過熱蒸気噴出孔の攻略過程の紹介
過熱蒸気噴出孔の利用の記事です。ここでは完成系のそのままポンと紹介するのではなく、目的を達成するまでの過程を重視して紹介していこうと思います。
（※動作保証はなく、あくまでも考え方の紹介です）
＜背景＞
過熱蒸気噴出孔とは500℃の蒸気を噴出する間欠泉。500℃という高熱に加え、噴出する物質は蒸気なので熱容量も4.179と大きく、間欠泉の中でもトップクラスに大きい熱量を持っています。蒸気タービンで上手く飼いならすことが出来れば電力源として優秀であり、熱を使い切った後も水としても利用できるので至れり尽くせりなあったら嬉しい間欠泉です。
しかしながら噴出する蒸気の温度が高いことから、安易に利用しようとすると設備のオーバーヒート間違いなし。丁寧なアプローチが必要です。
＜目的＞
目的としては蒸気タービンで蒸気の熱を電力に変えたい！非常に単純かつ明確。
＜実行＞
まずはともかくそのまま蒸気タービンで吸ってみましょう。とりあえず試してそこから改善点を考えていきます。
＜結果・評価＞
べらぼーに発電してますね！(歓喜)
そしてべらぼーに発熱していますね！(困惑)(動悸)(眩暈)
発熱が大きい設備である石油発電機でも20kDTU/sですからとんでもないことになっていることが分かります。
どんな状況になっているか、蒸気タービンの仕様を見てみましょう。
蒸気タービンは蒸気を95℃の水に変え、その時に奪った熱量に比例した電力を生み出し、奪った熱量の1/10が蒸気タービンの発熱に加わります。
発電量(W)＝85/21,000*M*(T-95)
蒸気→水の変換で減る熱量(DTU/s)=4.179*M*(T-95)
（M:吸気水蒸気質量(g/s) T:吸気水蒸気温度(℃)
数式が苦手な人にはチンプンカンプンかもしれませんが、要約すると「発電量は吸った蒸気が多いほど、そして吸った蒸気の温度が高いほど発電する」ことが示されています。
そしてこの発電量には上限があります。上限は850W。この発電量の上限を超えた場合、本来発電できるはずだった電力は発電されずに消滅してしまいます。非常にもったいない。
そして発熱量なんですが、これは発電量に比例しての発熱ではありません。蒸気を水に変換したときに奪った熱に比例します。そのため、電力を十分得られないのに、冷却はやたらと必要になってしまう状況になります。
纏めますと、そのまま過熱蒸気噴出孔の蒸気を吸うと発電効率がすこぶる悪いことが分かりました。
＜改善点・次の目的＞
何とかして無駄が発電と排熱がなくなるような発電を目指したいと思います。それには「蒸気タービンの発電上限を超えないような仕組み」を取り入れることが課題となります。
＜実行＞
蒸気タービンの発電量の上限を超えないようにするには蒸気を冷却する必要があります。外部から直接蒸気を冷たいものを持ってきて冷やすのも手ですが、今回は蒸気タービンの95℃の排水を利用して蒸気を冷やすことにします。
蒸気タービンで熱い蒸気を吸って排水をボイラー室に戻せば、蒸気タービンでの熱破壊分だけ冷却できることになります。
まずはどの程度まで冷やす必要があるかを考えてみます。
発電量の算出式：「発電量(W)＝85/21,000*M*(T-95)」
（M:吸気水蒸気質量=吸気口x400)(g/s) T:吸気水蒸気温度(℃)）
発電量に上限850Wを代入して吸気口の数ごとの温度を計算したものが下記表。
| 吸気口 | 最大出力に達する温度(℃) | 吸気質量(g/s) |
| 5 | 200 | 2000 |
| 4 | 227 | 1600 |
| 3 | 270 | 1200 |
| 2 | 358 | 800 |
(吸気口1つの場合は吸気量が不十分な為、十分な発電できないので省略）
吸気口の数が少ないほど高い温度まで扱えることが分かりました。
蒸気の温度に合わせて吸気口の数を可変出来れば様々な温度に対応できることになります。しかし蒸気タービンにそんな便利な変形機能はついていないので機械式ドアを使います。温度センサーを機械式ドアに繋いで開閉の制御をすることで疑似的に吸気口の数を変更できます。
＜結果・評価＞
動かしてみて機械式ドアがガチャガチャ動いたところを適当にストップして状況をみてみます。このときの蒸気の温度は247℃でした。通常の吸気口5つの状態では発電量の上限である200℃を超えてしまいますが、温度センサーによる機械式ドアの制御により吸気口が2つ閉められている状態なので270℃まで対応できる状態になっています。ヨシ！蒸気タービンの状態はというと
850Wを超えておらず無駄な発電は発生しておらず制御出来ているといえるでしょう。ヨシ！
しかし別の問題が出てきます。間欠泉が全然動いておりません。
蒸気の圧力は6.3kg。間欠泉の圧力限界である5kgを超えている状態になってしまいました。それもそのはず。蒸気タービンは熱を奪うだけなので蒸気の質量は変わりません。そのまま排水をボイラー室に戻していると間欠泉の噴出する蒸気と合わせどんどんボイラー室の圧力が上がっていってしまうわけです。
金属火山などを冷却する場合には熱を奪うだけで良いのでそのまま排水をボイラー室へ戻すだけでよかったのですが過熱蒸気噴出孔では同様にいかないということですね。
＜改善点・次の目的＞
持続的に蒸気を外へ排出し、間欠泉の圧力超過を回避する必要があることが分かりました。
蒸気タービンの排水を全部外部へ排出するとボイラー室の冷却が出来ず、排水を全部ボイラー室へ戻すと圧力超過になってしまう。そのため排水の一部はボイラー室へ、一部は外部へ排水を行うという制御を組み込みます。
＜実行＞
蒸気タービンの排水をどの程度ボイラー室へ戻すか、どの程度外部へ排出するかのバランスをいきなり考えることが出来ません。まずは蒸気タービンを２つにしてしまいます。そして1台の排水はボイラー室へ、もう1台の排水は外部へ排出してみることにします。ボイラー室と外部の割合が１：１です。
＜結果・評価＞
間欠泉がずっと止まり続けるという状態はなくなりました！一歩前進です。
しかし、噴出している期間の後の方では圧力超過になってしまいました。これでは十分な蒸気が得られません。
また、間欠泉が待機状態の時には蒸気が不足して、蒸気タービンが満足に動いていませんでした(蒸気タービンが満足に稼働するには蒸気が１マスあたり400g/s必要)。
その結果、間欠泉が待機状態のときに十分に冷却が出来ません。活動期になるたびにボイラー室はどんどん加熱されていく一方です。
課題が一気に増えてきました。
＜改善点・次の目的＞
「圧力超過が断続的に発生してしまう」ことに対しては、出す量より吸う量が多ければ良いわけですから蒸気タービンの数を増やして吸引力を上げれば解決できそうです。
「間欠泉が待機状態の時に蒸気が不足して冷却できなくなってしまう」ことに対しては「ボイラー室の蒸気が減ってきたら外部へ送っている排水もボイラー室へ送る」という切り替えの制御を組み込めば良さそうです。蒸気タービンは熱を奪うだけなので蒸気の質量は変わらないですからね。
また、圧力と温度がなるべく均一になるように配置も少し考慮したいと思います。
＜実行＞
タービンを4台に増設。倍の吸引力です。蒸気タービンは1台当たり最大で400 x 5=2kg/sの蒸気を吸えるので最大で8kg/sを吸い出せるようになりました。今回の間欠泉の噴出量は約3kg/s。なんだかいけそうな気がします。(感覚的な発言)
加えて蒸気タービンの排水に液体遮断機を設置、さらにボイラー室へ気圧センサーを設置し、ボイラー室の気圧が3kg以下であれば排水をボイラー室へ送るという制御を入れました。
それぞれの配置は熱源である間欠泉は中央に、排水溝はバランスよく冷却できるよう左右に。機械式ドアも端から閉じる形にして蒸気の気流を妨げないような形を目指します。
＜結果・評価＞
圧力超過を回避することが出来ました。最大限の蒸気を得られていることになります。
また間欠泉が待機状態のときには蒸気の温度は125℃まで下がり、十分に冷却も間に合っています。
また、蒸気タービンの排熱は外付けの液体クーラーで行っていますが、こちらも間欠泉が待機状態のときには蒸気の温度は125℃まで下がり、冷却は間に合いました。
最大限の蒸気を得つつ、熱量に対して無駄な電力と排熱が発生していない発電を持続的な運用が可能な状態になったといえます。
冷却に液体クーラーを使用しているもののトータルでは電力は大きな黒字です。チューニングすればそりゃもうウハウハです。
＜改善点・次の目的＞
とりあえず今回のような噴出量が約3kg/s程度の間欠泉であれば最大限の蒸気を得つつ無駄に損失させることなく発電できるようになりました。噴出量が多い間欠泉の場合はまた別の対策が必要そうですがこれはもう少し後回しにします。
現状は間欠泉から蒸気が噴出され次第蒸気タービンが稼働しています。熱量に対してこそ無駄な発電はしていませんが、消費する電力がなければ発電自体が無駄になってしまいます。電力源として用いるのであればコロニーで電力が必要な時に発電し、不必要なときには発電を止めて必要な分だけ逐次発電を行いたいところです。
ーーーこの辺りから仕組みが複雑になっていきますーーー
逐次発電にするためにはスマートバッテリーからの自動化信号を発電機につなぐのがポピュラーなやり方です。しかしそれを行うとどうなるか。
バッテリーの充電が必要ないときには当然蒸気タービンを動かさないので、ボイラー室の蒸気は高まる一方。圧力超過が発生し、最大限の蒸気を得られなくなってしまいます。発電こそしていないだけで、熱を捨てているので実質的に電力をロスしている状態。
解決するには天然ガス発電などと同様に資源を一時的に別スペースへ移してそれを逐次取り出すような構成にすれば解決です。
というわけで吸気ポンプをPON！
吹き出す蒸気は500℃。275℃まで対応できる鋼鉄製の吸気ポンプでもオーバーヒートしてしまいます。
これを仮に宇宙素材のニオブやテルミウムを使用してオーバーヒートを回避したとすると・・・
吸気ポンプの吸気量は500g/s。一般的な間欠泉の噴出量は2～4kg/sなので吸気ポンプの数がアホみたいなことになります。仮に3.5kgの間欠泉があったとして吸気ポンプを７台配置するとそれだけで電力は240x7=1680Wが必要です。恐ろしく効率の悪い発電になってしまいます。というより赤字になりそうです。
というわけで無電力または非常に小さい電力で気体を移動させたいところ。
今回は無電力で気体を移動させるドアポンプを用いてみます。
(ドアポンプの詳細はredditの「4 Door Efficient Compressor / Pump」の記事を参照）
とりあえず試してみたところ、無電力で別の場所へ移動させること自体は出来るのですが、圧力超過が発生してしまいました。輸送量が足りない・・・。
輸送量を増やすには・・・単純にドアポンプの枚数を増設すればヨシ！(脳筋)
輸送量はあがりましたがそれでもまだ足りない！
そして増設を繰り返していくうちにようやく圧力回避を実現できた構成が下記です。
規模がかなり大きくなってきています。ドアポンプのタイミングを上手く調整して輸送量を増やせばドアの数は減らせるとは思うんですが、とりあえずOKです。まずは機能の実現が第一。これでひとまず間欠泉から別空間に蒸気を移動できるようになりました。
続いてはこの取り出した蒸気を発電用のボイラー室へ移す形にします。仮のボイラー室を上部に設置して機械式ドアで開閉をさせて蒸気の流れをコントロールをします。
単純に機械式ドアを設置してみたところ蒸気の流れはコントロールは出来るのですが、熱の流れはコントロールできていませんでした。駄々洩れです。
熱の遮断といえば真空。機械式ドアを3枚用意して真空を作れる環境にします。
注意点としては3枚のドアを同時に閉めてしまうと一部の蒸気が逃げ場を失い消失してしまいます。そのため機械式ドアが順次閉まるドアポンプの構成にします。
今回は先ほどのドアポンプの制御と異なり常時動かすものではないので、動作をループさせる必要はありません。気圧センサーの信号を始動に機械式ドアの制御をします。
文字や静止画だけだと分かりにくいですね。。。実際に動かしてみるとそこまで複雑ではないのですが一連の動作の流れとしては下記になります。
①ボイラー室に蒸気が足りなくなってきたら気圧センサーがON
②機械式ドアが全部開いて蒸気がボイラー室へ流入
③ボイラー室に蒸気が十分満ちてきたら気圧センサーがOFF
④③から1秒後に一番下のドアが閉じる
⑤③から2秒後に真ん中のドアが閉じる
⑥③から3秒後に一番上のドアが閉じる
⑦③から6秒後に万課のドアを開ける
ボイラー室への蒸気の流入の準備が出来たので、ここでようやく発電関係の設備を設置していきます。
常時発電の時とほぼ同じ構成です。蒸気タービンは発電用2台と冷却の液体クーラー用に1台。異なる部分は蒸気タービンの排水の切り替えのトリガーです。常時発電の時には間欠泉の圧力超過を防ぐために気圧センサーで3kg未満であればボイラー室へ復水を戻していました。現在は圧力超過は起こらない仕組みになっているので、気圧で制御する必要はなく、温度センサーにより温度で制御できるようにしています。これにより
①ボイラー室の温度が既定の値に下がるまで蒸気タービンの復水をボイラー室へ戻して冷却
②ボイラー室が既定の値まで下がったら蒸気タービンの復水は外部へ排出
③蒸気が排出されていくとボイラー室の気圧が下がるので、一定の気圧以下になったら気圧センサーで新しい蒸気を取り込む
という動きになります。
これで電力が必要なときだけ蒸気タービンを動かし、止めている間も問題ない逐次発電が可能な形となり、とりあえずの目的は達成です。
あとは機能の効率化・安定化に視点を向けて、改善を重ねます。とりあえずの目先は下記3点。
①液体クーラーをボイラー室へ入れることにより蒸気タービンを3台とも発電体制にして時間あたりの発電量を上げる
→そのまま
②熱の偏りを減らして設備の安定を図る
→ボイラー室に石油をル－プように輻射パイプを這わせる＋石油を撒く
③チューニングに対応
→蒸気タービン脇に電力制御端末を設置し、ボイラー室に気圧センサーを設置してボイラー室の気圧が(10kg以下)は電力制御端末を無効化し余計なチューニングを防ぐ＋チューニング時の作業速度を上げるために明りを付ける
④後で改修できるように液体ロック
→最大500℃を想定して耐えられるようにナフサ＋石油で液体ロック
補足：間欠泉の休眠期に電力制御端末で無駄にチューニングしないようにボイラー内の気圧センサーでボイラー室の気圧を監視して制御をするのですが、ここでは蒸気タービンにも同じ信号を接続しています。ボイラー室内の蒸気を限界まで吸ってしまうと次の蒸気を流入したタイミングで一気に温度が上がってしまいます。蒸気が幾分か残っていればその分ボイラー室内の熱容量が大きくなり、温度変化も緩やかになるため蒸気を吸いきらないように蒸気タービンも停止させています。
これでだいぶ環境は整ってきました。自動化もごちゃごちゃしてきました。あとは様々な場面を想定して、機能不全にならないようにする必要があります。
想定：しばらく電力が必要なく、蒸気が非常に高圧になっている場合
蒸気タービンをずっと止めている間も、間欠泉が動いている限り下のドアポンプはせっせと蒸気をため込んでいきます。ドアポンプは気圧の制限が無いため、気づけば１マス1000kgもの蒸気なんてことも起こるかもしれません。そしてさぁ発電だ！とボイラー室へ蒸気を取り込もうとすると一気に大量の蒸気が流入してきてしまいます。
現状の構成だと機械式ドアが開いてから気圧センサーの元まで蒸気が来るまで少し距離があり、その間はドアは開きっぱなしです。これを最小限の開閉にする仕組みを入れボイラー室が過度に過熱するを防ぎます。
気圧センサーと機械式ドアとの間にメモリスイッチとフィルターゲートを挟むことで実現できます。
①気圧が15kg以下になり気圧センサーON → メモリスイッチのリセットポートがOFFの状態で入力ポートがONになるのでメモリスイッチからの出力がONになる。
②気圧センサーがONになってから指定時間後、フィルターゲートがメモリスイッチのリセットポートをON→メモリスイッチからの出力ががOFFになる
③蒸気が流入され気圧センサーがOFF→フィルターゲートの出力もOFF、メモリスイッチのリセットポートがOFFになり状態がリセットされる
フィルターゲートの時間を3.1sにしているのは無通電の機械式ドアの開閉時間が3sのためです。そのため設定時間-3sがドアの空いている時間になります。よっぽど極端に気圧差がないときは4sに設定するのが良いと思います(適当)
（参考までに隔離部屋の蒸気が1000kg/タイルの状態で1sのドア開放だとボイラー室は10kg/タイル190℃の状態から320℃前後まで上がりましたが蒸気タービンは2口での吸気の時、358℃まで扱えるので問題ありませんでした）
想定：休眠期→活動期の境目
これを組み込んでしばらくヨシヨシと眺めていたところよろしくない事態が起こりました。下記状態で硬直します。これでは休眠期→活動期へ切り替わっても動き出せません。
ガンガン発電していき隔離部屋の蒸気を取り込んでいった結果、隔離部屋の気圧がボイラー室に近い30kg前後になってきたころでしょうか。気圧センサーはボイラー室の気圧が下がってきたので次の蒸気を取り込むためONの信号を出し、機械式ドアを開けて蒸気を流入！しかし気圧差が少ないため、蒸気の流入量も少なくなり気圧センサーの信号がONからOFFに切り替わらないという現象が発生しました。OFFに切り替わる動作がないとフィルターゲートはそのままONのままになったままなので、メモリスイッチの出力はOFFになったまま。気圧センサーは新しい蒸気を取り込むためにON信号を儚く出し続けますがフィルターゲートによってそれは阻まれドアは閉じたまま動かないという状態になってしまったです。
これを解決するために定期的にフィルターゲートにOFF信号を割り込む仕組みを入れます。気圧センサーとフィルターゲートの間にタイマーセンサーとANDゲートを入れます。
上記のような設定のサイクルセンサーをANDゲートを介してフィルターゲートに接続することにより気圧センサーのON信号を邪魔せずサイクルセンサーのOFF信号を割り込ませることが出来ます。
グリーン期間が短いほどリセットのサイクルが短くなります。どれくらいの間隔でリセットをさせればよいかなのですが、そもそもリセットを入れないといけない状態というのは隔離部屋の蒸気がなくなってきたとき＝間欠泉が休眠期に入って蒸気が隔離部屋に少ない状態です。そのため頻繁にリセットをする必要はありません（いくらリセットをしてドアを開け閉めさせても流入する蒸気がない）。休眠期から活動期に切り替わり、十分に蒸気があるような状態になったときに再び動き出させる仕組みです。そのためリセット間隔は長い方が良いと考えます。
何はともあれこれで硬直状態をなくすことが出来ました。
想定：活動期と休眠期の境目
休眠期には蒸気タービンと電力制御端末を止める仕組みを入れていますが、休眠期への切り替え時には監視用の気圧センサーの閾値付近を行ったり来たりするため、動いたり動かなかったりと望ましくない動きをします。休眠期に入ったらなるべくピタッと止まってほしいです。メモリスッチを使ってこれを防ぐ仕組みを入れます。
気圧が18kg以上で動作開始→気圧が10kg以下になると停止→再び18kgになるまでは停止し、18kgを超えたら動作開始という動作になります。活動期・休眠期と蒸気タービンの動作状態を完全ににリンクさせるまでは至りませんが、概ねリンクさせることができました。
これで電力の使用状況に応じて逐次発電をしつつ、活動期→休眠期、休眠期→活動期、長期間の未使用状態からの稼働開始時についてカバーできるようになったと思います。この記事での現状の構成はこちら
そんなところでまだまだ改善の余地はありますが、長くなって来たので今回はここまでにしたいと思います。まだこのゲームに慣れていない人はどのように間欠泉を攻略していくか考えていく順序分からなかったり、設備の使用例を調べてみてもいきなり完成系を見ると何が何やら分からないという状況になることもあると思いますが、１つ１つを見ていけば理解できることもあるかと思い今回の記事を作成しました。一応細かく目的と状況と対策を順を追って書いたつもりですが、特に後半は一足飛びになっている部分があり分かり辛い部分があったらすみません。扱いづらい間欠泉を攻略できると非常に達成感があるのでまだまだよく分からないという人は色々試行錯誤して間欠泉を飼いならすことが出来るようになることを願っております。
＜改善案＞試してみてネ！
・稼働開始時にスムーズに安定期に入るまでの構築の順番や仕組み
・設備がでかすぎるので省スペース化
・温度をなるべく均一にするために蒸気の流入口を変えてみる
・間欠泉の圧力回避の方法をドアポンプではなくガスエレベータや斜めポンプを使ってみる
・蒸気の流れをスムーズにするためにボイラー室のサイズを変更
・節電するために蒸気タービンの冷却を液体クーラーを使わずに自己冷却の形にしてみる
などなど。
