🔥 火力発電¶

燃料の化学エネルギーを熱→蒸気→回転→電気に変換する。熱効率η = 3600/H_r が試験の核心。

📋 v0.7 — 過去問データ充填済み

出題実績（R01〜R07）を充填済み。公式・数値は参考書で必ず確認してください。

🧠 直感的理解¶

火力発電の変換チェーンは3段階：

化学エネルギー（燃料）→ 熱エネルギー（ボイラー）→ 機械エネルギー（タービン）→ 電気エネルギー（発電機）

この各段階で必ずロス（損失）が発生する。熱効率とは「入れた燃料エネルギーのうち何%が電気になったか」の指標。

アナロジー：燃料 = 食料、蒸気 = 体内エネルギー、タービン = 筋肉、発電機 = 仕事。食べたカロリーのうち実際の仕事に使えるのは一部だけ——それが熱効率。

数値感： - 昔の汽力発電：熱効率 35〜40% - 現代のコンバインドサイクル：熱効率 55〜60%以上（世界最高水準） - 電力1 kWhの熱量換算：3,600 kJ（1 kWh = 3,600 kJ は必ず覚える）

5秒で思い出す

η = 3600 / H_r　「熱消費率の逆数が熱効率」

H_r [kJ/kWh]：1 kWh発電するのに消費した熱量。小さいほど高効率。

🏭 設備を歩く¶

graph LR
    A[燃料タンク] -->|燃料供給| B[ボイラー]

    subgraph ボイラー本体
        B1[節炭器 - Economizer]
        B2[蒸発器・ドラム]
        B3[過熱器 - Superheater]
        B4[再熱器 - Reheater]
        B1 --> B2 --> B3
    end

    B --> B1
    B3 -->|過熱蒸気| C[高圧タービン HP-T]
    C -->|低温蒸気| B4
    B4 -->|再熱蒸気| D[低圧タービン LP-T]
    D -->|排気蒸気| E[復水器 - Condenser]
    E -->|復水| F[給水ポンプ]
    F -->|高圧給水| B1

    C --> G[発電機]
    D --> G

    H[冷却水 海水・河川水] --> E

主要機器テーブル

機器名	役割	試験で問われるポイント
ボイラー	燃料を燃焼して水を加熱・蒸気化	貫流ボイラー（高圧大容量）vs 自然循環
節炭器（エコノマイザー）	排ガスの熱で給水を予熱（省エネ）	「排ガスで給水予熱」→ 正
過熱器（スーパーヒーター）	飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気に	タービン入口温度を上げて熱効率向上
再熱器（リヒーター）	高圧タービン通過後の湿り蒸気を再加熱	再熱サイクルの核心部品；湿分除去
給水加熱器	抽気蒸気で給水を予熱（再生サイクル）	「抽気」「再生」キーワード
高圧タービン（HP）	高温高圧蒸気で回転力を得る	再熱後、中圧・低圧タービンへ
低圧タービン（LP）	再熱蒸気でさらに仕事をとる	排気は復水器へ
復水器	排気蒸気を冷却して水に戻す	真空を保つことで圧力差を大きくする；冷却水が必要
給水ポンプ	復水を高圧側に送り返す	循環ループの完結；消費動力は小さい
空気予熱器	排ガスで燃焼用空気を予熱	節炭器と同様の排熱回収

現場の視点

復水器の真空度を高く保つことが熱効率改善の重要ポイント。真空度が下がる（背圧が上がる）とタービン出口圧が上がり、圧力差が小さくなって仕事量が減る。冷却水温度が上がる夏場は熱効率が低下する理由がここにある。

⚖️ 熱サイクルの比較表¶

サイクル	構成	熱効率の向上ポイント	出題ポイント
ランキンサイクル	ボイラー→タービン→復水器→給水ポンプ（基本）	基本形。改善なし	基準として把握
再熱サイクル	高圧タービン後に再熱器で再加熱→低圧タービン	蒸気温度を再度上げることで湿分を減らし、タービン効率を向上	「再熱器」「湿分防止」「2段タービン」
再生サイクル	途中タービンから蒸気を抽出して給水を予熱（給水加熱器）	ボイラー入口水温を高め、ボイラーへの供給熱量を削減	「抽気」「給水加熱器」「熱量節約」
再熱再生サイクル	再熱＋再生の組み合わせ	両方の効果を得る。現代の大型火力発電はほぼこれ	「実際の大型発電所」「最も高効率な汽力」
コンバインドサイクル	ガスタービン排熱で蒸気タービンも動かす（GTCC）	ガスタービン（高温域）＋蒸気タービン（低温域）で広い温度範囲を活用	熱効率55〜60%超、起動時間が短い

熱効率の大小順（目安）：コンバインド > 再熱再生 > 再生 ≒ 再熱 > ランキン

⚖️ 発電方式の比較表¶

発電方式	熱効率	起動時間	燃料	主な用途
汽力発電（蒸気タービン）	35〜42%	長い（数時間〜）	石炭・重油・LNG	ベース負荷
ガスタービン発電	25〜35%	非常に短い（数分）	LNG・軽油	ピーク対応・緊急電源
コンバインドサイクル（GTCC）	55〜60%+	短〜中程度（30分〜）	LNG	ミドル〜ベース負荷
ディーゼル発電	35〜45%	非常に短い（数秒〜分）	軽油・重油	非常用電源・離島

コンバインドサイクルが高効率な理由

ガスタービン（850〜1500℃の高温）→ 排ガス（600〜650℃）→ 排熱回収ボイラー（HRSG）→ 蒸気タービン（低温域まで活用）という流れで、捨てていた高温排熱を回収して二重に仕事をさせる。カルノー効率の観点では、使える温度差（高温源 - 低温源）が大きいほど効率が高くなる原理と一致する。

🔍 公式の意味マップ¶

レイヤーA：熱効率の基本¶

発電端熱効率

η_gen = P_gen / Q_in = 3600 / H_r

- P_gen：発電機出力 [kW] - Q_in：ボイラー入熱（燃料消費による熱量）[kJ/s = kW] - H_r：熱消費率 [kJ/kWh]（1 kWh発電するのに消費した熱量） - 3600：1 kWh = 3,600 kJ の変換定数

熱消費率 H_r の計算

H_r = Q_in_total / E  [kJ/kWh]

E：発電電力量 [kWh]、Q_in_total：総入熱 [kJ]

燃料消費量

B = Q_in_total / H_l  [kg/h]  または  [m³/h]

H_l：燃料の低発熱量 [kJ/kg]

レイヤーB：発電端・送電端の区別¶

発電端効率：発電機端子での出力をベースにした効率

送電端効率：所内消費電力を引いた送電電力をベースにした効率

η_send = (P_gen - P_aux) / Q_in = η_gen × (1 - L_aux)

- P_aux：所内消費電力 [kW] - L_aux = P_aux / P_gen：所内率

所内率の典型値：汽力発電 3〜7%、ガスタービン 1〜3%

年間発電電力量

E = P_rated × T × η_plant  [kWh]

T：年間運転時間 [h]、設備利用率 = E / (P_rated × 8760)

レイヤーC：熱消費率と熱効率の関係性¶

熱消費率 H_r [kJ/kWh]	熱効率 η [%]
10,000	36.0%
9,000	40.0%
8,000	45.0%
7,200	50.0%
6,000	60.0%

H_r が小さいほど高効率（少ない熱で多くの電気を作る）。逆数の関係であることを意識する。

🛤️ 解法パターン¶

パターン①: 熱効率から発電電力量を求める¶

見分け方：燃料消費量・発熱量・熱効率が与えられ、発電量または発電電力を問われる

手順： 1. 総入熱 Q_in = 燃料消費量 × 低発熱量 [kJ] 2. 発電端出力 P = Q_in × η / 3600 [kW]（時間単位に注意） 3. または E = Q_in × η / 3600 [kWh]（電力量として求める場合）

例題：LNG 1,000 kg/h、低発熱量 50,000 kJ/kg、η=0.50 → Q_in = 1,000 × 50,000 = 50,000,000 kJ/h = 13,889 kW（÷3600） → P = 13,889 × 0.50 = 6,944 kW ≒ 6.9 MW

パターン②: 燃料消費量を求める¶

見分け方：発電電力（量）と熱効率が与えられ、燃料消費量を問われる

手順： 1. 熱消費率から総入熱を求める：Q_in = P × H_r [kJ/h]（または E × H_r） 2. 燃料消費量 B = Q_in / H_l [kg/h]

例題：発電出力 100 MW、η=0.40、石炭の低発熱量 25,000 kJ/kg → H_r = 3,600 / 0.40 = 9,000 kJ/kWh → Q_in = 100,000 × 9,000 = 900,000,000 kJ/h → B = 900,000,000 / 25,000 = 36,000 kg/h = 36 t/h

パターン③: 送電端効率を求める¶

見分け方：所内消費電力（または所内率）が与えられ、送電端効率を問われる

手順： 1. 送電端電力 = 発電電力 - 所内消費電力 2. η_send = 送電端電力 / 総入熱 × 3600 3. または η_send = η_gen × (1 - 所内率)

例題：発電端効率 40%、所内率 5% → η_send = 0.40 × (1 - 0.05) = 0.40 × 0.95 = 38%

🕳️ 勘違いTOP3¶

1. 発電端効率 vs 送電端効率の違い¶

よくある誤り：「発電端と送電端は同じ」「どちらも同じ公式で計算できる」

正しくは： - 発電端：発電機出力 / 入熱（所内消費を含む） - 送電端：(発電機出力 - 所内消費) / 入熱（電力会社が売る電力ベース）

送電端の方が 必ず低い。問題文に「所内消費電力」や「所内率」が出てきたら送電端を問われていると判断する。

2. 熱消費率と熱効率の逆数関係¶

よくある誤り：「熱消費率が大きいほど高効率」「H_r = η × 3600」

正しくは： - η = 3600 / H_r（η は H_r の逆数に比例） - H_r が小さいほど高効率（少ない熱で同じ電力を作れる） - 覚え方：「消費率が低いほど燃費が良い（車の燃費と同じ感覚）」

3. コンバインドサイクルが高効率な理由を正確に説明できない¶

よくある誤り：「2つのタービンを使うから」「ガスと蒸気を両方使うから」（原因ではなく現象の説明）

本質： - 熱力学的にはカルノー効率 η = 1 - T_cold/T_hot が基本 - ガスタービン単独では高温（1300℃+）から中温（600℃+）の熱を使う - 捨てていた中温側の排熱（600℃）を蒸気タービンが回収し低温（50℃以下）まで使う - 結果として全体としての T_hot〜T_cold の温度差を最大化している

📝 正誤判定の急所¶

文	正誤	解説
節炭器は燃焼ガスの熱で給水を予熱する	正	エコノマイザー。排ガスの熱エネルギーを回収する
再熱サイクルは給水加熱器で給水を予熱する	誤	給水加熱器は「再生サイクル」。再熱は高圧タービン後の蒸気を再加熱する
熱消費率が大きいほど熱効率は高い	誤	逆数の関係：η = 3600/H_r。H_r 小さい → η 大きい
コンバインドサイクルの熱効率は汽力発電より高い	正	排熱回収により55〜60%以上を達成（汽力は35〜42%）
送電端効率は発電端効率より高い	誤	所内消費電力分だけ送電端効率の方が低い
復水器は蒸気を水に戻し圧力差を確保する役割がある	正	真空を保つことでタービン前後の圧力差を最大化する
ガスタービン発電は起動時間が長く緊急電源に不向きである	誤	ガスタービンは起動が速い（数分）。緊急・ピーク用途に適する
過熱器はタービン通過後の蒸気を再加熱する	誤	過熱器はボイラー内で飽和蒸気を過熱蒸気にする。再加熱は「再熱器」

📊 出題実績¶

年度	問	タイトル	問題タイプ	難易度
R07下	問3	汽力発電所で使用される保護装置	論説	★★★☆☆
R07下	問15	重油専焼火力発電所の熱効率と二酸化炭素発生量	計算	★★★★☆
R07上	問2	タービン効率と使用蒸気量の関係	計算	★★★☆☆
R07上	問3	水と蒸気及び燃焼ガスの通過する順序	論説	★★★★☆
R06下	問2	汽力発電における熱効率向上対策	論説	★★★★☆
R06下	問3	衝動タービンと反動タービンの比較	穴埋	★★★★★
R06下	問15	重油消費量と二酸化炭素排出量	計算	★★★☆☆
R06上	問3	コンバインドサイクル発電と汽力発電の比較	論説	★★☆☆☆
R05下	問2	速度調定率の異なる発電機の出力変化	計算	★★★☆☆
R05下	問3	復水器の特徴	穴埋	★★★☆☆
R05上	問2	熱回収コンバインドサイクル発電の特徴	論説	★★★☆☆
R05上	問3	火力発電所の煙風道系統	穴埋	★★★☆☆
R04下	問3	コンバインドサイクル発電方式の特徴	論説	★★★☆☆
R04上	問2	火力発電所のタービン発電機	穴埋	★★☆☆☆
R04上	問3	汽力発電設備のタービン効率	計算	★★★☆☆
R03	問4	電気集じん装置のメカニズム	穴埋	★★★★★
R01	問5	コンバインドサイクル発電	論説	★☆☆☆☆

詳細解説: 電験王火力カテゴリ

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