蒸気タービンと発電

蒸気タービンと発電

蒸気タービンは、加圧された蒸気の熱エネルギーを有用な機械的仕事に変換する機械装置です。それは発電所の心臓部です。熱力学的効率が高く、パワーウェイトレシオが低くなっています。蒸気の膨張に複数の段階を使用するため、熱力学的効率の大部分が得られ、理想的な可逆プロセスに近づくことができます。蒸気タービンは、発電機を駆動するために使用されている最も用途が広く、最も古い原動機技術の1つです。蒸気タービンを使用した発電は100年以上使用されています。タービン発電機は、発電用の発電機に直接接続されたタービンの組み合わせです。大型の蒸気発電機が電力の大部分を供給します。

蒸気タービンは、効率が高く、コストが低いため、発電所で使用される非常に大規模な電力構成に最適です。発電所では、蒸気タービンが発電機に取り付けられて電力を生成します。タービンは発電機に回転運動を提供することでシステムのより機械的な側面として機能し、発電機は電気と磁気の法則を利用して電力を生成することで電気的な側面として機能します。

蒸気タービンのローターは、ホイールとブレードが取り付けられた回転部品です。ブレードは、蒸気からエネルギーを抽出するコンポーネントです。発電用の化石燃料を動力源とする蒸気タービンベースの発電所の典型的な概略図を図1に示します

図1蒸気タービンベースの発電の概略図

エネルギー変換プロセス

蒸気には、エネルギー成分の次の3つの成分があります

• 運動エネルギー–その速度による
• 圧力エネルギー–その圧力による
• 内部エネルギー–その温度による

エネルギーの最後の2つの要素は、一緒にエンタルピーとして知られています。蒸気の総エネルギーは、運動エネルギーとエンタルピーの合計として表すことができます。

蒸気タービンを使用したエネルギー生成には、燃料から熱エネルギーを抽出して蒸気を発生させるためのエネルギー変換、タービン内での蒸気の熱エネルギーの運動エネルギーへの変換、およびタービンの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するための回転式発電機の使用という3つのエネルギー変換が含まれます。 。

高圧蒸気はタービンに供給され、機械軸に沿って交互に固定され移動するブレードの複数の列を通過します。タービンの蒸気入口ポートから排気ポイントに向かって、ブレードとタービンキャビティは徐々に大きくなり、蒸気の膨張を可能にします。

静止ブレードは、蒸気が膨張し、速度は上がるが圧力は低くなるノズルとして機能します（ベルヌーイのエネルギー保存の法則、つまり、圧力エネルギーが低下すると運動エネルギーが増加します）。蒸気が動いているブレードに衝突すると、その運動エネルギーの一部が動いているブレードに与えられます。

タービンは、凝縮型、非凝縮型、再加熱型、抽出型、または誘導型にすることができます。復水タービンは、発電所で一般的に使用されています。これらのタービンは、部分的に凝縮された状態で、通常は90％に近い品質で、大気圧よりかなり低い圧力で復水器に蒸気を排出します。非凝縮タービンは背圧タービンとしても知られており、プロセス蒸気用途に最も広く使用されています。排気圧力は、プロセス蒸気圧力のニーズに合わせて調整バルブによって制御されます。これらは、大量の低圧プロセス蒸気が必要な産業で一般的に使用されます。再熱タービンは、ほとんどが発電所でのみ使用されています。再熱タービンでは、蒸気流はタービンの高圧セクションから出てボイラーに戻され、そこで追加の過熱が追加されます。その後、蒸気はタービンの中圧セクションに戻り、膨張を続けます。抽出タービンでは、蒸気は、加熱、プラントプロセス、または給水加熱器のニーズのために、1つまたは複数の圧力で1つまたは複数のステージから引き出されます。これらのタービンは、ブリーダータービンとしても知られています。抽出フローは、バルブで制御することも、制御しないままにすることもできます。誘導タービンは、中間段階で低圧蒸気を導入して追加の出力を生成します。
蒸気タービンには、インパルスタービンとリアクションタービンの2つの基本的なタイプがあります。ブレードは、タービンを通過する蒸気の速度、方向、および圧力を制御するように設計されています。

インパルス設計では、ブレードにかかる蒸気の力によってローターが回転しますが、リアクション設計では、ローターがブレードを離れるときに蒸気から回転力を引き出すという原理に基づいて動作します。

タービン効率を最大化するために、蒸気はいくつかの段階で膨張し、仕事を生み出します。これらのステージは、エネルギーがステージからどのように抽出されるかによって特徴付けられ、インパルスタービンまたはリアクションタービンとして知られています。ほとんどの蒸気タービンは、リアクションとインパルスの設計を組み合わせて使用​​します。各ステージはどちらか一方として動作しますが、タービン全体では両方を使用します。通常、高圧セクションはインパルスタイプで、低圧ステージはリアクションタイプです。
インパルスタービンには、蒸気の流れを高速ジェットに向ける固定ノズルがあります。これらのジェットにはかなりの運動エネルギーが含まれており、蒸気ジェットの方向が変わると、バケットのような形状のローターブレードによってシャフトの回転に変換されます。圧力降下は静止ブレード全体でのみ発生し、ステージ全体の蒸気速度が正味増加します。蒸気がノズルを通って流れると、その圧力は入口圧力から出口圧力（大気圧、またはより一般的には復水器の真空）に低下します。蒸気のこの高い膨張率のために、蒸気は非常に高速でノズルを出ます。可動ブレードを出る蒸気は、ノズルを出るときの蒸気の最大速度の大部分を占めます。この高い出口速度によるエネルギーの損失は、一般にキャリーオーバー速度または離脱損失と呼ばれます。

反応タービンでは、ローターブレード自体が収束ノズルを形成するように配置されています。このタイプのタービンは、蒸気がローターによって形成されたノズルを通って加速するときに生成される反力を利用します。蒸気は、ステータの固定ベーンによってローターに送られます。それは、ローターの全周を満たすジェットとしてステーターを離れます。次に、蒸気は方向を変え、ブレードの速度に比べて速度を上げます。圧力降下はステーターとローターの両方で発生し、蒸気はステーターを介して加速し、ローターを介して減速します。ステージ全体の蒸気速度は正味変化しませんが、圧力と温度の両方が低下します。ローターの駆動。

2種類のタービンを図2に示します。

図2タービンの種類

図3の図は、ボイラー蒸気タービンサイクルをまとめたものです。

図3単純なボイラー蒸気タービンサイクル

蒸気タービンは、図4に示すように、ランキンサイクルを使用して熱力学の基本原理に基づいて動作します。ボイラーを出た後、過熱蒸気は高温高圧でタービンに入ります。高圧/高圧蒸気は、ノズル（インパルス型タービンの固定ノズルまたはリアクション型タービンの固定ブレード）を使用して運動エネルギーに変換されます。蒸気がノズルを出ると、それは高速で移動し、タービンのブレードに送られます。ブレードにかかる蒸気の圧力によってブレードに力が発生し、ブレードが移動します。発電機または他のそのような装置をシャフトに配置することができ、蒸気にあったエネルギーを貯蔵して使用することができます。ガスは、タービンに流入した温度と圧力よりも低い温度と圧力で飽和蒸気としてタービンを出て、復水器に送られ、冷却されます。

図4ランキンサイクルのT-s図

タービンからの排気蒸気は、蒸気から気化潜熱を抽出する復水器で水に凝縮されます。これにより、蒸気の量がゼロになり、圧力が真空に近い状態まで劇的に低下し、タービン全体の圧力降下が増加して、蒸気から最大量のエネルギーを抽出できるようになります。その後、凝縮水は給水としてボイラーにポンプで戻され、再び使用されます。

ガバナはタービンの速度を制御する装置です。タービンは損傷を防ぐためにゆっくりと運転する必要があり、AC電力の生成には正確な速度制御が必要であるため、ガバナを使用したタービンの速度制御が必要です。タービンローターの制御されていない加速は、過速度トリップにつながる可能性があり、これにより、タービンへの蒸気の流れを制御するノズルバルブが閉じます。これが失敗した場合、タービンは、しばしば壊滅的に崩壊するまで加速し続ける可能性があります。最新のタービンには、センサーを使用してローターの歯を「見る」ことでタービン速度を監視する電子ガバナがあります。

蒸気タービンは発電機を駆動し、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換します。発電機は回転磁界同期機です。蒸気タービンは発電機に直接接続されています。発電機は、電力システムの周波数に応じて一定の同期速度で回転する必要があります。最も一般的な速度は、周波数50Hzの電力システムの3,000RPMです。これらの大容量発電機のエネルギー変換効率は、非常に大型の機械では98％または99％にもなる可能性があります。