ボイラーの自動制御装置（2要素・3要素制御・PID制御）

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ボイラーの自動制御装置は、蒸気圧力・水位・温度などをセンサーで計測し、燃焼量・給水量を自動的に調節する装置です。一級ボイラー技士試験では2要素・3要素制御とPID制御が重点テーマです。

自動制御の基本概念

ボイラー自動制御の目的は、負荷変動にかかわらず蒸気圧力や水位を設定値に維持し、安全かつ効率的に運転することです。制御要素には蒸気圧力・缶水位・蒸気温度・空気比などがあります。

現在の状態（計測値）と目標値（設定値）の偏差を検出し、偏差をゼロに近づけるよう操作量を調整する閉ループ制御です。ボイラー自動制御の基本はフィードバック制御です。

ドラムボイラーで最も重要な制御の一つが水位制御です。水位が低下しすぎると過熱損傷・低水位事故になり、高くなりすぎるとプライミング（水の気化搬出）や蒸気の品質低下を招きます。

水位（1つの要素）のみを検出して給水弁を操作します。構造が単純ですが、スウェリング（後述）の影響を受けやすく、制御精度が低い。小型・低圧ボイラーに使われます。

水位と蒸気流量（2つの要素）を検出します。蒸気流量を前向き信号（フィードフォワード）として使い、負荷変化に先んじて給水量を増減できるため、1要素より制御精度が高くなります。

水位・蒸気流量・給水流量（3つの要素）をすべて検出します。給水流量も制御ループに組み込むことで、給水圧力変動の影響も補償でき、大型・高圧ボイラーで最も精度の高い水位制御を実現します。

スウェリングとは、ボイラー負荷が急増したときに蒸気発生量が急増し、缶水中の蒸気泡が増加して見かけ上の水位が上昇する現象です。

蒸気圧力を設定値に維持するため、燃焼量（燃料流量・空気流量・バーナー段数）を自動調整します。

PID制御は現代のボイラー制御で最も広く使われる制御アルゴリズムです。

燃焼排ガス中のO₂やCO₂濃度を分析し、燃料流量に対して最適な空気量を自動供給する制御です。空気比を適正範囲（重油：1.1〜1.3程度）に維持することで、不完全燃焼と過剰空気による熱損失を防ぎます。

過熱蒸気の温度は、過熱器出口での温度を計測し、減温器（デスーパーヒーター）への噴水量を調整して制御します。温度が高すぎると過熱器管の過熱損傷、低すぎるとタービン効率の低下につながります。

自動制御には制御系だけでなく、異常時の緊急保護動作（インターロック）も含まれます。

出典：ボイラー及び圧力容器安全規則・ボイラー構造規格・JIS B 8223・安全衛生技術試験協会公表試験問題
作成：fufumumu_design｜更新：2026年11月

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