PowerPoint プレゼンテーション

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

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

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

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

0

10

20

30

40

50

60

70

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

西暦　(年）

発電端ﾌ

ﾟﾗ

ﾝ

ﾄ

効率

LHV %

再熱サイク ル採用

Ｆ 形ＧＴ適用

Ｇ形ＧＴ適用

タービン入口温度の高温化

MHI

他メーカ

F

Commercial

operation of M501G

The first unit of

M501H has achieved

load test

G

H

H

FA+

FA

F

F2, F3

1200

1300

1400

1500

1600

1990

1995

2000

2005

2010

年

タ

ー

ビ

ン

入口温度（

℃）

他メーカ

MHI

F

F

FA

FA+

F2,F3

G

H

H

F4

J

発電方式別CO

₂

排出量

ガスタービンの高温化・高効率化

タ

ービ

ン

入口温度

48.8

54.4

57.0

59.0

31

33

36

38.2

39.5

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

60

50

40

30

(℃)

1960

1970

1980

1990

2000

2010

世界初の1500℃級M501G形実証運転開始

1350℃級M501F形工場実負荷試験実施

産業用で世界最高温度1250℃級

MF111形完成

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）

世界最大級M701B形

工場実負荷試験実施

MW501A

M701B

M501D

M701D

MF-111

M501F/M701F

M501G

M701G

800

コンバインド効率

ガスタービン効率

M701B

M501D

M701D

M501F/701F

M501F3/701F3

ムーンライトプロジェクト

1700℃級要素技術

開発国家プロジェクト

MW-252

機械駆動用

２軸GT

Westinghouse

社と技術提携

ガスタービン製作開始 （ MW171 ： ガ スタ ービン 入口温度732℃）

1500℃級M701G2形３軸商用運転開始

効率（

L

H

V

,

_％

)

1600

_M501J

M701J

60.0超

1600℃級M501J形確認運転開始

40.0超

タービン入口

温度の高温化

300

大容量GTCC性能

G/T:ガスタービン単体

C/C:コンバインド(一軸式)

C/C効率

出力

出力

(MW)

100

200

400

500

114

167

144

213

185

285

450

303

267

399

498

334

320

460

60Hz

50Hz

G/T

C/C

60Hz

Up-rated

G 形

ｵﾘｼﾞﾅﾙ

D 形

F形

1100 1200 1300 1400 1500

タービン入口温度 (℃)

50

55

60

C/

C

効率

(L

H

V

%)

1600

J 形

460

670

50Hz

600

（最新のJ型は60%超）

段数14（圧力比21）

本数

20本

G形ガスタービンの特徴

段数

4段

501G (60Hz)

701G (50Hz)

出力（S/C)

267,500kW

334,000kW

効率(LHVﾍﾞｰｽ）

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

圧縮機

高性能翼型

高負荷／高性能設計

圧縮機第１段動翼

燃焼器

• 蒸気冷却

• 予混合ノズル

• 空気バイパス機構

燃焼器

タービン

• 全面ﾌｨﾙﾑ冷却

• TBC

(Thermal Barrier Coating)

• 一方向凝固翼

• ３次元翼型

第１段静翼

第１段動翼

MCA**翼

CDA*翼

*CDA:

Controlled

Diffusion

Airfoil

**MCA:

Multi

Circular

Arc

G型ガスタービン

ローター

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）

（2008年12月1日）

M701G2ガスタービンを採用。

C/C効率 59.1％。

NOx、CO

2

排出量が少ない

ことが評価された。

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

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

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)～

(60Hz機,ISOベース)

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

今後の技術開発動向（ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝの更なる適用拡大）

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）

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

石炭ガス化コンバインドサイクル

（ⅠＧＣＣ）

２）燃料多様化による

発電コストの低減

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

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

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

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

p

pm

15

%

O

2

）

NO

ｘ

生成量（

）

理論計算値（Zeldovich機構）

燃焼器出口平均ガス温度（℃）

25ppm

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。

N

Ｏ

x (

ppm

V

)

1150℃

1400℃ 1500℃

0

50

100

150

タービン入口温度 ℃

拡散燃焼器

・世界初の

予混合式低NOx

燃焼器 (1984) ＨＮ３

・マルチノズル

・小形パイロット

蒸気冷却尾筒

小形パイロット

マルチノズル

予混合燃焼器

1700℃

・世界初の蒸気冷却式

低ＮＯx燃焼器

(1997) ＨＮ４

低 NOx化 低 NOx化 再循環ライン 再循環冷却器 ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ 蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ 排ｶﾞｽﾎﾞｲﾗ 再循環送風機 再循環ライン 再循環冷却器 ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ 蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ 排ｶﾞｽﾎﾞｲﾗ 再循環送風機

F形

G形

排ガス再循環方式

1600℃

新コンセプト燃焼器

1700℃国プロ

・世界初の排ガス再循環

方式低ＮＯ x燃焼器

(2012)

J形

N

Ｏ

x (

ppm

V

)

1150℃

1400℃ 1500℃

0

50

100

150

タービン入口温度 ℃

・世界初の

予混合式低NOx 燃焼器

(1984) ＨＮ３

・マルチノズル

・小形パイロット

蒸気冷却尾筒

小形パイロット

マルチノズル

1700℃

・世界初の蒸気冷却式

低ＮＯx 燃焼器

(1997) ＨＮ４

低 NOx化 低 NOx化 再循環ライン 再循環冷却器 ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ 蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ 排ｶﾞｽﾎﾞｲﾗ 再循環送風機 再循環ライン 再循環冷却器 ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ 蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ 排ｶﾞｽﾎﾞｲﾗ 再循環送風機

F形

G形

排ガス再循環方式

1600℃

新コンセプト燃焼器

1700℃ 国プロ

・世界初の排ガス再循環

方式低ＮＯ x燃焼器

(2012)

J形

高温化に対する冷却技術の役割

高性能冷却システム

_{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

高温化達成のための要素技術の役割

*1)TBC：

Thermal

Barrier

Coating

*1

TBCの遮熱原理とTBC施工翼の例

TBCのﾐｸﾛ組織

低熱伝導率遮熱コーティング

0.1mm

0.3mm

0.96

0.97

0.98

0.99

1

1.01

0.9

1

1.1

1.2

1.3

タービン出力比

効率

高温化に対するタービン高性能化の役割

高負荷・高性能タービンの開発

高温化に伴い出力増加（高負荷化）

●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

従来技術

最新の

3次元設計

タービン空力設計技術の変遷

Year

技術レ

ベル

準三次元翼設計

三次元翼設計

多段粘性三次元翼設計

上流翼の影響を高精度に考慮

三次元翼面圧力分布の最適化

渦の抑制

二次元翼面圧力分布の最適化

反動度分布の最適化

G 型

F 型

D 型

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

Shroud

m

z

b

_Hub

r

Meridional Flow

Blade to

Blade Flow

Blade

隙間流れを考慮した設計

多段非定常粘性三次元翼設計

0

500

1000

D

F

G

J

吸気流量　

（k

ｇ/ｓ

）

0.0

0.5

1.0

1.5

相対マ

ッ

ハ数

相対マッハ数

D

F

G

J

3600rpm機 吸気流量の比較

相対マッハ数

NACA65C

DCA, NACA65C

MCA,CDA

前進ｽｨｰﾌﾟ

Bow静翼

MCA, CDA,

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

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）

Ni基耐熱超合金の高精度加工～冷却穴加工～

加工対象部位

電解加工（ＥＣＭ）

灯油の

流れ

ｏｆ 電極 灯油 kerosene

電極

灯油

放電

放電による熱で金属を溶かして加工する。

様々な形状の冷却穴加工が可能。

－（陰極）

＋（陽極）

電解液(硝酸)

電極

工作物

Ni

2+

Ni

2+

硝酸電解加工模式図

工作物と電極間に電解液を流し，電圧を加え

ることで工作物を溶解させて加工。

長距離穴加工向。

･ 放電/電解加工

放電加工（ＥＤＭ)

冷却穴加工部位

穴形状例

高密度エネルギー加工～動静翼への溶接・穴あけ～

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。

レーザーを用いて，

_{加工を行う}

10sec／穴

の高速穴あけ

静翼翼面の高速穴あけ加工

（バックプロテクトが必須のため，ﾀｰﾋﾞﾝ動翼

は放電加工で穴あけを行います。）

溶接部

（チッププラグ）

ビード断面

動翼チッププラグのレーザー溶接

･

レーザー溶接

1mm

石炭ガス化 IGCC 空気吹きIGCC開発の変遷

1700t/日(250MW)実証機

(CCP研究所)

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

1

10

100

1000

5

50

500

5000

石

炭

処理量

( t/

日

)

2t/日 PDU

(電中研 横須賀)

200t/日 ﾊﾟｲﾛｯﾄﾌﾟﾗﾝﾄ

(常磐共火(株) 勿来P/S)

24t/日 試験設備

(弊社長崎研究所)

ｽｹｰﾙｱｯﾌﾟ

100倍

8.5倍

3000t/日(500MW)級

商用機

2倍

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

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。

ガス精製

ガス化炉

排熱回収

ボイラ

ガスタービン/

蒸気タービン

2010

2010

2006

2006

2004

2004

2002

2002

2003

2003

2005

2005

2007

2007

2008

2008

2009

2009

2001

2001

2001

2002

2002

2003

2003

2004

2004

2005

2005

2006

2006

2007

2007

2008

2008

2009

2009

2010

2010

2001年度

設計

製作/据付

実証試験

勿来250MW IGCC実証機

•

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）

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ﾍﾞｰｽ）40.5%

(LHVﾍﾞｰｽ） 42%

（商用機：46～48%）

• 実証試験期間 H19年～H21年度

BFG（高炉ガス）焚ＧＴＣＣ

150MW級

約50 m

300MW級

約60 m

世界最大のBFG焚きGTCC

（M701F適用）

君津共同火力㈱

2004年運開

15 20 25 5 10 15 20 25 3,000 2,000 1,000 Tot a l Ca pa c it y ( M W) Unit NOS. Capacity 15 20 25 5 10 15 20 25 3,000 2,000 1,000 Tot a l Ca pa c it y ( M W) Unit NOS. Capacity Capacity

順調な受注の伸び

日本

中国

韓国

インド

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）

アジア地区を中心とした

戦略的拡販

球状燃料

約60mmφ

被覆燃料粒子

約0.92mmφ

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

開発の狙い

・ 分散型電源としての小型原子力発電及び

複数ﾓｼﾞｭｰﾙ設置による大容量化対応

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）

原子力 PBMRの概要

システム出力 840ＭＷ

発電効率（送電端） 70％-ＬＨＶ

８００ＭＷ級ＳＯＦＣ複合発電システム（2020～）

ヒートバランス例

３３０ＭＷ

３４０ＭＷ

１７０ＭＷ

１５００℃

４５０℃

６３０℃

天然ガス

（NG）

ＳＯＦＣ

インバータ

ガスタービン

（Ｇ/Ｔ）

空気

蒸気タービン（Ｓ/Ｔ）

排熱回収ボイラ

復水器

排ガス

ＳＯＦＣ＋Ｇ/Ｔ＋Ｓ/Ｔ複合発電プラント鳥瞰図

燃料電池 事業用大規模SOFC複合発電システム

★ 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

ヘリオスタット

受熱器

Heliostats Field Area

200,000m

2

Tower Height

110m

Max. Temp

850 － 900 degC

GT Power

10MW

タワー

Recuperator

Receiver

G

Turbine

Comp

受熱器

GT

太陽熱発電 太陽熱GT発電の概要

タワー上部

反射光