化学プラント大全 
熱Ⅳの熱利用設備のうち、蒸気タービン・内燃機関・ガスタービン・燃料電池の論点を、表と例題で並べました。構造・損失・性能・運用が中心です。
サイクルの理論（効率の式の成り立ち）は熱Ⅱの記事：熱機関と冷凍のサイクルの論点
蒸気タービンの原理と形式 ── 膨張の場所で衝動・反動、排気の先で復水・背圧
| 分け方 | 形式 | 仕組み・特徴 |
|---|---|---|
| 蒸気を膨張させる場所 | 衝動式 | 主にノズルで膨張させて速くし、回転羽根では流れの向きを変えるだけ。反動度はほぼ0。1段で大きな熱落差を受け持てるので段数が少なく、羽根は大型・幅広 |
| 蒸気を膨張させる場所 | 反動式 | ノズルと回転羽根の両方で膨張させ（例：圧力降下の約半分を回転羽根で）、羽根から噴き出す蒸気の反動力も使う。反動段の反動度は0.5〜1.0程度。1段の熱落差が小さいので段数が多い |
| 排気の行き先 | 復水タービン | 出口に復水器を置き、高真空まで膨張させて大きな熱落差をとる。排気の熱は冷却水へ捨てる |
| 排気の行き先 | 背圧タービン | 出口にプロセスの熱負荷をつなぎ、動力と熱を両方出す。背圧が1〜5 MPa程度なので熱落差を大きく取れるとは限らないが、総合効率は約90%が見込める |
| 途中から抽気する | 抽気背圧タービン | 数種類の圧力のプロセス蒸気を出す。各圧力の抽気量と排気量の釣り合いをとる制御が要る |
| 途中から抽気する | 抽気復水タービン | 抽気で給水を温める再生サイクル用。熱も出す場合、動力と熱の釣り合いが多少狂っても対応できる |
| 事業用の火力 | 再熱再生復水タービン | 超高圧・超高温の蒸気条件で、高発熱量基準44%に達するものもある |
なぜ：蒸気の熱エネルギーは、膨張させて速さに変えないと羽根に力を与えられません。その膨張をどこでさせるかが衝動と反動の違いです。
羽根の中でも膨張させる反動段は、羽根の前後に圧力差が残ります。そのためロータを軸方向に押すスラスト力が大きく、部分負荷で一部のノズルだけを閉じることもできません。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 衝動式では、圧力が下がるのは主に静止したノズルで、回転羽根は高速の流れの向きを変えて力を受ける | ○ | 羽根の中でも膨張させるのは反動式 |
| 反動度は、1段の断熱熱落差のうちノズル（静翼）が受け持つ割合 | × | 回転羽根（動翼）が受け持つ割合。衝動段はほぼ0 |
| 1段で消化できる熱落差が大きく、全体の段数が少なくて済むのは反動式 | × | 衝動式。反動式は段数が多い |
| 反動段でスラスト力が大きくなるのは、回転羽根の前後にも圧力差があるから | ○ | つり合いピストンで軽くする |
| 出口に復水器を置き、高真空まで膨張させて熱落差を大きくとるのは背圧タービン | × | 復水タービン。背圧タービンは排気を熱として使う |
- 段の効率（内部効率）は、羽根の周速とノズル出口の蒸気の速さの比に大きく左右される。周速は羽根の強度で上限があるので、蒸気を速く噴き出させる衝動段のほうが1段で大きな熱落差を受け持てる。
- 衝動タービンでも、高圧側は衝動段、低圧側には反動段を入れて、双方の長所を生かしている。衝動段はノズル前後の大きな圧力差に耐える丈夫なダイヤフラム構造と、漏れを抑える多数歯のパッキンを備える。
- 背圧タービンは、動力の不足は電力系統との接続で補えるが、熱が余ったときの処理はきわめて難しい。熱の不足は補助ボイラなどの蒸気で補う。
- 発電機が大きな電力系統と並列運転しているときは、回転数は系統の周波数で決まり、蒸気加減弁で変えられるのは負荷。負荷が急に切れたときは、非常調速機が規定回転数の110〜111%で作動してタービンを止める。
タービンの損失と性能低下 ── 漏れ・湿り・排気の損失、付着と摩耗で性能低下
| 区分 | 損失 | どこで・なぜ |
|---|---|---|
| 内部損失 | 翼損失・回転損失 | ノズルと回転羽根の翼で生じる損失と、ロータが周りの蒸気をかき回す損失 |
| 内部損失 | 湿り損失 | 膨張して湿り域に入った蒸気の水分による |
| 内部損失 | 内部もれ | ノズル・回転羽根の周りのすき間を、羽根で仕事をせずに下流へ抜ける |
| 内部損失 | 排気損失 | 最終段の出口で、排気が速度エネルギーを持ったまま出ていく |
| 外部損失 | 外部への漏えい | ロータがケーシングを貫く所から外へ漏れる蒸気（ふつうラビリンス式のシールで抑える） |
| 外部損失 | 機械損失 | 軸受の摩擦、ロータ軸に直結した補機の駆動 |
| 外部損失 | 絞り損失・圧力損失・熱損失 | 蒸気加減弁などの絞り、ケーシング間の配管や復水器までの通路の圧力損失、外への放熱。区分は外部損失だが、実用計算で内部効率を加減弁の入口から取るときは、絞り損失を差し引かないので、その分は内部効率の低下として表れる |
なぜ：同じ「漏れ」でも、すき間を抜けて下流の段へ流れる内部もれは、蒸気の流れの中の損失です。ケーシングの外へ出る漏えいは、外部の損失です。
内部損失は膨張後の蒸気の状態（出口のエンタルピー）に現れ、軸受の摩擦のような機械損失は現れません。最終段の羽根を長くするのは、体積の増えた蒸気を通す面積を広げて出口の速さを抑え、排気損失を減らすためです。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ノズル・回転羽根の周りの内部もれと、最終段の排気が持ち去る速度エネルギーの損失は、どちらも内部損失 | ○ | 外へ出る漏えいは外部損失 |
| ロータがケーシングを貫く所から外へ漏れる蒸気の損失は、内部損失に数える | × | 外部損失 |
| 復水タービンの最終段の羽根が長いのは、体積の増えた蒸気を通し、出口の流速を抑えて排気損失を減らすため | ○ | 蒸気の体積流量がきわめて大きい |
| 復水タービンの最終段は湿り度が低いので、水滴によるエロージョンの心配は小さい | × | 湿り度が大きくなり、対策が要る |
| ボイラ水の固形分がキャリーオーバしてノズルや羽根に付くと、通過面積が減って性能が下がることがある | ○ | 翼の形（翼プロフィル）も変わる |
性能を落とす劣化
- キャリーオーバした固形分がノズル・回転羽根に付着すると、翼プロフィルが変わり、蒸気の通過面積が減ることもある。翼の表面が侵食されることもある。
- 最終段では湿り度が増えて水滴エロージョンが起こる。羽根の表面にステライト層を作るなどの対策が検討されている。
- 摩耗（ラビリンスなど）に加え、起動・停止を繰り返すことでロータが曲がったり、給水加熱器から逆流が入ったりして、すき間や接触が生じる。すき間が広がると、羽根で仕事をしない漏れが増え、同じ蒸気量から取り出せる動力が減る。
- 弁類が摩耗して漏えいしたり、保温性能が落ちて熱損失が増えたりするのも劣化の例。劣化は外から見えにくいので、出力・流量・圧力・温度を定期的に記録し、変化から傾向をつかむ。
タービンの性能指標と部分負荷の調速 ── ノズル制御は絞り制御より有利
| 指標 | 式 | 読み方 |
|---|---|---|
| 内部効率 ηi | ηi＝Hi/Had×100 | 実際に内部で動力に変わった熱落差 Hi ÷ 断熱熱落差 Had（実際÷理想） |
| タービン効率 ηt | ηt＝Lt/(Had·Ws)×100 | 出力軸端の動力 Lt が基準。機械損失を引いた後の値 |
| 蒸気消費率 RG〔kg/kWh〕 | RG＝3600·Ws/LG＝3600/(Had·ηt·ηG) | 1 kWh に要る蒸気量（効率は小数で）。蒸気条件が違えば同じタービン効率でも値が違う |
| 熱消費率 RH〔kJ/kWh〕 | RH＝QT/LG、QT＝Q1−Q0 | 入熱（入口の熱量−抽気・背圧蒸気で持ち出す熱量）÷出力。小さいほど良い |
| 部分負荷の調速 | 衝動式はノズル制御が可能、反動式は加減弁による絞り制御 | 反動段は羽根の中でも膨張させるので、一部のノズルを閉じられない |
なぜ：部分負荷では蒸気量を減らします。絞り制御は蒸気全体を加減弁で絞り、圧力を下げてから羽根へ送るので、ノズル制御に比べて絞り損失の分だけ効率が下がります。ノズル制御は使うノズルの数を減らして蒸気量を変えるので、蒸気全体の圧力を弁で下げずに済みます。一部のノズルを閉じても差し支えないのは、羽根の中でほとんど膨張させない衝動段です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 内部効率は、断熱熱落差を、実際に内部で動力に変わった熱落差で割った値 | × | 実際÷断熱（Hi/Had）。逆なら100%を超える |
| 膨張後の蒸気の状態を求めるのに内部効率を使うのは、軸受の摩擦などの機械損失が蒸気の状態に現れないから | ○ | 軸端の動力は機械損失を引いた後の値 |
| 断熱熱落差1000 kJ/kg、タービン効率80%、発電機効率95%なら、蒸気消費率は約3.8 kg/kWh | × | 3600/(1000×0.80×0.95)≒4.7。3.8はタービン効率を掛け忘れた値 |
| 熱消費率9000 kJ/kWhのタービンでは、入熱に対する出力の割合は約40% | ○ | 3600/9000 |
| 部分負荷で一部のノズルを閉じるノズル制御は、反動式でも衝動式と同じように採れる | × | 衝動式。反動式は加減弁による絞り制御 |
例題
断熱熱落差 Had＝900 kJ/kg、タービン効率 0.80、発電機効率 0.96 のタービン発電機があります。蒸気消費率と、5000 kW を出すのに要る蒸気量を求めます。
①蒸気1 kgが電力に変わる量：900×0.80×0.96＝691.2 kJ/kg。
②蒸気消費率：RG＝3600÷691.2≒5.21 kg/kWh。
③5000 kW を1時間出すと 5000 kWh。蒸気量は 5.21×5000≒26000 kg/h（約26 t/h）。
④確かめる：毎秒では 5000÷691.2≒7.23 kg/s。3600倍で約26000 kg/h に合う。効率を1つでも掛け忘れると分母が大きくなり、蒸気消費率は小さく出る。
- 部分負荷で効率が下がるのは、周速とノズル出口の蒸気の速さの比が最適からずれるから。反動式では絞り損失も加わる。機械損失は負荷によってあまり変わらないので、出力に対する割合が増える。
- 内部効率は、1〜5 MW級で70〜80%、10 MW級以上で80〜85%、300 MW級以上で82〜93%が代表値。容量・蒸気条件で差がある。
内燃機関の構造と性能 ── 圧縮比と過給で効率と出力が上がる
| 比べる点 | ガソリン機関 | ディーゼル機関 |
|---|---|---|
| 理論サイクル | オットーサイクル | ディーゼルサイクル |
| 着火のしかた | 混合気を圧縮し、点火プラグの火花で着火 | 圧縮によって空気を着火温度以上の高温・高圧にしておき、そこへ燃料を噴き込んで着火させる |
| 圧縮比 | 通常5〜10程度（上限はノッキング） | 16〜22と大きい |
| 燃料に求める性質 | オクタン価（自己着火しにくさ） | セタン価（燃料が着火しにくいと着火が遅れ、これがディーゼルノックの原因になる） |
| 性能 | 小型でも熱効率は高い。排ガスは500〜600℃とクリーンで余熱回収が容易 | 単体で低発熱量基準の熱効率40%以上、大型船舶の推進用。同じシリンダ容積で比べると、出力はガソリン機関に及ばない |
| 環境 | 高温燃焼で NOx が多い | NOx に加え未燃のすす |
なぜ：内燃機関はシリンダの中で燃やした高温・高圧のガスで直接ピストンを押すので、小型でも効率が高くなります。圧縮比を上げると効率はさらに上がります。
ただしガソリン機関は混合気のまま圧縮するので、圧縮後の温度が高いとノッキングが起こります。空気だけを圧縮してから燃料を噴射するディーゼル機関は、逆に着火温度以上まで圧縮する必要があり、大きな圧縮比を使います。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ガソリン機関の圧縮比が5〜10程度にとどめられるのは、上げるほど圧縮後の温度が上がってノッキングを起こしやすいから | ○ | ディーゼル機関は16〜22 |
| 圧縮比10・比熱比1.4のオットーサイクル（空気サイクル）の理論熱効率は約40% | × | 1−(1/10)0.4＝1−0.398 で約60%。0.398は捨てる熱の割合 |
| ディーゼルサイクルは、圧縮比が同じなら締切比が大きい（燃焼期間が長い）ほど熱効率が高い | × | 締切比は小さいほど高い |
| 4サイクル機関は、吸気・圧縮・膨張・排気の1サイクルを出力軸1回転で終える | × | 2回転。1回転で終えるのは2サイクル機関 |
| 過給すると出力は上がるが、吸気と圧縮後の温度が上がり、熱負荷と最高燃焼圧力が高くなる | ○ | ターボ過給は排気タービンで送風機を回す |
- ノッキングは、火花で始まった火炎が届く前に、燃え残りの混合気が自己着火する現象（「圧縮途中での自己着火」とも表される）。火花より先に燃え出す早期着火とは別もの。気体燃料は一般に自己着火しにくい。
- 4サイクル機関は吸気・排気の弁をタイミングギアとカムで開閉する。2サイクル機関はピストンで吸入・排気孔を開閉して吸排気を短く済ませる。動力を生むのは膨張行程だけで、ほかの行程は蓄えた回転エネルギーで回る。
- 過給：同じシリンダ容積でも吸気の圧力を上げれば出力が増える。送風機を出力軸で回すと補機動力が増えるので、高温の排ガスで排気タービンを回すターボ過給を使う。
- 熱バランスの例（ディーゼル機関）は、出力43%、排気ガス31%、冷却水22.5%、その他3.5%。動力になる割合より損失熱の割合が大きいので、排ガスと冷却水の熱を使うコージェネレーションが効く。
- 熱効率を上げる手段は、圧縮比の増大、燃焼を最も適した時期に短く終えること、掃気効率の向上。行程長を摩擦損失と冷却の条件から最もよい長さに選ぶこと（有効ストローク）も手段になる。ほかに、シリンダ内壁から冷却水へ逃げる熱の低減、過給能力の向上、摩擦損失の低減がある。
関連：オットーサイクル／ディーゼルサイクルとサバテサイクル／オクタン価とセタン価
ガスタービンの構成と特徴 ── タービンの仕事の一部で圧縮機を回す
| 要素 | 役割 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 圧縮機 | 燃焼空気を高圧にして燃焼器へ送る | 大型は空気流量が多いので速度形（軸流・多段）、中小流量では遠心形も。サージングを起こす範囲があるので、運転条件を前もって確かめる |
| 燃焼器 | 液体・気体燃料を燃やして高温の燃焼ガスを作る | 出口温度は理論燃焼温度よりかなり低い。希釈空気で所定の温度に下げ、同時に燃焼器の材料を冷やす。出口の温度分布は一様に |
| タービン | ノズルで速度に変え、回転羽根で動力を出す | ノズルと回転羽根の冷却が最も重要。燃焼空気の一部を内部へ導く内部冷却と、翼の表面に吹き出すフィルム冷却 |
| 軸のつなぎ方 | 圧縮機は原則としてタービンの出力で回す | 2軸に分け、1軸を圧縮機の駆動、もう1軸から動力を出す方式もある |
なぜ：空気を圧縮するには仕事が要り、その仕事は原則としてタービンの出力から出します。外へ出せるのは、タービンの発生動力から圧縮機の駆動動力を引いた残りです。圧縮機の効率が低すぎるとタービンの動力を多量に使い、場合によっては出力が零になります。ジェットエンジンは、タービンの動力をすべて圧縮機の駆動に使い、排ガスの噴出で推力を得る例です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 発電用のガスタービンで外へ取り出せる出力は、タービンの発生動力から圧縮機の駆動動力を引いた分 | ○ | 圧縮機は原則タービンの出力で回す |
| 開放式のガスタービンは、作動温度を高くしても熱効率はあまり上がらない | × | 高温化による熱効率の向上が著しい |
| 空気流量の多い大型のガスタービンでは、圧縮機に容積形を使うのが一般的 | × | 速度形（軸流・多段） |
| 燃焼器で燃焼ガスに希釈空気を混ぜるのは、出口のガス温度を所定の値に下げ、燃焼器の材料も冷やすため | ○ | 理論燃焼温度よりかなり低い温度でタービンへ送る |
- 燃焼場の冷却は原則として要らず、他の熱機関と違って多量の冷却水を必要としない。ただしノズル・羽根は、冷却空気などで冷やしている。
- 回転部分だけでできていて、往復動のようなアンバランスによる振動が出ない。そのため蒸気タービンと同じように、大型の事業用にも使われる。
- 基本サイクルはブレイトンサイクル。開放式（発電・機器駆動、ジェットエンジン）が最も多い。密閉式はヘリウムなどを作動媒体にし、熱交換器の耐熱材料で作動温度に限りがある。
- 圧縮の途中で冷やす中間冷却で、圧縮機の駆動動力を減らせる。高圧まで圧縮して温度が多少上がっても、ふつう圧縮機の羽根を冷やす必要はない。
関連：ブレイトンサイクルとエリクソン・スターリング／圧縮機のサージングとアンチサージ制御
ガスタービンの性能と再生・コンバインドサイクル ── 入口温度を上げ排熱を生かす
| 手段 | 効き方 | 注意 |
|---|---|---|
| 理論熱効率（空気サイクル） | η＝{(h₁−h₂)−(h₄−h₃)}/(h₁−h₄)×100 | 1 タービン入口、2 タービン出口、3 圧縮機入口、4 圧縮機出口（流れの順でない） |
| タービン入口温度を上げる | 直接に熱効率を上げる（h₁ が増える） | 入口温度ごとに熱効率を最大にする圧力比があるので、圧力条件も見直す |
| 翼冷却空気量を減らす | 膨張中の温度降下を防いで熱効率を上げる | 冷却を強めれば翼の寿命は延びる。効率とのかね合い |
| 圧縮機入口温度を下げる | 排ガスの熱による吸収冷凍機で吸入空気を冷やす | できる場合に |
| 再生サイクル | 排ガスで圧縮機出口の空気を予熱し、ガスタービン単独の効率を上げる | コージェネやコンバインドでは、単純なブレイトンとあまり変わらない場合もある |
| コンバインド・サイクル | 排熱回収ボイラで蒸気を作り、蒸気タービンも回す。排ガス損失が減り熱効率が大幅に上がる | 組合せ方式のうち、最も熱効率が高いのは排熱回収方式 |
| コージェネレーション | 排ガスで蒸気・温水も供給。動力と熱の釣り合いが所定の値なら80%程度 | 見かけはコンバインドより高いが、動力と熱は質が違う |
なぜ：熱機関は高い温度で熱を受け取るほど効率が上がるので、タービン入口温度を上げるのがいちばん直接に効きます。それでも排ガスの温度は相当高く、その熱を捨てる排ガス損失が大きいのです。
排熱を再生器で圧縮空気に戻すか、蒸気サイクルや蒸気・温水で使うと効率が上がります。ただし両者は同じ排熱を取り合います。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 空気サイクルのガスタービンの理論熱効率は、タービンの出力から圧縮機の駆動入力を引き、燃焼器での入熱で割って求める | ○ | {(h₁−h₂)−(h₄−h₃)}/(h₁−h₄) |
| h₁−h₂＝600、h₄−h₃＝250、h₁−h₄＝800 kJ/kg の空気サイクルなら、理論熱効率は約75% | × | 350/800≒44%。75%は圧縮機の入力を引き忘れた値 |
| タービン入口温度を上げるときは、圧力比を変えずに温度だけ上げるのが望ましい | × | 入口温度ごとに最適な圧力比がある |
| 翼冷却に使う空気量を増やすほど、熱効率は向上する | × | 減らすほど向上。冷却後の空気は燃焼ガスに混ざる |
| コンバインド・サイクルを採るときは、再生サイクルにしても単純なブレイトンサイクルと効率があまり変わらない場合もある | ○ | 同じ排熱を取り合う |
例題
ガスタービン（空気サイクル）で、h₁−h₂＝700、h₄−h₃＝320、h₁−h₄＝900（kJ/kg）とします。理論熱効率を求め、圧縮機の効率が下がって駆動入力だけが1割増えたときと比べます。圧力比、タービン入口の h₁、圧縮機入口の h₃、タービンの出力 h₁−h₂＝700 は変えません。
①正味の仕事：700−320＝380 kJ/kg。
②理論熱効率：380÷900≒0.422 で 42.2%。
③圧縮機の入力が1割増えて 352 kJ/kg になると、正味の仕事は 700−352＝348 kJ/kg。圧縮機出口の h₄ も 32 kJ/kg 上がるので、入熱は 900−32＝868 kJ/kg。効率は 348÷868≒40.1%。
④確かめる：圧縮機の入力を引き忘れると 700÷900≒78% と大きすぎる値になる。圧縮機の入力が増えた分は、そのまま正味の仕事から引かれる。
関連：コージェネレーション
燃料電池 ── 燃やさずに電気を取り出し、電解質で種類が分かれる
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 原理 | 燃料には純水素のほか、天然ガスなどを改質して得た水素を使い、空気中の酸素との電気化学反応で発電する |
| 構造 | 電解質層を2つの電極（燃料極と酸素極）ではさむ。電極のリード線を外部負荷につないで電気を取り出す |
| 燃料極の反応 | H₂→2H⁺＋2e⁻ |
| 酸素極の反応 | (1/2)O₂＋2H⁺＋2e⁻→H₂O（水ができるのはこちら） |
| イオンと電子の通り道 | 水素イオンは電解質の中を酸素極へ、電子は外部回路を通って酸素極へ |
| 種類（電解質で分かれる） | アルカリ型、固体高分子膜型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物電解質型 |
| 用途と効率 | 都市コージェネレーション機器・分散型電源・大容量発電設備として開発。国内では、発電効率40%程度（低発熱量基準）のリン酸型200 kWプラントが数多く導入されている |
なぜ：燃料を炎で燃やさず、燃料極で水素から電子を取り出します。その電子に外部回路を回らせて仕事をさせ、酸素極で酸素・水素イオンと結びつけます。
高温で燃やす所がないので窒素酸化物ができにくく、ピストンやタービンを回して発電するのでもないので騒音・振動も小さい。水は反応の終点である酸素極にできます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 燃料電池は、空気中の酸素と水素を電気化学反応で結び付けて電気を取り出すので、窒素酸化物が出にくく、騒音・振動も抑えられる | ○ | 環境面で有利なエネルギー供給システム |
| 水素と酸素を使う燃料電池で水ができるのは、水素を送る燃料極 | × | 酸素極 |
| リン酸型燃料電池の200 kW級プラントの発電効率は、低発熱量基準で70%程度 | × | 40%程度 |
| 燃料極で取り出された電子は、電解質の中を通って酸素極へ移る | × | 電子は外部回路。電解質の中を動くのは水素イオン |
- 上の反応式は、もっとも単純な水素／酸素系で、水素イオンが電解質の中を動く例。
- 発電効率の値は低発熱量基準。高発熱量基準の値と比べるときは基準をそろえる。
- 将来は、需要家の敷地内に設ける分散型発電装置（オンサイト型）への発展も考えられている。
関連：高発熱量と低発熱量
出典：エネルギー管理士試験講座 熱分野Ⅳ（省エネルギーセンター）2編1章 1.3・1.4・1.6・1.7・1.8
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