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1 東京大学 先端エネルギー変換工学寄付研究部門 第 3 回技術フォーラム 高効率発電におけるガスタービン技術の進歩 平成 22 年 6 月 11 日三菱重工業 ( 株 ) 原動機事業本部長取締役常務執行役員佃嘉章 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 1

2 目次 1. 発電方式比較 2. ガスタービンの高温化 高効率化 3. 高効率ガスタービンの要素技術 3-1 高温化 3-2 高効率化 3-3 大容量化 3-4 製造技術 4. 今後の技術開発 5. ガスタービンの応用 5-1 石炭ガス化 IGCC 5-2 BFG 焚 GTCC 5-2 原子力 PBMR 5-3 太陽光発電 5-4 燃料電池 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 2

3 LHV % 70 発電方式と効率 80 年代より高効率ガスタービンコンバインドが商用化進展 60 F 形 GT 適用 G 形 GT 適用 発電端フ ラント効率 再熱サイクル採用 西暦 ( 年 ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 3

4 タービン入口温度の高温化 1600 J タービン入口温度 ( ) F 1300 F MHI FA MHI F FA F G Commercial operation of M501G F2,F3 FA+ G H The first unit of M501H has achieved H load test H 他メーカ FA+ F2, F3 F4 H 1200 他メーカ 年 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 4

5 発電方式別 CO 2 排出量 石炭火力と比べ LNG コンバインドは CO 2 を 50% 削減できます 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 5

6 ガスタービンの高温化 高効率化タービン入口温1600 級 M501J 形確認運転開始 ( ) 級 M701G2 形 3 軸商用運転開始 M501J M701J 世界初の1500 級 M501G 形実証運転開始 1500 M501G 1350 級 M501F 形工場実負荷試験実施 M701G 1400 産業用で世界最高温度 1250 級タービン入口 MF111 形完成 1300 M501F/M701F 温度の高温化東北電力東新潟 3 号 純国産コンバインドプラント完成 ( 世界初の予混合形燃焼器の実用化 ) MF 世界最大級 M701B 形工場実負荷試験実施 M501D コンバインド効率 60.0 超 M701D 度54.4 機械駆動用 2 軸 GT 効1000 M701B MW-252 率(LHV, %) Westinghouse 社と技術提携 MW501A ガスタービン製作開始 ( MW171: ガスタービン入口温度 732 ) 31 M701B 33 M501D M701D ムーンライトプロジェクト ガスタービン効率 M501F3/701F3 M501F/701F 級要素技術開発国家プロジェクト 40.0 超 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 6

7 C/C 効率 (LHV%) 大容量 GTCC 性能 C/C 効率出力 J 形 G 形 Up-rated F 形オリシ ナル D 形 ( 最新の J 型は 60% 超 ) 出力 (MW) G/T: ガスタービン単体 C/C: コンバインド ( 一軸式 ) 60Hz 50Hz Hz Hz 267 C/C G/T タービン入口温度 ( ) 1600 D 形 F 形 G 形 J 形 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 7

8 G 形ガスタービンの特徴 501G (60Hz) 701G (50Hz) 出力 (S/C) 267,500kW 334,000kW 効率 (LHVヘ ース) 39.7% 39.5% 吸気流量 599kg/s 737kg/s 軸受スパン 7752mm 9250mm ロータ重量 61ton 100ton *CDA: Controlled Diffusion Airfoil 圧縮機 燃焼器 段数 14( 圧力比 21) 本数 20 本 蒸気冷却高性能翼型 予混合ノズル高負荷 / 高性能設計 空気バイパス機構 CDA* 翼 タービン 段数 4 段 全面フィルム冷却 TBC (Thermal Barrier Coating) 一方向凝固翼 3 次元翼型 **MCA: Multi Circular Arc MCA** 翼 圧縮機第 1 段動翼 燃焼器 第 1 段静翼 第 1 段動翼 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 8

9 G 型ガスタービン ローター 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 9

10 Best Gas-fired Project 受賞 当社の M701G2 プラントが Project of the Year Awards 2008 の Best Gas-fired Project( 本年度運開プラントの世界一 ) に選出 (Power Engineering 社主催 ) M701G2 ガスタービンを採用 C/C 効率 59.1% NOx CO2 排出量が少ないことが評価された (2008 年 12 月 1 日 ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 10

11 日本発の技術で CO2 削減に貢献 G 形ガスタービン技術 国家プロジェクト 1700 級高温ガスタービンの要素開発 国家プロジェクトと自社技術により開発完了 商用化に着手 世界最大出力 最高水準効率ガスタービン出力 : 約 32 万 kw コンバインド出力 : 約 46 万 kw 発電端熱効率 :60%(LHV) 以上 (60Hz 機,ISOベース) 窒素酸化物 (NOx) の発生も従来機と同レベル ~ 同規模の石炭焚き火力発電と比較し CO2 排出量を約 50% 低減可能 ( 当社比 )~ 平成 23 年度 (2011 年 ) 出荷案件からの商談に対応可能 日本から発信する最新技術で 世界の CO2 削減に貢献 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 11

12 今後の技術開発動向 ( カ スターヒ ンの更なる適用拡大 ) 1) 天然ガス焚コンバインドサイクル更なる高温化 / 高効率化 1700 級ガスタービン 熱効率 :62%LHV 以上 2) 燃料多様化による 発電コストの低減 石炭ガス化コンバインドサイクル (ⅠGCC) 3) 燃料電池を利用した 更なる高効率化 燃料電池 ハイブリッドコンバインドサイクル 4) 安全な原子力利用 原子力利用ヘリウムガスタービン (PBMR) 5) 自然エネルギーによる CO2 ゼロ発電 太陽熱ガスタービン 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 12

13 3. 高効率ガスタービンの要素技術 ガスタービンの技術進歩 3-1 高温化 - 燃焼技術低 NOx 化 - 冷却技術 - 材料技術 3-2 高効率化 - タービン空力技術 3-3 大容量化 - 圧縮機空力技術 3-4 製造技術 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 13

14 NOx 生成 サーマル NOx は理論的には 1500 以上で顕著に生成 NOx:9ppm 以下 1700 以下にガス温度抑制必要 25ppm 以下 1800 以下にガス温度抑制必要このため予混合燃焼とすることで 混合気の均一化 低温燃焼を達成 ppm15%o2 ) NOx 生成量 ( ) 25ppm 理論計算値 (Zeldovich 機構 ) 燃焼器出口平均ガス温度 ( ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 14

15 高温化と低 NOx 燃焼器開発の変遷 燃焼器出口ガス温度の上昇に対し NOx は指数関数的に上昇するが 新技術の適用により低 NOx 化を達成してきた 拡散燃焼器 マルチノズル 小形パイロット 蒸気冷却尾筒 世界初の排ガス再循環方式低 NO x 燃焼器 (2012) 国プロ 蒸気ターヒ ンカ スターヒ ン排カ スホ イラ 150 再循環送風機 再循環ライン 再循環冷却器 NOx (ppmv) 100 世界初の予混合式低 NOx 燃焼器燃焼器 (1984) (1984) HN3 HN3 F 形 マルチノズル 小形パイロット G 形 世界初の蒸気冷却式低 NOx 燃焼器 (1997) HN4 排ガス再循環方式 50 0 予混合燃焼器 J 形低 NOx 化低 NOx 化 タービン入口温度 1700 新コンセプト燃焼器 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 15

16 高性能冷却システム 高温化に対する冷却技術の役割 高温化に伴い冷却空気の増加が必要となりますが 高性能冷却方式を採用し 冷却空気の増加を抑制 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 16

17 高温化達成のための要素技術の役割 *1 *1)TBC: Thermal Barrier Coating 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 17

18 高温化と耐熱材料開発の変遷 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 18

19 低熱伝導率遮熱コーティング TBC の遮熱原理と TBC 施工翼の例 TBC のミクロ組織 0.1mm 0.3mm 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 19

20 高負荷 高性能タービンの開発 高温化に対するタービン高性能化の役割 効率 タービン出力比 最新の 3 次元設計 従来技術 高負荷高性能翼の開発 - 翼列試験 3 次元エンドウオール翼の開発 - 低速回転翼列試験による 2 次流れの現象解明 - シミュレーションによる 2 次流れ低減のコンセプト検討 - 高速回転翼列試験による高マッハ数域での性能向上量確認 高精度多段非定常流れ解析技術の検証 高温化に伴い出力増加 ( 高負荷化 ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 20

21 タービン空力設計技術の変遷 b r m z Shroud Hub 隙間流れを考慮した設計 多段非定常粘性三次元翼設計 上流翼の影響を高精度に考慮 G 型 技術レベル Meridional Flow Blade Blade to Blade Flow 準三次元翼設計 三次元翼設計 二次元翼面圧力分布の最適化 反動度分布の最適化 三次元翼面圧力分布の最適化 渦の抑制 多段粘性三次元翼設計 三次元粘性コードによる段損失の極小化 上流翼の影響を考慮した三次元設計 Year F 型 D 型 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 21

22 吸気流量 (kg/s) rpm 機吸気流量の比較 相対マッハ数 相対マッハ数 D F G J 相対マッハ数 MCA, CDA, NACA65C DCA, NACA65C MCA,CDA 前進スィーフ Bow 静翼 D F G J 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 22

23 高圧力比 高性能圧縮機 現状の技術と目標 前方段: 先進遷音速翼列の開発 中後方段 : 先進亜音速翼列の開発 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 23

24 精密鋳造翼 普通鋳造法と一方向凝固鋳造法及び単結晶鋳造法 普通鋳造法 (CC) : 加熱した鋳型に溶けた金属を流し込む方法 一方向凝固鋳造法 (DS): 鋳型を一定温度に加熱して金属を鋳型内部に溶けた状態で維持し, 一方向から凝固させて結晶成長方向をコントロールする方法 単結晶鋳造法 (SC) : DS の一方向に成長させた結晶から 1 個の結晶のみを成長させる方法 普通鋳造翼 (CC) 一方向凝固翼 (DS) 単結晶翼 (SC) ( CC: Conventional Casting, DS: Directionally Solidified, SC: Single Crystal 写真は当社で製作した最大の動翼サイス ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 24

25 Ni 基耐熱超合金の高精度加工 ~ 冷却穴加工 ~ 放電 / 電解加工 穴形状例 放電加工 (EDM) 電解加工 (ECM) 電解液 ( 硝酸 ) 冷却穴加工部位 of 灯油の流れ 電極灯油 kerosene 電極 -( 陰極 ) 工作物 +( 陽極 ) Ni 2+ Ni 2+ 放電 硝酸電解加工模式図 加工対象部位 (G 形タービン 1 段動翼 ) 工作物と電極間に電解液を流し, 電圧を加え放電による熱で金属を溶かして加工する ることで工作物を溶解させて加工 様々な形状の冷却穴加工が可能 長距離穴加工向 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 25

26 高密度エネルギー加工 ~ 動静翼への溶接 穴あけ ~ レーザー溶接 動翼チッププラグのレーザー溶接 難溶接材の Ni 基超合金に対し, レーザーを用いて HAZ 割れを抑えた溶接を実施する 静翼翼面の高速穴あけ加工 レーザーを用いて,10sec/ 穴の高速穴あけ加工を行う 溶接部 ( チッププラグ ) ビード断面 1mm ( バックプロテクトが必須のため, ターヒ ン動翼は放電加工で穴あけを行います ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 26

27 石炭ガス化 IGCC 空気吹き IGCC 開発の変遷 石炭ガス化複合発電 (IGCC) 技術は 実証段階を終えて 次期商用機を計画中 t/ 日 (250MW) 実証機 (CCP 研究所 ) 2 倍 3000t/ 日 (500MW) 級商用機 倍 石炭処理量 ( t/ 日 ) t/ 日ハ イロットフ ラント ( 常磐共火 ( 株 ) 勿来 P/S) 2t/ 日 PDU ( 電中研横須賀 ) スケールアッフ 100 倍 24t/ 日試験設備 ( 弊社長崎研究所 ) 勿来での 250MW IGCC 実証試験の成功 2008 年 3 月初旬に 100% 負荷到達 2008 年 9 月に 2,000 時間の連続運転達成 PDU : Process Development Unit 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 27

28 目的発電プラントとしての信頼性の確認 出力 250MW 級 仕様ガス化炉空気吹き乾式給炭ガスタービン 1,200 級ガス精製湿式 ( アミン系溶液 ) 送電端効率 (HHVヘ ース)40.5% (LHVヘ ース) 42% ( 商用機 :46~48%) 実証試験期間 H19 年 ~H21 年度 勿来 250MW IGCC 実証機 排熱回収ボイラ ガスタービン / 蒸気タービン ガス化炉 ガス精製 年度 設計製作 / 据付実証試験 2,000 時間連続運転を成功裏に終了 (2008 年度 ) 5,000 時間耐久性運転を実施中 (2009~10 年度 ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 28

29 BFG( 高炉ガス ) 焚 GTCC 高炉ガス : 製鉄プロセスにおいて鉄鉱石とコークスを還元反応させる際に付随的に得られる低カロリーのガス ( 天然ガスの約 1/10) 150MW 級約 50 m 300MW 級約 60 m アジア地区を中心とした戦略的拡販 インド 中国 韓国 日本 世界最大の BFG 焚き GTCC(M701F 適用 ) 君津共同火力 2004 年運開 25 順調な受注の伸び 3, Unit NOS. 20 Capacity 2,000 1,000 Total Capacity (MW) Year ( 出展 : 当社予想 ) 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 29

30 開発の狙い 分散型電源としての小型原子力発電及び複数モシ ュール設置による大容量化対応 電気出力 / 熱出力 165MWe/400MWt 原子炉出入口温度 約 900 C/ 約 500 原子炉圧力 約 9MPa 原子炉圧力容器 約 φ6m 約 20mH 燃料形式 ベブルベッド型 原子力 PBMR の概要 特徴 核 化学的に安定なヘリウム冷却材 ( 放射化せず ) セラミクス被覆粒子燃料により炉心溶融なし 格納容器なし ( セラミクス被覆が FP 格納機能を有す ) 球状燃料約 60mmφ 被覆燃料粒子約 0.92mmφ 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 30

31 燃料電池事業用大規模 SOFC 複合発電システム 800MW 級 SOFC 複合発電システム (2020~) 天然ガス (NG) インバータ SOFC 330MW 蒸気タービン (S/T) 170MW 復水器 ガスタービン (G/T) MW 450 空気 630 排熱回収ボイラ 排ガス ヒートバランス例 SOFC+G/T+S/T 複合発電プラント鳥瞰図 システム出力 840MW 発電効率 ( 送電端 ) 70%-LHV 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 31

32 特徴 高効率 ( 総合効率 30% 以上 ) 発電コスト低 発電に水が不要 Comp 太陽熱発電太陽熱 GT 発電の概要 Turbine Heliostats Field Area 200,000m 2 Tower Height Max. Temp GT Power タワー 110m degc タワー上部 10MW G Receiver 受熱器 GT Recuperator 受熱器 ヘリオスタット 反射光 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します 32

33 当資料に関するあらゆる著作物 知的財産は三菱重工業株式会社に帰属します

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