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
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
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 50 40 30 20 10 再熱サイクル採用 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 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
タービン入口温度の高温化 1600 J タービン入口温度 ( ) 1500 1400 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 1990 1995 2000 2005 2010 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
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
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 ( ) 1600 1500 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-111 1200 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 1100 59.0 M701D 60 57.0 度54.4 機械駆動用 2 軸 GT 効1000 M701B 48.8 50 MW-252 率(LHV, %) 900 800 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 38.2 36 M501F3/701F3 M501F/701F 39.5 1700 級要素技術開発国家プロジェクト 40.0 超 40 30 1960 1970 1980 1990 2000 2010 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
C/C 効率 (LHV%) 60 55 50 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) 600 500 400 300 200 100 G/T: ガスタービン単体 C/C: コンバインド ( 一軸式 ) 60Hz 50Hz 670 498 460 460 450 399 334 50Hz 320 303 285 60Hz 267 C/C 213 185 167 G/T 144 114 1100 1200 1300 1400 1500 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
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
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
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
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
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
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
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
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) 1700 1700 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 1150 1400 1500 1600 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
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
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
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
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
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 1.01 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.9 1 1.1 1.2 1.3 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
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 1970 1980 1990 2000 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
吸気流量 (kg/s) 1000 500 0 3600rpm 機吸気流量の比較 相対マッハ数 相対マッハ数 D F G J 1.5 1.0 0.5 0.0 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
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
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
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
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
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 5000 1700t/ 日 (250MW) 実証機 (CCP 研究所 ) 2 倍 3000t/ 日 (500MW) 級商用機 1000 500 8.5 倍 石炭処理量 ( t/ 日 ) 100 50 10 5 200t/ 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 1 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 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
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 2001 2001 年度 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 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
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 3,000 20 15 10 25 Unit NOS. 20 Capacity 2,000 1,000 Total Capacity (MW) 5 15 1990 1995 2000 2005 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
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
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) 1500 340MW 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
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 850-900 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
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