今回は令和5年度上期 電力科目 A問題3を解説します。火力発電所で、ボイラから煙道に出ていく燃焼ガスの余熱を回収する2つの装置の名称と、それぞれが何を温めるのかを問う空欄補充問題です。
覚えることは1組だけ。節炭器＝給水を温める、空気予熱器＝燃焼用空気を温める。どちらも捨てるはずだった排ガスの熱を回収してボイラ効率を上げる装置です。
令和5年度上期 電力科目 A問題3：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和5年度上期 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題3
電験3種 電力科目 【火力】 令和5年度上期 A問題3
次の文章は、火力発電所に関する記述である。火力発電所において、ボイラから煙道に出ていく燃焼ガスの余熱を回収するために、煙道に多数の管を配置し、これにボイラへの(ア)を通過させて加熱する装置が(イ)である。同じく煙道に出ていく燃焼ガスの余熱をボイラへの(ウ)空気に回収する装置が、(エ)である。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (1) 給水 再熱器 燃焼用 過熱器 (2) 蒸気 節炭器 加熱用 過熱器 (3) 給水 節炭器 加熱用 過熱器 (4) 蒸気 再熱器 燃焼用 空気予熱器 (5) 給水 節炭器 燃焼用 空気予熱器
出題のポイント：煙道の余熱を2つの装置で回収する
ボイラを出た高温の煙道ガスには、まだ利用できる熱が残っています。節炭器はその熱で給水を、空気予熱器は燃焼用空気を加熱します。加熱対象と煙道上の配置を対応させ、4つの空欄を選択肢と照合します。
煙道の余熱を2つの装置が回収する
ボイラから出ていく燃焼ガスは、まだ熱を持っています——そのまま捨てては効率が落ちるのです。
| 装置 | 温める相手 | 熱源 |
| ★節炭器（エコノマイザ） | ★ボイラへの給水 | ★煙道の燃焼ガス |
| ★空気予熱器 | ★ボイラへの燃焼用空気 | ★煙道の燃焼ガス |
節炭器は水を温め、空気予熱器は空気を温める——相手が違うだけで、やっていることは同じです。
どちらも「捨てる熱を拾い直す」装置——名前に「炭を節約する」と入っているのがその証拠でしょう。
煙道ガス・給水・燃焼用空気の流れ
過熱器・再熱器・節炭器・空気予熱器——置かれる場所と相手で区別します。
| 装置 | 温める相手 | 置かれる場所 |
| ★過熱器 | ★ボイラで作った飽和蒸気 | ★火炉に近い高温部 |
| ★再熱器 | ★高圧タービンを出た蒸気 | 過熱器の後ろ |
| ★節炭器 | ★給水（水） | ★煙道（低温側） |
| ★空気予熱器 | ★燃焼用空気 | ★煙道の最も出口寄り |
過熱器と再熱器は「蒸気」を扱う——だから高温が必要で、火炉に近い場所に置かれます。
節炭器と空気予熱器は「水」と「空気」を扱う——低い温度でよいので、煙道の出口寄りで足ります。
ガスが流れる順番
| 順 | 通る装置 | ガスの温度 |
| ① | 火炉（燃焼） | 約1,500 ℃ |
| ② | ★過熱器・再熱器 | 高温 |
| ③ | ★節炭器 | 中温 |
| ④ | ★空気予熱器 | 低温 |
| ⑤ | 煙突へ | ★150 ℃ 程度まで下がる |
温度の高い順に、高い熱を必要とする装置を並べる——合理的な配置です。
最後の空気予熱器を出るころには150 ℃ 程度——これ以上下げると、硫酸が結露して低温腐食を起こすため下げすぎないようにしているのです。
⚠️ よくある間違い
(イ)を「再熱器」としてしまう——選択肢(1)(4)がそれです。
再熱器が温めるのは蒸気——問題文の(ア)が「ボイラへの〜」ですから、ボイラに入る前のもの＝給水になります。
(エ)を「過熱器」としてしまう——選択肢(2)(3)。過熱器は空気ではなく蒸気を温めます。(ウ)が「空気」と明示されているので合いません。
(ア)を「蒸気」としてしまう——選択肢(2)(4)。「ボイラへの」蒸気は存在しません——蒸気はボイラから出ていくものです。
⏱️ 本番での進め方
①★節炭器＝給水を温める。空気予熱器＝燃焼用空気を温める。
②「ボイラへの」と書いてあれば、入っていくもの（水・空気）。
③過熱器・再熱器は蒸気が相手。火炉に近い。
④★煙道の順序は 過熱器→節炭器→空気予熱器。
💡 覚え方
「節炭器は水、空気予熱器は空気」——名前がそのまま相手を表しています。どちらも煙道で余熱を拾う装置——過熱器・再熱器（蒸気が相手）とは働く場所が違います。
節炭器と空気予熱器が効率を上げる理由
煙突から出ていく熱は、そのままでは捨てられるだけ——拾い直せば燃料が減ります。
| 装置 | 効果 |
| ★節炭器 | ★給水を温めておけば、ボイラで加える熱が減る |
| ★空気予熱器 | ★空気を温めておけば、燃焼が安定し効率が上がる |
冷たい水をボイラに入れれば、そのぶん多く燃やす必要があります——あらかじめ温めておけば、燃料を節約できるのです。
燃焼用空気も同じ——冷たい空気を吹き込めば火炉の温度が下がるので、温めてから送ることになります。
この2つがあることで、ボイラ効率は90 ％ 前後まで上がります——なければ80 ％ 台に落ちると言われます。
空気予熱器の形式
| 形式 | 仕組み | 特徴 |
| ★再生式（回転式） | ★蓄熱体が回転してガスと空気の間を行き来する | ★小型で伝熱量が大きい。主流 |
| 伝熱式（管式） | 管の内外をガスと空気が流れる | 漏れが少ないが大きくなる |
再生式はリュンクストローム式とも呼ばれます——回転する円板が熱を運ぶという発想です。
ガス側と空気側が同じ蓄熱体を通るので、わずかに漏れが生じる——それでも小型化の利点が勝るため広く使われています。
節炭器と空気予熱器を選択肢(5)と照合する
4つの空欄がありますが、2つで確定します。
| 確定させる欄 | 正しい語 | 残る選択肢 |
| (ア) | 給水 | ★(1)(3)(5) |
| (ウ) | 燃焼用 | ★(1)(5) |
| (イ) | 節炭器 | ★(5)に確定 |
(ア)は「ボイラへの〜」——ボイラに入っていくのは水です。蒸気は出ていくものですから給水。これで2つ落ちます。
(ウ)は「ボイラへの(ウ)空気」——燃焼用空気。「加熱用空気」という語は一般的でありません。
最後に(イ)——給水を温めるのは節炭器。再熱器は蒸気が相手ですから(1)が落ちて確定します。
ボイラ本体と付属設備
| 区分 | 設備 | 役割 |
| 本体 | 火炉・水冷壁・ドラム | 燃焼させて蒸気を作る |
| ★蒸気を扱う付属設備 | ★過熱器・再熱器 | ★蒸気の温度を上げる |
| ★余熱を回収する設備 | ★節炭器・空気予熱器 | ★煙道の熱を拾う |
| その他 | 通風機・集じん器・脱硫装置 | 空気とガスの処理 |
「蒸気を扱うか、余熱を拾うか」で2つに分けると整理しやすい——本問が問うているのは後者です。
火力発電所の熱の流れ
燃料の熱が、どこでどう使われるかを追ってみましょう。
| 段階 | 装置 | 起きること |
| ① | 火炉 | 燃料を燃やして高温のガスを作る |
| ② | 水冷壁 | ★火炉の壁で水を蒸発させる |
| ③ | ★過熱器 | ★飽和蒸気をさらに加熱する |
| ④ | 高圧タービン | 蒸気が仕事をする |
| ⑤ | ★再熱器 | ★仕事を終えた蒸気を温め直す |
| ⑥ | 中圧・低圧タービン | もう一度仕事をする |
| ⑦ | 復水器 | 蒸気を水に戻す |
| ⑧ | ★節炭器 | ★戻った水を煙道の熱で温める |
水は⑧→②と循環しています——節炭器は、その入口で最後のひと押しをする装置です。
燃焼ガスは①→③→⑧→空気予熱器→煙突——水とガスが逆向きに流れて熱を交換していることになります。
向流にする理由
熱交換器では、2つの流体を逆向きに流すのが基本——向流（対向流）と呼ばれます。
同じ向きに流すと、出口で温度が近づいて熱が移らなくなります——逆向きなら、どこでも温度差が保たれるのです。
だからガスの流れと水の流れが逆になるよう配置されている——節炭器も空気予熱器も同じ考え方です。
節炭器の位置に制約がある理由
節炭器を煙道のもっと上流（高温側）に置けば、より多くの熱を回収できそうに思えます——ところがそうはいきません。
給水が沸騰してしまうと、管の中で蒸気と水が混じって流れが乱れます——局所的に過熱して管を傷めるのです。
だから節炭器の出口温度は、飽和温度より低く抑えられます——置ける場所はおのずと決まってくることになります。
その先の低温側に空気予熱器を置く——空気なら沸騰の心配がないので、より低い温度域まで使えるのです。
まとめ
| (ア) | 煙道の管に通すのはボイラへの給水 |
| (イ) | 給水を排ガスの余熱で温める装置＝節炭器 |
| (ウ) | 余熱を回収する相手は燃焼用空気 |
| (エ) | 燃焼用空気を温める装置＝空気予熱器 |
| 答え | (5) |
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