今回は平成26年度 電力科目 A問題3を解説します。コンバインドサイクル発電の高効率化について、ガスタービンの入口ガス温度・空気圧縮機の圧力比・必要な材料技術・そして低減すべき物質を問う空欄補充問題です。
高効率化の方向は「高温化」と「高圧力比化」の2本柱。高温にするには耐熱材料と翼の冷却技術が要り、高温燃焼の副作用として窒素酸化物（NOx）が増えるのでその低減が同時に必要——因果の鎖で覚えましょう。
平成26年度 電力科目 A問題3：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成26年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題3
電験3種 電力科目 【火力】 平成26年度 A問題3
次の文章は、コンバインドサイクル発電の高効率化に関する記述である。コンバインドサイクル発電の出力増大や熱効率向上を図るためにはガスタービンの高効率化が重要である。
高効率化の方法には、ガスタービンの入口ガス温度を(ア)することや空気圧縮機の出口と入口の(イ)比を増加させることなどがある。このためには、燃焼器やタービン翼などに用いられる(ウ)材料の開発や部品の冷却技術の向上が重要であり、同時に(エ)の低減が必要となる。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (1) 高く 温度 耐熱 窒素酸化物 (2) 高く 圧力 触媒 窒素酸化物 (3) 低く 圧力 耐熱 ばいじん (4) 低く 温度 触媒 ばいじん (5) 高く 圧力 耐熱 窒素酸化物
ガスタービンの効率を上げる2つの道
入口温度を高くするか、圧力比を大きくするか——本問の(ア)(イ)がその2つです。
圧力比 ε が大きいほど効率が上がる——式の形からそのまま読み取れます。
48.2 %
★57.5 %
圧力比を2倍にすると効率が9 ポイント上がる——大きな効果です。
入口温度を上げる効果も同じ方向——カルノー効率 1−T₂/T₁ で T₁ が上がるからです。
(ウ) 耐熱材料と冷却技術
入口ガス温度は1,600 ℃ 級に達しています——金属の融点を超えているのです。
| 技術 | 内容 |
| ★ニッケル基超合金 | ★1,000 ℃ 前後まで強度を保つ |
| ★単結晶翼 | ★結晶の境目をなくして高温で変形しにくくする |
| ★遮熱コーティング（TBC） | ★セラミックの膜で熱を遮る |
| ★翼の内部冷却 | ★圧縮機からの空気を翼の中に通す |
| フィルム冷却 | 翼の表面に空気の膜を作る |
材料だけでは足りない——翼の中に空気を通して冷やすのです。問題文が「部品の冷却技術の向上」と併記しているのはそのためでしょう。
「触媒」という選択肢は的外れ——触媒は化学反応を助けるもので、高温に耐える材料の話ではありません。
(エ) 高温にすると NOx が増える
温度を上げれば効率は上がる——ところが困ったことが起きます。
| NOx の種類 | できかた | 温度との関係 |
| ★サーマル NOx | ★空気中の窒素が高温で酸素と結びつく | ★温度が高いほど急増する |
| フューエル NOx | 燃料に含まれる窒素分が酸化する | 燃料しだい |
空気の8割は窒素——ふだんは反応しませんが、高温では酸素と結びついてしまうのです。
1,500 ℃ を超えると急激に増える——効率を求めて温度を上げるほど、NOx が問題になることになります。
NOx を減らす方法
| 方法 | 仕組み |
| ★予混合燃焼（低NOx 燃焼器） | ★燃料と空気を先に混ぜて、局所的な高温を避ける |
| ★水・蒸気噴射 | ★燃焼温度を下げる |
| 排ガス再循環 | 酸素濃度を下げて燃焼を穏やかにする |
| ★脱硝装置（アンモニア接触還元） | ★出てしまった NOx を窒素と水に戻す |
燃え方を工夫して出さないようにするのが前段——それでも出た分を脱硝装置で処理するのが後段です。
「ばいじん」を選ばせる選択肢もありますが、天然ガスを燃やすガスタービンでは、ばいじんはほとんど出ません——問題になるのは NOx です。
⚠️ よくある間違い
(エ)を「ばいじん」としてしまう——選択肢(3)(4)がそれです。
ばいじんは固体の粒子——石炭火力では問題になりますが、ガスタービンの高温化とは結びつきません。
(ア)を「低く」としてしまう——選択肢(3)(4)。高温から始めるほど効率が上がるのが熱機関の原則です。
(イ)を「温度」としてしまう——選択肢(1)(4)。「空気圧縮機の出口と入口の〜比」ですから圧力比。圧縮機は圧力を上げる機械です。
(ア)と(イ)の2欄で確定できます。
⏱️ 本番での進め方
①(ア)★入口温度は高くする。カルノーの T₁ が上がる。
②(イ)★圧縮機なので圧力比。
③(ウ)耐熱材料＋冷却技術。触媒ではない。
④(エ)★高温化で増えるのはサーマル NOx。
💡 覚え方
「高温にするほど効率は上がるが NOx も増える」——この対立が高効率化の課題です。そこを耐熱材料・冷却技術・低NOx 燃焼器で乗り越える——問題文はその筋書きをそのまま述べています。
ブレイトンサイクルとランキンサイクルの違いは平成20年度 A問題3（火力：ランキンサイクルの4過程）、CO₂ 排出量の比較は平成19年度 A問題5（火力：発電方式別のCO₂排出量）にあります。
コンバインドサイクルの構成
ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた方式——2つのサイクルが直列につながっています。
| 段 | サイクル | 作動流体 | 温度域 |
| ★1段目 | ★ブレイトンサイクル | ★空気・燃焼ガス | ★1,600 ℃ → 600 ℃ |
| ★2段目 | ★ランキンサイクル | ★水・蒸気 | ★600 ℃ → 33 ℃ |
ガスタービンの排ガスは、まだ600 ℃ ほどあります——捨てるには惜しい熱です。
そこで排熱回収ボイラで蒸気を作り、蒸気タービンを回す——2段構えで熱を使い切ることになります。
なぜ効率が高いのか
★理論上83.7 %
理論上64.9 %
始まりの温度が1,000 ℃ も違う——この差がそのまま効率の差になります。
蒸気タービンだけでは600 ℃ 程度が限界——金属が耐えられないからです。
ガスタービンなら、翼を空気で冷やしながら1,600 ℃ で使える——だから高温側を大きく引き上げられることになります。
空欄の絞り込み手順
4つの空欄がありますが、2つで確定します。
| 確定させる欄 | 正しい語 | 残る選択肢 |
| (ア) | 高く | ★(1)(2)(5) |
| (イ) | 圧力 | ★(2)(5) |
| (ウ) | 耐熱 | ★(5)に確定 |
(ア)は「入口ガス温度を〜する」——熱機関は高温から始めるほど効率が上がります。これで2つ落ちます。
(イ)は「空気圧縮機の出口と入口の〜比」——圧縮機が変えるのは圧力です。
最後に(ウ)——「燃焼器やタービン翼などに用いられる〜材料」ですから耐熱。触媒は材料の性質ではありません。
コンバインドサイクルの利点
| 利点 | 内容 |
| ★熱効率が高い | ★50〜60 ％（汽力は40〜45 ％） |
| ★起動が速い | ★1時間程度（汽力は数時間） |
| ★部分負荷でも効率が落ちにくい | ★複数台のうち何台を運転するかで調整できる |
| 冷却水が少なくて済む | 蒸気タービンの容量が小さいため |
1軸あたりの出力が小さいので、複数台を並べる構成が一般的——需要に応じて運転台数を変えられるのです。
汽力発電所は1台が大きく、絞ると効率が急に落ちます——この違いが、再エネの変動に付き合ううえで効いてくることになります。
まとめ
| (ア) | 入口ガス温度を高くする（高温化） |
| (イ) | 空気圧縮機の出口と入口の圧力比を増加 |
| (ウ) | 燃焼器・タービン翼の耐熱材料＋冷却技術 |
| (エ) | 高温燃焼で増える窒素酸化物の低減が必要 |
| 答え | (5) |
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