《電力》〈火力〉[R01:問2]コンバインドサイクル発電に関する空欄穴埋問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，ガスタービンと蒸気タービンの車軸を結合して$ \ 1 \ $台の発電機を回転する一軸方式のガスタービンと排熱回収ボイラの制御システムに関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

ガスタービンの運転で重要な制御はガバナ制御と燃焼温度制御である。

回転数を制御するガバナ制御では$ \ \fbox {　（１）　} \ $を制御するが，蒸気系の出力応答性が遅いためガスタービンの応答を敏感にする必要がある。そのためガスタービンの速度調定率は蒸気系に比べて$ \ \fbox {　（２）　} \ $設定されることが多い。

ガスタービンの出力上昇過程では，燃焼温度が定格温度を超えて過剰に上昇しないようにガスタービンの出力を制御しなければならない。これが燃焼温度制御であり，具体的にはタービン$ \ \fbox {　（３）　} \ $を一定値以下に保つために排ガス温度を測定し，その値が規定値を超過しないように$ \ \fbox {　（４）　} \ $を制御する。

排熱回収ボイラはガスタービンの排気を熱源とする自然循環ボイラであり，バーナなど助燃設備がない場合はドラム水位制御が主な制御である。ドラム水位制御は，ドラムの水位，蒸気流量，$ \ \fbox {　（５）　} \ $を制御パラメータとする$ \ 3 \ $要素制御を行う。

〔問2の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　大きく　　　　　&（ロ）&　排気室温度　　　　　&（ハ）&　給水圧力 \\[ 5pt ] &（ニ）&　蒸気温度　　　　　&（ホ）&　最終段翼メタル温度　　　　　&（ヘ）&　小さく \\[ 5pt ] &（ト）&　給水流量　　　　　&（チ）&　蒸気圧力　　　　　&（リ）&　燃料圧力 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　空気流量　　　　　&（ル）&　蒸気加減弁開度　　　　　&（ヲ）&　制御油圧 \\[ 5pt ] &（ワ）&　復水器真空度　　　　　&（カ）&　第 \ 1 \ 段翼入口ガス温度　　　　　　　　&（ヨ）&　燃料流量 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

コンバインドサイクル発電の制御に関する問題です。運転に関する内容で専門的な領域ですが，系統図をきちんと理解していれば，十分に対応できる問題と言えます。

1.コンバインドサイクル発電
コンバインドサイクル発電は，ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた方式の発電であり，ガスタービンの高温排熱を排熱回収ボイラで回収し，蒸気タービンで発電します。
熱効率が従来の汽力発電(約$ \ 40 \ $％)に比べ格段に高く，近年は耐熱材料の採用によるガスタービンの高温化により，約60％程度まで上昇しています。

2.速度調定率$ \ R \ $
発電機の定格回転数$ \ N_{\mathrm {n}} \ $，回転速度の変化量$ \ \Delta N \ $もしくは定格周波数$ \ f_{\mathrm {n}} \ $，周波数変化量$ \ \Delta f \ $としたときの定格出力$ \ P_{\mathrm {n}} \ $，出力変化量$ \ \Delta P \ $の比を速度調定率$ \ R \ $と言い，
\[
\begin{eqnarray}
R &=& \frac {\displaystyle \frac {\Delta N}{N_{\mathrm {n}}}}{\displaystyle \frac {\Delta P}{P_{\mathrm {n}}}} \\[ 5pt ] &=& \frac {\displaystyle \frac {\Delta f}{f_{\mathrm {n}}}}{\displaystyle \frac {\Delta P}{P_{\mathrm {n}}}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。

【解答】

(1)解答：ヨ
題意より，解答候補は（ハ）給水圧力，（ニ）蒸気温度，（ト）給水流量，（チ）蒸気圧力，（リ）燃料圧力，（ヌ）空気流量，（ヨ）燃料流量，となると思います。空欄(1)ではガスタービンの内容を出題しているので，図1より，該当するのは燃料及び空気に関する選択肢のみになります。ガスタービンのガバナ制御は燃料流量を調整します。

(2)解答：ヘ
題意より，解答候補は（イ）大きく，（ヘ）小さく，となると思います。ワンポイント解説「2.速度調定率$ \ R \ $」の通り，速度調定率は周波数変化に対する負荷変化の割合の逆数を表したもので，速度調定率が小さいほど応答を敏感にすることができます。

(3)解答：カ
題意より，解答候補は（ロ）排気室温度，（ホ）最終段翼メタル温度，（カ）第$ \ 1 \ $段翼入口ガス温度，となると思います。ガスタービンで最も温度が高くなるのは，第$ \ 1 \ $段翼入口ガス温度で，タービン翼が熱に耐えうる温度上限があるため，管理する必要があります。

(4)解答：ヌ
題意より，解答候補は（ハ）給水圧力，（ニ）蒸気温度，（ト）給水流量，（チ）蒸気圧力，（リ）燃料圧力，（ヌ）空気流量，（ヨ）燃料流量，となると思います。ガスタービンでは温度が上がりすぎない様，空気流量を制御します。

(5)解答：ト
題意より，解答候補は（ハ）給水圧力，（ニ）蒸気温度，（ト）給水流量，（チ）蒸気圧力，（リ）燃料圧力，（ヌ）空気流量，（ヨ）燃料流量，となると思います。自然循環ボイラではドラムの水位，蒸気流量と合わせ，給水流量を制御します。