まえがき 近年の異常気象および気候不順の発生は枚挙に暇がないほどであり, 地球温暖化が着実に進行してきている現実を否定できない状況となってきた 今や, 科学技術陣としては, 従来以上に温暖化防止に資するあらゆる手段, とりわけ, 新エネルギー, 省エネルギー, さらに燃料転換分野においてより効果的か

新エネルギーの展望

2007年 3 月

財団法人

エネルギー総合工学研究所−THE INSTITUTE OF APPLIED ENERGY

ま え が き

近年の異常気象および気候不順の発生は枚挙に暇がないほどであり，地球温暖化が着実 に進行してきている現実を否定できない状況となってきた。今や，科学技術陣としては， 従来以上に温暖化防止に資するあらゆる手段，とりわけ，新エネルギー，省エネルギー， さらに燃料転換分野においてより効果的かつ積極的な取組が必要とされている。 本書で取り上げたガスタービン技術は，省エネルギー面で大きな効果をもたらすもので あるが，その特徴を概括すると装置の大きさの割には大出力が得られることから今や大形 航空機の原動機として圧倒的な地位を占め，また発電用においては，その高効率化特性と 機能性から最近急速に導入が進んできているＬＮＧ複合発電（コンバインドサイクル）の 中核技術として採用されてきている。とりわけガスタービンの温度上昇に伴う高効率化特 性は，従来形発電方式を大幅に凌駕しており，例えば，従来形ＬＮＧ火力発電の効率（発 電端，高位基準）は約42％であるのに対し，最近のコンバインドサイクル(ガスタービン 温度1,500℃級)では，同効率は約54％にも達しており，将来的には更なる高効率化の検討 も行われている。また，ＬＮＧ以外の燃料におけるガスタービンの利用に関しても，石炭 ガス化複合発電（ＩＧＣＣ），製鉄所の副生ガス利用発電，あるいは将来的には高温形燃 料電池（ＭＣＦＣ，ＳＯＦＣ）組合せによる複合発電等，多方面でのガスタービンの応用 が検討されている。 一方，その背後には，高温化にともなう冷却技術，材料開発，低NOx燃焼技術，運転保 守システム，制御技術の高度化等々，そこには地道ながら最先端技術レベルの導入と総合 技術の発揮が必要とされ，その点地球温暖化に寄与するエネルギーの高度利用面のみでな く，わが国の科学技術の維持向上にも寄与している面が少なくない。 このように，ガスタービン技術は，エネルギーと環境問題への影響の大きさ等を勘案す ると極めてわが国の実情に沿う今日的な技術であり，今回当所の「新エネルギー展望」シ リーズに取り上げ解説を試みたものである。 なお，本編は，当所小川紀一郎専門役が執筆し，エネルギー技術情報センターにて編集 した。 おわりに，このシリーズの刊行は，財団法人電力中央研究所からの委託業務「エネルギ ー技術情報に関する調査」の一環をなすものであり，同研究所に対して深く謝意を表する。 2007年３月 財団法人 エネルギー総合工学研究所 理事長 秋 山 守

新エネルギーの展望

ガ ス タ ー ビ ン 技 術

目 次

はじめに ··· 1 １ ガスタービン開発の歴史と最近の状況 ··· 2 1.1 開発の歴史 ··· 2 1.2 ＬＮＧコンバインドサイクルの発展経緯 ··· 2 ２ ガスタービンの原理，基本構造および性能 ··· 4 2.1 ガスタービンの原理と基本構造 ··· 4 2.2 ガスタービンの種類 ··· 5 2.3 ガスタービンの性能と基本サイクル ··· 6 2.4 ガスタービンの諸特性 ··· 9 2.5 コンバインドサイクルの基本的構成 ··· 9 ３ ガスタービンの主要構成技術 ··· 11 3.1 圧縮機 ··· 12 3.2 燃焼器 ··· 12 3.3 タービン ··· 13 ４ ガスタービンの燃料と適用状況 ··· 16 4.1 概 要 ··· 16 4.2 ガスタービンの適用燃料概説 ··· 16 4.3 高炉ガス焚き発電所 ··· 16 4.4 石炭ガス化複合発電 ··· 18 ５ ガスタービンの開発課題と動向 ··· 21 5.1 概 要 ··· 21 5.2 冷却技術の変遷 ··· 21 5.3 耐熱材料技術の変遷 ··· 22 5.4 ガスタービンの主要構成要素技術の課題と動向 ··· 22 ６ ガスタービンと運転・保守 ··· 24 6.1 ガスタービンの運転特性概要 ··· 24 6.2 保守の概要 ··· 25

７ 国内代表メーカの技術概要とその取り組み ··· 28 7.1 概 要 ··· 28 7.2 「川崎重工業－アルストーム型」··· 28 7.3 日立／東芝－ＧＥ型 ··· 29 7.4 富士－シーメンス型 ··· 30 7.5 三菱重工型 ··· 31 ８ ガスタービンの将来展望 ··· 33 8.1 概 要 ··· 33 8.2 超高温（1,700℃級）ガスタービン ··· 33 8.3 高湿分空気利用ガスタービン（ＡＨＡＴ） ··· 35 8.4 燃料電池とガスタービンサイクル ··· 36 あとがき ··· 37 参考資料 ··· 39

は じ め に

日本における最近の年間発電電力量（kWh） （2006年度推定実績）は，火力が約６割を占め， 次に原子力が３割，水力・地熱が約１割，いわ ゆる新エネルギーは未だ約１％に過ぎない。す なわち現在の電力の大半は火力に頼っている(1)_。 その火力の中でも，現在は発電量としてもっ とも多いのがＬＮＧ火力である。最近は火力発 電による発生電力量の約４割強（全体発電量の 比率で26％）を占め，僅少差ながら石炭火力の 約４割（同24％）を越えるまでになってきた。 石油火力等は約２割（同10％）に低下してきて いる。1980年ごろのＬＮＧ火力の比率が約１割 強，石油が約４割もあった時代からすると，正 に隔世の感がある。ＬＮＧ火力の中で最近特に 注目を浴び，また実績も伸びてきているのが， ＬＮＧ複合発電（略称，コンバインドサイク ル）である。 そのコンバインドサイクルの発展は，すなわ ち効率面，運転特性面，さらに経済性面での優 れた特徴に起因するものであり，それはとりも なおさず大部分ガスタービンの特徴でもあるの で，いまやガスタービン技術がその中心となっ ているといっても過言ではない。 そのガスタービンは，第２次世界大戦前後か ら航空機の動力原として利用され，今や同分野 の大型エンジンはほとんどガスタービンが占め るほどになった。そして，さらに船艇や戦車等 の軍事用にも利用されてきたが，陸上用として の利用が近年急速に進展してきたのは，コンバ インドサイクルとしてガスタービンの特徴が顕 著に発揮され，また発電用としての信頼性も実 証され，主要発電設備として信頼できるとの評 価が定着したからであろう。 さて，コンバインドサイクルは，ガスタービ ンによる直接発電に加え，後流の熱回収（蒸気 発生）装置および蒸気タービンとを組み合わせ た発電方式で，詳細は本文中で紹介するが，ガ スタービンの高温化とともに出力および効率が 敏感に上昇する特性をもったもので，昨今の地 球温暖化問題とエネルギーセキュリティー面か らも，極めて現代的な発電方式といえる。 そのコンバインドサイクルが今日実用機とし ての信頼を勝ち得るに至った背景には，前述の ように研究開発，設計製作および運転面におい て，関係者（ユーザ，メーカ，研究機関等）が 長い歴史と経験を経て努力してきた成果に他な らないが，今日の環境とエネルギーを取り巻く 切迫した状況を勘案すると，今後ともさらなる 効率向上と信頼性確保等の性能向上を目指した 一層の努力が必要であろう。 航空用ガスタービンは，人と荷物を満載した 巨大な飛行機を高度約１万ｍもの高所に押し上 げ，今や地球の半分の距離を無着陸で運行する 迄になった。また，発電用ガスタービンは，コ ンバインドサイクルとしてわが国発電用電力量 の４分の１を占めるほどの重要な電源となって いる。 人類は今や陸と空において，ガスタービン技 術から多大の恩恵を受けているといっても過言 ではないだろう。 本書が，そのような現代の重要技術であるガ スタービン技術について，理解を深められる際 の多少とも参考になることを期待する次第であ る。

１ ガスタービン開発の歴史と最近の状況

1.1 開発の歴史(2)(3) ガスタービンの開発歴史を見ると，航空用に おいては，イギリスとドイツでほぼ時を同じく して開発され，例えばイギリスでは，1937年に 英国空軍士官で技術者のフランク・ホイットル 卿がジェットエンジン試験に成功し，ドイツで は，1939年に当時学生のフォン・オハインが， ジェットエンジン研究を飛行機に応用し，成功 したことが伝えられている。また，発電用の場 合も，開発開始時期はそれ程変わらず，1939年 にスイスのＢＢＣ（現ＡＢＢ）が，出力4千kW のガスタービンを試作し，運転に成功したこと が挙げられている(2)_。 もともとガスタービンは，燃料を蒸気等に変 換して蒸気タービン等で発電するいわゆる間接 的な発電（外燃機関）でなく，高温燃焼ガスか ら直接発電出力を得る内燃機関であり，そのた め構造がコンパクトで大出力が出ることが知ら れ，上述のように航空機分野で広く利用されて きたのであるが，発電用となると年間利用時間 も格段に増大し，その発電用としての信頼性確 保（いわゆるヘビーデューティ型）と高効率化 の特性が求められるため，ガスタービン燃焼ガ ス温度が比較的低い間は，従来 型と比較して顕著な魅力も認め られなかったが，同燃焼温度の 向上と運転上の信頼性が認めら れるに従い，広く採用されるよ うになってきた。 ちなみにコンバインドサイク ルは，同ガスタービンによる直 接発電とその排出ガス中の熱回 収により得られた高温の蒸気に よる蒸気タービンとを組み合わ せた発電方式で，詳細は第２章 で述べるが，ガスタービンの高 温化に伴い効率が上昇する，負 荷変動特性が良好などの特徴を 持ち，現在の地球温暖化対応と火力発電に課せ られた中間負荷火力対応のニーズに極めて即し た発電方式である。 わが国における発電用としての本格的な採用 は，1984年（運転開始）の東北電力東新潟３号 系列発電所が挙げられる。同プラントは，ガス タービン温度（第１段動翼入口）は，1,154℃ で あ り ， 発 電 効 率 （ 発 電 端 ， 高 位 発 熱 量 （HHV）基準）は約44％（低位発熱量（LHV）基 準49％）と当時の最新鋭従来方式火力発電プラ ントの効率と匹敵するものであった。しかし， その後のガスタービン温度の上昇とともに同効 率は飛躍的に増大し，最近では，ガスタービン 温 度 1,300 ℃ 級 で 同 効 率 約 50 ％ （ LHV 基 準 約 55％）時代を経て，いまや1,500℃級で同効率 約54％（LHV基準約60％）が，建設され実運用 されるようになった。 従来の火力発電効率がせいぜい40％を超える 程度だっただけに，飛躍的な効率の変化といえ る(3)(30)_。 図1－1(3)_{にコンバインドサイクルの発電効率} の推移を従来形火力との対比で示す。 図1－1 コンバインドサイクルの発電効率推移(発電端，HHV基準) （出典：特集火力発電所の熱効率向上「３．ガスタービン」火力原子力発電 Vol.54 No.10，2003.10，P1176） 発 電 所 熱 効 率

1.2 ＬＮＧコンバインドサイクルの発展経緯(4) 近年の産業および経済の進展にともなうエネ ルギー消費量の増大，とりわけ電力化率の上昇 により電力消費量は，ほぼ一貫した右上がりの 上昇を続けてきた。 その中で，近年の電源構成を見ると戦後の水 主火従から火主水従へと移行して暫らく経った 石油危機直前の1970年ごろの火力の主要電源は 石油であったが，その後石油危機を契機として 脱石油化が図られ，さらに原子力開発の進展， 天然ガスの導入および石炭の見直し等があり， 最近（平成18年度推定実績）の電源構成（電気 事業用）は，年度末電源設備では，原子力約２ 割，火力約６割，水力約２割，年間発電電力量 にては，原子力約３割，火力約６割，水力約１ 割，新エネルギーは１％未満という構成である (1)_。 さて，その火力の中で最近増加が著しいのが， ＬＮＧ（天然ガスを含む）である。同ＬＮＧ火 力の推移を見ると，先ず年度末電源設備では， 1973年で（全体発電出力中）約３％であったも のが，最近（平成18年度推定実績）では，25％ に達し，石炭，石油等を凌駕して火力の中で１ 位を占めるようになった。また，年間発電電力 量では，1973年は約２％に過ぎなかったものが， 最近（上記と同時期）では，全体の中で約26％ にも達し，ベース電源と位置づけられる原子力 （約30％）および石炭火力（24％）に拮抗して， 主要燃料として利用されていることが窺える。 図1－2に年度末電源設備の推移，図1－3に年 間発電電力量構成の推移を示す。 一方，同じＬＮＧ火力の中で，コンバインド サイクルと従来方式との年度末電源設備の推移 を見ると，1990年ごろはＬＮＧ火力中のコンバ インドサイクルの比率は，約１割に過ぎなかっ たが，最近（2005年度）では約４割にも達する ようになった。近年の傾向を見ると，例えば 1992年以降は従来方式によるＬＮＧ専焼火力は 新設されてなく，今後さらにコンバインドサイ クルの比率が増すものと予想される（図1－4参 照）。 発電用としてＬＮＧが導入された初期の時代 は，ＬＮＧを（ガス焚）ボイラで燃焼し，蒸気 タービンで発電するいわゆる従来型発電方式が 主体であった。特に，高度成長期時代のエネル ギー消費量の増大により引き起こされる環境問 題に対応して，ＬＮＧは，基本的にはSOx，ば いじん低減のための特別の設備が不要な燃料で あったし，またそれに応えるガス焚きボイラは， その環境特性（低NOx特性）面，性能面，ある いは運用特性面等において十分当時のニーズに 応えるものであった。当時は未だガスタービン 0 5000 10000 15000 20000 25000 1952 1965 1973 1979 1984 1990 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 年度 万k W 水力 石炭 LNG 石油他 地熱 原子力 4526 (19%) 3784 (16%) 5993 (25%) 4688 (20%) 52 (0.2%) 4712 (20%) 23775 (100 %) 図1－2 年度末電源設備の推移（電気事業用） （出典：電源開発の概要(平成17年度)，経済産業省資源エネルギー 庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成） 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1 952 ₁965 ₁973 ₁979 984_{1 1}990 ₁994 ₁995 ₁996 ₁997 ₁998 ₁999 ₂000 ₂001 ₂002 ₂003 ₂004 _年度 億k W 水力 石炭 LNG 石油他 地熱 原子力 新エネ 970 (10%) 2397 (25%) 2491 (26%) 938 (9%) 34 (0.5%) 2824 (29%) 9705 (100 %) 51 (0.5%) 図1－3 年間発電電力量構成の推移（電気事業用） （出典：電源開発の概要(平成17年度)，経済産業省資源エネルギー 庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成）

利用のコンバインドサイクルは，性能，実用性， 信頼性等の総合的な評価において従来発電方式 に及ばなかったわけである。しかし，その後ガ スタービンの温度上昇等による性能と実用性等 の向上により，上記の推移に見られるようにコ ンバインドサイクルはＬＮＧからの発電方法と しては今や従来方式を凌駕したと見ることもで きよう。

２ ガスタービンの原理，

基本構造および性能

2.1 ガスタービンの原理と基本構造(5) ガスタービンは，燃焼器で燃料を高温高圧下 で燃焼し，その燃焼ガスで後流の羽根車（ター ビン）を回転させ電気あるいは動力を発生する 装置である。 従来型の発電方式である蒸気発生装置（ボイ ラー）と蒸気タービンの組合せで発電する方式 が外燃式と呼ばれるのに対し，直接燃焼ガスか ら動力を得ることから内燃式とも言われる。そ の燃焼のために高圧の空気が必要であり，一般 にガスタービンで得られた動力を利用して圧縮 機を作動させることにより，高圧空気を製造す る。従ってガスタービン出力の一部が圧縮動力 に使われるので，正味発生動力（発電出力）と してはその分を差し引いた動力となる。初期の ガスタービンは，圧縮に必要な動力が多く発電 出力が低かったが，燃焼温度の高温化，圧縮機 およびタービンの効率向上もあって，最近のガ スタービンではタービンの正味発生動力と圧縮 器の所要動力とがほぼ拮抗するようになってい る。換言すると，最近のガスタービンでは，タ ービンで得られた総出力の約５割が圧縮機駆動 用で使われ，正味出力はタービン総出力の約５ 割（将来的には，５割以上の増大が見込まれ る）となっている。 またガスタービンの主要な構成要素としては， 「圧縮機」，「燃焼器」，「タービン」，およ び「排気」が挙げられる。それぞれの要素は前 後の要素に密接に関連して特有の働きをなしな がら全体としての総合性能を発揮する。ガスタ ービンの主要構成要素とその働きを下記に，ま た基本形式を図2－1に示す。 ① 圧縮機（断熱圧縮） ② 燃焼器（等圧加熱） ③ タービン（断熱膨張） ④ 排気（等圧放熱） 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 西暦 ＭＷ 従来方式 コンバインドサイクル 59700 (100%) 22800 (38%) 36900 (62%) 図1－4 日本のＬＮＧ火力の建設推移 （出典：電源開発の概要(平成17年度)，経済産業省資源エネルギ ー庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成）

ガスタービンサイクルを従来のピストンエン ジン等の容積型内燃機関と比較した場合の最大 の長所は，ガスタービンの場合ピストンエンジ ン等とは異なり，作動流体が連続的に高速で流 れるので，装置の大きさの割には大量の作動流 体を処理でき，そのため（装置サイズの割に は）大規模出力が得やすいことである。 ここで改めてガスタービンの特徴を列挙する と，次のとおりである。 ① 小規模サイズでも高出力が得やすく，そ のため省スペース化が図りやすい。 ② ディーゼルエンジンなどに比べると窒素 酸化物（NOx）の発生を抑制できる。 ③ 冷却水が不要。 ④ 機械的な往復運動がない分，振動が少な い。 ⑤ 運転の立ち上がりが早い。 しかし，一方ではガスタービンの問題として は，高温化とともに燃焼器あるいは高温側ター ビンの動・静翼などの高温部品・部材は，劣化 あるいは短命化の傾向を有しており，従ってそ の適正な手入れ（保守）あるいは交換が必要で あること，またそのための経費が定常的に発生 することが挙げられる。ただし，高温部品の寿 命に関しては，適切な保守・交換基準の設定に より，その運転上の信頼性が，格段に向上して きていることもあり，もはや問題点としてあげ る必要はないという指摘もあるが，本質的な性 格ということで理解しておくべきであろう。 また，航空用あるいは陸用大型ガスタービン は，その利用する燃料として航空用燃料あるい はＬＮＧなど高品質燃料が使われており，その ような燃料の確保上からの制約を懸念する向き もある。ただし，高品質燃料の確保に関しては， 少なくとも発電用燃料に関する限り製鉄所から の高炉ガス利用，あるいは石炭からのガス化ガ スの利用など，適用燃料の拡大に向けた取組み も行われてきている。 2.2 ガスタービンの種類(5) ガスタービンは，先ず大別すると「開放サイ クル」と「密閉サイクル」とがある。 「開放サイクル」は燃焼器で発生した燃焼ガ スは，タービンで仕事を終えた後，必要に応じ て熱交換等でそのエネルギーが回収されて煙突 等で大気へ放出されるものである。一方，「密 閉サイクル」は，窒素，ヘリウム，二酸化炭素 などの低沸点流体を循環利用するものである。 現在実用されているものはほとんど開放サイク ルである。 さらに「開放サイクル」ガスタービンは，ジ ェットエンジンに見られる「航空機用ガスター ビン」と発電用あるいは動力用等の陸用原動機 としての「陸用ガスタービン」に大別される。 「陸用ガスタービン」の場合，特に電気事業発 電用は，年間の使用時間が航空機用に比べ格段 に多いこともあり，前にも述べたように「ヘビ ーデューティ」ガスタービンとも称せられ，航 （a）オープンサイクル，（b）クローズドサイクル 図2－1 ガスタービンサイクルのフロー （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学出版会，2006年３月） 出力 タービン 加熱器 圧縮機 冷却器 出力 タービン 加熱器(燃焼器) 圧縮機

空機用とは異なる耐久性，効率特性等の評価指 標が適用される。 なお，航空機用の適用の狙いは，原理的にガ スタービンがコンパクトで大きな出力を得る （機械重量あたりの出力が他の熱機関より大き く取れる）特性が注目されたものであった。そ の種類は，排気を推進エネルギーとして利用す るターボジェットエンジンから，さらにタービ ンの出力でファンを駆動するより高効率のター ボファンエンジンなどが開発されてきた。いず れにしても航空機用のエンジンは，燃焼ガスを 噴出して，その反動を利用して推進エネルギー を得るものである。 一方，陸用（発電用）の種類としては，上記 の航空機用を転用したものと，発電用専用とし て開発されたものに大別される。 航空機転用形は，エンジンは航空機用のジェ ットエンジンを利用したものであり，一般に圧 縮機駆動用のタービンと動力回収用（発電用） のタービンとは，別軸にした組合せとなってい る。一方，発電専用に開発されたガスタービン は，発電用のニーズである長期運転を前提とし て構造が簡単で長期運転上の信頼性向上に努め たもので，一般に一つのガスタービンで圧縮機 駆動と発電を行わせる１軸方式が主流となって いる。 大型航空機用で採用されるターボファンエン ジンの基本構造を図2－2(5)_{に示す。なお，陸用} 発電用ガスタービンの構造については，後述 （第３章）で紹介するので，ここでは省略する。 2.3 ガスタービンの性能と基本サイクル(5)(6)(7) (1) 性能の基準 ガスタービンの性能は，大気状態特に温度と 圧力（大気圧）に大きな影響を受ける。例えば， 大気圧力が高く，また温度が低いほど空気の比 重が大きくなり，容積的（容積流量）には一定 であっても，重量が増える（重量流量が増加す る）ため，出力が大きくなる。したがって，ガ スタービンの標準出力を計算する大気条件は， 図2－2 ターボファンエンジンの基本構造 （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学 出版会，2006年３月） ＪＩＳ（JIS B 0128）で定められている。例え ば，温度15℃，圧力101.3kPa，相対湿度60％等 が定められている(6)_。 (2) ガスタービンサイクル ガスタービンサイクルの基本は，前図（図2 －1）にても示したが，改めてオープンサイク ルの単純ガスタービンサイクルのフローとサイ クルを示したのが，図2－3である。同図右の実 線は全て損失が無い理想サイクル（可逆断熱圧 縮・膨張）であるが，実際のガスタービンは， 圧縮機内部損失，タービン内部損失，圧力損失， 熱損失，機械損失などの影響を受け理想的サイ クルから外れ（不可逆過程），同図の破線のよ うな工程を描く。これが，実際のガスタービン サイクルの基本となる。 一方，ガスタービンサイクルとしては，上記 の単純ガスタービンサイクルが基本となるもの であるが，サイクルとしてはこれ以外に，再生 ガスタービンサイクル（タービン出口に熱交換 器を設置し燃焼用空気と熱交換を行う方式）， 再熱ガスタービンサイクル（燃焼器を一般に高 圧，中圧の２段階に設けた方式），あるいは中 間冷却ガスタービンサイクル（空気圧縮機の中 間に冷却器を設けた方式）等がある。その概念 を，それぞれ図2－4，図2－5および図2－6に示 す。 実際のサイクルは，これらの組み合わせにな っているものが多い。 ジェットノズル ファンタービン 燃焼器 タービン 圧縮機 ファン

(a) (b) 図2－3 単純ガスタービンサイクル (a) 基本構成，(b) Ｔ－ｓ線図 （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学出版会，2006年３月） 図2－4 再生ガスタービンサイクル (a) 基本構成，(b) Ｔ－ｓ線図 （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学出版会，2006年３月） 図2－5 再熱ガスタービンサイクル (a) 基本構成，(b) Ｔ－ｓ線図 （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学出版会，2006年３月） 加熱器(燃焼器) 圧縮機 タービン 出力 比エントロピーs 再生熱交換器 圧縮機 出力 タービン _{比エントロピーs} 温度 Ｔ 比エントロピーs 温度 Ｔ 圧縮機 燃焼器 再熱器 高圧タービン 低圧タービン 温度 Ｔ 燃焼器

(3) ガスタービンサイクルの性能 さて，ガスタービンサイクルの性能は，熱力 学の基礎式，定義式から容易に導かれる。 その基礎となるのが， ① 熱力学の第１法則 ② ガスの状態式 ③ 可逆断熱変化の式 等である(5)_。 これらの詳細は省略するが，実際のガスター ビンサイクルの性能を考えるときは，出力最大 の条件，サイクル全体としての高効率の条件が 重要な要因となる。以下，単純サイクルの場合 を例にとり説明する。まず，ガスタービンの理 想サイクル（ブレイトンサイクル）における代 表的な性能関連諸指標を次の式で示す(7)_。 圧力比 γ＝P2/P1 最高最低温度比 τ＝T3/T1 断熱圧縮温度比 θ＝T2ad/T1＝γκ-1/κ 無次元比出力 W＝(τ－θ)(1－θ-1₎ 熱効率 η＝1－θ-1_＝1－1/γκ-1/κ ここで，P2，P1あるいはT3，T1は，サイクル 行程に対応した場所の圧力あるいは温度を示し （図2－3参照），またκは比熱比（断熱指数） を意味する。 これらの指標を利用した比出力と熱効率の関 係は，その試算結果をグラフにて整理されたも のがあるが（例えば，文献(7)），本書ではそ の詳細は省略する。 実際のガスタービンサイクルでは，上述のよ うに理想サイクルから外れる（不可逆過程）が， その経路は上記の理想サイクルに圧縮機効率お よびタービン効率を加味することにより求めら れる。そこで，圧縮機効率およびタービン効率 をそれぞれ，ηcおよびηtで示すと実際のガス タービンの比出力および熱効率は，下記の式で 表される。 比出力＝CpT1｛ηtτ(1－1/γκ-1/κ)－(γκ-1/κ －1)/ηc｝ 熱効率＝｛ηtτ(1－1/γκ-1/κ)－(γκ-1/κ－1)/ ηc｝/｛(τ－1)－(γκ-1/κ－1)/ηc｝ ここに，ηt＝タービン効率（実際） ηc＝圧縮機効率（実際） 図2－7は，その関係を示したものである。 理想サイクルの熱効率は，圧力比（γ）の影 響が大きいが，ガスタービンサイクルでは，タ ービン入口温度と圧縮機入口温度の比（最高最 低温度比）（τ）の影響も大きく受けることが 判る。すなわち，τが大きくなれば，換言する とタービンの入口温度が高くなれば，比出力は 増し，熱効率も上昇するが，圧力比に関しては 熱効率を最大にする圧力比（最適圧力比）が存 図2－6 中間冷却ガスタービンサイクル (a) 基本構成，(b) Ｔ－ｓ線図 （出典：斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大学出版会，2006年３月） 燃焼器 低圧圧縮機 高圧圧縮機 中間冷却器 出力 タービン 比エントロピーs 温度 Ｔ

在し，その値を超えると逆に熱効率が下がる傾 向がある(5)(7)_。 2.4 ガスタービンの諸特性(7)(8) (1) 熱効率あるいは比出力の相違による適性 ガスタービンを適用する場合，以上の特性を 理解してその特徴を生かすことが必要である。 例えば，航空機用では，ガスタービンサイク ル単体としての熱効率が最大である点が望まし く，そのために圧力比（γ）が極力高く，次い で最高最低温度比（τ）の高い値が求められる。 その結果，現状のガスタービン効率は，約35～ 42％程度（LHV基準）といわれる。 一方，発電用は，ほとんどコンバインドサイ クルとしての適用であるため，ガスタービン単 独性能より後流の蒸気タービンの性能を組み合 わせた総合性能が求められる。 そのためには，ガスタービンの（単体効率が 大きいことより）比出力が大きい方が望ましい とされている。最近の，大型ガスタービンの例 では，比出力が450kW／kg／s以上のものも出現 し，またコンバインドプラントとしての総合発 電効率も，前述のように60％（LHV基 準）のものも出現してきた(7)_。 (2) 大気温度特性 上述のようにガスタービンの効率と 出 力 に お い て は ， 最 高 最 低 温 度 比 （τ）の影響が大きいことを述べたが， これはガスタービン温度と圧縮機入口 温度の比であり，したがって圧縮機入 口温度すなわち大気温度の大小によっ ても大きな影響を受けることを示す。 一般に，大気温度が１℃上昇すると， ガスタービンの出力は0.6～0.8％程度 低下し，それに相応して熱効率も低下 するといわわる(7)_{。図2－8にその概要} を示す。 図2－8 出力と効率の大気温度特性 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1241） 2.5 コンバインドサイクルの基本的構成 次に，そのＬＮＧコンバインドサイクルの形 式がどのようなものがあるか，さらにガスター ビン技術開発と出力規模の関係から，その適用 の考え方を述べる。 (1) コンバインドプラントの形式(8) コンバインドプラントのサイクル形式は， 図2－7 ガスタービンサイクルの無次元化特性 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」，火力原子力発 電Vol.55 No.11，2004.11，P1241）

「排熱回収サイクル」，「排気再燃サイクル」 および「過給（ボイラ）サイクル」等が挙げら れる。 「排熱回収サイクル」（図2－9参照）は，ガ スタービン排気をその後流（一般にガスタービ ン排ガス出口に直結して）に配置された排熱回 収ボイラに導いて蒸気を発生させ，蒸気タービ ンで動力を回収するとともに，ガスタービン出 力と合わせて全体出力を得る発電方式である。 通常，排熱回収ボイラでは，追い焚きなどの燃 料を利用せず，したがって排熱回収ボイラの蒸 気条件がガスタービン出口ガスの温度条件に左 右されるため，ガスタービンの温度が低い初期 のコンバインドプラントでは次に述べる他の方 式より効率が低かったが，近年のガスタービン の温度上昇（および同排気ガスの温度上昇）と ともにガスタービンによる出力も増え，またガ スタービン排気ガス温度の上昇により蒸気ター ビンの蒸気条件も向上し全体的に発電効率が上 昇してきていること，さらに系統構成がコンパ クトであるという特徴もあり，最近のコンバイ ンドサイクル（特に日本およびアメリカにおい て）主流となってきているものである。 「排気再燃サイクル」（図2－10参照）は， ガスタービン排気を（通常従来型の既存ボイラ に導き）ボイラ燃焼用の空気の一部として利用 するものである。なお，既存ボイラでは，従来 通り燃料を燃焼あるいはガスタービン排気ガス の導入に伴う燃料の追い焚きが必要なこともあ り，原理的にガスタービンのみに燃料を投入す る場合（例えば「排熱回収サイクル」に比べ） 効率は適わない。しかし，既存のＬＮＧ燃焼ボ イラを活用し，さらに出力増強（リパワリン グ）する場合にはすぐれた方式であり，現在も 条件によって利用されている。 「過 給（ ボイラ ）サ イクル 」（ 図2－11参 照）は，（加圧の）過給ボイラを燃焼器と見立 て，そのボイラ排ガス（燃焼器排ガス）をガス タービンに導いて熱回収する方法である。ガス タービンの燃焼器が（加圧）ボイラとなってお り，ガスタービンの温度が比較的低い場合でも ボイラの蒸気条件（圧力，温度）は高くとれ， そのため効率面でも（例えば，排熱回収方式よ り）すぐれていた場合もあった。しかし，上述 のように近年のガスタービン温度の高温化とと もに排熱回収サイクルの効率が上昇したためそ の特徴がなくなり，一方では加圧ボイラ構造に 図2－9 排熱回収サイクルのフロー （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン ド サ イ ク ル の 計 画 ・ 運 転 ・ 保 守 」 ， オ ー ム 社，2002年） 図2－10 排気再燃サイクルのフロー （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン ド サ イ ク ル の 計 画 ・ 運 転 ・ 保 守 」 ， オ ー ム 社，2002年） 図2－11 過給ボイラサイクルのフロー （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン ド サ イ ク ル の 計 画 ・ 運 転 ・ 保 守 」 ， オ ー ム 社，2002年）

よる建設費の増大もあり，現在ではＬＮＧコン バインドプラントとしては，ほとんど採用され なくなった。

ただし，石炭とガスタービンとの組合せのひ とつである加圧流動層式コンバインドサイクル （ Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ ， Pressurized Fluidized Bed Combustion）は，原理的にこの方式であり，そ の意味では現在も利用されている方式である。 ガスタービン排気ガスの熱回収の方法として は，その他に，「排気助燃サイクル」（排熱回 収サイクルにおいて排熱回収ボイラの前に助燃 設備を設けたもの），「給水加熱サイクル」 （ガスタービン排気ガスを既設火力の給水加熱 用として利用），あるいは回収ボイラ等で発生 した蒸気を地域の暖冷房用熱として供給する 「熱併給サイクル」等があるが，紙数の関係も ありその詳細は省略する。

３ ガスタービンの主要構成技術

ガスタービン技術の発展は，高温化技術にと もなう性能（特に効率）向上とシステム自体の 実用性（信頼性，運転保守特性，経済性等）向 上の２面からの発展の成果と見ることができる。 高温化技術は，冷却方法の発展と材料開発等に よるものであり，実用性向上は，とりもなおさ ずガスタービンシステムおよびその構成機器の 実用性，信頼性向上等を意味する。高温化技術 の内容については，第５章で述べるので，ここ では実用性関連技術としてガスタービン技術の 中核技術である圧縮機，高温燃焼器，タービン の３大構成技術を取り上げその概要を紹介する。 まず，全体の構造を把握する意味で図3－1お よび図3－2に発電用ガスタービンの鳥瞰図と構 造例を示す(6)_。 次に各主要構成機器の技術概要を述べるが， これらはあくまで一般的な技術の紹介であり， 当然のことながらメーカによりその内容は大き く異なるものであることを付言したい。 図3－1 発電用ガスタービンの鳥瞰図 （出典：火力発電総論「８．ガスタービン発電設備」，オーム社，2002年） 燃焼器 タービン 圧縮機 車軸

3.1 圧縮機(7) 圧縮機としては一般に，軸流圧縮機や遠心圧 縮機などがあるが，現在一般的に高圧・大容量 のガスタービンにおいては，多段の軸流圧縮機， 小型の圧縮機の場合は，遠心圧縮機が採用され る。 まず軸流圧縮機の場合を説明する。圧縮機の 構成としては，一般に動翼と静翼が交互に対に なって配置される。動翼はそれ自体が回転し流 体にエネルギーを与える役割をなし，静翼はこ の流体を減速して圧力上昇させる役割をなす。 当然のことながら，軸流圧縮機の空気流路サイ ズは後方に行くにつれ流体の圧力が上昇するの で小さくなる。軸流圧縮機の場合，一般的に起 動時に中間段での抽気を実施する。これにより 起動時に不足しがちな上流段における吸い込み 空気による軸流速度を確保する。図3－3は，こ れらの概念を示したものである(7)_。 図3－3 圧縮機抽気の概念図 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1242） 軸流圧縮機で特に高い圧力を要求される場合 には，圧縮空気を途中で抜き外部の冷却器で冷 却したあと，再び流路に戻す方法が採用される が（これは前章で述べた「中問冷却」方式に相 当），これにより，圧縮動力の低減が図れる。 一方，小型ガスタービンの圧縮機は，一般に 遠心圧縮機が採用される。その主な理由は，上 述のような軸流圧縮機で見られるシステムの煩 雑さを避け装置をよりコンパクトにするためで ある。 3.2 燃焼器(6)(7) (1) 燃焼器の基本的形状 燃焼器には，高温で高効率燃焼および安定的 燃焼の役割に加え，NOx排出量の低減，出口温 度の平準化とともに，昨今の高温燃焼に伴う信 頼性，耐久性の確保が必要とされる。 燃焼器には，「アニュラー形」，「キャニュ ラー形（缶形）」，および「サイロ形」などの 形状がある。図3－4にそれぞれの概要を示す。 アニュラー形は，周囲に燃焼器をドーナツ型 で配した形であり，燃焼ガス分布が均等であり， 重量も低減できるが，一方，そのままの状態で 分解点検が出来ないため，定期的に環状の構成 部品を分解点検することが必要となる。これら の特徴は，航空機エンジンに向いているといわ れる。 図3－2 発電用大容量ガスタービンの構造例（Ｆ７ＦＡ断面図） （出典：火力原子力発電必携（第７版），火力原子力発電技術協会，平成19年３月(P390)）

図3－4 各種燃焼器の形式 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1244） 一方，キャニュラー形（缶形）は，（個々 の）筒型燃焼器を周囲に配置したものであり， 燃焼ガスの均一分布性はアニュラ型ほどではな いにしても良好な特性を有している。一方，燃 焼器部分の重量はアニュラ形より増えるが，燃 焼器単品での分解交換が可能なため，発電用に 適しているといわれる。 サイロ形は，大きなサイロ形状燃焼器を配し たもので，燃焼ガスの均一分布という点ではも っとも劣るが，燃焼時間を比較的長く取れるた め，低カロリーガスなど燃えにくい燃料の燃焼 に向いている。 上述のようにそれぞれの特徴を持っているの で，ガスタービンの用途，燃料の種類等の条件 に応じ，その特徴を生かした燃焼器の選択が要 求される。 (2) 燃焼器の構造 燃焼器の構造を，発電用として採用が多いキ ャニュラー形を例にとって紹介する。その構造 は一般に薄い超合金の板金構造が主に用いられ， 燃焼ガス温度の上昇につれ，冷却空気を板金構 造（２重板金構造）の間に導入する等の冷却方 式が採用される（図3－5参照）(6)_{。一方，大型} のサイロ型またはアニュラー型の一部には，上 述の冷却方式の代わりに燃焼器の内側にセラミ ック等の耐熱タイルを張ったものもある。 図3－5 燃焼器内部の空気の流れ （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1244） (3) 燃焼方式 近年ガスタービンの燃焼器に対する要求とし ては，高温化にともなう「低NOx化」と「安定 燃焼」の両特性の確保が必要とされる。 燃焼方式に関しては，従来より採用されてき た「拡散燃焼」と近年の燃焼方式である「予混 合燃焼」がある。「予混合燃焼」方式は，火炎 温度を抑えながら燃焼が可能なため「低NOx 化」に対してすぐれているが，燃焼の安定範囲 の幅が狭く不安定になりやすい問題を抱える。 一方，「拡散燃焼」は可燃範囲が広く火炎は安 定しているが，発生NOxレベルが高い等問題を 抱える。そこで，最近の低NOx燃焼方法として は，両者の特徴を組み合わせたハイブリッド型 の採用が多く見られるようになって来た。図3 －6に，「拡散燃焼」と「予混合燃焼」方式の 空気比に対するNOx値及び安定燃焼域の概要を 示す。いずれにしても，最近の高温燃焼器にお いては，火炎温度のピークを極力抑え，燃焼器

図3－6 空気比に対するNOx値＆安定燃焼域 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1245） 出口の温度分布の平均化が求められる一方，高 温燃焼器特有の空気・燃料の混合比率が限られ るため不安定燃焼に陥りやすい等の課題があり， これを如何に解決するかが燃焼上の大きな課題 である。 3.3 タービン(6)(7) タービンは，前項の燃焼器出口からの高温燃 焼ガスの熱エネルギーを動力に変換するガスタ ービンの核になる部分である。その発生出力で， 空気圧縮機を駆動するとともに発電機も駆動し て電気を発生させる。前述のように，最近のガ スタービンでは総発生出力のうち，おおよそ２ 分の１が圧縮機の駆動用に，残りの２分の１が 発電機駆動用に利用される。 タービンは，静止部（静翼とそれを保持する 車室等）と回転部（動翼とそれを保持するター ビン円板，車軸等。ロータとも称す。）から構 成される。 タービンには圧縮機と同じように軸流式と遠 心式の２種類があり，通常大規模向けには多段 の軸流式が，小規模向けには遠心式が採用され る。多段軸流式の基本構造は，静翼と動翼から 構成され，前者は，ガスの噴出方向を変換した り，増速流を作り出す役目，後者は運動エネル ギーを回転エネルギーに変換する役目を有す。 このようにタービンは燃焼器を出た高温・高 圧のガスを最初に受け，種々の運転条件の基に 最終的にエネルギーへの変換をおこなうという 熱的にも機械力学的にも非常に厳しい条件下に ある。従ってその構造は，次の点からの考慮が 要求される。 ① 冷却構造（部品の温度を許容値以下に抑え るため） ② 強度構造（力学的にガスより受ける力や遠 心力に耐えられるものとするため） ③ フレキシブルな構造（起動停止にともなう 大きな熱的変化を許容できるものとするた め） 特に，高温燃焼ガスを最初に受けるタービン 入口静翼は，非常な高温に曝されるため，一般 に冷却空気を利用して翼自体を冷却するととも に翼の内部から染み出させて翼表面を空気の層 で覆い高温ガスが直接翼に当たらないようにし たり，あるいは熱伝導の低い素材（セラミック など）を表面にコーティングして熱伝導を抑え， 翼の温度を下げるなどの工夫をしている。図3 －7および図3－8にタービン翼の各種冷却方法 と冷却の効果との関係を示す(7)_。 図3－7 タービン翼の各種冷却方法 （出典：第６回ガスタービン学会教育シンポジウム資 料，日本ガスタービン学会，平成12年７月） 拡散燃焼 予混合燃焼 NOx （ pp m ）

冷却効率＝（ガス温度－固体壁温度）/（ガス温度－冷却媒体温度） （固体壁：タービン翼外被，燃焼器壁など） 図3－8 冷却空気流量と冷却効率 （出典：第６回ガスタービン学会教育シンポジウム資 料，日本ガスタービン学会，平成12年７月） それらの冷却構造特に冷却空気を通せるよう に翼内部では複雑な形状構造となる（図3－9参 照(6)_{）。これらの冷却空気は，前段の空気圧縮} 機の出口または中間段より取り出され利用され る。それに応じて圧縮機とタービン間を冷却空 気が往復・交差し，また各部の冷却空気の適切 な配分が要求されるので，配管系統は複雑にな らざるを得ないが，この点各メーカそれぞれの 工夫を凝らした配管設計がなされている。 次に，軸流タービンの概略構造を示す。 まず，回転部の構造であるが，回転部は通常 ディスク（動翼を植え込んだ円板）を重ねてそ れらをボルトで固定する方法がとられる（図3 －10）(7)_{。ディスクの外側には圧縮機の場合と} 同様に翼を植え込むための翼溝が彫ってあるが， タービン翼の場合は，圧縮機に比べ重量も重く また強固であることが求められるので，その固 定のために，通常翼溝はクリスマスツリー状と し，遠心力を分散して受ける形になっている （図3－11）(7)_{。一方，静翼は，内部に冷却空} 気通路配置の理由などから円筒形状部分と翼自 体が一体になった構造が一般的である。いずれ にしても最近では，動翼・静翼共に内部に複雑 な冷却空気の通路確保の重要性が増してきてい るため，その製作に当たっては精密鋳造が採用 されることが多い。 図3－9 タービン部の冷却構造例 空気冷却方式（GE型-FA型の例） （出典：火力原子力発電必携（第７版），火力原子力 発電技術協会，平成19年３月（P391）） 図3－10 ディスク通しボルト （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1246） 図3－11 クリスマスツリー型の翼根 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1247） 締付ボルト 半径方向歯車

COG 空気吹き 0 2 4 8 20 40 80 ガス化ガス 酸素吹き _{LPG & B-Bｶﾞｽ} 酸素吹き 窒素混合 天然ｶﾞｽ&製油所ｶﾞｽ 製油所ｶﾞｽ &坑内ｶﾞｽ BFG/LDG/COG 混合ｶﾞｽ BFG 製鉄所副生ｶﾞｽ 燃料発熱量 MJ/m3_N 燃焼速度

４ ガスタービンの燃料と

適用状況

(3)(9)(10)(11) 4.1 概 要(9) 先に紹介したようにガスタービンの歴史は， 航空機用エンジンでの利用を先導として，その 装置規模に対する出力が大きい，高速起動が可 能等により，陸用でも使用されるようになり， 初期の予備機としての役割から，その後長期運 転にも耐える運転信頼性の増加とともに，広く 陸用発電用としても利用されるようになった。 とりわけ，ガスタービンの燃焼器温度の上昇と ともに，出力および効率も上昇し，今や火力発 電設備の主流を占めるようになった。 それらの燃料は，航空用であるなら航空用燃 料，発電用ならＬＮＧあるいは燃料油等いわゆ る高品質燃料を使ったものであった。しかし， ガスタービンの特徴を生かす原動機あるいは発 電方式の拡大から，最近その燃料の対象範囲が 拡大されてきている。そこで本章では，ＬＮＧ 以外でガスタービン用燃料として最近注目され ている燃料および同適用技術の動向を紹介する。 4.2 ガスタービンの適用燃料概説 ガスタービンの燃料としては，一般に天然ガ ス，軽油，灯油等，いわゆる高カロリー燃料が， 一般的に使用されてきた。しかし，近年，製鉄 所副生ガス，石炭ガス化ガスなどいわゆる低カ ロリーガスも適用燃料の対象とされるようにな り，既に多くの実績も得られてきた。また，デ ュアル燃料と称して，例えば製鉄所副生ガスと 重油の混合利用などの利用も行われている。図 4－1は国内メーカの事例ではあるが，ガスター ビンに適用した燃料ガスの実績を示したもので ある(11)_。 一方，高カロリーあるいは低カロリーであれ， 燃料の性状から高品質，低品質燃料という区分 がある。例えば，同じガスタービン用燃料油と いっても，航空用燃料と陸用燃料とはその性状 要求値が異なる。例えば，Ｖ，Na等の腐食性成 分，Ｓ，アンモニア等の環境汚染成分，あるい は灰分等機器侵食へ影響する成分の大小で，高 品質あるいは低品質燃料に分けられる。特に問 題となるのはＶ，Na等のよる高温腐食成分とい われるが，その対策の例としては，Na等のアル カリ金属は水溶性であることを利用して水洗し， Ｖは水溶化困難であるため（油溶性）その方法 では除去が困難であり，添加剤を投入して処理 する方法等が提案されている。 図4－1 燃料ガスの実績 （出典：小森豊明他，ＢＦＧ焚ガスタービンコンバイ ンドサイクルプラント，日本ガスタービン学 会誌Vol.34 No.5，2006.9） 4.3 高炉ガス焚き発電所(3)(11) (1) 概 要 既に何回か出てきているが，ここで改めて高 炉ガス（ＢＦＧ，Blast Furnace Gas）利用に おけるガスタービンの説明を行う。ＢＦＧは， 製鉄所の高炉から副生燃料として発生するガス （ＢＦＧ）で，可燃成分の主体は一酸化炭素で あり，窒素および炭酸ガス等不活性成分ガスの 割合が多く，その結果単位体積当りの発熱量は， 3.0MJ／m3_{NとＬＮＧの約10分の１（１／14～１} ／８）と低い。また，燃焼速度は遅く，可燃範 囲が狭いという特徴もある。したがって，ＢＦ Ｇ焚きガスタービンとしては，燃料制御システ ム，燃料供給システム，および燃焼器などに最 適設計が必要とされる。このためには，空気圧 縮機，燃焼器，およびタービンにおいてＢＦＧ

天然ガス焚（標準機） 空気 98% 吸気フィルター 燃料ｶﾞｽ母管 BFG焚 空気 吸気フィルター 73% 大容量 ｶﾞｽ圧縮機 圧縮機 タービン 発電機 燃焼器 _100%排ｶﾞｽ量 排ｶﾞｽ 燃料量2% 燃料ｶﾞｽ母管 発電機 圧縮機 排ｶﾞｽ量 100% 排ｶﾞｽ ｶﾞｽ冷却器 燃料量 27% 翼高さの見直し タービン HRSG 空気ﾊﾞｲﾊﾟｽ弁 増速ｷﾞﾔ 湿式E/P HRSG の特性に応じた的確な機器選定と組合せが必要 とされる。図4－2に天然ガス焚き用と比較して のＢＦＧ焚きガスタービンの構成と主要な空気， ＢＦＧ及び燃焼ガス流量バランスの概要を示す。 そのような配慮がなされて現在は，次項にて のべるように既に国内外で多数の実績が得られ るようになった(11)_。 なお，ＢＦＧに加え発熱量が高くやはり製鉄 所から副生的に排出されるコークス炉ガス（発 熱量19MJ／m3_{N）を混合したガス（これを増熱} ＢＦＧと称す）にして，より燃焼の安定性を増 す場合もある。 図4－2 天然ガス焚きとＢＦＧ焚きのフローバ ランス （出典：小森豊明他，ＢＦＧ焚ガスタービンコンバイ ンドサイクルプラント，日本ガスタービン学 会誌Vol.34 No.5，2006.9） (2) 導入普及状況 日本で最初のＢＦＧガスタービンの実用機は， 1958年八幡製鉄所納入の850kW機に始まるとい われる。しかし，本格的に開発が行われたのは， 1970年代になってからといわれる。その後ガス タービン温度の上昇（1,000℃，1,150℃等）に ともない，出力も10MW級，100MW級へと増大し， 1980 年 初 頭 に 150MW 級 が 実 用 化 さ れ ， 最 新 鋭 （例，2004年に運転開始した君津共同火力）ガ スタービンコンバインドプラントの場合，ガス タービン温度1,300℃級で同出力180MW（蒸気タ ー ビ ン と 合 わ せ た 複 合 発 電 総 出 力 は ， 約 300MW）にも達するようになった。なお，同種 技術は，既に国内で多くの実績が得られている が，近年海外においてもその実績・経験を生か して製作された機器が納入されている(11)_。 (3) ＢＦＧ焚き用ガスタービン 先ずＢＦＧの圧縮機について概説すると，Ｂ ＦＧの供給圧は高炉の運転圧力の関係から低く， 従ってガスタービンで燃焼用として利用するた めにはガス圧縮機で圧縮する必要がある。その ため，高炉ガス焚きガスタービンシステムでは， ガスの圧縮と空気の圧縮と圧縮機が２台必要と なる。一般にガス圧縮機，蒸気タービン，発電 機とガスタービン（空気圧縮含む），およびギ 図4－3 ＢＦＧ焚きガスタービン構成例 （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発電Vol.54 No.10，2003.10，P1184）

ア（変速装置）は１軸にて構成される。このた めには，高速で大容量に対応可能な強度を持っ たシャフトの設計が重要とされる。図4－3はそ の構成例を示したものである(3)_。 なお，個々の機器の設計に際しては，豊富な 実績を有す天然ガス焚きとの比較の基に，上記 図（図4－2）に示す流量バランスの相違に対応 して変更が加えられてきた。例えば，ガスター ビンの出口流量を天然ガス焚きガスタービン （標準機）とあわせた場合，ＢＦＧ焚きでは， 空気量が少ない分，空気圧縮機部分の翼高さを その量に応じてカットするなどの変更を加える ことにより極力標準機を部分的変更により採用 する方向が取られてきた。 なお燃焼器は，開発当初はサイロ型が採用さ れたが，ガスタービン温度の高温化に伴い燃焼 器の冷却性能の相違から，マルチキャン型燃焼 器のガスタービンヘと進んでいったメーカもあ る(3)(11)_{。一方，環境特性，特にNOx特性は，高} 炉ガス特有の低カロリーの燃焼特性上一般に低 NOxの達成が容易であり，一例として全負荷範 囲でNOxが１～２ppm（15％O2）以下を実証した 事例も発表されている(3)_。 4.4 石炭ガス化複合発電(3)(12)(13) (1) 石炭ガス化複合発電の狙い 石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ： Integrated Coal Gasification Combined Cycle Power Plant）とは，石炭をガス化させ ることにより，高効率特性を有すコンバインド サイクルへの適用を可能とするものである。石 炭は，ＬＮＧあるいは重油に比べ格段に埋蔵量 が多く，またその世界の産地も偏在してないこ ともあり，石油危機当時から将来の有望発電用 燃料の一つとして位置づけられてきた。しかし， 石炭はCO2発生量が多い（単位熱量あたり天然 ガスの1.5倍），さらにSOx，ばいじん量など環 境面における燃料特有の課題を抱えており，高 効率化面と環境特性面から従来方式である微粉 炭直接燃焼方式より優れた特性を有する石炭ガ ス化方式の開発が期待された。例えば，従来方 式の場合，現在運転中の最新鋭微粉炭火力であ る超々臨界圧火力発電（ＵＳＣ：Ultra Super Critical）においても，発電効率（送電端， LHVベース）は42％程度である。一方，ＩＧＣ Ｃの場合，1,500℃級のガスタービンと組み合 わせた場合を想定すると，同効率は48～50％が 実現可能とされる。このように，石炭を使いな がら高い発電効率が可能となることは，その分 燃料節減およびCO2低減がはかれ，さらにガス 化方式の種類にもよるが，石炭灰が溶融スラグ 状でとりだせるため，灰の容積面あるいは環境 面でも優れた可能性を秘めている。 また，将来CO2隔離方式が普及すると，従来 型微粉炭火力の燃焼排ガス中よりCO2を回収す る場合に比べ，ＩＧＣＣの場合（ガス化ガスか ら）の回収は，加圧状態である，処理ガス量が 小さい，CO2濃度が高い等の理由からCO2除去に 際しての所要動力が小さく，また経済的にも有 利と考えられている。 (2) 開発状況(12)(13) 先ず海外の開発状況を述べる。上述のように 石油危機を契機として，欧米において各種形式 炉（噴流床，流動床，固定床等）の開発が進め られた。それらの中で現在，実用化に至った炉 はほとんどが噴流床方式であり，今や数箇所に おいて300MW級ＩＧＣＣが商用機として運転さ れている。ただし，これらのプラントは，高効 率化を余り重視してないためか，その効率は余 り高くなく，また天然ガスを補助燃料として利 用しているにもかかわらず，その運転による利 用率は約60～80％にとどまっている。最近，石 油価格の高騰もさることながら，天然ガス価格 も上昇する傾向を反映し，石炭火力が再び注目 されてきているが，その中でＩＧＣＣが高効率 と環境の面から注目されてきている。その規模 も，600MW以上の大型火力発電所として，2010 年頃の運転開始を目指した計画が進められてい る。

わが国では，商用化前の実証試験プラントに よる最終確認段階にきている。同実証試験プラ ント（ＩＧＣＣ実証プラント）としては，(株) クリーンコールパワー研究所（電力会社の共同 による設立会社）が，国および電力会社等（９ 電力会社，電力中央研究所および電源開発）の 支援・協力を受けて国家プロジェクトとして， 現在発電出力250MW規模のプラントを建設中で あり，2007年秋から試験が開始される予定とな っている。なお，石炭をガス化する場合，上述 のように海外の商用規模ＩＧＣＣはほとんど酸 素を使用しているが，その方がガス化反応自体 は容易であるという特徴を有す一方，機器構成 がやや複雑となることおよび酸素製造に要する 動力が大きくなるという課題を抱える。上記Ｉ ＧＣＣ実証プラントのガス化炉は，ガス化剤を 空気とし，さらに微粉炭を乾式（水スラリーな ど流体化せず）加圧供給することにより，高効 率化を狙ったものである。これは，電力中央研 究所と三菱重工業が，1982年度から共同研究に て開発した，石炭処理量２ｔ／日規模の空気吹 き・加圧ガス化技術が基となり，さらにその次 段階である国家プロジェクトによる200ｔ／日 規模パイロットプラントによる運転研究（1986 ～1996年度）を受けて，設計・建設が進められ ているものである(13)_{。なお，ＩＧＣＣ実証プ} ラントでは，実証機のためガスタービン温度は 1,250℃が採用されているため，発電効率（送 電端，LHVベース）は42％の計画値となってい る。これでも，上述のように最新鋭超々臨界圧 石炭火力とほぼ同等のレベルである。ＩＧＣＣ 実証機の概要と完成予想図をそれぞれ，表4－1 および図4－4に示す(12)_。 なお，わが国の発電用石炭ガス化としては， この他さらに高効率を狙った将来の方式として 石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ）の研 究開発も行われている。石炭ガス化炉からの精 製ガスを燃料電池に投入し直接発電を行うとと もに，その後流にガスタービンと蒸気タービン を置き熱回収向上を図り，これにより例えば発 表4－1 ＩＧＣＣ実証機の概要 （出典：太田一広，石炭ガス化複合発電，日本ガスタ ービン学会誌Vol.34, No.5, 2006,9） 図4－4 ＩＧＣＣ完成予想図 （出典：太田一広，石炭ガス化複合発電，日本ガスタ ービン学会誌Vol.34, No.5, 2006,9） 電効率（送電端，LHV基準）で55％以上が予想 されている。また，同ＩＧＦＣ用の要素技術と して多目的石炭ガス化製造技術（ＥＡＧＬＥ） の技術開発が，国およびＮＥＤＯの補助を受け て，電源開発(株)が実施者となり，石炭処理量 150ｔ／日規模にて研究開発が進められている （1995年～2006年）。 (3) ＩＧＣＣ用ガスタービン 次にＩＧＣＣにおけるガスタービンについて 述べると，（空気吹き）石炭ガス化ガスの発熱 量は，ＬＮＧに比べ，約10分の１と低く，高炉 ガス（ＢＦＧ）に比べ約１割高い程度のいわゆ る低カロリーガスである。またアルカリ金属と ばいじん含有量は一般に多い。ただし，発熱量

は低いが，ＢＦＧに比べ（またＬＮＧに比べて も），水素分が多いため可燃範囲が広く，燃焼 の安定性はＢＦＧの場合より得やすい。石炭ガ ス化ガス（空気吹き）の組成例をＬＮＧおよび 高炉ガスとの対比において表4－2に示す(12)_。 この比較からも把握できるように石炭ガス化ガ ス用ガスタービンとしては，既に多くの実績が あるＢＦＧガスの経験を有効に活用できる。な お，燃料性状と環境特性の観点から述べると， 低カロリーであるために，燃焼温度が低く（理 論断熱火炎温度で約1,700℃。これは天然ガス の場合の約2,200℃に比べ約500℃低い），低 NOx燃焼が比較的容易であるという特徴を有す。 一方，石炭ガス化の生成ガス中には，一般にア ンモニア成分が含まれるが，ガス精製方式で十 分除去できない時には，ガスタービン燃焼器で のフュエルNOx低減対策技術がNOx対策上重要と なるといわれる(14)_。 表4－2 ガスタービン燃料ガス性状例 （出典：太田一広，石炭ガス化複合発電，日本ガスタ ービン学会誌Vol.34, No.5, 2006,9）

５ ガスタービンの

開発課題と動向

(3)(9)(10)(15) 5.1 概 要 先のガスタービンの開発の歴史の概要に触れ たように，近年特に石油代替エネルギーとして のガス燃料（主にＬＮＧ）の利用が急速に進展 する中で，ＬＮＧ利用火力発電設備としては， 今やガスタービン技術を中心としたコンバイン ドプラントが主流となってきた。その主な理由 は，ガスタービン温度の高温化に伴い発電効率 が飛躍的に上昇してきたことがあげられる。も ちろん，それ以外にも，急速起動・停止が容易， 負荷変化が容易，建設費が安い，建設期間が短 いなどの理由もあげられよう。しかし一方では， その発展特に高温化発展の背景には，さまざま な技術課題が発生した。それらの課題は関係者 の努力，協力の結集により，着実に解決，ある いは実証試験等で検証され，発電用機器として 信頼するに耐える技術として構築されてきた。 しかし，それらの中には，更なる高効率化ある いは高温部品の長寿命化など今なお開発中の技 術課題もある。 そこで本章では，それらの変遷の中で主要技 術がどのような課題を抱え，開発されてきたか， さらに現在および将来の取組みの概要を述べる。 5.2 冷却技術の変遷(3) 効率向上に最も大きな影響を及ぼすのが燃焼 ガス温度（燃焼器出口ガス温度）で，その上昇 の第１の背景として冷却技術の向上があげられ る。図5－1(3)_{に過去の空冷技術の推移を冷却効} 率で示す。（注，冷却効率の定義，基礎となる 冷却方法と冷却効率の関係は，前述図3－8参照 されたし。） なお実際適用される冷却方法は，ガスタービ ンメーカそれぞれの思想と技術により異なるも のであるが，ここでは最近一般的に見られる冷 却技術の傾向を示す。 ① 静翼：内面に冷却空気を衝突させて冷却効 果を上げたインピンジメント冷却， 対流冷却及びフィルム冷却の組合わ せ。 ② 動翼(内部)：数多く折り返した空気通路の 中を対流冷却させる方式（リターン フロー）とフィルム冷却の組み合わ せ。 ③ 動翼(前縁部)：最も厳しいところであり， シャワーヘッドと呼ばれる冷却空気 を噴出させる。さらにフィルム冷却 穴には，フィルムの効果を高めたシ ェイプトホールを採用する。 なお，これらの複雑な冷却構造は，主として 航空エンジンの技術から派生しているが，本格 図5－1 タービン空気冷却技術の推移 （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発電Vol.54 No.10，2003.10，P1178）

的に大型の発電用ガスタービンに適用できるよ うになったのは，精密鋳造技術の進歩によると ころが大きいといわれる。 5.3 耐熱材料技術の変遷(3) 耐熱材料の進歩も高温化の進歩には欠かせな い技術要素である。 一般に耐熱合金といえば，Fe基，Co基，Ni基 のどれを主成分とするかで，その耐熱性，耐腐 食性に相違があるが，ガスタービンに関しては， 現在ではNi基が中心となって，AlやTiなどを添 加した超耐熱合金を精密鋳造で製造する方法が 一般的である。また，鋳造方法に工夫を凝らし て（結晶制御を行うことにより）一方向凝固， あるいは単結晶の材料が得られるが，こうする ことによりクリープ強度，熱疲労強度が普通の 鋳造に比べ大幅に上昇するため単に材料の選択 のみでなくこれらの結晶構造の採用もあわせて 考慮されている。これらは，特にタービンの前 方段動翼に採用されることが多い。さらなる耐 高温化材料として酸化物分散強化型合金が挙げ ら れ て い る 。 こ れ は ， 酸 化 イ ッ ト リ ウ ム （Y2O3）などの酸化物を微細化し，材料に分散 して強度を高めたものであり，Ni基合金よりさ らに高温特性が優れるといわれる。ただし，微 細素材を均一に材料中に混入することの技術的 な難易もあって，複雑な冷却空隙空気通路を有 す部材には（製造上の制約から）適用困難とい われるが，静止部への適用が期待される。さら に将来材料としては，金属間化合物，非金属系 のセラミック材（Ceramic Matrix Composite， Ｃ Ｍ Ｃ ） ， カ ー ボ ン カ ー ボ ン 材 （ Carbon-Carbon Composite）の適用が検討されている。 図5－2に，耐熱材料の耐用温度の推移を示す。 次に，遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating，ＴＢＣ）は，耐熱材料とともに高温 化の材料面の重要対策としてあげられる。ＴＢ Ｃは，ガス温度が上昇してもその熱遮蔽効果に よりメタル自体の温度上昇が抑えられるもので ある。その効果の概念を図5－3に示す。その適 図5－2 耐熱材料の耐用温度の推移 （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発 電Vol.54 No.10，2003.10，P1179） 図5－3 遮熱コーティングの構造模式図と温度 低減効果 （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発 電Vol.54 No.10，2003.10，P1180） 用に際しては，従来の燃焼器ライナーから，最 近ではタービン前翼への適用が進んでいる。 5.4 ガスタービンの主要構成要素技術の課題 と動向(3) 高効率化の一つの要因として，主要構成機器 の効率向上も挙げられる。ここでは，圧縮器， タービンおよび燃焼器を取り上げ説明する。圧 縮器およびタービンの効率についても近年改良