改訂新版 世界大百科事典 「蒸気原動所」の意味・わかりやすい解説
蒸気原動所 (じょうきげんどうしょ)
steam power plant
水を作動流体として，これに気・液2相にまたがるサイクルを行わせ，燃料の燃焼によって発生する熱エネルギーを機械的仕事に変えて動力を発生する一連の設備をいう。火力発電所はその代表的なものである。
図1は蒸気原動所のもっとも基本的な構成を示したものであって，給水ポンプ，ボイラー，蒸気タービン（または蒸気機関）および復水器からなっている。作動流体は，まず水の状態で給水ポンプにより加圧されてボイラーに送られ，そこで燃料の燃焼熱を受けて蒸発し，さらに加熱されて過熱蒸気となる。この高温高圧蒸気は蒸気タービンで復水器の圧力まで膨張し，機械的仕事を発生する。蒸気タービンを出た排気は復水器で冷却されて水に戻り，再び給水ポンプに返される。蒸気原動所の熱力学的サイクルは蒸気サイクルと呼ばれるが，図1の機器における変化過程が，すべて理想的に行われると仮定したもっとも基本的なサイクルをランキンサイクルと呼び，これを絶対温度（T）-エントロピー（s）線図上に描くと図2のようになる。a→bが給水ポンプにおける水の断熱可逆圧縮過程を表し，b→b′→c′→cはボイラー中で水が等圧加熱されて蒸発し，さらに過熱蒸気となる過程に対応する。c→dは蒸気タービンにおける断熱可逆膨張過程であって，d→aは復水器で湿り蒸気が等圧冷却されて凝縮し飽和水に戻る過程を表す。1kgの作動流体をとりあげて，それが図1の機器を一巡するときの状態の変化を順に追っていけば，図2のランキンサイクルを表す線図上を，状態を表す点がちょうど一周することになる。その際1kgの作動流体がボイラーで受け取る熱量は図の面積s1bb′c′cs2（S1とする）に等しく，復水器で放出する熱量が面積s1ads2で表される。したがって，それらの差であるサイクルの囲む面積abb′c′cd（S2とする）が，作動流体1kg当りの正味の外部に取り出せる仕事（蒸気タービンで発生する仕事から給水ポンプに要する仕事を差し引いたもの）に等しい。結局，ランキンサイクルの熱効率ηR（%）はηR＝S2/S1×100となる。ηRは，復水器の温度（あるいは，それと1対1に対応する飽和蒸気圧力で表してもよい）が低ければ低いほど高い値となる。しかし，地球上で熱機関を働かせる場合つねにそうであるが，熱機関から放出される熱を捨てる，低温でかつ大容量の熱源としては，必然的に大気や海水をあてざるをえない。実際，日本では，多くの原動所が海岸に立地され，海水を復水器の冷却水として用いている。その結果，復水器圧力は約0.05kgf/cm2に決まってしまう。この条件の下で，タービン入口蒸気の圧力と温度を変えるとき，熱効率の値がどのように変わるかを図3に示した。一般に，タービン入口蒸気の圧力と温度の両方が高ければ高いほど熱効率はよくなる。
ランキンサイクルでより高い熱効率を得るためボイラー圧力を高くしていくと，タービン排気（図2のd点で表される）の乾き度が下がり，多量の水滴が含まれるようになって，タービン低圧部での仕事の発生に支障をきたすようになる。これを避けるため，タービンを高圧部と低圧部に分け，膨張の中途でいったん蒸気をボイラーに戻して再熱器で温度を上げることを行う。これを再熱サイクルと呼び，熱効率ももとのランキンサイクルより改善される。またタービン内で膨張中の蒸気の一部を抽出して，ボイラーの給水の加熱を行わせるものは再生サイクルと呼ばれ，もとのランキンサイクルに比べて，復水器に捨てる熱量をボイラーで受ける熱量に対して相対的により少なくでき，熱効率を高めることができる。
蒸気原動所の例
以上の説明からわかるとおり，蒸気原動所は非常に大がかりな熱機関であって，大出力に適しており，火力発電所によって代表される。火力発電所では機械的仕事をさらに発電機により電気的エネルギーに変えて外部に送り出している。日本の新しい火力発電所では，ボイラーとタービン1組の出力が35万kWから100万kWに及び，ボイラー圧力として，水の臨界圧力より高い250atm程度の圧力を採用している。タービン入口蒸気温度は，ボイラーやタービン材料の高温における強度の制約から，540～570℃となっている。すべて再熱再生サイクルが用いられ，再熱は通常1段，再生のための抽気は5～8段行われている。火力発電所の総合的な完全さを表す効率としては，
が用いられる。これは，サイクルの熱効率に，ボイラー効率とタービン効率，さらに発電機効率を乗じたものに等しい。原動所熱効率は現在の火力発電所では40%を少し上回る程度である。
生産工場では，作業用の熱源として多量の蒸気を必要とする場合がよくある。このような場合には，図4-aのように，工場で必要とする作業用蒸気より高温高圧の蒸気を発生するボイラーを設置し，発生蒸気をいったんタービンに導いて作業用蒸気の圧力まで膨張させ発電を行わせる。工場で必要な電力量と作業用蒸気量の比率の変動に対する順応性を高めるため，図4-bのような系統とすることもある。aの形式を背圧タービン，bを抽気タービンという。このような熱併給蒸気原動所では，発電専用の場合に比べて安価に電力を得ることができる。このほか地熱発電所も蒸気原動所の一種であって，火山地帯に井戸を掘り，それから噴出する蒸気をそのまま，あるいは熱水を用いて得られる蒸気をタービンに導いている。なお，原子力発電所は，原子炉を熱源とし，原理的には蒸気原動所と同じサイクルを用いて発電を行っているが，原子炉に重点が置かれるため，蒸気原動所と区別して分類している。
→火力発電 →原子力発電 →地熱
執筆者：田中 宏明
出典 株式会社平凡社「改訂新版 世界大百科事典」改訂新版 世界大百科事典について 情報
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