Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
が小さくなったが、容器径が大きく影響するものと考えられる（Table 10）。

Table 10 Effects of water (Pan diameter=0.6m)

A	B	C	D
Height of water layer (m)	0.01	0.05	0.10	0.20
Height of fuel layer (m)	0.21	0.21	0.21	0.21
Free board (m)	0.05	0.05	0.05	0.05
Time to boilover (min)	70.16	130.50	131.02	133.33
Hot zone thickness at boilover (mm) $ ^{*} $	7.37	13.70	13.76	14.01

*: Estimation (Assumed to be: hot zone regression rate: 2.10 mm/min, Burning rate: 1.05 mm/min $ ^{21)} $ )

Table 11は、秋田（男鹿市）の石油備蓄基地での実験の結果である。燃料の申川原油中に水分がエマルジョンの状態で存在し、燃焼中でも分離がなされなかった。そのため、高温層が低い温度の時に、予想よりもかなり早くボイルオーバーが起こってしまった。

実験は、4回行い、Run #1では、明確な高温層が形成される前にボイルオーバーが起こった。Run#2及び#3では、ボイルオーバーが起こる直前の高温層温度は約140℃であった。他方、Run#4では、水層は無くした（燃料にエマルジョン化して存在する水は取り除かなかった）。水の沸騰音は生じたが、ボイルオーバーは起こらなかった。高温層は、380℃程度に達した。このことから、燃料にエマルジョン状態で存在する水は、ボイルオーバーの引き金に成り得るが、底部に水層がなければ、ボイルオーバーには

Table 11 Summary of Akita boilover experiments (September 1998)

Run #1	Run #2	Run #3	Run #4
Pan diameter	1.9 m	1.9 m	1.9 m	1.9 m
Fuel thickness (mm)	100 mm	200 mm	400 mm	400 mm
Water thickness (mm)	700 mm	500 mm	300 mm	0 mm
Time to boilover (min)	12.3 min	15.4 min	31.0 min	- min
Burning time (min)	18 min	32 min	40 min	>90 min
Burning rate (mm/min)	3.8 min	3.5 min	4.2 min	3.2 min
Hot zone regression rate (mm/min)	- min	- min	32.3 min	5.0 min
Intensity of boilover	3 ~ 8 min	5 ~ 12 min	10 ~ 20 min	- min

Intensity of boilover is defined in Fig.6

Fig. 9 Relationship between burning rate and heat wave regression rate with pan diameter, gathering experimental and real fire data
至らないことが明らかになった。

ボイルオーバーの激しさは、高温層の厚さとその温度の積に支配される。高温層の厚さは、燃焼速度と高温層降下速度の差で表されるが、タンク直径が大きいほど、この差が小さいことが判る（Fig. 9）。他方、高温層の温度は、燃料、燃焼時間による。著者らの小型実験や苫小牧での実験結果では、最高400℃程度に達していた。その結果、タンク直径が大きい場合、高温層は薄くなり、そのため、ボイルオーバーは起こりにくく、また、激しくないことが判る。しかし、高温層は、経過時間と共に成長することから、長時間の火災後に起こるボイルオーバーは激しいものになることが予想される。

### 4.3 その他の日本での研究

海上災害防止センターでは、タンカーのダブルハル化(Hull, 油流出防止のために、最近建造されるタンカーは船底、壁が二重となっている)に関連して、ボイルオーバーの研究がなされた。その結果、二重壁の場合、海水でタンクが冷却されず、ボイルオーバーが起こり易いことを示した $ ^{25)} $ (Fig. 10)。他方、シングルハルでは、海水の冷却のため、ボイルオーバーは起こりにくいことが判った。

海上保安大学校では、海上流出油火災のための研究がな

Fig. 10 Schematic illustration of double hull model fire

されたが、流出油の厚さとボイルオーバーの起こり易さ、ボイルオーバーが起こるまでの時間について、著者の研究結果に近い結果が得られた $ ^{26)} $ 。日本大学・島根らは、直径9cmの容器を使って、界面活性剤の添加のボイルオーバーへの影響を調べた $ ^{27)} $ 。

### 4.4 米国、ヨーロッパ、中国の研究

米国では、従来より多くの研究がなされてきたが、最近では、ヨーロッパで広く研究がなされている。

## (1) 米国・NISTの研究

米国・NISTのD. Evans、D. Waltonらの火災研究グループは、米国・内務省、沿岸警備隊やカナダ・環境庁と共同で、海上流出油の燃焼実験を行っていた $ ^{28,29,30} $ 。その中で、ボイルオーバーの大規模火災実験を含めた研究を行ってきた。著者も一時、NISTに滞在し、実験に加わった。NISTでは、大規模な火災実験をアリゾナ州・Mobileの沿岸警備隊基地の実験場で行ったほか、カナダで海上流出火災実験を行った（Fig. 11）。また、消防研でも実験が行われた。その結果、小規模な実験では激しいボイルオーバーが起こるが、大規模な水面上での原油の燃焼では、ボイルオーバーが起こらないことを示したが、わずかに薄層ボイルオーバーと呼ばれる撥水現象が見られた（但し、周囲へ

Fig. 11 Crude oil burn near Newfoundland islands(1993.8)

Table 12 Comparison of experiment results between NIST and NRIFD using Louisiana crude oil

Place	Pan diameter (m)	Fuel depth (mm)	Burning rate (mm/min)	Heat wave regression rate (mm/min)	Time to boilover (min)
NIST	0.4	10	1.9	3.0	5.4
0.6	11	2.0	3.0	5.8
NRIFD	1.2	50	2.8	3.1	16.2
2.0	20	2.5	2.9	7.2
50	2.9	3.0	16.8
Mobile	6.0	61	3.8	5.1	12.0
15.0 sq.	54 ~ 57	3.8	4.1 ~ 5.4	10.0 ~ 13.8

Mobile: Tests were conducted at US Coast guard base in Alabama, USA

Water thickness was larger than 20cm
の放射熱はほとんど増加しなかった。)。Table 12 は、結果をまとめたものである。

### (2) B.Broeckmannらの研究

B.Broeckmann ら（ドイツ） $ ^{31)} $ は、容器直径 1.9m までの比較的規模の大きな実験を行い、高温層形成のモデルを提案した。彼らのモデルは、火災からの放射熱及び燃料層内に生じる泡によって燃料層内で強い対流が起き、その結果、燃料層内に高温層が形成されるとし、長谷川の説に近い。

彼らのグループは、最近では、ボイルオーバーの抑制の研究を進めている。M.Gosewinkel, J. Van Burenらによって、界面活性剤を燃料に添加し、ボイルオーバーの抑制に効果があるか調べた。彼らの小規模実験（容器直径：4cm）の結果によれば、ボイルオーバーの発生を遅らせ、かつ、その激しさも小さくなるとのことであった $ ^{32} $ 。著者らのアニオン系界面活性剤添加による小規模実験(D=9cm、15cm)では、一定の効果（ボイルオーバー開始の遅延、激しさの低下）は見られた。他方、著者も参加したLastfireの実験（D=1.2m）でも界面活性剤添加の影響を調べる実験が行われたが、余り、顕著な効果はなかった。規模の効果を調べるとともに、火災時、どのように界面活性剤を投入し、水とのエマルジョン化を図るのか、実用的な面での検討が必要である（泡消火薬剤も界面活性剤の一種であるが、泡消火薬剤を投入してもボイルオーバー抑制に有効な水エマルジョンが確認されていない。）

### (3) P. Garoらの研究

Garo ら（フランス・Poitiers 大学） $ ^{33)} $ は、薄層ボイルオーバーに最初に取り組んだ研究グループの一つである。燃料層厚さとボイルオーバーが起こるまでの時間の関係を得た。消防研との共同研究において、ボイルオーバーの激しさと燃料層厚さの関係について消防研の結果と合致することを示した $ ^{34,35)} $ 。しかしながら、薄層ボイルオーバーは、前記したように NIST (最大一辺15m角容器) や Petty $ ^{36)} $ の大規模なタンク (D = 2m) では起こらないことが報告されている上、実火災でも起きた例がない。

#### (4) P.M. Michaelisらの研究

P.M.Michaelis（フランス・TOTAL）は、長年にわたって、ボイルオーバーの研究を行った。同氏の研究成果は、ほとんど論文になっていないため、余り知られてはいないが、貴重な大作を残している $ ^{6} $ 。高温層形成機構については、従来の考えを踏襲している。また、フランス・INERISでも実験が行われた $ ^{37} $ 。

ボイルオーバーの起こり易さを燃料の性状（平均沸点、沸点範囲及び動粘度）から評価されるとし、次式を提案した。PBOが1.4以上の燃料でボイルオーバーが起こるとしている(Table 13は、計算結果)。従って、A重油は起こるが、軽油、灯油では起こらない。同氏のボイルオーバーは、薄層ボイルオーバーを対象にしておらず、軽油でみられるボイルオーバーは議論していない。

この式は、必ずしも、広く採用されていないが、一定の目安にはなる。

$$ \mathrm{PBO}=\left[\left(1-393/\mathrm{T}_{\mathrm{bul}}\right)\left(\Delta\mathrm{T}_{\mathrm{ebul}}/60\right)\left(\mathrm{V}_{\mathrm{HC}}/0.84\right)\right]^{1/3} $$

ここで、 $ T_{bul} $ は、燃料の平均沸点、 $ \Delta T_{ebul} $ は、沸点範囲、 $ V_{HC} $ は、25℃での動粘度である。この考えに従えば、バイオディーゼルのように沸点範囲が狭い燃料ではボイルオーバーが起こらないことになる。

## (5) スペインのグループの研究

F. Ferrero ら（スペイン）は、最大 6 m までの容器による大規模な実験も含めて、軽油を使って薄層ボイルオーバーの実験を行っている $ ^{38)} $ 。放射熱測定から、火災時の安全距離を求め、従来提案されている放射熱のモデルの評価を行った。容器直径が大きくなると定常燃焼時及びボイルオーバー時の火炎の放射発散度が相対的に小さくなるとの結果は、著者らの放射熱測定の結果と合致する。

Table 13 Calculation results for various fuels using PBO

Fuel	Tebul, K	Boiling range, $ \degree $ C	$ \Delta $ T, K	VHC, cSt	PBO	Boilover
Heavy crude oil	621	368 ~ 1047	654	5.2	6.46	Yes
Lubricants	600	456 ~ 789	333	11.7	5.29	Yes
Medium crude oil	556	348 ~ 888	495	2.8	4.05	Yes
Fuel oil A	539	450 ~ 647	197	7	2.89	Yes
FOD oil	564	482 ~ 661	79	0.84	1.39	No
Diesel (Gas oil)	547	473 ~ 633	160	0.81	1.24	No
Kerosene	441	408 ~ 478	70	0.73	0.505	No
Naphtha	437	418 ~ 458	40	0.41	0.279	No
Gasoline	405.5	363 ~ 453	60	0.37	0.239	No
### (6) D. Laboureurの研究

D. Laboureur (ベルギー・Von Karman 研究所) $ ^{39,40} $ は、2012年、ボイルオーバーと BLEVE の研究で学位を取得した。同氏は、軽油のボイルオーバーについて小型実験を主体に火炎構造との関係について明らかにした。同氏の研究の中で、ボイルオーバーの激しさについて、過去のデータをもとにまとめている。また、ボイルオーバーが起こるまでの時間 $ \chi $ について、燃料の燃焼量 $ Vol_{f} $ に関係するとして、

$$ \chi=93.57\left(Vol_{f}\right)^{0.0752} $$

を与えているが、著者らは、初期燃料厚さ（または、初期燃料厚さ/容器直径）が、支配していると考えている。

## (7) Lastfire groupによる研究

N. Lamsden (英国・Resource Protection International) $ ^{41} $ は、世界の主要な石油会社16社の資金提供を受けて、Lastfire (=Large Atmosperic Storage Tank) グループを作り、石油タンクの防災に関し、様々な活動を行っている。特に、ボイルオーバーに関する一連の研究では、直径2m程度の大きさのタンクを使って行い、著者のような研究者だけでなく、企業の技術者にも見学させ、石油タンクの危険性の啓蒙にも役立っている (Fig. 12)。日本からは、残念ながら、参加企業はいない (以前は、出光興産が参加していたが、現在は参加していない)

彼らは、UAEで、大規模なボイルオーバーの実験（容器直径：最大4.5 m）を行ったが、その成果の一部は発表されている $ ^{42} $ 。ボイルオーバーで吹き消えは起こらず、何度もボイルオーバーが起きたことが報告されている。最近では、バイオエタノールの燃焼研究を行っており、スウェーデン SP（Technical Research Institute of Sweden）と共同で直径10 mまでの大きさの容器で燃焼実験を行い、放射

Fig. 12 Burn test at Coast guard training school in Spain (May 2012)

分率は、容器直径によって減少しないことを明らかにした。

G. Hankinson (Loughborough University) は、高温層形成のモデル作成のため、ガラス容器のタンクの燃料上部に高温板を置き、高温層形成とボイルオーバーの様子を明らかにした。長谷川が発見したボイルオーバー前の高温層の上下動が見られず、高温層の上下動は、火炎の振動が関係しているのかもしれない $ ^{43} $ 。

## (8) 中国の研究

W. C. Fan $ ^{44} $ （中国科学技術大学）のグループは、長年、ボイルオーバーの実験を続けている。ボイルオーバー前後の燃焼音、水の沸騰音を調べた。ボイルオーバー直前で、急激にこれらの音が大きくなる。従って、ボイルオーバー発生の予測に使えることを示した。また、ガラス容器を使って、高温層の様子を観測し、ボイルオーバー直前には、燃料との境界で、泡が急激に増し、また、泡の大きさも大きくなることを明らかにした。

## (9) その他

Jordan Hristov(ブルガリア)も、著者、Garoその他のデータを使って、理論的にボイルオーバーの発生機構を調べている $ ^{45} $ 。

Kozo Saito (米国・ケンタッキー大学) のグループでは、直径数 cm の容器での実験ではあるが、燃料内部への熱伝達（In-depth radiation）とその分布について調べた $ ^{46,47} $ 。水の沸点よりも高い燃料、例えば、トルエン等でも起こるとしているため、薄層ボイルオーバーに近い現象で現実的ではない面もある。また、高温層形成については論じていない。

S.E.Petty (米国) は、2 m 容器で水の上で様々な種類の原油を燃焼させてその燃焼性状を調べ、薄層ボイルオーバーが起こらないことを示した $ ^{36)} $ 。

### 5. バイオ燃料の燃焼研究及びボイルオーバー抑制の研究

最近、著者らは、普及しつつあるバイオ燃料の危険性評価研究の一環として、バイオディーゼルの薄層ボイルオーバーの研究を行っている。また、ボイルオーバーへの対応策の研究を進めている。

### 5.1 バイオ燃料の防災に関する研究

最近の地球温暖化対策として、また、東日本大震災での福島での原発事故の結果、バイオ燃料の開発研究が促進されている。バイオディーゼル（BDF）は、引火点が高く、安全性が高いと考えられており、軽油の代替燃料として、世界的には広く使われている。他方、分子内に酸素を持っているため、酸化されやすく、発火危険がある $ ^{48} $ 。そのため、世界的には、タンク火災を含め多くの火災事例がある。Fig. 13は、韓国でのバイオディーゼルのタンクの火災である。配管の溶接の火花が漏えいしていたバイオディーゼルに着火し、タンク火災に至ったとされている。
そこで、その火災危険性について調べた。その結果、BDFは、沸点範囲が均一であり、燃料層内にホットゾーンは形成されないが、燃焼末期にボイルオーバーのように急激な爆発現象を伴うことを明らかにした (Figs. 14, 15) $ ^{49)} $ 。

### 5.2 著者らのボイルオーバー抑止のための研究

著者らは、フランス・EMA (Ecole de Mine Ales) と共同でボイルオーバー抑制の可能性について実験的に研究している。また、Lastfire グループを始め、様々な研究グループの実験研究に参加し、放射熱等を測定し、提供している。この中で、ボイルオーバー防止については、様々な提案がなされている。例えば、以下の方法が考えられる。

Fig. 13 Biodiesel tank fire in Korea(July 2006)

## (1) タンク側板の冷却

海上災害防止センターの研究 $ ^{25)} $ においても明らかだが、小型実験では、タンク側板の冷却は一定の効果がある。燃料への熱の流入を減らし、燃焼速度は大きく低下する。直径9cmの実験では、周囲への放射熱は約半分になり。また、ボイルオーバーも起こらなかった（Fig. 16）。また、高温層形成のための熱も減る。Table 14は、原油、軽油及びBDFのボイルオーバー及ぼす側板冷却の効果を調べたものである。原油及びBDFでは、冷却の結果、ボイルオーバーは起こらなかった。軽油でもボイルオーバーまでの時

Fig. 14 Distillation curves of biodiesels, petorodiesel (normal diesel) and rapeseed oil

Fig. 15 Radiation from Biodiesel fire (Pan diameter: 0.92m), which were measured at L/D=5,7 and 9
Fig. 16 Effects of cooling tank wall (Murban crude oil, D=9cm)

Table 14 Effects of cooling tank shell of 9cm pan by water in NRIFD test

Fuel	Free burning	Water cooling
Time to BO(s)	BO Intensity $ ^{*} $	Time to BO (s)	BO Intensity $ ^{*} $
Crude oil	150	6.1	-	-
Diesel oil	180 \sim 240	14	252	2.7
BDF	210	14.5	-	-

$ ^{*} $ : Definition is the same as that in Table 9

間は長くなり、その激しさも小さくなり、側板の冷却の効果があることがわかった。

## (2) 不燃性ビーズの投入

火災時、泡消火剤に加えてビーズ（シリカ製、プラスチック製）をタンク内に投入することで、燃料表面積を縮小し、火炎を小さくする方法が、Lastfireのグループから提案されている。

著者らは、直径10cm及び15cmの容器に原油、バイオディーゼルを燃料として、ビーズとしては、直径1～2mm及び9～12mmの2種類（シリカベース、見掛け密度：140kg/m³）を使って行った（Fig. 17）。燃料表面にビーズを厚さで一層程度投入してもほとんど効果がなかった（燃焼速度の低下は見られず、また、ボイルオーバーも起こり、ほとんど効果はなかった。Table 15）。しかし、大量に投入した場合や、ビーズのサイズが小さい場合には、一定の効果があるかもしれない。また、火災タンクへのビーズの投入方法についても研究する必要がある。Last fire グループはタンク上部から、及びタンク下部からの投入（SSI）の両案を提案している。

諏訪東京理科大・須川グループ $ ^{50)} $ では、様々な物質のビー

Fig. 17 Schematic illustration of floating beads in burning tank

Table 15 Effects of beads on burning characteristics in 15 cm pan

No bead	Small beads	Large beads
Burning rate ( $ kg/s/m^{2} $ )	0.0046	0.0043	0.0064
Radiation ( $ kW/m^{2} $ )	0.22	0.22	0.3
Time to boilover (s)	248	261	231
Hot zone regression rate (m/h)	0.13	0.12	0.14

Radiation was measured at L/D=5, L=Horizontal

distance from pan center, D=Pan diameter

Beads were added for one layer of beads

ズを使ってより丁寧な実験を行っており、ビーズの燃焼抑制成果が期待されている。

## (3) タンク内燃料の攪拌

タンクは、内部に攪拌装置を有する場合がある。これを作動させることで、燃料表面温度の低下、高温層の破壊によって、燃焼速度、周囲への放射熱の低下、ポイルオーバーの抑制（ポイルオーバーまでの時間、その激しさ）に一定の効果がある可能性がある。そこで、その効果を調べたが、原油、軽油ではほとんど効果がなかった。BDFでは、一時的に燃焼速度、放射熱が1～2割、低下したが、消火には至らず、顕著な効果は見られなかった。しかし、燃焼初期では、油温が低く、また、高沸点燃料では効果がある可能性があるので、今後共検討したい。

## (4) 界面活性剂、アルコールの添加

事前に、燃料にアニオン系界面活性剤を数%、また、エタノール数%を入れて、タンク底部に存在する水を燃料と混合（エマルジョン化）させ、ボイルオーバーの抑制につながるか調べた。界面活性剤で十分に水と混合した燃料では、燃焼直後から、水の沸騰が観測され、ボイルオーバーが起こるまでに水が気化することは確認した。そのため、界面活性剤の添加については、ボイルオーバー発生の抑制に一定の効果があることを確認した。他方、エタノール添
加は、著者らの実験ではほとんど効果が見られなかった。引き続き、アルコールの添加量を変えて、また、コスト面からIPA(イソプロピルアルコール)やグリコールを使って、同様の試みを検討している。

### 5.3 ボイルオーバーへの対応策

現時点で、ボイルオーバーの被害軽減に最も有効な手段は、出来るだけ早く、発炎タンク内の油を別なタンクに移送することである。その結果としてボイルオーバーが早まる場合もあるが、火災タンクの油の量が減れば、その激しさも縮小するものと思われる。また、タンク側板、特に燃料表面付近や高温層形成域部の側板への注水による冷却は、規模の小さなタンクでは、燃焼速度の低下、ボイルオーバーの遅延にある程度効果があるが、大規模タンクでは、効果が余り期待できないと思われる。燃料、水の混合（攪拌、エマルジョン化）や大量の不燃ビーズの投入は、一定の効果があることは、予想されるが、実用化に向けて、様々な検討課題が残っている。

実火災でどのように対応したらよいか、ほとんどの消防関係者は、タンク火災を経験していない上、大規模火災の訓練や実験にも参加したことがないであろう。2003年の苦小牧市でのナフサタンク火災では、蒸留曲線から判断してもナフサがボイルオーバーを起こらないことを確認したうえで、隣接タンクへの延焼防止対策、タンク（出火タンク及び隣接タンク）からの燃料抜き取りを進めた。長時間の対応になったが、冷静な対応ができた。これは、過去、苦小牧市でタンク火災実験、訓練が行われ、地元消防、事業所が大規模火災への対応に習熟していたこと、ボイルオーバーを含め、タンク火災について十分な知識を有していたためと思われる。

### 6. 結論

ボイルオーバーの事例、及び最近の著者らのボイルオーバー関連の研究を紹介した。事故事例及び研究結果から、ボイルオーバーを起こす油種は、原油及び重油に限られるが、バイオディーゼルでもボイルオーバーに近い現象が観測されている。

事例によって、情報量が異なること、かつ、その真偽についても不明である場合もある。最近の事例については、様々な、情報が入手しやすいので、引き続き問題点を明らかにしたいと考えている。地震直後や戦争時は消防力が著しく低下するため石油タンクの火災にまで手が回らず、ボイルオーバーに至る可能性がある。海上流出油が火災となっても激しいボイルオーバーが起こる可能性は小さいものと考えている。

大規模な火災実験を行うことは、費用、用地の確保の点から難しくなってきたが、引き続き、国内外の研究者と協力しながら、ボイルオーバーの研究、特に対策のための研究を行う予定である。

謝辞：本原稿作成に当たっては、夏目秦忠氏、三宅満次郎氏（共に元・出光興産）を始め、多くの方から情報提供を受けています。また、大規模実験では、多くの方々の協力を得ました。改めて感謝致します。

## 文献

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4) D. Drysdale, An introduction of fire dynamics, John Wiley & Sons Ltd, UK, 2011

5) Jean-Pierre Garo, Jean-Pierre Vantelon, Carlos Fernandez-Pello, Effect of the fuel boiling point on the boilover burning of liquid fuels spilled on water, 26th Symposium on Combustion/The Combustion Institute, pp.1461-1467, 1996

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15) SKUM, Svenska Skumslackings Aktiebolaget [Oil tank fire extinguishment], March 1969

16) K. Hasegawa, Experimental study on the mechanism of hot zone formation in open-tank fires, Fire Safety
Journal of Thermal sciences, 43 (3) pp. 221-239, 2004

46) M. Arai, K. Saito, R. A. Altenkirch, A study of boilover in liquid pool fires supported on water, Part 1 Effects of a water sublayer on pool fires, Combustion Science and Technology, 71, pp.25-40, 1990

47) Inamura, T., Saito, K., Tagavi, K. A., Study of boilover in liquid pool fires supported on water. Part II. Effects of in-depth radiation absorption Combustion Science and Technology, 86 (1-6), pp. 105-119, 1992

48) Takashi Hoshino, Yusaku Iwata, Hiroshi Koseki, Oxidation stability and risk evaluation of biodiesel, Thermal Science 11 (2) pp.87-100

49) Hiroshi Koseki, Woo-Sub Lim, Yusaku Iwata, Study on Hazard of Biodiesel, International Journal of Safety, 11 (1) pp.11-14, 2012

50）田中初美、全面タンク火災消火支援用浮子の実験的評価、修士論文（諏訪東京理科大学）、2011
# Boilover: Occurrence and Current Research

(Abstract)

Hiroshi Koseki $ ^{*} $ , Yusaku Iwata, and Gilles Dussere $ ^{**} $

(Accepted: July 22, 2014)

Past boilover incidents were summarized and its analysis was conducted. Crude oil pool fire has most possibility to occur boilover. Visualization inside fuel was conducted by several research groups, and bubbles were formed at interface between hot zone and cold fuel layer. It contributes hot zone formation. Water/fuel emulsion accelerates boilover.

Recently large pool fire tests including boilover were conducted world widely, and trials to mitigate boilover were conducted by several groups, but still we need more research to get useful countermeasure against boilover. Biodiesel occurs boilover, even its boiling range is very narrow.
解說

# 火力発電施設の火災事例について

鈴木健

(平成26年8月1日 受理)

太火力発電施設での火災事例をまとめることは、公設消防機関が、消火、調査、指導などを行う際の参考になると思われる。そのため、いくつかの資料から火災事例を収集し、まとめた。また、海外の文献より、火力発電施設における消防活動の注意点をいくつか紹介した。

### 1. まえがき

資源エネルギー庁が公表したエネルギー需給実績 $ ^{1)} $ より、2010年から2012年における発電用燃料の内訳を図1と2に示す。日本国内で使用される電力のほとんどが石炭、石油、天然ガスを燃焼させることによりまかなわれていることが明確に示されている。石炭、石油、天然ガスなどの燃料を燃焼して得られる熱エネルギーを、適当な原動機設備で機械的なエネルギーに変換し、さらに発電機により電気エネルギーとしてとりだすことは、火力発電とよばれている $ ^{2)} $ 。火力発電は、表1のように分類できる。さらに、廃棄物発電と呼ばれる方式もある。廃棄物を燃焼させ、その熱エネルギーを利用して発電するもので、表2のように分類される。廃棄物発電を火力発電に含めない場合もあるが、ここでは、火力発電に含めた。

図1 発電用燃料（事業用発電）の燃料の構成 P（ペタ）は10の15乗を意味する。

火力発電施設が正常に運転された方がよいのはもちろんであるが、故障や事故が起きることもある。千葉 $ ^{5)} $ は、火力発電施設での故障、事故として、以下の7項目を挙げている。

① 周波数低下

② 蒸気タービンの振動

③ 微粉炭装置の爆発

④ 補機のトリップ

⑤ 保安用補機に関するトラブル

⑥ タービン非常停止事故

⑦ 火災

表 3 に①から⑦の説明を簡単に示す。このように火力発電施設ではさまざまな故障や事故が想定されるが、本報では、火災に注目することとした。件数は少ないが、ほぼ毎年、火

図２　発電用燃料（自家用発電）の燃料の構成
力発電施設で火災が発生している。火災が発生すれば、管轄する公設消防機関が出動し、消火活動を行い、次に火災調査を行う。また、火力発電施設の多くは、燃料油、潤滑油などを多量に取り扱うため、危険物施設にあたる。そのため、管轄する公設消防機関は査察、指導などを行う。火力発電施設での火災事例をまとめることは、公設消防機関が、消火、調査、指導などを行う際の参考になると思われる。そのため、いくつかの資料から火災事例を収集し、まとめ、簡単な解説を加えた。

表 1 火力発電の方式 $ ^{2,3)} $

種類による分類	汽力発電	燃料をボイラで燃焼し、発生した熱エネルギーで高温高压の蒸気を作り、蒸気タービンを使い機械動力(回転動力)に変換し、さらに発電機で電気に変える方式である。火力発電の主流を占めており、火力発電というと、汽力発電をさすことが多い。
コンバインドサイクル発電	ガスタービンによる内燃力発電と、ガスタービンから排出される高温の排気ガスをボイラに導いて熱回収を行うことにより発生した蒸気による汽力発電を組み合わせた方式である。
地熱発電	火山地帯などの地下に存在する地熱流体(蒸気や熱水)の持つエネルギーを利用する方式である。熱サイクルとしては、地球をボイラと考えれば、汽力発電と同様である。
内燃力発電	燃料を内燃機関で燃焼させ、発生した熱エネルギーを、直接、機械動力(回転動力)に変換し、発電機で電気に変える方式である。内燃機関としては、ディーセル機関、ガソリン機関、ガスタービン機関などがある。
使用する燃料による分類	石油火力	重油、原油、ナフサなどの石油類を燃料とする方式である。
石炭火力	石炭を燃料とする方式である。石炭を粉砕して微粉炭にして燃焼させる微粉炭燃焼方式*が主流である。
ガス火力	LNG、LPGなどの地下資源を使用する方式と、製鉄所の溶鉱炉から副生する高炉ガスなどを使用する方式である。
混焼火力	石油と石炭、あるいは、石油とガスなど、二つ以上の燃料を燃焼させることが可能な方式である。
目的による分類	事業用と自家用	事業用	需要家の需要に応じて、電気事業者が電力を供給する方式である。
自家用	需要家が自ら発電する方式である。自社の工場などを対象として発電する施設を産業用、ビルや家庭などを対象として発電する施設を民生用と呼ぶ。産業用火力発電所は、自社の工場で消費する電力と蒸気を供給するだけでなく、工場内で副生する燃料ガス、廃熱を利用出来るので、多くの工場に導入されている。特に、鉄鋼、化学、石油精製、製紙など24時間操業で素材を製造する産業でよく使われている。産業用火力発電所の中には、電力を大量に消費する工場、燃料ガスを発生する工場、地域電力会社が共同で設置した共同火力発電所もある。発電に利用した熱の一部あるいは全部を蒸気や温水の形で利用する設備を、一般的にコーラエネレーションと呼ぶ。
ベース用とピーク用	ベース用	常にほぼ一定の出力で運転を行う。
ピーク用	電力需要の変動に応じて稼働し、主としてピーク時に必要な電力供給を行う。
ベース用とピーク用の中間(ミドル)	ベース用とピーク用の中間の役割を持つ。

* 屋外貯炭場、屋内貯炭場、サイロなどの貯炭設備から、ベルトコンベヤで送られた石炭は、石炭バンカにいったん貯蔵され、さらに石炭バンカ下部の計量石炭機を経て、微粉炭機に送られる。微粉炭機は、数 mm から数 cm の大きさの石炭を受け入れ、平均粒径約 40 μm の微粉炭にし、乾燥させる。その後、数本の微粉炭管に分配され、気流搬送でボイラに送られ、燃焼する。
表 2 廃棄物発電 $ ^{3,4)} $

従来型	ゴミ焼却場などに、蒸気タービンと発電機を併設し、ゴミを燃焼させた際に発生する比較的低温、低压の蒸気を使って発電する方式である。
RDF 発電	RDF とは、refuse derived fuel の略である。一般廃棄物を粉砕し、圧縮、成形、乾燥により固形化し、流動床ボイラなどで燃料として燃焼させ、蒸気タービンと発電機で電気に変える方式である。粉砕したものに生石灰（CaO）を加える方式もある。
ガス化溶融発電	廃棄物を熱分解、ガス化し、そのガスを燃焼させ、灰を溶融させるとともに、燃焼により発生する熱を回収して、蒸気タービンと発電機で電気に変える方式である。
スーパーゴミ発電	蒸気タービンとガスタービンを複合した発電方式である。都市ガスなどのクリーンな燃料を使ってガスタービンと発電機で発電する。さらに、ガスタービンから排出される高温の排気ガスを使って、ゴミの燃焼により発生した比較的低温、低压の蒸気を加熱して、高温、高压化し、蒸気タービンと発電機で発電する。

表 3 火力発電設備の故障、事故 $ ^{5)} $

①周波数低下
火力発電施設は、設計上、特定周波数以外では運転できない。規定の周波数より低下した場合、右に示す設備が影響を受ける。	蒸気タービン	周波数が低下すると、速度が低下し、翼に振動が生じる可能性が出る。また、運転が不安定になる可能性もある。
ポンプ類	所内電源は主機に直結しているので、周波数が低下すると、関連した機器の回転数が低下する。ポンプ類の速度が低下すると、吐出水量も減少する。
送風機	周波数が低下すると、速度が降下し、風量も減少する。
微粉炭機	回転数が低下し、微粉化する機器類の効率が低下する。
発電機	夏期など温度の高い時期には、速度が低下すると、通風が減少し、発電機の温度が上昇することがある。
変圧器	周波数が低下すると、効率が低下する。
②蒸気タービンの振動
蒸気タービンと発電機は直結されているので、蒸気タービン側の原因による場合が多いが、発電機側の原因によることもある。
振動の原因として、右の項目があげられる。
蒸気タービンは高速度で回転しているので、過大な振動から蒸気タービンが破壊されると、大事故になる。	不平均	a. 軸の反り
b. バランスウェイトの位置不良
c. バランスウェイトの移動
d. 翼のスケール
e. 翼の腐食
f. 翼車の温度不同による変形
g. 強曲げ力による不平均力
h. 発電機の導線の移動
i. 発電機の空隙不同
原因として上の項目が挙げられる。対応として、運転を停止し、検討を加えることが考えられる。
臨界速度 $ ^{*1} $	設計の問題なので、対応として、使用回転数を変更することが考えられる。
中心の不良	a. 継手の偏心
b. 基礎の不同沈下
c. 蒸気管の伸縮
原因として上の項目が挙げられる。対応として、中心を合わせることが考えられる。
蒸気の障害	a. ドレンの流入b. スケール原因として上の項目が挙げられる。対応として、修理、スケール等の有無の検査が考えられる。
パッキンの故障	a. ラビリンスパッキン*2の調整不良b. パッキン環の過小原因として上の項目が挙げられる。対応として、調整またはパッキンの取り替えが考えられる。
給油障害	a. 給油不良のための油膜破れb. 給油停止c. 不良な油の給油原因として上の項目が挙げられる。対応として、給油方式の改良、油の浄化が考えられる。
軸受油膜不安定	a. 軸受の間隙の不良b. 油みぞの不良原因として上の項目が挙げられる。対応として、軸受の間隙と油みぞの改良が考えられる。
基礎不良	a. 台板下のモルタルの不良b. 台板の取り付けの不良c. 不同沈下、不同基礎原因として上の項目が挙げられる。対応として、基礎を強固にすることが考えられる。
取り付けの緩みおよび薄弱	a. 軸受の間隙の過大b. 球軸受のゆるみc. 組み立て羽根車のゆるみd. 軸継手またはボルトのゆるみe. 発電機導線のゆるみf. パイプラケット不足または薄弱原因として上の項目が挙げられる。対応として、軸受の調査、必要によっては、締め付け、修理などが考えられる。
内部摩擦	a. 動翼の摩擦b. 翼先端の空隙不良c. 仕切板円板または車軸振れd. 推力軸受の故障e. 仕切板ひれの空隙不良原因として上の項目が挙げられる。対応として、修繕、調整が考えられる。
石炭を長期間貯蔵すると、自然発火する危険性がある。微粉化する作業では、粉じん爆発の防止のために着火源となるものを除去する。爆発が発生したときに被害を局限化するための設備を用意する。石炭を微粉化してから燃焼させるまでの間に、微粉炭が経路上のどこかで停滞、堆積すると、火災、爆発の原因となることがある。
給水ポンプ	ポンプの台数が減ると、給水量も減るので、負荷を給水量に合わせて減らす必要がある。ポンプ全台がトリップした場合、予備のポンプが起動しなければ、タービンをトリップさせ、ポイラーを消火する場合がある。
冷却水ポンプ	ポンプの台数が減ると、排気温度の上昇、復水器の能力低下のため、出力を低下させる必要がある。ポンプ全台がトリップした場合、復水器の能力が低下するため、ポンプの停止時間によっては、タービンをトリップさせる場合がある。
復水ポンプ	ポンプ全台がトリップした場合、復水器から復水が排出されないため、復水器の能力が低下する。予備のポンプを起動することにより能力を回復させることができないと、タービンをトリップさせなければならない場合がある。
重油ポンプ	ポンプの台数が減ると、燃料をポイラに供給する能力が減少し、出力も減少する。
微粉炭機	微粉炭機の台数が減ると、微粉炭の供給能力が減少する。
通風機	台数が減少すると、ポイラに燃焼用空気を送る能力が低下するため、ポイラで燃焼させることのできる燃料も減少する。全台がトリップした場合、ポイラへの燃料供給を遮断する装置がついている場合がある。
A)安全に停止させるために無電源になってはならない補機
補助油ポンプ	タービン運転中に必要となる潤滑油、制御油、駆動油は、主油ポンプにより供給される。主油ポンプは、高速時にのみ送油する。低速時には補助油ポンプが送油する。解列*4後においては、補助油ポンプが送油しないと、軸受に悪影響が出る。
密封油ポンプ	タービン発電機*5の冷却媒体として、一般的に、水素が使用されている。タービン発電機内に充填された水素の漏洩および水素への空気の混入を防止するために、タービン発電機内の水素よりも高压の油を軸貫通部に供給している。そのために使用するのが密封油ポンプである。密封油ポンプが停止すると、発電機内から水素の漏洩が起こる。
油タンクガス抽出機、油清浄器ガス抽出機	発電機の軸受から油タンクに回収される潤滑油中には水素が混入している。油タンクまたは油清浄器*6内に水素が滞留しないように、ガス抽出機によって大気中に放出する。
ターニングモータ、ターニング油ポンプ	タービンを停止しても、未だ高温であるため、タービンロータを放置しておくと、タービンロータの曲がりが起こる。ターニングモータにより、2～10rpm程度で回転させる運転をターニング運転という。ターニング運転中、軸受の油が気化して油膜が切れる可能性があるので、ターニング油ポンプにより給油する。
火炎検出器、テレビ冷却ファン	停止させるための操作の過程において、ボイラ内の燃焼状態の監視が必要である。冷却ファンが停止すると、火炎検出器、テレビカメラが焼損するため、ファンの運転の継続が必要である。
真空破壊弁	一般に、タービン発電機には、回転停止用の制御装置がついていない。解列後、復水器に空気を入れて減圧状態を解消しないと、低速で長時間回転し、軸受に悪影響がある。
制御電源	ボイラ、タービンも含めた電気式制御系の機器の電源、状態を監視するための機器類の電源は、現在では不可欠である。
電子計算機	現在では、発電機器類の状態の監視には不可欠である。
ボイラ給水ポンプ関係の補機	ボイラ給水ポンプは大容量であるため、電動機よりもタービン駆動にすることが多くなった。その場合、主タービンと同様な理由で、ターニングモータ、ターニング油ポンプ、油タンクガス抽出機が設置される。これらも無電源になってはならない。
所内灯	保安および安全に停止する作業のために所内灯を確保する必要がある。非常灯とも呼ばれる。
その他	制御用圧縮機、空気予熱器駆動電動機、誘引通風機、通信用電源など
B)電源からの供給が停止した場合のバックアップ
直流装置によるバックアップ	交流の補機とは別に、同一の機能を有する直流の補機、直流電源を用意する。直流電源として、必要な電源に見合った容量の蓄電池を使用する。
非常用交流電源によるバックアップ	ディーゼル発電機を用意し、補機に供給できるように結線する。
直流装置と非常用交流電源の併用によるバックアップ	上記の併用。
⑥タービン非常停止事故	タービンが非常停止した場合、蒸気の流入がなくなるため、タービン内部の金属の部分の温度は時間の経過と共にゆっくりと低下する。再始動した場合、停止してから経過した時間によっては、ボイラから流入する蒸気の温度は、タービン内部の金属の部分の温度より相当低くなる。金属の部分の温度と流入する蒸気の温度の差が大きいと、金属の部分が急冷されて熱応力を受ける。これを避けるには、再始動をなるべく短時間で行う必要がある。
⑦火災火災のおそれのあるものとして、右のようなものがあげられる。	ボイラ	ボンプ、配管の継ぎ目などから、燃料が、ガス状あるいはミスト状に漏洩し、周囲にあった高温の部分に触れ発火することが考えられる。
タービン	タービンの運転には、潤滑油、制御油、駆動油などが必要である。それらの油を保有するためのタンクが設置されている。潤滑油、制御油、駆動油などが、タービン本体や配管から、ガス状あるいはミスト状に漏洩し、タービンの高温の部分に触れて着火することがある。また、タービンの保温材にしみこんで燃焼することもある。軸受の部分において、回転している部分と静止している部分が触れて、潤滑油が着火することがある。
発電機	回転子軸の折損、軸受の破損、ケーシングの破壊、密封の切れなどにより、水素、潤滑油、密封油などが漏洩して火災になることがある。密封の切れに対する対策も必要である。
変圧器	変圧器には、大量の絶縁油が使われている。絶縁油が漏洩して火災になることがある。
重油タンク、原油タンク	燃料の重油、原油をタンクに貯蔵している。周囲の火災からタンクへの延焼を防ぐ対策が必要である。地震が発生した際に、タンクが火災になることもある。
建屋の内部	火災が発生した場合、火災の拡大を防止し、発電設備に被害がでないようにすることが必要である。そのための対策として、火災を検知し消火するための設備の充実があげられる。
ケーブル、ケーブルダクト、ケーブルトレイの火災対策も重要である。自衛消防隊の活動も重要である。人数の確保、装備の充実、訓練の実施が必要となる。

*1 タービンロータの持つ固有振動数が回転運動と共振するときの回転速度。危険速度ともいう。

$ ^{*} $ 2 前後に大きな圧力差を有する静止部と回転部の間に設けられる蒸気またはガスの漏れ防止フィン。

*3 設備に故障などが発生した場合に、設備を保護するために保護装置により自動停止させること。

$ ^{*} $ 4 一つの電力系統に別の電力系統または同期機などを加えて運用しようとするときに、両者の周波数と電圧の位相を同期させて接続することを並列という。負荷が減少し、供給力に余剰が出て並列運転を継続する必要がなくなったとき、事故等の原因により並列運転を継続することができなくなったときに、発電機の負担している負荷を他の発電機に移し、遮断器を開き、系統との並列運転を解くことを解列という。

$ ^{*} $ 5 蒸気タービンによって運転される交流発電機

*6 タービン潤滑油は、運転中に水分や種々の異物が混入して劣化することがある。油清浄器を使って、タービン潤滑油を浄化し、再生する。油清浄機ともいう。

### 2. 火災事例

表4に火災事例を示す。自衛消防隊による初期消火活動が行われたこと、公設消防機関による消火活動が行われたこと、死傷者が発生したことが、参照した文献中に記載されていた場合、表4に記入した。一般加入電話とは、119、ホットライン、警察電話以外の電話によって覚知した場合である。多くの公設消防機関では119で通報されると会話を録音可能だが、一般加入電話で通報されると録音できないこと

☐119 ☐事後聞知 ☑一般加入電話 ☐ホットライン ☑その他

図3 覚知の手段

がある。なお、発電設備の詳細な構造等については、例えば、文献2から11を参照されたい。発電設備を製造している工場で、発電設備の試運転中に発生した事故であっても、筆者が重要だと考えたものは表4に加えた。発電設備で使用される各種の油の説明を表5に示す。

図3に、公設消防機関への通報の手段を示す。火力発電施設で発生したすべての火災事例を表4で網羅したわけではない。また、大手の電力会社の火力発電所と、小規模

■停止中作業または起動中 ☑建設,点検,修理,改造等のための工事中 ☐停止中

図４ 発災時の設備の状態
の自家発電設備を同列に並べることに問題があるかもしれないが、ここでは規模の違いは無視した。通報が119またはホットラインで行われるのが理想であるが、実際にはそれ以外の手段で通報されることがある。また、通報が遅れるどころか事後聞知になることもある。事業者の意識が変わることが期待される。

図4に、発災時の設備の状況を示す。定常運転中に火災になることが多いが、試運転中、停止中、起動中、工事中などの非定常時に火災になることもある。表4と図4から、以下のようなことが考えられる。

表 4 火災事例

No	年	月	都道府県	事業の種類	概要	覚知	発災時の設備の状態	出典
10-1	2010	9	宮城県	伸線業	自家発電施設の運転中に火災が発生した。時系列で示す。8:35自家発電設備を起動した。9:20ごろ事務所内の遠隔監視盤の警報が発報し、従業員が見に行き、発電設備からの白煙を確認した。9:32 119通報11:31現場に到着した危険物責任者が送油バルブを閉鎖した。公設消防隊が消火活動をし、鎮火させた。自家発電設備1基を焼損した。燃料ポンプ取り付け部のポルトが緩み、ポンプ取り付け部より燃料(重油)が漏洩し、エンジンの熱により発火したと推定された。	119	定常運転中	12
10-2	8	茨城県	火力発電所	ポイラ施設の配管等が焼損した。燃料送油配管が外面腐食により減肉し、送液圧力に耐えきれずに破損し、流出した重油が高温のポイラ外壁に接触し、発火したと推定された。	119	定常運転中	12
10-3	1	東京	農林水産金融業	設備管理会社の社員が、建物屋上に設置されている非常用発電機の点検のため、約20分間運転したところ、制御盤から煙が出ているのを確認した。励磁変圧器と電線が焼損した。基盤内の変圧器の絶縁が劣化したため、層間短絡が発生し、絶縁紙に着火したと推定された。	事後聞知	試運転中	12
10-4	11	神奈川	廃棄物処理エネルギー供給	廃棄物の焼却処理施設において、中央監視室の総合操作盤で自動火災報知設備の発報を確認し、現場に行ったところ、処理施設に設置された発電用ガスタービンの上部から炎がでていた。消火器3本を使用し、初期消火活動を実施した。ガスタービンの潤滑油清掃機出口側のホース上部に亀裂があり、潤滑油が噴出し、ガスタービンの上部の高温部分に触れて着火したと推定された。	一般加入電話	定常運転中	12
10-5	2	富山県	パルプ製造業	重油と石油コークスを燃料とする発電用蒸気ボイラーを停止させ、マニュアル通りにファンによる冷却作業を行っていた。監視モニターが灰処理異常を表示したため、作業員が見に行ったところ、ケーシングが発熱していた。消火器および水道水を使用したが、発熱が継続し、ケーシングが破裂し、溶融物が外部に流れ出てきた。従業員が消防に119通報をした。発電用蒸気ボイラーの脱硝設備、空気予熱器、コンペアが焼損した。原因は以下のように推定された。脱硝設備の触媒装置の点検、清掃が行われなかった。そのため、触媒装置内にコークス灰と未燃コークスが堆積した。それらが酸化し、発熱し、着火した。	119	停止作業中	12