火力発電所 – 構成要素、動作原理と立地選定
火力発電所とは何ですか？
エネルギー保存の法則によれば、エネルギーは創造されたり消滅したりすることなく、一つの形から別の形へと変換されるだけです。特に電気エネルギーは、様々なエネルギー源から得ることができます。大規模な電気エネルギーを生成するための施設は一般的に発電所または電力所と呼ばれています。
火力発電所は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するタイプの発電施設です。これらの発電所で使用される熱エネルギーは、石炭、ディーゼル、バイオ燃料、太陽エネルギー、原子力エネルギーなど多様なソースから供給されます。技術的には「火力発電所」という用語はさまざまな熱源を使用する発電所を指すことができますが、最も一般的には石炭を使用して熱を生成する発電所を指します。そのため、火力発電所は従来型の発電システムとみなされます。これらは蒸気タービン発電所や石炭火力発電所とも呼ばれます。
火力発電所の仕組み
火力発電所はランキン循環に基づいて動作します。これは熱を機械仕事に変換し、それを用いて電力を生成する基本的な熱力学サイクルです。以下に示す火力発電所の一線図は、その動作部品とプロセスを視覚的に表現しています。
火力発電所の内部構造とコンポーネント
動作プロセス
火力発電所では通常、大量の燃料、主に石炭が必要です。大量の石炭を輸送するため、通常は鉄道で運ばれ、専用の燃料保管エリアに保管されます。生の石炭はボイラーでの直接使用には大きすぎるので、粉砕機に送られ、より小さな扱いやすいサイズに破砕された後、ボイラーに搬送されます。
石炭だけでなく、ボイラー内の蒸気生成には大量の水も必要です。水はシステムに入る前に処理されます。様々なフィルターを通じて不純物と溶解した空気を取り除き、純度を確保します。処理された水はボイラードラムに送られます。ボイラードラム内では、石炭の燃焼によって生成された熱が水に伝わり、水は相転移を起こし蒸気に変わります。
生成された蒸気は高圧かつ高温であり、発電に適しています。この蒸気はスーパーヒーターに送られ、さらに加熱されて熱エネルギーを増加させます。スーパーヒートされた蒸気はタービンブレードに向かって導かれ、蒸気がタービンブレードを通過することで、その熱エネルギーはタービンによって機械的な回転エネルギーに変換されます。
タービンは共通の軸を介してアルタネータに機械的に結合されています。タービンが回転すると、アルタネータのロータを駆動します。アルタネータはこの機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。効率的に長距離に電気エネルギーを送電するために、トランスフォーマーを通過させて電圧を上げます。高電圧の電気は送電線を通じて電力網の末端ユーザー、つまり負荷に送られます。
タービンを通過した後の蒸気は低圧・低温となり、コンデンサーに導かれます。コンデンサーでは冷たい水が蒸気の周りを循環し、蒸気を液体状態に戻します。この凝縮過程により、蒸気から残りの熱が放出され、圧力と温度が効果的に低下します。このようにして水を回収することで、発電サイクルの効率が向上します。
凝縮された水は給水ポンプを使ってボイラーに戻され、再び加熱され蒸気になる準備が整います。これによりサイクルが完了します。一方、石炭の燃焼による副産物である灰はボイラーファuranceから除去されます。環境への影響を防ぐために、この灰の適切な処分は重要です。また、ボイラー内で石炭が燃焼すると排ガスが生成され、煙突を通じて大気中に排出されます。
主要コンポーネント
火力発電所は、発電プロセスを円滑に行うためにいくつかの重要なコンポーネントで構成されています：
ボイラー：火力発電所の中心部分で、石炭の燃焼が行われ、水に熱が伝えられて蒸気が生成されます。
タービン：高圧蒸気の熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換します。
スーパーヒーター：ボイラーで生成された蒸気の温度を上昇させ、より効率的な発電のためにエネルギー含量を増加させます。
コンデンサー：タービンからの排気蒸気を再度水に凝縮し、熱を回収しサイクルの効率を維持します。
エコノマイザー：排ガスの熱を利用して給水を予熱し、ボイラーの全体的なエネルギー消費を削減します。
給水ポンプ：コンデンサーから凝縮された水をボイラーに戻し、蒸気生成のための連続的な供給を確保します。
アルタネータ：タービンからの機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力網を通じて分配します。
煙突：石炭の燃焼時に生成された排ガスを制御された方法で大気中に放出します。
冷却塔：コンデンサーで使用された水の冷却を促進し、発電プロセスで再利用できるようにします。
火力発電所の構成要素、立地選定、および効率
火力発電所の主要コンポーネント
ボイラー
粉砕された石炭と予熱された空気はボイラーに送られ、ここが高圧蒸気を生成する中心的なコンポーネントとなります。その主な機能は、石炭に蓄えられた化学エネルギーを燃焼プロセスを通じて熱エネルギーに変換することです。ボイラー内で石炭が燃焼すると、水を蒸気に変えるのに十分な温度が達します。ボイラーのサイズは、火力発電所の熱要件によって直接決定されます。火力発電所では、ヘイコックボイラー、ワゴントップボイラー、火管ボイラー、円筒形火管ボイラー、水管ボイラーなど、様々な種類のボイラーが使用され、それぞれ独自の設計特性と運用上の利点を持っています。
タービン
ボイラーで生成された高圧かつ高温の過熱蒸気はタービンに導かれます。この蒸気がタービンブレードに当たると、タービンが動き始めます。タービンは、蒸気の熱エネルギーを回転運動エネルギーに変換するための高度に設計された機械装置です。タービンはシャフトを介してアルタネータと機械的に連結されており、タービンの回転がアルタネータのロータを駆動します。蒸気がタービンを通過すると、その温度と圧力が下がり、その後コンデンサーに送られてさらなる処理を受けます。
スーパーヒーター
蒸気タービンベースの発電システムにおいて、過熱蒸気は効率的なタービン動作に不可欠です。ボイラーから出る湿った飽和蒸気はスーパーヒーターに送られます。この装置は、蒸気を乾燥した過熱蒸気に変換し、その熱エネルギー含量を大幅に増加させる重要な役割を果たします。火力発電所のすべてのコンポーネントの中で、スーパーヒーターは最も高い温度で動作します。一般的に使用されるスーパーヒーターには、対流式スーパーヒーター（対流熱伝導）、放射式スーパーヒーター（放射熱伝導）、および別途加熱されるスーパーヒーターがあります。ボイラーで生成された蒸気の温度を高めることで、スーパーヒーターは発電プロセス全体の効率を向上させます。
コンデンサー
蒸気がタービンを通過し、その温度と圧力が下がった後、排気蒸気は発電サイクルに再利用されます。タービンの効率を最適化するためには、この蒸気を凝縮し、適切な真空を作り出す必要があります。コンデンサーは、動作圧力を下げることで真空レベルを上げ、蒸気の体積を拡大させます。これにより、タービンでより多くの仕事を蒸気から引き出すことができ、発電所全体の効率が向上し、タービンの出力も増加します。
エコノマイザー
エコノマイザーは、発電所のエネルギー消費を最小限に抑えるための特殊な熱交換器です。ボイラーから排出される排ガスには熱エネルギーが豊富に含まれています。エコノマイザーは、これらの排ガスの熱を利用して水を予熱します。コンデンサーから回収された水は給水ポンプによってエコノマイザーに送られ、ここで排ガスの熱を吸収して温度を上げます。その後、ボイラーに入ります。排ガスの廃熱を再利用することで、エコノマイザーは発電サイクル全体の効率を大幅に向上させます。
給水ポンプ
給水ポンプはボイラーに水を供給する役割を担っています。水源はコンデンサーからの凝縮水または新鮮な水のいずれかです。このポンプは水圧を上げ、ボイラーの要件を満たすための連続的かつ適切な供給を確保します。一般的に、給水ポンプには遠心式または容積式があり、それぞれ性能と効率の面で独自の利点があります。
アルタネータ
タービンはシャフトを介してアルタネータと機械的に連結されており、発電プロセスにおいて重要な役割を果たします。蒸気の力でタービンが回転すると、アルタネータのロータを駆動します。この回転により電磁場が誘導され、電気エネルギーが生成されます。実質的に、アルタネータはタービンの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換するコンバータとして機能し、生成された電気エネルギーは電力網を通じて送電および配電されます。
煙突
石炭を燃料とするほとんどの火力発電所では、ボイラー内の燃焼プロセスにより排ガスが生成されます。煙突はこれらの排ガスを安全に大気中に排出するための通路を提供します。その動作は自然通風とスタック効果に基づいています。熱い空気は密度が低いので上昇し、排ガスを上に引き上げるドラフトを作ります。煙突の高さは重要な要素であり、高い煙突ほど強いドラフトを生成し、ガスの分散をより効率的にします。
冷却塔
名前の通り、冷却塔は主に廃熱を大気中に放出するためのものです。様々な熱伝達方法を用いて、冷却塔は水の熱を蒸発させ、再利用可能なより冷たい水を生成します。コンデンサーで凝縮された水は冷却塔に送られます。熱交換効率を高めるために、強制通風冷却塔が火力発電所で一般的に使用され、空気が塔の底から頂部まで循環します。
火力発電所の立地選定基準
燃料の入手可能性
ほとんどの火力発電所で石炭が主な燃料であり、大規模な電力生成には大量の石炭が必要です。そのため、発電所を石炭鉱近くに設置することは非常に有利です。これにより輸送コストが大幅に削減され、発電プロセスが経済的に実現可能になります。
輸送施設
火力発電所には多数の大規模な機械や設備が配置されています。そのため、発電所の立地は優れた輸送インフラを持つ地域を選択する必要があります。信頼性のある鉄道または道路輸送は、石炭の効率的な移動、新しい設備の搬入、作業員、技術者、エンジニアの輸送に不可欠です。また、近隣での公共交通手段の利用可能性は、発電所の労働力にとって便利なアクセスを確保します。
水の入手可能性
火力発電所では、高圧・高温の蒸気を生成するため大量の水が必要です。そのため、発電所は川沿いや安定した豊富な水供給がある場所に設置する必要があります。
土地の入手可能性
火力発電所の建設には広大な土地が必要です。また、土地のコストも適正であるべきです。立地を選択する際には、将来の拡張を見据えた計画も考慮する必要があります。発電所には重機が配置されるため、地面は十分な耐荷重能力を持ち、設備を支えるための堅牢な基礎が必要です。
人口密集地からの距離
火力発電所は運転中に排ガス、灰、塵、煙を排出し、これらは人間の健康に重大なリスクをもたらし、周辺の大気や土地に環境汚染を引き起こします。これらの影響を最小限に抑えるために、発電所は都市部、住宅地、農地から離れた場所に設置する必要があります。また、アルタネータ、トランスフォーマー、ファン、タービンなどの機械から発生する騒音も、発電所を遠隔地に配置する必要性を強調しています。
灰処理施設
石炭の燃焼により灰が生成され、これは総石炭消費量の約30〜40%を占めます。適切な灰処理は極めて重要です。灰はボイラーファンスの底部から集められ、一部は排ガスによって運ばれます。灰の有効な管理には、底灰処理システムと飛灰処理システムという2つの主要な灰処理システムが採用されます。発電所の立地には、灰の安全かつ環境に優しい処分に適した施設が必要です。
負荷中心への近接性
アルタネータで生成された電気エネルギーは、パワートランスフォーマーによって電圧を上げ、送電線を通じて負荷中心に送られます。発電所を負荷中心に近い場所に設置することで、送電コストと損失が削減され、電力の効率的かつコスト効果的な配布が可能になります。
火力発電所の効率
火力発電所では、電力生成には複数のエネルギ変換ステージが関与します。まず、石炭の化学エネルギーが熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーは次に運動エネルギーまたは機械エネルギーに変換され、最終的に電気エネルギーに変換されます。これらの複数のエネルギ変換プロセスにより、火力発電所の全体的な効率は比較的低く、通常20〜29%の範囲です。
火力発電所の効率は、発電所の規模や使用される石炭の品質など、さまざまな要因によって影響されます。発電プロセス中には、コンデンサーで大量の熱エネルギーが失われます。火力発電所の評価には、以下の2つの主要な効率指標が使用されます：
熱効率
熱効率は、ボイラー内で石炭の燃焼によって放出される総熱エネルギーに対するタービンで利用可能な機械エネルギー（熱量換算）の比として定義されます。これは、石炭の燃焼熱エネルギーをタービンの有用な機械仕事に変換する効果を測定します。
熱効率
火力発電所は通常、約30%の熱効率を達成します。生成された総熱エネルギーの約50%がコンデンサーで無駄に散逸されます。残りの熱エネルギーは、煙突から排出される排ガスや石炭の燃焼中に生成される灰などを通じて失われます。コンデンサーでの大量の熱損失と他のチャネルでの熱損失は、従来型の火力発電プロセスの固有の非効率性を強調しています。
全体効率
火力発電所の全体効率は、石炭の燃焼中に放出される総熱エネルギーに対する電力出力の熱量相当値の比として計算されます。この指標は、発電所のパフォーマンスを包括的に測定し、石炭に蓄えられた初期の化学エネルギーから電力網に送られる最終的な電気エネルギーまでのすべてのエネルギ変換ステージを考慮しています。これは、発電所が石炭のエネルギーを有用な電力に変換する効果を示し、複雑な発電プロセス中の各ステップでの損失を考慮しています。
火力発電所の全体効率
火力発電所の全体効率は、発電サイクル全体で発生するすべての損失を包含しています。これは石炭の燃焼、熱伝達プロセス、蒸気タービンの動作、そして重要なのはアルタネータのパフォーマンス（機械エネルギーを電気エネルギーに変換する）を含みます。これらの各ステージは全体的なエネルギ損失に貢献し、結果として石炭に含まれる初期エネルギのうちどれだけが実際に有用な電力に変換されるかを決定します。
火力発電所の全体効率は、その規模と発電容量（通常はメガワット[MW]で測定）と密接に関連しています。一般的には、発電所の容量と効率の間に直接的な相関関係があります：容量が低い発電所は通常、全体的な効率が低い傾向があります。小規模な発電所は、大規模な発電所が持つ経済性と最適化された設計特性を欠いたり、各発電プロセスの段階で相対的にエネルギー損失が大きくなるため、燃料あたりの電力生成量が減少します。
