まえがき 近年の異常気象および気候不順の発生は枚挙に暇がないほどであり, 地球温暖化が着実に進行してきている現実を否定できない状況となってきた 今や, 科学技術陣としては, 従来以上に温暖化防止に資するあらゆる手段, とりわけ, 新エネルギー, 省エネルギー, さらに燃料転換分野においてより効果的か

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2 まえがき 近年の異常気象および気候不順の発生は枚挙に暇がないほどであり, 地球温暖化が着実に進行してきている現実を否定できない状況となってきた 今や, 科学技術陣としては, 従来以上に温暖化防止に資するあらゆる手段, とりわけ, 新エネルギー, 省エネルギー, さらに燃料転換分野においてより効果的かつ積極的な取組が必要とされている 本書で取り上げたガスタービン技術は, 省エネルギー面で大きな効果をもたらすものであるが, その特徴を概括すると装置の大きさの割には大出力が得られることから今や大形航空機の原動機として圧倒的な地位を占め, また発電用においては, その高効率化特性と機能性から最近急速に導入が進んできているLNG 複合発電 ( コンバインドサイクル ) の中核技術として採用されてきている とりわけガスタービンの温度上昇に伴う高効率化特性は, 従来形発電方式を大幅に凌駕しており, 例えば, 従来形 LNG 火力発電の効率 ( 発電端, 高位基準 ) は約 42% であるのに対し, 最近のコンバインドサイクル ( ガスタービン温度 1,500 級 ) では, 同効率は約 54% にも達しており, 将来的には更なる高効率化の検討も行われている また,LNG 以外の燃料におけるガスタービンの利用に関しても, 石炭ガス化複合発電 (IGCC), 製鉄所の副生ガス利用発電, あるいは将来的には高温形燃料電池 (MCFC,SOFC) 組合せによる複合発電等, 多方面でのガスタービンの応用が検討されている 一方, その背後には, 高温化にともなう冷却技術, 材料開発, 低 NOx 燃焼技術, 運転保守システム, 制御技術の高度化等々, そこには地道ながら最先端技術レベルの導入と総合技術の発揮が必要とされ, その点地球温暖化に寄与するエネルギーの高度利用面のみでなく, わが国の科学技術の維持向上にも寄与している面が少なくない このように, ガスタービン技術は, エネルギーと環境問題への影響の大きさ等を勘案すると極めてわが国の実情に沿う今日的な技術であり, 今回当所の 新エネルギー展望 シリーズに取り上げ解説を試みたものである なお, 本編は, 当所小川紀一郎専門役が執筆し, エネルギー技術情報センターにて編集した おわりに, このシリーズの刊行は, 財団法人電力中央研究所からの委託業務 エネルギー技術情報に関する調査 の一環をなすものであり, 同研究所に対して深く謝意を表する 2007 年 3 月 財団法人エネルギー総合工学研究所理事長秋山守

3 新エネルギーの展望 ガスタービン技術 目 次 はじめに 1 1 ガスタービン開発の歴史と最近の状況 開発の歴史 LNGコンバインドサイクルの発展経緯 2 2 ガスタービンの原理, 基本構造および性能 ガスタービンの原理と基本構造 ガスタービンの種類 ガスタービンの性能と基本サイクル ガスタービンの諸特性 コンバインドサイクルの基本的構成 9 3 ガスタービンの主要構成技術 圧縮機 燃焼器 タービン 13 4 ガスタービンの燃料と適用状況 概要 ガスタービンの適用燃料概説 高炉ガス焚き発電所 石炭ガス化複合発電 18 5 ガスタービンの開発課題と動向 概要 冷却技術の変遷 耐熱材料技術の変遷 ガスタービンの主要構成要素技術の課題と動向 22 6 ガスタービンと運転 保守 ガスタービンの運転特性概要 保守の概要 25

4 7 国内代表メーカの技術概要とその取り組み 概要 川崎重工業-アルストーム型 日立 / 東芝 -GE 型 富士 -シーメンス型 三菱重工型 31 8 ガスタービンの将来展望 概要 超高温 (1,700 級 ) ガスタービン 高湿分空気利用ガスタービン (AHAT) 燃料電池とガスタービンサイクル 36 あとがき 37 参考資料 39

5 はじめに日本における最近の年間発電電力量 (kwh) (2006 年度推定実績 ) は, 火力が約 6 割を占め, 次に原子力が3 割, 水力 地熱が約 1 割, いわゆる新エネルギーは未だ約 1% に過ぎない すなわち現在の電力の大半は火力に頼っている (1) その火力の中でも, 現在は発電量としてもっとも多いのがLNG 火力である 最近は火力発電による発生電力量の約 4 割強 ( 全体発電量の比率で26%) を占め, 僅少差ながら石炭火力の約 4 割 ( 同 24%) を越えるまでになってきた 石油火力等は約 2 割 ( 同 10%) に低下してきている 1980 年ごろのLNG 火力の比率が約 1 割強, 石油が約 4 割もあった時代からすると, 正に隔世の感がある LNG 火力の中で最近特に注目を浴び, また実績も伸びてきているのが, LNG 複合発電 ( 略称, コンバインドサイクル ) である そのコンバインドサイクルの発展は, すなわち効率面, 運転特性面, さらに経済性面での優れた特徴に起因するものであり, それはとりもなおさず大部分ガスタービンの特徴でもあるので, いまやガスタービン技術がその中心となっているといっても過言ではない そのガスタービンは, 第 2 次世界大戦前後から航空機の動力原として利用され, 今や同分野の大型エンジンはほとんどガスタービンが占めるほどになった そして, さらに船艇や戦車等の軍事用にも利用されてきたが, 陸上用としての利用が近年急速に進展してきたのは, コンバインドサイクルとしてガスタービンの特徴が顕著に発揮され, また発電用としての信頼性も実証され, 主要発電設備として信頼できるとの評価が定着したからであろう さて, コンバインドサイクルは, ガスタービンによる直接発電に加え, 後流の熱回収 ( 蒸気発生 ) 装置および蒸気タービンとを組み合わせた発電方式で, 詳細は本文中で紹介するが, ガスタービンの高温化とともに出力および効率が 敏感に上昇する特性をもったもので, 昨今の地球温暖化問題とエネルギーセキュリティー面からも, 極めて現代的な発電方式といえる そのコンバインドサイクルが今日実用機としての信頼を勝ち得るに至った背景には, 前述のように研究開発, 設計製作および運転面において, 関係者 ( ユーザ, メーカ, 研究機関等 ) が長い歴史と経験を経て努力してきた成果に他ならないが, 今日の環境とエネルギーを取り巻く切迫した状況を勘案すると, 今後ともさらなる効率向上と信頼性確保等の性能向上を目指した一層の努力が必要であろう 航空用ガスタービンは, 人と荷物を満載した巨大な飛行機を高度約 1 万 mもの高所に押し上げ, 今や地球の半分の距離を無着陸で運行する迄になった また, 発電用ガスタービンは, コンバインドサイクルとしてわが国発電用電力量の4 分の1を占めるほどの重要な電源となっている 人類は今や陸と空において, ガスタービン技術から多大の恩恵を受けているといっても過言ではないだろう 本書が, そのような現代の重要技術であるガスタービン技術について, 理解を深められる際の多少とも参考になることを期待する次第である - 1 -

6 1 ガスタービン開発の歴史と最近の状況 持ち, 現在の地球温暖化対応と火力発電に課せ 1.1 (2)(3) 開発の歴史 られた中間負荷火力対応のニーズに極めて即した発電方式である ガスタービンの開発歴史を見ると, 航空用においては, イギリスとドイツでほぼ時を同じくして開発され, 例えばイギリスでは,1937 年に英国空軍士官で技術者のフランク ホイットル卿がジェットエンジン試験に成功し, ドイツでは,1939 年に当時学生のフォン オハインが, ジェットエンジン研究を飛行機に応用し, 成功したことが伝えられている また, 発電用の場合も, 開発開始時期はそれ程変わらず,1939 年にスイスのBBC( 現 ABB) が, 出力 4 千 kw のガスタービンを試作し, 運転に成功したことが挙げられている (2) もともとガスタービンは, 燃料を蒸気等に変換して蒸気タービン等で発電するいわゆる間接的な発電 ( 外燃機関 ) でなく, 高温燃焼ガスから直接発電出力を得る内燃機関であり, そのため構造がコンパクトで大出力が出ることが知られ, 上述のように航空機分野で広く利用されてきたのであるが, 発電用となると年間利用時間 わが国における発電用としての本格的な採用は,1984 年 ( 運転開始 ) の東北電力東新潟 3 号系列発電所が挙げられる 同プラントは, ガスタービン温度 ( 第 1 段動翼入口 ) は,1,154 であり, 発電効率 ( 発電端, 高位発熱量 (HHV) 基準 ) は約 44%( 低位発熱量 (LHV) 基準 49%) と当時の最新鋭従来方式火力発電プラントの効率と匹敵するものであった しかし, その後のガスタービン温度の上昇とともに同効率は飛躍的に増大し, 最近では, ガスタービン温度 1,300 級で同効率約 50 % ( LHV 基準約 55%) 時代を経て, いまや1,500 級で同効率約 54%(LHV 基準約 60%) が, 建設され実運用されるようになった 従来の火力発電効率がせいぜい40% を超える程度だっただけに, 飛躍的な効率の変化といえる (3)(30) 図 1-1 (3) にコンバインドサイクルの発電効率の推移を従来形火力との対比で示す も格段に増大し, その発電用としての信頼性確 保 ( いわゆるヘビーデューティ型 ) と高効率化 の特性が求められるため, ガスタービン燃焼ガ ス温度が比較的低い間は, 従来 型と比較して顕著な魅力も認め られなかったが, 同燃焼温度の 向上と運転上の信頼性が認めら れるに従い, 広く採用されるよ うになってきた ちなみにコンバインドサイク ルは, 同ガスタービンによる直 接発電とその排出ガス中の熱回 収により得られた高温の蒸気に よる蒸気タービンとを組み合わ せた発電方式で, 詳細は第 2 章 で述べるが, ガスタービンの高温化に伴い効率が上昇する, 負荷変動特性が良好などの特徴を 図 1-1 コンバインドサイクルの発電効率推移 ( 発電端,HHV 基準 ) ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上 3. ガスタービン 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1176) 発電所熱効率- 2 -

7 1.2 LNG コンバインドサイクルの発展経緯 (4) 近年の産業および経済の進展にともなうエネルギー消費量の増大, とりわけ電力化率の上昇により電力消費量は, ほぼ一貫した右上がりの上昇を続けてきた その中で, 近年の電源構成を見ると戦後の水主火従から火主水従へと移行して暫らく経った石油危機直前の1970 年ごろの火力の主要電源は石油であったが, その後石油危機を契機として脱石油化が図られ, さらに原子力開発の進展, 天然ガスの導入および石炭の見直し等があり, 最近 ( 平成 18 年度推定実績 ) の電源構成 ( 電気事業用 ) は, 年度末電源設備では, 原子力約 2 割, 火力約 6 割, 水力約 2 割, 年間発電電力量にては, 原子力約 3 割, 火力約 6 割, 水力約 1 割, 新エネルギーは1% 未満という構成である (1) さて, その火力の中で最近増加が著しいのが, 5993 LNG( 天然ガスを含む ) である 同 LNG 火 (25%) 3784 力の推移を見ると, 先ず年度末電源設備では, 5000 (16%) 1973 年で ( 全体発電出力中 ) 約 3% であったものが, 最近 ( 平成 18 年度推定実績 ) では,25% に達し, 石炭, 石油等を凌駕して火力の中で1 位を占めるようになった また, 年間発電電力 (19%) 年度図 1-2 年度末電源設備の推移 ( 電気事業用 ) 量では,1973 年は約 2% に過ぎなかったものが,( 出典 : 電源開発の概要 ( 平成 17 年度 ), 経済産業省資源エネルギー 最近 ( 上記と同時期 ) では, 全体の中で約 26% 庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成 ) にも達し, ベース電源と位置づけられる原子力 ( 約 30%) および石炭火力 (24%) に拮抗して, 水力 石炭 LNG 石油他 地熱 原子力 新エネ 主要燃料として利用されていることが窺える 9705 図 1-2に年度末電源設備の推移, 図 1-3に年 (100 %) 51 (0.5%) 間発電電力量構成の推移を示す (29%) 一方, 同じLNG 火力の中で, コンバインド (0.5%) (9%) サイクルと従来方式との年度末電源設備の推移 (26%) を見ると,1990 年ごろはLNG 火力中のコンバ (25%) インドサイクルの比率は, 約 1 割に過ぎなかっ 970 たが, 最近 (2005 年度 ) では約 4 割にも達する 0 (10%) 年度 ようになった 近年の傾向を見ると, 例えば 1992 年以降は従来方式によるLNG 専焼火力は新設されてなく, 今後さらにコンバインドサイクルの比率が増すものと予想される ( 図 1-4 参 図 1-3 年間発電電力量構成の推移 ( 電気事業用 ) ( 出典 : 電源開発の概要 ( 平成 17 年度 ), 経済産業省資源エネルギー庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成 ) 万 kw 億 kw 照 ) 発電用としてLNGが導入された初期の時代は,LNGを( ガス焚 ) ボイラで燃焼し, 蒸気タービンで発電するいわゆる従来型発電方式が主体であった 特に, 高度成長期時代のエネルギー消費量の増大により引き起こされる環境問題に対応して,LNGは, 基本的にはSOx, ばいじん低減のための特別の設備が不要な燃料であったし, またそれに応えるガス焚きボイラは, その環境特性 ( 低 NOx 特性 ) 面, 性能面, あるいは運用特性面等において十分当時のニーズに応えるものであった 当時は未だガスタービン 水力石炭 LNG 石油他地熱原子力 (100 %) (20%) 52 (0.2%) 4688 (20%)

8 MW 利用のコンバインドサイクルは, 性能, 実用性, 信頼性等の総合的な評価において従来発電方式に及ばなかったわけである しかし, その後ガスタービンの温度上昇等による性能と実用性等の向上により, 上記の推移に見られるようにコンバインドサイクルはLNGからの発電方法としては今や従来方式を凌駕したと見ることもできよう 従来方式 コンバインドサイクル 図 1-4 日本の LNG 火力の建設推移 (100%) (38%) (62%) 西暦 ( 出典 : 電源開発の概要 ( 平成 17 年度 ), 経済産業省資源エネルギ ー庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成 ) 2 ガスタービンの原理, 基本構造および性能 (5) 2.1 ガスタービンの原理と基本構造ガスタービンは, 燃焼器で燃料を高温高圧下で燃焼し, その燃焼ガスで後流の羽根車 ( タービン ) を回転させ電気あるいは動力を発生する装置である 従来型の発電方式である蒸気発生装置 ( ボイラー ) と蒸気タービンの組合せで発電する方式が外燃式と呼ばれるのに対し, 直接燃焼ガスから動力を得ることから内燃式とも言われる その燃焼のために高圧の空気が必要であり, 一般にガスタービンで得られた動力を利用して圧縮機を作動させることにより, 高圧空気を製造する 従ってガスタービン出力の一部が圧縮動力に使われるので, 正味発生動力 ( 発電出力 ) としてはその分を差し引いた動力となる 初期のガスタービンは, 圧縮に必要な動力が多く発電出力が低かったが, 燃焼温度の高温化, 圧縮機およびタービンの効率向上もあって, 最近のガスタービンではタービンの正味発生動力と圧縮器の所要動力とがほぼ拮抗するようになっている 換言すると, 最近のガスタービンでは, タービンで得られた総出力の約 5 割が圧縮機駆動用で使われ, 正味出力はタービン総出力の約 5 割 ( 将来的には,5 割以上の増大が見込まれる ) となっている またガスタービンの主要な構成要素としては, 圧縮機, 燃焼器, タービン, および 排気 が挙げられる それぞれの要素は前後の要素に密接に関連して特有の働きをなしながら全体としての総合性能を発揮する ガスタービンの主要構成要素とその働きを下記に, また基本形式を図 2-1に示す 1 圧縮機 ( 断熱圧縮 ) 2 燃焼器 ( 等圧加熱 ) 3 タービン ( 断熱膨張 ) 4 排気 ( 等圧放熱 ) - 4 -

9 加熱器 ( 燃焼器 ) 圧縮機タービン出力 圧縮機 加熱器 冷却器 タービン 出力 (a) オープンサイクル,(b) クローズドサイクル 図 2-1 ガスタービンサイクルのフロー ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) ガスタービンサイクルを従来のピストンエンジン等の容積型内燃機関と比較した場合の最大の長所は, ガスタービンの場合ピストンエンジン等とは異なり, 作動流体が連続的に高速で流れるので, 装置の大きさの割には大量の作動流体を処理でき, そのため ( 装置サイズの割には ) 大規模出力が得やすいことである ここで改めてガスタービンの特徴を列挙すると, 次のとおりである 1 小規模サイズでも高出力が得やすく, そのため省スペース化が図りやすい 2 ディーゼルエンジンなどに比べると窒素酸化物 (NOx) の発生を抑制できる 3 冷却水が不要 4 機械的な往復運動がない分, 振動が少ない 5 運転の立ち上がりが早い しかし, 一方ではガスタービンの問題としては, 高温化とともに燃焼器あるいは高温側タービンの動 静翼などの高温部品 部材は, 劣化あるいは短命化の傾向を有しており, 従ってその適正な手入れ ( 保守 ) あるいは交換が必要であること, またそのための経費が定常的に発生することが挙げられる ただし, 高温部品の寿命に関しては, 適切な保守 交換基準の設定により, その運転上の信頼性が, 格段に向上してきていることもあり, もはや問題点としてあげる必要はないという指摘もあるが, 本質的な性格ということで理解しておくべきであろう また, 航空用あるいは陸用大型ガスタービンは, その利用する燃料として航空用燃料あるいはLNGなど高品質燃料が使われており, そのような燃料の確保上からの制約を懸念する向きもある ただし, 高品質燃料の確保に関しては, 少なくとも発電用燃料に関する限り製鉄所からの高炉ガス利用, あるいは石炭からのガス化ガスの利用など, 適用燃料の拡大に向けた取組みも行われてきている (5) 2.2 ガスタービンの種類ガスタービンは, 先ず大別すると 開放サイクル と 密閉サイクル とがある 開放サイクル は燃焼器で発生した燃焼ガスは, タービンで仕事を終えた後, 必要に応じて熱交換等でそのエネルギーが回収されて煙突等で大気へ放出されるものである 一方, 密閉サイクル は, 窒素, ヘリウム, 二酸化炭素などの低沸点流体を循環利用するものである 現在実用されているものはほとんど開放サイクルである さらに 開放サイクル ガスタービンは, ジェットエンジンに見られる 航空機用ガスタービン と発電用あるいは動力用等の陸用原動機としての 陸用ガスタービン に大別される 陸用ガスタービン の場合, 特に電気事業発電用は, 年間の使用時間が航空機用に比べ格段に多いこともあり, 前にも述べたように ヘビーデューティ ガスタービンとも称せられ, 航 - 5 -

10 空機用とは異なる耐久性, 効率特性等の評価指標が適用される なお, 航空機用の適用の狙いは, 原理的にガスタービンがコンパクトで大きな出力を得る ( 機械重量あたりの出力が他の熱機関より大きく取れる ) 特性が注目されたものであった その種類は, 排気を推進エネルギーとして利用するターボジェットエンジンから, さらにタービンの出力でファンを駆動するより高効率のターボファンエンジンなどが開発されてきた いずれにしても航空機用のエンジンは, 燃焼ガスを噴出して, その反動を利用して推進エネルギーを得るものである 一方, 陸用 ( 発電用 ) の種類としては, 上記の航空機用を転用したものと, 発電用専用として開発されたものに大別される 航空機転用形は, エンジンは航空機用のジェットエンジンを利用したものであり, 一般に圧縮機駆動用のタービンと動力回収用 ( 発電用 ) のタービンとは, 別軸にした組合せとなっている 一方, 発電専用に開発されたガスタービンは, 発電用のニーズである長期運転を前提として構造が簡単で長期運転上の信頼性向上に努めたもので, 一般に一つのガスタービンで圧縮機駆動と発電を行わせる1 軸方式が主流となっている 大型航空機用で採用されるターボファンエンジンの基本構造を図 2-2 (5) に示す なお, 陸用発電用ガスタービンの構造については, 後述 ( 第 3 章 ) で紹介するので, ここでは省略する 2.3 ガスタービンの性能と基本サイクル (5)(6)(7) (1) 性能の基準ガスタービンの性能は, 大気状態特に温度と圧力 ( 大気圧 ) に大きな影響を受ける 例えば, 大気圧力が高く, また温度が低いほど空気の比重が大きくなり, 容積的 ( 容積流量 ) には一定であっても, 重量が増える ( 重量流量が増加する ) ため, 出力が大きくなる したがって, ガスタービンの標準出力を計算する大気条件は, ファン 圧縮機 燃焼器タービン ジェットノズル ファンタービン 図 2-2 ターボファンエンジンの基本構造 ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) JIS(JIS B 0128) で定められている 例えば, 温度 15, 圧力 101.3kPa, 相対湿度 60% 等が定められている (6) (2) ガスタービンサイクルガスタービンサイクルの基本は, 前図 ( 図 2-1) にても示したが, 改めてオープンサイクルの単純ガスタービンサイクルのフローとサイクルを示したのが, 図 2-3である 同図右の実線は全て損失が無い理想サイクル ( 可逆断熱圧縮 膨張 ) であるが, 実際のガスタービンは, 圧縮機内部損失, タービン内部損失, 圧力損失, 熱損失, 機械損失などの影響を受け理想的サイクルから外れ ( 不可逆過程 ), 同図の破線のような工程を描く これが, 実際のガスタービンサイクルの基本となる 一方, ガスタービンサイクルとしては, 上記の単純ガスタービンサイクルが基本となるものであるが, サイクルとしてはこれ以外に, 再生ガスタービンサイクル ( タービン出口に熱交換器を設置し燃焼用空気と熱交換を行う方式 ), 再熱ガスタービンサイクル ( 燃焼器を一般に高圧, 中圧の2 段階に設けた方式 ), あるいは中間冷却ガスタービンサイクル ( 空気圧縮機の中間に冷却器を設けた方式 ) 等がある その概念を, それぞれ図 2-4, 図 2-5および図 2-6に示す 実際のサイクルは, これらの組み合わせになっているものが多い - 6 -

11 圧縮機 加熱器 ( 燃焼器 ) タービン 温度 T 出力 (a) 比エントロピー s (b) 図 2-3 単純ガスタービンサイクル (a) 基本構成,(b) T-s 線図 ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) 再生熱交換器 温度 T 圧縮機 燃焼器 出力タービン 比エントロピー s 図 2-4 再生ガスタービンサイクル (a) 基本構成,(b) T-s 線図 ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) 圧縮機 燃焼器再熱器 低圧タービン 温度 T 高圧タービン 比エントロピー s 図 2-5 再熱ガスタービンサイクル (a) 基本構成,(b) T-s 線図 ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) - 7 -

12 低圧圧縮機高圧圧縮機 燃焼器 タービン 温度 T 出力 中間冷却器 比エントロピー s 図 2-6 中間冷却ガスタービンサイクル (a) 基本構成,(b) T-s 線図 ( 出典 : 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 ) (3) ガスタービンサイクルの性能さて, ガスタービンサイクルの性能は, 熱力学の基礎式, 定義式から容易に導かれる その基礎となるのが, 1 熱力学の第 1 法則 2 ガスの状態式 3 可逆断熱変化の式等である (5) これらの詳細は省略するが, 実際のガスタービンサイクルの性能を考えるときは, 出力最大の条件, サイクル全体としての高効率の条件が重要な要因となる 以下, 単純サイクルの場合を例にとり説明する まず, ガスタービンの理想サイクル ( ブレイトンサイクル ) における代表的な性能関連諸指標を次の式で示す (7) のがあるが ( 例えば, 文献 (7)), 本書ではその詳細は省略する 実際のガスタービンサイクルでは, 上述のように理想サイクルから外れる ( 不可逆過程 ) が, その経路は上記の理想サイクルに圧縮機効率およびタービン効率を加味することにより求められる そこで, 圧縮機効率およびタービン効率をそれぞれ,η c およびη t で示すと実際のガスタービンの比出力および熱効率は, 下記の式で表される 比出力 =CpT1{η t τ(1-1/γ κ-1/κ )-(γ κ-1/κ -1)/η c } 熱効率 ={η t τ(1-1/γ κ-1/κ )-(γ κ-1/κ -1)/ η c }/{(τ-1)-(γ κ-1/κ -1)/η c } 圧力比 γ=p2/p1 最高最低温度比 τ=t3/t1 断熱圧縮温度比 θ=t2 ad /T1=γ κ-1/κ 無次元比出力 W=(τ-θ)(1-θ -1 ) 熱効率 η=1-θ -1 =1-1/γ κ-1/κ ここで,P2,P1あるいはT3,T1は, サイクル行程に対応した場所の圧力あるいは温度を示し ( 図 2-3 参照 ), またκは比熱比 ( 断熱指数 ) を意味する これらの指標を利用した比出力と熱効率の関係は, その試算結果をグラフにて整理されたも ここに,η t =タービン効率 ( 実際 ) η c = 圧縮機効率 ( 実際 ) 図 2-7は, その関係を示したものである 理想サイクルの熱効率は, 圧力比 (γ) の影響が大きいが, ガスタービンサイクルでは, タービン入口温度と圧縮機入口温度の比 ( 最高最低温度比 )(τ) の影響も大きく受けることが判る すなわち,τが大きくなれば, 換言するとタービンの入口温度が高くなれば, 比出力は増し, 熱効率も上昇するが, 圧力比に関しては熱効率を最大にする圧力比 ( 最適圧力比 ) が存 - 8 -

13 電効率も, 前述のように60%(LHV 基準 ) のものも出現してきた (7) 図 2-7 ガスタービンサイクルの無次元化特性 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発 電 Vol.55 No.11, ,P1241) (2) 大気温度特性上述のようにガスタービンの効率と出力においては, 最高最低温度比 (τ) の影響が大きいことを述べたが, これはガスタービン温度と圧縮機入口温度の比であり, したがって圧縮機入口温度すなわち大気温度の大小によっても大きな影響を受けることを示す 一般に, 大気温度が1 上昇すると, ガスタービンの出力は0.6~0.8% 程度低下し, それに相応して熱効率も低下するといわわる (7) 図 2-8にその概要を示す 在し, その値を超えると逆に熱効率が下がる傾向がある (5)(7) (7)(8) 2.4 ガスタービンの諸特性 (1) 熱効率あるいは比出力の相違による適性ガスタービンを適用する場合, 以上の特性を理解してその特徴を生かすことが必要である 例えば, 航空機用では, ガスタービンサイクル単体としての熱効率が最大である点が望ましく, そのために圧力比 (γ) が極力高く, 次いで最高最低温度比 (τ) の高い値が求められる その結果, 現状のガスタービン効率は, 約 35~ 42% 程度 (LHV 基準 ) といわれる 一方, 発電用は, ほとんどコンバインドサイクルとしての適用であるため, ガスタービン単独性能より後流の蒸気タービンの性能を組み合わせた総合性能が求められる そのためには, ガスタービンの ( 単体効率が大きいことより ) 比出力が大きい方が望ましいとされている 最近の, 大型ガスタービンの例では, 比出力が450kW/kg/s 以上のものも出現し, またコンバインドプラントとしての総合発 図 2-8 出力と効率の大気温度特性 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1241) 2.5 コンバインドサイクルの基本的構成次に, そのLNGコンバインドサイクルの形式がどのようなものがあるか, さらにガスタービン技術開発と出力規模の関係から, その適用の考え方を述べる (8) (1) コンバインドプラントの形式コンバインドプラントのサイクル形式は, - 9 -

14 排熱回収サイクル, 排気再燃サイクル および 過給 ( ボイラ ) サイクル 等が挙げられる 排熱回収サイクル ( 図 2-9 参照 ) は, ガスタービン排気をその後流 ( 一般にガスタービン排ガス出口に直結して ) に配置された排熱回収ボイラに導いて蒸気を発生させ, 蒸気タービンで動力を回収するとともに, ガスタービン出力と合わせて全体出力を得る発電方式である 通常, 排熱回収ボイラでは, 追い焚きなどの燃料を利用せず, したがって排熱回収ボイラの蒸気条件がガスタービン出口ガスの温度条件に左右されるため, ガスタービンの温度が低い初期のコンバインドプラントでは次に述べる他の方式より効率が低かったが, 近年のガスタービンの温度上昇 ( および同排気ガスの温度上昇 ) とともにガスタービンによる出力も増え, またガスタービン排気ガス温度の上昇により蒸気タービンの蒸気条件も向上し全体的に発電効率が上昇してきていること, さらに系統構成がコンパクトであるという特徴もあり, 最近のコンバインドサイクル ( 特に日本およびアメリカにおいて ) 主流となってきているものである 排気再燃サイクル ( 図 2-10 参照 ) は, ガスタービン排気を ( 通常従来型の既存ボイラに導き ) ボイラ燃焼用の空気の一部として利用するものである なお, 既存ボイラでは, 従来通り燃料を燃焼あるいはガスタービン排気ガスの導入に伴う燃料の追い焚きが必要なこともあり, 原理的にガスタービンのみに燃料を投入する場合 ( 例えば 排熱回収サイクル に比べ ) 効率は適わない しかし, 既存のLNG 燃焼ボイラを活用し, さらに出力増強 ( リパワリング ) する場合にはすぐれた方式であり, 現在も条件によって利用されている 過給( ボイラ ) サイクル ( 図 2-11 参照 ) は,( 加圧の ) 過給ボイラを燃焼器と見立て, そのボイラ排ガス ( 燃焼器排ガス ) をガスタービンに導いて熱回収する方法である ガスタービンの燃焼器が ( 加圧 ) ボイラとなってお 図 2-9 排熱回収サイクルのフロー ( 出典 : 火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム社,2002 年 ) 図 2-10 排気再燃サイクルのフロー ( 出典 : 火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム社,2002 年 ) 図 2-11 過給ボイラサイクルのフロー ( 出典 : 火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム社,2002 年 ) り, ガスタービンの温度が比較的低い場合でもボイラの蒸気条件 ( 圧力, 温度 ) は高くとれ, そのため効率面でも ( 例えば, 排熱回収方式より ) すぐれていた場合もあった しかし, 上述のように近年のガスタービン温度の高温化とともに排熱回収サイクルの効率が上昇したためその特徴がなくなり, 一方では加圧ボイラ構造に

15 よる建設費の増大もあり, 現在ではLNGコンバインドプラントとしては, ほとんど採用されなくなった ただし, 石炭とガスタービンとの組合せのひとつである加圧流動層式コンバインドサイクル (PFBC,Pressurized Fluidized Bed Combustion) は, 原理的にこの方式であり, その意味では現在も利用されている方式である ガスタービン排気ガスの熱回収の方法としては, その他に, 排気助燃サイクル ( 排熱回収サイクルにおいて排熱回収ボイラの前に助燃設備を設けたもの ), 給水加熱サイクル ( ガスタービン排気ガスを既設火力の給水加熱用として利用 ), あるいは回収ボイラ等で発生した蒸気を地域の暖冷房用熱として供給する 熱併給サイクル 等があるが, 紙数の関係もありその詳細は省略する 3 ガスタービンの主要構成技術ガスタービン技術の発展は, 高温化技術にともなう性能 ( 特に効率 ) 向上とシステム自体の実用性 ( 信頼性, 運転保守特性, 経済性等 ) 向上の2 面からの発展の成果と見ることができる 高温化技術は, 冷却方法の発展と材料開発等によるものであり, 実用性向上は, とりもなおさずガスタービンシステムおよびその構成機器の実用性, 信頼性向上等を意味する 高温化技術の内容については, 第 5 章で述べるので, ここでは実用性関連技術としてガスタービン技術の中核技術である圧縮機, 高温燃焼器, タービンの3 大構成技術を取り上げその概要を紹介する まず, 全体の構造を把握する意味で図 3-1および図 3-2に発電用ガスタービンの鳥瞰図と構造例を示す (6) 次に各主要構成機器の技術概要を述べるが, これらはあくまで一般的な技術の紹介であり, 当然のことながらメーカによりその内容は大きく異なるものであることを付言したい 燃焼器 タービン 圧縮機 車軸 図 3-1 発電用ガスタービンの鳥瞰図 ( 出典 : 火力発電総論 8. ガスタービン発電設備, オーム社,2002 年 )

16 図 3-2 発電用大容量ガスタービンの構造例 (F7FA 断面図 ) ( 出典 : 火力原子力発電必携 ( 第 7 版 ), 火力原子力発電技術協会, 平成 19 年 3 月 (P390)) (7) 3.1 圧縮機圧縮機としては一般に, 軸流圧縮機や遠心圧縮機などがあるが, 現在一般的に高圧 大容量のガスタービンにおいては, 多段の軸流圧縮機, 小型の圧縮機の場合は, 遠心圧縮機が採用される まず軸流圧縮機の場合を説明する 圧縮機の構成としては, 一般に動翼と静翼が交互に対になって配置される 動翼はそれ自体が回転し流体にエネルギーを与える役割をなし, 静翼はこの流体を減速して圧力上昇させる役割をなす 当然のことながら, 軸流圧縮機の空気流路サイズは後方に行くにつれ流体の圧力が上昇するので小さくなる 軸流圧縮機の場合, 一般的に起動時に中間段での抽気を実施する これにより起動時に不足しがちな上流段における吸い込み空気による軸流速度を確保する 図 3-3は, これらの概念を示したものである (7) 図 3-3 圧縮機抽気の概念図 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1242) 軸流圧縮機で特に高い圧力を要求される場合には, 圧縮空気を途中で抜き外部の冷却器で冷却したあと, 再び流路に戻す方法が採用されるが ( これは前章で述べた 中問冷却 方式に相当 ), これにより, 圧縮動力の低減が図れる 一方, 小型ガスタービンの圧縮機は, 一般に遠心圧縮機が採用される その主な理由は, 上述のような軸流圧縮機で見られるシステムの煩雑さを避け装置をよりコンパクトにするためである (6)(7) 3.2 燃焼器 (1) 燃焼器の基本的形状燃焼器には, 高温で高効率燃焼および安定的燃焼の役割に加え,NOx 排出量の低減, 出口温度の平準化とともに, 昨今の高温燃焼に伴う信頼性, 耐久性の確保が必要とされる 燃焼器には, アニュラー形, キャニュラー形 ( 缶形 ), および サイロ形 などの形状がある 図 3-4にそれぞれの概要を示す アニュラー形は, 周囲に燃焼器をドーナツ型で配した形であり, 燃焼ガス分布が均等であり, 重量も低減できるが, 一方, そのままの状態で分解点検が出来ないため, 定期的に環状の構成部品を分解点検することが必要となる これらの特徴は, 航空機エンジンに向いているといわれる

17 (2) 燃焼器の構造燃焼器の構造を, 発電用として採用が多いキャニュラー形を例にとって紹介する その構造は一般に薄い超合金の板金構造が主に用いられ, 燃焼ガス温度の上昇につれ, 冷却空気を板金構造 (2 重板金構造 ) の間に導入する等の冷却方式が採用される ( 図 3-5 参照 ) (6) 一方, 大型のサイロ型またはアニュラー型の一部には, 上述の冷却方式の代わりに燃焼器の内側にセラミック等の耐熱タイルを張ったものもある 図 3-5 燃焼器内部の空気の流れ ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 図 3-4 各種燃焼器の形式 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1244) 一方, キャニュラー形 ( 缶形 ) は,( 個々の ) 筒型燃焼器を周囲に配置したものであり, 燃焼ガスの均一分布性はアニュラ型ほどではないにしても良好な特性を有している 一方, 燃焼器部分の重量はアニュラ形より増えるが, 燃焼器単品での分解交換が可能なため, 発電用に適しているといわれる サイロ形は, 大きなサイロ形状燃焼器を配したもので, 燃焼ガスの均一分布という点ではもっとも劣るが, 燃焼時間を比較的長く取れるため, 低カロリーガスなど燃えにくい燃料の燃焼に向いている 上述のようにそれぞれの特徴を持っているので, ガスタービンの用途, 燃料の種類等の条件に応じ, その特徴を生かした燃焼器の選択が要求される 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1244) (3) 燃焼方式近年ガスタービンの燃焼器に対する要求としては, 高温化にともなう 低 NOx 化 と 安定燃焼 の両特性の確保が必要とされる 燃焼方式に関しては, 従来より採用されてきた 拡散燃焼 と近年の燃焼方式である 予混合燃焼 がある 予混合燃焼 方式は, 火炎温度を抑えながら燃焼が可能なため 低 NOx 化 に対してすぐれているが, 燃焼の安定範囲の幅が狭く不安定になりやすい問題を抱える 一方, 拡散燃焼 は可燃範囲が広く火炎は安定しているが, 発生 NOxレベルが高い等問題を抱える そこで, 最近の低 NOx 燃焼方法としては, 両者の特徴を組み合わせたハイブリッド型の採用が多く見られるようになって来た 図 3-6に, 拡散燃焼 と 予混合燃焼 方式の空気比に対するNOx 値及び安定燃焼域の概要を示す いずれにしても, 最近の高温燃焼器においては, 火炎温度のピークを極力抑え, 燃焼器

18 NOx(ppm) 拡散燃焼予混合燃焼 図 3-6 空気比に対するNOx 値 & 安定燃焼域 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1245) 出口の温度分布の平均化が求められる一方, 高温燃焼器特有の空気 燃料の混合比率が限られるため不安定燃焼に陥りやすい等の課題があり, これを如何に解決するかが燃焼上の大きな課題である 3.3 タービン (6)(7) タービンは, 前項の燃焼器出口からの高温燃焼ガスの熱エネルギーを動力に変換するガスタービンの核になる部分である その発生出力で, 空気圧縮機を駆動するとともに発電機も駆動して電気を発生させる 前述のように, 最近のガスタービンでは総発生出力のうち, おおよそ2 分の1が圧縮機の駆動用に, 残りの2 分の1が発電機駆動用に利用される タービンは, 静止部 ( 静翼とそれを保持する車室等 ) と回転部 ( 動翼とそれを保持するタービン円板, 車軸等 ロータとも称す ) から構成される タービンには圧縮機と同じように軸流式と遠心式の2 種類があり, 通常大規模向けには多段の軸流式が, 小規模向けには遠心式が採用される 多段軸流式の基本構造は, 静翼と動翼から構成され, 前者は, ガスの噴出方向を変換したり, 増速流を作り出す役目, 後者は運動エネルギーを回転エネルギーに変換する役目を有す このようにタービンは燃焼器を出た高温 高 圧のガスを最初に受け, 種々の運転条件の基に最終的にエネルギーへの変換をおこなうという熱的にも機械力学的にも非常に厳しい条件下にある 従ってその構造は, 次の点からの考慮が要求される 1 冷却構造 ( 部品の温度を許容値以下に抑えるため ) 2 強度構造 ( 力学的にガスより受ける力や遠心力に耐えられるものとするため ) 3 フレキシブルな構造 ( 起動停止にともなう大きな熱的変化を許容できるものとするため ) 特に, 高温燃焼ガスを最初に受けるタービン入口静翼は, 非常な高温に曝されるため, 一般に冷却空気を利用して翼自体を冷却するとともに翼の内部から染み出させて翼表面を空気の層で覆い高温ガスが直接翼に当たらないようにしたり, あるいは熱伝導の低い素材 ( セラミックなど ) を表面にコーティングして熱伝導を抑え, 翼の温度を下げるなどの工夫をしている 図 3-7および図 3-8にタービン翼の各種冷却方法と冷却の効果との関係を示す (7) 図 3-7 タービン翼の各種冷却方法 ( 出典 : 第 6 回ガスタービン学会教育シンポジウム資料, 日本ガスタービン学会, 平成 12 年 7 月 )

19 な冷却空気の通路確保の重要性が増してきているため, その製作に当たっては精密鋳造が採用されることが多い 冷却効率 =( ガス温度 - 固体壁温度 )/( ガス温度 - 冷却媒体温度 ) ( 固体壁 : タービン翼外被, 燃焼器壁など ) 図 3-8 冷却空気流量と冷却効率 ( 出典 : 第 6 回ガスタービン学会教育シンポジウム資 料, 日本ガスタービン学会, 平成 12 年 7 月 ) 図 3-9 タービン部の冷却構造例空気冷却方式 (GE 型 -FA 型の例 ) ( 出典 : 火力原子力発電必携 ( 第 7 版 ), 火力原子力 それらの冷却構造特に冷却空気を通せるように翼内部では複雑な形状構造となる ( 図 3-9 参 (6) 照 ) これらの冷却空気は, 前段の空気圧縮機の出口または中間段より取り出され利用される それに応じて圧縮機とタービン間を冷却空気が往復 交差し, また各部の冷却空気の適切な配分が要求されるので, 配管系統は複雑にならざるを得ないが, この点各メーカそれぞれの工夫を凝らした配管設計がなされている 次に, 軸流タービンの概略構造を示す まず, 回転部の構造であるが, 回転部は通常ディスク ( 動翼を植え込んだ円板 ) を重ねてそれらをボルトで固定する方法がとられる ( 図 3-10) (7) ディスクの外側には圧縮機の場合と同様に翼を植え込むための翼溝が彫ってあるが, タービン翼の場合は, 圧縮機に比べ重量も重くまた強固であることが求められるので, その固定のために, 通常翼溝はクリスマスツリー状とし, 遠心力を分散して受ける形になっている ( 図 3-11) (7) 一方, 静翼は, 内部に冷却空気通路配置の理由などから円筒形状部分と翼自体が一体になった構造が一般的である いずれ にしても最近では, 動翼 静翼共に内部に複雑 発電技術協会, 平成 19 年 3 月 (P391)) 締付ボルト半径方向歯車図 3-10 ディスク通しボルト ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1246) 図 3-11 クリスマスツリー型の翼根 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, , P1247)

20 4 ガスタービンの燃料と (3)(9)(10)(11) 適用状況 (9) 4.1 概要先に紹介したようにガスタービンの歴史は, 航空機用エンジンでの利用を先導として, その装置規模に対する出力が大きい, 高速起動が可能等により, 陸用でも使用されるようになり, 初期の予備機としての役割から, その後長期運転にも耐える運転信頼性の増加とともに, 広く陸用発電用としても利用されるようになった とりわけ, ガスタービンの燃焼器温度の上昇とともに, 出力および効率も上昇し, 今や火力発電設備の主流を占めるようになった それらの燃料は, 航空用であるなら航空用燃料, 発電用ならLNGあるいは燃料油等いわゆる高品質燃料を使ったものであった しかし, ガスタービンの特徴を生かす原動機あるいは発電方式の拡大から, 最近その燃料の対象範囲が拡大されてきている そこで本章では,LNG 以外でガスタービン用燃料として最近注目されている燃料および同適用技術の動向を紹介する 4.2 ガスタービンの適用燃料概説ガスタービンの燃料としては, 一般に天然ガス, 軽油, 灯油等, いわゆる高カロリー燃料が, 一般的に使用されてきた しかし, 近年, 製鉄所副生ガス, 石炭ガス化ガスなどいわゆる低カロリーガスも適用燃料の対象とされるようになり, 既に多くの実績も得られてきた また, デュアル燃料と称して, 例えば製鉄所副生ガスと重油の混合利用などの利用も行われている 図 4-1は国内メーカの事例ではあるが, ガスタービンに適用した燃料ガスの実績を示したものである (11) 一方, 高カロリーあるいは低カロリーであれ, 燃料の性状から高品質, 低品質燃料という区分がある 例えば, 同じガスタービン用燃料油といっても, 航空用燃料と陸用燃料とはその性状要求値が異なる 例えば,V,Na 等の腐食性成 分,S, アンモニア等の環境汚染成分, あるいは灰分等機器侵食へ影響する成分の大小で, 高品質あるいは低品質燃料に分けられる 特に問題となるのはV,Na 等のよる高温腐食成分といわれるが, その対策の例としては,Na 等のアルカリ金属は水溶性であることを利用して水洗し, Vは水溶化困難であるため ( 油溶性 ) その方法では除去が困難であり, 添加剤を投入して処理する方法等が提案されている 燃焼速度 空気吹き ガス化ガス 酸素吹き酸素吹き窒素混合 BFG/LDG/COG 混合カ ス BFG 製鉄所副生カ ス 製油所カ ス COG & 坑内カ ス 燃料発熱量 MJ/m 3 N 図 4-1 燃料ガスの実績 LPG & B-B カ ス 天然カ ス & 製油所カ ス ( 出典 : 小森豊明他,BFG 焚ガスタービンコンバイ ンドサイクルプラント, 日本ガスタービン学 会誌 Vol.34 No.5,2006.9) (3)(11) 4.3 高炉ガス焚き発電所 (1) 概要既に何回か出てきているが, ここで改めて高炉ガス (BFG,Blast Furnace Gas) 利用におけるガスタービンの説明を行う BFGは, 製鉄所の高炉から副生燃料として発生するガス (BFG) で, 可燃成分の主体は一酸化炭素であり, 窒素および炭酸ガス等不活性成分ガスの割合が多く, その結果単位体積当りの発熱量は, 3.0MJ/m 3 NとLNGの約 10 分の1(1/14~1 /8) と低い また, 燃焼速度は遅く, 可燃範囲が狭いという特徴もある したがって,BF G 焚きガスタービンとしては, 燃料制御システム, 燃料供給システム, および燃焼器などに最適設計が必要とされる このためには, 空気圧縮機, 燃焼器, およびタービンにおいてBFG

21 の特性に応じた的確な機器選定と組合せが必要とされる 図 4-2に天然ガス焚き用と比較してのBFG 焚きガスタービンの構成と主要な空気, BFG 及び燃焼ガス流量バランスの概要を示す そのような配慮がなされて現在は, 次項にてのべるように既に国内外で多数の実績が得られるようになった (11) なお,BFGに加え発熱量が高くやはり製鉄所から副生的に排出されるコークス炉ガス ( 発熱量 19MJ/m 3 N) を混合したガス ( これを増熱 BFGと称す ) にして, より燃焼の安定性を増す場合もある 発電機 天然ガス焚 ( 標準機 ) 空気 98% 吸気フィルター 圧縮機 燃焼器 タービン 排カ ス量 100% HRSG 燃料量 2% 燃料カ ス母管排カ ス 大容量カ ス圧縮機 カ ス冷却器 増速キ ヤ発電機 燃料カ ス母管 BFG 焚 空気 73% 吸気フィルター 圧縮機 空気ハ イハ ス弁 湿式 E/P 翼高さの見直し 燃料量 27% タービン 排カ ス量 100% HRSG 排カ ス 図 4-2 天然ガス焚きとBFG 焚きのフローバランス ( 出典 : 小森豊明他,BFG 焚ガスタービンコンバイ ンドサイクルプラント, 日本ガスタービン学 会誌 Vol.34 No.5,2006.9) (2) 導入普及状況日本で最初のBFGガスタービンの実用機は, 1958 年八幡製鉄所納入の850kW 機に始まるといわれる しかし, 本格的に開発が行われたのは, 1970 年代になってからといわれる その後ガスタービン温度の上昇 (1,000,1,150 等 ) にともない, 出力も10MW 級,100MW 級へと増大し, 1980 年初頭に150MW 級が実用化され, 最新鋭 ( 例,2004 年に運転開始した君津共同火力 ) ガスタービンコンバインドプラントの場合, ガスタービン温度 1,300 級で同出力 180MW( 蒸気タービンと合わせた複合発電総出力は, 約 300MW) にも達するようになった なお, 同種技術は, 既に国内で多くの実績が得られているが, 近年海外においてもその実績 経験を生かして製作された機器が納入されている (11) (3) BFG 焚き用ガスタービン先ずBFGの圧縮機について概説すると,B FGの供給圧は高炉の運転圧力の関係から低く, 従ってガスタービンで燃焼用として利用するためにはガス圧縮機で圧縮する必要がある そのため, 高炉ガス焚きガスタービンシステムでは, ガスの圧縮と空気の圧縮と圧縮機が2 台必要となる 一般にガス圧縮機, 蒸気タービン, 発電機とガスタービン ( 空気圧縮含む ), およびギ 図 4-3 BFG 焚きガスタービン構成例 ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上, 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1184)

22 ア ( 変速装置 ) は1 軸にて構成される このためには, 高速で大容量に対応可能な強度を持ったシャフトの設計が重要とされる 図 4-3はその構成例を示したものである (3) なお, 個々の機器の設計に際しては, 豊富な実績を有す天然ガス焚きとの比較の基に, 上記図 ( 図 4-2) に示す流量バランスの相違に対応して変更が加えられてきた 例えば, ガスタービンの出口流量を天然ガス焚きガスタービン ( 標準機 ) とあわせた場合,BFG 焚きでは, 空気量が少ない分, 空気圧縮機部分の翼高さをその量に応じてカットするなどの変更を加えることにより極力標準機を部分的変更により採用する方向が取られてきた なお燃焼器は, 開発当初はサイロ型が採用されたが, ガスタービン温度の高温化に伴い燃焼器の冷却性能の相違から, マルチキャン型燃焼器のガスタービンヘと進んでいったメーカもある (3)(11) 一方, 環境特性, 特にNOx 特性は, 高炉ガス特有の低カロリーの燃焼特性上一般に低 NOxの達成が容易であり, 一例として全負荷範囲でNOxが1~2ppm(15%O 2 ) 以下を実証した事例も発表されている (3) (3)(12)(13) 4.4 石炭ガス化複合発電 (1) 石炭ガス化複合発電の狙い石炭ガス化複合発電プラント (IGCC: Integrated Coal Gasification Combined Cycle Power Plant) とは, 石炭をガス化させることにより, 高効率特性を有すコンバインドサイクルへの適用を可能とするものである 石炭は,LNGあるいは重油に比べ格段に埋蔵量が多く, またその世界の産地も偏在してないこともあり, 石油危機当時から将来の有望発電用燃料の一つとして位置づけられてきた しかし, 石炭はCO 2 発生量が多い ( 単位熱量あたり天然ガスの1.5 倍 ), さらにSOx, ばいじん量など環境面における燃料特有の課題を抱えており, 高効率化面と環境特性面から従来方式である微粉炭直接燃焼方式より優れた特性を有する石炭ガ ス化方式の開発が期待された 例えば, 従来方式の場合, 現在運転中の最新鋭微粉炭火力である超々臨界圧火力発電 (USC:Ultra Super Critical) においても, 発電効率 ( 送電端, LHVベース ) は42% 程度である 一方,IGC Cの場合,1,500 級のガスタービンと組み合わせた場合を想定すると, 同効率は48~50% が実現可能とされる このように, 石炭を使いながら高い発電効率が可能となることは, その分燃料節減およびCO 2 低減がはかれ, さらにガス化方式の種類にもよるが, 石炭灰が溶融スラグ状でとりだせるため, 灰の容積面あるいは環境面でも優れた可能性を秘めている また, 将来 CO 2 隔離方式が普及すると, 従来型微粉炭火力の燃焼排ガス中よりCO 2 を回収する場合に比べ,IGCCの場合( ガス化ガスから ) の回収は, 加圧状態である, 処理ガス量が小さい,CO 2 濃度が高い等の理由からCO 2 除去に際しての所要動力が小さく, また経済的にも有利と考えられている (12)(13) (2) 開発状況先ず海外の開発状況を述べる 上述のように石油危機を契機として, 欧米において各種形式炉 ( 噴流床, 流動床, 固定床等 ) の開発が進められた それらの中で現在, 実用化に至った炉はほとんどが噴流床方式であり, 今や数箇所において300MW 級 IGCCが商用機として運転されている ただし, これらのプラントは, 高効率化を余り重視してないためか, その効率は余り高くなく, また天然ガスを補助燃料として利用しているにもかかわらず, その運転による利用率は約 60~80% にとどまっている 最近, 石油価格の高騰もさることながら, 天然ガス価格も上昇する傾向を反映し, 石炭火力が再び注目されてきているが, その中でIGCCが高効率と環境の面から注目されてきている その規模も,600MW 以上の大型火力発電所として,2010 年頃の運転開始を目指した計画が進められている

23 わが国では, 商用化前の実証試験プラントによる最終確認段階にきている 同実証試験プラント (IGCC 実証プラント ) としては,( 株 ) クリーンコールパワー研究所 ( 電力会社の共同による設立会社 ) が, 国および電力会社等 (9 電力会社, 電力中央研究所および電源開発 ) の支援 協力を受けて国家プロジェクトとして, 現在発電出力 250MW 規模のプラントを建設中であり,2007 年秋から試験が開始される予定となっている なお, 石炭をガス化する場合, 上述のように海外の商用規模 IGCCはほとんど酸素を使用しているが, その方がガス化反応自体は容易であるという特徴を有す一方, 機器構成がやや複雑となることおよび酸素製造に要する動力が大きくなるという課題を抱える 上記 I GCC 実証プラントのガス化炉は, ガス化剤を空気とし, さらに微粉炭を乾式 ( 水スラリーなど流体化せず ) 加圧供給することにより, 高効率化を狙ったものである これは, 電力中央研究所と三菱重工業が,1982 年度から共同研究にて開発した, 石炭処理量 2t/ 日規模の空気吹き 加圧ガス化技術が基となり, さらにその次段階である国家プロジェクトによる200t/ 日規模パイロットプラントによる運転研究 (1986 ~1996 年度 ) を受けて, 設計 建設が進められているものである (13) なお,IGCC 実証プラントでは, 実証機のためガスタービン温度は 1,250 が採用されているため, 発電効率 ( 送電端,LHVベース) は42% の計画値となっている これでも, 上述のように最新鋭超々臨界圧石炭火力とほぼ同等のレベルである IGCC 実証機の概要と完成予想図をそれぞれ, 表 4-1 および図 4-4に示す (12) なお, わが国の発電用石炭ガス化としては, この他さらに高効率を狙った将来の方式として石炭ガス化燃料電池複合発電 (IGFC) の研究開発も行われている 石炭ガス化炉からの精製ガスを燃料電池に投入し直接発電を行うとともに, その後流にガスタービンと蒸気タービンを置き熱回収向上を図り, これにより例えば発 表 4-1 IGCC 実証機の概要 ( 出典 : 太田一広, 石炭ガス化複合発電, 日本ガスタービン学会誌 Vol.34, No.5, 2006,9) 図 4-4 IGCC 完成予想図 ( 出典 : 太田一広, 石炭ガス化複合発電, 日本ガスタービン学会誌 Vol.34, No.5, 2006,9) 電効率 ( 送電端,LHV 基準 ) で55% 以上が予想されている また, 同 IGFC 用の要素技術として多目的石炭ガス化製造技術 (EAGLE) の技術開発が, 国およびNEDOの補助を受けて, 電源開発 ( 株 ) が実施者となり, 石炭処理量 150t/ 日規模にて研究開発が進められている (1995 年 ~2006 年 ) (3) IGCC 用ガスタービン次にIGCCにおけるガスタービンについて述べると,( 空気吹き ) 石炭ガス化ガスの発熱量は,LNGに比べ, 約 10 分の1と低く, 高炉ガス (BFG) に比べ約 1 割高い程度のいわゆる低カロリーガスである またアルカリ金属とばいじん含有量は一般に多い ただし, 発熱量

24 は低いが,BFGに比べ( またLNGに比べても ), 水素分が多いため可燃範囲が広く, 燃焼の安定性はBFGの場合より得やすい 石炭ガス化ガス ( 空気吹き ) の組成例をLNGおよび高炉ガスとの対比において表 4-2に示す (12) この比較からも把握できるように石炭ガス化ガス用ガスタービンとしては, 既に多くの実績があるBFGガスの経験を有効に活用できる なお, 燃料性状と環境特性の観点から述べると, 低カロリーであるために, 燃焼温度が低く ( 理論断熱火炎温度で約 1,700 これは天然ガスの場合の約 2,200 に比べ約 500 低い ), 低 NOx 燃焼が比較的容易であるという特徴を有す 一方, 石炭ガス化の生成ガス中には, 一般にアンモニア成分が含まれるが, ガス精製方式で十分除去できない時には, ガスタービン燃焼器でのフュエルNOx 低減対策技術がNOx 対策上重要となるといわれる (14) 表 4-2 ガスタービン燃料ガス性状例 ( 出典 : 太田一広, 石炭ガス化複合発電, 日本ガスタ ービン学会誌 Vol.34, No.5, 2006,9)

25 5 ガスタービンの (3)(9)(10)(15) 開発課題と動向 5.1 概要先のガスタービンの開発の歴史の概要に触れたように, 近年特に石油代替エネルギーとしてのガス燃料 ( 主にLNG) の利用が急速に進展する中で,LNG 利用火力発電設備としては, 今やガスタービン技術を中心としたコンバインドプラントが主流となってきた その主な理由は, ガスタービン温度の高温化に伴い発電効率が飛躍的に上昇してきたことがあげられる もちろん, それ以外にも, 急速起動 停止が容易, 負荷変化が容易, 建設費が安い, 建設期間が短いなどの理由もあげられよう しかし一方では, その発展特に高温化発展の背景には, さまざまな技術課題が発生した それらの課題は関係者の努力, 協力の結集により, 着実に解決, あるいは実証試験等で検証され, 発電用機器として信頼するに耐える技術として構築されてきた しかし, それらの中には, 更なる高効率化あるいは高温部品の長寿命化など今なお開発中の技術課題もある そこで本章では, それらの変遷の中で主要技術がどのような課題を抱え, 開発されてきたか, さらに現在および将来の取組みの概要を述べる (3) 5.2 冷却技術の変遷効率向上に最も大きな影響を及ぼすのが燃焼ガス温度 ( 燃焼器出口ガス温度 ) で, その上昇の第 1の背景として冷却技術の向上があげられる 図 5-1 (3) に過去の空冷技術の推移を冷却効率で示す ( 注, 冷却効率の定義, 基礎となる冷却方法と冷却効率の関係は, 前述図 3-8 参照されたし ) なお実際適用される冷却方法は, ガスタービンメーカそれぞれの思想と技術により異なるものであるが, ここでは最近一般的に見られる冷却技術の傾向を示す 1 静翼 : 内面に冷却空気を衝突させて冷却効果を上げたインピンジメント冷却, 対流冷却及びフィルム冷却の組合わせ 2 動翼 ( 内部 ): 数多く折り返した空気通路の中を対流冷却させる方式 ( リターンフロー ) とフィルム冷却の組み合わせ 3 動翼 ( 前縁部 ): 最も厳しいところであり, シャワーヘッドと呼ばれる冷却空気を噴出させる さらにフィルム冷却穴には, フィルムの効果を高めたシェイプトホールを採用する なお, これらの複雑な冷却構造は, 主として航空エンジンの技術から派生しているが, 本格 図 5-1 タービン空気冷却技術の推移 ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上, 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1178)

26 的に大型の発電用ガスタービンに適用できるようになったのは, 精密鋳造技術の進歩によるところが大きいといわれる (3) 5.3 耐熱材料技術の変遷耐熱材料の進歩も高温化の進歩には欠かせない技術要素である 一般に耐熱合金といえば,Fe 基,Co 基,Ni 基のどれを主成分とするかで, その耐熱性, 耐腐食性に相違があるが, ガスタービンに関しては, 現在ではNi 基が中心となって,AlやTiなどを添加した超耐熱合金を精密鋳造で製造する方法が一般的である また, 鋳造方法に工夫を凝らして ( 結晶制御を行うことにより ) 一方向凝固, あるいは単結晶の材料が得られるが, こうすることによりクリープ強度, 熱疲労強度が普通の鋳造に比べ大幅に上昇するため単に材料の選択のみでなくこれらの結晶構造の採用もあわせて考慮されている これらは, 特にタービンの前方段動翼に採用されることが多い さらなる耐高温化材料として酸化物分散強化型合金が挙げられている これは, 酸化イットリウム (Y 2 O 3 ) などの酸化物を微細化し, 材料に分散して強度を高めたものであり,Ni 基合金よりさらに高温特性が優れるといわれる ただし, 微細素材を均一に材料中に混入することの技術的な難易もあって, 複雑な冷却空隙空気通路を有す部材には ( 製造上の制約から ) 適用困難といわれるが, 静止部への適用が期待される さらに将来材料としては, 金属間化合物, 非金属系のセラミック材 (Ceramic Matrix Composite, CMC), カーボンカーボン材 (Carbon- Carbon Composite) の適用が検討されている 図 5-2に, 耐熱材料の耐用温度の推移を示す 次に, 遮熱コーティング (Thermal Barrier Coating,TBC) は, 耐熱材料とともに高温化の材料面の重要対策としてあげられる TB Cは, ガス温度が上昇してもその熱遮蔽効果によりメタル自体の温度上昇が抑えられるものである その効果の概念を図 5-3に示す その適 図 5-2 耐熱材料の耐用温度の推移 ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上, 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1179) 図 5-3 遮熱コーティングの構造模式図と温度低減効果 ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上, 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1180) 用に際しては, 従来の燃焼器ライナーから, 最近ではタービン前翼への適用が進んでいる 5.4 ガスタービンの主要構成要素技術の課題 と動向 (3) 高効率化の一つの要因として, 主要構成機器の効率向上も挙げられる ここでは, 圧縮器, タービンおよび燃焼器を取り上げ説明する 圧縮器およびタービンの効率についても近年改良

27 がなされ, 最近では両機器とも, その効率は, 90% のレベルには到達しているといわれるが, 更なる改良 改善が行われている 次にその概要を示す 1) 空気圧縮機ガスタービンの高温化に伴い, 燃焼温度とともに燃焼圧力, すなわち圧縮比も上昇し, また大容量化 ( 高負荷化 ) も求められる傾向にあり, したがって空気圧縮機の性能向上への期待は大きい その性能向上の方向性は, 入口流速増大と同一回転数における圧縮処理量の増大を狙ったものである そのための具体的な対策はメーカにより異なるが, 方向性としては, 最新の流れ解析手法を利用して ( 例, 従来の2 次元流れ解析から3 次元流れ解析手法の採用 ) 翼形状, 段数, あるいは, 翼の制御方法 ( 静止翼か可変翼か等 ) による解析が用いられている なお, 最新鋭の (1,500 級 ) ガスタービンの圧縮比は約 25 前後と各メーカともほぼ似たようなレベルであるが, 圧縮器の段数は,15~18 段とメーカにより異なる値が採用されている 2) タービン最近の大容量ガスタービンは負荷変動対応形となっているが, その段数は, ほとんどのメーカが高負荷 高性能の3 段または4 段軸流形を採 用している タービン翼形も, 圧縮器同様, 従来機種 ( 例,1,100 級ガスタービン ) の2 次元設計から,1,300 級ガスタービンでは3 次元設計, さらに1,500 級では翼型を半径方向に曲線的に重ね合わせたいわゆる完全 3 次元設計といわれる翼型を採用し, より流れが円滑で流損失の発生が少ない形状へと発展した設計がなされている さらに, 起動時などの熱伸びに対する制御 ( 例, 動翼チップ部クリアランス制御 ) など, 高温化に伴うタービン翼等の挙動に対して運転制御面からも各社各自の最新技術による工夫が凝らされている 3) 燃焼器燃焼器では, 高温化に伴い低 NOx 化と冷却技術に対する工夫が必要である 高温化になるに従い, いわゆるサーマルNOxの発生が増加するのでその対策が求められる 一般に, 方向性としては予混合燃焼と拡散燃焼との組合せが中心となっているが, 実際は各社各様の方法が採用されている 燃焼器の冷却方法も各社各様の工夫が凝らされているが, ここでは一例として蒸気を冷却用として使用しながら, 使用後の高温蒸気を蒸気タービンで有効に活用し, 耐久性と発電効率向上を狙った方式も出現してきているので, その概念を図 5-4に示す (3) 図 5-4 燃焼器技術変遷の例 (1,300 から 1,500 へ ) ( 出典 : 特集火力発電所の熱効率向上, 火力原子力発電 Vol.54 No.10, ,P1184)

28 6 ガスタービンと (8)(16)(17)(18)(19) 運転 保守 (8) 6.1 ガスタービンの運転特性概要 (1) 起動特性と負荷変化特性コンバインドサイクルの一つの特徴が, 運転特性が良好なことを前にあげた それは, ボイラに代表される大きな重量物を抱えた従来方式の発電方式と比較しても, 比較的小さなサイズで大きな出力を出すガスタービン発電方式の起動 負荷変化における優れた特性は容易に理解されるところであろう 一例として起動時間は, 70~100 分, 負荷変化の追従性は, 毎分 5% 程度が十分達成されている もちろんその間の着火, 負荷上昇等の全ての制御は自動にて行われる また, 性能面に関しても部分負荷性能 ( 効率 ) は, ガスタービン台数の運転を順次消火する台数制御により, 極めて低い部分負荷 ( 例えば,25% 前後 ) でも, かなりの高効率運転が可能である点も負荷変化特性の一つの特徴として挙げられている この特性のゆえに, コンバインドサイクルは, ミドル負荷あるいはピーク負荷に適した火力発電方式といわれ, ベース電源としての原子力発電あるいは準ベース電源とされる石炭火力では対応困難な負荷追随性の要求に応える役割を担 っているものであり, 実際の運転結果も十分その期待に応えてきている 図 6-1に負荷の大きさと効率の関係を示す なお, 同図の特性は, ガスタービンと蒸気タービンの構成により異なる特性を有す (2) ガスタービンと蒸気タービンの構成例前項で起動特性がガスタービンと蒸気タービンの構成により異なると記したが, ここで同構成上代表的な組合せとして, 一軸形および多軸形につき概略説明を行う 図 6-2に両構成例を示す 一軸形は, ガスタービン, 蒸気タービンと発電機が同一軸上に配列されたものである 一般図 6-1 ユニット総合発電効率特性例 (1 軸形 GT3 台構成の場合 ) ( 出典 : 火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム 社,2002 年 ) 図 6-2 ユニット総合発電効率特性例 (1 軸形 GT3 台構成の場合 ) ( 出典 : 火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム社,2002 年 )

29 にこれを複数組み合わせたものとして運用される 各軸が独立しているため, 軸単位で起動停止が可能で, したがって部分負荷特性が良好, 頻繁な起動停止に適しているとも言われる なお, 上記の一軸上に配列された発電設備をユニットと称し, さらに複数ユニットで構成される 1つの発電プラントを系列と称している 一方, 複数のガスタービンに対し, 一つの蒸気タービンと発電機から構成される配置を多軸形と称している 一軸形に比べ蒸気タービンの容量が大きいので, 蒸気タービン効率も高くなり, したがって比較的大きな負荷による運転時間が多い, ベースロード的な運用に適しているといわれる この場合も, ユニットと系列の呼称は, 上記と同様である (16) 6.2 保守の概要 (1) 概要ガスタービンの高温部品は, 高温, 高圧, あるいは条件によっては腐食性ガス雰囲気等も重なり, 非常に厳しい環境にさらされており, 一般に運転時間の経過とともに, 劣化, 損傷, あるいはそのまま放って置けば最終的には ( 部材により定まる ) 寿命が尽きることになる そこで運転 保守要領 ( システム ) の作成とそれにもとづく点検 補修あるいは寿命管理が重要となる 一般に, 高温部品には点検 補修で間に合わず, 部材そのものを交換する期間 ( 交換寿命 ) が定められている したがって, 高温部品の運転 保守要領で重要なことは, 材料の劣化, 損傷程度を検知 評価, 寿命診断を行い, 必要に応じ補修, 取替えるいわゆるメンテナンス技術を確立することである しかも, その要領は, プラントごとの個々の条件で異なり, また常に改良開発を求められるものである とりわけ, 高温部品は, 金額的に高価なものが多くその取替え頻度は, プラントの経済性を大きく左右する場合もある したがって高温部品の安全性確保を前提としての延命化 ( 寿命延伸技術 ) は, とりわけ大きな課題である それは, 機器メー カのみでは作成できない, 長い運転経験を生かしたユーザの工夫も織り込まれ, それぞれのプラントの独自状況, 特性に応じた固有の要素を織り込んで纏め上げられるものである そこで, 本章では, 全般的に高温部品の損傷技術全般の紹介と補修 寿命延伸技術の概要を文献で発表された範囲において述べる 高温部品の代表である燃焼器, タービン ( 動翼, 静翼 ) 等の具体的な高温部品の保守要領については, 文献等を参照いただくものとしてここでは省略する (16) (2) 高温部品の損傷技術全般ここで扱うガスタービンの高温部として, 燃焼器, ガスタービン静翼, 動翼の3 箇所を主な対象として取り上げる それらの代表的な劣化 損傷状況の一例を図 6-3に示す 概説すると, それらの高温部品の使用条件は非常に厳しいため, 劣化 損傷は必然的に発生するものとはいえ, その種類と程度は, 個々の条件に応じてさまざまであり, たとえ同じ場所に同じ機種を設置した場合でもその発生状況は異なる 従って, 各機械, 装置ごとの対応が求められるといっても過言ではない 本来, 引き続いてそれらの各高温部品ごとの, 保守要領の説明が, 続くことになるが, 本書では紙面の関係から省略する 詳細は, 関係資料 ( 例えば, 参考文献 (16),(17)) 参照されたい (16)(17) (3) 補修 寿命延伸技術の概要ガスタービンの高温部品は, 上述のようにそれぞれ場所に応じて損傷の原因があり, またその損傷発生の頻度と損傷の形態が異なる そこで, 各部材の損傷状況, 特性を踏まえた対策をとることが必要である 紙面の関係からここでもその詳細は省略するが, 補修 寿命延伸の概要を把握する意味から最近のガスタービン高温部の補修方法と補修技術の例を表 6-1に示す (16) なお, 実際の部品, 部材の交換においては, メーカ各自に推奨する時期が提案されている

30 図 6-3 高温部品の劣化 損傷状況 ( 出典 : 石井潤治, ガスタービンの最新補修 寿命延伸技術, 火力原子力発電 Vol.53 No.7,2002.7,P807) 表 6-1 高温部品の損傷と補修技術 表 6-2 ガスタービンの高温部品推奨点検間隔 ( 出典 : 石井潤治, ガスタービンの最新補修 寿命延伸技 術, 火力原子力発電 Vol.53 No.7,2002.7,P810) これらの保守管理に関するユーザ, メーカ等関係者の努力によって過酷な条件下にさらされるガスタービンの各部, 各部材が健全に保たれ, ひいてはコンバインドプラントの信頼性向上に結びついてきているといえよう ガスタービンの高温部品推奨点検 ( 取替えではない ) 間隔の一例を表 6-2に示す (17) (19)(18) (4) 具体的運転保守の事例具体的な運転保守要領として既に10 万時間を ( 出典 : 入門講座 発電設備の予防保全と余寿命診断技術 -Ⅱ 火力発電設備の予防保全と余寿命診断技術, 火力原子力発電 Vol.51 No.11, ,P1596) 超えて順調に運転が行われている発電プラントの事例から, その概要を次のとおり紹介する 1 ガスタービンの開放点検を2 年おき, 燃焼器点検をその中間年に ( やはり2 年おきに ) 実施し, 累積運転時間が5 万時間を超えた時点に, ガスタービンロータの特別点検も実施

31 し, それとともに未点検場所を極力無くし, トラブル発生の防止を図る 2 さらに, 高温部材に対しては, 実運用時の燃焼ガス雰囲気の変動, 冷却効果の変化, あるいは材料自体の組織上の変化等いかなる条件下でも事故等につながらぬよう利用側独自の工夫による監視が行われている 例えば, 次のような点からの配慮である 軽微な欠陥( 磨耗, 亀裂, 酸化, 変形等 ) に対するきめ細かな管理 一方, 部品点数が多く, 管理が困難であることへの対処 高温部品は効果であるため, 運用コストを最小化する寿命評価と寿命を全うさせる運用 3 保守 管理のシステム化それらの, 運用管理は従来手作業で行われていたが, 設備の経年化に伴いその管理はより煩雑, 複雑化し, 多大な労力を要する結果となっ ていたので, 発電所側はメーカとの共同で高温部品の保守管理を一元化した 高温部品管理システム ( 例, 高温部品管理支援システム, 高温部品管理倉庫 および 高温部品検査所 の3システムから構成 ) を開発した さらに同システムは同発電所でその後追加として建設された最新鋭コンバインドプラントの運転開始とともに完成度を増し, その結果機械による精度の高い検査や自動化された倉庫による入出力の効率化, およびシステムによる履歴管理など高度な管理が可能となった 図 6-4に, 高温部品管理システムのフロー図の一例を示す (19) 以上から全体的にいえることは, 近年建設されるようになった大型コンバインドプラントは, ほとんどが予定通りの運転および機能 性能を発揮しており, その結果同技術に対する評価の確立に資するところとなっていると判断される 図 6-4 高温部品管理システムフロー図 ( 出典 : 菅原道雄他, 東新潟火力 3,4 号系列の運転 保守実績, 日本ガスタービン学会誌 Vol.29 No.1,2001.1)

32 7 国内代表メーカの技術概要とその取り組み (7)(20) 製作は, 海外メーカからの技術提携よるものであったが, その後国内メーカの技術力向上に伴 7.1 概要 い, 近年では自主技術で開発および実機製作を行うメーカも出てきた ここでは, 大容量ガス 第 1 章で世界のガスタービンの開発歴史の概要について述べたが, ここではわが国における取組み, 開発, 実機適用に関する歩みの概要を述べる わが国は, 戦中および敗戦による産業停滞の中でガスタービンに関しても欧米の技術開発の流れから大きな遅れを取った そのような中でわが国のガスタービン開発上 タービンを手がける国内メーカ数社につきそのガスタービンの特徴と取組状況を五十音順にて紹介する 紹介するのは, 川崎重工業-アルストーム型, 日立/ 東芝 -GE 型, 富士 -シーメンス型, および 三菱重工業型 であるが, その内容は2004 年 11 月発表 (7) ( 対象によっては2002 年 10 月発表 (20) ) の文献ベースによるものである 記念すべきものとして,1948 年 ( 昭和 23 年 ) に鉄道技術研究所が製造した2,000kWがあげられ 7.2 川崎重工業-アルストーム型 (7)(20) るが, それは大戦中に高速艇のエンジン用として開発着手されたものが, 戦後に完成したものであり, また研究用としての域を出ないものであった (2) しかし, 昭和 30 年ごろになると, 欧米におけるガスタービンの技術進展とその応用, とりわけ発電用としての適用が国内でも注目されるようになった ただし, 大半は非常用あるいはピーク用としてのもので, その形式もガスタービン単体 ( オープンサイクル ) で, 連続運転を目指した発電用コンバインドサイクルとしての適用までにはいたらなかった しかし, 1980 年 ( 昭和 55 年 ) ごろからガスタービンの単機容量 ( 出力 ) の増大, 信頼性の向上などもあいまって, コンバインドサイクルとしての適用 川崎重工業は, アルストーム社との技術契約により, 大型を含むガスタービンの設計, 製作を行っている したがって同ガスタービンは, アルストーム社 (Alstom) が開発した技術を基にしているが, ガスタービンの基本構造として, 先ずロータは溶接製, 燃焼器はアニュラー型に加え, 高環境適合形バーナ (EVバーナ) を採用したものである また, 近年の高温化と高効率化対策としてタービン入口温度の上昇とともに二段燃焼再熱方式を採用している その初号機 (GT24) は, アメリカのギルバート発電所に納入 ( 運転開始 1995 年 ) され, 以降その相似設計による大型機種 (GT26) とともに, 多くの実績が得られて来ている 図 7-1に川重 -ア が行われるようになった 以降, 例えば産業用としてはJR 東日本 ( 当 時国鉄 ) 川崎向け144MW(1981 年運開 ) さらに 事業用としては, 東北電力東新潟 3 号系列 1,090MW(1984 年運開 ) あるいは東京電力富津 火力 1,2 号系列 1,000MW(1985 年,1988 年運 開 ) 等の運転成功を契機として, 今日見られる ようなコンバインドプラント導入が相次ぐこと になったことは, 第 1 章でも述べたところである さて, これらの設備の設計 製作に関する日本のメーカの対応であるが, 当初これらの設計 図 7-1 川重 -アルストーム型ガスタービン GT24/26 断面図 ( 出典 : 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, ,P1254)

33 ルストーム形ガスタービンの断面図を, 表 7-1 に基本性能例を示す (20) 表 7-1 川重 -アルストーム型ガスタービンの基本性能例 燃焼器排ガスおよび高温空気 (1,000 級 ) 利用の低 NOx 燃焼を行う 5) タービンは, 高圧および低圧とも空気冷却と適切な材料選定を行い信頼性を確保している 例えば, 高圧タービンの静翼, 動翼とも1 段目は, シャワーヘッド冷却, 対流冷却, およびインピンジメント冷却を採用し, 材料は, 静翼は1 方向凝固翼 (DS 材 ) とセラミックコーティング (TBC) の組合せ, 動翼は単結晶翼 (SC 材 ) の使用などである ( 出典 : 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, ,P1254) なお, アルストーム社の二段燃焼再熱方式の実機適用は,1940 年代から1970 年代にかけて20 数台納入しているが, 上記形式 (GT26) からはじめてアニュラ方式が採用されている 以上を含め同社方式の構造上の特徴を整理すると次の通りである (20) 1) 二段燃焼再熱方式を採用 2) ガスタービンの出力軸は, 低温軸 ( コールドエンドドライブ ), 排気は軸流排気とした 3) 圧縮機は22 段の軸流圧縮 ( 圧縮比は30) を採用 入口 3 段の静翼を可変ピッチ方式として吸気流量の60% までを自由に変更可能とした これにより, ガスタービン負荷 40% 程度までの部分負荷効率とともに, ガスタービン排出 NOx 濃度の改善も図っている 4)2 段の燃焼器の内, 高圧燃焼器は,30 個のアニュラー型燃焼器 (EVバーナ) を用いて予混合燃焼を行い,NOx 低減を図っている また, 低圧燃焼器は,24 個の同様なアニュラー型燃焼器 (SEVバーナ) を用いて, 高温 (7)(20) 7.3 日立 / 東芝 -GE 型 GE 社技術の場合, 特に冷却技術は航空機用エンジンの経験が生かされている 同形式の最新鋭形式は,1,100 級ガスタービンをベースとして高温化および出力増加を狙った設計で, 高温部品の耐熱合金の開発, 新冷却技術の採用が基本となっている 国内では既に同方式による1,100 級のガスタービンを使ったコンバインドプラントの多くの実績 ( 総出力 5,040MW) (20) を踏まえ, その後 1,300 級採用によるコンバインドプラントもかなりの数が建設され, 順調に運転 ( 総出力約 17,000MW) (20) がなされている さらに,1,500 級採用ガスタービンの計画も行われている 本形式によるガスタービンの特徴として次の点が挙げられている (7) 1) ガスタービンの出力軸は, 熱伸びの少ない圧縮機側の軸端とし, 排気側は排気損失が少ない点で有利な軸流排気, またボイラは横置き自然循環型を採用している 2) 圧縮機翼列は, 高温度適用の場合も, 1,100 級ガスタービン圧縮機のスケールアップであるが, 高温化に際しては出力増に伴う入口部の拡大, 圧縮機段数の増加 ( 例,18 段 ) で対応している 3) タービンは, 軸流 3 段の動静翼から構成される 静翼では1~3 段が冷却翼, 動翼では 1~2 段が冷却翼,3 段は無冷却翼となって

34 いる なお, 冷却に伴う翼構造および材料選定に特別の配慮がなされている 例えば, 静翼 ( 第 1 段 ) は, 精密鋳造で内部はインピンジメント冷却, 翼前面はシャワーヘッド冷却, 翼面はフィルム冷却等であり, また材料は, 熱疲労に優れたCo 基超合金 (FSX- 414) を採用している また, 動翼 ( 第 1 段 ) には, 内部冷却にリターンフロー, 材料にNi 基超合金 (GTD-111) 使用の一方向凝固翼を採用している それと同時に, タービン第 1, 2 段動翼には翼表面および翼内部に遮熱コーティングが施している等である 燃焼器は, 希薄予混合燃焼方式によるドライ低 NOx 燃焼器を採用し, 高温燃焼 ( 温度上昇による容量増加 ) に対応して, 燃焼器本数を増加している (7) 図 7-2に,GE-9E 型 (1,100 級 ) ガスタービン, 図 7-3にGE-9H 型 (1,500 級 ) ガスタービンの断面図を示す (20) ( 注, なおGE 系では,FあるいはFA 型と称して 1,300 級ガスタービンが実用化されているが, ここでは紙面の都合上省略する ) 同形式の基本性能例 (50HZ 用 ) を表 7-2に示す (7)(20) 7.4 富士 -シーメンス型シーメンス社 ( ドイツ ) は, 大戦後から電力用に特化したガスタービンの開発を行った その基礎となったのが航空機エンジンであり, ガスタービン本体構造はその思想 (V 型ガスタービンと称す ) を継承し, さらに, 圧縮機とタービン翼列には, プラット アンド ホイットニー社 (Pratt & Whitney,PWA) 社の航空機エンジンからの技術導入による技術が組み合わされている 図 7-4に典型的なV 型ガスタービンの断面図を示す (7) 1,300 級として,VX 4.3 型 ( 初号機 1990 年運開 ),1,400 級として VX4.3A 型が開発されている 次に, 富士 - シーメンス型の特徴を概説する 図 7-2 GE-9E 型 1,100 級ガスタービン断面図 ( 出典 : 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, ,P1251) 図 7-3 GE-9H 型 1,500 級ガスタービン断面図 ( 出典 : 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, ,P1251) 表 7-2 GE 型ガスタービンの基本性能例 (50HZ) 形式 MS9001E MS9001FA MS9001H 発電端出力 (kw) 116, , ,000 発電端効率 (%LHV) 排ガス温度 ( ) 圧力比 空気流量 (kg/s) 圧縮機 ( 段数 ) タービン ( 段数 ) 燃焼器 ( 個数 ) ( 注 ) の出力および効率はコンバインドサイクルでの値を示す ( 出典 : 文献 (20) をもとにGas Turbine World 2006 Handbook 他を参考に修正 ) 1) タービン全体の基本構造は,V 型ガスタービンの思想にもとづき,2 軸受け支持方式, 水平 2 分割ケーシング, タービンは軸流排気方式が採用されている

35 ンピンジメント フィルム冷却の組合せ, 第 1 段動翼は, リターンフロー式対流 フィルム冷却の組合せである また材料面では, 第 1,2 段動翼にはNi 基合金の単結晶翼 (SC 翼 ), 第 1~3 段動静翼には遮蔽コーティング (TBC) を採用しているなどである 図 7-4 富士 -シーメンスV 型ガスタービン (V84.3/V94.3) の断面図 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器 Ⅳ. ガスタービンの性能と構造, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, ,P1250) 2) 燃焼器は, ハイブリッド (HBR) 型燃焼器と称し,24 個のバーナをアニュラー形大型燃焼室の円周上に配置した形式を採用 気体および液体燃料にも対応可能で, 低負荷領域では拡散燃焼, 高負荷領域では予混合燃焼運転として切り替え使用される 同燃焼器の例を図 7-5に示す 図 7-5 HBR 燃焼室外形図 ( 出典 : 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器 Ⅳ. ガスタービンの性能と構造, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, ,P1251) 3) タービンは,4 段で構成されている 冷却は, 第 4 段以外は空冷翼であり, それぞれの部分に応じた冷却方式と材料が採用されている 例えば, 第 1 段静翼の冷却は, 対流, イ (20)(7) 7.5 三菱重工型戦後, 三菱重工業は米国のウエスチング社 (Westinghouse) との技術提携により, 設計 製作していたが, その後同社との契約を終結し, 現在は自社技術により, 開発, 設計 製作を行っている 前述の国内事業用の初号機となる東新潟 3 号系列の1,150 級ガスタービン (D 型 ) の製作に引き続き,1,350 級 (F 型 ), さらに回収型蒸気冷却燃焼を特徴とした 1,500 級 (G 型 ) ガスタービンを開発している 三菱の設計は,D 型が基本となって後継機へ踏襲されている G 型ガスタービン (M501 G) の基本構造と最新技術を図 7-6に示す (20) その特徴は, 1) ガスタービン本体構造としては, まずロータは2 軸受け支持構造としている さらにロータは組立てディスク式が採用され, 圧縮機側はディスクをボルト結合, タービン側は, カービックカップリングと称される歯継手を使っている また, 車室は水平 2 分割方式で, 組立て保守が容易な構造となっている 2) 圧縮機は, 大容量化に伴う大風量, 高圧, 高効率化に対応するため, 空力学的面からの適正形状の検討 ( 例, 多重円弧翼, 拡散制御翼等 ), および起動時の旋回失速, サージング防止のため中間段での抽気導入, 可変式の入口案内翼を採用している 3) 燃焼器は, マルチキャン形ドライ低 NOx 燃焼器を採用 中心に配したパイロットノズルの周囲にメインノズル (G 型で8 個 ) を配し, 予混合火炎の安定燃焼を図っている 冷却方式は, 空気冷却を基本とするが,1,500 級の高温化になると同燃焼温度の向上と同時に

36 低 NOx 化を達成するため回収式蒸気冷却方式を採用している ( 前述図 5-4 参照 ) なお冷却で蒸気が得た熱量は, 蒸気サイクル側に回収され, プラント全体の熱効率向上へ組み込まれている 4) タービンは,4 段軸流方式である 高温部の冷却方式は, 第 1 段静翼が, インピンジメント冷却とフイルム冷却, また第 1 段動翼には, リターンフロー冷却方式が採用されてい る 材料は, 第 1 段静翼は,Ni 基超合金の精密鋳造製であり, 第 2~4 段の静翼も精密鋳造であるが, 材質とセグメント数を変えている 動翼は, 全段を精密鋳造翼で構成し, 特に1,2 段動翼は, 一方向凝固翼を採用している 表 7-3に, 三菱ガスタービンの基本性能例を示す 図 7-6 M501G ガスタービン ( 出典 : 佃嘉章他, 東新潟 4 号系列 1,450 級ガスタービン複合発電設備の運転実績, 火力原子力発電 Vol.51 No.6,2000.6,P686) 表 7-3 三菱ガスタービンの基本性能例 ( 出典 : 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, ,P1260)

37 8 ガスタービンの (10)(21)(22)(23)(24) 将来展望 8.1 概要一昔前は, 果たして1,500 のガスタービンが実現するだろうか という言葉が聞かれた由であるが, 現在は同温度レベルのガスタービンが既に商業運転されるまでになった 最近のガスタービンの技術進展はこのように顕著なものが見られる ガスタービンに関連した更なる将来の方向としては, ガスタービン自体の高温化を狙う 超高温ガスタービン ( 例,1,700 級ガスタービン ), ガスタービンに関連した 新システム ( 例,AHATサイクル, 燃料電池 -GT 組合せサイクル ), 将来水素時代が訪れた時に想定される方式として 水素燃焼タービン, 等があげられよう (22)(23) ここでは, その中からガスタービン技術そのものの将来展望に関連して現在経済産業省 ( 資源エネルギー庁 ) の補助事業にて研究開発が行われている 超高温ガスタービン および AHATサイクル に関連した研究開発動向を中心として紹介する 同プロジェクトは, 経済産業省 ( 資源エネルギー庁 ) の 平成 16 年度エネルギー使用合理化技術開発費補助金 - 高効率ガスタービン実用化要素技術開発事業 に対応したもので,2004 年度から4 年計画の研究開発プロジェクトである その主要テーマは, 1,700 級ガスタービン要素技術開発 と 高湿分空気利用ガスタービン (AHAT) の2テーマから成っている なお前者は, 大容量機 ( 例えば, ガスタービン単体 25 万 kw 程度, コンバインド出力 40 万 kw 程度 ), 後者は中小容量機 (10 万 kw 程度 ) の高効率プラントを狙いとしたものである なお, 実施担当は, 前者は三菱重工業, 後者は日立製作所, 電力中央研究所および住友精密工業を主体メンバーとして推進されている 8.2 超高温 (1,700 級 ) ガスタービン (10) (1) 超高温ガスタービンの狙いガスタービンを高温化すると, 冷却用空気量の増大,( サーマル )NOx 発生量の増加等があるため, 効率面および経済性面でも頭打ちになることが予想される その限界がどこにあるのかは, 種々議論されるところであるが, 少なくとも1,700 級ガスタービンまでは効率面の上昇が期待されている 同効率の予想を図 8-1に示す 同図に示されるように,1,700 級が完成したときのコンバインドプラント予想発電効率 ( 発電端,LHV) は,62~65% と予想される これは, 現在の1,500 級コンバインドプラントの発電効率 ( 発電端,LHV) の約 60% 弱より ( 相対値で ) 約 4~8% 高く, 燃料は異なるが最新鋭微粉炭火力の発電効率 ( 発電端,LHV) の約 44% と比較すると約 40% 高い 従って, その分 CO 2 発生量も低減する ( 燃料の差を考慮するとさらに大きい ) 図 8-1 火力発電における熱効率の推移 ( 出典 : 塚越敬三他, 大型発電用ガスタービンの最新技術動向, 三菱重工技報 Vol.42 No.3, ) (2) 1,700 級ガスタービンの要素技術開発 1,700 級ガスタービンの開発では, 高温化に耐える耐熱材料, 冷却材料, およびコーティング材等の高温化対策技術, 高温化に応じて発生量が増えるNOx 低減のための低 NOx 燃焼システム, 高温化にともなう高負荷高性能ガスタービン, あるいは高い圧縮比に適合する高圧力 高

38 性能圧縮機の開発などである これらを全てメーカ等民間の研究開発に求めるのは余りにもリスクが大きいこともあり, 現在その中の一部は, 上述の経済産業省所掌 1,700 級ガスタービン要素技術開発 プロジェクトにて研究開発が行われている 同プロジェクトによる研究課題は, 燃焼技術, タービン冷却技術, 超耐熱材料技術, コーティング, あるいは 高圧力比 高性能圧縮機の開発 などが挙げられている 以下ここでは, 紙面の都合もあり同研究の一部である 燃焼技術 と タービン冷却技術 の概要を示す 1) 燃焼技術 (10)(21) 1,700 級の高温燃焼器となると, 本来増大するNOx 生成量をいかに必要レベルまで低減するかに関して, 従来発想を変えた新たな視点からの取組みが必要となる これにたいして, 現在考えられているのが, 排ガス再循環システムの採用である 同システムは, 発電用ボイラでは, お馴染みの方法であるが, 大型ガスタービン利用コンバインドサイクルにおいては, 今まで採用されなかった ガスタービン出口排ガス ( 実際には, 排ガスボイラ出口排ガス ) を燃焼器適正圧力まで昇圧する際のエネルギー消費量が大きい, またNOx 生成 量自体も従来方式 ( 例, 予混合燃焼方式等 ) の採用で所要レベルまで低減できたためと考えられる しかし,1,700 級の場合は, 排ガス再循環方式が不可欠と見られている その適用方法に関し同要素研究の中では, 排ガスを空気圧縮機の入口に持ってくる方法と別置の ( 専用 ) 圧縮機を置く方法が検討されたが, サイクル検討の結果, 前者が効率面で有利となるという検討結果が示された また, 燃焼方式は, 予混合型燃焼方式 ( 現在ガスタービン低 NOxの主流 ) と拡散燃焼方式をシミュレーション検討等で比較検討した結果, 燃焼器出口酸素濃度の設定にもよるが, 拡散燃焼方式が有利と見られている 図 8-2に1,700 級ガスタービンの再循環方式の概念を示す 2) タービン冷却技術高温化に伴い更なる冷却効果の向上が求められ, そのためにはより少ない冷却量で高い冷却効果が得られる技術の適用が必要とされる そのため, 例えば第 1 段静翼の場合は, 翼の内部冷却には, 翼部を冷却能力の高い蒸気 ( 冷却後の蒸気は, 回収し蒸気タービン系へ活用 ) とし, また通路の狭い後縁部を空気冷却とするハイブリッド冷却構造とする方法が候補として挙げられている 図 8-3にタービン1 段静翼の冷却構造の概念図を示す 図 8-2 1,700 級ガスタービンの再循環方式 ( 出典 : 塚越敬三他, 大型発電用ガスタービンの最新技術動向, 三菱重工技報 Vol.42 No.3, )

39 図 8-3 タービン 1 段静翼冷却構造概念図 ( 出典 : 塚越敬三他, 大型発電用ガスタービンの最新技術動向, 三菱重工技報 Vol.42 No.3, ) 8.3 高湿分空気利用ガスタービン (AHA T) (24) 高湿分空気利用ガスタービン, 略称 AHAT (Advanced Humid Air Turbine) システムは, その前身のシステムで1980 年ごろ提案されたH AT(Humid Air Turbine) システムの改良型である HATサイクルは, 通常のガスタービンコンバインドプラントのガスタービン後流の排ガスボイラによる蒸気発生器に変えて, 圧縮機出口の燃焼用空気に水分を増湿させた増湿湿分空気を燃焼器に導き, ガスタービン自体の出力上昇を図る発電システムである 排ガスボイラおよび蒸気タービンを必要とせず, ガスタービン燃焼後の排熱を有効に回収して発電するため, 比較的中規模用の高効率発電プラントとして期待 されている AHATサイクルは,HATサイクルで採用されていた圧縮機の中間冷却機に換えて圧縮機前に吸気噴霧機を採用したもので, これによりガスタービンの圧力比や温度上昇に頼ることなく, 発電効率の上昇が得られるところに大きな特徴がある 上述のように, 現在 2004 年からの3 年間のスケジュールで研究開発が進められているが, その内容は 要素技術開発 ( 例, 湿分を多量に含む燃焼器の開発, 湿分制御系の開発等 ) と 検証機によるシステム確認 から成る 検証機としては,2006 年 10 月より茨城県ひたちなか市にパイロットプラントが建設され, 試験が行われている 図 8-4に,AHATパイロットプラントのシステム構成を示す 図 8-4 AHAT パイロットプラントのシステム構成 ( 出典 : 片桐幸徳,AHAT 発電設備の制御, 日本ガスタービン学会誌,Vol.35, No.1, )

40 8.4 燃料電池とガスタービンサイクル (26)(27)(28) 燃料電池とガスタービンサイクルの組み合わせも, 夢のある将来技術として期待されている その場合の考え方は, 高温型の燃料電池の反応後の未反応燃料を含有した高温排ガスをガスタービン ( 燃焼器 ) に導き, その未燃成分と高温排ガスの持つエネルギーをガスタービンで有効に利用するものである 従って, その場合の燃料電池としては, 高温型の燃料電池である溶融炭酸塩形 (MCFC) と固体酸化物形 (SOF C) の2 種類が提案され, それぞれに対し研究開発が行われている 以下, それぞれの概要を示す (1) 溶融炭酸塩形 (MCFC) とガスタービン (26) の組合せ形 MCFCとガスタービンの組合せ形 ( ハイブリッド形 ) のフロー案を図 8-5に示す これによれば,MCFC 単独の ( 天然ガス利用 ) 発電効率 (LHV 基準 ) は,50~55% であるが, ガスタービンとの組合せで, 発電効率は約 5~10ポイント上昇するとの試算が得られている 試算例では, 約 7MWの比較的小規模の発電プラントで, 発電効率 ( 発電端,LHV) は60%( 同送電 端,LHVで57%) が得られている なお, 同構想は,IHIが1987 年 ( 昭和 62 年 ) より国家プロジェクト ( ニューサンシャイン計画 ) により 300kW 級の加圧発電システム研究を実施してきた成果を踏まえ事業化検討を行った中で発表されたものである (2) 固体酸化物形 (SOFC) とガスタービン の組み合わせ形 (27)(28) SOFCとガスタービンの組合せの例を図 8-6に示す 試算結果によれば,700MW 級の大規模を想定した天然ガス焚き組み合わせ形発電プラントにおいて, 全体発電出力に占めるSOF C 出力は約 70%, ガスタービン出力は20%, 蒸気タービン出力は10% の構成となっており, 同構成に基づく全体の発電効率 ( 送電端,LHV) は,71.2% と試算されている なお, その開発を目指して, 三菱重工業が2004 年度のNEDO 受託研究テーマ 円筒型 SOFC 高効率コンバインドシステムの開発 にて200kW 級発電システムの研究開発を実施中であるが, 上記数値はその中で将来の構想として試算されたものである 燃料電池モジュール カソード アノード リサイクルブロワ 燃料 燃焼器 燃料 改質室 燃焼器 加熱室 GT 排気 温水回収 排熱回収ボイラ 空気 蒸気 回収水水処理装置 図 8-5 MCFCとガスタービン組合せ複合発電システムフロー案 ( 出典 : 伊藤和彦他, 溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC) ハイブリッドシステム, 日本ガスタービン学会誌 Vol.31, No.3, )

41 あとがき 図 8-6 SOFCとガスタービン組合せ複合発電システムフロー案 ( 出典 : 久留長生,SOFC 複合発電システムの開発と将来展望, 日本ガスタービン学会誌 Vol.35. No.2, ) 今我々の生活にとって, 飛行機の利用はもはや日常の交通手段と化しているが, しかし誰もが飛行機に乗るときには, あの大きな機体が多くの人間と重い荷物を乗せて大空へ飛び立つことに少なからず感動を覚えるのではないだろうか その大きな力 ( 原動力 ) を受け持っているのがガスタービンに他ならない また, 飛行機に比べたらそれほど華やかではないにしても, 現在 LNG 火力発電は, 全体の発電電力に対し ( 年間発電電力量ベース,2006 年度推定実績 ) 約 26% と, 原子力 ( 約 30%) に次いで主要電源として利用されているが, そのLNG 火力の最近の主要構成システムはコンバインドサイクルであり, その原動力もガスタービンが中心となっている このように, 今やガスタービンの威力に現代はすっかり, お世話になってきているといっても過言ではないであろう そのようにお馴染みのガスタービンではありながら, 本誌執筆のために今回改めて関連資料, 情報を収集し, 読みこんでいくにつれ, ガスタービンの働きと魅力を再発見する思いであった その理由は4 点に集約されるようである その第 1は, ガスタービンの普及が着実に進展してきたことである 上述のように今日広く使われるように普及してきた背景には, 性能, 経済性および運転性の全てが, 実用機として信頼に足ることが実証され評価されてきたことに他ならない しかし一般に, 新しい技術の導入当初は初期トラブルはつき物であり, それぞれ特に早い時期に同技術を採用した発電所においては, 何らかの問題やトラブルが発生したことがあるのではないかと推定されるが, 関係者特にユーザの運転 保守上の改良 改善等の努力により信頼するに足る技術として完成してきたことは想像するに難くないことであろう 第 2 点は, 技術開発の進歩の速さである 本技術は, 特に技術開発および実用化の速さ

42 が注目される 例えば, 従来形火力発電技術とコンバインドサイクルにおいて発電効率の進展度を比較した場合, 従来形火力は戦後急速に効率が上昇した時期があったが, その後の歩みは, 遅々としたものであり, 例えば1960 年ごろに効率 ( 発電端,HHV 基準 ) で約 40% に達した後, 約 42% に上昇するのに実に約 30 年 ( 年間上昇率 ( 絶対値ベース ) は0.06%) もかかっている ところが, コンバインドサイクルは, その本格的実用化は随分遅れたが, わが国で大型適用の初号機とされる東北電力の東新潟 3 号系列の場合 (1984 年運転 ) 開始時点で既に同効率は約 44% であったが, 最近の高効率プラント ( ガスタービン温度 1,500 級 ) では, 約 54% であり, これは,20 年間で約 10% 上昇 ( 年間上昇率 ( 絶対値ベース ) は0.5%) で, 効率に関する限り従来形より一桁大きい上昇速度を示している ( 第 1 章参照 ) その第 3は, 技術そのものの持つ魅力であり, 奥深さである ガスタービン技術の課題は第 5 章でも述べたように, 高温化のための 冷却技術 および 材料技術 に加え低 NOx 燃焼等の 燃焼技術 および更なる 信頼性向上技術 も挙げられる それらの研究開発の推進には, 基礎から応用技術までの科学技術の総合力が必要とされ, またとどまるところを知らぬ進展がなされている そのため研究 技術陣においては, 競争に遅れをとらぬために常に必死の努力が続けられている様子である まさしく科学技術立国であるわが国の科学技術のレベルとその維持向上が問われる場ともなっていると思われる その第 4は, このガスタービンの研究開発に関連した成果発表あるいは情報交換の場が定着しかなり有効に活用されていることである 戦後, 機械工学関係, 特に原動機分野における規格化, 標準化, あるいは研究成果発表の場としては, 米国 ASME( アメリカ機械学会 ) が世界をリードしてきたが, 同学会傘下のASME 国際ガスタービン会議も既に2005 年にて第 50 回 ( ASME TURBO EXPO50, 於米国ネバダ州リノ市 ) を数えるほど充実した活動を続けている 日本でも日本機械学会の傘下にガスタービン学会が約 30 年前に設立され活発な活動が行われている なお, 日本ガスタービン学会主催の国際会議をIGTC(International Gas Turbine Congress) と称し,4 年に1 回開催されているが, 更にその中間年に近年では近隣国の韓国, 中国の関連学会と共同でアジアガスタービン会議も開催されるなど, 国内外の関連大学, 産業界が主導して本技術の情報交換と啓蒙が活発に図られるようになってきている なお,2007 年のIGTCは, 東京で12 月に開催されることになっている さて, そのような魅力を秘め現在非常に活発な動きを見せているガスタービンであるが将来はどうであろうか その将来の方向を陸用に限定してみるときに, 更なる高効率化, 高性能化の動きとしては, 本文中にも述べた1,700 級ガスタービン,AHATサイクル, 石炭とガスタービンと組合せた石炭ガス化発電 (IGC C), あるいは燃料電池 (SOFC) との組み合わせである超高効率複合発電, さらに水素時代が到来したときの水素燃焼タービン, 更に遠い将来には宇宙における太陽熱利用のガスタービン閉サイクル発電等, 超長期的な技術課題が数多く提案されている まだまだ, 将来発展の余地は十分ありそうである 以上のように魅力あるガスタービンの世界を本誌のような小冊子で, 紹介するのは至難の業であるが, ガスタービンの特徴, 動向あるいは課題を探る一つのヒントになれば幸いである 最後に 本書中の図表に関しその使用を許諾いただいた関係先 特に ( 社 ) 日本ガスタービン学会 ( 社 ) 火力原子力発電技術協会 ( 社 ) 電気学会 および ( 財 ) 東京大学出版会に深甚なる謝意を表します また 内容に関し内外からコメントあるいはレビューを頂いた 特に一部の電力およびメーカ関係者には 誌面を借りて衷心より御礼申し上げます

43 参考資料 1 平成 19 年度電力供給計画の概要, 経済産業省資源エネルギー庁, 平成 19 年 3 月 2 大地昭生, 火力発電の変遷 - 大容量化と高効率化への挑戦,( 社 ) 日本学術士会 HP (2001 年 8 月月例資料 ), 特集火力発電所の熱効率向上 3. ガスタービン 火力原子力発電 Vol.54 No.10, 電源開発の概要 ( 昭和 63 年度 ~ 平成 17 年度 ), 経済産業省資源エネルギー庁電力 ガス事業部編 5 斉藤孝基他, 新版エネルギー変換, 東京大学出版会,2006 年 3 月 6 電気学会編火力発電総論 8. ガスタービン発電設備, オーム社,2002 年 7 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器 Ⅳ. ガスタービンの性能と構造, 火力原子力発電 Vol.55 No.11, 電気学会編火力発電総論 12. ガスタービンコンバインドサイクルの計画 運転 保守, オーム社,2002 年 9 入門講座 タービン 発電機及び熱交換器 1. 概説, 火力原子力発電 Vol.55 No.4, 塚越敬三他, 大型発電用ガスタービンの最新技術動向, 三菱重工技報 Vol.42 No.3, 小森豊明他,BFG 焚ガスタービンコンバインドサイクルプラント, 日本ガスタービン学会誌 Vol.34 No.5, 太田一広, 石炭ガス化複合発電, 日本ガスタービン学会誌 Vol.34, No.5, 電中研レビュー (44 号 ), 石炭ガス化複合発電の実現に向けて- 実証機開発の支援と将来への研究展開, 佐藤幹夫, 燃料多様化, 日本ガスタービン学会誌 Vol.35, No.2, 塚越敬三他, 最新の産業用ガスタービンの 冷却技術, 日本ガスタービン学会誌,Vol.35 No.3, 石井潤治, ガスタービンの最新補修 寿命延伸技術, 火力原子力発電 Vol.53 No.7, 入門講座 発電設備の予防保全と余寿命診断技術 -Ⅱ 火力発電設備の予防保全と余寿命診断技術,3.1. コンバインドサイクル発電設備 / ガスタービン本体, 火力原子力発電 Vol.51 No.11, 佃嘉章他, 東新潟 4 号系列 1,450 級ガスタービン複合発電設備の運転実績, 火力原子力発電 Vol.51 No.6, 菅原道雄他, 東新潟火力 3,4 号系列の運転 保守実績, 日本ガスタービン学会誌 Vol.29 No.1, 加藤誠他, 特集発電設備の設計と材料 V. 複合発電設備の設計と材料, 火力原子力発電 Vol.53 No.10, 塚越敬三, 川田裕, 次世代高温 高効率ガスタービンの技術動向, 配管技術, 川地和彦, 第 6 節新しい動き,1 高温ガスタービン, エネルギー新技術体系, 日本伝熱学会, エヌ ティー エス, 竹矢一雄, 第 6 節新しい動き,2 複合サイクル, エネルギー新技術体系, 日本伝熱学会, エヌ ティー エス, 片桐幸徳,AHAT 発電設備の制御, 日本ガスタービン学会誌,Vol.35, No.1 (2007.1) 25 NEDOホームページ ts/sekitan/cct2006.pdf 26 伊藤和彦他, 溶融炭酸塩形燃料電池 (MC FC) ハイブリッドシステム, 日本ガスタービン学会誌 Vol.31, No.3(2003.5) 27 加幡達雄, 固体酸化物方燃料電池 (SOF C) 複合発電システム, 日本ガスタービン学会誌 Vol.31, No.3(2003.5) 28 久留長生,SOFC 複合発電システムの開

44 発と将来展望, 日本ガスタービン学会誌 Vol.35. No.2, 渡辺紀徳, ガスタービンの将来を目指す技術伝承と人格育成, 日本ガスタービン学会誌 Vol.35, No.2(2007.3) 30 松永昌克他, 川崎火力発電所 1 号系列の計画概要 -MACC 発電の特徴, 火力原子力発電 Vol.57 No.8, 火力原子力発電必携 ( 第 7 版 ), 火力原子力発電技術協会, 平成 19 年 3 月 32 第 6 回ガスタービン学会教育シンポジウム資料, 日本ガスタービン学会, 平成 12 年 7 月

45 新エネルギーの展望既刊一覧 燃料メタノール編 1987 年 1 月発行 太 陽 光 発 電 編 1987 年 2 月発行 燃 料 電 池 編 1987 年 3 月発行 風 力 発 電 編 1988 年 1 月発行 石 炭 ガ ス 化 編 1988 年 3 月発行 自動車用エネルギー編 1988 年 3 月発行 地 球 温 暖 化 編 1989 年 2 月発行 二 次 電 池 編 1989 年 3 月発行 高 温 超 電 導 編 1989 年 3 月発行 地 熱 発 電 編 1990 年 2 月発行 燃 料 電 池 ( 改訂版 ) 1990 年 3 月発行 燃料用メタノール ( 改訂版 ) 1990 年 3 月発行 太陽光発電 ( 改訂版 ) 1991 年 3 月発行 地球温暖化 ( 改訂版 ) 1991 年 3 月発行 エネルギー有効利用 1991 年 3 月発行 水 素 エ ネ ル ギ ー 1992 年 3 月発行 風 力 発 電 ( 改訂版 ) 1992 年 3 月発行 電 気 自 動 車 1992 年 3 月発行 非在来型天然ガス 1993 年 3 月発行 地 球 温 暖 化 対 応 1993 年 3 月発行 石 炭 の 高 度 利 用 1993 年 3 月発行 水素エネルギー ( 改訂版 ) 1995 年 3 月発行 廃 棄 物 発 電 1995 年 3 月発行 石炭灰の有効利用 1996 年 3 月発行 廃棄物発電 ( その2) 1996 年 3 月発行 低品位炭の改質技術 1997 年 3 月発行 メタノール発電技術 1997 年 3 月発行 電 力 負 荷 平 準 化 1998 年 3 月発行 非在来型天然ガス 1998 年 3 月発行 ( メタンハイドレート編 ) 石炭ガス化複合発電技術 1999 年 3 月発行 廃棄物発電 ( その3) 1999 年 3 月発行 原 子 力 発 電 技 術 2000 年 3 月発行 原子燃料サイクル技術 2000 年 3 月発行 固体高分子形燃料電池 2001 年 3 月発行 マイクロガスタービン 2001 年 3 月発行 コージェネレーション技術 2002 年 3 月発行 循環型社会の構築 2002 年 3 月発行 バ イ オ マ ス 発 電 2003 年 3 月発行 廃棄物発電 ( その4) 2003 年 3 月発行 地球温暖化 ( 再改訂版 ) 2004 年 3 月発行 風 力 発 電 ( 再改訂版 ) 2004 年 3 月発行 省エネルギー技術 2005 年 3 月発行 太陽光発電 ( 再改訂版 ) 2005 年 3 月発行 バイオマスエネルギー 2006 年 3 月発行 燃 料 電 池 ( 再改訂版 ) 2006 年 3 月発行 ガスタービン技術 2007 年 3 月発行 自動車用エネルギー ( 改訂版 ) 2007 年 3 月発行 2007 年 3 月発行 編集発行財団法人エネルギー総合工学研究所 ( 担当部門 : エネルギー技術情報センター ) 東京都港区西新橋 ( 新橋 SYビル8F) 電話東京 (03) ( 代表 ) 備考 : 上記の各編は, 当所のホームページの 定期刊行物 の欄でも御覧頂けます 印刷 日新社