【プラント設計の基礎】ランキンサイクルの超基本

現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。

学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。今回は「ランキンサイクル」について語ります。

ボイラーや火力発電所は燃焼により生じたエネルギーを電気エネルギーに変換しています。

その超基本となる考え方が「ランキンサイクル」となります。

 

 

ランキンサイクルは熱力学の一部です

「プラントエンジニアのお勉強【熱力学とは？】」で熱力学と呼ばれる機械工学分野の一般的な概念についてお話しました。今回は「サイクル」と言うものが実際にどのように使われているのかかんたんに説明します。

上記を利用した発電所の一つの例が火力発電所になります。

発電プラントの中には大規模な建物、石炭の山々、背の高い煙突からモクモクと出る煙などがあります。

火力発電所の中でも石炭を使用する発電所は最近、多くの否定的な報道を受けており、地球温暖化に関する議論の中心的な焦点です。

しかしながら、殆どの人は内部で何が起こっているのか知っていません。中で何が起こっているのかかんたんに説明してみましょう。

ランキンサイクルの超基本その1：発電所の基本的な構成

発電所は石炭や石油の化学エネルギーを、現代の生活で使用する電気エネルギーに変換するための一連のサイクルを構成しています。

このサイクルの中心にあるのは、ランキンサイクルです。

この場合の最も基本的なランキンサイクルには、ボイラー、蒸気タービン、コンデンサー、およびポンプなどが含まれます。

ランキンサイクルの超基本その2：化学エネルギーが熱エネルギーになり電気になるまで

石炭や石油が発電所の炉で燃焼するとその化学エネルギーは熱エネルギーに変わります。この熱エネルギーはボイラーに運ばれ、ボイラーは熱エネルギーを効率的に吸収して蒸気を作ることができます。

配管は蒸気をボイラーから蒸気タービンに運びます。蒸気タービンのノズルは蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、蒸気がノズルから出るときに蒸気を拾い上げます。

速く動く蒸気はその運動エネルギーをタービンブレードに伝達し、風車と同様にタービンを回転させます。

タービンはシャフトによって発電機に接続されています。タービンは発電機を回転させて電気を発生させます。

蒸気のエネルギーがタービンによって使用された後、凝縮器に送られ冷却され水蒸気を水に戻します。

その為、凝縮器は、冷たい水、例えば近くの湖または川から冷却水として水を引いて、蒸気を冷却してガスから液体、すなわち水に変換するまで冷却します。

このため、発電所は通常、水域に隣接して設置されています。

蒸気が水に戻ったあと、ポンプが作動し、凝縮した水をボイラーに戻して再び蒸気に変えます。石炭や石油が炉内で燃焼し、プラント設備が適切に機能し、電力が発電所から発生する限りこのサイクルはグルグルと回り続けます。

ランキンサイクルの超基本：まとめ

熱力学は、機械技術者がランキンサイクルを設計し分析して、それらが安全で信頼性が高く、効率的で経済的であることを確認できるエネルギーの収支システムを構築します。

適切に設計された電力サイクルは石炭や石油のエネルギーをできるだけ効率よく吸収しようとしますが、効率が100％のサイクルは基本的に存在しません。

しかし、今は技術も進化して「石炭ガス化複合発電」等の技術により、年々効率は上昇しています。

マンガでわかる熱力学