電検三種攻略ブログ

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火力発電所

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蒸気エネルギー

汽力発電所

汽力発電

火力発電とは、石油や石炭などの燃料を燃やして得られる熱エネルギーによって発電する方式です。
とくに、熱によって発生させた蒸気でタービンを回転させ、その機械エネルギーで発電する方式を「汽力発電」と呼びます。

汽力発電所の蒸気サイクル

ランキンサイクル

汽力発電所内を循環する水と蒸気の流れは次の通りです。

①水が給水ポンプによってボイラへ送られる
②水はボイラ内の蒸発菅を通り熱せられ蒸気(飽和蒸気)となる。この蒸気は加熱器でさらに加熱され、加熱蒸気となる
③加熱蒸気がタービンを回転
④その後の蒸気は復水器によって水に戻り、給水ポンプへ送られる

上記が汽力発電所の基本的な水と蒸気のサイクルであり、「ランキンサイクル」と呼ばれます。

蒸気の状態変化

気体の体積は圧力に反比例し、絶対温度に比例する。水や蒸気は体積、圧力、温度のどれかを一定に保つように、次のように状態を変化させる事ができる。

○等積変化:体積を一定に保ち、温度や圧力を変化させる
○等温変化:温度を一定に保ち、体積や圧力を変化させる
○等圧変化:圧力を一定に保ち、温度や体積を変化させる

また、外部と熱のやり取りをせず体積や圧力を変化させることを断熱変化とよび、次の2つがあります

○断熱膨張:体積を増やす(圧力、温度減少)
○断熱圧縮:体積を減らす(圧力、温度上昇)

縦軸に圧力(P)、横軸に体積(V)をとった図(P-V図)でこのサイクルを表すと、次のようになります。

P-V線図

P-V線図では、4つの囲まれた部分の面積が機械エネルギーに変換される事となります。

蒸気サイクルとエントロピー

エントロピーとは、システム全体(今回は汽力発電所のサイクル)の不可逆変化の度合いを表す尺度です。
熱力学では、絶対温度の物体が熱量を得たとき、熱量/絶対温度をエントロピーの増加分として定義されます。
蒸気サイクルの各過程で、エントロピーがどう変化するかをグラフで表すと、次の通りとなります。(T-s図)

T-s線図

T-s図では、線で囲まれた内部の面積が機械エネルギーに変換される熱量となります。

汽力発電の熱サイクル

ランキンサイクル

熱サイクル

汽力発電所の水や蒸気のサイクルは「ランキンサイクル」とよばれます。ランキンサイクルは、汽力発電所などの蒸気機関で幅広く利用されています。
基本的なサイクルといえるでしょう。しかし現在の汽力発電所では、ランキンサイクルに改良を施した効率の良い以下のサイクルが利用されています。

再熱サイクル

再熱サイクル

タービンを回転させた後の蒸気(湿り蒸気)をもう一度ボイラに戻して再熱し、低圧用のタービンを回転させるサイクルです。
高圧タービンと低圧タービンの2つを利用し効率を高めます。

再生サイクル

再生サイクル

タービンから出た蒸気の一部を抽出して給水加熱器に引き込みます。つまり、ボイラに送る給水の加熱に利用します。
復水器で捨てる熱量が少なくなるので効率が良くなります。

再熱再生サイクル

再熱再生サイクル

再熱サイクルと再生サイクルを組み合わせたサイクルで、現在多くの汽力発電所で利用されています。

ボイラ

ボイラの種類

ボイラは燃料を燃焼させて得られる熱量で蒸発菅を通る水を熱し、高温高圧の蒸気にする装置です。
発電に利用するボイラには「ドラム型ボイラ」「貫流ボイラ」の2種類あり、ドラム型ボイラはさらに「自然循環ボイラ」「強制循環ボイラ」の2種類に分けられます。

自然循環ボイラ

自然循環ボイラ

水と蒸気の間の密度差を利用し、蒸発菅内の水を自然に循環させます。

強制循環ボイラ

強制循環ボイラ

循環ポンプを利用して、蒸発菅内の水を強制的に循環させます。

貫流ボイラ

貫流ボイラ

水に加える圧力を臨界圧力まで高めると、水と蒸気の混じった状態がなくなり、水は一気に蒸気に変わります。これを利用し給水ポンプで加圧した水を一気に蒸気にし、タービンに送るボイラ。

ボイラの構造

火炉:燃料と空気を送って燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させる
ドラム:給水を蒸発菅に送って循環させ、できた蒸気をタービンへ送る
加熱器:乾き蒸気をさらに加熱し、高温高圧の加熱蒸気をつくる
再熱器:タービンから出た蒸気(湿り蒸気)を再熱し、再びタービンへ送る
節炭器:ボイラから排気されるガスの熱量を利用し給水を予熱し、燃料を節約する装置
空気予熱器:ボイラから排気されるガスの熱量を利用し、火炉に送る空気を予熱する
集じん器:廃棄ガスに含まれるじんあいを煙突から排出される前に取り除く装置

火炉で発生した燃焼ガスの流れは下記の通りです

火炉→加熱器→節炭器→空気予熱器→集じん器

この流れで蒸気や給水、空気に熱量を与えて最終煙突から排出されます。

タービン

タービンとは

タンデム、クロスタービン

汽力発電で使用されるタービンは、蒸気の力を利用し動力を発生させる装置で、蒸気タービンとよばれます。
蒸気タービンはノズルから噴出される蒸気を羽根にあて、その衝動で動作する衝動タービンと、タービン内を噴出する蒸気の圧力で羽根に反動力を与える反動タービンの2種類があります。
また、再熱サイクルでは高圧用、中圧用、低圧用、と何段階かのタービンが使用されます。
蒸気タービンはこれらの配列の仕方によって、「タンデムコンパウンドタービン」「クロスコンパウンドタービン」に分けられます。

タービンの用途、機能

発電用タービン

発電用タービン

復水タービン:復水器内を真空状態にしてタービンの排気を吸出し、蒸気をより低圧な状態に膨張させるタービン
再熱タービン:膨張後の蒸気の一部を再熱してタービンに送る
再生タービン:膨張途中の蒸気の一部を抽気して給水加熱に利用する
再生再熱タービン:再熱と再生両方を行うタービン

工場用タービン

工場用タービン

背圧タービン:復水器を設置せず、タービンから出た排気を工場用の蒸気として使用するタービン
抽気タービン:タービンに供給する蒸気の一部を抽気して、工場用に利用する
抽気背圧タービン:タービンから抽気した蒸気と排気の2種類を工場用に利用する

火力発電所の効率

設備ごとの効率の計算

火力発電では消費する燃料がもつ熱量をできるだけ効率よく電力に変換することが求められます。
そのため、以下のような各種効率の計算が必要です。

ボイラ効率

ボイラ効率

燃料の保有熱量の何%をタービンに送れるかを表します。
蒸気の保有熱量は「エンタルピー」とも呼ばれます。エンタルピーとは、物質に加えられた熱量とその物質がもともと保有していた
内部エネルギーの合計です(単位:J)。物質1Kgあたりのエンタルピーを「比エンタルピー」といいます(単位:J/Kg)。

タービン室効率

タービン室効率

蒸気の保有熱量の何%を機械エネルギーに変換できるかを表します。

発電機効率

発電機効率

タービン出力の何%を電力に変換できるかを表します。

熱効率と熱消費率の計算

熱効率は、使用した燃料の保有熱量の何%が電力量となったかを表します。

発電端熱効率

発電端熱効率

消費した燃料の熱量の何%が電力量に変換されたかを表します。

送電端熱効率

送電端熱効率

発生電力量から、所内で消費した電力量を差し引いた分の熱効率を表します。

熱消費率

熱消費率

熱消費率は、1キロワット時の電力量を発生させるのに要する燃料(Kg)を表します。

ディーゼル発電とガスタービン発電

火力発電には汽力発電以外に、「ディーゼル発電」や「ガスタービン発電」などがあります。
また、熱効率を高めるためにガスタービン発電と汽力発電を組み合わせた「コンバインドサイクル発電」も利用されています。

ディーゼル発電

ディーゼル発電

ディーゼル発電は、発電機を動かす動力としてディーゼルエンジンを使う方式です。
ディーエル発電は、ボイラがいらないので建設費が安く、運転や保守も容易な点が特徴です。
そのため、ビルや工場の自家発電、非常用電源、離島での電力供給などの利用されています。

ガスタービン発電

ガスタービン発電

ガスタービン発電は、圧縮した空気を燃焼器で熱して高温高圧の燃焼ガスを作り、その力でタービンを回転させる方式です。
タービンが小型で運転の開始、停止が容易、建設費が安いといった点が特徴です。
ガスタービン発電方式には大気から取り込んだ空気を圧縮する「オープンサイクルガスタービン」と、タービンの排気を循環させる
「クローズドサイクルガスタービン」があります。

コンバインドサイクル発電

コンバインドサイクル発電

コンバインドサイクル発電は、ガスタービン発電と汽力発電を組み合わせた発電方式です。
ガスタービンの排熱を排熱回収ボイラにつなげて蒸気を作り、蒸気タービンを動かします。
同出力のガスタービン発電や汽力発電比べ、熱効率が高いのが特徴です。

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