ボイラーのプライミングとは?フォーミング(ホーミング)との違い・原因と対策

ボイラー胴に取り付けたガラス管式の水面計と水位

ボイラーのプライミングとは、ボイラー水が水滴のまま蒸気と一緒にボイラーの外へ運び出される現象です。水位が高すぎるときや、蒸気の使用量が急に増えたときに起きやすくなります。

泡が原因で同じように水が持ち出されるのがフォーミングで、ボイラー技士の試験ではホーミングと書かれます。どちらも、蒸気に水や不純物が混じるキャリーオーバーの原因で、この記事では、プライミングとフォーミングの違い、起きると何が困るか、原因ごとの対策の順に整理します。

目次

プライミングとフォーミングの違い

プライミングとフォーミングは、どちらもボイラー水が蒸気と一緒に出ていく現象です。水処理メーカーの栗田工業は、この2つをまとめてキャリーオーバーと呼んでいます。

違いは水を持ち上げるもので、プライミングは激しい沸騰で水そのものが持ち上がり、フォーミングは消えにくい泡が水を運びます。

図1:プライミングとフォーミングの違い

どちらもキャリーオーバーの原因ですが、水を持ち上げるものと効く対策が違います。

プライミング
フォーミング(ホーミング)
何が起きるか
激しい沸騰で水位が押し上げられ、水滴のまま蒸気側へ出ていく
水面に消えにくい泡の層ができ、泡と一緒に水が蒸気側へ出ていく
和名
水気立ち(みずけだち)
泡立ち(あわだち)
主なきっかけ
高水位、蒸気負荷の急増による圧力低下
ボイラー水の濃縮、油脂分の混入、薬品の入れすぎ
性格
運転のしかたで起きる(機械的な原因)
水の性質で起きる(化学的な原因)
現場の手掛かり
蒸気の使用量が急に増えた直後、水位が高めのときに起きる
泡が多くしつこい。電気伝導率が高い、油っぽさがある
効く対策
水位を適正に保つ、負荷を急に変えない
ブローで濃度を下げる、油を入れない、消泡剤

※実際には両方が重なって起きることもあります。栗田工業・スパイラックス・サーコの解説をもとに作成。

プライミングとは

プライミングは、ボイラー水が水滴となって蒸気と一緒に運び出される現象で、水気立ちとも呼ばれます。本来、ボイラーの中でできた蒸気は水面で水と分かれ、乾いた蒸気として送り出されますが、プライミングが起きると水滴が蒸気に混じり、蒸気の品質が下がります。

典型的なきっかけは、蒸気の使用量が急に増えることで、蒸気が一気に出ていくとボイラーの中の圧力が下がり、水の中で多量の気泡が発生します。

気泡で膨らんだ水は水位を押し上げて蒸気の出口まで届き、もともと水位が高すぎると、水面から出口までの余裕が小さく、さらに起きやすくなります。

設計より低い圧力で運転しているときも要注意で、同じ量の蒸気でも体積が大きくなって流れが速くなり、水滴を連れ出しやすくなります。これは、炭酸水を振ってから蓋を開けると、中の液体があふれ出すのに似ています。

  1. 炭酸水を振ると、溶けていた二酸化炭素が気化して内圧が上がる
  2. 蓋を開けることで一気に内圧が下がる
  3. 液体が泡立ち、あふれ出す

ボイラーでは、蓋を開ける動きにあたるのが蒸気の急な使用で、圧力が下がった瞬間に沸騰が激しくなり、水があふれるように出口へ向かいます。

手掛かりは、蒸気の使用量が急に増えた直後や、水位が高めのときに起きることで、泡が少なくても起きます。ただし、ひとつのサインだけでプライミングと決めつけず、水質も合わせて確かめます。

図2:プライミングが起きる流れ

蒸気負荷の急増で圧力が下がると、沸騰が一気に激しくなります。

01蒸気の使用量が急に増える使用先の弁が一斉に開く、設備が立ち上がるなど
02ボイラーの中の圧力が下がる燃焼が追いつくまでの間、内圧が一時的に下がる
03水の中で多量の気泡が出る気泡で膨らんだ水が水位を押し上げる。高水位ほど出口に近い
04水滴が蒸気と一緒に出ていく汽水分離器で分けきれない水が蒸気配管へ。これがキャリーオーバー

※設計より低い圧力での運転や、汽水分離器の不良も起きやすくする要因です。

フォーミング

フォーミングは、ボイラーの水面に泡ができて広がり、泡と一緒に水が蒸気に混じる現象で、泡立ちとも呼ばれます。英語の foaming のことで、ボイラー技士の試験や教本ではホーミングと書かれます。

泡の層が水面から蒸気の空間まで広がると、蒸気と水を分けにくくなり、泡が割れるたびに細かい水滴が飛び、蒸気の品質が下がります。

原因は、ボイラー水に含まれるもので、代表的なのがボイラー水の濃縮です。蒸気になるのは水だけなので、給水に含まれる塩類はボイラーの中にたまっていきます。

溶けている塩類(溶解固形物)が増えると、気泡が安定して水面で割れにくくなり、アルカリ度が高すぎる場合や、懸濁物(濁りの粒子)が多い場合も泡立ちやすくなります。

もう一つは、油分や洗剤などの有機物の混入で、清缶剤などの薬品を入れすぎた場合も、泡の原因になります。フォーミングは、石鹸や洗剤を溶かした水に空気を入れると泡立つ様子に近いです。

  1. 水は空気が入っても表面張力によって泡がすぐ消える
  2. 石鹸水や洗剤が混ざると界面活性によって水の表面張力が下がる
  3. 空気が入ると泡立つ

ボイラー水に不純物が混じって泡立ちが起きるのが、フォーミングです。石鹸の原料は油脂なので、油が泡の原因になるのは感覚的にも分かりやすいはずです。

手掛かりは、泡が多くてなかなか消えないことで、ボイラー水の電気伝導率が高い、採水した水に油っぽさやぬめりがある場合も、フォーミングを疑います。

図3:フォーミングが起きる流れ

水に溶けたものや混じったものが、泡を消えにくくします。

01泡の原因がボイラー水に入る・たまる塩類の濃縮、アルカリ度の上がりすぎ、油脂分・有機物の混入、薬品の入れすぎ
02水面の気泡が割れにくくなるふつうなら水面ですぐ割れる気泡が、膜を保ったまま残る
03泡の層が蒸気の空間に広がる水面から出口までの空間が泡で埋まり、蒸気と水を分けられない
04泡と一緒に水と塩類が出ていく持ち出された塩類は付着物になる。これがキャリーオーバー

※小型のボイラーは水面の面積あたりの蒸気発生量が大きく、泡立ちやすい傾向があります(スパイラックス・サーコ)。

プライミング、フォーミングが与える影響

プライミングやフォーミングで持ち出された水は、蒸気配管を通って、蒸気を使う設備まで届きます。影響はボイラーの中ではなく、下流の設備に出るのが特徴です。

図4:持ち出された水が行き着く先

キャリーオーバーの被害は、蒸気の流れに沿って下流の設備に出ます。

ボイラープライミング・フォーミングで、水と溶けた塩類が蒸気に混じる
湿った蒸気
蒸気配管たまった水が蒸気に押されて水撃(ウォーターハンマー)。速い流れの水滴で配管が削られる
水滴と塩類
過熱器塩類が付着し、管の膨出・破裂のおそれ
蒸気タービン翼への付着・衝突で損傷のおそれ
弁・トラップ付着物で能力低下・詰まり
使用先
熱交換器・製品乾き度が下がって加熱の効率が落ちる。蒸気を直接使う工程では製品の汚れにも

※栗田工業、スパイラックス・サーコの解説をもとに作成。どの設備があるかはプラントによって違います。

蒸気の品質低下

最も直接的な影響は、蒸気の品質の低下で、蒸気に水滴が混じると、乾き度(蒸気のうち、水になっていない部分の割合)が下がります。

蒸気が熱を渡すのは、主に凝縮するときで、最初から水滴の分は凝縮の熱を持たないので、同じ量の蒸気を送っても、熱交換器で使える熱が減ります。

フォーミングでは、泡と一緒にボイラー水の塩類も蒸気に入り、蒸気を加熱や加湿に直接使う工程では、製品の品質に響くこともあります。

機器の腐食や摩耗

蒸気の品質が下がると、下流の機器の腐食や摩耗が進みやすくなります。プライミングで運ばれた水滴は、速い蒸気の流れに乗って配管の曲がりや弁に当たり、その衝撃で金属が削られたり、腐食が進んだりします。

フォーミングで持ち出された塩類は、蒸気の通り道に付着物として残ります。栗田工業は、過熱器の膨出・破裂や、蒸気タービンの破損事故につながるおそれを挙げています。

タービンでは、翼に付着物がたまったり水滴が当たったりして、性能低下や損傷につながります。翼の役割はタービンの動翼と静翼で整理しています。

弁やスチームトラップの小さな穴に付着物がたまると、能力が落ちたり詰まったりし、突発的な故障の原因になるので、点検の計画にも関わります。

水撃発生リスクの増加

プライミングで蒸気管に水が入ると、水撃(ウォーターハンマー)が起きやすくなります。水撃とは、配管の中で急に動かされた水が、配管や弁に強い衝撃を与える現象です。

繰り返すと配管が傷み、破裂につながることもあり、圧力の高い蒸気配管ほど、壊れたときの被害が大きくなります。フォーミングでも、泡と一緒に運ばれた水が配管の低いところにたまれば、同じように水撃の原因になります。

ランニングコストの増加

プライミングとフォーミングは、ボイラーまわりの運転コストを押し上げます。濡れた蒸気は使える熱が少ないので、同じ加熱をするのに多くの蒸気が要り、燃料が増えます。さらに、腐食や摩耗が進めば、補修や部品交換の回数が増えます。

水撃で配管や弁が壊れると、修理費に加えて設備を止める損失も出ます。蒸気配管の点検は、設備保全のTBMとCBMの考え方で周期を決めておくと、異常に早く気づけます。

プライミング、フォーミングの対策

プライミングとフォーミングは原因が違うので、効く対策も違います。原因を水位・負荷の急変・缶水(ボイラー水)の濃縮・油脂分の4つに分けると、打ち手を選びやすくなります。

発生を疑ったら、水位、直前の負荷の変化、ボイラー水の電気伝導率、油の混入や薬注量の順に確かめるのが一つの目安です。運転の変更は、設備の運転基準とメーカーの手順に従って進めます。

図5:4つの原因と打ち手

上の2つはプライミング、下の2つはフォーミングの主な原因です。

プライミング水位が高すぎる確認:水面計の水位、水位制御の設定。打ち手:水位を適正に保つ。汽水分離器も点検する
プライミング蒸気負荷の急変確認:直前の蒸気使用量、圧力の記録。打ち手:弁をゆっくり開ける。能力を超える負荷をかけない
フォーミング缶水の濃縮確認:ボイラー水の電気伝導率、薬注量。打ち手:ブローで濃度を下げる。薬品を入れすぎない
フォーミング油脂分の混入確認:復水・給水の油、熱交換器の漏れ。打ち手:混入源を断ち、消泡剤やブローで抑える

※栗田工業「キャリーオーバー障害」の対策4項目、スパイラックス・サーコの解説をもとに作成。

プライミング対策

プライミングの対策としては、次のようなものが挙げられます。

  • ボイラーの負荷を急変させない
  • 水位を適正に保つ
  • 水質管理を行う

まず、運転圧力を安定させて急な圧力低下を防ぐには、使用先の弁を一斉に開けない、立ち上げ時に負荷をゆっくりかける、といった運転の決まりが効きます。

負荷の変動が大きく、運転の工夫だけでは抑えきれない工場では、蒸気をためておくスチームアキュムレータで変動をならす方法があります。

比例式の水位制御や、ボイラーの圧力が下がりすぎないようにする圧力制御も、メーカーが挙げる対策です。どれが合うかは設備の構成と負荷の波で変わるので、メーカーと相談して選びます。

ボイラーの能力を超える蒸気を取らないことも基本で、能力の目安となる蒸発量の考え方は、相当蒸発量と実際蒸発量の違いで整理しています。

次に、水面計と水位制御で、ボイラーの水位を常に適切に保ち、水位制御の方式はレベル制御とはで解説しています。

水位が正しくても水が出ていく場合は、蒸気と水を分ける汽水分離器(気水分離器)の不良も疑い、点検や修理、増設で分離の力を取り戻します。

水処理装置で給水の質を整え、不純物や有機物を減らすことも大切です。水質が悪いとフォーミングが重なり、プライミングが起きやすくなるためです。

フォーミング対策

  • 水質を監視する
  • 薬剤を添加する
  • ボイラー内部の清掃

フォーミングを防ぐには、まず水質管理を徹底し、ボイラーに入れる水の質を管理して、油分や有機物の混入を防ぎます。水処理の基本はボイラー水の水処理にまとめています。

濃縮は、ボイラー水の電気伝導率で監視するのが一般的です。環境省の資料には、JIS B 8223:2021 から作成した多管式特殊循環ボイラの表が載っています。

多管式の小型貫流ボイラー(JIS では多管式特殊循環ボイラ)で軟化水を使い、常用使用圧力が1MPa以下の場合は400mS/m以下です。管理値はボイラーの形式・圧力・水処理の方式ごとに分かれ、蒸気の質も管理の対象なので、自分の設備の値を確かめます。

濃くなったら、ボイラー水の一部を捨てるブローで下げます。ブローの量と熱の損失はボイラーのブローとブロー率の計算で扱っており、電気伝導率の測り方は、電気伝導率とはが参考になります。

油は、工程から回収する復水に入りやすく、熱交換器の漏れで油が復水に混じると、そのまま給水に戻ってきます。回収系に油が入っていないかを確かめることが、根本の対策になります。

泡を抑えるには、ボイラー水に消泡剤を入れる方法もありますが、懸濁物による泡には効きにくいとされ、原因を断つ対策の代わりにはなりません。清缶剤などの薬品は、入れすぎるとかえって泡の原因になります。

給水の処理には、溶けた酸素を除く脱気器もありますが、脱気器が防ぐのは腐食で、泡の原因になる塩類や油は取れません。役割の違いは脱気器(デアレーター)の仕組みで確かめてください。

ボイラーの内部も定期的に清掃し、汚れやスラッジを取り除くことで、泡の原因になる不純物を減らせます。最後に、過剰な負荷や急な負荷変動を避けます。安定した運転が、プライミングとフォーミングに共通する対策の基本です。

プライミング・フォーミングのよくある質問

キャリーオーバーとプライミングの関係は?

キャリーオーバーは、ボイラー水の水滴や溶けた塩類が蒸気系統へ移ってしまうことを指す、結果の側の呼び名です。プライミングとフォーミングは、その起き方の呼び名で、結果がキャリーオーバー、起き方がプライミングとフォーミングと考えると整理できます。

対策を選ぶときは、どちらの起き方かを先に見極めます。

ホーミングとフォーミングは同じ?

同じもので、どちらも英語の foaming(泡立ち)をカタカナにした言葉で、ボイラー技士の試験や教本ではホーミング、メーカーの資料ではフォーミングと書かれることが多いです。

加工の分野の「フォーミング(forming、成形)」や、機械の原点に戻る「ホーミング(homing)」とは別の言葉です。

プライミングは低水位でも起きる?

プライミングの原因になるのは、低水位ではなく高水位で、水面から蒸気の出口までの余裕が小さくなり、水滴が出ていきやすくなります。

プライミングと水位の関係は、ボイラー技士の過去の試験でも問われており、低水位は、空だきにつながる別の危険な状態です。

起きたときは、まず何を確かめる?

原因の4つを順に見ると、水面計で水位が高すぎないか、直前に蒸気の使用量が急に増えていないかをまず確かめます。

水位と負荷に問題がなければ、ボイラー水の電気伝導率と、復水や給水への油の混入を調べます。泡が多くしつこいならフォーミング、負荷の急変と重なるならプライミングが、見分けの目安です。

まとめ

この記事のまとめ
  • ボイラ水を持ち出す現象にはプライミングとフォーミング(ホーミング)があり、まとめてキャリーオーバーと呼ぶ
  • プライミングは高水位や蒸気負荷の急増で、水そのものが持ち上がって出ていく
  • フォーミングはボイラー水の濃縮や油脂分で泡が消えにくくなり、泡と一緒に水が出ていく
  • 影響は下流に出る。乾き度の低下、水撃、過熱器・タービン・弁への付着や損傷
  • 発生要因が違うので、水位・負荷の管理と、ブロー・油の混入防止を使い分ける

プライミングとフォーミングはどちらもキャリーオーバーを起こしますが、発生要因が違います。対策も変わってくるので、取り違えないように注意しましょう。

ボイラーの水質管理や省エネは、エネルギー管理士の試験でもよく出るテーマです。工場での役割は製造業のエネルギー管理士の仕事で紹介しています。その他のボイラーに関する記事は、ボイラーとは何かにまとめています。

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プラント機器メーカーとプラントメーカーで約10年、設備の提案・設計・試運転に携わったのち、Webマーケターに転身。現在はBtoB製造業専門のWebコンサルタントとして、メーカーの情報発信を支援しています。エネルギー管理士/第三種電気主任技術者。工業技術ブログを2017年から運営(500本以上執筆)、YouTube登録者約2万人、Xフォロワー約1万人。

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