令和5年度第三種電気主任技術者上期試験　電力科目 問20 解説 問2 問2

排熱回収形コンバインドサイクル発電は、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせることで熱利用効率を高める方式であり、蒸気タービンの出力比率が汽力発電単独よりも小さくなるため、単位出力当たりの復水器冷却水量は少なくなります。

コンバインドサイクル発電と汽力発電の熱力学的性質

発電所の熱効率とは、投入された燃料のエネルギーに対して、どれだけの電気エネルギーを取り出せたかを示す指標です。熱力学のカルノーサイクルやランキンサイクルに関連し、一般に熱機関の効率は温度差が大きいほど高くなります。

コンバインドサイクル発電は、ガスタービンで高温の燃焼ガスを利用して発電した後の排熱を、さらに排熱回収ボイラへ送り、蒸気タービンを回す二段構えの発電方式です。これにより、単一のサイクルでは捨てられていた熱を有効活用できるため、同じ燃料消費量であれば汽力発電方式よりも高い熱効率が得られます。

一方で、復水器は蒸気タービンから排出された蒸気を冷却して水に戻す装置ですが、この際に冷却水によって蒸気の持つ熱（潜熱）を奪う必要があります。単位出力あたりの冷却水量は、熱効率の良し悪しに直結します。熱効率が高い発電方式ほど、外部へ捨てる熱量が相対的に少なくなるため、復水器で冷却する必要がある熱量も減少し、結果として単位出力あたりの冷却水量は少なくなります。

発電方式による構成要素の比較

汽力発電方式とコンバインドサイクル発電方式の特性を比較すると、以下のステップで誤った記述を特定できます。

1. 熱効率と冷却水量の関係を特定する コンバインドサイクル発電は高い熱効率を持つため、捨てられる熱量が少ないという性質があります。したがって、復水器に流す単位出力あたりの冷却水量は、汽力発電方式と比較して小さくなることが分かります。これにより「冷却水量が多い」とする記述が誤りであると判断できます。

2. 排ガス量と所内率の観点を確認する 汽力発電方式はボイラで燃料を燃焼させて蒸気を作る仕組みであり、排熱回収を用いるコンバインドサイクルよりも、単位出力あたりの排ガス量や構成する所内補機の負荷が異なります。特に、大規模なボイラや関連補機を必要とする汽力発電は、コンバインドサイクルに比べて所内率が高くなる傾向があります。

3. 外気温度の影響を評価する ガスタービンは吸入する空気の密度や温度によって出力が大きく変化します。コンバインドサイクル発電はガスタービンを主要な構成要素に含むため、外気温度の変化に対する出力変動が汽力発電よりも大きくなります。

これらの比較特性を、それぞれの発電設備の構成や排熱の経路に重ねてみると、各方式の出力特性や熱収支の様子が見えてきます。

参考リンク

• コンバインドサイクル発電の原理と特徴
• コンバインドサイクル発電プラントのシミュレーションと制御
• 日本機械学会：火力発電における熱力学サイクルの基礎