蒸気タービン技術：効率的発電を牽引

蒸気タービンと発電

蒸気タービンは、加圧蒸気の熱エネルギーを有用な機械仕事に変換する機械装置です。発電所の心臓部です。高い熱力学効率と低い出力重量比を持ちます。その熱力学効率の大部分は、蒸気膨張に複数段を用いることで、理想的な可逆プロセスにより近づけることから導かれます。蒸気タービンは、発電機を駆動するために使用される最も汎用性が高く、最も古い原動機技術の一つです。蒸気タービンを用いた発電は100年以上使用されてきました。ターボ発電機は、タービンと発電機を直接接続して電力を生成する組み合わせです。大型蒸気発電機が電力の大部分を供給しています。

蒸気タービンは、高効率と低コストのため、発電所で使用される非常に大規模な電力構成に理想的です。発電所では、蒸気タービンが発電機に接続されて電力を生成。タービンはシステムの機械的側面として発電機に回転運動を提供し、発電機は電気・磁気の法則を用いて電力を生成する電気的側面として機能します。

蒸気タービンでは、ローターは車輪と翼を備えた回転部品です。翼は蒸気からエネルギーを抽出する部品です。化石燃料焚き蒸気タービンベース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発電の概略図

エネルギー変換プロセス

蒸気には以下の3つのエネルギー成分があります。

• 運動エネルギー — 速度による
• 圧力エネルギー — 圧力による
• 内部エネルギー — 温度による

後者2つのエネルギー成分を合わせてエンタルピーと呼びます。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和で表せます。

蒸気タービンを用いた発電は、燃料から熱エネルギーを抽出して蒸気を生成し、蒸気の熱エネルギーをタービンで運動エネルギーに変換し、回転発電機でタービンの機械エネルギーを電気エネルギーに変換するという3段階のエネルギー変換を含みます。

高圧蒸気がタービンに供給され、機軸に沿って固定翼と可動翼が交互に配列された複数列を通過します。蒸気入口から排気点に向かって、翼とタービン空洞は蒸気膨張に対応して徐々に大きくなります。

固定翼はノズルとして働き、蒸気が膨張して速度増大・圧力低下して出現します（ベルヌーイのエネルギー保存則：運動エネルギー増大は圧力エネルギー減少に対応）。蒸気が動翼に衝突すると、その運動エネルギーの一部を動翼に伝達します。

タービンは凝縮、非凝縮、再熱、抽出、誘導型があります。凝縮タービンは発電所で一般的。これらは品質約90%、大気圧よく下の圧力で部分凝縮状態で蒸気を排気し、復水器へ送ります。非凝縮タービンは背圧タービンとしても知られ、プロセス蒸気用途で最も広く使用。排気圧力は調整弁で制御され、プロセス蒸気圧力需要に適合。大量の低圧プロセス蒸気が必要な産業で一般的。再熱タービンもほぼ専ら発電所で使用。再熱タービンでは、蒸気流がタービン高圧部から出てボイラーに戻り、追加過熱が与えられ、中圧部に戻って膨張継続。抽出タービンでは、1つ以上の段から、1つ以上の圧力で、加熱、プラントプロセス、給水加熱需要のために蒸気を抽出。これらは抽気タービンとしても知られる。抽出流量は弁で制御されるか、制御なしで放置。誘導タービンは中間段に低圧蒸気を導入して追加動力を生成。

基本的な蒸気タービンタイプは衝動タービンと反動タービンの2種類です。翼は蒸気がタービンを通過する際の速度、方向、圧力を制御するように設計されています。

衝動型では、ローターは翼への蒸気力で回転し、反動型では蒸気が翼を離れる際の反力でローターが回転力を得ます。

タービン効率を最大化するため、蒸気は複数段で膨張し仕事を生成。これらの段はエネルギー抽出方法によって特徴づけられ、衝動段または反動段として知られます。ほとんどの蒸気タービンは反動と衝動設計の混合を使用。各段はどちらかとして振る舞うが、全体として両方を使用。通常、高圧段は衝動型、低圧段は反動型。

衝動タービンは固定ノズルを備え、蒸気流を高速ジェットに導く。これらのジェットは大きな運動エネルギーを含み、バケット形状のローター翼で蒸気ジェットが方向変換する際に軸回転に変換。圧力低下は固定翼のみで起こり、段を通じて蒸気速度が正味増大。蒸気がノズルを通過すると圧力が入口圧力から出口圧力（大気圧、通常は復水器真空）まで低下。この高い蒸気膨張比により、蒸気は非常に高速でノズルを出る。動翼を出る蒸気はノズル出口時の最大速度の大部分を保持。この高い出口速度によるエネルギー損失は一般にキャリーオーバー速度または出口損失と呼ばれる。

反動タービンでは、ローター翼自体が収束ノズルを形成するように配置される。このタイプは、ローターで形成されるノズルを蒸気が加速通過する際に生じる反力を利用。蒸気は固定子の固定翼でローターへ導かれ、ローター全周を満たすジェットとして固定子を出る。蒸気は方向を変え、翼速度に対する相対速度を増大。圧力低下は固定子とローター両方で起こり、固定子で加速・ローターで減速し、段を通じて蒸気速度の正味変化なしだが、圧力と温度が低下し、ローター駆動で行われた仕事を反映。

2種類のタービンを図2に示します。

図2 タービンタイプ

図3はボイラー蒸気タービンサイクルを要約しています。

図3 単純ボイラー蒸気タービンサイクル

蒸気タービンは、図4に示すランキンサイクルを用いた熱力学基本原理で動作。ボイラーを出た過熱蒸気が高温高圧でタービンに入る。高温高圧蒸気がノズル（衝動型の固定ノズル、反動型の固定翼）で運動エネルギーに変換。ノズルを出た蒸気は高速で移動し、タービン翼へ送られる。蒸気圧力による翼への力で翼が移動。軸に発電機等を取り付け、蒸気にあったエネルギーを蓄積・利用可能。ガスは入口より低温低圧の飽和蒸気としてタービンを出て、復水器へ送られ冷却される。

図4 ランキンサイクルのT-s線図

タービンからの排気蒸気は復水器で水に凝縮され、蒸気から潜熱を抽出。これにより蒸気体積がゼロになり、圧力がほぼ真空まで劇的に低下、タービン全体の圧力降下を増大させ、蒸気から最大エネルギー抽出を可能にする。復水は給水としてボイラーに戻され再利用。

ガバナーはタービン速度を制御する装置。タービンを徐々に立ち上げて損傷防止、交流電力生成に精密速度制御が必要なため、ガバナーによる速度制御は必須。タービンローターの無制御加速は過速トリップを引き起こし、タービンへの蒸気流量を制御するノズル弁が閉じる。これが失敗するとタービンは破壊的なまでに加速し続ける可能性。現代タービンは、ローター歯を「見る」センサーでタービン速度を監視する電子ガバナーを備える。

蒸気タービンは発電機を駆動し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換。発電機は回転界磁同期機。蒸気タービンは発電機と直接結合。発電機は電力系統周波数に応じた一定同期速度で回転必須。最も一般的速度は50Hz系統で3000RPM。これら大容量発電機のエネルギー変換効率は、非常に大型機で98〜99%に達する。