【電験3種・電力】火力発電所の種類、仕組み、熱力学の基礎に関する試験対策と過去問題

電験3種（電力）で出題される火力発電所の種類、仕組み、熱力学の基礎に関する試験対策と過去問題について詳しく解説します。

火力発電所の種別

汽力発電所
- 給水ポンプ、ボイラ、加熱器で高温高圧の蒸気を作り、タービン内に放出して膨張させてタービンを回転させる。
- 仕事をした低温低圧の水蒸気は水に戻って再び給水ポンプに送られる。
内燃力発電所
- 内燃機関(ディーゼル機関等)で回転させて発電。
ガスタービン発電所
- 燃焼時のガスでタービンを回転させて発電。
- 燃焼用空気は、空気圧縮機→燃焼器→ガスタービン→排熱回収ボイラを経て、排ガスとして煙突から排出される(蒸気タービンは経由しないことに注意。過去出題)。
- ガスタービン入口温度が高いほど熱効率が高い。
- タービン発電機の水素冷却方式
  - 水素ガスは、空気に比べ比熱が大きいため冷却効率が高い。
  - 水素ガスは、空気に比べ比重が小さいため風損が小さい。
  - 水素ガスは、不活性であるため，絶縁物への劣化影響が少ない。
  - 水素ガス圧力を高めると大気圧の空気よりコロナ放電が生じ難くなる。
  - 水素ガスと空気を混合した場合、水素ガス濃度が一定範囲内になると爆発の危険性があるので、，これを防ぐため自動的に水素ガス濃度を90%以上に維持している。
  - 通常運転中、発電機内の水素ガスが軸に沿って機外に漏れないように軸受の内側に油膜によるシール機能を備えており、機内からの水素ガスの漏れを防いでいる。
コンバインドサイクル発電所
- 汽力発電所、ガスタービン発電所を組合せて効率よく発電。
- 同容量の汽力発電に比べて以下の特徴をもつ。
  - 熱効率が高い
  - 起動・停止時間が短く、負荷追従性が高い。
    - (理由)蒸気タービンの出力分担が小さく、蒸気タービンの使用水量が少ないため
  - 復水器の冷却水量が少ない。
    - (理由)蒸気タービンの出力分担が小さく、蒸気タービンの使用水量も少ないため
  - 最大出力が外気温度の影響を受けやすい。
    - (理由)気温が上昇すると、空気も膨張し、ガスタービン入口の空気密度が下がるため、最大出力が下がるため。
  - 所内率が小さい(電験3種で出題)。
    - (理由)大型所内補機(環境対策設備、通風機等)が少ないため。
  - 部分負荷時の熱効率の低下が小さい。
    - (理由)部分負荷に対応するための単位ユニットの運転台数の増減が可能なため。
- 高効率化の方法
  - ガスタービンの入口ガス温度を高くする。
    - 燃焼器やタービン翼などに用いられる耐熱材料の開発や部品の冷却技術の向上が重要。
    - 窒素酸化物の低減が必要。
  - 空気圧縮機の出口と入口の圧力比を増加させる。