汽力発電所の蒸気タービンの仕組み

このページでは、汽力発電所の蒸気タービンの仕組みについて、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験三種の電力科目の試験で、実際に出題された、汽力発電所の蒸気タービンの仕組みの過去問題も解説しています。

汽力発電所のタービン

汽力発電所のタービンは、蒸気の力を利用して回転力を発生させる装置で、蒸気タービンと呼ばれています。蒸気タービンには、衝動タービンと反動タービンの2種類があります。

衝動タービンは、ノズルから蒸気を噴出し、回転羽根に当て、衝突するときに生じる力によって回転させるタービンです。

反動タービンは、固定羽根と回転羽根を交互に配置し、固定羽根で圧力降下させて生じる衝動力と、回転羽根でも圧力を降下させその反動力を利用して回転させるタービンです。

汽力発電所用の蒸気タービンの分類

蒸気タービンは、用途や機能によって次のような種類に分類されます。

発電用タービン

• 復水タービン
  復水器内を真空状態にし、タービンの排気蒸気を吸い出し、復水させます。蒸気をタービン内で低圧に膨張させます。

• 再熱タービン
  高圧タービンで膨張した蒸気を取り出し、ボイラの再熱器で再加熱を行い、低圧タービンで蒸気を利用するタービンです。再熱サイクルで用いられています。

• 再生タービン
  ボイラ給水を加熱する蒸気を、タービンの中間段から抽気を行うタービンです。再生サイクルで用いられています。

• 再熱再生タービン
  再熱と再生の両方を行うタービンです。通常、汽力発電所では再熱再生タービンが使われています。

工業用タービン

• 背圧タービン
  復水器を設置せずに、タービンで仕事をさせた後の排気を、工場用蒸気その他に利用するタービンです。

• 抽気タービン
  タービンの中間から膨張途中の蒸気を取り出し、工場用蒸気その他に利用するタービンです。

• 抽気背圧タービン
  タービンで仕事をさせた後の排気とタービンの中間から膨張途中の蒸気の2種類を、工場用蒸気その他に利用するタービンです。

混圧タービン

異なった圧力の蒸気を同一タービンに入れて仕事をさせるタービンです。

タービンの配列

大容量のタービンは、何段かに分割して蒸気を通過させます。分割はケーシングごと行われ、入口蒸気の圧力により、「高圧タービン」「中圧タービン」「低圧タービン」に分けられます。

尚、高圧・中圧・低圧を直列に配列したものを、「タンデムコンパウンドタービン」といい、並列に配列したものを「クロスコンパウンドタービン」といいます。

復水器

タービンの排気蒸気を冷却凝縮し、水に戻して復水を回収する装置です。熱サイクルの中では復水器によるエネルギー損失が最も大きくなりますが、復水器内部の真空度を保持することで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の圧力差を大きくし、タービンの効率を高めることができます。

復水器の種類としては表面復水器、直接接触復水器、空気冷却式復水器などがあり、汽力発電所では一般的に表面復水器が多く用いられています。

復水器は冷却水の温度が低くなるほど、復水器の真空度は高くなります。また補機として、復水器内を真空に保つため、空気を排出する抽気装置があります。

タービン発電機

タービン発電機の構造

蒸気タービンに直結されて運転される発電機をタービン発電機といいます。回転速度が速く、汽力発電用は一般的に２極の磁極をもちます。

タービン発電機は回転速度が比較的に早いため、機械的な強度が要求されます。回転子は回転軸の方向が長い構造をした円筒型にし、直径を短くします。磁極と巻き線は、回転子の溝の中に収まっているので「非突極形回転子」とも呼ばれています。非突極形にすることで、風損の低減を図ります。

タービン発電機の冷却

タービン発電機の冷却方式としては、間接冷却方式と直接冷却方式が採用されていますが、大容量機では、直接冷却方式が採用されています。

直接冷却方式の冷却媒体は固定子巻線には水素ガス、水、油などを用い、回転子巻線には水素ガスが用いられています。

水素ガス冷却の特徴

• 比熱・熱伝導率が大きいので、冷却効果が優れている
• 水素の密度は空気より軽いので、風損を減少できる
• 不活性のため、空気よりコロナ発生電圧が高く、絶縁劣化が少ない
• 騒音が少ない
• 爆発の危険性があるので気密、耐爆構造にする必要がある

汽力発電所の熱効率向上について

汽力発電所における、熱効率の向上を図る対策として、以下のような方法があります。

• タービン入口の蒸気として、高温・高圧のものを採用
• 復水器の真空度を向上する
• 再熱・再生サイクルの採用
• 節炭器・空気予熱器を導入し、排ガスエネルギーを回収する
• 汽力発電所の変圧運転の導入

変圧運転

変圧運転方式とは、ボイラの主蒸気圧力を変えることによりタービン流入蒸気量を調整して出力制御する方式のことです。

従来の汽力発電所の出力制御は、ボイラの主蒸気圧力を一定に保ち、タービン入口の蒸気加減弁を開閉して蒸気流量を調整する定圧運転方式を採用していました。

変圧運転の特徴

• 部分負荷でも蒸気流量がほぼ一定で、高圧タービン内部効率が高く，加減弁の開度もほぼ全開なため、絞り損失が減少し内部効率が高い
• 部分負荷では，蒸気圧力を下げるためにボイラ給水圧力も低くて済み，ポンプ動力が軽減できる
• 部分負荷でも蒸気温度が低下しないので，サイクル効率が改善される
• 高圧タービンの内部温度が出力によって変わらず，負荷変動に対する制限が小さい
• 部分負荷で圧力を下げるので，材料の寿命が長くなる
• 部分負荷でもタービンの温度低下がほとんどないので，始動時間が短くできる

　　

電験三種－電力（火力発電）過去問題

1997年（平成9年）問2

汽力発電所の復水器は、タービンの(　ア　)を冷却し水に戻して復水を回収する装置である。内部の(　イ　)を保持することで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の(　ウ　)を大きくし、タービンの(　エ　)を高めている。

上記の記述中の空白の(ア)，(イ)，(ウ)及び(エ)に記入する字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
（１）	抽気蒸気	真空度	圧力差	回転速度
（２）	排気蒸気	温度	温度差	効率
（３）	排気蒸気	真空度	圧力差	効率
（４）	抽気蒸気	真空度	温度差	回転速度
（５）	排気蒸気	温度	温度差	回転速度

1997年（平成9年）問2　過去問解説

汽力発電所の復水器は、タービンの(　排気蒸気　)を冷却し水に戻して復水を回収する装置である。内部の(　真空度　)を保持することで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の(　圧力差　)を大きくし、タービンの(　効率　)を高めている。

答え（３）

1998年（平成10年）問2

背圧式蒸気タービン発電装置として、使用されない機器は次のうちどれか。

(1) 復水器　(2) 蒸気加減弁　 (3) 誘導発電機　(4) 同期発電機　(5) 調速装置

1998年（平成10年）問2　過去問解説

背圧タービンは高圧タービンの背圧を工場の他で再利用するものです。復水器は施設されていません。

答え (1)

2000年（平成12年）問4

汽力発電において、熱効率の向上を図る方法として、誤っているのは次のうちどれか。

1. 主蒸気温度を上げる。
2. 再熱蒸気温度を上げる。
3. 復水器真空度を高める。
4. 主蒸気圧力を上げる。
5. 排ガス温度を上げる。

2000年（平成12年）問4　過去問解説

1. 正しい
2. 正しい
3. 正しい
4. 正しい
5. 排ガス温度が上がることは、排出するエネルギーが多くなることになるので、熱効率を下げることになります。

答え (5)

2003年（平成15年）問2

蒸気使用状態による蒸気タービン分類に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

1. 復水タービン：タービンの排気を復水器で復水させて高真空を得ることにより、蒸気をタービン内で十分低圧まで膨張させるタービン。
2. 背圧タービン：タービンで仕事をさせた後の排気を、工場用蒸気その他に利用するタービン。
3. 抽気タービン：タービンの中間から膨張途中の蒸気を取り出し、工場用蒸気その他に利用するタービン。
4. 再生タービン：タービンの中間から一部膨張した蒸気を取り出し、再加熱してタービンの低圧段に戻し、さらに仕事をさせるタービン。
5. 混圧タービン：異なった圧力の蒸気を同一タービンに入れて仕事をさせるタービン。

2003年（平成15年）問2　過去問解説

1. 正しい
2. 正しい
3. 正しい
4. 再生タービンは、ボイラ給水を加熱する蒸気を、タービンの中間段から抽気を行うタービンです。
5. 正しい

答え (4)

2006年（平成18年）問1

汽力発電所の復水器はタービンの（　ア　）蒸気を冷却水で冷却凝結し、真空を作るとともに復水して回収する装置である。復水器によるエネルギー損失は熱サイクルの中でも最も（　イ　）、復水器内部の真空度を（　ウ　）保持してタービンの（　エ　）を低下させることにより、（　オ　）の向上を図ることができる。

上記の記述中の空欄の(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
（１）	抽気	大きく	低く	抽気圧力	熱効率
（２）	排気	小さく	低く	抽気圧力	利用率
（３）	排気	大きく	低く	排気温度	利用率
（４）	抽気	小さく	高く	排気圧力	熱効率
（５）	排気	大きく	高く	排気圧力	熱効率

2006年（平成18年）問1　過去問解説

汽力発電所の復水器はタービンの（　排　気　）蒸気を冷却水で冷却凝結し、真空を作るとともに復水して回収する装置である。復水器によるエネルギー損失は熱サイクルの中でも最も（　大きく　）、復水器内部の真空度を（　高　く　）保持してタービンの（　排気圧力　）を低下させることにより、（　熱効率　）の向上を図ることができる。

答え (5)

2009年（平成21年）問2

タービン発電機の水素冷却方式について、空気冷却方式と比較した場合の記述として、誤っているのは次のうちどれか。

1. 水素は空気に比べ比重が小さいため、風損を減少することができる。
2. 水素を封入し全閉形となるため、運転中の騒音が少なくなる。
3. 水素は空気より発電機に使われている絶縁物に対して化学反応を起こしにくいため、絶縁物の劣化が減少する。
4. 水素は空気に比べ比熱が小さいため、冷却効果が向上する。
5. 水素の漏れを防ぐため、密封油装置を設けている。

2009年（平成21年）問2　過去問解説

1. 正しい
2. 正しい
3. 正しい
4. 水素は空気に比べ比熱が大きい
5. 正しい

答え (4)

2009年（平成21年）問3

汽力発電所における、熱効率の向上を図る方法として、誤っているのは次のうちどれか。

1. タービン入口の蒸気として、高温・高圧のものを採用する。
2. 復水器の真空度を低くすることで蒸気はタービン内で十分に膨張して、タービンの羽根車に大きな回転力を与える。
3. 節炭器を設置し、排ガスエネルギーを回収する。
4. 高圧タービンから出た湿り飽和蒸気をボイラで再熱し、再び高圧の乾き飽和蒸気として低圧タービンに用いる。
5. 高圧及び低圧のタービンから蒸気を一部取り出し、給水加熱器に導いて給水を加熱する。

2009年（平成21年）問3　過去問解説

1. 正しい
2. 復水器は真空度を高くすることで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の圧力差を大きくし、タービンの効率を高めることができます。
3. 正しい
4. 正しい
5. 正しい

答え (2)

2011年（平成23年）問3

汽力発電所の復水器に関する一般的説明として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 汽力発電所で最も大きな損失は、復水器の冷却水に持ち去られる熱量である。
2. 復水器の冷却水の温度が低くなるほど、復水器の真空度は高くなる。
3. 汽力発電所では一般的に表面復水器が多く用いられている。
4. 復水器の真空度を高くすると、発電所の熱効率が低下する。
5. 復水器の補機として、復水器内の空気を排出する装置がある。

2011年（平成23年）問3　過去問解説

1. 正しい
2. 正しい
3. 正しい
4. 復水器は真空度を高くすることで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の圧力差を大きくし、タービンの効率を高めることができます。
5. 正しい

答え (4)

2012年（平成24年）問2

次の文章は、汽力発電所のタービン発電機の特徴に関する記述である。
汽力発電所のタービン発電機は、水車発電機に比べ回転速度が（　ア　）なるため、（　イ　）強度を要求されることから、回転子の構造は（　ウ　）にし、水車発電機よりも直径を（　エ　）しなければならない。このため、水車発電機と同出力を得るために軸方向に（　オ　）することが必要となる。

上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、最も適切なものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
（１）	高く	熱的	突極形	小さく	長く
（２）	低く	熱的	円筒形	大きく	短く
（３）	高く	機械的	円筒型	小さく	長く
（４）	低く	機械的	円筒形	大きく	短く
（５）	高く	機械的	突極形	小さく	長く

2012年（平成24年）問2　過去問解説

汽力発電所のタービン発電機は、水車発電機に比べ回転速度が（　高く　）なるため、（　機械的　）強度を要求されることから、回転子の構造は（　円筒型　）にし、水車発電機よりも直径を（　小さく　）しなければならない。このため、水車発電機と同出力を得るために軸方向に（　長く　）することが必要となる。

答え (3)

2012年（平成24年）問3

汽力発電所の保護装置に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. ボイラ内の蒸気圧力が一定限度を超えたとき、蒸気を放出させ、機器の破損を防ぐ蒸気加減弁が設置されている。
2. ボイラ水の循環が円滑に行われないとき、水管の焼損事故を防止するため、燃料を遮断してバーナを消火させる燃料遮断装置が設置されている。
3. 蒸気タービンの回転速度が定格を超える一定値以上に上昇すると、自動的に蒸気止弁を閉じて、タービンを停止する非常調速機が設置されている。
4. 蒸気タービンの軸受油圧が異常低下したとき、タービンを停止させるトリップ装置が設置されている。
5. 発電機固定子巻線の内部短絡を検出・保護するために、比率差動継電器が設置されている。

2012年（平成24年）問3　過去問解説

1. 蒸気加減弁ではなく、安全弁の記述です。
2. 正しい
3. 正しい
4. 正しい
5. 正しい

答え (1)

2013年（平成25年）問3

汽力発電所における蒸気の作用及び機能や用途による蒸気タービンの分類に関する記述として、誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

1. 復水タービンは、タービンの排気を復水器で復水させて高真空とすることにより、タービンに流入した蒸気をごく低圧まで膨張させるタービンである。
2. 背圧タービンは、タービンで仕事をした蒸気を復水器に導かず、工場用蒸気及び必要箇所に送気するタービンである。
3. 反動タービンは、固定羽根で蒸気圧力を上昇させ、蒸気が回転羽根に衝突する力と回転羽根から排気するときの力を利用して回転させるタービンである。
4. 衝動タービンは、蒸気が回転羽根に衝突するときに生じる力によって回転させるタービンである。
5. 再生タービンは、ボイラ給水を加熱するため、タービン中間段から一部の蒸気を取り出すようにしたタービンである。

2013年（平成25年）問3　過去問解説

1. 正しい
2. 正しい
3. 反動タービンは、固定羽根と回転羽根を交互に配置し、固定羽根で圧力降下させて生じる衝動力と、回転羽根でも圧力を降下させその反動力を利用して回転させるタービンです。
4. 正しい
5. 正しい

答え (3)

2016年（平成28年）問2

次の文章は、発電所に用いられる同期発電機である水車発電機とタービン発電機の特徴に関する記述である。
水力発電所に用いられる水車発電機は直結する水車の特性からその回転速度はおおむね 100min^-1～1200min^-1 とタービン発電機に比べ低速である。したがって、商用周波数 50/60Hz を発生させるために磁極を多くとれる（　ア　）を用い、大形機では据付面積が小さく落差を有効に使用できる立軸形が用いられることが多い。タービン発電機に比べ、直径が大きく軸方向の長さが短い。
一方、火力発電所に用いられるタービン発電機は原動機である蒸気タービンと直結し、回転速度が水車に比べ非常に高速なため2極機又は4極機が用いられ、大きな遠心力に耐えるように、直径が小さく軸方向に長い横軸形の（　イ　）を採用し、その回転子の軸及び鉄心は一体の鍛造軸材で作られる。
水車発電機は、電力系統の安定度の面及び負荷遮断時の速度変動を抑える点から発電機の経済設計以上のはずみ車効果を要求される場合が多く、回転子直径がより大きくなり、鉄心の鉄量が多い、いわゆる鉄機械となる。
一方、タービン発電機は、上述の構造のため界磁巻線を施す場所が制約され、大きな出力を得るためには電機子巻線の導体数が多い、すなわち銅量が多い、いわゆる銅機械となる。
鉄機械は、体格が大きく重量が重く高価になるが、短絡比が（　ウ　）、同期インピーダンスが（　エ　）なり、電圧変動率が小さく、安定度が高く、（　オ　）が大きくなるといった利点をもつ。

上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

	（ ア ）	（ イ ）	（ ウ ）	（ エ ）	（ オ ）
（１）	突極機	円筒機	大きく	小さく	線路充電容量
（２）	円筒機	突極機	大きく	小さく	線路充電容量
（３）	突極機	円筒機	大きく	小さく	部分負荷効率
（４）	円筒機	突極機	小さく	大きく	部分負荷効率
（５）	突極機	円筒機	小さく	大きく	部分負荷効率

2016年（平成28年）問2　過去問解説

水力発電所に用いられる水車発電機は直結する水車の特性からその回転速度はおおむね 100min^-1～1200min^-1 とタービン発電機に比べ低速である。したがって、商用周波数 50/60Hz を発生させるために磁極を多くとれる（ 突極機 ）を用い、大形機では据付面積が小さく落差を有効に使用できる立軸形が用いられることが多い。タービン発電機に比べ、直径が大きく軸方向の長さが短い。
一方、火力発電所に用いられるタービン発電機は原動機である蒸気タービンと直結し、回転速度が水車に比べ非常に高速なため2極機又は4極機が用いられ、大きな遠心力に耐えるように、直径が小さく軸方向に長い横軸形の（ 円筒機 ）を採用し、その回転子の軸及び鉄心は一体の鍛造軸材で作られる。
水車発電機は、電力系統の安定度の面及び負荷遮断時の速度変動を抑える点から発電機の経済設計以上のはずみ車効果を要求される場合が多く、回転子直径がより大きくなり、鉄心の鉄量が多い、いわゆる鉄機械となる。
一方、タービン発電機は、上述の構造のため界磁巻線を施す場所が制約され、大きな出力を得るためには電機子巻線の導体数が多い、すなわち銅量が多い、いわゆる銅機械となる。
鉄機械は、体格が大きく重量が重く高価になるが、短絡比が（ 大きく ）、同期インピーダンスが（ 小さく ）なり、電圧変動率が小さく、安定度が高く、（ 線路充電容量）が大きくなるといった利点をもつ。

答え (1)