《電力・管理》〈火力〉[H23:問2]コンバインドサイクル発電と一般の汽力発電との比較に関する論説問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

天然ガスを燃料とする一軸形コンバインドサイクル(排熱回収サイクル)発電を複数台組み合わせた発電プラントについて，同容量の汽力発電プラントと比較した場合の特徴とその理由を以下の\( \ 3 \ \)点について述べよ。
(1)　起動時間
(2)　温排水量
(3)　大気温度と最大出力との関係

【ワンポイント解説】

二次試験の火力発電に関しては論述問題が高頻度で出題されます。特にコンバインドサイクルは頻出分野なので，キーワードを確実に抑えておきましょう。
コンバインドサイクル発電と一般的な汽力発電の図1と図2のような概略系統図は描けるようにしておくことが重要です。

【解答】

(1)起動時間
(ポイント)
・コンバインドサイクルにおけるガスタービンと蒸気タービンの出力分担は約\( \ 2:1 \ \)である。
・同出力の発電所であれば，蒸気タービンの保有水量が少なく，各機器がコンパクトで済むコンバインド発電の方が速く起動できる。

(試験センター解答例)
ガスタービンを使用した小容量機の組合せのため負荷変化率が大きくとれ，また，蒸気タービンの分担出力がプラント全体の\( \ \displaystyle \frac {1}{3} \ \)と小さく汽力発電と比べて蒸気タービンが小形となるため，短時間での起動が可能である。\( \ 8 \ \)時間停止後の起動時間は，例えば\( \ 1 \ 000 \ \mathrm {[MW]} \ \)級汽力発電プラントで約\( \ 3 \ \)時間であるが，一軸形コンバインドサイクル発電プラントの場合は\( \ 1 \ \)軸当たり約\( \ 1 \ \)時間である。

(2)温排水量
(ポイント)
・ガスタービンの使用水量は蒸気タービンに比べ，各段に少ない（原理上はゼロ）。
・コンバインドサイクルは蒸気タービンの出力分担が全体の\( \ \displaystyle \frac {1}{3} \ \)と少ないため，温排水量は少ない。

(試験センター解答例)
コンバインドサイクル発電プラントの蒸気タービンの入口蒸気条件は，汽力発電プラントに比べて圧力・温度ともに低くなり，分担出力はプラント全体の\( \ \displaystyle \frac {1}{3} \ \)と小さいため，温排水量は汽力発電プラントの\( \ 6 \ \)割程度となる。

(3)大気温度と最大出力との関係
(ポイント)
・大気の密度は温度が高いほど小さくなる性質がある。したがって，空気圧縮機での質量流量は気温が高いほど小さくなり，ガスタービンの出力は低下する。
・空気の密度が低下すると，ガスタービンの排熱量が減少するため，蒸気タービンにおいても若干低下する。
・コンバインドサイクルは最も出力を必要とする夏場の昼間時間帯に出力が低下するという欠点を持つ。

(試験センター解答例)
コンバインドサイクル発電プラントはガスタービンを主体に構成されるため，最大出力は大気温度により大きく変化し，大気温度が低いほど出力が大きくなる。
ガスタービンは，高温域における耐久性の観点から，第一段動翼入口ガス温度の上限を定めて運転される。一方，ガスタービンの圧縮機の吸込空気体積流量は大気温度に関係なくほぼ一定であるため，大気温度が下がって空気密度が増加すると，吸込空気質量流量は増加する。また，大気温度の低下により圧縮機の燃焼用空気の温度が低下するため，ガスタービン入口ガス温度の上限値までの加熱代が大きくなり，吸込質量流量の増加とあいまって，より多くの燃料が投入可能となり，ガスタービン最大出力が増加する。
蒸気タービンについては，ガスタービン最大出力の増加による排ガス量及び熱量の増大により，排熱回収ボイラでの蒸気発生量が増加し，出力が若干増加する。