱流束で幅広く実施しており，これはその一例である。縦軸は管内の質量速度を示しており，横軸は DNB が発生したクオリティ（蒸気含有率）を示している。実線は従来型ライフル管のデータであり，新たに開発したライフル管では図中破線で示すゾーンに入ることが確認された。これより，新型ライフル管は従来型のライフル管より高クオリティまで DNB が発生しておらず，良好な DNB特性を有していることが解る。

図 10 新型ライフル管の DNB 特性

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図 11 は超臨界圧（25MPa）における管内流体のエンタルピと管内面温度を示した結果である。
これより，新型ライフル管は，従来型ライフル管において超臨界圧伝熱劣化現象と思われるメタル温度上昇が発生している条件でも安定した伝熱特性を維持していることが解る。

図 11 超臨界圧における新型ライフル管の伝熱特性|8. 最新鋭の垂直管型ボイラの優位性
前述した，伝熱テストループ，PIV，CFD 等のライフル管の開発ツールを用いた系統的な研究により，当社はこの度，６節で述べたような最新垂直管型変圧貫流ボイラの要件を満たす新たなライフル管を開発することに成功した。
当社は現在，この新型ライフル管及び第一報で述べた最新の設計技術を適用した垂直管型変圧貫流ボイラを，当社の標準ボイラとして国内外の顧客に提案中である。
本節では，当社最新の垂直管型変圧貫流ボイラの主要目及び外観の一例を図 12 に示すとともに，その技術的優位性について述べる。

(1) 形式(2) 蒸発量

火炉形式

垂直管型火炉

通風方式

平衡通風

最大蒸発量

2,950t/h

再熱蒸気量2,291t/h

蒸気圧力

過熱器出口

25.4MPa

再熱器出口

4.6MPa

蒸気温度

過熱器出口

～620℃

再熱器出口

～640℃

(5) 燃料

主燃料

石炭

起動燃料

軽油

(6) 蒸気温度

過熱器

給水/燃料比(3) 蒸気条件(4) 燃焼方式

旋回燃焼方式

制御方式

スプレイ
再熱器

後部煙道分配ダンパ
バーナノズル角度
スプレイ(過渡時)

図 12 最新垂直管型ボイラ概要

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)48(1) 多炭種対応
一般に，石炭の性状は，産地等によって大きく異なるが，性状の違いに伴い，ボイラでは，バーナでの燃焼性だけでなく，スラッギングやファウリング等のボイラ伝熱面への灰付着性が顕著に異なることが知られている。また石炭灰のボイラ内における上記挙動の違いにより，火炉，過熱器（SH），再熱器（RH）の熱吸収割合が変化し，炉内の熱負荷分布にも差異が生じる。特に，近年ボイラ燃料としてのニーズが高まっている亜瀝青炭はスラッギング性が厳しく，瀝青炭の熱負荷分布とも差異があることが知られている。
当社は，亜瀝青炭を含めた多様な燃料の実機適用実績から，あらゆる条件における炉内熱負荷状況を再現することが可能であり，前報（第一報）(1)で述べた垂直管型変圧貫流ボイラが有する良好な流動特性により，火炉壁出口の安定した温度特性を得ることに成功しており，最新型ボイラでは，この良好な特性を伸長し，より広範な石炭を，より高性能，高効率で，かつ高い信頼性をもって運転することが可能である。
(2) 高負荷変化率
近年，火力発電用ボイラには，より高速な負荷追従性が求められており，これまで数多くの高負荷変化対応試験が行われてきた。急速な負荷変化のポイントとして，急速な燃料と給水の変化が必須となるが，その際に SH, RH の蒸気温度制御偏差を最小化する為には，過渡的に燃料投入量と給水流量を個別かつ急速，緻密に変化させる必要がある。この際，火炉出口のエンタルピも一時的に変動することになることから，安定した火炉出口温度特性が求められる。
当社の最新垂直管型変圧貫流ボイラでは，火炉壁管内の質量速度及び火炉出口連絡管等を含めた，火炉系統圧損の最適化により，火炉出口エンタルピの変動に対して，流動特性と流動安定性に優れた火炉システムを構築しており，最新の垂直管型変圧貫流ボイラは，このように運用性改善の重要技術となり得るものである。
(3) 高蒸気条件
垂直管型ボイラは，比較的低い質量速度と短い蒸発管長の為，火炉出入口の圧力差に占める摩擦損失の割合が小さく，良好な流動特性が得られることは，第一報で述べた通りである。
一方，近年は，ユニット効率の改善の為に，更なる高蒸気条件化が求められており，火炉出口の流体エンタルピを従来より高める必要があるが，火炉出口エンタルピの増加は，火炉出入口の比容積差を拡大し，安定した火炉出口温度特性を妨げる要因となり得る。この対策としても，最新の垂直管型変圧貫流ボイラでは，火炉壁管の質量速度を，選定可能な範囲で低いレベルにて設計することで，安定した火炉出口温度特性を得る事に成功している。
(4) 低 NOx 技術
従来の低 NOx バーナである A-PM バーナに代わって，当社は新コンセプトに基づく，超低NOx 石炭バーナ（M-PM バーナ）を開発した。(13)M-PM バーナは，従来比 NOx 約 40％，灰中未燃分 50％の削減を達成するだけでなく，より高いバーナ部空気比でも NOx 低減が可能であり，本報で紹介した冷却性能に優れる新型ライフル管との組合せにより，火炉壁の硫化腐食の低減が期待できる。

|9. まとめ
本報では，当社のライフル管開発の近年の研究成果について述べた。今回紹介した新型ライフル管は，亜臨界圧の DNB 特性と，超臨界圧の伝熱劣化特性を両立させるものであるが，これらは当社が垂直管型ボイラの先駆者として蓄積してきた豊富な試験データと，実機運転実績に加え，最新の CFD 解析を導入して開発されたものである。
また，本新型ライフル管の開発は，当社の垂直管型ボイラを，より広範な質量速度にて設計することを可能とした。これは，当社垂直管型ボイラの流動特性及び流動安定性の向上だけでなく，火炉系統の簡素化により，ボイラの据付性，メンテナンス性の大幅な向上に繋がった。

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参考文献
(1) 山本 健次郎 ほか，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)，三菱重工技報，Ｖｏｌ.50，No.3(2013) 発電技術特集, p24～32(2) Iwabuchi, M. et al., Heat transfer Characteristics of Rifled Tubes in the Near Critical Pressure Region,
Proc. 7th Int. Heat Transfer Conf., Munichi 1982, Vol.5, Paper TF21 (1982), pp313-318(3) 松尾篤二 ほか，変圧運転条件化におけるボイラ用ライフル管の熱伝達率相関式，日本機械学会論文集(B 編)，第 52 巻，第 476 号(4) Ackerman, J.W. et al.,Pseudoboiling heat transfer to supercritical pressure water in smooth and ribbed
tubes, Trans.ASME, Ser.C, Vol.92 (1970), pp491-498(5) 西川兼康 ほか，みぞ付蒸発管におけるバーンアウトに関する研究，日本機会学会誌，第 75 巻，第640 号 (1972)，pp700-707(6) Jianguo Wang et al., Investigation of forced convection heat transfer of supercritical pressure water in a
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with upward flow, Int.J.Heat and Mass Transfer 54 (2011). p.2952～2961(8) Koshizuka, S. et al., Numerical analysis of deterioration phenomena in heat transfer to supercriticalwater, Int.J.Heat Mass Transfer, Vol.38 No16 (1995),p.3077～3084(9) Jue Yang et al., Numerical investigation of heat transfer in upward flow of supercritical water in circulartube and tight fuel rod bundles, Nuclear Engineering and Design 237 (2007) p.420～430(10) X.Cheng et al., Numerical analysis of heat transfer in supercritical water cooled flow channels, Nuclear
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Turbulent Conditions, Turbulent Forced Convection in Channels and Rod Bundles, published byHemisphere Publishing Corporation, USA(1980)(13) 松本 啓吾 ほか，超低 NOx 石炭焚き M-PM バーナの開発，三菱重工技報，Ｖｏｌ.50，No.3(2013) 発電技術特集, p18～23