Thermal power generation - karyo hatsuden

Japanese: 火力発電 - かりょくはつでん

The process of converting thermal energy from the combustion of coal, oil, natural gas, etc. into mechanical energy that rotates using a prime mover such as a turbine, and then converting it into electrical energy by running a generator. Thermal power generation, particularly when it generates electricity through steam, is sometimes referred to as thermal power generation. Gas turbine power generation uses combustion gas directly to turn the turbine, but since the heat source is the same as thermal power generation such as gas, it is sometimes classified as thermal power generation. Internal combustion power generation such as diesel engines is generally not classified as thermal power generation. Also, depending on the type of fuel, it can be divided into coal-fired power generation, which uses coal as fuel, oil-fired power generation, which uses heavy oil and other oil as fuel, and gas-fired power generation, which uses natural gas (petroleum gas) as fuel. Nuclear power generation also uses heat to create steam, which is then used to rotate a turbine to generate electricity, so in principle it is similar to thermal power generation, but since the heat source is different, it is not classified as thermal power generation.

Gas turbine power generation has been installed in various places in Japan since around 1965, and is widely used for private use as well as for electric power companies. In addition, with the aim of improving the thermal efficiency of thermal power generation, combined cycle power generation (combined cycle power generation) and advanced combined cycle (ACC) power generation, which combines gas turbines with heat recovery boilers, are now in their heyday. In Japan, thermal power generation is mainly used to meet peak loads due to its high mobility.

The first thermal power plant built in Japan was built in November 1887 (Meiji 20) in Minami Kayabacho, Nihonbashi, Tokyo, and was a 25-kilowatt DC generator (driven by a steam engine). This was five years before the first hydroelectric power plant in Japan was built, utilizing the Lake Biwa Canal. Thermal power plants built before World War II were built to supplement the output of hydroelectric power plants, which declined during periods of low water. Until the beginning of the Showa era, most boilers and turbines were imported from Europe and America, but in 1930 (Showa 5), a domestically produced 25,000-kilowatt machine was installed at the Kawasaki Power Plant of the Ministry of Railways (Kanagawa) and operated smoothly. This was followed by the domestic production of a turbine and boiler for the Shikama Port Power Plant (Hyogo), which had the highest pressure at the time, a pressure of 46 atmospheres and an output of 35,000 kilowatts. Domestic production continued to progress, with the construction of the Ube Power Station (Yamaguchi) with an 18,000 kilowatt capacity, which was a world record at the time for a 3,600 RPM machine, and the Saka Power Station (Mie) with a 30,000 kilowatt capacity. In 1952 (Showa 27) after the Second World War, the Chikujo Power Station (Fukuoka Prefecture) was built with a pressure of 60 atmospheres and an output of 35,000 kilowatts, and this marked the start of the construction of high-temperature, high-pressure, large-capacity, and highly efficient thermal power plants, with the first unit being the first to be built using foreign technology, and the second unit and onwards being built using domestic production methods. After that, large-capacity plants were built one after another, including the 125,000 kilowatt unit at the Chiba Thermal Power Station in 1957, the 265,000 kilowatt unit at the Yokosuka Thermal Power Station in 1960, the 600,000 kilowatt unit at the Anesaki Thermal Power Station (Chiba) in 1967, and the 1,000,000 kilowatt unit at the Kashima Thermal Power Station (Ibaraki) in 1974.

In the 1960s, when Japan was in a period of high economic growth, large thermal power plants were built one after another to meet the strong demand for electricity, and before the first oil shock in 1973, oil-fired power generation accounted for 80% of total electricity generation. However, after two oil shocks in 1974 and 1979, the diversification of power sources, the development of new energy sources, and the advancement of nuclear power generation led to the proportion of oil-fired power generation falling below 50% around 1985, and the focus has been shifting to liquefied natural _{gas (} _LNG ) power generation, which has a smaller environmental impact than coal-fired or oil-fired power generation, from the perspective of reducing carbon dioxide (CO2), nitrogen oxides (NOx), and sulfur oxides (SOx ₎ .

The feasibility of coal-fired power generation is being reconsidered, given the experience of the oil crisis, advances in environmental protection technologies such as desulfurization and denitrification (removal of sulfur oxides and nitrogen oxides), and the fact that coal reserves are abundant, the supply is stable and cheap. Globally, coal-fired power generation is the main source of power generation.

[Ryuichi Shimada]

Thermal power plants

Thermal power plants are facilities that mainly generate large amounts of steam power. They are power plants that are basically equipped with a boiler, turbine, and generator, with various auxiliary equipment and auxiliary facilities. Fuel can be LNG, heavy oil, or coal, but some also use liquefied petroleum gas (LPG), blast furnace gas, or crude oil. Water is heated in the boiler by burning the fuel, and steam with a high pressure of about 200 atmospheres and a high temperature of about 500°C is produced, which is then sent to the steam turbine. In the steam turbine, the high temperature and high pressure steam turns the turbine, which rotates the turbine generator (horizontal shaft two-pole or four-pole machine) directly connected to the steam turbine, generating electricity. Most generators are high-speed, small two-pole machines that rotate at 3,000 rpm in the 50 Hertz region of eastern Japan and 3,600 rpm in the 60 Hertz region of western Japan. Large-capacity generators have an output of 600,000 to 1,000,000 kilowatts, and generate electricity using a large-capacity horizontal-axis high-speed rotating machine that is filled with hydrogen gas and cooled. Small-capacity private generators are also over 10,000 kilowatts, with a generator voltage of 11 to 24 kilovolts. This voltage is increased to 66 to 500 kilovolts at a substation within the power plant or nearby the plant, and then sent to the demand area via transmission lines. The steam that passes through the turbine is sent to a condenser, where it is cooled and turned back into water. A large amount of cooling water is needed to turn this steam into water in the condenser, and most of it is seawater. The water coming out of the condenser is heated again by steam (bleed air) taken from the middle of the steam turbine, and sent back to the boiler. The exhaust gas from the fuel burned in the boiler is sent to the chimney through the flue, and the flue is also equipped with an electrostatic precipitator and desulfurization and denitrification equipment to prevent harmful dust from being included in the exhaust gas from the chimney.

Thermal power plants are usually built on coasts because consideration is given to minimizing the impact they have on the surrounding environment, the cost of transmission lines is low, and it is convenient to transport fuel and materials; in the case of coal-fired power plants in particular, it is necessary to transport not only fuel but also ash.

[Ryuichi Shimada]

[Reference] | Gas turbine power generation | Thermal power generation | Combined cycle power generation | Power generation

Schematic diagram of a thermal power plant
©Makoto Takahashi

Schematic diagram of a thermal power plant

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

石炭、石油、天然ガスなどの燃焼による熱エネルギーを、タービンなどの原動機によって回転する機械エネルギーに変え、さらに発電機を働かせて電気エネルギーに変換させること。火力発電のなかでとくに水蒸気を介して発電する場合を汽力発電と狭くよぶこともある。ガスタービン発電は燃焼ガスで直接タービンを回すが、熱源はガスなど火力発電と同じであるので火力発電に分類する場合もある。ディーゼルエンジンなど内燃力発電は一般には火力発電には入れない。また、燃料の種類により、石炭を燃料とする石炭火力発電、重油など石油を燃料とする石油火力発電、天然ガス（石油ガス）を燃料とするガス火力発電に分けられる。原子力発電も熱で水蒸気をつくり、その水蒸気でタービンを回転させて発電するので原理的には火力発電と同様であるが、熱源が異なるので火力発電としては分類されない。

　ガスタービン発電は日本においては1965年（昭和40）ころから各所に設置され、自家用をはじめ電気事業用としても多く使われている。また火力発電の熱効率の向上を目的に、ガスタービンと排熱回収ボイラーを組み合わせた複合サイクル発電（コンバインドサイクル発電）、アドバンストコンバインドサイクル（ACC：Advanced Combined Cycle）発電が全盛となっている。日本では、火力発電はその機動性の高さからピーク負荷対応がおもな役目になっている。

　日本で最初に建設された火力発電所は、1887年（明治20）11月に東京・日本橋南茅場(かやば)町に設置されたもので、出力25キロワットの直流発電機（原動機は蒸気機関）によるものであった。これは、琵琶湖(びわこ)疎水利用による日本最初の水力発電所に先だつこと5年であった。第二次世界大戦前の火力発電所は、水力発電所が渇水期に減少する出力の補給用として建設された。昭和の初めまでは、ボイラーおよびタービンはほとんど欧米からの輸入品であったが、1930年（昭和5）当時の鉄道省川崎発電所（神奈川）に国産の2万5000キロワット機が据え付けられ、順調な運転を行った。続いて当時としてはもっとも高い圧力であった飾磨(しかま)港発電所（兵庫）の圧力46気圧、出力3万5000キロワットのタービンおよびボイラーが国産化された。その後さらに国産化が進み、3600回転機としては当時の世界的記録をもつ1万8000キロワットの宇部発電所（山口）、3万キロワットの坂発電所（三重）が建設された。第二次世界大戦後の1952年（昭和27）に圧力60気圧、出力3万5000キロワットの築上(ちくじょう)発電所（福岡県）が建設され、これを契機として、1号機外国技術導入、2号機以降国産化方式による高温・高圧の大容量・高効率の火力発電所がつくられていった。その後は続々と建設され、1957年に千葉火力発電所12万5000キロワット機、1960年に横須賀火力発電所26万5000キロワット機、1967年に姉崎火力発電所（千葉）60万キロワット機、1974年に鹿島(かしま)火力発電所（茨城）100万キロワット機など、大容量のものがつくられた。

　日本が高度成長期を迎えた1960年代、旺盛(おうせい)な電力需要にこたえるために大型火力発電所が次々に建設され、1973年の第一次オイル・ショック前には石油火力発電が総電力量の80％にも達した。しかし、1974年、1979年の二度のオイル・ショックを経て、電源の多様化、新エネルギーの開発、原子力発電の進展により、1985年ごろから石油火力発電の割合は50％を切るようになり、燃料としては二酸化炭素CO₂、窒素酸化物NO_x、硫黄(いおう)酸化物SO_x削減の観点から石炭火力、石油火力より環境負荷の小さい液化天然ガス（LNG）発電に中心が移りつつある。

　石炭火力発電については、オイル・ショックの経験と脱硫・脱硝（硫黄酸化物や窒素酸化物を除去すること）など環境対策技術が進歩したこと、石炭の埋蔵量が豊富で供給が安定し安価であることなどから、その可能性が見直されてきている。世界的にみると主力の発電は石炭火力発電である。

［嶋田隆一］

火力発電所

火力発電所は主として汽力発電を大容量に行う設備である。ボイラー、タービン、発電機が基本となり、これにいろいろな補助設備（補機）や付属設備が設けられている発電プラントである。燃料にはLNG、重油、石炭があるが、一部には液化石油ガス（LPG）、高炉ガスや原油を用いるものもある。燃料の燃焼によってボイラーで水を加熱し、高圧200気圧付近、高温500℃程度の蒸気をつくり、これを蒸気タービンに送る。蒸気タービンでは、高温・高圧の蒸気でタービンを回し、蒸気タービンに直結されたタービン用（横軸2極機、または4極機）発電機を回転させて、電気を発生する。発電機の回転速度は、大部分が高速で小型な2極機で、東日本の50ヘルツ地域では毎分3000回転、西日本の60ヘルツ地域では毎分3600回転のものが採用されている。大容量の発電機出力は60万～100万キロワットで、水素ガスで満たして冷却する大容量の横軸高速回転機械による発電である。小容量の自家用発電でも1万キロワット以上で、発電機電圧は11キロ～24キロボルトである。この電圧は、発電所構内または発電所に接近した変電所で66キロ～500キロボルトに高められ、送電線を経て需要地域に送られる。タービンを通った蒸気は復水器に送られ、冷却されふたたび水に戻される。復水器でこの蒸気を水にするためには、大量の冷却水が必要であり、大部分は海水が用いられる。復水器から出た水は、ふたたび蒸気タービンの途中から取り出した蒸気（抽気）によって加熱され、ボイラーに送り戻される。ボイラーで燃焼した燃料の排気ガスは、煙道を通って煙突へ送られるが、煙突からの排気ガスのなかに有害な塵(ちり)を含まないようにする電気集塵(しゅうじん)機や脱硫・脱硝装置なども煙道に設置している。

　火力発電所が設置される地点は、周辺に及ぼす環境面での影響が少ないように配慮するとともに、送電線に要する経費が少ないこと、燃料・資材の搬入に便利であること、とくに石炭火力発電所の場合、燃料ばかりでなく灰の搬出も必要であることから、普通は海岸に建設される。

［嶋田隆一］

[参照項目] | ガスタービン発電 | 汽力発電 | コンバインドサイクル発電 | 発電

火力発電所の模式図

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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