電験三種の電力 火力発電、T-s線図とP-V線図を押さえる

電験三種の電力 火力発電、T-s線図とP-V線図を押さえる

T-s線図とP-V線図がわかると熱サイクルがわかる

火力発電のうち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換して発電するものを汽力発電といいます。汽力発電の熱エネルギーの流れを熱サイクルといいます。熱サイクルを考える場合、T-s線図とP-V線図というグラフを使います。T-s線図は、温度(T)を縦軸、蒸気が得た熱量の変化エントロピー(s)を横軸にしたグラフです。P-V線図は蒸気の圧力Pを縦軸、蒸気の体積Vを横軸にしたグラフです。

■熱サイクルとは?

汽力発電では、燃料を燃焼させ、熱エネルギーで給水を加熱して蒸気を発生させます。蒸気はタービンで仕事した後、排気され復水器に入ります。復水器で冷却されて水に戻ります。(復水といいます。)復水は再び給水として加熱され蒸気となります。

この連続した流れを熱サイクルといいます。(図1参照)

1

汽力発電の最も基本的な熱サイクルをランキンサイクルといい、断熱変化と等圧変化から構成されています。

断熱変化・・・外部からの熱の出入りを遮断し、膨張または圧縮変化をするときの状態

等圧変化・・・圧力を一定として受熱、放熱する状態

■熱サイクルとTs線図PV線図の関係

2

図2は、ランキンサイクルの図です。

ランキンサイクルを表すグラフには、温度とエントロピーで表したT-s線図、圧力と体積で表したP-V線図があります。

※エントロピー:熱を加えたり、奪うときに増減します。断熱変化ではエントロピーは不変ですが、等温変化では変化します。

図2に対応するT-s線図を図3、P-V線図を図4に示します。

3

4

断熱圧縮A-B:給水は給水ポンプにより加圧されボイラに送られます。

(水なので体積は変化せず、温度が上昇する)

等圧受熱B-C:給水はボイラで熱を得て、飽和水から乾き飽和蒸気となり、加熱蒸気になります。

断熱膨張C-D:タービンの中で断熱膨張してタービンを回します。蒸気は圧力、温度とも下がり、湿り飽和蒸気となります。

等圧放熱D-A:タービンから排出された湿り蒸気は復水器に入り。放熱して水に戻ります。

 

水蒸気の特性

水を熱すると、水温が上がり沸点に達します。沸点に達した水をさらに熱しても温度は上がらず、熱量は水を蒸発させるために消費されます。沸点は圧力が増すと高くなります。

飽和温度  :ある圧力対する沸点

飽和水   :飽和温度の水

飽和蒸気  :飽和温度の蒸気

湿り飽和蒸気:水分を含んだ飽和蒸気

乾き飽和蒸気:水分を含まない飽和蒸気

乾燥飽和蒸気:飽和蒸気をさらに加熱した蒸気

過熱蒸気  :乾燥飽和蒸気をさらに加熱した蒸気で、加えた熱量に比例して温度が上昇します。

■例題で覚える

 

例題1 ◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇

図5のT-s線図において、等圧受熱はどの部分か、正しいものを次のうちから選べ

5

(1)A→B  (2)B→C  (3)C→D  (4)D→A  (5)A→D

 

解き方                答え  (2)

図3より、等圧受熱はB→C

A→Bは断熱圧縮、C→Dは断熱膨張、D→Aは等圧放熱となります。

例題2 ◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇

図6のP-V線図において、断熱膨張はどの部分か、正しいものを次のうちから選べ

6

(1)A→B  (2)B→C  (3)C→D  (4)D→A  (5)A→D

解き方                答え  (3)

図4より、断熱膨張はC→D

A→Bは断熱圧縮、B→Cは等圧受熱、D→Aは等圧放熱となります。

■電験三種での出題例

図7は、汽力発電所の熱サイクルを示すT-s線図である。ボイラの過熱器は、図のどの部分を受け持っているか。正しいものを次のうちから選べ。

7

 

(1)1→2  (2)2→3  (3)3→4  (4)4→5  (5)5→6

 

 

答え (4)

解き方

給水ポンプ→ボイラ→タービン→復水器も間では、水は次のように状態が変化します。

1→2:給水ポンプで加圧される。

2→3:ボイラで飽和温度まで加熱される。

3→4:ボイラで蒸発し飽和蒸気になる。

4→5:過熱器で過熱され過熱蒸気になる。

5→6:タービンで断熱膨張し仕事を行い、温度、圧力が下がる。

6→1:復水器で冷却され水に戻る。

出題例は、T-s線図から汽力発電の設備(過熱器)の役割を考える問題です。これをP-V線図を使って求める問題、あるいはグラフから水の状態変化(断熱膨張、等圧受熱など)を求める問題も出題されます。熱サイクルとT-s線図、P-V線図を合わせて学習することで、熱サイクルの問題への対応力がアップしますので、ぜひマスターしましょう。

カテゴリー: 電力
資料請求【無料】
【無料】メルマガ登録