火力発電理論

 

1.熱力学の第一法則

ž  熱も仕事も同じエネルギー。

 

 

 

ž  内部エネルギー は、加えられた熱量 の分だけ増加し、外界へ行った仕事 の分だけ減少する。

 

 

ž  エンタルピー（流体の内部エネルギーと、その流体を境界に押し込むための力学的エネルギーの総和）

 より、

 

 

ž  比エンタルピー　

 

2.熱力学の第二法則

ž  エネルギーを仕事に変えるには、必ず温度の降下と、低温度において熱エネルギーの放出を伴う。

ž  仕事は容易に全部熱に変わるが、熱を仕事に変えるのは難しく、その一部しか仕事に変わらない（エントロピーの増加）。

ž  エントロピー

3.蒸気

ž  顕熱（水の液体熱）

0.1MPaにおいて、1kgの水を1℃高めるのに必要な熱量。4.186[kJ/kgž℃]

ž  潜熱（水の蒸発熱）

1kgの水を同温度の水蒸気にするのに必要な熱量。2256[kJ/kgž℃] （at 100℃ 0.1MPa）

 

 

ž  臨界点

圧力を上昇させると蒸発熱が小さくなり、臨界点で、蒸発熱は0になる。

臨界点では、水は蒸発という現象を伴わず水蒸気となる。

臨界圧力：22.1[MPa]

臨界温度：647[K]

 

ž  湿り蒸気範囲

飽和水が熱を受けて乾き蒸気になるまでの範囲。温度は一定。

湿り蒸気：飽和水（飽和温度の水）の粒が混合した飽和蒸気。

乾き度x：湿り蒸気1kg中の、乾き蒸気の重量[kg]　⇔　湿り度(1-x)

 

ž  過熱蒸気範囲

乾き蒸気をその圧力のまま加熱した、過熱蒸気の範囲。

過熱度＝過熱蒸気温度−飽和温度（同じ圧力）

 

 

4.カルノーサイクル

ž  カルノーサイクル：理想気体の準静的・可逆的サイクル。

 

�@ 断熱圧縮：外界から仕事を与えられる。温度はに上がる。

�A 等温膨張：絶対温度の高温熱源から熱量を得る。

�B 断熱膨張：仕事を取り出す。温度はに下がる。

�C 等温圧縮：絶対温度の低温熱源へ熱量を放出する。

 

 

ž  カルノーサイクルの熱効率

 

高熱源温度：タービンの入り口温度

低熱源温度：海・河川・大気の温度

 

 

5.ランキンサイクル

ž  ランキンサイクル：作動流体の気相と液相を組み合わせたサイクル。

�@  断熱膨張：タービン内で過熱蒸気が仕事をし、湿り蒸気となる。

�A  等温圧縮：復水器で湿り蒸気を冷却し、飽和水にする。熱量を放出する。

�B  断熱圧縮：給水ポンプで飽和水をボイラ圧力まで昇圧する。

�C  等圧加熱：ボイラ内で飽和水を飽和温度まで加熱する。

�D  等温膨張：飽和水を加熱して、乾き蒸気とする。（等圧）

�E  過熱：過熱器で乾き蒸気を加熱し、過熱蒸気とする。（等圧）

　　

ž  ランキンサイクルの熱効率

 

：サイクルで発生する仕事

：タービンで発生する仕事

：ボイラの供給する熱量

：復水器で捨てる熱量

ここで、 はタービンで発生する仕事である。

そして、は給水ポンプに要する仕事で、無視できるほど小さい。

 

6.再熱再生サイクル

�@  再生サイクル

復水器で捨てる熱量が、発生仕事量より多く、熱効率を下げる原因となっている。

これを改善するため、タービンの蒸気の一部を抽出し、給水加熱器で、給水を加熱し、復水器で捨てる熱量を減少させることによって、熱効率を上昇させる。ただし、タービンでの発生仕事量は減少する。

 

ž  再生サイクルの熱効率

 

�A  再熱サイクル

タービン入口では過熱蒸気でも、膨張中に乾き蒸気となり、タービン出口で湿り蒸気となる。湿り蒸気は摩擦を増加させ、効率を低下させる。

これを改善するため、蒸気の初圧を高くして、さらに湿り度が増さないように、タービン内で膨張中の蒸気を抽出し、再熱器で加熱し、再びタービン内に送って膨張を続ける。

 

ž  再熱サイクルの熱効率

 

�B  再熱再生サイクル

大容量発電設備に利用される、実用上最も熱効率の高いサイクル。

　

 

 

7.火力発電所の効率

ž  汽力発電所

 

�@     ボイラ効率＝ボイラ蒸気発熱量/燃料発生熱量

Z  :蒸気使用量[kg/h]

 :ボイラ出口（タービン入口）エンタルピー[kJ/kg]

 :ボイラ給水エンタルピー[kJ/kg]

B :燃料使用量[kg/h], H :燃料発熱量[kJ/kg]

 

�A     熱サイクル効率＝タービン入力熱量/ボイラ蒸気発熱量

 :タービン出口エンタルピー[kJ/kg]

 

�B     タービン効率＝タービン出力/タービン入力熱量

 :タービン出力[kW]

 

�C     タービン熱効率＝タービン出力/ボイラ蒸気発熱量＝熱サイクル効率×タービン効率

 

※タービン熱効率（タービン室効率）は復水器での損失を考慮に入れた効率

ボイラ蒸気発熱量＝タービン入力熱量＋復水器での損失熱量

 

�D     発電機効率＝発電機出力/タービン出力

：発電機出力[kW]

 

�E     発電端熱効率＝発電機出力/燃料発生熱量＝効率×タービン効率

汽力発電所：

コンバインドサイクル発電所：

 

�F     送電端熱効率＝送電電力/燃料発生熱量＝効率×タービン効率

所内比率

：送電電力[kW]

 

�G     熱消費率：1kWhを発電するのにどれだけの熱量[kJ]を消費したか

 

ž  熱損失：復水器での損失熱量が50%を占める

 

ž  熱効率の向上対策

�@     高温高圧の蒸気を利用する。タービンの入り口温度を上げる。556℃、24.1MPaが標準。

�A     再熱再生サイクルを利用する。

�B     復水器の真空度を上げる。タービンの排気圧力を下げる。

�C     節炭器、空気予熱器を設置して、排ガスエネルギーを吸収する。

�D     ボイラ排ガス中の酸素量を最適にする。

 

 

8.ボイラの燃焼理論

ž  理想空気量

炭素1kmol(12kg)の燃焼に酸素1mol(22.4m³N)必要

水素1kmol(2kg)の燃焼に酸素0.5mol(11.2m³N)必要

空気中の酸素の量は21%

 

よって、炭化水素を完全燃焼させるのに必要な理想空気量は、

:炭素重量[kg] , :水素重量[kg]

 

ただし実際の燃焼には理想空気量の2〜3割増しの空気の量をボイラに送る。

また、酸素の量が多すぎると排ガス量が増え排ガス損失が大きくなり、少なすぎると未燃分損が発生し、ともに熱効率を低下させる原因となる。

 

ž  二酸化炭素発生量

炭素1kmol(12kg)の燃焼によって二酸化炭素1mol(44kg)が発生する。

 

 

9.ガスタービン発電

ž  ブレイトンサイクル：高圧空気の中で燃料を燃焼させて熱エネルギーを与える。

�@  断熱膨張：膨張しつつ、ガスタービンで仕事をする。

�A  等温放熱：大気圧近くの低圧で大気へ排出。

�B  断熱圧縮：大気から吸入された空気が、空気圧縮機で圧縮される。

�C  等圧加熱：燃焼器において、圧縮空気中の燃料を燃焼、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。

 

ž  熱効率：圧縮比 で決まる。

 

ž  熱効率の向上対策

�@  タービン入口温度を上げる。

�A  空気量を増加させる。

�B  空気の圧力を高める。

�C  回転部を軽量化する。

�D  圧縮機入口温度を下げる（空気の密度が増すため）。

 

 

10. コンバインドサイクル発電

ž  コンバインドサイクル：高温域でブレイトンサイクル（ガスタービン）、低温域でランキンサイクル（蒸気タービン）を組み合わせて熱効率向上を図る。燃料はガスタービンのみに投入される。

 

ž  熱効率

 

 

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