火力発電の仕組みと熱効率ランキンサイクル・汽力発電を電験三種の電力で

結論：火力発電とは、石炭・石油・ガスなどの燃料を燃やした熱で蒸気（または燃焼ガス）をつくり、その力でタービンを回して発電する方式です（当サイトの説明）。蒸気を使う方式を汽力発電といい、ボイラ→タービン→復水器→給水ポンプ→ボイラ、と水が蒸気と水に姿を変えながら循環します。この基本のサイクルをランキンサイクルと呼びます（当サイトの説明）。熱効率は、発電した電力量を、燃料の持つ熱量で割った値です（発電端効率は、発電機の出力で見た値。当サイトの説明）。電験三種の電力では、汽力発電の設備の順序・復水器・熱効率の向上・熱効率の計算が出題されています（後半の表）。

この記事は、「火力発電の仕組み」を調べている方にも、電験三種の準備をしている方にも読めるように、はじめに仕組みと用語を整理し、後半で試験の問われ方を扱います。発電所の運転や設備の判断を当サイトが行うことはできません。電力科目全体の範囲は電験三種 電力 攻略法にまとめています。

試験センター非提携：本サイトは一般財団法人 電気技術者試験センターと一切関係ありません。試験の出題・資料は、出典を示して内容を紹介しています。製品名やメーカーは扱いません。

電力の試験科目の内容：電気技術者試験センターの第三種電気主任技術者の試験概要は、電力の科目の内容を「発電所、蓄電所及び変電所の設計及び運転、送電線路及び配電線路（屋内配線を含む。）の設計及び運用並びに電気材料」と示しています。最終確認日：2026-10-09。出典：電気技術者試験センター 第三種電気主任技術者の試験概要。

火力発電の仕組み：ボイラからタービン・復水器まで

汽力発電所の水と蒸気は、次の順に流れます（当サイトの説明。設備の構成は発電所によって異なります）。

燃焼ガスの側にも順序があります。令和7年度上期 電力 問3は、水・蒸気・燃焼ガスがボイラとタービンの主要設備を通る一般的な順序の記述のうち、誤っているものを選ぶ問題で、センターの解答は(5)でした。正しいものとして並んでいたのは、水が給水ポンプ→節炭器→蒸気ドラム、蒸気が蒸気ドラム→過熱器→高圧タービン、蒸気が再熱器→低圧タービン→復水器、燃焼ガスが火炉→過熱器→節炭器、です。誤りの(5)は、燃焼ガスが節炭器→電気集じん装置→空気予熱器、という並びでした。空気予熱器は、燃焼ガスの余熱をボイラへの燃焼用空気に回収する装置です（令和5年度上期 問3、解答は(5)）。燃焼ガスは、節炭器・空気予熱器で熱を回収してから、集じん装置へ向かいます（当サイトの説明）。出典：令和7年度上期 電力 問3、解答、令和5年度上期 電力 問3、解答。

蒸気タービンの分類（令和6年度下期 問3）

令和6年度下期 電力 問3は、蒸気タービンの分類の空欄補充で、センターの解答は(5)でした。衝動タービンは、ノズルを通る間に蒸気の圧力が降下して高速になり、羽根の出入口の蒸気の圧力は等しく、高圧の蒸気に適する、反動タービンは、ランナの内部で蒸気を膨張させて反動力を利用し、中低圧の蒸気に適する、という内容です。出典：令和6年度下期 電力 問3、解答。

復水器のはたらき（令和8年度上期 問3）

令和8年度上期 電力 問3は、火力発電所の復水器について、タービンの排気を冷却水で冷やして凝縮させ、水に戻して復水を回収する装置であり、内部の真空度を保持することで、タービンの入口蒸気と出口蒸気の圧力差を大きくし、蒸気タービンの効率を高めている、という内容の空欄補充で、センターの解答は(1)でした。出典：令和8年度上期 電力 問3、解答。

ランキンサイクル：水と蒸気の循環

ランキンサイクルは、汽力発電の基本となる熱サイクルです（当サイトの説明）。

熱効率を高める方法として、このサイクルに「再熱」や「給水加熱（再生）」を加える方式があります（当サイトの説明。再熱サイクルの利用は、令和6年度下期 問2で熱効率の向上策として正しい選択肢でした）。電気技術者試験センターが公表した令和4年度上期〜令和8年度上期の電力の問題文には、「ランキンサイクル」の記載がありません（2026-10-09 時点）。この期間の問題では、各設備のはたらきと順序、熱効率の向上策が問われています。

熱効率の向上策（令和6年度下期 問2）

令和6年度下期 電力 問2は、汽力発電において熱効率の向上を図る方法のうち、誤っているものを選ぶ問題で、センターの解答は(4)でした。選択肢は、次の5つです。

• 高温高圧の蒸気を使用する
• 復水器の真空度を高める
• 再熱サイクルを利用する
• 給水加熱器で抽気温度を上げる（センターの解答が示す誤りの選択肢）
• 節炭器で排ガス温度を下げる

誤りの(4)以外の4つは、センターの解答に照らして、熱効率の向上策として適切な記述です。出典：令和6年度下期 電力 問2、解答。復水器の真空度を保つ理由は、令和8年度上期 問3で問われています（前の見出し）。

コンバインドサイクルとの比較

ガスタービンと汽力を組み合わせたコンバインドサイクル発電は、汽力発電と比べる問題が複数回出ています。令和6年度上期 問3の内容は、よくある質問の欄にまとめています。令和4年度下期 問3と令和5年度上期 問2にも、同じ形式の比較問題があります。

熱効率の式と計算（令和4年度上期・令和6年度下期・令和7年度）

火力発電の熱効率（発電端効率）は、次の式で表されます（当サイトの説明）。

η = 発電した電力量[kJ] ÷ 燃料の持つ熱量[kJ] = 3 600 × P ÷ (B × H)

P は発電出力[kW]、B は1時間の燃料消費量[kg/h]、H は燃料の発熱量[kJ/kg]です（1 kW･h = 3 600 kJ）。発熱量が kcal/kg で与えられる場合の式は、電験三種 電力 攻略法の公式の欄にあります。

当サイトの作例：発電端効率（2通りの検算）

次の数値は、当サイトが作った例です。出力300 MWで24時間運転し、重油を1 500 t使った場合（発熱量42 000 kJ/kg）の発電端効率を求めます。

1. 発電電力量：300 MW × 24 h = 7 200 MW･h = 7 200 × 3 600 MJ = 2.592×10¹⁰ kJ

2. 燃料の持つ熱量：1 500 t = 1.5×10⁶ kg、1.5×10⁶ kg × 42 000 kJ/kg = 6.3×10¹⁰ kJ

3. 発電端効率：2.592×10¹⁰ ÷ 6.3×10¹⁰ ≒ 0.4114 → 41.1 ％

検算（式 η = 3 600P ÷ (BH) で計算）：P = 300 000 kW、B = 1.5×10⁶ kg ÷ 24 h = 62 500 kg/h、H = 42 000 kJ/kg。3 600 × 300 000 = 1.08×10⁹、62 500 × 42 000 = 2.625×10⁹、その比は約0.4114 → 41.1 ％で一致します。

公式の問題で確かめる：令和7年度下期 問15・令和6年度下期 問15

令和7年度下期 電力 問15は、最大出力600 MWの重油専焼火力発電所（重油の発熱量44 000 kJ/kg）についての(a)(b)です。

• (a) 45 000 MW･hの電力量を発生するのに重油9.1×10³ tを使ったときの発電端効率。センターの解答は(4)の40.5％。当サイトの計算は、4.004×10¹¹ kJ（燃料）に対して1.62×10¹¹ kJ（電力量）で約40.5％。検算：1.62×10¹¹ ÷ 44 000 ≒ 3.68×10⁶ kg の燃料が熱量換算で必要で、実際の9.1×10⁶ kg の約40.5％にあたる
• (b) 最大出力で24時間運転し、発電端効率が45.0％のときの二酸化炭素の発生量。センターの解答は(3)の8.16×10³ t。当サイトの計算は、電力量14 400 MW･h = 5.184×10¹⁰ kJ、燃料の熱量 = 5.184×10¹⁰ ÷ 0.45 = 1.152×10¹¹ kJ、燃料 = 1.152×10¹¹ ÷ 44 000 ≒ 2 618 t、炭素85.0％で約2 225 t、CO₂は炭素1に対して44/12倍なので約8 160 t。検算：燃料1 kgあたりのCO₂ = 0.85 × 44/12 ≒ 3.117 kg なので、2 618 t × 3.117 ≒ 8 160 t

令和6年度下期 電力 問15は、出力1 000 MW・発電端効率41％・発熱量44 000 kJ/kgの重油専焼火力発電所で、(a)の重油消費量の解答は(4)の200 t/h、(b)の1日のCO₂発生量の解答は(3)の15.0×10³ tでした（炭素85％・水素15％）。当サイトの計算は、(a) 1 000 MW ÷ 0.41 ≒ 2 439 MW = 2.439×10⁶ kJ/s、これを44 000 kJ/kg で割ると約55.4 kg/s ≒ 199.6 t/h、(b) 199.6 t/h × 24 h × 0.85 × 44/12 ≒ 14 930 t ≒ 15.0×10³ t です。

令和7年度上期 電力 問2は、タービン出力175 MW、タービン効率92％、タービン入口と復水器入口の蒸気のエンタルピーが32 500 kJ/kgと30 800 kJ/kgのときの使用蒸気量を求める問題で、センターの解答は(5)の403 t/hでした。当サイトの計算は、エンタルピー差1 700 kJ/kg × 0.92 = 1 564 kJ/kg、175 000 kJ/s ÷ 1 564 kJ/kg ≒ 111.9 kg/s × 3.6 ≒ 403 t/h です。令和4年度上期 問3（発電機出力19 MW・使用蒸気量80 t/h・発電機効率95％）のタービン効率は、センターの解答が(4)の86％で、当サイトの計算では、19 MW ÷ 0.95 = 20 MW = 20 000 kJ/s、蒸気側は80 t/h ≒ 22.2 kg/s × 1 050 kJ/kg ≒ 23 333 kJ/s、20 000 ÷ 23 333 ≒ 0.857 → 86％ です。

出典：令和7年度下期 電力、解答、令和6年度下期 電力、解答、令和7年度上期 電力、解答、令和4年度上期 電力、解答。

試験での問われ方：令和4年度上期〜令和8年度上期の電力

次の表は、センターが公表した令和4年度上期〜令和8年度上期の電力の問題（9回分）のうち、火力発電（汽力発電・コンバインドサイクル）に関する問題を、当サイトが拾ったものです（当サイトの整理。ここに挙げたもの以外にも、火力に関連する問題があります）。

出典：センター公表の電力の問題と解答（令和4年度上期、令和4年度下期、令和5年度上期、令和5年度下期、令和6年度上期、令和6年度下期、令和7年度上期、令和7年度下期、令和8年度上期）。

出題の型は、(1)設備の順序・はたらきの記述（節炭器・空気予熱器・復水器・タービン）、(2)他の発電方式との比較（コンバインドサイクル）、(3)熱効率・燃料消費量・CO₂発生量などの計算、の3つに分けられます（当サイトの整理）。計算問題は、1 kW･h = 3 600 kJ と、発熱量・効率の関係を使います。電力の問題は電力の問題一覧から解けます。

間違えやすいポイント

• 単位の換算を忘れない。 電力量[kW･h]に3 600を掛けて[kJ]にします。MW･hなら3 600 MJです。
• 効率は、何を分子・分母にするかで名前が変わります。 発電端効率は発電機の出力で見た効率で、令和4年度下期 問15の「タービン室効率」のように、別の名前の効率を求める問題もあります。発電機効率などの条件は問題文に示されるので、問題文の指定をよく読みます。
• コンバインドサイクルが有利な点（熱効率・始動停止・追従性）と、外気温の影響を受けやすい点を分けて覚えます。 令和6年度上期 問3の誤りは、外気温の影響を小さいとした記述でした。
• CO₂の計算は、炭素の重量比と、44/12（CO₂の分子量44とCの原子量12の比）を使います。 水素は燃焼してもCO₂にはならず、水になります（当サイトの説明。令和6年度下期・令和7年度下期の問15は、重油の成分を炭素と水素の重量比で示しています）。

まとめ

• 火力発電は、燃料の熱でつくった蒸気でタービンを回して発電する方式。汽力発電は、給水ポンプ→節炭器→ボイラ→過熱器→タービン→復水器の順に水と蒸気が循環する（ランキンサイクル）
• 熱効率（発電端効率）= 3 600P ÷ (B × H)。電力量[kW･h]を3 600倍して[kJ]にそろえる
• 復水器の真空度を保つことでタービンの入口と出口の圧力差を大きくし、効率を高める（令和8年度上期 問3）
• 令和4年度上期〜令和8年度上期の電力の問題文に、「ランキン」の記載はなく、設備の順序・復水器・熱効率の向上策・計算が問われている