復水器の真空度と冷却

復水器は、蒸気タービンの排気を冷却して凝縮させ、水に戻す熱交換器である。火力発電所では、タービンを出た低圧の排気蒸気を復水器内で冷却水と熱交換させ、復水として復水ポンプで給水系統へ送り返す。復水器内の圧力を大気圧より低く保つことを真空を作る、または真空度を高くすると表現し、この真空度が蒸気タービンの出力と熱効率を大きく左右する。本節では、真空度の定義、真空度が熱効率に及ぼす効果、冷却水による熱収支、そして真空を低下させる空気の侵入について整理する。

真空度の定義と復水器の役割

真空度は、大気圧を基準として復水器内の圧力がどれだけ低いかを表す指標である。大気圧を基準にした真空度は、大気圧から復水器内の絶対圧力を差し引いた値を大気圧で割り、百分率で表すのが一般的である。

真空度[%] = (大気圧 − 復水器内絶対圧力) ÷ 大気圧 × 100

ここで、絶対圧力は真空の状態を含めて圧力を零から測った値であり、ゲージ圧力は大気圧を零として測った値である。両者を区別せずに代入すると真空度の値が誤るため、問題文が示す圧力がどちらの基準かを確認しなければならない。

復水器内の全圧は、蒸気の分圧と非凝縮性ガスの分圧の和であり、「全圧＝蒸気分圧＋非凝縮性ガス分圧」と表せる。液水と水蒸気が平衡に近い状態では、蒸気分圧は液水温度に対応する飽和蒸気圧に近づくが、空気などの非凝縮性ガスが存在する場合、全圧は飽和蒸気圧と同じとは限らない。冷却によって蒸気が凝縮し、非凝縮性ガスを適切に除去することで復水器の絶対圧を低く保てる。運転条件が同じで背圧を下げられれば、タービンの入口と出口の間で利用できる蒸気のエネルギー差が大きくなり、仕事を増やせる。ただし、実際に保てる背圧は冷却条件やガス除去能力などに左右される。

真空度が熱効率に与える効果

真空度を高くすると、タービンの排気圧力が下がり、タービンで蒸気が膨張する範囲が広がる。その結果、同じ蒸気量であってもタービンが取り出せる仕事が増え、蒸気タービンの出力と熱効率が向上する。真空度の向上は、タービン出力を増やす効果を持つものの、排気圧力を下げるほど得られる効果は小さくなるという性質を持つ。

真空度の向上は、常に効率を高めるとは限らない。真空を高くするには冷却水量の増加や冷却水温度の低下が必要になり、その分だけ循環水ポンプの所内動力が増加する。すなわち、真空度を上げることによる出力増加と、冷却系統の動力増加とを比較して、正味の利得が最大となる運転点を選ばなければならない。