2001 年 8 月 例 会 資 料 火 力 発 電 の 変 遷 - 大 容 量 化 と 高 効 率 化 への 挑 戦 - Keywords 蒸 気 タービン ガスタービン 発 電 機 ボイラ 複 合 サイクル 大 地 昭 生 1. はじめに 火 力 発 電 は19 世 紀 末 に 出 現 し 100 年 以 上 の 歴 史 を 持 つ 効 率 的 な 電 力 供 給 方 式 としてそ の 後 の 産 業 の 発 展 に 多 大 の 貢 献 をしてきた また 火 力 発 電 は 現 在 でも 電 力 供 給 の60%を 占 めており 21 世 紀 においても 依 然 として 電 力 供 給 の 主 力 を 占 めると 予 想 される そこで 本 稿 では 火 力 発 電 所 の 歴 史 を 振 り 返 り 21 世 紀 を 展 望 してみたい 2. 火 力 発 電 所 の 誕 生 と 発 展 エジソンが 白 熱 灯 を 発 明 したのは1879 年 である それまでのランプに 代 わり 白 熱 灯 は 当 時 の 人 々の 生 活 を 飛 躍 的 に 向 上 させた その 普 及 に 多 大 の 貢 献 をしたのが1882 年 にニュー ヨークのパール ストリートに 出 現 した 世 界 初 の 集 中 式 火 力 発 電 所 である 電 灯 の 優 秀 性 を 実 証 し それを 普 及 するためにエジソンが 建 設 したと 言 われている その 後 電 動 機 が 発 明 さ れ 電 気 は 動 力 源 としても 利 用 されるようになり 急 速 な 産 業 の 発 達 を 促 した 一 方 我 が 国 では1883( 明 治 16 年 )に 東 京 電 灯 が 創 業 し 1887 年 ( 明 治 20 年 )には 東 京 第 二 電 灯 が 我 が 国 初 の 火 力 発 電 所 を 建 設 送 電 を 開 始 した アメリカに 遅 れることわずか5 年 であった その 後 産 業 の 発 展 に 伴 い 発 電 所 容 量 も 急 速 に 大 形 化 し それまでの 蒸 気 機 関 では 対 応 出 来 なくなり 大 容 量 化 の 容 易 な 蒸 気 タービンが 利 用 されるよう になった また 燃 料 の 多 様 化 に 伴 い 様 々な 発 電 方 式 が 考 案 され 大 容 量 化 が 図 られ 現 在 に 至 っている おおじ あきお 1964 年 ( 株 ) 東 芝 入 社 蒸 気 タービン ガスタービンの 計 画 開 発 企 画 エンジニアリングに 従 事 現 在 電 力 システム 社 首 席 技 監 日 本 機 械 学 会 ガスタービン 学 会 ターボ 機 械 協 会 火 力 原 子 力 発 電 技 術 協 会 日 本 技 術 士 会 会 員 3.タービンの 創 生 と 発 展 3-1 蒸 気 タービン 初 期 の 火 力 発 電 所 では 駆 動 機 として 蒸 気 機 関 が 採 用 されていた 蒸 気 機 関 はフランスのパパ ンによって 発 明 され その 後 イギリスのニューコメンが 実 用 化 ジェイムズ ワットにより 改 良 が 加 えられ 18 世 紀 後 半 のイギリスの 産 業 革 命 を 支 えた 主 力 原 動 機 である その 後 100 年 間 にわたり 基 幹 産 業 を 支 える 主 要 な 原 動 機 として 活 躍 した
しかし 蒸 気 機 関 は 蒸 気 の 持 つ 熱 エネルギーをピストンの 往 復 運 動 によって 機 械 エネルギーに 変 換 していたため 効 率 も 低 く 大 容 量 化 は 困 難 であった しかし 1880 年 代 の 初 頭 に 相 次 いで 実 用 化 された 蒸 気 タービンは 回 転 運 動 によってエネルギー 変 換 を 行 うため 効 率 も 高 く 大 容 量 化 が 容 易 であった そのため 火 力 発 電 所 の 普 及 大 形 化 に 伴 い 蒸 気 機 関 に 代 わり 蒸 気 タービンが 動 力 供 給 の 主 役 となり その 後 の 基 幹 産 業 を 支 える 主 要 な 原 動 機 となった 蒸 気 タービンの 実 用 化 は 1883 年 スウェーデンのド ラバルによる 衝 動 式 タービン(ノズ ルで 全 蒸 気 が 膨 張 )と1884 年 のイギリスのC.A.パーソンズによる 反 動 式 タービン(ノ ズル 羽 根 で 半 分 ずつ 膨 張 )の 試 作 に 始 まる 1889 年 にはパーソンズは 発 電 機 駆 動 用 蒸 気 タービンを 実 用 化 した ( 図 1 参 照 ) 1895 年 にはアメリカのカーチスが 速 度 複 式 衝 動 タービン( 羽 根 2 列 速 度 反 転 ガイドベ ーン 付 )を また 1898 年 にはフランスのラトーが 圧 力 複 式 タービン(ノズル 羽 根 を 多 段 配 列 )を 実 用 化 し 現 在 の 蒸 気 タービンの 原 型 が 実 現 した その 後 これらの 蒸 気 タービン を 原 型 として 欧 米 の 各 タービンメーカは 大 形 化 高 効 率 化 の 開 発 に 注 力 その 間 タービンメ ーカの 集 合 離 散 を 繰 り 返 し 現 在 の 圧 力 複 式 反 動 タービンを 製 作 するメーカと 圧 力 複 式 衝 動 タービンを 製 作 するメーカに 発 展 していった また 国 内 の 蒸 気 タービンメーカも 欧 米 の 主 要 蒸 気 タービンメーカと 提 携 し 発 展 していった 3-2 ガスタービン ガスタービンは 1930 年 代 にイギリス ドイツで 相 次 いで 実 用 化 された イギリスではフ ランク ホイットルが1936 年 にガスタービンの 原 型 となる 単 純 なジェットエンジンを 開 発 した また ドイツでハンス フォン オハインが 1938 年 にジェットエンジンを 実 用 化 1939 年 にはジェット 推 進 による 初 飛 行 に 成 功 している スイスではBBCが1939 年 世 界 初 のガスタービンによる 発 電 に 成 功 している 我 が 国 では 第 二 次 世 界 大 戦 中 航 空 機 用 のジェットエンジンと 高 速 艦 艇 用 のガスタービンを 開 発 していたが いずれも 実 用 化 には 至 らなかった 戦 後 アメリカではGE 社 が 航 空 機 用 ジェットエンジンの 開 発 に 注 力 これを 発 電 用 に 転 用 し たヘビーデューティガスタービンを 実 用 化 した 1949 年 にはオクラホマ 電 力 のベルアイル 発 電 所 に 世 界 初 のコンバインドサイクル 用 ガスタービンとしてMS3002 型 3000kW 機 を 納 入 した GE 社 はこのガスタービンを 原 型 として その 後 次 々と 新 機 種 を 開 発 現 在 までの 累 積 納 入 台 数 は6000 台 で 世 界 の50% 以 上 を 制 覇 している 一 方 我 が 国 では 戦 後 初 めて 開 発 されたガスタービンは 鉄 道 技 術 研 究 所 向 の2MWの 重 油 焚 ガスタービンであった このガスタービンは 石 川 島 芝 浦 タービン( 現 東 芝 )が 戦 時 中 艦 艇 用 に 開 発 中 であったものに 改 良 を 加 え 実 用 化 したと 言 われている その 後 ガスタービン の 大 容 量 化 に 伴 い 自 主 技 術 での 対 応 が 困 難 となり 国 内 ガスタービンメーカは 欧 米 の 主 要 ガ スタービンメーカと 提 携 し 発 展 していった 4. 火 力 発 電 の 躍 進 4-1 石 炭 から 重 油 へ 戦 後 我 が 国 の 火 力 発 電 技 術 は 欧 米 先 進 国 からの 技 術 導 入 により 長 足 の 進 歩 を 遂 げ その 単 機 容 量 も 飛 躍 的 に 増 大 した 従 来 の 火 力 発 電 の 燃 料 は 石 炭 が 主 体 であり 重 油 は 補 助 燃 料 の 位 置 付 けであった しかし 火 力 発 電 が 事 業 用 電 力 の 中 心 になるに 伴 い 石 炭 燃 料 の 確 保 の 問 題
と 大 規 模 油 田 発 見 に 伴 う 低 廉 豊 富 な 石 油 が 国 際 市 場 に 流 入 したため 1960 年 代 に 入 ると 重 油 専 焼 火 力 が 相 次 いで 建 設 された (1961 年 中 部 電 力 ( 株 ) 三 重 火 力 4 号 ) また 大 形 火 力 の 建 設 とともに 蒸 気 条 件 向 上 に 伴 う 発 電 効 率 改 善 も 続 けられ( 図 2 図 3 参 照 ) 1967 年 には 我 が 国 初 の60 万 kw 超 臨 界 圧 プラントが 運 転 に 入 り 我 が 国 も 超 臨 界 圧 時 代 に 突 入 した ( 東 京 電 力 ( 株 ) 姉 ヶ 崎 1 号 ) 4-2 単 機 容 量 の 増 大 蒸 気 条 件 の 向 上 と 中 間 負 荷 運 用 1970 年 代 に 入 り 単 機 容 量 がさらに 増 加 し ついに100 万 kwが 建 設 された ( 東 京 電 力 ( 株 ) 鹿 島 火 力 5 号 ) また 超 臨 界 圧 ユニットの 建 設 が 増 加 し 50 万 kw 以 上 のユニットは 超 臨 界 圧 が 標 準 的 蒸 気 条 件 となった その 結 果 1980 年 代 には 事 業 用 発 電 設 備 の 約 40%が 超 臨 界 圧 ユニット で 占 められるようになった また 原 子 力 発 電 設 備 の 増 加 と 昼 夜 間 電 力 格 差 の 増 加 に 伴 い 火 力 発 電 設 備 の 中 間 負 荷 運 用 の 傾 向 が 強 まり ユニットの 急 速 起 動 停 止 負 荷 変 化 に 対 する 運 転 制 御 信 頼 性 確 保 寿 命 予 測 技 術 などの 技 術 開 発 が 進 められた このため 火 力 プラントは 中 間 負 荷 運 用 に 適 した 変 圧 プ ラントが 数 多 く 建 設 されるようになった ( 東 京 電 力 ( 株 ) 広 野 火 力 1 2 号 ) 4-3 LNG 火 力 の 導 入 と 省 エネルギー 化 の 推 進 1973 年 の 第 1 次 石 油 危 機 を 契 機 として 脱 石 油 化 を 目 指 した 燃 料 の 多 様 化 省 エネルギー 化 の 機 運 が 高 まり 従 来 の 重 油 に 代 わりLNGの 積 極 的 導 入 が 図 られた また 効 率 向 上 の 機 運 が 急 速 に 高 まり 汽 力 プラントでは 蒸 気 条 件 の 向 上 が 図 られるとともに ガスタービンと 蒸 気 タービンを 組 み 合 わせた 天 然 ガス 焚 のコンバインドサイクルの 積 極 的 導 入 が 図 られた 汽 力 プ ラントでは 中 部 電 力 ( 株 ) 川 越 火 力 1 2 号 700 MWプラントで 超 々 臨 界 圧 2 段 再 熱 (31 MPa 566/566/566 )の 蒸 気 条 件 が 採 用 され 従 来 の 超 臨 界 圧 ユニットに 比 べ 熱 効 率 を5% 以 上 向 上 させた ガスタービンは 1970 年 代 まではガスタービンの 入 口 温 度 も 低 く 容 量 も 小 さかったため 緊 急 電 源 用 として 利 用 されていたが 1980 年 代 に 入 る と 入 口 温 度 が 飛 躍 的 に 上 昇 信 頼 性 も 向 上 したため 蒸 気 タービンと 組 合 わせることにより 高 い 熱 効 率 が 期 待 できるようになったため 中 核 電 源 として 積 極 的 に 導 入 されるようになった 1984 年 には 我 が 国 で 初 めて 本 格 的 なコンバインドサイクルの 導 入 が 行 われ( 東 北 電 力 ( 株 ) 東 新 潟 3 号 系 列 109 万 kw) 我 が 国 も 天 然 ガス 焚 コンバインドサイクルの 時 代 に 突 入 した ガスタービンは 入 口 温 度 1100 級 単 機 容 量 10 万 kwのガスタービン(wh- 三 菱 重 工 製 )が 適 用 された その 後 さらにガスタービンの 高 温 化 が 進 み 現 在 では 入 口 温 度 1300 級 のガスタービン を 適 用 したコンバインドサイクルが 主 流 となっている 4-4 石 炭 火 力 の 復 活 2 度 にわたる 石 油 危 機 を 契 機 として 燃 料 多 様 化 の 観 点 からLNG 火 力 の 導 入 と 並 行 し 石 炭 火 力 の 復 活 が 図 られた ( 電 源 開 発 ( 株 ) 松 島 1 2 号 ) 石 炭 は 世 界 的 にも 埋 蔵 量 が 豊 富 で 低 廉 なため 海 外 炭 の 積 極 的 導 入 が 行 われた 石 炭 は 火 力 燃 料 の 中 では 炭 酸 ガスの 発 生 量 が 多 いため 地 球 環 境 保 護 の 観 点 から 蒸 気 条 件 の 高 温 化 により 熱 効 率 の 向 上 を 図 り 炭 酸 ガスの 排 出 量 を 減 らす 努 力 が 払 われている また 石 炭 火 力 のNOx SOx 煤 塵 を 低 減 するための 排 煙 処 理 装 置 が 装 備 され 日 本 は 世
界 で 一 番 クリーンな 石 炭 火 力 を 建 設 しているといえる 5. 今 後 の 展 望 火 力 発 電 は 現 在 でも 全 電 力 供 給 の60%を 占 めており 21 世 紀 においても 依 然 として 電 源 供 給 の 主 力 を 占 めると 予 想 される 今 後 は 脱 石 油 化 を 目 指 した 燃 料 の 多 様 化 並 びに 地 球 環 境 保 護 の 観 点 からCO 2 排 出 の 抑 制 を 焦 点 に 電 源 開 発 が 行 われることになろう 5-1 石 炭 火 力 の 大 容 量 化 高 効 率 化 石 炭 火 力 はCO 2 抑 制 の 観 点 から 汽 力 プラントでは 蒸 気 条 件 をさらに 高 温 化 し 効 率 向 上 を 図 る 必 要 がある 現 在 運 転 中 のユニットの 蒸 気 条 件 は25MPa 600/610 が 最 高 であるが( 電 源 開 発 ( 株 ) 橘 湾 1 2 号 ) 今 後 30MPa 630/630 将 来 的 には37.5MPa 7 00/725/725 の 高 蒸 気 条 件 の 検 討 も 進 められよう また システム 的 には 石 炭 を ガス 化 してガスタービン 燃 料 として 利 用 しコンバインドサイクル 発 電 を 行 う 石 炭 ガス 化 複 合 発 電 (IGCC) および 加 圧 流 動 床 ボイラとガス 化 炉 を 組 み 合 わせたアドバンスト 加 圧 流 動 床 複 合 発 電 (A-PFBC) 将 来 的 には 固 体 電 解 質 燃 料 電 池 (SOFC)とガスタービン 複 合 発 電 (IGCC)を 組 み 合 わせたシステム(IGFC) 等 の 高 効 率 発 電 システムの 検 討 も 進 め られよう また 発 電 コスト 低 減 の 観 点 から 機 器 のコンパクト 化 スケールメリットの 追 求 が 図 られてい る 蒸 気 タービンを 例 に 取 ると 高 速 回 転 最 終 段 翼 (3600rpm-40インチチタン 翼 ) の 適 用 により 単 機 容 量 100 万 kwクラスでもタンデム 機 の 製 作 が 可 能 となった( 中 部 電 力 ( 株 ) 碧 南 火 力 1 2 号 ) また クロス 機 (2 軸 式 )では110 万 kwクラスのユニットが 計 画 されている 5-5 ガス 焚 コンバインドサイクルの 高 効 率 化 天 然 ガス 焚 コンバインドサイクルでは ガスタービンの 高 温 化 が 一 段 と 加 速 されよう 現 在 1300 級 のガスタービンが 主 力 であるが1500 級 ガスタービンも 開 発 中 であり 一 部 実 用 化 されている ( 東 北 電 力 ( 株 ) 東 新 潟 4 号 系 列 ) ガスタービンの 高 温 化 は 耐 熱 材 料 コーティング 技 術 冷 却 技 術 がポイントである GE 社 は 米 国 DOEの 支 援 のもとに 2002 年 の 運 開 を 目 指 し 蒸 気 冷 却 翼 を 採 用 した15 00 級 のH 型 ガスタービンを 開 発 中 である 本 ガスタービンを 適 用 したコンバインドサイク ル 発 電 システムの 開 発 に 当 たってGE 社 は 東 芝 と 提 携 し 開 発 費 用 を 削 減 している 熱 効 率 は 低 位 発 熱 量 基 準 で60%を 目 指 している 5-6 燃 料 の 多 様 化 燃 料 供 給 のセキュリティー 確 保 CO 2 排 出 抑 制 の 観 点 から 種 々の 低 炭 素 燃 料 の 検 討 が 行 わ れている 石 炭 ガスをディメチルエーテル 燃 料 (DME) メタノール 燃 料 へ 転 換 する 方 法 石 炭 天 然 ガスより 炭 素 を 固 定 化 し 水 素 燃 料 を 抽 出 する 方 法 重 質 油 よりガスタービン 燃 料 油 を 抽 出 する 方 法 等 実 用 化 への 努 力 が 払 われている
5-7 経 年 火 力 の 再 生 経 年 火 力 が 増 加 し 運 開 後 10 万 時 間 以 上 を 経 過 したプラントが 全 体 の3/4を 占 めている 劣 化 更 新 延 命 化 リパワリング スクラップ&ビルドの 必 要 性 がさらに 増 すと 思 われ これ らの 技 術 開 発 が 加 速 される 6. まとめ 以 上 火 力 発 電 発 展 の 歴 史 を 振 り 返 ってみた 火 力 発 電 が20 世 紀 の 科 学 技 術 の 発 達 産 業 の 発 展 の 中 でいかに 重 要 な 位 置 を 占 めてきたか 御 理 解 頂 けたものと 思 う 今 後 21 世 紀 に 向 け 火 力 発 電 は 益 々その 重 要 性 を 増 すものと 思 われる 今 後 とも 微 力 なが ら 火 力 発 電 の 発 展 に 貢 献 したい 本 稿 が 今 後 の 電 源 計 画 の 一 助 になれれば 幸 いである - 文 献 - (1) 角 家 ; 最 近 の 発 電 用 蒸 気 タービンの 技 術 動 向 ターボ 機 械 学 会 25 巻 1 号 (1997-1) (2) 機 械 工 学 100 年 の 歩 み 日 本 機 械 学 会 (1997) (3) 中 村 ; 超 々 臨 界 圧 プラント 川 越 火 力 発 電 所 700MWの 建 設 計 画 火 力 原 子 力 発 電 Vol 38-9(1987-8) (4) 石 木 ; 蒸 気 タービン 低 圧 最 終 段 用 チタン 合 金 製 40インチ 長 翼 の 開 発 火 力 原 子 力 発 電 Vol 39-6(1988-6) (5) 大 久 保 ; 1500 級 次 世 代 高 効 率 コンバインドサイクルプラントの 計 画 火 力 原 子 力 発 電 Vol 51-3(2000-3)