《電力》〈火力〉[R4上:問2]火力発電所のタービン発電機に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，火力発電所のタービン発電機に関する記述である。

火力発電所のタービン発電機は，\( \ 2 \ \)極の回転界磁形三相\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)発電機が広く用いられている。\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)強度の関係から，回転子の構造は\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)で直径が\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)。発電機の大容量化に伴い冷却方式も工夫され，大容量タービン発電機の場合には密封形\( \ \fbox {　 （オ） 　} \ \)冷却方式が使われている。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
\[
\begin{array}{cccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） & （オ） \\
\hline
(1) & 　同期　 & 　熱的　 & 　突極形　 & 　小さい　 & 　窒素　 \\
\hline
(2) & 　誘導　 & 　熱的　 & 　円筒形　 & 　大きい　 & 　水素　 \\
\hline
(3) & 　同期　 & 　機械的　 & 　円筒形　 & 　小さい　 & 　水素　 \\
\hline
(4) & 　誘導　 & 　機械的　 & 　突極形　 & 　大きい　 & 　窒素　 \\
\hline
(5) & 　同期　 & 　機械的　 & 　突極形　 & 　小さい　 & 　窒素　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

火力発電所におけるタービン発電機の構造に関する問題です。
タービン発電機は\( \ 2 \ \)極機を採用することが多く回転速度が大きいため，遠心力が大きくなり，その遠心力に耐えうる構造にしなければなりません。
できるだけ丸暗記ではなく，このように中身を理解しながら勉強を進めていくようにして下さい。

1.水車発電機とタービン発電機の比較
水車発電機は回転数を大きくしすぎるとキャビテーションの発生等により振動が発生したり，エロ―ジョンが発生したりするため，回転数を大きくするには限界があります。一方，タービン発電機は発電機をできるだけ軽量かつコンパクトにして経済的にするため，回転数を大きくします。この特徴の違いにより，以下の表のような違いがあります。

\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
& 水車発電機 & タービン発電機 \\
\hline
回転速度(\mathrm {min}^{-1}) & 　100～1200　 & 　1500～3600　 \\
\hline
極数 & 6～32 & 2～4 \\
\hline
回転子 & 突極形 & 円筒形 \\
\hline
軸方向 & 縦 & 横 \\
\hline
短絡比 & 大きい & 小さい \\
\hline
同期インピーダンス & 小さい & 大きい \\
\hline
電圧変動率 & 小さい & 大きい \\
\hline
安定度 & 高　い & 低　い \\
\hline
線路充電容量 & 大きい & 小さい \\
\hline
\end{array}
\]

2.水素冷却発電機の特徴
水素は空気と比較して以下のようなメリットがあるため，多くの大容量のタービン発電機に採用されています。
①　比熱が空気よりはるかに大きく(約\( \ 14 \ \)倍)，熱伝導率や熱伝達率が高いため，冷却能力が向上する。
②　比重が空気よりはるかに小さく(約\( \ 1 / 14 \ \))，ガス密度に比例する風損が小さくなる。
③　空気より不活性であり，コロナ発生電圧が高く，例えコロナが発生してもコイルへの影響が少ないのでコイル絶縁の寿命が長くなる。
④　爆発範囲が\( \ 4 \ ～ \ 75 \ ％ \ \)と非常に広いため，水素ガス純度管理に十分注意する必要がある。特にメンテナンス時は，一旦炭酸ガスで置換してから空気で置換する等注意が必要となる。

【解答】

解答：(3)
(ア)
火力発電所のタービン発電機は，\( \ 2 \ \)極の回転界磁形三相同期発電機が使用され，その回転速度は\( \ 50 \ \mathrm {Hz} \ \)においては\( \ 3 \ 000 \ \mathrm {min^{-1}} \ \)，\( \ 60 \ \mathrm {Hz} \ \)においては\( \ 3 \ 600 \ \mathrm {min^{-1}} \ \)で運転されます。

(イ)
タービン発電機は，回転速度が\( \ 3 \ 000～3 \ 600 \ \mathrm {min^{-1}} \ \)と大きく，タービン翼に非常に大きな遠心力がかかるため，機械的強度について構造を検討する必要があります。

(ウ)
タービン発電機は，機械的強度の関係から回転半径をあまり大きくとることができないため，回転翼の段数を増やす円筒形にします。

(エ)
タービン発電機は，機械的強度の関係から直径はできるだけ小さくした構造とします。

(オ)
ワンポイント解説「2.水素冷却発電機の特徴」の通り，大容量のタービン発電機は水素冷却方式が採用されています。