一級ボイラー技士「ボイラーの構造」の要点とひっかけ（論点テキスト）

このページの論点

一級・ボイラーの構造・14論点・要点82本・ひっかけ58本（見出しの問数は、公表試験問題2回分80問での内訳）

• 附属品・計測器・自動制御
  • 自動制御と燃焼安全装置
  • 水面計・圧力計・流量計
  • 安全弁の構造と吹出し面積
  • 蒸気トラップ・送気・吹出し
• ボイラーの種類と構造
  • 水管・貫流・汽水分離
  • 炉筒煙管・鋳鉄ボイラー
  • 水循環と安全低水面
• 熱及び蒸気・ボイラー効率と燃料消費量の計算
  • 効率・燃料消費量の計算
  • 水と蒸気の性質
• 材料と強さ
  • 胴・鏡板・炉筒の強さ
  • 材料と許容応力
• 過熱器・エコノマイザ・空気予熱器・給水系統
  • エコノマイザ・空気予熱器
  • 過熱器の形式と蒸気温度
  • 給水系統の装置

附属品・計測器・自動制御（本試験2回分で6問）

自動制御と燃焼安全装置

比例・積分・微分動作の違い、水位制御、燃焼安全装置と圧力調節器・制限器の役割が問われる。

要点

• シーケンス制御は、あらかじめ決めた順序に従い、点火から停止までの各段階を逐次進める制御である。
• 比例動作は偏差の大きさに比例して操作量を増減するが、オフセットが残るため、除くには積分動作を組み合わせる。
• 積分動作は偏差の時間積分値に比例し、微分動作は偏差が変化する速度に比例して操作量を増減する。
• 比例帯の幅を小さくすると比例感度は高くなるが、小さくしすぎるとハンチングを起こす。
• 比例式蒸気圧力調節器で設定圧力0.55MPa・比例帯0.30MPaなら、比例制御の範囲は0.55〜0.85MPaである。
• インターロックは、所定の条件が整わないと次の動作へ進むのを阻止する仕組みである。
• 燃焼安全装置は、異常消火などを火炎検出器で検出すると、燃料の供給を自動的に遮断する。
• 圧力調節器は通常運転で燃焼量を自動的に増減し、圧力制限器は圧力が上限値を超えたとき燃焼を強制的に停止させる。
• 蒸気圧力制限器には一般にオンオフ式の圧力調節器を用い、比例式の調節器はコントロールモータと組み合わせて使う。
• 三要素式の水位制御は、水位・蒸気流量・給水流量を検出して給水量を調節し、負荷変動が大きいとき有利である。

ひっかけ

• 比例動作で残るオフセットを除くのは微分動作ではなく積分動作であり、微分動作は変化の速さに反応する。
• 優先回路では、先に作動したリレーが相手側のb接点を閉じるのではなく開くため、後から押しても相手は作動しない。
• 三要素式の検出信号は、水位・蒸気圧力・燃料流量ではなく、水位・蒸気流量・給水流量である。
• 圧力調節器と圧力制限器の役割を入れ替えない。上限超過時に燃焼を停止させるのは圧力制限器である。
• 火炎検出器が故障して火炎ありと誤認識すると、未燃ガスの滞留で逆火や爆発の危険があり、安全性に影響する。

水面計・圧力計・流量計

圧力計・流量計・水面計・圧力検出器それぞれの原理と取付け、見え方が問われる。

要点

• ブルドン管式圧力計は、扁平な管を円弧状に曲げたブルドン管に圧力が加わると円弧が広がることを利用する。
• サイホン管は管内に凝縮水をため、高温の蒸気が圧力計に直接触れて損傷するのを防ぐ。
• 容積式流量計はだ円形歯車の回転数が流量に比例することを、面積式流量計はテーパ管内のフロートの位置を利用する。
• 差圧式流量計は、絞りの入口と出口の圧力差が流量の二乗に比例することを利用する。
• 二色水面計は光の屈折率の差を利用し、蒸気部が赤色、水部が緑色に見える。
• 水面計は異物の詰まりで誤指示を生じるため、機能試験（吹出し試験）を繰り返し行う必要がある。
• 電子式圧力検出器は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変える。

ひっかけ

• 差圧式流量計は、差圧そのものではなく差圧の平方根が流量に比例することを利用する。
• 二色水面計は、蒸気部が緑色・水部が赤色ではなく、蒸気部が赤色・水部が緑色に見える。
• 面積式はフロートの位置、差圧式は絞りの前後の差圧であり、両者の原理を入れ替えない。
• 容積式流量計は、流量が歯車の回転数の二乗ではなく、回転数に比例することを利用する。
• ブルドン管圧力計は、胴又は蒸気ドラムの一番低い位置ではなく、一番高い位置に取り付ける。

安全弁の構造と吹出し面積

ばね安全弁の揚程・カーテン面積・のど部と、全量式・揚程式の吹出し面積の求め方が問われる。

要点

• 弁体が弁座から上がる距離は揚程（リフト）、弁体と弁座の間の面積は弁座流路面積（カーテン面積）という。
• 全量式安全弁は、弁座の下方にあるのど部の面積によって吹出し面積が決まる。
• 揚程式安全弁の吹出し面積は、弁座口の径dとリフトLによるカーテン面積π×d×Lで求める。
• 安全弁の吹出し圧力は、調整ボルトでばねが弁体を押し付ける力を変えて調整する。

ひっかけ

• 全量式の吹出し面積は、カーテン面積ではなく、のど部の径dtによる断面積π×dt²÷4で求める。
• 弁体が弁座から上がる距離は弁座流路面積ではなく、揚程（リフト）である。
• 全量式安全弁では、のど部の面積が最大ではなく最小となり、その面積で吹出し面積が決まる。
• ばね安全弁は、圧力が低下しても閉止しないのではなく、一定以下に下がれば自動的に閉止する。

蒸気トラップ・送気・吹出し

蒸気トラップの作動原理、主蒸気弁まわりの送気系統、吹出し装置の使い方が問われる。

要点

• フロート式はドレンの水位変化、バケット式は蒸気とドレンの密度差で弁を開閉するメカニカル式のトラップである。
• ディスク式は蒸気とドレンの流速や圧力の差、バイメタル式は温度差を利用して弁を開閉する。
• 2基以上のボイラーが同一の管系に連絡している場合は、一般に主蒸気弁の後に蒸気逆止め弁を設ける。
• 吹出しには、缶底の沈殿物を排出する間欠吹出しと、水面付近の水を少量ずつ排出する連続吹出しがある。

ひっかけ

• フロート式は温度調節式ではなく、ドレンの水位（浮力）で作動する機械式のトラップである。
• ディスク式は水位変化のみで作動するのではなく、蒸気とドレンの流速差（圧力差）を利用する。
• 仕切弁は蒸気がＹ字形に流れて抵抗が小さいのではなく、ほぼ直進して抵抗が小さい。Ｓ字形で抵抗が大きいのは玉形弁である。
• 吹出しは、最大負荷で燃焼を続けたまま行うのではなく、水位が安定し燃焼負荷が低いときに行う。

ボイラーの種類と構造（本試験2回分で5問）

水管・貫流・汽水分離

貫流・水管ボイラーの構造と特徴、水冷壁、汽水分離装置・沸水防止管の働きが問われる。

要点

• 貫流ボイラーは、給水が一連の長い管系を通る間に予熱・蒸発・過熱されて蒸気になる構造である。
• 貫流ボイラーは保有水量が少なく起動が早いが、給水が途絶えると短時間で管の焼損に至るおそれがある。
• 水管ボイラーは丸ボイラーより据付面積が小さく、保有水量が少ないので起動が早いが圧力変動は生じやすい。
• 水冷壁は燃焼室の周囲に配置した水管群で、放射熱を受ける放射伝熱面であり、炉壁の保護も兼ねる。
• 強制循環式水管ボイラーは、循環ポンプで水を循環させ、高圧で自然循環力が弱まる場合に採用される。
• ドラム内の汽水分離装置は、蒸気中の水滴を分離して蒸気の乾き度を高める。
• 沸水防止管は胴の蒸気出口の直下に置かれ、水滴の持出しを防いでキャリオーバをある程度抑制する。

ひっかけ

• 超臨界圧ボイラーでは、水は沸騰や二相状態を経ず、水から連続的に高温高圧の蒸気へ変わる。
• 熱伝達は固体壁の表面と流体の間の熱の移動であり、物体内部を熱が伝わる現象は熱伝導である。
• 汽水分離装置や沸水防止管は水滴を分離する装置であり、給水中の溶存気体・溶存酸素を除く装置ではない。
• 水管ボイラーは、丸ボイラーより据付面積が大きいのでも、圧力変動が生じにくいのでもない。
• 貫流ボイラーは、気水ドラムを備えて蒸気と水を分離する構造が一般的なのではなく、気水ドラムも水循環ももたない。

炉筒煙管・鋳鉄ボイラー

炉筒煙管ボイラーのウェットバック式・ドライバック式、燃焼ガスの流れ、鋳鉄製ボイラーの特徴が問われる。

要点

• ウェットバック式は、後部煙室を胴の内部に置いて周囲をボイラー水で囲み、れんが積みを要しない構造である。
• ドライバック式は、後部煙室がれんが積みなどで構成され、ボイラー水で囲まれない構造である。
• 戻り燃焼方式では、燃焼ガスは炉筒の前部から後部へ流れ、炉筒後部で反転して前方へ戻る。
• 燃焼ガスは炉筒内で燃焼した後、煙管群を通ってボイラー水に熱を伝えながら煙室へ流れる。
• 炉筒煙管ボイラーは保有水量が多く、水管ボイラーより蒸気使用量の変動による圧力変動が小さい。
• 加圧燃焼方式の燃焼室は、炉内圧力が大気圧より高くなるため、気密構造とする。
• 鋳鉄製の蒸気ボイラーは使用圧力0.1MPa以下に限られ、強度は低いが腐食には強い。

ひっかけ

• 煙室を胴の内部に置いて水で囲むのがウェットバック式、胴の外に出すのがドライバック式であり、入れ替えない。
• 炉筒煙管ボイラーは、水管ボイラーに比べて圧力変動が大きいのではなく、小さい。
• 加圧燃焼方式の燃焼室は、外部と自由に空気が出入りできる開放構造ではなく、気密構造である。
• 鋳鉄製ボイラーは、不同膨張による割れが生じにくいのではなく、鋼製ボイラーより生じやすい。
• 燃焼ガスは炉筒内だけで排出されるのではなく、炉筒の後に煙管群を通って煙室へ流れる。

水循環と安全低水面

丸ボイラーと水管ボイラーの水循環の違い、自然循環の仕組み、安全低水面の意味が問われる。

要点

• 丸ボイラーは伝熱面の多くがボイラー水中にあって対流が容易なため、特別な水循環の系路を構成する必要がない。
• 水管ボイラーは、水と気泡の混合体が上昇する管と、水が下降する管を区別して設けているものが多い。
• 自然循環の循環力は、下降管内の水と上昇管内の気水混合物との密度の差によって生じる。
• 熱負荷を増すと循環力は大きくなるが、循環量が増えるぶん流動抵抗も大きくなる。
• 水循環が良好なら伝熱面は水で十分に冷却され、伝熱面の温度は水温に近い値になる。
• 水循環が不良だと気泡が停滞し、伝熱面が焼損したり膨出したりする原因となる。
• 安全低水面は、これより水位が低下すると安全な運転が保てなくなる水位で、炉筒煙管ボイラーでは煙管と炉筒のうち高い方の最上部より一定の高さ上とする。

ひっかけ

• 炉筒ボイラーでは、炉筒を胴の中央に据えて動かさないのではなく、水循環を良くするため片側へずらしたものがある。
• 運転圧力が低いほど蒸気の比体積が大きいので、循環比は小さくではなく大きくとる。
• 水循環が良好なとき、伝熱面の温度が水温より著しく高くなるのではない。著しく高くなるのは循環不良のときである。
• 安全低水面は水管ボイラーだけに適用されるのではなく、丸ボイラーにも規定される。
• 丸ボイラーは、伝熱面の大部分が水中になく特別な水循環の系路を必要とするのではなく、対流が容易で不要である。

熱及び蒸気・ボイラー効率と燃料消費量の計算（本試験2回分で3問）

効率・燃料消費量の計算

ボイラー効率・燃料消費量・低発熱量・換算蒸発量の式と、その計算の取り違えやすい点が問われる。

要点

• ボイラー効率は、供給された熱量に対し、実際に蒸気の発生に使われた熱量の割合で表す。
• ボイラー効率＝実際蒸発量×（発生蒸気の比エンタルピ−給水の比エンタルピ）÷（燃料消費量×低発熱量）×100
• 燃料消費量＝蒸発量×（発生蒸気の比エンタルピ−給水の比エンタルピ）÷（ボイラー効率×低発熱量）
• 低発熱量＝蒸発量×（発生蒸気の比エンタルピ−給水の比エンタルピ）÷（ボイラー効率×燃料消費量）で、kJをMJに直して答える。
• 給水の比エンタルピは、水の比熱4.187kJ/(kg・K)に給水温度を掛けて求める。
• 換算蒸発量＝実際蒸発量×（発生蒸気の比エンタルピ−給水の比エンタルピ）÷2,257
• 効率の算定には低発熱量を用い、排ガス熱損失や放散熱損失が大きいほど効率は低下する。

ひっかけ

• 蒸気ボイラーの容量は、燃料の使用量ではなく、最大連続負荷での1時間の蒸発量で示す。
• 効率は、換算蒸発量に蒸気の比エンタルピをそのまま乗じるのではなく、比エンタルピ差を用いて求める。
• 給水の比エンタルピを引き忘れると、燃料消費量が約141kg/hとなり誤りである。
• 効率は分母側に置く。割り忘れると約38.1MJ/kg、掛けてしまうと約34.2MJ/kgとなり誤りである。
• 分子と分母を逆にすると効率が100%を超えるので誤りと分かる。

水と蒸気の性質

水と蒸気の性質では、沸騰中の水温、圧力と蒸発熱の関係、比エンタルピの式、臨界点の意味が問われる。

要点

• 飽和蒸気の比体積は圧力が高くなるほど小さく、比エンタルピはh＝u＋Pvで表し、給水の比エンタルピは給水温度に水の比熱4.187を掛けて求める。
• セルシウス温度は標準大気圧で氷点0℃と沸点100℃を100等分したもので、飽和蒸気の比エンタルピは飽和水の比エンタルピに蒸発熱を加えた値である。
• 臨界点は液相と気相の区別がなくなる限界点で、水では約22.1MPa・約374℃。臨界圧力以上で運転するボイラーは超臨界圧ボイラーという。

ひっかけ

• 飽和水の蒸発熱は圧力が高くなるほど大きく臨界圧力で最大になるのではなく、小さくなって臨界圧力でゼロになる。
• 水の温度は沸騰を始めてから全部が蒸気になるまで上昇し続けるのではなく、一定である。
• 臨界点を超える圧力では二相状態を経て気化するのではなく、二相状態を経ずに連続的に状態が変化する。

材料と強さ（本試験2回分で3問）

胴・鏡板・炉筒の強さ

胴・鏡板・炉筒の強さでは、板の最小厚さ、胴の応力の向き、鏡板の形と強さの順、穴の配置、炉筒の伸縮対策が問われる。

要点

• 構造規格では、胴・ドームの板は6ミリメートル以上（第8条）、ステーで支えられる板は8ミリメートル以上（第30条）、全半球形を除く鏡板は胴板の最小厚さ以上（第10条）、フランジを設ける炉筒・火室の板は8ミリメートル以上（第19条）とする。
• ステーボルトの両側の板に著しい温度差がなければ知らせ穴を省ける。けたステーは天井板に座屈が生じず、沈殿物がたまらない構造とする。
• 平鏡板は曲げ応力を生じやすく、大径のものや高圧を受けるものはステーで補強する。煙管を取り付ける鏡板は管板と呼ぶ。
• 皿形鏡板は球面殻・環状殻・円筒殻からなり、生じる応力はすみの丸みの部分で最大になる。
• 胴板には内圧で引張応力が生じ、最小厚さは応力が許容引張応力と等しくなる厚さに付け代を加えて決める。ころ広げの水管取付部の胴板は10ミリメートル以上とする。
• 胴・鏡板には人が入れるマンホールと掃除穴・検査穴を設け、だ円形のマンホールは短径を胴の長手方向に向けて配置する。
• コルゲート炉筒（波形炉筒）は、平形炉筒より熱による伸縮を吸収しやすく、伝熱面積が増え、外圧に対する強度も高い。

ひっかけ

• 胴の内圧では長手方向の応力が周方向の2倍ではなく、周方向の応力が長手方向のほぼ2倍である。
• 同じ材質・径・厚さで半だ円体形鏡板が全半球形より強いのではなく、全半球形、半だ円体形、皿形、平鏡板の順に強い。
• 皿形鏡板の応力は、すみの丸みの半径が大きいほど大きくなるのではなく、小さくなる。
• 平形炉筒の伸縮継手はねじ込みで取り付けるのではなく、多くは溶接で取り付ける。
• 知らせ穴を設けるのは長さ200ミリメートルを超えるステーボルトではなく、200ミリメートル以下のものである。

材料と許容応力

材料と許容応力では、許容引張応力の決め方、使用温度の考え方、材料ごとの制限、引張試験で現れる応力の順序が問われる。

要点

• 鋼製ボイラー材料の許容引張応力は、常温の引張強さの最小値の3.5分の1、降伏点又は0.2パーセント耐力の最小値の1.5分の1などのうち最小のもの。
• 炭素含有量0.35パーセント超の材料は溶接部に使えない。その他の鋳鋼品は鋳造係数0.67、その他の鋳鉄品は引張強さの10分の1を許容引張応力とする。
• 放射過熱器の伝熱面の使用温度は内部蒸気の最高温度に50度以上を加えた温度で、クリープ領域では1000時間に0.01パーセントのクリープを生ずる応力などの最小のものを採る。
• 低炭素鋼の引張試験では、比例限度、弾性限度、降伏点、引張強さ（最大応力）、破断強さの順に現れる。

ひっかけ

• 許容圧縮応力は許容引張応力の80パーセントではなく等しい値で、80パーセントとするのは許容せん断応力である。
• 伝熱面の使用温度は内部流体の最高温度から30度を減じた温度ではなく、30度を加えた温度である。
• 管材温度が600℃以上になる過熱器の管は、炭素鋼鋼管が標準ではなくステンレス鋼管を使う。

過熱器・エコノマイザ・空気予熱器・給水系統（本試験2回分で3問）

エコノマイザ・空気予熱器

エコノマイザと空気予熱器では、役割の違い、低温腐食の仕組みと対策、空気予熱器の方式と得失、配置の順序が問われる。

要点

• エコノマイザの管には炭素鋼鋼管が広く使われ、燃焼ガスの潜熱を回収する場合にはステンレス鋼管が使われる。
• 低温腐食の対策は、ドレンや復水の回収で給水温度を高める、給水や空気を入口側へ再循環させて伝熱面の表面温度を上げる、の二方向である。
• 低温腐食は、硫黄酸化物と水分による硫酸などで、伝熱面温度が露点以下になると起こる。燃料の硫黄分が多いほど大きい。
• ヒートパイプ式空気予熱器は、管内に減圧して封入したアンモニアや水などを高温側で蒸発、低温側で凝縮させて熱を運ぶ。
• 空気予熱器を設けると燃焼効率が上がり過剰空気量を減らせる一方、通風抵抗の増加で送風機動力が増え、窒素酸化物が増えることがある。
• 燃焼ガスの流れに沿って、ボイラー、過熱器、エコノマイザ、空気予熱器の順に配置されるのが一般的で、空気予熱器は下流側に置く。
• 空気予熱器は排ガスの余熱で燃焼用空気を予熱する装置で、燃焼効率の向上と燃料の節約につながり、排ガス温度は低下する。

ひっかけ

• エコノマイザは燃焼用空気を予熱する装置ではなく給水を予熱する装置であり、蒸気を過熱するのは過熱器である。
• コンパクトで単位容積当たりの伝熱量が大きいのは熱交換式ではなく再生式である。
• エコノマイザや空気予熱器の設置で設備費用が必ず減るのではなく、設備費用が新たに必要になる。
• 空気比を高くして露点を高くするのは低温腐食の対策にならず、露点を下げる低空気比燃焼のほうが有効である。

過熱器の形式と蒸気温度

過熱器では、過熱度の定義、放射形と対流形の違い、出口蒸気温度の制御と減温器の働きが問われる。

要点

• 過熱器は燃焼ガスの熱で乾き飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を作り、過熱蒸気は配管内での凝縮が少ない。
• 過熱度は過熱蒸気の温度と同じ圧力の飽和蒸気の温度との差で表し、起動時の凝縮水を排出するため過熱器にはドレン抜きを設ける。
• 出口蒸気温度が高くなりすぎると過熱器管や下流機器の損傷を招く。減温器（デスーパヒータ）は給水などを噴霧して蒸気温度を下げる。
• 過熱器出口の蒸気温度は、減温器や燃焼ガス量の加減などで適正な範囲に制御する。

ひっかけ

• 火炉の上部で放射伝熱を受けるのは放射形で、燃焼ガスの通路で接触伝熱を受けるのは対流形であり、両者を入れ替えない。
• 出口蒸気温度が低くても支障がないのではなく、湿りが増えてタービン翼の侵食や効率低下を招く。減温器は蒸気を冷ます装置である。

給水系統の装置

給水系統の装置では、脱気器・インゼクタ・ポンプの働きと取扱い、給水弁と逆止め弁の並べ方が問われる。

要点

• インゼクタは蒸気の噴射エネルギーで給水する装置で、給水加熱器は給水を加熱してボイラーへの熱衝撃を緩和する。
• 給水弁と給水逆止め弁を並べるときは、ボイラーに近い側に給水弁を、その外側のポンプ寄りに給水逆止め弁を置く。
• ディフューザポンプは遠心力で水に圧力を与え、停止時は吐出し弁を徐々に閉じてから電動機を止める。運転前に空気を十分に抜く。
• 給水ポンプにはディフューザポンプなどの遠心ポンプが用いられ、給水弁や給水ポンプの制御は給水量の調節に直接関与する。

ひっかけ

• 脱気器は給水ポンプの吐出し側ではなく、吸込み側に設ける。
• ディフューザポンプは吐出し弁を全開にして起動するのではなく、電動機の過電流を避けるため吐出し弁を全閉とした状態で起動する。
• 給水弁と給水逆止め弁は、ボイラー又はエコノマイザの出口近くではなく入口近くに設ける。

ほかのページ

関連ページ

→ 論点テキストの目次
← 二級ボイラー技士試験とは？（出題科目・合格基準・受験資格・免許交付）
← 一級ボイラー技士試験とは？（受験資格・4時間・公表80問の型）
← ボイラー技士 用語集
← 公表試験問題の入手先と注意点

作り方について

この読み物は、アプリ「ボイラーウカール」の収録問題の設問・正しい記述・解説をもとに、アプリ製薬が論点ごとに整理したものです。協会の公表試験問題や市販テキストの転載ではありません。問題文・選択肢は載せていません。 科目の見出しにある「本試験◯回分で◯問」は、公益財団法人 安全衛生技術試験協会が公表している試験問題（公表試験問題のページ）を、アプリ製薬が論点ブロックごとに数えた問数です。