ランキンサイクル｜蒸気原動機を理想化したサイクル

2021.10.23

ランキンサイクル

ランキンサイクルとは、蒸気原動機を理想化して表したもので、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却、断熱圧縮の4つの可逆過程から構成されている熱機関である。水と蒸気の間の相変化による作動物質の状態変化を利用して、力学的仕事を取り出す仕組みとなっている。なお、蒸気原動機は、発電所で使われており、蒸気タービンから回転仕事として軸出力を取り出し、発電機から電気を発生させている。ランキンサイクルは蒸気プラント等に利用されている。また、ランキンサイクルに蒸気を再熱する工程を加えたものを再熱サイクルという。

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蒸気原動機

蒸気原動機の構成要素は、蒸気ボイラにより燃料を燃焼させ、水から高温・高圧の蒸気を作り、蒸気タービンにて、蒸気を膨張させ動力を発生させる。仕事を終わった蒸気タービンから出た低圧蒸気を復水器で冷却させ、復水した水を給水ポンプで、再度蒸気ボイラに送り返す仕組みとなっている。そのため、蒸気ボイラ、蒸気タービン、復水器、給水ポンプが必要である。

P‐V線図

P-V線図は圧力と体積の関係を示している。

T-S線図

T-S線図は、温度とエントロピーの関係を示している。

A→B　断熱圧縮

A→Bは断熱圧縮の過程である。給水ポンプによって断熱圧縮し、高圧水をボイラに供給する。

B→C　等圧加熱

B→Cは等圧加熱の過程で、ボイラ内での加熱および蒸発させ、圧力一定の状態で加熱し、高圧水を過熱蒸気にする過程である。BからB´までは水の状態で等圧加熱されて、B´からC´までは湿り蒸気（水+蒸気の二相）の状態で等圧加熱されてから、C´からCまでは過熱蒸気になって等圧加熱される。

C→D　断熱膨張

C→Dは断熱膨張の過程で、熱エネルギーの流入を断ち、断熱膨張しながらタービンの羽根車を回転するさせる過程である。圧力低下によって過熱蒸気の温度も低下して、湿り蒸気となる。

D→E　等圧冷却

D→Eは等圧冷却の過程で、圧力が一定のまま、復水器で熱を排出させ、湿り蒸気から飽和水に戻す過程である。これにより、Aの状態に戻る。

ランキンサイクルの効率

ランキンサイクルの効率はタービンと復水器に大きな影響を受ける。一般的には、タービン入口の蒸気の圧力と温度が高ければ高いほど、あるいは、復水器で冷やせば冷やすほど、熱効率が高くなる。

1→2　 給水ポンプ
2→3’　ボイラ
3’→3　過熱器
3→4　 タービン
4→1　 復水器

効率の式

ランキンサイクル｜蒸気動力の基礎となる理論熱サイクル

\ランキンサイクル\ \

\ランキンサイクル\（Rankine cycle）は、水などの液体を蒸発・凝縮させる作動流体として用い、熱エネルギーを連続的に機械的仕事へと変換する熱力学的なサイクルの一つである。主に\火力発電\や\原子力発電\などの大規模な蒸気原動所において、電力を生み出すための基礎的な理論モデルとして広く適用されている。名称は、19世紀に活躍し、熱力学の体系化に大きく貢献したスコットランドの技術者であり物理学者でもあるウィリアム・ジョン・マクコーン・ランキンにちなんで名付けられた。理想的な\ランキンサイクル\は、等圧加熱、等エントロピー膨張、等圧冷却、等エントロピー圧縮という4つの可逆的な状態変化から構成される。現実の発電プラントや製造業のプロセスでは、各機器における摩擦や熱損失といった不可逆な現象が生じるため理想状態からは乖離するものの、システム全体の効率評価や新たな設備改善案を検討する上で極めて重要な基準となっている。\

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\構成機器とサイクルのプロセス\ \

\ランキンサイクル\は、主に4つの基本機器を循環するプロセスを経て連続的な状態変化を繰り返す。第一の過程は、\給水ポンプ\における等エントロピー圧縮である。復水器から送られてきた低圧の液状水は、ポンプによって高圧に加圧され、\ボイラー\（蒸気発生器）へと送出される。第二の過程は、ボイラーにおける等圧加熱である。高圧の給水は、外部からの熱（化石燃料の燃焼熱や原子炉内の核分裂反応熱など）を与えられて沸騰し、極めて高温・高圧の過熱蒸気へと変化する。第三の過程は、\蒸気タービン\での等エントロピー膨張である。生成された高圧蒸気はタービン内部で膨張しながら、幾重にも連なるタービン翼を高速で回転させ、直結された発電機を駆動して莫大な電気エネルギーを生み出す。第四の過程は、\復水器\における等圧冷却である。タービンで膨張し仕事を終えた低圧の排気蒸気は、大量の冷却水（海水や河川水など）との熱交換によって冷却され、凝縮して再び液相の水へと戻る。\

\熱効率の算出と熱力学的特性\ \

\ランキンサイクル\における\熱効率\は、サイクル内で取り出された正味の仕事量（タービンが生み出す総仕事から、給水ポンプが消費する駆動仕事を差し引いたもの）を、ボイラーで系に加えられた総熱量で除算することによって算出される。\熱力学\の第二法則が示す通り、入力された熱エネルギーをすべて損失なく100パーセントの仕事へと変換することは原理的に不可能であり、必ず復水器において外部の低温熱源へと熱を排出しなければならない。現代の工学においては、この理論的な効率の限界を少しでも高めるための様々な工夫が凝らされている。効率向上の基本方針は、ボイラーから供給される蒸気の圧力および温度を極限まで上昇させることでサイクル全体の平均加熱温度を高く保つアプローチと、復水器の冷却能力を高めて排気圧力を可能な限り真空に近づけることで平均冷却温度を下げるアプローチの二つに大別される。\

\再熱サイクルと再生サイクルによる効率化\ \

基本の\ランキンサイクル\をさらに改良し、プラント全体の熱効率を飛躍的に向上させるための代表的な応用技術として、再熱サイクルと再生サイクルが存在する。再熱サイクルとは、高圧タービン内で部分的に膨張し温度が低下した蒸気を、一度ボイラーへと戻して再加熱し、再び低圧タービンへと送り込んで残りの膨張を行わせる方式である。これにより、タービン排気段階における蒸気の湿り度（水分含有量）を適切に低減し、液滴がタービン翼に衝突して引き起こすエロージョン（侵食）を防ぐとともに、サイクル全体の出力を増大させることができる。一方、再生サイクルとは、タービン内で膨張途中の蒸気の一部を段階的に抽気し、その熱を用いて給水ポンプからボイラーへ向かう途中の給水をあらかじめ加熱（給水加熱）するシステムである。大規模な事業用発電所においては、これら二つの先進的な技術を複雑に組み合わせた「再熱・再生\ランキンサイクル\」が標準仕様として広く採用されている。\

\理想サイクルと現実の差異\ \

    \圧力降下：複雑な配管経路内における作動流体の流体摩擦に起因し、ボイラーからタービンへ至る過程で蒸気の圧力が損失する現象。\ \機械的摩擦：タービンローターおよびポンプ軸受部などで発生する物理的な動力の損失であり、最終的な発電出力の低下を招く要因となる。\ \放熱損失：断熱材を施していても完全に防ぐことは難しく、高温となる機器表面から周囲環境への放射・対流により熱エネルギーが外部へと逃げる現象。\ \内部漏洩：バルブの隙間やタービン翼の先端とケーシングのクリアランスから、作動流体が意図せずに漏れ出すことで生じる効率低下の要因。\ \

    \オーガニックランキンサイクル（ORC）の展開\ \

    近年、地球温暖化対策や製造業における未利用エネルギー資源の有効活用という環境意識の高まりを背景として、工場などから排出される低品位な排熱エネルギーを回収して発電に利用するオーガニック\ランキンサイクル\（ORC）の導入が世界的に拡大している。通常の\ランキンサイクル\が水を主流体として取り扱うのに対し、ORCではアンモニアや各種フロン類、あるいは特定の炭化水素といった、水よりも遥かに沸点が低い有機化合物を熱媒体として採用する。これにより、摂氏300度以下の比較的低温な熱源、すなわちバイオマス燃料の燃焼熱や生産プロセスから生じる産業廃熱、地熱や太陽熱などからでも極めて効率的に動力を抽出することが可能となる。システムの構成自体は従来の蒸気サイクルと類似しているものの、用いる冷媒の熱物理的特性に完全に適合した専用の蒸発器、凝縮器、および膨張タービンの緻密な設計が要求され、持続可能な社会の実現に向けた中核的な技術として期待されている。\

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