高圧の蒸気を発生させるボイラーを使用する場合、必ずと言っていいほど脱気器がついています。
今回は、脱気器とは何か？について解説したいと思います。
脱気器とは
脱気器はデアレーター（Dearator）とも呼ばれ、給水中に存在する酸素や二酸化炭素などの気体を除去するための装置です。
薬品を添加して脱気を行う機器も脱気器と呼びますが、大型の場合は蒸気で加熱することで脱気を行う場合が多いです。脱気を行わずにボイラーに給水を行うと、水中の溶存酸素によりボイラー本体や配管の腐食が進み、機器の寿命を著しく縮めてしまいます。
加熱用の蒸気には、発電所の場合は蒸気タービンの抽気、一般の工場ではプロセス用の低圧蒸気が使用されることが多いです。
低温の給水量が多くなるとそれを加熱するために多量の蒸気が使用されるため、いかに高温の状態で補給水を送るかがプラントの省エネを考える上で重要なテーマになります。
脱気器を設置する目的
- 給水中の溶存酸素の除去
- 水の貯留によるポンプの保護
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脱気器の原理
脱気器は次のような原理で脱気を行います。
- 脱気器に給水をする。
- 加熱用蒸気で設定圧力まで加圧する。
- 沸点まで加熱することで飽和水になり、気体の溶解度が0になる。
加熱を行って飽和水にすることで溶解している気体を追い出すというのがポイントです。
また、一般的に採用されているものはスプレートレー式というものが多く、発生した気体とともに排出される水蒸気を少しでも減らすように脱気器上部から給水をスプレーするような構造になっています。
大型の脱気器の場合は湯気として排出されるエネルギーが多くなるため、ベントコンデンサというシェル＆チューブ型の湯気を消すための熱交換器が上部に設置されている場合もあります。
供給する補給水によって水位を一定にするレベル制御を行い、蒸気により内部の圧力を一定にする圧力制御を行うのが一般的です。脱気された処理水はボイラー給水ポンプによってボイラーに供給されます。
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脱気器のポイント
脱気器を設置するうえで注意する項目があります。既に設置されている場合は、現状の運転条件がなぜそのようになっているのか考えてみましょう。
- 設定圧力
- 設置位置
- 容量
- 選定条件
設定圧力
脱気器の設定圧力を決める場合は、脱気器の二次側に設置するボイラーエコノマイザでの酸露点に注意する必要があります。
また、補給水の温度が設定圧力の飽和温度よりも高い場合は加熱用の蒸気が供給されません。加熱用の蒸気には飽和温度まで加熱することとは別に、バブリングによって攪拌を起こすという目的もあるため、ある程度補給水温度と脱気器内の温度に差（10℃~20℃程度）を設けなければ上手く脱気できません。
どの程度の温度差であれば脱気に問題がないか、脱気器メーカーと計画の段階で相談しておく必要があります。脱気器内の圧力は大体、0.1～0.3MPaG程度の圧力に設定されることが一般的で、脱気器に供給する蒸気の圧力はそれよりも高くする必要があります。脱気器に供給する蒸気は工場内の低圧蒸気やタービンからの抽気蒸気を供給するのが一般的です。
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脱気器圧力が低ければ低いほどエコノマイザでの交換熱量が増えるのでボイラー効率は上がりますが、節炭器で排ガスが酸露点温度を下回ることで腐食リスクも上がるので、燃料の組成によって下げられる圧力が決まります。
また、脱気器の圧力を低くすることで脱気器に給水するためのポンプの必要揚程を下げることが出来るので省エネにもつながります。
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設置位置
脱気器内は常に飽和水で満たされることになるため、脱気器からボイラーへ給水を行うポンプでのキャビテーションに注意する必要があります。
ボイラー給水ポンプは揚程も大きく高価なため、NPSH（Net positive suction head）に十分な余裕を見て7～10m以上の高所に設置されている場合が多いです。脱気器内は少しでも圧力が低下すれば気化してしまう飽和水になっているということを意識しましょう。
また、運転条件により脱気器のレベルが変動するとキャビテーションの発生につながるため、センサー等で常に監視し、厳重に監視することが必要です。
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容量
脱気器の容量はボイラーの蒸発量との兼ね合いを見て、どの程度のバッファーを持たせるかという観点で決めます。
一定負荷のボイラーであればそこまで問題になりませんが、負荷変動の大きい設備が多い場合は余裕をどれだけ見るかが重要なポイントになります。
万が一、脱気器内が空になると、給水ポンプのNPSHが足りなくなることでキャビテーションが発生したり、脱気器内の水位が大きく変動することで制御が暴れる要因になります。
コスト面も考えて大きすぎず小さすぎない適切な容量にしてやる必要があります。
選定条件
脱気器の負荷はボイラーの蒸発量によって決まるため、ボイラー側の負荷変動が大きい場合は、脱気器も複数パターンの条件ですべてを満たすものを選定する必要があります。
補給水の温度や量に変動がある場合は、加熱用蒸気量の最大と最小を考慮し、複数パターンで条件を提示します。
ワンポイントで設計を行い、負荷変動があったときに対応できないということがないように注意しましょう。
まとめ
- 脱気器は給水内の気体を除去するための装置。
- 内部を飽和水にすることで気体の溶解度をゼロにする。
- 設定圧力、設置位置、容量などに注意が必要。
大規模な工場や発電所などで良く見る脱気器ですが、エネルギー消費も多く、周囲の機器も非常に高価な場合が多いことから設置の際には気を使わなければいけない機器の一つです。
是非、現状の運転がなぜそのようになっているのか考えてみてはいかがでしょうか？
