令和6年度第三種電気主任技術者上期試験　電力科目 問30 解説 問3 問3

ガスタービンコンバインドサイクル発電は、ガスタービンで空気を圧縮・燃焼させて発電した後に、その排熱を利用して蒸気タービンを回す方式であり、外気温の上昇による空気密度の低下がガスタービンの吸気量と出力を直接的に減少させるため、汽力発電と比較して外気温が最大出力に与える影響は大きくなります。したがって、影響が小さいと述べる選択肢(4)が誤りとなります。

ガスタービンコンバインドサイクル発電の特性

コンバインドサイクル発電は、ガスタービン単体で運転する場合と比較して極めて高い熱効率を実現しています。これは、ガスタービンの排ガスが持つ高温の熱エネルギーを、蒸気発生器（排熱回収ボイラ）を通じて蒸気タービンの駆動源として再利用するためです。

この方式は、ボイラ内に膨大な水を保有して運転する従来の汽力発電とは異なり、ガスタービンを主体とした比較的コンパクトな構成であるため、熱慣性が小さく、始動から定格出力までの立ち上げ時間が短いという特徴があります。また、ガスタービンの出力を調整することで負荷追従性を高めることが容易であり、蒸気タービン側で消費する蒸気量も少ないため、冷却塔や復水器へ放出される温排水の量も抑制されます。

外気温と出力の関係

ガスタービンの運転原理においては、ボイル・シャルルの法則に基づいた気体の性質が支配的です。ガスタービンは外部から空気を取り込み、コンプレッサーで圧縮した後に燃料と混ぜて燃焼させます。この際、外気温が上昇すると空気の密度が低下するため、コンプレッサーから供給される空気の質量流量が減少し、燃焼に供する酸素量やタービンを通過する気体全体のエネルギーが低下します。

この特性により、ガスタービンを主要な動力源とするコンバインドサイクル発電は、夏場などの気温が高い時期には最大出力が低下しやすくなります。一方、汽力発電はボイラで生成した蒸気を用いてタービンを回す方式であり、外気は復水器の冷却用として使われるに留まるため、直接的な出力低下の要因にはなりにくく、外気温による影響は相対的に小さくなります。

判断のステップ

1. 選択肢(1)、(2)について、コンバインドサイクル発電はガスタービンの高い応答性により、汽力発電よりも始動・停止が速く、負荷追従性が高いという性質と合致していることを確認します。
2. 選択肢(3)について、燃焼後の排熱を回収して蒸気タービンを回すという構成上、単一のサイクルである汽力発電よりも高い熱効率が得られることを確認します。
3. 選択肢(5)について、排熱を有効活用することで、冷やすべき熱エネルギーの総量が減るため、温排水量が少なくなるという性質と合致していることを確認します。
4. 選択肢(4)について、外気温が上がると空気密度が低下し、ガスタービンの出力が減るという物理的特性から、影響は「小さい」ではなく「大きい」と判断します。

ガスタービンが取り込む空気の状態と、排熱回収ボイラの熱の移動の様子を重ねてみると、気温の変化がプラント全体に及ぼす影響が見えてきます。

参考リンク

• 電気主任技術者試験（電験三種）の過去問解説サイト
• ガスタービンコンバインドサイクル発電の仕組みを解説した動画
• 熱力学におけるガスタービンサイクルの理論定義（JIS用語集）