世界初の1600℃級Ｊ形ガスタービンの実証発電設備における検証試験結果,三菱重工技報 Vol.49 No.1(2012)

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1 新 製 品 新 技 術 特 集 技 術 論 文 19 世 界 初 の 1600 級 M501J ガスタービンの 実 証 発 電 設 備 における 検 証 試 験 結 果 Verification Results of World First 1600 J Class Gas Turbine *1 羽 田 哲 *2 塚 越 敬 三 Satoshi Hada Keizo Tsukagoshi *3 正 田 淳 一 郎 *4 伊 藤 栄 作 Junichiro Masada Eisaku Ito ガスタービンコンバインドサイクル 発 電 は, 再 生 可 能 エネルギーと 共 存 する 最 もクリーンで 経 済 的 な 火 力 発 電 設 備 として, 長 期 的 な 市 場 拡 大 が 予 想 されている. 当 社 では, 更 なる 高 性 能 化 の ために 国 家 プロジェクト 1700 級 超 高 温 ガスタービン 要 素 技 術 開 発 で 得 られた 最 新 技 術 の 一 部 をいち 早 く 適 用 し, 世 界 初 の 1600 級 J 形 ガスタービンの 開 発 に 成 功 した.60Hz 向 M501J ガ スタービンは, 当 社 高 砂 製 作 所 内 にある 実 証 設 備 複 合 サイクル 発 電 所 (T 地 点 )にて,2011 年 2 月 から6 月 まで 試 運 転 を 行 った 後, 長 期 信 頼 性 実 証 運 転 を 継 続 している.M501J 形 商 用 機 は, 関 西 電 力 ( 株 ) 姫 路 第 二 発 電 所 に 向 けて 既 に 出 荷 され,2013 年 10 月 から 営 業 運 転 を 開 始 する 予 定 で ある. 本 稿 では,M501J 形 の 特 徴 を 紹 介 するとともに,T 地 点 における M501J 形 初 号 機 の 実 機 検 証 試 験 の 結 果 について 紹 介 する. 1. はじめに ガスタービンコンバインドサイクル 発 電 (GTCC)は, 化 石 燃 料 を 使 用 する 最 もクリーンかつ 高 効 率 な 発 電 設 備 であり, 以 下 に 示 すように 社 会 経 済 面 の 期 待 が 大 きい. 1 長 期 的 な 展 望 として GTCC の 世 界 市 場 は 更 に 成 長 する 2 新 興 国 の 電 力 基 盤 整 備 では 短 納 期 で 安 定 した 電 力 供 給 が 可 能 な GTCC の 需 要 が 大 きい 3 先 進 国 では 経 済 性 と 環 境 適 合 性 をより 一 層 高 めるための 高 効 率 化 が 必 要 となる 4 再 生 可 能 エネルギーの 普 及 に 伴 い, 優 れた 負 荷 追 従 能 力 を 持 つ GTCC の 要 望 が 高 まる 当 社 は,1980 年 代 に 1150 級 大 容 量 ガスタービン M701D 形 を 開 発 し, 天 然 ガス 焚 きコンバイ ンドサイクル 発 電 プラントである 東 北 電 力 ( 株 ) 東 新 潟 火 力 発 電 所 3 号 系 列 において, 高 いプラン ト 熱 効 率 と 信 頼 性 および 低 公 害 性 を 実 証 した.その 後 1989 年 にタービン 入 口 温 度 1350 の M501F 形,1997 年 に 蒸 気 冷 却 式 燃 焼 器 を 採 用 したタービン 入 口 温 度 1500 の M501G 形 を 開 発 し, 効 率 向 上 および 信 頼 性 向 上 に 取 り 組 んできた. 当 社 では,ガスタービンの 更 なる 高 効 率 化 を 目 指 し,2004 年 から 国 家 プロジェクト 1700 級 超 高 温 ガスタービン 要 素 技 術 開 発 に 参 画 し, 高 温 高 効 率 化 に 必 要 となる 最 新 技 術 の 開 発 に 取 り 組 んできた.その 開 発 成 果 を 活 用 して, 世 界 初 のタービン 入 口 温 度 1600,コンバインドサイクル 発 電 端 熱 効 率 61.5%(ISO 標 準 条 件,LHV ( 低 位 発 熱 量 ) 基 準 ) 以 上 も 達 成 可 能 となる M501J 形 を 開 発 した( 図 1).また,50Hz 向 にスケール 設 計 の M701J 形 を 開 発 中 である. 本 稿 では,M501J 形 の 特 徴 を 紹 介 するとともに,2011 年 2 月 より 当 社 高 砂 製 作 所 敷 地 内 にある T 地 点 にて 実 施 した M501J 形 初 号 機 の 実 機 検 証 試 験 の 結 果 について 紹 介 する. *1 原 動 機 事 業 本 部 ガスタービン 技 術 部 工 博 *2 原 動 機 事 業 本 部 技 監 技 師 長 *3 原 動 機 事 業 本 部 ガスタービン 技 術 部 部 長 *4 技 術 統 括 本 部 高 砂 研 究 所 次 長 工 博

2 20 図 1 当 社 ガスタービン(60Hz 機 )の 効 率, 出 力 の 変 遷 2. M501J ガスタービンの 特 徴 M501J 形 は, 豊 富 な 運 転 実 績 のあるタービン 入 口 温 度 1400 級 F 形,1500 級 G 形 H 形 で 実 証 済 みの 要 素 技 術 を 集 大 成 するとともに, 国 家 プロジェクトで 開 発 された 1700 級 の 最 先 端 の 技 術 開 発 の 成 果 を 適 用 することにより,タービン 入 口 温 度 1600 のガスタービンとして 開 発 され た( 図 2).タービン 入 口 温 度 上 昇 および 最 新 の 要 素 技 術 を 採 用 することにより,コンバインドサイ クル 発 電 端 熱 効 率 は 従 来 機 と 比 べて 大 きく 上 昇 し,61.5%(LHV 基 準 ) 以 上 も 達 成 可 能 となる ( 図 3, 表 1). 天 然 ガス 焚 き J 形 コンバインドサイクル 発 電 所 の CO 2 排 出 量 は, 従 来 型 石 炭 焚 き 火 力 発 電 所 と 比 較 して, 約 6 割 の 低 減 することが 可 能 である. 図 2 M501J 形 ガスタービンコンセプト 図 3 M501J 形 ガスタービン 特 徴 表 1 J 形 ガスタービン 性 能 型 式 M501G M501J タービン 入 口 温 度 回 転 数 3 600rpm 3 600rpm GT 出 力 ( 発 電 端 ) 267MW 327MW CC 出 力 ( 発 電 端 ) 399MW 470MW CC 効 率 ( 発 電 端,LHV,ISO ベース) 58% 以 上 61.5% 以 上 圧 縮 機 / 圧 力 比 17 段 /20 15 段 /23 燃 焼 器 16 缶 16 缶 タービン 1~4 段 動 翼 空 気 冷 却 1~3 段 動 静 翼 空 気 冷 却 1~3 段 静 翼 空 気 冷 却 4 段 動 静 翼 無 冷 却 4 段 静 翼 無 冷 却 2.1 全 体 構 造 M501J 形 の 基 本 構 造 は, 実 績 のある F 形,G 形 をベースとした 設 計 としており,1 発 電 機 との 接 続 は, 熱 伸 びなどの 影 響 が 小 さく,フレキシブルカップリングなどが 不 要 な 圧 縮 機 軸 端 駆 動 方 式, 2ロータは, 圧 縮 機 側 軸 受 とタービン 側 軸 受 に 支 えられた2 軸 受 構 造,3コンバインドサイクルプ ラントの 配 置 に 最 適 な 軸 流 排 気 タービン,4 圧 縮 機 ロータは,トルクピンを 挟 んだディスクをボルト 結 合 し,タービンロータはカービックカップリングを 持 つディスクをボルトで 結 合 し,トルクを 確 実 に 伝 えるロータ 構 造,などの 特 徴 を 継 承 している.

3 2.2 圧 縮 機 三 菱 重 工 技 報 Vol.49 No.1 (2012) M501J 形 圧 縮 機 は, 圧 力 比 23 の 15 段 軸 流 方 式 であり, 圧 力 比 25 の H 形 圧 縮 機 の 技 術 をも とに 設 計 された. 性 能 向 上 のために,3 次 元 先 進 設 計 を 適 用 し, 前 方 段 の 衝 撃 波 損 失 低 減 およ び 中 後 方 段 での 摩 擦 損 失 を 低 減 している.このコンセプトは3 次 元 CFD にて 評 価 後, 実 機 スケー ルモデルの 高 速 試 験 圧 縮 機 (HSRC)( 図 4)にて 検 証 を 行 った. 図 5に3 次 元 CFD での 解 析 結 果 の 一 例 を 示 す.また, 圧 縮 機 の 起 動 中 は, 低 圧 中 圧 高 圧 の3 段 から 抽 気 が 行 われ, 入 口 案 内 翼 (IGV)と 前 方 3 段 の 可 変 静 翼 (VV)を 制 御 することにより, 起 動 中 の 旋 回 失 速 の 発 生 を 抑 え,か つコンバインドサイクルプラントの 部 分 負 荷 性 能 の 改 善 を 図 っている. 2.3 燃 焼 器 M501J 形 燃 焼 器 は,G 形 にて 実 績 のある 回 収 型 蒸 気 冷 却 方 式 を 採 用 した.タービン 入 口 温 度 は G 形 の 1500 から 1600 に 100 上 昇 しているが, 燃 料 と 空 気 のより 均 質 な 混 合 を 目 的 とし た 燃 焼 器 ノズルの 改 良 ( 図 6)により, 燃 焼 領 域 の 局 所 火 炎 温 度 を 低 減 するなどの 低 NOx 化 技 術 を 適 用 し,G 形 と 同 等 レベルの NOx 排 出 濃 度 に 抑 えている. 燃 焼 器 は, 気 流 試 験, 大 気 圧 燃 焼 試 験, 高 圧 燃 焼 試 験 にて 性 能 および 信 頼 性 を 検 証 し, 詳 細 設 計 に 反 映 している. 21 図 5 圧 縮 機 の 壁 面 近 傍 の 流 れ(3 次 元 先 進 設 計 の 効 果 ) 図 4 高 速 試 験 圧 縮 機 (HSRC) 外 観 図 6 燃 焼 器 ノズル 周 りの 改 良 2.4 タービン M501J 形 タービンは, 軸 流 形 4 段 の 高 負 荷 高 性 能 タービンである. 性 能 向 上 のために,G 形 で 採 用 してきた 完 全 3 次 元 設 計 に 加 え, 流 れ 場 の 干 渉 や 翼 前 縁 からの 馬 蹄 渦 の 影 響 などを 考 慮 し,エンドウォール 部 で 発 生 する 二 次 流 れを 抑 制 する3 次 元 エンドウォール 形 状 を 採 用 した.G 形 からの 温 度 上 昇 に 対 しては, 国 家 プロジェクト 1700 級 ガスタービンにて 開 発 された 技 術 を 適 用 することで, 従 来 機 並 のメタル 温 度 を 保 つことが 可 能 となった.ガス 温 度 100 上 昇 のうち, 高 性 能 冷 却 技 術 により 約 50, 先 進 遮 熱 コーティング(TBC)により 約 50 のガス 温 度 に 対 応 している ( 図 7). 図 7 タービン 入 口 温 度 1600 実 現 のための 要 素 技 術

4 タービン1~4 段 動 翼 および1~3 段 静 翼 には 空 冷 翼 を 採 用 している.G 形 の4 段 動 翼 は 無 冷 却 翼 であったが,J 形 ではタービン 入 口 温 度 上 昇 に 伴 い 冷 却 翼 とした. 翼 材 料 は, 動 翼 に MGA1400(Mitsubishi Gas Turbine Alloy 1400), 静 翼 に MGA2400 を 採 用,1~3 段 動 翼 は 一 方 向 凝 固 翼 (DS)としている.なお,MGA1400/2400 は 既 に F 形,G 形 にも 採 用 している. 図 8のとおり 冷 却 構 造 は,F 形,G 形 と 年 々 高 度 化 され,J 形 は 先 述 のとおり 国 家 プロジェクトに て 開 発 された 高 性 能 フィルム 冷 却 や 先 進 TBC を 採 用 している. 高 性 能 フィルム 冷 却 については, 平 板 での 要 素 試 験 にて 最 適 なフィルム 形 状 を 絞 込 み, 大 型 低 速 回 転 試 験 や 中 圧 翼 列 試 験 にて フィルム 効 率 の 検 証 ( 図 9,10)を 実 施 した. 高 性 能 フィルム 冷 却 や 先 進 TBC は,T 地 点 M501G 形 のタービン 翼 に 施 工 され, 特 殊 計 測 により 有 効 性 を 確 認 し, 長 期 実 機 検 証 を 実 施 した.これらの 試 験 結 果 を 反 映 して J 形 のタービン 翼 は 設 計 され, 実 圧 高 温 翼 列 試 験 を 実 施 後,M501J 形 初 号 機 にて 最 終 検 証 を 行 った. 22 図 8 タービン 冷 却 構 造 の 変 遷 図 9 回 転 試 験 装 置 概 要 3. T 地 点 実 証 発 電 設 備 での 検 証 試 験 結 果 図 10 回 転 試 験 装 置 に よるフィルム 効 率 計 測 結 果 M501J 形 の 開 発 においては, 基 本 設 計 段 階 において 各 要 素 の 検 証 試 験 を 実 施 し,その 結 果 を 詳 細 設 計 に 反 映 し, 最 終 的 に 実 証 発 電 設 備 にて 実 機 検 証 を 実 施 後, 商 用 機 を 製 作 している. 図 11は, 当 社 高 砂 製 作 所 内 にあるガスタービン 複 合 サイクル 発 電 プラント 実 証 設 備 (T 地 点 ) の 外 観 である.T 地 点 は,M501G ガスタービン, 蒸 気 タービン, 排 熱 回 収 ボイラ(HRSG)を 備 えた 実 証 設 備 複 合 サイクル 発 電 所 として 建 設 され,1997 年 1 月 から 2010 年 10 月 まで 時 間, 起 動 回 数 2301 回 の 運 転 を 行 い,M501G 形 の 性 能 向 上 および 信 頼 性 向 上 に 大 きく 貢 献 した 年 10 月 より M501G 形 から M501J 形 への 換 装 工 事 を 実 施 し,2011 年 2 月 より M501J 形 初 号 機 の 試 運 転 を 開 始 した. 試 運 転 は 予 定 どおり 進 められ,2 月 2 日 の 初 スピン,7 日 に 初 着 火,そ の 後 7 回 の 起 動 でタービン 入 口 温 度 1600 に 到 達 した.その 後 4 月 末 まで 各 種 試 験 を 行 い, 開 放 点 検 を 実 施, 各 部 品 の 健 全 性 が 確 認 された.7 月 より 長 期 信 頼 性 実 証 運 転 を 行 っており,2011 年 12 月 末 時 点 で 起 動 回 数 58 回, 運 転 時 間 3540 時 間 に 達 している( 図 12). 以 下, 特 殊 計 測 概 要 および 各 要 素 の 検 証 結 果 について 述 べる.

5 23 図 11 三 菱 高 砂 製 作 所 実 証 設 備 複 合 サイクル 発 電 所 ( 通 称 :T 地 点 ) 図 12 T 地 点 における M501J 試 運 転 実 績 3.1 特 殊 計 測 概 要 T 地 点 に 設 置 された M501J 形 には, 各 部 品 の 健 全 性 最 終 確 認 のために, 通 常 監 視 項 目 に 加 えて, 回 転 部 を 監 視 する 約 100 点 を 含 めて 合 計 2300 点 以 上 の 特 殊 計 測 用 センサを 取 り 付 け,デ ータを 取 得 した. 3.2 圧 縮 機 圧 縮 機 は, 起 動 特 性 および 動 静 翼 の 信 頼 性 を 確 認 するため, 動 静 翼 の 固 有 振 動 数 振 動 応 力 や 圧 力 変 動 の 計 測 を 実 施 した. 起 動 時 の 旋 回 失 速 は 約 60% 回 転 数 にて 消 滅 するなど, 良 好 な 起 動 特 性 を 確 認 した( 図 13).また, 各 IGV 角 度 での 圧 縮 機 効 率 および 吸 気 流 量 の 計 測 を 実 施 し, 所 定 の 性 能 が 得 られることを 確 認 した. 図 13 圧 縮 機 起 動 特 性 3.3 燃 焼 器 燃 焼 器 においては,メタル 温 度, 振 動 応 力, 圧 力 変 動 の 計 測 を 実 施 した.タービン 入 口 温 度 1600 の 運 転 において, 燃 焼 筒 メタル 温 度 は 許 容 温 度 以 下 であることを 確 認 した( 図 14).また, 燃 焼 振 動, 振 動 応 力 についても 許 容 範 囲 内 であることを 確 認 した. 3.4 タービン タービン 動 静 翼 に 熱 電 対 を 取 り 付 けてメタル 温 度 計 測 を 実 施 した. 動 翼 については,テレメー タを 使 用 して,メタル 温 度 を 計 測 し,1600 運 転 においても 許 容 メタル 温 度 以 下 であることを 確 認 した. 例 として 図 15にタービン1 段 静 翼 の 翼 面 メタル 温 度 分 布 を 示 す.また,タービン1 段 動 翼 の 翼 面 およびプラットフォームについては,パイロメータを 使 用 して 表 面 メタル 温 度 分 布 計 測 を 実 施 した. 動 翼 プラットフォームのメタル 温 度 計 測 例 を 図 16に 示 す. 動 翼 の 固 有 振 動 数 に 関 しては, 全 運 転 範 囲 にて 主 要 な 励 振 源 に 対 して 離 調 できていることを 確 認 し, 振 動 応 力 についても 許 容 応 力 以 下 であり, 問 題 ないことを 確 認 した. 3.5 開 放 点 検 結 果 2011 年 6 月 までの 試 運 転 時 に,ガスタービンの 開 放 点 検 を 実 施 し, 図 17に 示 すとおり 各 部 品 の 健 全 性 を 確 認 した 後,7 月 からの 長 期 実 証 運 転 を 開 始 した.さらに 夏 期 の 長 期 信 頼 性 実 証 運 転 後,2011 年 10 月 にタービン, 燃 焼 器 点 検 を 実 施 し 健 全 性 を 確 認 した.その 後 現 在 も 長 期 信 頼 性 実 証 運 転 を 継 続 中 である.

6 24 図 14 タービン 入 口 温 度 1600 での 燃 焼 筒 メタル 温 度 図 15 タービン1 段 静 翼 翼 面 メタル 温 度 計 測 結 果 図 16 パイロメータによる タービン1 段 動 翼 プラット フォームメタル 温 度 分 布 計 測 結 果 図 17 開 放 点 検 結 果 4. まとめ ガスタービンコンバインドサイクル 発 電 (GTCC)は 化 石 燃 料 を 使 用 する 最 もクリーンかつ 高 効 率 な 発 電 設 備 として, 社 会 経 済 面 での 期 待 が 大 きい. 当 社 は, 発 電 端 熱 効 率 62~65%(LHV)の コンバインドサイクル 発 電 を 目 指 した 国 家 プロジェクト 1700 級 超 高 温 ガスタービン 要 素 技 術 開 発 に 参 画 し,ここで 開 発 された 最 新 要 素 技 術 の 成 果 を 即 時 適 用 して, 世 界 初 の 1600 級 J 形 ガ スタービンを 開 発 した.M501J ガスタービン 初 号 機 は 2011 年 2 月 から 当 社 複 合 発 電 設 備 にて 実 機 検 証 試 験 を 行 い, 無 事 試 運 転 を 完 了 した. 今 後, 発 電 端 熱 効 率 61.5%(LHV 基 準 ) 以 上 を 達 成 する J 形 ガスタービンコンバインドサイクル 発 電 の 普 及 を 通 じて,CO 2 排 出 量 低 減 および 電 力 の 安 定 供 給 に 貢 献 する 所 存 である. 参 考 文 献 (1) 梅 村 直 ほか, 最 新 鋭 1500 級 ガスタービンの 開 発 運 転 状 況, 三 菱 重 工 技 報,Vol.35 No. 1 (1998) p.2~5 (2) 伊 藤 栄 作 ほか, 超 高 温 ガスタービンの 要 素 技 術 の 開 発, 三 菱 重 工 技 報,Vol.47 No.1 (2010) p.25~30 (3) 伊 藤 栄 作 ほか, 超 高 温 ガスタービンの 要 素 技 術 の 開 発, 三 菱 重 工 技 報,Vol.48 No.3 (2011) p.2 ~7 (4) Hada, S. et al., Evolution and Future Trend of Large Frame Gas Turbine for Power Generation A new 1600degree C J class gas turbine, IGTC, IGTC