電験三種 学習ノート

はじめに

ボイラ・タービン・復水器は、実際にはどんな機械なのか

前回の4つの機器を、水と蒸気がぐるぐる回る

実際の発電所には、過熱器・節炭器などの機器も並ぶ

燃焼ガスの熱を順に渡し、ボイラ効率を9割ほどに高める

水と蒸気の通り道に沿って、機器を順に見ていく

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「ボイラ、タービン、復水器……名前は覚えたけれど、実際にはどんな機械なんだろう？」

前回の記事では、汽力発電とランキンサイクル、熱効率の計算について学びました。水と蒸気が、給水ポンプ・ボイラ・蒸気タービン・復水器の 4 つをぐるぐる回るという流れでした。

ところが、実際の火力発電所の図面を見ると、この 4 つのほかに、過熱器・再熱器・節炭器・空気予熱器といった見慣れない機器がたくさん並んでいます。どれも、燃料の熱を少しでもむだなく使うための工夫です。

実は、ボイラから煙突へ向かう燃焼ガスは、出口に近づいてもまだかなりの熱を持っています。この熱を、蒸気・給水・燃焼用の空気に順番に渡していくことで、ボイラ効率は 9 割ほどまで高められています。

そこで登場するのが、今回の主役 火力発電の設備 です。ランキンサイクルの 4 つの機器と、それを支える熱の回収装置を、水と蒸気の通り道に沿って見ていきます。

今回の記事では、ボイラと過熱器、再熱器・節炭器・空気予熱器、蒸気タービン、そして復水器と給水ポンプについて解説します。

ボイラと過熱器：水を高温・高圧の蒸気に変える

火炉の壁に並ぶ水管で、炎の熱を水に伝える

ボイラは高さ数十mの巨大なやかん

自然循環は、軽い水と蒸気が上がり、重い水が下がる

強制循環はポンプで回し、貫流はドラムなしで一度通す

圧力が高いと密度の差が縮むので、大型では貫流を使う

過熱器は、水滴を含む飽和蒸気を乾いた過熱蒸気にする

しぼった洗濯物を、乾燥機でからからに乾かすイメージ

蒸気が受け取った熱÷燃料の熱で、ボイラ効率は90％

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はじめに、ボイラと過熱器について紹介します。

ボイラ は、燃料を燃やした熱で水を加熱し、高温・高圧の蒸気をつくる装置です。燃料を燃やす大きな箱を火炉と呼び、その壁にはびっしりと水の通る管（水管）が並んでいます。炎の熱は、この水管の中の水に伝わります。

やかんにたとえると、火炉はコンロの炎、水管はやかんの底です。ただし、発電所のボイラは高さが数十 m にもなる巨大なやかんで、中の水は休みなく流れ続けています。

1. ボイラの種類

ボイラは、水の回し方で大きく 3 つに分かれます。

【ボイラの種類】

• 自然循環ボイラ： 温められて軽くなった水と蒸気が上がり、重い水が下がる、密度の差で水を循環させる
• 強制循環ボイラ： 循環ポンプで水を強制的に回す
• 貫流ボイラ： 給水ポンプで押し込んだ水が、管を一度通り抜ける間に蒸気になる。水と蒸気を分けるドラムがない

自然循環ボイラと強制循環ボイラには、上部に ドラム という大きな円筒があり、ここで水と蒸気を分けます。一方、圧力が非常に高くなると、水と蒸気の密度の差が小さくなり、自然には循環しにくくなります。そこで、大型の発電所では貫流ボイラが多く使われます。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 水は約 22MPa 以上の圧力（臨界圧力）になると、沸騰せずに水から蒸気へ連続的に変わります。この領域で使うボイラを超臨界圧ボイラと呼び、貫流ボイラでなければ実現できません。

2. 過熱器

ボイラの水管でできたばかりの蒸気は、まだ水と同じ温度の 飽和蒸気 で、水滴を含みやすい状態です。これをさらに加熱して、温度の高い乾いた蒸気（過熱蒸気）にする装置が 過熱器 です。

前回学んだとおり、タービン入口の蒸気の温度が高いほど、熱効率は高くなります。過熱器は、その温度を上げる役目を受け持ちます。洗濯物をしぼったあと、乾燥機でさらにからからに乾かすようなイメージです。

例題：ボイラ効率を求める

ボイラで 1 時間に 360t の蒸気をつくっている。蒸気のエンタルピーは 3400kJ/kg、給水のエンタルピーは 1200kJ/kg である。重油（発熱量 44,000kJ/kg）を 1 時間に 20t 消費するとき、ボイラ効率は何％か。

【解き方】

1. 単位を kg にそろえる： 蒸気 360t = 360,000kg、重油 20t = 20,000kg
2. 蒸気が受け取った熱を求める： 360,000 × (3400 − 1200) = 792,000,000kJ
3. 燃料の熱を求める： 20,000 × 44,000 = 880,000,000kJ
4. 割合を求める： 792,000,000 ÷ 880,000,000 = 0.9

答えは 90％ です。

式で書くと、ボイラ効率は次のとおりです。

$$\eta_B = \frac{Z (h_s - h_w)}{B H}$$

$Z$ が蒸気の量［kg/h］、$h_s$ が蒸気のエンタルピー［kJ/kg］、$h_w$ が給水のエンタルピー［kJ/kg］、$B$ が燃料の消費量［kg/h］、$H$ が発熱量［kJ/kg］です。言葉で言うと、「蒸気が受け取った熱 ÷ 燃料が出した熱」です。分子は蒸気のエンタルピーそのものではなく、給水との差を使う点に注意しましょう。

このように、ボイラは燃料の熱で水を蒸気にし、過熱器はその蒸気をさらに加熱して、温度の高い過熱蒸気にします。

以上が、ボイラと過熱器についてです。

再熱器・節炭器・空気予熱器：燃焼ガスの熱を使い切る

燃焼ガスは過熱器から空気予熱器まで順に通り、煙突へ

再熱器は、高圧タービンを出た蒸気を温め直す

節炭器は、燃焼ガスの余った熱で給水を温める

給水加熱器は抽気、節炭器は燃焼ガスで給水を温める

空気予熱器は、煙突の手前で燃焼用の空気を温める

温めておいた部屋のほうが、暖房はすぐ効く

排ガスの温度を下げるほど、捨てる熱は減る

何を温めるかで、4つの装置を区別する

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次に、再熱器・節炭器・空気予熱器について紹介します。

火炉を出た燃焼ガスは、煙突へ向かう途中で、いくつもの熱交換器を順に通り抜けます。熱いお湯を、温度の高いものから順に何回も使い回すようなものです。そのまま煙突から出せば捨てるだけの熱を、少しずつ拾い集めていきます。

【燃焼ガスの通り道（代表的な順番）】 火炉 → 過熱器 → 再熱器 → 節炭器 → 空気予熱器 → 煙突

1 つずつ見ていきましょう。

1. 再熱器

再熱器 は、高圧タービンで仕事をして温度が下がった蒸気を、もう一度加熱する装置です。温め直した蒸気は、中圧・低圧タービンへ送られ、再び仕事をします。前回学んだ再熱サイクルを実現する機器で、熱効率を高めるとともに、タービン出口の蒸気の湿りを減らします。

2. 節炭器

節炭器 は、燃焼ガスの余った熱で、ボイラへ入る前の給水を温める装置です。給水があらかじめ温まっていれば、ボイラで加える熱が少なくてすみます。石炭を節約する装置、という意味でこの名前が付いています。

ここで 1 つ注意があります。前回学んだ給水加熱器は、タービンから取り出した蒸気（抽気）で給水を温めました。節炭器は、燃焼ガスで給水を温めます。どちらも給水を温めますが、熱の出どころが違います。

3. 空気予熱器

空気予熱器 は、燃焼ガスの熱で、火炉へ送り込む燃焼用の空気を温める装置です。燃焼ガスの通り道のいちばん最後、煙突の手前に置かれます。

冷たい空気のまま燃料を燃やすと、空気を温めるのに炎の熱が使われてしまいます。前もって空気を温めておけば、燃焼がよくなり、同じ燃料でより多くの熱を蒸気に渡せます。寒い日に、温めておいた部屋のほうが暖房がすぐ効くのと似ています。

例えば、煙突から出る燃焼ガスの温度を下げられるほど、捨てる熱は減ります。節炭器と空気予熱器は、この排ガス温度を下げてボイラ効率を高める、最後の仕上げ役です。

試験のポイント：節炭器は「燃焼ガスで給水を予熱」、空気予熱器は「燃焼ガスで燃焼用空気を予熱」、過熱器は「飽和蒸気を過熱蒸気に」、再熱器は「高圧タービンを出た蒸気を再加熱」です。何を温めるかで区別しましょう。

このように、再熱器・節炭器・空気予熱器は、燃焼ガスの熱を蒸気・給水・空気に順に渡して、むだなく使い切るための装置です。

以上が、再熱器・節炭器・空気予熱器についてです。

蒸気タービン：蒸気の勢いで回転する

蒸気は段を通るたびに膨らみ、羽根車を回す

固定した羽根で向きと速さを整え、動く羽根に当てる

衝動タービンは、ホースの水を板にぶつけるように回す

反動タービンは、噴き出す反動でも回る

2極なら50Hzで3000、60Hzで3600min⁻¹

排気を復水器へ送る復水タービンと、工場で使う背圧タービン

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続いて、蒸気タービンについて紹介します。

蒸気タービン は、高温・高圧の蒸気を羽根に吹き付けて、回転の力を取り出す機械です。軸には何十枚もの羽根が円形に並んだ羽根車が何段も取り付けられ、蒸気は段を通るたびに膨らみ、圧力と温度を下げながら羽根車を回します。

風車に息を吹きかけると回るのと同じ原理です。ただし、蒸気タービンでは、固定された羽根（ノズル）で蒸気の向きと速さを整えてから、回転する羽根に当てます。

1. 衝動タービンと反動タービン

蒸気の力の使い方で、2 つの形式があります。

【蒸気タービンの形式】

• 衝動タービン： 蒸気をノズルで膨らませて速い流れにし、その勢いを動く羽根にぶつけて回す
• 反動タービン： 動く羽根の間でも蒸気を膨らませ、蒸気が噴き出すときの反動でも回す

衝動タービンは、ホースの水を板にぶつけて押すイメージです。反動タービンは、ふくらませた風船の口を離すと、空気が噴き出す反動で風船が飛んでいくイメージです。実際の大型タービンでは、両方の形式の段を組み合わせて使います。

2. 回転速度

蒸気タービンは、同じ軸につながった発電機を回します。発電機は系統の周波数に合わせて回る必要があるので、回転速度は周波数と発電機の極数で決まります。

$$N = \frac{120 f}{p}$$

$N$ が回転速度［min⁻¹］、$f$ が周波数［Hz］、$p$ が極数です。火力発電所のタービン発電機は 2 極が多く、50Hz なら $120 \times 50 \div 2 = 3000$ min⁻¹、60Hz なら 3600 min⁻¹ で回ります。水車に比べてとても速い回転です。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 排気を復水器に送るタービンを復水タービン、排気を工場の暖房や加熱に使うタービンを背圧タービンと呼びます。発電所で主に使うのは復水タービンです。

このように、蒸気タービンは蒸気を膨らませながら羽根車を回す機械で、火力発電所では 2 極の発電機と組み合わせて 3000 または 3600min⁻¹ で回ります。

以上が、蒸気タービンについてです。

復水器と給水ポンプ：蒸気を水に戻して送り返す

仕事を終えた蒸気を水に戻し、ボイラへ送り返す

管の中の冷却水で蒸気を冷やし、水にして下にためる

水に戻ると体積は数万分の1。中は真空に近くなる

出口の圧力が低いほど、タービンでの仕事が増える

復水器で捨てる熱が最大の損失で、燃料の熱の約半分

捨てる熱210,000kJ/sで、冷却水は5K上がる

給水ポンプは、約25MPaのボイラへ水を押し込む

脱気器で水に溶けた酸素を追い出し、管のさびを防ぐ

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最後に、復水器と給水ポンプについて紹介します。

タービンで仕事を終えた蒸気は、そのままでは捨てるしかありません。そこで、水に戻して、もう一度ボイラへ送り返します。この役を受け持つのが、復水器と給水ポンプです。

1. 復水器

復水器 は、タービンを出た蒸気を冷却水で冷やして水に戻す装置です。中には細い管がたくさん並び、管の中を海水などの冷却水が流れます。蒸気は管の外側に触れて冷やされ、水滴になって下にたまります。

蒸気が水に戻ると、体積がおよそ数万分の 1 に縮みます。そのため、復水器の中は真空に近い低い圧力になります。前回学んだとおり、タービン出口の圧力が低いほど、蒸気はタービンで多くの仕事ができます。復水器は、ただ水に戻すだけでなく、出口の圧力を下げてタービンの仕事を増やす役目も持っているのです。

ここがポイントです。復水器で冷却水に渡す熱は、汽力発電所の損失の中でいちばん大きく、燃料の熱のおよそ半分にもなります。

例題：復水器の冷却水の温度上昇

汽力発電所の復水器に、タービンの排気が 1 時間に 360t 入る。排気のエンタルピーは 2240kJ/kg、復水器を出る水のエンタルピーは 140kJ/kg である。冷却水の流量が 10m³/s のとき、冷却水の温度上昇は何 K か。ただし、冷却水の比熱を 4.2kJ/(kg·K)、密度を 1000kg/m³ とする。

【解き方】

1. 排気の量を 1 秒あたりに直す： 360,000 ÷ 3600 = 100kg/s
2. 1 秒あたりに捨てる熱を求める： 100 × (2240 − 140) = 210,000kJ/s
3. 冷却水の量を kg に直す： 10m³/s × 1000 = 10,000kg/s
4. 温度上昇を求める： 210,000 ÷ (10,000 × 4.2) = 5K

答えは 5K です。熱の量は「質量 × 比熱 × 温度上昇」で表せるので、それを温度上昇について解いています。t/h を kg/s に直すところで、3600 で割るのを忘れないようにしましょう。

2. 給水ポンプ

復水器にたまった水は、ポンプで給水加熱器などを通り、ボイラへ送り返されます。このうち、ボイラの高い圧力に打ち勝って水を押し込むのが 給水ポンプ です。大型のボイラの中は 25MPa ほどにもなる高圧なので、給水ポンプには大きな力が必要です。大型の発電所では、電動機のほか、小さな蒸気タービンで給水ポンプを回すこともあります。

途中には、水に溶けた酸素などのガスを追い出す脱気器も置かれます。酸素が残っていると、ボイラの管がさびて傷むからです。

水槽の水を、ポンプで高いところへくみ上げてぐるぐる循環させるイメージで、給水ポンプは、ランキンサイクルの一周を最後に締めくくる機器です。

試験のポイント：汽力発電所でいちばん大きな損失は、復水器で冷却水に捨てる熱です。また、復水器の真空度を高く（圧力を低く）するほど、熱効率は高くなります。

このように、復水器は蒸気を冷やして水に戻すとともにタービン出口の圧力を下げ、給水ポンプはその水を高圧のボイラへ送り返します。

以上が、復水器と給水ポンプについてです。

今回のまとめ

ボイラ効率は、蒸気が受け取った熱÷燃料の熱

過熱器は飽和蒸気を過熱蒸気に、再熱器は蒸気を再加熱

節炭器は給水を、空気予熱器は燃焼用空気を予熱する

2極の発電機なら、50Hzで3000、60Hzで3600min⁻¹

復水器は蒸気を水に戻し、給水ポンプはボイラへ押し戻す

キーワードはボイラ・過熱器・節炭器・復水器など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、火力発電の設備について紹介しました。ランキンサイクルの 4 つの機器に加えて、燃焼ガスの熱を蒸気・給水・空気に順に渡す装置が並び、燃料の熱をむだなく使う工夫が重ねられています。それでも、復水器で捨てる熱がいちばん大きな損失として残ります。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• ボイラは燃料の熱で水を蒸気にする。ボイラ効率は「蒸気が受け取った熱 ÷ 燃料の熱」。
• 過熱器は飽和蒸気を過熱蒸気に、再熱器は高圧タービンを出た蒸気を再加熱する。
• 節炭器は燃焼ガスで給水を、空気予熱器は燃焼ガスで燃焼用空気を予熱する。
• 蒸気タービンは 2 極の発電機と組み合わせ、50Hz で 3000min⁻¹、60Hz で 3600min⁻¹ で回る。
• 復水器は蒸気を水に戻し、タービン出口の圧力を下げる。給水ポンプは水をボイラへ押し戻す。

キーワードのおさらい

• ボイラ: 燃料を燃やした熱で水を加熱し、高温・高圧の蒸気をつくる装置
• 過熱器: ボイラでできた飽和蒸気をさらに加熱し、過熱蒸気にする装置
• 再熱器: 高圧タービンで仕事をした蒸気を再び加熱し、中圧・低圧タービンへ送る装置
• 節炭器: 燃焼ガスの余った熱で、ボイラへ入る給水を予熱する装置
• 空気予熱器: 燃焼ガスの余った熱で、燃焼用の空気を予熱する装置
• 蒸気タービン: 蒸気を膨らませながら羽根車に当て、回転の力を取り出す機械
• 復水器: タービンを出た蒸気を冷却水で冷やして水に戻し、出口の圧力を低く保つ装置
• 給水ポンプ: 水をボイラの高い圧力に打ち勝って送り込むポンプ

以上が、今回のまとめです。

さて、復水器で捨てる熱がこれほど大きいなら、タービンを出る前の高い温度の熱を、もう一度発電に使えないのでしょうか？

次回は、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた「コンバインドサイクル発電」と、排ガスの環境対策について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。