火力発電

火力発電所の定義

火力発電所とは、主に石炭を燃焼させて生じる熱エネルギーを利用して蒸気を生成し、その蒸気でタービンを駆動して電力を生成する施設を指します。

火力発電所の理論

火力発電所の理論は単純です。これらの発電所では、蒸気タービンが発電機と連結されて電力を生成します。蒸気は高圧ボイラーで生成されます。

一般的にインドでは、ビツミナス石炭、ブラウンコール、ピートがボイラーの燃料として使用されます。ビツミナス石炭には揮発成分が8〜33%、灰分が5〜16%含まれています。熱効率を向上させるために、石炭は粉状でボイラーに使用されます。

石炭火力発電所では、ボイラ炉内で燃料（微粉末石炭）を燃焼させることで高圧の蒸気が生成されます。この蒸気はさらに過熱器で加熱されます。

この過熱蒸気はその後タービンに入り、タービンの羽根を回転させます。タービンは発電機と機械的に連結されており、タービンの羽根が回転すると同時に発電機のローターも回転します。

蒸気がタービンに入ると、その圧力が急速に低下し、蒸気の体積が増大します。タービンローターにエネルギーを与えた後、蒸気はタービンの羽根からコンデンサーへと排出されます。コンデンサーでは、ポンプによって循環される冷水によって低圧の湿った蒸気が凝縮されます。

この凝縮された水はさらに低圧給水加熱器に供給され、そこで低圧蒸気によって給水の温度が上昇します。その後、再び高圧で加熱されます。よりよく理解するために、火力発電所の運転手順を以下に分解して説明します：

• まず、微粉末石炭が蒸気ボイラーの炉内に燃焼されます。

• ボイラー内で高圧の蒸気が生成されます。

• この蒸気はその後過熱器を通じてさらに加熱されます。

• この過熱された蒸気は高速でタービンに入ります。

• タービンでは、この蒸気の力がタービンの羽根を回転させ、つまりタービン内で高圧蒸気の潜在エネルギーが機械エネルギーに変換されます。

発電所のライン図

タービンの羽根が回転した後、蒸気は高圧を失い、タービンの羽根から排出され、コンデンサーに入ります。コンデンサーでは、ポンプによって循環される冷水によって低圧の湿った蒸気が凝縮されます。

この凝縮された水はさらに低圧給水加熱器に供給され、そこで低圧蒸気によって給水の温度が上昇します。その後、高圧加熱器で再び加熱されます。火力発電所のタービンは発電機の原動機として機能します。

火力発電所の概要

典型的な火力発電所は以下のサイクルで動作します。

作動流体は水と蒸気です。これを給水および蒸気サイクルと呼びます。火力発電所の動作が最も近似する理想的な熱力学的サイクルはランキンサイクルです。

蒸気ボイラーでは、燃料を空気中で燃焼させて水を加熱し、ボイラーの役割は必要な温度の乾燥超高温蒸気を供給することです。生成された蒸気は蒸気タービンを駆動するために使用されます。

このタービンは同期発電機（通常は三相同期発電機）と結合されており、電気エネルギーを生成します。

タービンからの排気蒸気は、タービンの蒸気コンデンサーで水に凝縮されます。これにより非常に低い圧力で吸引が行われ、蒸気はタービン内で非常に低い圧力まで膨張できます。

凝縮運転の主な利点は、1kgあたりの蒸気から抽出されるエネルギー量が増え、効率が向上すること、そして再利用される凝縮水が新鮮な給水量を減らすことです。

凝縮水と一部の新鮮な補給水は、ポンプ（ボイラー給水ポンプ）によって再びボイラーに供給されます。

コンデンサーでは、冷却水によって蒸気が凝縮されます。冷却水は冷却塔を経由して循環します。これが冷却水回路です。

大気中の空気はダストフィルターを通ってボイラーに導入されます。また、ボイラーからの排ガスは煙突を通じて大気に排出されます。これらが空気および排ガス回路を構成します。

ボイラー内の空気の流れと静圧（ドラフト）は、強制ドラフトファンと誘導ドラフトファンという2つのファンによって維持されます。典型的な火力発電所の全体的なスキームと異なる回路は以下の通りです。

ボイラー内部には、エコノマイザー、エバポレータ（上記の図には示されていませんが、基本的に水管、つまりダウンカマー・ライザ回路）、スーパーヒーター（場合によってはリヒーター、エアープリヒーターも存在します）などの様々な熱交換器があります。

エコノマイザーでは、給水が排ガスの残りの熱によって相当程度加熱されます。ボイラー・ドラムは、二相混合物（蒸気+水）の自然循環のためにヘッドを維持します。また、必要に応じて蒸気の温度を上昇させるためのスーパーヒーターもあります。

火力発電所またはプラントの効率

蒸気発電所の全体的な効率は、電力出力の熱当量と石炭の燃焼熱の比で定義されます。火力発電所またはプラントの全体的な効率は20％から26％の間で変化し、これはプラント容量によるものです。

火力発電所の利点

火力発電所の利点は以下の通りです：

• 他の発電所よりも初期コストが安価である。

• 水力発電所よりも必要な土地が少ない。

• 主燃料である石炭のコストがガソリンやディーゼルよりも安価であり、発電コストが経済的である。

• メンテナンスが容易である。

• 輸送と大量の水が利用可能な場所であればどこでも火力発電所を設置できる。

火力発電所の欠点

火力発電所の欠点は以下の通りです：

• 燃料やメンテナンスなどのため、火力発電所の運転コストは比較的高い。

• 大量の煙が大気汚染を引き起こす。火力発電所は地球温暖化の一因となっている。

• 火力発電所から排出される温水は水生生物に悪影響を与え、生態系を乱す。

• 火力発電所の全体的な効率は30％未満と低い。