火力発電所

蒸気ボイラーで使用される給水は、燃焼燃料から回転する蒸気タービンの機械エネルギーへ熱エネルギーを伝達する手段です。給水は、再循環凝縮水と精製された補給水から構成されます。補給水は、接触する金属材料が高温高圧下で腐食する可能性があるため、使用前に高度に精製されます。軟水器とイオン交換脱塩器のシステムによって生成される水は非常に純度が高く、偶然にも電気絶縁体となり、導電率は0.3～1.0マイクロジーメンス/センチメートルの範囲になります。500  MWeの発電所では、補給水は毎分約120 USガロン（7.6 L/秒）に達し、水質管理のためにボイラードラムから取り出された水を補充するとともに、システム内の蒸気漏れによるわずかな損失を補います。

給水サイクルは、蒸気タービンを通過した凝縮水が復水器からポンプで排出されることから始まります。500MWの発電所における全負荷時の凝縮水流量は 約6,000米ガロン/分（400L/秒）です。

水は通常2段階で加圧され、一般的には6つまたは7つの中間給水加熱器を順番に通過し、各段階でタービンの適切な抽出接続部から抽出された蒸気で加熱され、温度が上昇します。通常、この給水加熱器の列の中間、2段階目の加圧の前に、凝縮水と補給水は脱気器^{[ 13 ] [ 14 ]}を通過し、水から溶存空気が除去され、さらに浄化されて腐食性が低減されます。この後、水にはヒドラジンが添加されることがあります。ヒドラジンは、水中の残留酸素を5ppb未満に除去する化学物質です。また、残留酸性度を低く保ち、腐食性を低減するために、アンモニアやモルホリンなどのpH調整剤も添加されます。

ボイラーは、一辺が約50フィート（15メートル） 、高さが130フィート（40メートル）の長方形の炉である。壁面は、直径約2.3インチ（58ミリメートル）の高圧鋼管を網状に組み合わせた構造になっている。   

微粉炭などの燃料は、四隅、壁面、または対向する2つの壁面に設置されたバーナーを通して炉内に空気で吹き込まれ、点火されて急速に燃焼し、中央に大きな火球を形成します。この火球からの熱放射によって、ボイラー外周付近のボイラー管内を循環する水が加熱されます。ボイラー内の水の循環速度は、処理量の3～4倍です。

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イル発電所のボイラー。

ボイラー内の水は循環するにつれて熱を吸収し、蒸気へと変化します。この蒸気は炉の上部にあるドラム内で水から分離されます。飽和蒸気は、炉から排出される燃焼ガスの最も高温な部分に吊り下げられた過熱ペンダントチューブに導入されます。ここで蒸気は1,000 °F（540 °C）まで過熱され、タービンへの供給準備が整います。  

ガスタービンを用いて水を加熱し蒸気に変換する発電所では、排熱回収ボイラー（HRSG）と呼ばれる装置が使用されます。ガスタービンからの排熱は過熱蒸気の生成に利用され、その過熱蒸気は、ガスタービン複合サイクル発電所の項で説明されているように、従来の水蒸気発電サイクルで使用されます。

水は対流パス内のエコノマイザーと呼ばれる部分を通ってボイラーに入ります。エコノマイザーから蒸気ドラムに送られ、そこからダウンカマーを通って水壁下部の入口ヘッダーへと流れます。これらのヘッダーから水は炉の水壁を上昇し、そこで一部が蒸気に変わり、水と蒸気の混合物が再び蒸気ドラムに入ります。このプロセスは、自然循環のみで行われる場合（ダウンカマー内の水は水壁内の水/蒸気混合物よりも密度が高いため）、またはポンプによって補助される場合があります。蒸気ドラム内では、水はダウンカマーに戻され、蒸気は一連の蒸気分離器と乾燥器を通過して蒸気から水滴が除去されます。乾燥した蒸気はその後、過熱器コイルへと流れます。

ボイラー炉の補助設備には、石炭供給ノズルと点火ガン、煤吹き装置、放水装置、および炉内を観察するための観察窓（炉壁に設けられたもの）が含まれる。トリップアウト後に可燃性ガスが蓄積することによる炉の爆発は、石炭に点火する前に燃焼ゾーンからそのようなガスを排出することで回避される。

蒸気ドラム（および過熱器コイルとヘッダー）には、初期起動に必要な通気口と排水口が設けられています。

化石燃料発電所では、蒸気発生炉内に過熱器が設けられていることが多い。蒸気は蒸気ドラム内の乾燥装置を通過し、炉内の管状構造物である過熱器へと送られる。ここで蒸気は管の外側の高温排ガスからさらにエネルギーを吸収し、飽和温度を超える過熱状態となる。過熱された蒸気は主蒸気管を通って高圧タービン手前の弁へと送られる。

原子力発電所の蒸気部門にはそのような部分はなく、ほぼ飽和状態で蒸気を生成する。実験的な原子力発電所では、発電所全体の運転コストを改善する目的で、化石燃料を燃料とする過熱器が設置された。

復水器は、タービンの排気から出る蒸気を液体に凝縮し、ポンプで送液できるようにする。復水器の温度を低く保つことができれば、排気蒸気の圧力が低下し、サイクルの効率が向上する。

表面凝縮器は、冷却水がチューブ内を循環するシェルアンドチューブ式熱交換器です^{。[11][15][16][17} ]低圧^{タービンからの排気蒸気はシェルに入り、隣}の図に示すようにチューブ上を流れることで冷却され、凝縮水（水）に変換されます。このような凝縮器は、蒸気側から空気やガスを連続的に除去して真空を維持するために、蒸気エジェクタまたは回転モーター駆動の排気装置を使用します。

効率を最大限に高めるには、凝縮器内の温度を可能な限り低く保ち、凝縮蒸気の圧力をできるだけ低くする必要があります。凝縮器の温度は、水の蒸気圧 が大気圧よりもはるかに低い100 ℃以下にほぼ常に十分に低く保つことができるため、凝縮器は一般的に真空状態で動作します。したがって、非凝縮性空気が密閉回路に漏れ込むのを防ぐ必要があります。

通常、冷却水によって蒸気は約25 ℃（77 °F）で凝縮し、凝縮器内に約2 ～ 7kPa （0.59～2.07inHg ）の絶対圧力、すなわち大気圧に対して約-95kPa （-28inHg ）の真空状態が生じます。水蒸気が液体に凝縮する際に生じる体積の大幅な減少が真空状態を作り出し、一般的にタービンの効率を高めます。      

制限要因は冷却水の温度です。これは発電所の立地における平均的な気候条件によって左右されます。冬季にはタービンの許容温度を超えて冷却水の温度を下げることが可能になる場合があり、その結果、タービン内で過剰な凝縮が発生します。温暖な気候で稼働する発電所では、復水器冷却水の水温が上昇すると出力を下げざるを得なくなる場合があります。残念ながら、これは通常、冷房需要が高まる時期と重なります。

凝縮器は一般的に、冷却塔からの循環冷却水を使用して廃熱を大気中に放出するか、河川、湖、または海洋からのワンパス冷却（OTC）水を使用します。米国では、発電所の約3分の2がOTCシステムを使用していますが、これはしばしば重大な環境悪影響を及ぼします。その影響には、熱汚染や、冷却水取水口での多数の魚類やその他の水生生物の死が含まれます。^{[ 18 ] [ 19 ]}

凝縮器チューブ内を循環する冷却水が吸収する熱も除去して、循環中の冷却能力を維持する必要があります。これは、凝縮器から温水を自然通風、強制通風、または誘引通風の冷却塔（隣の画像参照）に送り込み、蒸発によって水の温度を約11 ～ 17 °C (52 ～ 63 °F)下げ、廃熱を大気中に放出することによって行われます。500 MWユニットの冷却水の循環流量は、全負荷時で約 14.2 m ³ /s (500 ft ³ /s または 225,000 US gal/min) です。^{[ 20 ]}   

凝縮器チューブは通常、両面からの腐食に耐えられるようステンレス鋼やその他の合金で作られています。しかしながら、運転中に冷却水中のバクテリアや藻類、あるいは鉱物スケールによって内部が汚染されることがあり、これらはすべて熱伝達を阻害し、熱力学的効率を低下させます。多くのプラントでは、システムを停止させることなくチューブ内をスポンジ状のゴムボールで洗浄する自動洗浄システムが備えられています。

凝縮器で蒸気を凝縮するために使用される冷却水は、温められる以外は何も変化することなく、元の水源に戻されます。水が（循環式冷却塔ではなく）地域の水域に戻る場合は、その水域に排出される際の熱衝撃を防ぐために、冷たい「原水」で温度調整されることがよくあります。

凝縮システムのもう一つの形態は、空冷式凝縮器です。そのプロセスはラジエーターとファンに似ています。蒸気タービンの低圧部からの排熱が凝縮管を通過します。凝縮管は通常フィンが付いており、大型ファンによって周囲の空気がフィンを通して送り込まれます。蒸気は水に凝縮され、水蒸気サイクルで再利用されます。空冷式凝縮器は、一般的に水冷式よりも高温で動作します。水を節約できる反面、サイクルの効率は低下します（結果として、1メガワット時あたりの二酸化炭素排出量が増加します）。

凝縮器の底部からは、強力な凝縮水ポンプが凝縮した蒸気（水）を水／蒸気サイクルに再利用する。

発電所の炉には、管の外側を高温の排ガスで加熱される管を含む再熱器部が設けられている場合がある。高圧タービンからの排気蒸気は、これらの加熱された管を通過することでさらにエネルギーを回収し、その後、中圧タービン、そして低圧タービンを駆動する。

外部ファンは、燃焼に必要な十分な空気を供給するために設置されています。一次空気ファンは、大気から空気を取り込み、まず空気予熱器で空気を温めて効率を高めます。その後、一次空気は石炭粉砕機を通過し、石炭粉塵をバーナーに運び、炉内に噴射します。二次空気ファンは、大気から空気を取り込み、まず空気予熱器で空気を温めて効率を高めます。二次空気は、バーナー内で石炭と一次空気の混合流と混合されます。

誘引通風ファンは、炉から可燃性ガスを吸い出すことでFDファンを補助し、炉内の圧力を大気圧よりわずかに低く保つことで、ボイラーケーシングからの燃焼生成物の漏洩を防ぎます。

通常、一方の端に高圧タービンがあり、続いて中圧タービン、そして最後に1基、2基、または3基の低圧タービンと、発電機に接続するシャフトが配置されています。蒸気がシステム内を移動し、圧力と熱エネルギーを失うにつれて体積が膨張するため、残りのエネルギーを抽出するには、各段階で直径を大きくし、ブレードを長くする必要があります。回転する全体の質量は200トン以上、長さは30メートル（100フィート）を超える場合もあります。 

非常に重いため、停止時でもシャフトがわずかにでも曲がってバランスを崩さないように、低速（毎分3回転）で回転させ続けなければなりません。これは非常に重要な機能であり、停電時の非常用電源バッテリーの6つの機能のうちの1つとなっています。他の5つの機能は、非常用照明、通信、ステーション警報、発電機の水素シールシステム、およびターボ発電機の潤滑油です。

20世紀後半の典型的な発電所では、ボイラーからの過熱蒸気は、直径14～16インチ（360～410 mm）の配管を通って2,400 psi（17 MPa、160 atm）、1,000 °F（540 °C）で高圧タービンに送られ、そこで圧力が600 psi（4.1 MPa、41 atm） 、温度が600 °F（320 °C）まで低下します。蒸気は直径24～26インチ（610～660 mm）の冷再加熱管を通ってボイラーに戻り、そこで蒸気は専用の再加熱ペンダントチューブで1,000 °F（540 °C）まで再加熱されます。高温の再熱蒸気は中圧タービンに送られ、そこで温度と圧力が低下した後、長翼の低圧タービンに直接送られ、最終的に復水器に送られる。              

発電機は通常、長さ約9メートル、直径約3.7メートルで、固定されたステータと回転するローターを備え、それぞれに数キロメートルに及ぶ太い銅導体が内蔵されています。一般的に永久磁石は使用されていないため、ブラックスタートは発生しません。運転時には、電力網に同期して毎分3,000回転または3,600回転で回転し、最大21,000アンペア、24,000ボルトの交流（504メガワット）の電力を発電します。   

ローターは、水素ガスで冷却された密閉チャンバー内で回転します。水素ガスは、既知のガスの中で最も高い熱伝達係数を持ち、かつ粘度が低いため風損を低減できることから選ばれています。このシステムは起動時に特別な取り扱いが必要で、チャンバー内の空気を二酸化炭素で置換してから水素を充填します。これにより、爆発性の高い水素・酸素混合気体が発生するのを防ぎます。

北米の電力系統周波数は60Hz 、ヨーロッパ、オセアニア、アジア（韓国と日本の一部地域は例外）、アフリカの一部地域では50Hzである。大型タービンは特定の回転速度に最適化されているため、必要な周波数は設計に影響を与える。 

電気は配電所に送られ、そこで変圧器によって電圧が昇圧され、目的地へと送られる。

蒸気タービン発電機は、安全かつ円滑に運転できるよう補助システムを備えています。蒸気タービン発電機は回転機器であるため、一般的に重く直径の大きなシャフトを備えています。そのため、シャフトは支持構造を必要とするだけでなく、運転中も所定の位置に保持する必要があります。回転時の摩擦抵抗を最小限に抑えるため、シャフトには複数のベアリングが設けられています。シャフトが回転するベアリングシェルは、バビットメタルなどの低摩擦材料で内張りされています。シャフトとベアリング表面間の摩擦をさらに低減し、発生する熱を抑えるために、オイル潤滑が行われます。

蒸気の連続的な抜き出しと凝縮水の連続的なボイラーへの戻りがあるため、ブローダウンや漏水による損失を補填して、ボイラー蒸気ドラム内の所望の水位を維持する必要があります。このため、ボイラー水系には補給水が連続的に供給されます。プラントに供給される原水には、一般的にカルシウム塩やマグネシウム塩などの不純物が含まれており、これらが水の硬度を高めます。ボイラーへの補給水の硬度が高いと、管水面に堆積物が形成され、管の過熱や破損につながります。

水から塩分を除去する必要があり、それは脱塩処理プラント（DM）によって行われます。DMプラントは一般的に、陽イオン交換器、陰イオン交換器、および混合床式交換器で構成されています。このプロセスを経て得られる最終水に含まれるイオンは、主に水素イオンと水酸化物イオンであり、これらが再結合して純水となります。非常に純度の高いDM水は、酸素に対する親和性が非常に高いため、大気中の酸素を吸収すると非常に腐食性が高くなります。

DMプラントの容量は、原水に含まれる塩の種類と量によって決まります。DMプラントはメンテナンスのために停止する可能性があるため、ある程度の貯蔵は不可欠です。この目的のために、ボイラー補給用にDM水を連続的に取り出すための貯蔵タンクが設置されます。DM水用の貯蔵タンクは、PVCなどの腐食性水の影響を受けない材料で作られています。配管とバルブは一般的にステンレス鋼製です。タンク内の水面上に、空気との接触を避けるために、蒸気ブランケット装置またはステンレス鋼製のドーナツ型フロートが設けられる場合もあります。DM水の補給は、一般的に表面凝縮器の蒸気空間（つまり真空側）で行われます。この装置では、水を噴霧するだけでなく、DM水は脱気され、溶解ガスは凝縮器に取り付けられたエジェクターを通して脱気器によって除去されます。

石炭火力発電所では、石炭貯蔵エリアから運ばれてきた原料石炭は、まず細かく粉砕され、ボイラーの石炭供給ホッパーに搬送されます。次に、石炭は非常に細かい粉末に粉砕されます。粉砕機としては、ボールミル、回転ドラムグラインダー、またはその他のタイプのグラインダーが使用されます。

発電所によっては、石炭ではなく重油を燃焼させるところもある。重油は、凝固してポンプで送油できなくなるのを防ぐため、貯蔵タンク内で流動点以上の温度に保つ必要がある。通常、重油は約100  ℃まで加熱されてから、炉の燃料油噴霧ノズルを通して送油される。

一部の発電所では、ボイラーの主燃料として処理済み天然ガスを使用しています。また、他の発電所では、主燃料（石炭または石油）の供給が途絶えた場合に備えて、補助燃料として処理済み天然ガスを使用する場合があります。そのような場合、ボイラー炉には別途ガスバーナーが設置されます。

回転ギア（または「回転ギア」）は、ユニット停止後にタービン発電機のシャフトを非常に低速で回転させるための機構です。ユニットが「トリップ」（つまり、蒸気入口弁が閉じられる）されると、タービンは停止状態に向かって惰性で回転速度を落とします。完全に停止した後、長時間同じ位置に留まると、タービンシャフトがたわんだり曲がったりする傾向があります。これは、タービンケーシング内の熱がケーシングの上半分に集中し、シャフトの上半分が下半分よりも高温になるためです。そのため、シャフトは数百万分の1インチ単位で歪んだり曲がったりする可能性があります。

このわずかな軸のたわみは、偏心計でしか検出できないほど小さいものですが、再起動時に蒸気タービン発電機ユニット全体に損傷を与えるほどの振動を引き起こす可能性があります。そのため、軸は減速ギアによって自動的に低速（定格速度の約1%）で回転し、完全に停止できるほど十分に冷却されるまで回転し続けます。

補助油圧システムポンプは、蒸気タービン発電機の起動時に油圧を供給するために使用されます。このポンプは、蒸気タービンの主入口蒸気遮断弁、調速制御弁、軸受およびシール油システム、関連する油圧リレー、その他の機構に必要な油圧システムに油圧を供給します。

起動時のタービンの回転速度が所定の値に達すると、タービンの主軸によって駆動されるポンプが補助システムの機能を引き継ぐ。

小型発電機は吸気口のフィルターを通して空気を吸い込むことで冷却できますが、大型発電機は一般的に特別な冷却装置が必要です。水素ガス冷却は、油封式ケーシング内で行われます。これは、水素が既知のガスの中で最も高い熱伝達係数を持ち、粘度が低いため風損が少ないためです。このシステムは起動時に特別な取り扱いが必要で、発電機筐体内の空気をまず二酸化炭素で置換してから水素を充填します。これにより、可燃性の高い水素が空気中の酸素と混ざらないようにします。

ケーシング内の水素圧は、外部からの空気の侵入を防ぐため、大気圧よりわずかに高い圧力に維持され、熱伝達能力を向上させるために約2気圧まで高められます。シャフトがケーシングから出る部分では、水素が外部に漏れないように密閉する必要があります。シャフトの周囲には、小型タービンではシャフトとシール間の摩擦を防ぐために非常に小さな環状隙間を設けたメカニカルシールが取り付けられ、大型タービンではラビリンス型シールが使用されています。シールオイルは、水素ガスが大気中に漏れるのを防ぐために使用されます。

この発電機は水冷方式を採用している。発電機コイルの電圧は約22kVであるため、給水管と発電機の高電圧巻線との接続にはテフロンなどの絶縁材が用いられている。使用される水は導電率の低い脱塩水である。

現代の電力会社直結型発電機の電圧は、小型発電機では11kV 、大型発電機では30kVの範囲です。発電機の高電圧リード線は、小型発電機で使用されるケーブルに比べて電流が大きいため、通常は大型のアルミニウム製ダクトが使用されます。これらは、適切に接地されたアルミニウム製バスダクトに収められ、適切な絶縁体で支持されています。発電機の高電圧リード線は、昇圧変圧器に接続され、高電圧変電所（通常115kV～765kV）に接続されて、地域の電力網を通じて送電されます。

高電圧配線には必要な保護装置と計測装置が備えられています。そのため、蒸気タービン発電機と変圧器は一体となっています。小型ユニットでは、発電機を共通の母線に接続するための個別の遮断器を備えた共通の発電機昇圧変圧器を共有する場合があります。

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イル発電所の制御センター

発電所の運転制御の大部分は自動化されています。しかし、場合によっては手動による介入が必要となることもあります。そのため、発電所には監視装置と警報システムが備えられており、特定の運転パラメータが正常範囲から大きく逸脱した場合に、運転員に警告を発します。

鉛蓄電池ユニットで構成される中央バッテリーシステムは、必要に応じて発電所の制御システム、通信システム、発電機の水素シールシステム、タービン潤滑油ポンプ、非常用照明などの重要機器に非常用電力を供給するために設けられています。これは、緊急事態発生時にユニットを安全かつ損傷なく停止させるために不可欠です。

主タービン排気蒸気、グランド蒸気凝縮器からの凝縮水、および低圧ヒーターからの凝縮水の熱負荷を放散するために、主凝縮器に冷却水を連続的に供給し、凝縮を起こさせる。

内陸の発電所による冷却水の消費により、2040～2069年までに大部分の火力発電所の電力供給量が減少すると推定されている。^{[ 27 ]}