三 菱 日 立 パワーシステムズ 特 集 製 品 紹 介 10 世 界 最 大 級 高 効 率 2 軸 型 ガスタービン(H-100) World's Largest Class High-Efficiency Dual-Shaft H-100 Gas Turbine 三 菱 日 立 パワーシステムズ( 株 ) エンジニアリング 本 部 電 力 計 画 部 ガスタービン 技 術 本 部 日 立 ガスタービン 技 術 部 H-100 ガスタービンは,その 高 効 率 が 認 知 され, 既 設 旧 型 ガスタービンのリプレース 用 として, 既 存 の 発 電 プラントの 効 率 向 上 を 目 的 とするお 客 様 に 採 用 されてきた また,2 軸 機 の 特 徴 を 生 かし, 発 電 用 以 外 にも 機 械 駆 動 用 のドライバーとしての 用 途 にも 適 することから 大 型 LNG プラント への 適 用 について 検 討 を 行 っている また 更 なる 高 効 率 化 の 実 現 により, 最 近 では 新 設 発 電 用, 既 設 リプレース 用, 機 械 駆 動 用 として 広 くユーザの 期 待 に 応 えられる 製 品 となってきている な お,H-100 ガスタービンは, 既 設 プラントのリプレースプロジェクトにおいて,その 認 可 出 力 から 約 80MW での 運 用 となったため,H-80 の 名 称 を 用 いてきたが,ガスタービン 定 格 出 力 100MW クラ スに 合 わせ, 名 称 を H-100 に 変 更 した 1. はじめに H-100 ガスタービンは, 建 設 から 約 20 年 を 経 過 した 1100 級 ガスタービンをリプレースし, 既 存 の 発 電 プラントの 効 率 向 上 及 び CO 2 排 出 削 減 のために 開 発 され,2010 年 に 初 号 機 が 営 業 運 転 を 開 始 した 2015 年 3 月 までに10 台 が 営 業 運 転 を 開 始 し, 累 積 運 転 時 間 は 207000 時 間 に 到 達 した 一 方, 更 なる 高 効 率 化, 高 出 力 化 及 び 燃 料 多 様 化 のニーズにも 応 えるべく, 開 発 を 進 め ている 更 に 高 圧 ローターと 低 圧 ローターが 分 離 している2 軸 機 の 特 徴 から, 機 械 駆 動 用 のドライ バーにも 適 しており, 大 型 LNG プラントへの 適 用 について 検 討 を 進 めている 2. H-100 ガスタービンの 開 発 H-100 ガスタービンの 開 発 に 当 たっては, 既 設 コンバインドプラントの 性 能 向 上 をガスタービン 設 備 のみで 実 現 するということで 以 下 の 条 件 を 考 慮 する 必 要 があった (1) 排 熱 回 収 ボイラ(HRSG), 蒸 気 タービンを 流 用 するため, 排 気 温 度 と 排 気 流 量 を 既 設 と 同 等 とする (2) リプレース 工 事 を 必 要 最 小 限 とするため, 既 設 のガスタービンの 設 置 スペースに 収 まるサ イズであること 上 記 の 条 件 を 満 たすガスタービンとして, 以 下 のコンセプトにて 新 たなガスタービンの 設 計 を 行 った (1) 性 能 向 上 のため, 燃 焼 温 度 を 既 設 のガスタービンの 1100 級 から 1300 級 に 上 げると 同 時 に, 排 気 温 度 を 既 設 と 同 等 とするため, 空 気 圧 縮 機 の 圧 力 比 を 12 から 17 に 高 めた (2) 空 気 圧 縮 機 は 既 存 の 空 気 圧 縮 機 をベースに 比 例 拡 大 設 計 することとしたが, 排 気 流 量 を 合 わせる 必 要 があり, 風 量 がマッチする 回 転 数 4580rpm を 採 用 した
三菱重工技報 Vol.52 No.2 (2015) 11 (3) 発電機は系統周波数 60Hz 3600rpm とする必要があるが 減速機を用いる方法では配 置上成立しないため タービンを高圧と低圧に分け 高圧側を空気圧縮機と同じ 4 580rpm 低圧側を発電機と同じ 3600rpm とする２軸構成を採用した 図１に今回リプレースを行った範囲を示す 図１ リプレースの範囲 改造範囲をガスタービン設備だけの最小範囲とし 他の機器は流用しながらコンバイ ンドプラントの効率 性能向上を図っている H-100 ガスタービンは 全世界に 150 台以上の出荷実績のある 30MW 級 H-25 ガスタービンを ベースに比例拡大にて設計されたヘビーデューティ形としては世界最大容量の２軸型ガスタービ ンである 空気圧縮機は圧力比 17 に対応した 17 段の軸流空気圧縮機で 低負荷域での可変速運転に 対応している 燃焼器 タービンといった高温部品の設計は H-25 ガスタービンの比例拡大を基本 に類似構造を採用することで信頼性を確保している また同時に最新の技術を適用することによ り 性能の向上を図っている 燃焼器は多缶式 10 缶で H-25 ガスタービン等で実績のある乾式低 NOx 燃焼器を採用し環境 に配慮している 燃焼温度は 1300 級である タービンは軸流式で２軸型４段 高圧側２段 低圧側２段 の構成としている 出力は 101.1MW ガスタービンの単体効率は 37.7 LHV: Lower Heating Value であり ヘビ ーデューティ型のガスタービンとしては 同クラスでトップクラスの効率となっている 図２に H-100 ガスタービンの断面図と上半ケーシングを開放した写真を示す 図２ H-100 ガスタービン ヘビーデューティ型２軸型ガスタービンとしては 世界最大級の容量を有するガスタービンである 2009 年１月より工場試験を開始し 性能 設計検証を行った 現地の試運転は 2009 年 10 月よ り開始され 既設に比べ相対値でプラント効率約８ の向上を確認した 環境性能についても 従来の NOx に対して大幅な低減を実現した また 既設の流用機器 蒸気タービン 排熱回収ボ イラ とのマッチングの確認 調整を行い プラントとしての運用や信頼性に問題が無いことを確認 した 表１にガスタービンリプレース後の性能を示すが 当初計画以上の性能向上を達成してい る
12 表 1 リプレース 後 のプラント 性 能 リプレース 前 リプレース 後 計 画 値 計 画 値 実 機 プラント 出 力 115MW 115MW 116.53MW (7 ) (28 ) (28 ) 出 力 増 加 量 ベース +13.5%( 相 対 値 ) +15.0%( 相 対 値 ) プラント 効 率 43.0%HHV 47.7%LHV (15 値 ) 46.3%HHV 51.3%LHV (15 値 115MW 時 ) 46.4%HHV 51.4%LHV (15 値 115MW 時 ) 効 率 向 上 量 ベース +7.7%( 相 対 値 ) +7.9%( 相 対 値 ) HHV: Higher Heating Value, LHV: Lower Heating Value 3. 高 出 力 化, 高 効 率 化, 燃 料 多 様 化 H-100 シリーズには,H-100(100)と H-100(110)の2タイプがあり,その 基 本 仕 様 を 表 2に 示 す 第 2 項 で 説 明 した H-100(100)については,60Hz 地 域 でのガスタービンをリプレースすることを 主 目 的 に 開 発 を 行 い 運 転 実 績 を 積 み 重 ねてきたが,50Hz 地 域 での 1100 級 ガスタービンのリプ レースニーズ 及 び 150-300MWGTCC クラスでの 更 なる 高 出 力, 高 効 率 化 を 目 指 し,H-100(110) の 開 発 を 進 めている H-100(110)は,H-100(100)に 比 べ, 空 気 圧 縮 機 風 量 及 び 燃 焼 温 度 の 増 加,また 低 圧 タービ ン 翼 を 最 適 化 させること 等 により,60Hz 機 の 場 合, 定 格 出 力 で 約 +15% 向 上 の 116.2MW,シンプ ルサイクル 効 率 で 相 対 値 約 3% 向 上 の 38.8%(LHV)となる コンバインドサイクルでは, 150-300MW クラスにおいてトップレベルの 効 率 となる H-100(110)の 性 能 信 頼 性 検 証 については,2015 年 末 より 工 場 試 験 を 実 施 する 計 画 である H-100(110)により 50Hz の 同 容 量 クラスの 1100 級 ガスタービンのリプレースを 行 った 場 合, 試 算 結 果 としてプラント 効 率 が 約 10% 向 上 する また, 大 崎 クールジェンプロジェクト 向 けに H-100(100)を 2014 年 に 出 荷 済 みであり,2016 年 よ り 現 地 試 運 転 を 開 始 する 予 定 である 本 プロジェクトは 酸 素 吹 きの IGCC プロジェクトであり, 高 水 素 濃 度 の 石 炭 ガスをガスタービンで 燃 焼 させる 従 来 の 技 術 では 拡 散 燃 焼 器 に 窒 素, 水 又 は 蒸 気 等 の 希 釈 剤 を 用 いて 低 NOx 化 を 図 るものであったが, 本 プロジェクト 向 けには 希 釈 剤 を 用 い ず, 低 NOx 化 を 図 ることができるマルチクラスタ 燃 焼 器 を 採 用 した 表 2 H-100 シリーズガスタービン 基 本 仕 様 項 目 H-100(100) H-100(110) 50Hz 60Hz 50Hz 60Hz 形 式 ヘビーデューティ 形 2 軸 式 圧 縮 機 軸 流 式 17 段 燃 焼 器 多 缶 式 10 缶 タービン 軸 流 式 4 段 ( 高 圧 2 段 + 低 圧 2 段 ) 出 力 99.1MW 101.1MW 112.4 MW 116.2MW 効 率 36.7%(LHV) 37.7%(LHV) 38.2%(LHV) 38.8%(LHV) 定 格 回 転 数 4 580/3 000rpm 4 580/3 600rpm 4 580/3 000rpm 4 580/3 600rpm 1 on 1 出 力 143.2MW 143.5MW 157.0MW 163.7MW コンバインド サイクル 性 能 効 率 53.5%(LHV) 53.9%(LHV) 54.4%(LHV) 55.1%(LHV) 2 on 1 出 力 288.1MW 288.7MW 317.3MW/322.8MW 330.4MW/337.0MW コンバインド サイクル 性 能 効 率 53.8%(LHV) 54.2%(LHV) 55.0%(LHV)/55.9%(LHV) 55.6%(LHV)/56.7%(LHV) 再 熱 三 重 圧 仕 様
13 4. 機 械 駆 動 用 への 適 用 H-100 は2 軸 のガスタービンであり, 発 電 用 のみならず 機 械 駆 動 用 のドライバーとしての 適 用 が 可 能 である 特 に 駆 動 軸 である 低 圧 タービンは 70~105% 速 度 にて 可 変 であり, 現 在 は LNG プラ ントにおける 主 冷 却 系 の 圧 縮 機 駆 動 用 ドライバーへの 適 用 について 検 討 を 行 っている 現 在 適 用 を 検 討 している 年 産 5 百 万 トンクラスの 大 型 LNG プラントでは, 発 電 向 けに 供 給 され ている 80MW クラスの1 軸 のガスタービンが 主 冷 却 系 圧 縮 機 駆 動 用 ドライバーとして 採 用 されてお り, 出 力 が 不 足 する 分 を 8-20MW 程 度 のヘルパーモーターで 補 助 する 構 成 が 主 流 である この 構 成 に H-100 を 適 用 した 場 合,H-100 は 100MW クラスの 出 力 特 性 のため,ヘルパーモーターと その 関 連 電 気 設 備 (スイッチギア,インバーター,トランスフォーマー 等 )を 省 略 し,ヘルパーモー ターへの 電 力 供 給 用 ガスタービン 発 電 設 備 の 容 量 を 減 少 でき, 構 成 の 簡 易 化, 省 スペース, 据 付 け 及 び 運 転 コストの 低 減 が 期 待 できる 図 3に 主 冷 却 系 圧 縮 機 システム 構 成 を 示 す C3R 圧 縮 機 プロパン 冷 媒 圧 縮 機 MRHP 圧 縮 機 高 圧 混 合 冷 媒 圧 縮 機 MRLP 圧 縮 機 低 圧 混 合 冷 媒 圧 縮 機 図 3 年 産 5 百 万 トンクラス LNG プラント 主 冷 却 系 圧 縮 機 システム 構 成 また,2 軸 機 を 主 冷 却 系 圧 縮 機 駆 動 用 に 採 用 するメリットとしては,1 軸 機 と 比 較 し 広 い 回 転 数 の 範 囲 で 運 転 が 可 能 であり(70~105% 速 度 ), 回 転 数 低 下 によるプラント 緊 急 停 止 のリスクを 低 減 することができ, 緊 急 停 止 後 の 再 起 動 の 際 も 主 冷 却 系 内 の 冷 媒 圧 力 を 減 圧 せずに 再 起 動 でき るため, 起 動 時 間 を 短 縮 できるメリットもある 起 動 トルク 特 性 に 関 しては, 社 内 試 験 設 備 にてロッ クドロータ 試 験 を 実 施 し 確 認 済 みである LNG プラントでは, 発 電 所 以 上 に 高 いアベイラビリティが 要 求 されるため,メンテナンス 時 の 停 止 期 間 を 少 しでも 縮 めるため, 航 空 転 用 型 ガスタービンで 採 用 されているガスタービン 本 体 を 一 式 交 換 する 方 式 等,いろいろなオプションについても, 提 供 していく 予 定 である 図 4にタービン モジュール 交 換 のコンセプト 図 を 示 す LNG プラント 向 けでは, 主 冷 却 系 圧 縮 機 を 三 菱 重 工 コンプレッサ( 株 )より 供 給 する 場 合,ガスタ ービン, 圧 縮 機 ユニット, 補 機, 制 御 装 置 及 び 取 り 合 い 調 整 を 含 め 三 菱 重 工 グループ 内 で 一 括 取 りまとめが 可 能 であり,お 客 様 に 対 しても1つの 窓 口, 責 任 元 にて 対 応 可 能 となる
14 図 4 H-100 タービンモジュール 交 換 コンセプト 5. 今 後 の 展 望 高 効 率, 高 信 頼 性, 燃 料 多 様 化 に 応 えるべく 開 発 された H-100 ガスタービンシリーズは 開 発 目 論 見 通 りの 性 能 を 実 現 し, 新 設 発 電 用, 既 設 リプレース 用, 機 械 駆 動 用 として 幅 広 い 用 途 でお 客 様 の 満 足 を 得 られることを 確 信 している