ランキンサイクル効率改善技術

蒸気発電所は、アジア太平洋地域における総発電量の主幹をなしています。したがって、効率をわずかに向上させることでも、燃料節約や温室ガス排出量の削減に大きな影響があります。

したがって、蒸気発電サイクルの効率を高める方法を見つける機会を逃さないようにするべきです。

いかなる改善または改良の背後にある考え方は、発電所の熱効率を高めることです。したがって、熱効率改善技術は以下の通りです：

• 凝縮器内の作動流体（蒸気）から熱が放出される平均温度を下げることにより。（凝縮器圧力の低下）

• タービンに入る蒸気の温度を上げることにより

凝縮器圧力の低下

蒸気はタービンを出て、凝縮器に入ります。このとき、蒸気は凝縮器内の対応する圧力に対応する飽和混合物となります。凝縮器圧力を下げるとは常に、タービン内でより多くのネットワークを提供するのに役立ちます。これは、タービン内で蒸気がさらに膨張することが可能になるためです。

T-s図を使用すると、凝縮器圧力を下げたことによるサイクル性能への影響を確認し理解することができます。

凝縮器圧力低下のポジティブな効果

高い効率の恩恵を得るためには、ランキンサイクルは通常大気圧以下で動作しなければなりません。しかし、凝縮器圧力の下限は、その地域の飽和圧力に対応する冷却水温度によって定義されます。

上記のT-s図では、凝縮器圧力をP4からP4’に下げたことによるネットワーク出力の増加が色付けされた領域で容易に確認できます。

凝縮器圧力低下のネガティブな効果

凝縮器圧力を下げることは、何らかの副作用なしには実現できません。したがって、以下は凝縮器圧力を下げることによる不利な効果です：

• 凝縮器圧力低下の影響による凝縮液再循環温度の低下により、ボイラーでの追加の熱投入

• 凝縮器圧力を下げると、タービンの最終膨張段階での蒸気の水分含有量が増加する可能性があります。タービンの後半段階での蒸気の乾燥度分数の減少は望ましくありません。これは、効率の微小な低下とタービンブレードの侵食につながるからです。

凝縮器圧力低下の純粋な効果

全体的な純粋な効果は、よりポジティブな方向に向かっています。ボイラーでの熱投入要求の増加は僅少ですが、凝縮器圧力の低下によるネットワーク出力の増加は大きいからです。また、タービンの後半段階での蒸気の乾燥度分数は10-12％を超えて下がらないように制御されています。

蒸気をより高い温度まで過熱する

過熱とは、ボイラー内の圧力を一定に保ちながら、蒸気に対して熱を伝達して蒸気をより高い温度まで過熱することです。

上記のT-s図の色付けされた領域は、蒸気の過熱温度の増加によるネットワーク出力（3-3’-4’-4）の増加を明確に示しています。

エネルギーとしての追加の熱投入は、サイクルから仕事として出ていきます。つまり、追加の熱投入と熱放出を超える仕事出力の増加があるため、ランキンサイクルの熱効率は蒸気温度の増加により向上します。

蒸気温度を上げることのポジティブな効果

蒸気温度を上げることの一つの望ましい効果は、タービンの最後の段階での蒸気の水分パーセントが増えないようにすることです。この効果は、上記のT-s図（図2）で容易に確認できます。

蒸気温度を上げることのネガティブな効果

蒸気温度を上げることは、小さな熱投入の増加をもたらします。蒸気を過熱して発電サイクルで使用できる限度があります。これらの制限要因は、高温での金属学的耐性と経済的妥当性に関連しています。

現在、超臨界発電ユニットでは、タービン入口の蒸気温度は約620oCです。蒸気温度をさらに上げる決定は、金属学的な適切な調査とコスト評価を行った上で慎重に行う必要があります。

蒸気温度を上げることの純粋な効果

T-s図（図2）から、温度上昇の純粋な効果はよりポジティブな方向に傾いています。ネットワーク出力の増加が熱投入の増加と若干の熱放出の増加を上回るため、信頼性と経済的妥当性を考慮した上で蒸気温度を上げることは常に有益です。

亜臨界パラメータでのボイラー圧力の増加

別の方法として、ランキンサイクルの効率を上げるために、ボイラーの運転圧力を上げることができます。これにより、ボイラー内での沸騰温度が関連し、サイクルの熱効率が上がります。
T-s図を使用すると、ボイラー圧力の増加がサイクルの性能に及ぼす影響を明確に確認し理解することができます。

ボイラー圧力の増加により、ランキンサイクルは図3のT-s図のように少し左にシフトします。これにより、以下のような結論が導き出されます：

• 上記の図のピンク色の塗りつぶされた領域に示されるように、ネットワークの大幅な増加。

• サイクルが少し左にシフトするため、タービンでの蒸気の膨張中のネットワークの減少。（上記の図3の灰色の塗りつぶされた部分参照）

• 冷却水への熱放出の減少。凝縮器。

したがって、これらの措置により、サイクルの熱効率が大幅に向上します。

超臨界パラメータでのボイラー圧力の増加

ランキンサイクルの熱効率を上げるために、現在の蒸気発生器では超臨界圧力が使用されています。蒸気発生器が22.06Mpa以上で動作する場合、これらの蒸気発生器は超臨界蒸気発生器と呼ばれ、発電所は超臨界発電所と呼ばれます。高い運転圧力により、これらの発電所は高い効率で知られています。

再熱ランキンサイクル

再熱ランキンサイクルは、タービンの最後の段階での蒸気の水分含量を犠牲にすることなく、高いボイラー圧力でのサイクル効率の向上を利用するためのものです。

再熱サイクルにより、タービンの最後の段階での蒸気の乾燥度分数を犠牲にすることなく、高いサイクル効率が可能です。これは、蒸気をタービンで二段階に拡張し、間に再熱することで可能になります。再熱は、タービンの最後の段階での過剰な水分問題を扱う実用的な方法です。

理論的な最後の段階の水分削減方法

理論的には、蒸気がタービンに入る前に蒸気をより高い温度まで過熱する方法がありますが、620oCを超えると、高蒸気温度の取り扱いに関する金属学的な制限により、それ以上の増加は不可能です。インドで稼働している超臨界発電所では、入力蒸気温度が約593oCとなっています。

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