【ガスタービン】

中小型ガスタービンと WEB 性能計算ツール④

詳細診断プログラム 簡易診断での入力(選定)項目に加え,環境条件(大気温度,相対湿度,標高),燃料単 価,売電単価,年間運転時間,投資額,金利などを入力することにより,その環境条件でのプ ラント性能,収益性を計算。

図6に詳細診断結果の例を。

中小型ガスタービンと WEB 性能計算ツール③

自家発電の導入や発電事業への新規参入を検討されるお客様を対象に,初期 検討段階での中小型ガスタービンの選定,必要敷地面積,納期,経済性等の検討をサポートす るため,WEB による最適製品診断プログラムを開発し公開。

最適製品診断プログラムは,A) 簡易診断,B)詳細診断の2つから構成。

(http://www.mhps.com/products/gasturbines/diagnosis/index.html)

A) 簡易診断プログラム Hシリーズの製品ラインナップからどの機種が最もお客様の要求に合うのか,

WEB 画面の質 問に答える形の簡単な操作により,最適な機種を選定し,標準性能,標準配置図,標準納期, 代表的な売電収入モデルを提案。

クライアントの選定項目は,周波数(50Hz or 60Hz),プラン ト形態(シンプルサイクル,コンバインドサイクル or コジェネレーション),需要(必要発電量 or 必要蒸気量)又は供給可能な燃料量を,ボタン又はバーチャートを操作し選ぶ。簡易診断プロ グラムの操作,実行については,特に顧客登録は必要としないでつ。

図5に簡易診断結果の例でつ。

中小型ガスタービンと WEB 性能計算ツール②

H-25 形ガスタービンは,ヘビーデューティ型1軸形ガスタービン。

図1に H-25 形ガスタ ービンの断面図と上半ケーシングを開放した写真でつ。

1988 年の初号機運転開始(運開)以 降,国内外で合計 176 台の受注実績を有するでつ。

また,H-25 形の顧客及びプラント形態について 図2に。

H-25 形のお客様の約半数が石油・ガス業界の自家発であり,プラント形態としては シンプルサイクル,コジェネレーション及びコンバインドサイクルなど多用途に用いられているでつ。

H-25 形の納入先地域について図3。

多くのユニットが現在も継続運転しており,累計運転 時間は 630 万時間を越え,高い信頼性が確認。 

H-25 形の特徴は,

(1) ヘビーデューティ型であり,信頼性が高く,連続運転に適しているでつ。

(2) 水平分割式ケーシングや,多缶式燃焼器の採用により,メンテナンス性に優れ,現地での 高温部品の交換が容易。

(3) 燃料多様化技術として,天然ガス,軽油,LPG(Liquefied Petroleum Gas),副生ガス, COG(Coke Oven Gas:コークス炉ガス),バイオエタノール等の燃料への対応が可能。

H-25 形は初号機の運開から現在までに,燃焼温度上昇や空力,冷却性能の改善などの改良 を継続的に実施しており,開発当初に出力 25MW クラスであったものが,現在は 40MW クラスに なっているでつ。

H-25 の性能諸元を表1。 

中小型ガスタービンと WEB 性能計算ツール①

中小型ガスタービンであるHシリーズは 40MW 級として H-25 形,100~120MW 級として H-100 形がラインナップされており,産業用自家発電か ら発電事業用まで広く用いられているでつ。

また,H-100 形ガスタービンは2軸機の特長を活かし, LNG プラントでの圧縮機駆動用途への検討も行われているでつ。

H-25 形,H-100 形ガス タービンの製品紹介及び中小容量のガスタービンの適用を検討されているお客様向けに開発し た WEB 最適製品診断プログラムがあるでつ。

AIを活用した次世代火力運用サービスの協働開発について

AIを活用した国内外の火力発電所向け運用高度化サービスを協働で開発することとし、本日、基本合意書を締結。

今回の協働開発は、関西電力が持つ火力発電に関するO&M(注2)ノウハウや大量の運転データと、MHPSが持つ設計・製造・建設ノウハウを融合させ、最先端のAI技術を駆使することで、次世代の火力運用サービスの開発・展開を目指すもの。

具体的には、サービス対象となる実際の発電所の運転データとディープラーニング)等のAI技術を用いて、コンピュータ上にデジタル・ツイン(仮想発電所)を構築。その上で、燃料等の運転条件を変更した際の影響をデジタル・ツイン上で検証し、その検証結果を実際の発電所に適用することで、最適運用につなげるでつ。
平成29年度中に、ボイラ燃焼調整の最適化等のシステムを国内他社に先駆けて構築し、平成30年度中には、関西電力が保有する舞鶴発電所を対象として実証試験を実施。

実証試験後には、本システムを国内外の発電事業者向けにサービスとして提供していくことで、発電事業者が保有する火力発電所の運用高度化に貢献したいと考えているでつ。

両社は引き続き、それぞれの知見を活かし、最新のIoT(モノのインターネット)や、ディープラーニング等のAI技術を駆使した火力発電所の運用高度化サービスの開発を通じて事業拡大を図るとともに、社会インフラの高度化に貢献。

 

  1. Artificial Intelligenceの略で、人工知能のこと。
  2. Operation & Maintenanceの略で、発電所の運転・維持管理業務を行うこと。
  3. 深層学習のことで、AI技術の1つ。
  4. 実際の存在する機器を、そのままデジタル上に再現すること。

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事 ⑥

H-100 形ガスタービンは,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,開発を進めているでつ。

高圧ロータと低圧ロータが分離している2軸機の特長を活かし,機械駆動 用のドライバーにも適しており,Oil&Gas プラントへの適用も可能。

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事  ➄

リプレース前後におけるプラント性能を表2。

当初計画以上の性能を達成し,高効率化 に貢献したでつ。 

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事  ④

H-100形ガスタービンは,全世界に 170 台以上の出荷実績のある H-25 形ガスタービンの比例 拡大をベースにヘビーデューティ形としては世界最大容量の2軸型ガスタービンとして設計。

H-100 形シリーズには,60Hz 用と 50Hz 用の2タイプがあり,その基本仕様を表1。

ま た,図1に H-100形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。

H-100 形(50Hz)は,H-100 形(60Hz)に比べ,空気圧縮機風量及び燃焼温度を増加。

空気圧縮機は風量増加に伴い圧力比 20 に対応した 17 段の軸流圧縮機で,可変速運転に 対応。

燃焼器は多缶式 10 缶で,H-25 形ガスタービン等で実績のある乾式低 NOx 燃焼器 をベースに,燃料ガスと空気の混合特性を改善することで更なる低 NOx 化を実現。

タービンは軸流式で2軸型4段(高圧2段,低圧2段)の構造で,高圧タービンは H-100形(60Hz)の構 造を採用し,低圧タービンはタービン翼を最適化設計することで高効率化を図っているでつ。

出力は 118MW,ガスタービンの単体効率は 38.3%(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でつ。

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事 ③

リプレース工事の基本方針 2号系列1~7号(7軸)のガスタービンを,順次 H-100 形ガスタービンへリプレース。

リプレ ースに当たって,以下の条件を考慮。

(1) 既設設備を最大限流用し,更新範囲を最小範囲。

(2) 既設のガスタービン設置スペースに収め,周辺機器の流用を図ったでつ。

(3) 排熱回収ボイラ(HRSG),蒸気タービンを流用。なお,HRSG は,燃焼温度上昇によ り,HRSG 入口ガス温度が上昇することから高圧過熱器を一部改造し,既設蒸気条件と同 等。

(4) ガスタービンの更新に伴い,制御装置を一部改造。

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事 ②

東京電力フュエル&パワー(株)富津火力発電所2号系列は,商業運転開始から約 30 年を経 過。

既設の 1100℃級ガスタービンを H-100 形ガスタービンに短期間でリプレースし,高 効率化を達成。

今回納入した H-100形ガスタービンは,2010 年に初号機が営業運転を開始 した 60Hz 機での運転実績を反映して開発した 50Hz 機の初号機。

南アフリカ共和国クシレ発電所向けボイラー初号機を引き渡し出力80万kWの超臨界圧石炭火力発電設備が商業運転を開始

南アフリカ共和国の電力会社であるエスコム社(Eskom Holdings SOC Ltd.)が建設を進めるクシレ(Kusile)発電所向けボイラー初号機の引き渡しを完了し、同ボイラーの商業運転が開始。

2007年に受注した総発電出力960万kW(各発電所出力480万kW)となる世界最大級の大型石炭火力発電プロジェクトを支える超臨界圧ボイラーで、通算して3基目の引き渡し。

このボイラーは、同発電プロジェクトにおいて建設されるメデュピ(Medupi)発電所およびクシレ発電所に設置される石炭焚きボイラー計12基のうちの一つで、一基当たりの出力は80万kW。

超臨界圧技術を採用することにより、従来の石炭火力発電設備よりも高効率でCO2の排出量を削減することができるでつ。

2015年8月ならびに2017年4月にそれぞれ商業運転を開始したメデュピ発電所の2基のボイラーに続いて商業運転を開始。

 エスコム社は、クシレ1号機発電設備の商業運転開始見通しを2018年7月と公表。

建設工事の短縮に最大限力を注いだことで、約11ヵ月の繰り上げを実現。

エスコム社は南アフリカの近隣諸国にも電力を輸出しており、両発電所は、南アフリカとそれに隣接する国々の経済発展に大きく貢献することが期待。

両発電所プロジェクトの早期完工に向けて、引き続き残るボイラーの建設に注力し、着実に工事を進捗するでつ。

東京電力フュエル&パワー(株) 富津火力発電所2号系列 H-100 形ガスタービン換装工事 ①

H-100 形ガスタービンは,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。

このたび,東京電力 フュエル&パワー(株)富津火力発電所2号系列のリプレースとして,H-100形(50Hz)を採用。

リプレースを実施することにより発電プラントのプラント効率向上及び CO2 排出削減にも貢献し, 現在2号系列1号と5号の更新が完了し商業運転を実施。

SOFC-MGT ハイブリッドシステムの 市場導入に向けた取り組みについて

SOFC-MGT のハイブリッドシステムの商用化に向けて,国立大学法人九州大学へは実証機のプロトタイプ機を納入し,現在累積発電 10000 時間を超過。

更に,2015 年度からは,国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業にて,国内4か所に実証機を設置し,耐久性の検証,実負荷環境として起動停止試験や負荷変化試験などの市場投入に向けた実証を開始。

昨今,日本のエネルギー情勢は大きな転換期を迎え,高効率発電,電源セキュリティに対する意識が高まったでつ。

高効率な発電が可能な燃料電池を分散型電源として活用する場合,火力発電等の集中電源により構築された現状の電力基盤インフラをベースに,地点・容量共にベストミックスで組み合せていくことが重要。

また,日本における最終エネルギー消費は,産業部門が全体の 40%を超え,更に民生用の業務分野を加えると 60%強を占めていることになって,

業務産業分野の燃料電池の普及は,日本のエネルギー事情を改善させる大きな手段の1つ。

250kW 級の中容量分散型電源から,経済産業省主催の次世代火力協議会で示された大規模集中電源用のガスタービン燃料電池複合発電(GTFC)や石炭ガス化燃料電池複合発電(IGFC)に及ぶまで,非常に広い出力レンジで高効率が期待できる SOFC(固体酸化物形燃料電池)複合発電システムに着目し開発を進めるでつ。

円筒形SOFCの発電要素であるセルスタックの構造を図1に示す。セラミックス製の構造部材である基体管の外表面に,発電反応を行うセル(燃料極/電解質/空気極の積層体)を形成し,電子導電性セラミックスのインターコネクタでセル間を直列に接続。

このセルスタックを数百本束ねカートリッジを構成し,カートリッジを圧力容器の中に格納したものを SOFC モジュールと呼んでいるでつ(図2)。

本システムは,SOFC,マイクロガスタービン(MGT)や再循環ブロワ等から構成。

SOFC とMGT の2段階にて発電し,更に排ガス系統に排熱回収装置を設置することで,蒸気,温水を同時に供給するコージェネレーションシステムとすることが可能(図3)。

九州大学は,伊都キャンパス(福岡市西区)に,SOFC の本格普及につなげる産学連携の推進を目的に“次世代燃料電池産学連携研究センター(NEXT-FC)”を設立し,

グリーンアジア国際戦略総合特区“スマート燃料電池社会実証”での実証研究や,関連する SOFC の性能・耐久性・信頼性の向上のための基盤研究を進めているでつ。

MHPS では,SOFC-MGT ハイブリッドシステムのプロトタイプ機を九州大学へ納め,2015 年春から実証運転を開始。

本プロトタイプ機はモノジェネレーション仕様。

負荷上昇試験,冷態停止状態やホットスタンバイ状態からの再起動試験など各種試験を実施し,運転制御方法を確立し完全自動化。

また,本プロトタイプ機にて遠隔監視システムを構築し,リアルタイムで遠隔から運転状態を把握することができ,また操作も可能。

運転開始以来,地震(震度5弱),台風,豪雨,積雪や系統電力の停電など,様々な環境を経験したでつが,燃料電池が損傷することなく安定した発電を継続。

現在,累積 10000 時間以上の運転を達成し,今後も長期耐久性を検証。

NEDO の助成事業“固体酸化物形燃料電池を用いた業務用システムの技術実証”にて,市場投入に向けた実負荷環境での実証試験を開始。

 

実証サイトは,トヨタ自動車(株)・元町工場,日本特殊陶業(株)・小牧工場,東京ガス(株)・千住テクノステーション,大成建設(株)・技術センターの4地点(図4)。

なお,本助成事業は課題設定型事業で,各サイトにてそれぞれ主となる課題・検証項目を設定し,実証試験を行っている。各サイトでの実証内容は以下の通り。

いずれもコージェネレーション仕様であり,遠隔監視を実施。

トヨタ自動車実証機:低炭素社会に向けた発電設備として,工場の電力需要を想定した運用,また月に1回程度の起動停止を行い,電力需要の変化や起動停止による

性能・耐久性への影響の評価を行うでつ。

日本特殊陶業実証機:日本特殊陶業製セルスタックと MHPS 製セルスタックを搭載し,両社セルスタックの性能が均質であることを長期連続運転を通じて確認。

東京ガス実証機:DSS(Daily Start and Stop)運用を模擬したホット再起動,WSS(Weekly Startand Stop)運用を模擬した再起動など,起動停止の繰り返し試験を行い耐久性を評価。

また,ハイブリッドシステムの運用性拡大を目的とし,負荷変化や負荷追従性試験を行うでつ。

大成建設実証機:停電時も燃料の供給が可能であれば,継続して発電が可能な自立運転機能を有しているため,自立運転機能の確認や部分負荷での検証を行うでつ。

なお,上記3サイトの実証機に比べ,系統の簡素化,システムのコンパクト化(体積・長さが 23%縮小)を行い,システムのコスト低減を行ったでつ。

上記,4サイトでの実証結果を以って製品仕様を決定し,市場導入を図っていくでつ。

経済産業省の水素・燃料電池戦略ロードマップが 2014 年6月に策定され,その中で,業務用・産業用燃料電池の 2017 年度の市場導入が明言。

CO2排出量削減と電力の安定供給を両立させていくための実効性のある技術として,SOFC 複合発電システムを切り札と位置付け,着実に技術を確立するとともに早期実用化を進め,“安全で持続可能なエネルギー環境社会”の構築いくでつ。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発⑪

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) の助成事業として実施中の高効率ガスタービン技術実証事業(1700℃級ガスタービンの超高効 率化)の一部であり,実用化に必要な要素技術の開発と実証を目指した実機適用技術の開発を 実施中。

性能向上に関する各要素技術や,高温・高圧の過酷な条件での信頼性,製造や 検査に関する技術を開発。

技術検討や検証を経て,有効性が確認された最新技術の一 部は 1600℃級J形ガスタービンや次期高効率ガスタービンの開発に適用。

同時に,得ら れた長期運用データを研究内容に反映することにより,開発した技術の信頼性向上を図ってい るでつ。

これらの最新の複合発電技術の普及を通じて,火力発電所の CO2 削減に大きく貢献する所 存。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発⑩

ワイヤレスセンシングにおける無線給電技術 高速回転中の動翼を振動計測するために歪みデータを無線で送信。

この計測・送信に 必要な電力を無線で受電できるモジュールを開発(図 23)。

前面のアンテナから高周波電 力を受け同じモジュール内の歪み計測アンプとデータ送信機へ直流電圧を供給。

電池交 換が不要となり連続計測が可能。

高周波送電のため電磁誘導型より長距離でも送電でき ることが特長。

 翼内表面の欠陥検出技術 ガスタービン翼の欠陥検査において,冷却通路面側などの見えない位置の欠陥検出技術 は,タービン翼の信頼性確保の観点で重要な技術。

このため,翼外表面側から翼内 表面の欠陥を精度良く検査する手法として,超音波ビームの集束性を向上させたマトリクスアレ イ UT プローブを開発(図 24)。

実翼の検査では,三次元走査スキャナにUTプローブを装 着し,翼面を走査させることで内表面側の欠陥検査を迅速に行うことが可能(図 25)。 

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発⑨

高温部材の溶接補修技術は、 運転中に損傷を受けたタービン翼は,補修を行いながら設計寿命まで継続使用されており, 新開発の単結晶合金である MGA1700 の補修技術の確立が不可欠。

そこで,溶接補修 部を単結晶化できる溶接条件を検討するツールとして,数値シミュレーションを用いて溶接ビ ード形状を予測し,ビード内で単結晶組織が形成される領域を可視化する手法を検討。

溶 接手法は,母材との希釈を制御し易い LMD(Laser Metal Deposition,レーザ粉体肉盛溶接; 図 17)を用い,解析は汎用熱流体解析ソフト(Flow-3D)にて行ったでつ。

溶接材料には,MGA1700 合金母材と同一成分の粉末を用いたでつ。

溶接金属を母材と同じ結晶方位の単結晶組織とするには,溶融部境界における凝固時温 度勾配Gと凝固速度Rを適切に制御し G/R を大きくする必要。

そこで,解析により,母材 との融合界面で生成した単結晶組織が正常に成長できる領域を G/R 値の大きさから予測。

各溶接条件における健全成長領域の高さの予測結果を図 18 に示すでつ。

図中で,右下部の 施工条件域は溶接入熱過少のため,また左上部の施工条件域は溶接入熱過多のため,溶接 施工ができなかった領域。

溶接金属が母材と同じ結晶方位の単結晶組織となる領域を 大きくするには,レーザ出力を大きく,かつ溶接速度を小さくする傾向に制御すれば良いことが明らかとなったでつ。

解析により求めた適正条件を用いて LMD 施工を行った場合のビード断面組織を図 19 に示 すでつ。

溶接金属部分は健全な単結晶組織を呈しており,良好な結果が得られていることが確認。

 高温部材の 3D 積層造形技術 ガスタービン高温部品(動翼,静翼,分割環)の冷却空気量削減による母機性能向上を狙い とし,現工法では不可能な複雑冷却構造の 3D 金属積層造形技術を開発。

課題の一 つである造形物の材料強度を確保するため,材料組成の調整と造形・熱処理プロセスの適正 化に取り組み,高温環境での 3D 金属積層造形物の要求強度を確保(図 20)。

今後は,複 雑冷却構造の高精度造形技術の開発に取り組む計画。

 タービン翼材料及び鋳造技術 物質・材料研究機構(NIMS)と共同で単結晶翼向けの超耐熱材料開発を行い,クリープ強 度と熱疲労強度のどちらも良好な特性を有する単結晶合金である MGA1700 を開発 (図 21)。

本合金は高価なレニウムを含有せず,高強度を実現した画期的な合金。

また,上記材料開発に加え,方向凝固翼(一方向凝固翼と単結晶翼の総称)の鋳造プロセ スに関する各種鋳造シミュレーション技術を開発(図 22)。

これらシミュレーション技術を駆 使することで,鋳造欠陥の予測だけでなく,中子射出成形時の塑性流動挙動等,各プロセスを 事前予測可能となり,鋳造プロセス全体の条件最適化及び鋳物品質の向上を実現。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ⑧

1700℃級ガスタービンの開発を目指して,材料開発・溶射プロセスパラメータの最適化・実翼 施工プログラム開発・実機検証を一貫して行い,先進遮熱コーティング(以下 TBC, Thermal Barrier Coating)の開発し,更なる高性能化を実施。

これまで,電子構造に基づく材料計 算システムを用いて,低熱伝導で高温安定性に優れる候補材を机上検討し,その組成の焼結体 を試作・評価。

その結果,熱伝導率と高温安定性に優れる材料系を抽出したでつ。(図 15)。

産業用ガスタービンに用いられる TBC は,一般的に溶射法によって成膜されるため,新規材 料を用いる場合,溶射プロセスパラメータの最適化が必要。

そこで,溶射中の粒子状態量 計測や付着状態のその場観察を行なうとともに,成膜した TBC の熱伝導率・剥離耐久性・耐エロ ージョン性・耐酸化性等の皮膜性能評価に供し,相関性を把握するとともに,さらに,プロセス改良に反映することで,目標の皮膜性能を満足させたでつ。

なお,タービン高温部品は複雑な3次元形 状であるため,翼面全面を試験片と同様な理想的かつ均質な皮膜とするのは容易ではないでつ。

そ のため,事前に CAD を用いたロボットシミュレーションを行うことで,理想的な施工プログラムを得 た後に,実翼施工プログラムに反映し,切断調査により確認する手法を採用。

これにより,短 期間で,かつ良好な皮膜を実翼に施工する技術を開発。

開発した先進 TBC は実証発電設 備で長期検証し,試験片と同等の高い遮熱性と信頼性を有することを確認。

高炉ガス焚きGTCC発電設備向けにM701S(DA)X形ガスタービンと発電機を受注中国 鞍山鋼鉄集団有限公司の第2発電所

中国の鉄鋼企業である鞍山鋼鉄集団有限公司(Anshan Iron & Steel Group Corporation)の第2発電所向けにM701S(DA)X形ガスタービンおよび発電機を受注。

出力18万kW級の高炉ガス焚きガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備の中核機器となるもので、運転開始は2019年前半の予定。

今回のガスタービンおよび発電機は、鞍鋼集団国際経済貿易公司から受注したもの。

遼寧省鞍山市の製鉄所に隣接するボイラーを用いた既存発電設備を、高効率のGTCC発電設備に更新するプロジェクト向けで、高炉およびコークス炉から発生する副生ガスを有効利用して、工場内の電力の一部を賄う計画。

高炉ガス焚きGTCC発電設備は、M701S(DA)X形ガスタービン、排熱回収ボイラー、蒸気タービン、発電機、ガスコンプレッサー、各種補機などで構成。

このうち、ガスタービン、発電機、ガスコンプレッサーのほか、電気集じん機、減速機などの補機を供給。

取扱商社は三菱商事株式会社で、発電機は三菱電機株式会社製を採用。

2007年に中国初となる高炉ガス焚きGTCC発電設備を同発電所向けに納入しているほか、2008年にも営口地区の発電所に同様のGTCC発電設備を納入。

今回の受注は、当社ガスタービンの優れた性能とこれらの実績が高く評価されたことによるもの。
パリ協定を含む世界的な環境保全の流れを背景に、製鉄業界でもCO2排出量の削減が強く求められているでつ。

高炉ガス焚きGTCCは、製鉄所から発生する副生ガスを有効利用することで、環境負荷低減に力を発揮するだけでなく、エネルギーの有効利用にも大きく貢献。

高炉ガスは天然ガスに比べてカロリーが低く、安定燃焼には高度な技術が要求。

1980年代に専用の燃焼器を開発するなどして独自の高炉ガス焚きGTCC発電技術を確立、以来、国内外の製鉄所に数多く納入して、世界市場の6割超という世界トップのシェアを誇っているでつ。

今後も、エネルギーの有効利用と環境負荷の低減に貢献する高炉ガス焚きGTCC発電設備の受注活動を積極的に展開してるでつ。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ⑦

1700℃級ガスタービンではメタル温度の上昇により,高温強度の観点から,既に適用されてい る DS 材(一方向凝固材:Directionally Soldified)や,新たに SC 材(単結晶材:Single Crystal)の適 用が必要。

これらの材料は,鋳造時に結晶が特定の方向に成長している材料であり,強度 評価においては異方性を考慮する必要があるでつ。

一方,メタル温度の上昇とともに冷却が強化さ れ,特に冷却孔等の応力集中部では,高い応力が発生することから,信頼性が高く,なお且つ合 理的な熱疲労評価手法が求められるでつ。

これに対し,熱応力場での応力集中を模擬した試験片で の熱疲労試験(図 13)により,き裂発生寿命に対する結晶成長方向の影響や冷却孔の形状の影 響を確認しており(5),これらを熱疲労寿命評価手法へ反映する予定(図 14)。

そのほか,メタル温度が高い場合,材料強度の変化は避けられないため,このような高温下で も長時間の信頼性が要求されるでつ。

これに対しては,実機で高温長時間使用された場合を想定し た劣化模擬材での材料強度の確認や,運転後の劣化状態を定量的に評価する手法の開発を行 っているでつ。 

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ⑥

 タービン翼前縁部にはシャワーヘッドフィルム孔と呼ばれる冷却構造があり,比較的多くの冷却 空気流量が使われており,空気流量削減の余地があるでつ。

当該部の局所冷却効率を 計測することで,冷却構造に応じて,より適切な冷却構造を採用し,冷却空気流量低減や性能向 上が可能。

そこで,実機ガスタービンの燃焼器及び一段静翼を模擬した試験リグ(図 11)を用いて,静翼 前縁部周りのフィルム効率分布を取得(図 12)。

今後,本計測結果を元に更なる冷却空気流 量の削減検討を進めていく予定。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ➄

排気ディフューザ(図7)は,タービン翼下流に位置し,タービン翼出口流速を減速させ圧力を 大気圧まで回復させる役割を有するでつ。

これにより,排気ディフューザの上流に位置するタービン最 終段動翼の出口静圧は大気圧よりも低い圧力となり,実質的なタービン圧力比(膨張比)及び出 力が増加することでタービン効率を向上させる効果があるでつ。

そこで,更なる排気ディフュー ザ性能向上のため,先進大規模解析技術を適用したタービン・ディフューザ一体最適化により改 良コンセプトを検討し,排気ディフューザ要素試験により定格負荷条件での性能向上効果を検証 (図8)。

だけど,特に流れの旋回成分(スワール角)が大きくなる低負荷条件では,ディフューザ内筒 (ID)に大規模な剥離が生じるために排気ディフューザ性能が大きく低下(図8)。

この課題に 対し,流動解析と試験による流れ場の分析結果から,この大規模剥離には,ストラット間流路の内 筒壁面(ID 壁面)近傍に現れる渦構造が関係していることを明らかにしたでつ(図9)。

更にこの大規 模剥離は,同じ部分負荷条件であっても,ストラット間流路の渦構造を制御することにより効果的 に抑制できることを,流動解析及び試験で検証(図10)。 

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ④

ガスタービン開発の競争が激化しており,ガスタービン高効率化のため,燃焼温度の高温化に 取り組んでいるでつ。

それに伴い,温度上昇とともに増大する NOx 排出量の低減が急務。

低 NOx 化に対しては希薄予混合燃焼方式が有効であるでつが,予混合燃焼では火炎位置が安 定せず,発熱変動等に起因した燃焼振動が発生する傾向があるでつ。

そのため,予混合燃焼器の開 発では,予混合ガスの希薄化,均一化による低 NOx 化に加え,燃焼振動の抑制も大きな設計課 題。

これらの課題の対策のためには,実燃焼器内部の火炎の詳細な位置を把握し, 燃焼器設計に反映する必要があるでつが,高温高圧下の計測は困難であり,これまで実機条件下の 燃焼器内部の状況は不明。

そこで,光学計測と大規模非定常数値解析による火炎位置 評価技術を開発。

図5に光学計測技術の概要を示すでつ。

本計測技術では,燃焼器壁面に設置した光学プローブに より火炎からの発光を集光し,光電子増倍管で検出することで局所的な火炎の発熱量を推定す ることができるでつ。

さらに,プローブを複数設置することで燃焼器軸方向の発熱量の分布が計測可 能。

今回,耐圧・耐熱性を持ったプローブを開発することで実機条件・実スケール燃焼器を 対象に火炎分布を特定することができたでつ。

それと平行して,Large Eddy Simulation(LES)を採用した大規模非定常数値解析技術を開発 。

本解析技術では,非定常解析の適用により高精度に火炎を予測することが可能となったこれらの技術により,図6の比較結果のように計測,解析の二面から実機条件の火炎位置評価 が可能。

従来の定常解析結果は下流側でピークを示しているのに対し,今回開発した大 規模非定常解析手法では上流側でピークを示し,計測値と良い一致を示し,精度良く予測でき ていることが検証できたでつ。

これらの技術は,低 NOx 燃焼器の開発に現在活用中。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ③

 境界層制御高性能圧縮機の開発 でつなぁ~

タービン入口温度の上昇によるサイクル効率向上のため,圧縮機には現状より圧力比を増加 することが求められるでつ。

これを,従来機並みの段数,軸長で実現するためには圧縮機翼列の高負 荷化が必要となり,効率の低下,サージマージンの低下,起動安定性の低下に繋がる懸念があ るでつ。

このため,実機形状の細部までを模擬した高精度の数値流動解析手法を開発し,圧力比の 増加に伴う境界層の発達を増大させるメカニズムの把握とこれを制御するための改良設計案の検 討を進めているでつ。

さらに,実機のスケールモデル圧縮機を製作し,改良設計案の性能検証をする とともに数値流動解析の精度評価をして実機設計にフィードバックすることで,より信頼性の高い 圧縮機の開発につなげているでつ。

図3は,圧縮機前方8段を模擬した試験装置による低サイクル(低回転)条件での圧縮機不安 定(サージ)点を検証した結果。

翼の失速箇所の形状変更により目標流量を予測どおり満 足することを示すでつ。

図4は起動時に発生する旋回失速の失速セル数とその圧力変動振幅を検証したもので,予測どおり安定した起動特性を得ることができたでつ。

これらの技術を活用して,さらに高性能・高信頼性のガスタービン圧縮機の開発を進めているでつ。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ②

 温室効果ガスの排出を抑制するために革新的な技術開発が重要となってて,天然ガス利用 の高度化として超高温ガスタービンを用いた高効率火力発電技術の実用化を目指して,1700℃級 ガスタービンの実用化に必要な要素技術開発を国家プロジェクトとして実施。

超高温ガス タービン実現のための技術開発ロードマップを図1に示すでつ。

これまで,1700℃級ガスタービンの6要素(遮蔽コーティング,冷却技術,燃焼器,タービン,圧 縮機,耐熱材料)の技術開発を目指した PhaseⅠ(2004~2007 年)と,実用化を目指した Phase Ⅱ,Ⅲ(2008~2015 年)で技術開発を行ってきたでつ。

本プロジェクトで得られた成果は,1600℃級J 形ガスタービンや次期高効率ガスタービンの開発に反映。

現在も PhaseⅣとして,図2に 示すように,実機開発と製造・試運転に向け開発要素を 13 項目に増やし,技術開発を継続して 実施中。

このうち,幾つかの事例(図2で示す8項目)について,開発の状況とこ れまでに得られた成果を報告するでつ。

1700℃級超高温ガスタービンの要素技術の開発 ①

ガスタービン複合発電は,再生可能エネルギーと共存する最もクリーンで経済的な火力発電設 備として,長期的な市場拡大が予想されるでつ。

現在,更なる高性能化を図るために 1700℃級ガ スタービンの技術開発を国家プロジェクトとして実施しており,開発した最新技術の一部は世界初 の 1600℃級 J 形ガスタービンや次期高効率ガスタービンの開発に適用。

次 世代 1700℃級ガスタービンへの適用を目指した技術の事例も含めた開発状況を報告するでつ。

エジプト・カイロ発電公社(CEPC)からカイロ・ノース火力発電所の更新工事を受注既存天然ガス焚きGTCC設備を高出力・高効率化へ

エジプトのカイロ発電公社(CEPC:Cairo Electricity Production Company)から、カイロ・ノース(Cairo North)火力発電所の設備更新工事を受注。

M701F形ガスタービンを中核とする定格出力75万kWの天然ガス焚きガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備について出力向上および発電効率の改善、停止時間低減等をはかり、エジプト国内における電力の安定供給に寄与。

納入および運転開始は2018年度後半の予定。

今回対象のカイロ・ノース火力発電所は、首都カイロの北方約20kmに位置しており、CEPCが2005年から運営。

既存の設備は、三菱重工業株式会社がガスタービン発電関連設備を、株式会社日立製作所が蒸気タービン発電関連設備を納入したもので、2014年に両社の火力部門を統合し、当社を発足した後は、当社が同発電所のアフターサービスを引き継いでいるでつ。

運転開始からの長期にわたるアフターサービスを通して培った信頼性をお客様に高く評価頂いたことが、今回の受注につながったでつ。

更新工事の資金は、独立行政法人国際協力機構(JICA)の円借款(政府開発援助)により供与。

 

今回の更新工事は、当社のエジプト現地法人を通じて受注したもので、発電設備の効率を高めるため、M701F形ガスタービンのアップグレード部品、予備ローター、ならびに蒸気タービンや発電機の部品等を供給し、併せて、技術者を派遣して据付・試運転を支援。

なお、ガスタービン発電機の部品は三菱電機株式会社が供給。

 

エジプトでは2014年度までの10年間に経済は年平均で4.4%ずつ成長しており、同期間中、最大電力需要の伸びはそれを上回る年平均6.0%で推移し、電力需要は逼迫した状況。

今後、安定的に電力供給するためには、さらなる発電設備容量の増強と同時に、発電・送配電設備の高効率化・信頼性向上が不可欠。

 

MHPSは、新設火力発電システムの普及だけでなく、今回のような既存発電設備の改修・性能向上にも力を注いでいくでつ。

固体酸化物形燃料電池(SOFC)ハイブリッドシステムマイクロガスタービン(MGT)との組み合わせにより業務・産業用に市場投入

業務・産業用に開発した固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)とマイクロガスタービン(MGT)の組み合わせによる加圧型複合発電システム(ハイブリッドシステム)の販売を開始。

エネルギー・環境問題の改善に役立つ分散型電源・コージェネレーション(熱電併給)システムの有力な選択肢として、幅広い産業界からの受注を目指すでつ。

このハイブリッドシステムは、900℃の高温で作動するセラミックス製SOFCとMGTの両方で発電。

SOFC燃料側は改質器なしで都市ガスをそのまま利用し、空気側はMGTの圧縮機からの空気を利用。

SOFC内部にて都市ガスを改質して取り出す水素や一酸化炭素と空気中の酸素を反応させて直接電力を発生。

加圧により電圧が増大する加圧型SOFCの特性により発電効率向上をはかっているでつ。

さらに、SOFC燃料側出口の残燃料と空気側出口の残空気を、燃焼器で燃焼させ、高温のガスでMGTタービンを駆動することで、高効率なシステムとなっているでつ。

また、コージェネレーションシステムでは、さらに残りの熱を蒸気または温水として回収。

2016年度まで国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業(注)により250kW級の実証を行ってきたもので、国内4か所に実証機を設置し、耐久性の検証、実負荷環境として起動停止試験や負荷変化試験などの試験を行い、安定して稼働できることが確認。

今回市場投入するものは、その結果を反映させたモデル。

燃料電池システムは、発電効率が高く、またコージェネレーションシステムとしてCO2排出量も少ないことから、経済産業省は同システムの普及を、省エネ・環境性に優れた低炭素社会の実現に向けての有力な施策と位置づけ。

つ同システムのさらなる性能や利便性の向上に取り組み、持続可能性の高い低炭素社会づくりにふさわしいエネルギー創出に貢献するでち。助成事業の名称は「円筒形SOFC-マイクロガスタービンハイブリッドシステムの市場投入に向けた技術実証」(2015~2016年度)。

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発⑥

GTCC の高効率化にはガスタービンの高温化が重要な役割を果たしてて, 2004 年から参画した国家プロジェクト“1700℃級超高温ガスタービン要 素技術開発”の開発成果を活用して,世界初のタービン入口温度 1600℃の高効率機 M501J 形 を開発,その運転実績を着実に積み重ねてるでつ。

GTCC の更なる高効率化と運用性改善の ため,高温ガスタービンの空冷化を可能とする強制空冷システムを考案。

この強制空冷シス テムを 2015 年にT地点で実機検証し,運用に問題ないことを確認,現 在まで長期運転中でつ。

現在この強制空冷システムを中核とした 1650℃級次世代機種であ る JAC ガスタービンの開発を進めて,既設のT地点実証設備を廃止し,新たな設備にて 2020 年実証開始予定。

9EMaxで新たな競争に挑む ー 東京電力 富津火力発電所

2016年の電力小売全面自由化を経て、今度は2020年には送配電部門の法的分離が予定される電力業界。

電気を選んで買えるようになり、消費者目線では今後ますますの電気料金の低下に期待したいところ。

一方で、特に伝統的な電力会社はいま、各社とも経営の抜本的転換に取り組んでいるでつ。

かつて電力業界には「電気をきちんと作っていれば儲かる」という時代。

時代は一変し、業界では新参入したプレイヤーがひしめき合っているでつ。

総括原価方式は廃止され、系統上では高変動の新エネルギーが割合を増やし、また、電力の使われ方も様変わり。

不確実性が高まり、予測を立てづらくなったいま、電力会社には市場や需要の変化に動的に対応し続けられる経営が求められているでつ。

そこで東京電力フュエル&パワー(以下、東電FP)は、新たな一手を打ったでつ。

東電FPを代表する富津火力発電所はコンバインドサイクル・システムを備えた4つの系列で構成される巨大な発電所。

天窓から陽が美しく差し込む1号系列の巨大な建屋に入ると、GE製9E.03型ガスタービンが整然と並んで稼動。

建設されたのは1980年代。以来32年間、起動停止回数約5,000回、約20万時間もの過酷運転をしてきたガスタービンたちが、役目を終える時期を迎えたでつ。

ガスタービンを“アップグレード”するという新発想があったでつなぁ~

「従来であればスクラップ&ビルド、つまり建屋ごと取り壊して完全にまっさらな発電設備を建設していました。いいものをしっかり作って、長期をかけて投資回収すればよかった。でもいま、自由化が進むなかで選んでいただける電気をつくるためには、投資を抑えながらも成果を最大化していかなければなりません」――

東電FPが選択したのは、コンバインドサイクル・システムを“丸ごと取り替える”のではなく、既存設備を活かしながらシステムの一部を刷新し“アップグレード”する手法。世界ではまだ例が少ない斬新なもので、その投資効率の良さから注目が集まる手法。

富津火力1号系列にある6軸の9E.03型ガスタービンは、9E.04型  通称『9EMax』へとアップグレードされる計画であり、すでにその1号機は商用運転を行っているでつ。

 系統上のエネルギー構成も様変わり。

「再生可能エネルギーへの投資が進み、たとえば東京エリアでは800万キロワット、あるいはそれ以上の太陽光発電があり、これはさらに拡大されていきます」。

9EMaxへのアップグレードで狙う成果について、「効率、信頼性、それから自然エネルギーの不安定さを補うフレキシブルな機動性。そういったものを両立し、しかもそこにかかるコストを抑えること」だと説明。

9EMaxの世界初の導入を決めた東電FPは、通常はメーカーの工場で行う実機検証試験(バリデーション試験)を富津火力で実施することを決断。

「市場変化のスピードの先回りをしていかなければならないでつ。

9EMaxとして世界初。GEと協働してきたわけですが、やはり、産みの苦しみはあるでつ。

だけど試験をしてみると驚くほど順調で、期待したパフォーマンスも確認。

すでに2軸目以降のアップグレード準備も進めているでつ。

成果拡大に期待しているところ――富津火力における1軸目の運転試験では、9Eガスタービンの燃焼効率は従来の47.2%から51.4%へと4.2%の向上が確認。もちろん、アップグレードによって出力向上も実現。

「経済や産業、テクノロジーの変化とともに、電気の使われ方は大きく変わっています。周波数の変動、昼夜の負荷のあり方、需要カーブの変化。今後も変化する系統ニーズに、発電所はさらに柔軟に対応していく必要があります。9EMaxは、DSS(日間起動停止)能力に長けていることも魅力でした」

国内有数規模のLNGタンクを備える富津火力は、米国のシェールガスをはじめ世界各地から様々な燃料を運び入れているでつ。

LNG基地からは大量のBOG(ボイルオフガス:貯蔵タンクへの入熱により気化してしまうガス)も発生。

こうした環境の中、「広レンジの燃料が使用できれば、経営上の大きなメリット。

ですから、幅広い熱量でも使用可能であると共に、刻々と変化する熱量に追従可能で、柔軟に対応してくれるガスタービンを求めているでつ。

9EMaxはこの点でも、優れた燃焼器、カロリー変動に追従する制御装置や熱量計が、これらの問題を解決。

ボトミングサイクル、排熱回収ボイラ、蒸気タービンサイクルに至るまで既設設備を流用したにも関わらず、ヒートバランス(システムに加える熱量と取り出す熱量のバランス)を叶える効率を実現した今回。

東電FPは発電オペレーターとしての実力を見せつけたでつなぁ~

発電システムのアップグレードは決して簡単ではない

。「ガスタービンが変われば排ガスの熱量や温度も変わります。既設の設備それぞれに最高使用圧や最高使用温度等の設計制約条件がある中、性能を最大限引き出すためには静的、動的な評価・検証も行わなければならず、そこにフィットさせる難しさはありました。GEさんと二人三脚のエンジニアリングが大切です。これからの運転を通じて発見することや得たことを共有して、9E Maxの進化、つまり効率向上や信頼性向上に寄与していきたい。そう、思っています」

少しでも早くお客様の経営上の成果を実らせたいと、FastWorksの手法を用いて進めたこのプロジェクト。

従来のガスタービン開発と比べて、9EMaxの開発は非常に短期間のうちに進めたでつ。

「東電FPさんには実機検証試験まで協力していただきました。本当に、一緒にモノを作っていただいたという感謝でいっぱいです」。

「発電所というのは、とてつもなく大きな責任を負った場所です。ここで仕事をご一緒するすべての方が、その大きな責任を感じながらひたむきに働いている。発電所は同時に、とても危険な場所です。不具合や事故は、ともすれば“人が死ぬ”ことさえ招いてしまう。だから僕は、メーカーとしてちゃんとしたものをお納めして、ちゃんと回って電気を作り、ここで働く方々を支援できるモノを届けたい。その一心で働いています」

自由化によって競争が激化し将来の予測を立てづらいのは、世界の多くの電力市場も同じ。

そうした中での新たな戦い方ともいえる “アップグレード”。

世界初の9EMaxオペレーターとして先鞭をつけた東電FPは、世界の電力市場のソートリーダーの一社として注目を集めているでつ。

そして、変化し続ける日本の電力市場で新たな常識をつくる東電FPを、GEは引き続きサポートするでつ。

さすがは、GEでつなぁ~

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発➄

2015 年春にT地点で実機検証し,強制空冷システムは運用に問題ないことを確認。

T地 点では今なお強制空冷システムにて運転,長期検証されているでつ。

この強制空冷システムを中核技 術に採用した 1650℃級次世代ガスタービンである JAC ガスタービンの開発が進められているでつ。 (図 10)

タービン入口温度が 501J 形から+50℃となるでつが,国家プロジェクト技術をベースに開発さ れた超厚膜化 TBC(Thermal Barrier Coating)を採用。

そして高性能化と信頼性を両立。

また圧 縮機はH形と同等の高圧力比設計を採用することで,ガスタービン出口排気ガス温度の上昇を 抑制。

 新たに開発する GTCC の実証試験運転を行うには,ガスタービン本体だけでなく,既存の発電 機,主変圧器,排熱回収ボイラなどの主要機器も次世代機の仕様に合うよう更新する必要がある ため,既設のT地点実証設備を廃止し,新たな実証設備として更新する予定。

図 11 に新 実証設備の完成予想図でつ。

現在,2020 年の実証開始を目標に開発を進めてて,これまで のG形,J 形同様,新たな実証設備にて着実に検証を行っていき,更なる省エネルギー・低公害 化の社会的ニーズに応えていくでつ。

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発④

J 形ガスタービンは燃焼器の冷却に蒸気冷却方式を採用・

こりを高いタービン入口温度を 維持したまま空冷化できれば,GTCC の更なる高効率化と運用性改善が期待できるでつ。

そのため, 高温ガスタービンの空冷化を実現する次世代 GTCC の開発に取り組み,その中核技術である強 制空冷システムを考案。

この強制空冷システムを採用すれば,タービン入口温度1650℃級で あっても空冷化を実現でき,高い複合発電効率の達成とともに,プラント全体の運用性改善が可 能。2015 年春に,T地点にてシステム全体の実機検証試験を完了したでつ。

強制空冷システムは圧縮機出口(燃焼器車室)から抽気した空気を強制冷却空気冷却器(クー ラ)にて冷却し,その後強制冷却空気圧縮機で昇圧して燃焼器の冷却に用いたのち車室に戻す 冷却系統。

図5に強制空冷システムの概略図を示すでつ。

強制空冷システムの特徴は下記に示すでつ。

 (1) 強制冷却空気冷却器の廃熱をボトミングサイクル側で回収させ効率のよいシステムとする ことが可能

 (2) 燃焼器冷却構造を最適化することで既存の蒸気冷却と同等以上の冷却性能達成が可能

 (3) 蒸気冷却に比べ GTCC 全体の起動時間短縮が可能 強制空冷システムを採用した次世代 GTCC の効率向上には,少ない冷却空気量で効率的に 冷却可能な燃焼器を開発し,強制冷却空気冷却器の廃熱低減と回収効率向上,強制冷却空気 圧縮機の動力を低減していくことが重要。

強制空冷燃焼器の冷却構造は,J 形が採用している蒸気冷却同様に対流伝熱を利用した MT-FIN 構造を採用。

燃焼器の上流側は,燃焼器室内の空気により冷却する構造とし,下流 側は,強制冷却空気圧縮機を介する強制冷却空気による冷却。

強制冷却空気による冷却 範囲は下流側のみに限定することにより,強制冷却空気圧縮機を経由する冷却空気量の最小化 を図っているでつ。

また,下流側の冷却方向は,熱負荷の高い燃焼筒出口から供給することで出口部 での冷却能力を確保しつつ,効率よく冷却する設計。

上流側は,音響ライナを設置し燃焼 振動の抑制を図っているが,MT-FIN を通じて燃焼筒を対流冷却した空気を音響ライナ孔からパ ージする構造。

図6に燃焼筒の冷却構造の概略を示すこの強制空冷燃焼器は,後述する 強制空冷システム全体の検証に先立ち,高圧燃焼試験設備にて冷却性能及び燃焼性に問題な いことを確認。

 図7にT地点で実施した強制空冷システム検証設備全景及び系統概略を示すでつ。

強制空冷シス テムでは強制冷却空気冷却器の廃熱をボトミングサイクルにて回収するでつが,T地点検証では既存 のボトミングシステムを流用するため,強制冷却空気冷却器としてラジエータ式の冷却器を追設。

2015 年春,このT地点検証設備にて,強制空冷システムの運用性,すなわち起動停止,負荷 変化,負荷遮断といった過渡的な変化に対する追従性を検証し,すべて問題ないことを確認。

ガスタービントリップ試験時の強制冷却空気圧縮機運転点挙動についても試験し,ガスター ビン 100%負荷からのトリップにおいて,強制冷却空気圧縮機がサージに入ることなく,安全に停 止できることを確認。

また,強制空冷燃焼器のメタル温度を計測し,実機における冷却性能について検証。

図8 に冷却空気量変化時の燃焼器メタル温度挙動を示すでつ。

冷却空気量の低下に伴いメタル温度は 上昇するでつが,当初計画の冷却空気量を下回っても,設計許容値より低く,冷却性能に問題ないこ とを確認。

その他,燃焼振動特性,排ガスエミッションも特に問題なく,安定運用可能であるこ とを確認。

この強制空冷システムをベースとし,負荷運転時のクリアランスコントロールを可能とする系統 についても検証。

本系統では,冷却空気をタービン翼環バイパスさせて直接燃焼器へ導入 する供給方法と,負荷運転中のタービンクリアランスを低減することで性能を最大化するため,タ ービン翼環に通気した後に供給する方法の2系統があり,負荷運転中でも切換弁(三方弁)にて 切り換え可能。

前者では,クリアランスを開けておくことで大きな負荷変化運転に対応可能 (Flexible Mode)。

一方後者では負荷運転中にクリアランスを詰めることができ,性能を最大 化できる(Performance Mode)でつ。

図9に負荷運転時の三方弁切り換えによるクリアランス挙動を示 すでつ。

本システムにより性能を最大化したまま従来以上の運用性向上が期待できるでつ。 

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発③

M501J 形は,豊富な運転実績のあるタービン入口温度 1400℃級F形,1500℃級G形・H形で 実証済みの要素技術を基盤とし,国家プロジェクトで開発された 1700℃級の最先端の技術開発 成果を適用することにより,タービン入口温度 1600℃が達成狩野となったでつy。

タービン入口温度の 上昇及び最新の要素技術の採用により,GTCC 発電端熱効率は従来機と比べて大きく上昇。

CO2 排出量は,従来型石炭焚き火力発電所を天然ガス焚き J 形コンバインドサイクル発電所 に置き換えた場合,約6割の削減が可能。

図2に M501J 形の技術的特徴について示すでつ

 M501J 形ガスタービンの開発は,基本設計の段階で各要素の検証試験を実施し,その結果を 詳細設計に反映,最終的に実証発電設備にてガスタービン全体の実機検証実施というステップ を踏んできたでつ。

図3に ガスタービン複合サイクル発電プラント実証設備(通称 T地点)の外観でつ。

M501J形初号機に対して,2300点に及ぶ特殊計測を実施し,性能,機械 特性,燃焼特性が目標値を満足することを実証した上で,商用機を出荷。

J 形ガスタービ ンは国内外合計45台受注,順次出荷しており,現在まで23台が商用運転に入っており,累計40 万時間以上の運転時間を達成してるでつ(図4)。

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発②

GTCC の高効率化にはガスタービンの高温化が重要な役割を果たしてて,1980 年代に 1150℃級大容量ガスタービン M701D 形を開発後,タービン入口温度 1350℃の M501F 形,蒸気冷却式燃焼器を採用したタービン入口温度1500℃のM501G形を開発。

高いプ ラント熱効率と信頼性及び低公害性を実証。

2004 年からは国家プロジェクト“1700℃級 超高温ガスタービン要素技術開発”に参画して高温・高効率化に欠かせない最新技術の研究開 発に取り組み,その開発成果を活用することで,世界初のタービン入口温度 1600℃となる高効率 機 M501J 形ガスタービンを開発。

T地点にて 2011 年から実証 運転を開始し,その後 M501J 形 GTCC の運転実績を着実に積み重ねてきたでつ。

J 形ガスタービンは燃焼器の冷却に蒸気冷却方式を採用。

高いタービン入口温度を 維持したまま空冷化できれば,GTCC の更なる高効率化と運用性改善が期待できるでつ。

そのため, 高温ガスタービンの空冷化を実現する次世代 GTCC の開発に取り組み,その中核技術 である強制空冷システムを考案。

2015 年春に 高砂工場内のガスタービン複合サイクル 発電プラント実証設備にてシステム全体の検証試験を完了。

その後,現在まで長期運用。

今回は、 最新鋭の高効率ガスタービンの開発と運用状況,及び強制空冷システム を中核技術として用いた次世代 1650℃級 JAC(J Air Cooled)ガスタービンの開発棟を報告するでつ!

J形ガスタービンの運転実績と JAC の開発①

豊富なガスタービンの運転実績と先端技術研究, 検証に基づく絶え間ない開発を通じて,地球環境保全及びエネルギーの安定供給に貢献し続け ているでつ。

最近では 2004 年から参画した国家プロジェクト“1700℃級超高温ガスタービン要素技術 開発”の成果を活用して,世界初となるタービン入口温度1600℃の高効率機M501J形を開発し, MHPS 高砂工場内実証設備にて 2011 年から実証運転を開始。

その後世界各国へ納入,運 転実績を積み上げてきているでつ。

さらに,ガスタービンコンバインドサイクル発電(GTCC)の更なる 高効率化と運用性改善を狙い,燃焼器の冷却は蒸気冷却システムに換え新たに強制空冷シ ステムを開発。

最新鋭の高効率ガスタービンの開発と運用状況,及び M501J 形に採用した技術を基に,強制空冷システムを中核技術として用いた次世代 1650℃級の JAC(J Air Cooled)ガスタービン開発について記載するでつ

LM2500

米国ジェネラルエレクトリック(GE)社が航空機用エンジンのTF39およびCF6-50を陸舶用に転用した、オープンサイクル2軸式ガスタービン。

発電用・機械駆動用および舶用主機として多くの実績があるでつ。

特徴としては…

1.世界最高クラスの発電効率
2.豊富な経験による高信頼性
3.航空機エンジン技術により急速起動停止が可能
4.ガス燃料、液体燃料の使用が可能
5.短期間での納入可能
6.低NOx型燃焼器の選択が可能
7.軽量・コンパクトかつメンテナンスが容易

LM2500CGS設備

LM2500ガスタービンコージェネレーション設備(以降:LM2500CGS設備)と蒸気ボイラ設備を含めたエネルギープラントでつ。
天然ガスを燃料とするLM2500CGS設備導入により既設重油焚きボイラの燃料消費量が抑制され、CO2排出およびエネルギーコスト削減が達成。

LM2500CGS設備が大出力、高効率そして低環境負荷であることが評価されてるたでつ
LM2500CGS設備はLM2500PJガスタービン、追い炊き機能を備えた排熱回収ボイラから構成されており、電力21.9MW、蒸気75t/hを供給する能力有しているでつ。
供給される電力および蒸気は構内のプロセス及び既設蒸気タービンの駆動に用いられるでつ

火力発電を…

ちと知ることも大事でつなぁ~

チャージ完了 GEのエネルギー事業の成長に向けたシナリオ

最近の買収や統合はGEのグローバル市場における実績を拡げているでつ。

GEのグローバルにおける発電能力は、アルストムとの統合によって1,500GWに達し、いまGEの発電用機器は世界の電力の30%を生んでいるでつ。

また、統合によってアルストムの事業ポートフォリオが加わったことで、タービンだけでなくボイラーや発電機、その他関連設備の製造も手がけるようになったGEは、ガスタービン事業を超えた「パワーアイランド」事業を展開できるでつ。

デジタル技術がエネルギー・ビジネスを変革するでつ。
そして、GEのエネルギー事業に最も急速な変化をもたらしているのが、IoT技術。

GEパワーは現時点で約92,000台の設備資産をデジタルネットワークを介してGEの産業用ソフトウェア・プラットフォーム「Predix」に繋いているでつ。

その設備のすべてがGE製というわけでないけど…

GEパワは、デジタル・テクノロジーは「引くことのできる最大のレバー」だと言い、2016年はデジタル技術がもたらした電力産業の一大転換点だったでつ。

GEは、設備がGE製であるかどうかに関わらずあらゆる環境で動作するソフトウェアの開発に励み続けているでつ。

とはいえ、一方では課題も山積。

発電施設のダウンタイムの70%はデータ分析によって予測。

実際に大半の発電事業者が収集しているデータは、発電施設で1日あたりに生み出される2テラバイトのデータ量のわずか2%。

世界経済フォーラムのホワイトペーパーによれば、デジタル・システムを採用することによって、電力産業は1兆3,000億ドルの価値を生み出す可能性があるでつ。

大きな効果を得るためには、多くのデータを活用することが必要。

GEパワーのデジタル部門は大幅な受注増を予想しており、昨年5億ドルだった受注金額が2017年は9億ドルに達するでつ。

デジタル技術は、GEがより優れたハードウェアを作り出すうえでも役立でつ。

例えば、最新世代のHクラス・ガスタービンは、温度、圧力、振動、その他の特性を測定するために6,000個ものセンサーを搭載しており、センサーによって得られたデータを活用して性能にさらに磨きをかけているでつ。

Hクラス・ガスタービンを採用したフランスのブシャン発電所の発電効率は62%を達成。

開発チームはすでに64%の効率を実現するマシンのテストを開始。

「物理的には何も変わっていませんが、効率化は何百万ドルもの価値を生み出します」と。

世界中の電力会社がこの動きに注目してて、中国においても哈爾浜電気集団公司(ハルビン電気)がGEと契約を締結。

来年後半には中国初のHクラス・ガスタービンが導入される予定。

GEリニューアブルエナジーにも同様のシナリオが当てはまる。

アルストムとの事業統合効果により、急成長を遂げている洋上風力発電と水力発電の市場で、同事業部門は着実に地歩を固めているでつ。

GEパワー同様、GEリニューアブルエナジーでも米国内に設置されている全13,000 基のGE製風力タービンがPredixにつながっており、1カ所の管理センターからすべての設備を遠隔監視することができるなど、デジタル化が効率的な運用を可能。

いま、世界では新たな発電能力の50%は再生可能エネルギーが占めるようになると見られているでつ。

GEがタービンブレードメーカーのLMウィンドパワー社の買収を計画したり、サウジアラビアやロシアなどの新市場に進出しているのはそのため。

デジタル技術の波は、歴史あるエネルギー産業のビジネスのあり方をも大きく変えてるでつ。

成功のシナリオは、今まさに書き換えられようとしているのでつ。

燃料の多様化①

原動機の燃料としては、都市ガス、天然ガス、灯油、軽油そしてLPGなど、汎用品とし流通し入手し易いものが、一般的に採用されるため、原動機の標準的な仕様は、これらの中から選ばれているでつ。

その他燃料で入手し易いものをお持ちの場合や、燃焼して熱利用にしか用いていない可燃物をお持ちの場合があるでつ。

そのような燃料をコージェネレーションの燃料代替または補助的な燃料として利用することにより、省エネルギーを図ることができるでつ。

石炭火力発電所における高精度な予兆検知モデルの共同構築および有効性の確認~ 電力会社とプラントメーカーが発電所運営の最適化に向けた協業

東京電力フュエル&パワー株式会社(本社:東京都千代田区、代表取締役社長:守谷誠二、以下「東電FP」)と三菱日立パワーシステムズ株式会社(本社:神奈川県横浜市、代表取締役社長:安藤健司、以下「MHPS」)は、昨年9月に国内外火力発電所の効率化に向けた業務提携に関する基本合意書を締結。
その後両社は、火力発電分野におけるO&Mソリューション・サービス(以下「サービス」)事業化に向けた取り組みを進めてたでつ。

このたび両社は、東電FPの常陸那珂火力発電所(茨城県那珂郡東海村)において予兆検知モデルを構築し、これまで蓄積してきた過去の設備トラブル事例を用いて同モデルを検証することにより、その有効性を確認。

その一例として、同モデルの適用により、発電所停止の一因となるチューブリークを1か月前に予兆検知することができ、これにより緊急停止の回避やトラブルによる計画外停止期間の短縮等、発電設備のアベイラビリティの向上が認められたでつ。

 

 

両社は現在、具体的なサービスの展開に向けて、同モデルをフィリピンのティームエナジー社(TeaM Energy Corporation)が運営するパグビラオ(Pagbilao)発電所に適用し、高精度な運用を実現する取り組みを進めてるでつ。

また、国内外の他発電所の設備データと同モデルをIoTプラットフォームで活用し、サービスの開発を進め、今年度中を目標に、両社の事業基盤が活かせる東南アジアの石炭火力発電所を対象としたサービスの提供を開始する予定。

今後両社は、本取り組みを国内外のさまざまな発電事業者に開かれたものとすることで、チーム日本として火力発電所の資産価値向上に取り組むとともに、化石燃料の使用量やCO2排出量の削減に貢献すべく挑戦してるでつ。

 

  1. Operation and Maintenanceの略で、発電所の運転管理業務、維持管理業務を行うこと。
  2. ボイラーの配管に穴が開き内部の蒸気が漏れ出すトラブル。
  3. 運転可能な時間割合のこと。定期点検等の計画停止時間の短縮により向上し、緊急停止等の計画外停止により低下する。
  4. 丸紅株式会社と株式会社JERAが共同で事業運営しているティームエナジー社が、フィリピン共和国ルソン島南部ケソン州に建設した発電所のこと。出力:37.5万kW×2基、燃料:石炭、運転開始:1996年6月。
  5. Internet of Thingsの略で、コンピュータなどの情報・通信機器だけでなく、世の中に存在するさまざまな「モノ(物)」をインターネットに接続したり相互に通信したりすることにより、自動認識や自動制御、遠隔監視などを行うこと。

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性⑥

水素発電及び海外からの大量の水素輸入は世界的にも例がほとんどなく、現在官民連携の下で実現に向けた取り組みが進められているという状況である。エネルギーとしての「水素」の社会での活用に向けて、本稿で紹介した大量の水素の供給・利用手段は水素の経済性などにも影響を及ぼし、大きな起爆剤となる可能性がある。

しかし、新たなエネルギーを社会に導入するということは容易なことではなく、継続的な取り組みが必要である。現在火力発電の燃料として重要な位置を占める天然ガスも、発電用燃料として液化天然ガスが日本へ輸入が開始されたのは40年以上も前のことである。

水素発電に関しても、今後社会への導入を目指すにあたり必要となる継続的な取り組みを支えるものとして、長期的なビジョンと社会からの受容性が重要である。そのためには、水素発電の特長となり得る環境性能やエネルギーセキュリティへの寄与に関してもより具体的な検討を深め、ビジョンの礎となる知見を蓄えていくことが一層必要になると考えられる。

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性➄

現在火力発電の形態としては大きく「汽力発電」(燃料を燃やしてボイラーで加熱した蒸気で蒸気タービンを回転させることで発電)と、「ガスタービン発電」(燃料を燃やして得られた高温ガスでガスタービンを回転させることで発電)があるが、水素発電の形態としてはガスタービン発電が主に検討されているでつ。

水素は天然ガスなどの他の燃料と比べて燃焼速度が速く、また火炎温度も高いために燃焼時にNOxが発生しやすいなどの特徴を持ち、燃料としての取り扱いが難しい。

現在までも水素を一定程度含んだガスを燃料とした発電は実績があるものの、水素の濃度が高い燃料を用いる際には水素燃焼に対応した設備の開発が必要。

国内では現在三菱日立パワーシステムズや川崎重工業などにより、水素対応のガスタービンの開発が進められているでつ。

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性④

水素の大量輸送にあたっては、どのような形態(キャリア)で水素を輸送するかという点も輸送効率の観点から非常に重要。

KHIさんはオーストラリアで製造した水素を低温で液化した上でLNG同様にタンカーで国内に輸入、水素発電で利用するというサプライチェーンを構想し、実現に向けた技術開発を進めているでつ。

また、千代田化工建設さんは有機化合物であるトルエンに化学反応で水素添加した有機ハイドライドを水素のキャリアとして利用し、タンカーで大量輸送、国内で必要な水素を取り出す、という技術を開発し、海外からの水素供給に向けての取り組みを進めているでつ。

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性③

経済産業省により策定された「水素・燃料電池戦略ロードマップ」(2014年6月発表、2016年3月に改訂)では水素社会実現に向けた取り組みの目標と計画が記載されてて、水素発電に関しては2030年頃の発電事業本格導入が目標。

水素発電実施に向け、特に重要となる要素と関連した取り組みに関して以下のとおり。

水素発電は燃料として大量の水素を必要とするため、大量の水素製造源が不可欠。

水素製造源として現在検討されているのが、海外の未利用エネルギーの利用。

たとえば、KHIさんはオーストラリアに大量に存在する褐炭(水分を多く含む低品位炭の一種。

乾燥すると発火の恐れがあり直接の輸送が難しい)からの水素製造にむけた取り組みを進めているでつ。

また、将来的には水力発電や風力発電などの再生可能エネルギーからの水素製造も構想されており、膨大なポテンシャルを持つ地域が水素製造先候補として検討中。

 

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性②

水素発電とは前項で述べた通り、火力発電の燃料として水素を用いるもの。

現在火力発電は石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料を燃料に用いるものが主だけど、水素発電には以下の特徴があるでつ。

 ①水素は燃焼時に水しか生成せず、CO2を排出しないという化石燃料にはない特徴があるでつ。

  ただし、水素は二次エネルギーであり他のエネルギーから製造する必要があるため製造方法によっては水素製造時にCO2が排出されうる点には注意が必要。

 ②水素は、採掘が可能な地域が限定される化石燃料とは異なり、様々な地域で様々なエネルギーから製造可能であると考えられるでつ。

  現在日本は化石燃料の多くを輸入に頼っているが、従来の化石燃料産出国とは異なる地域で製造した水素を燃料として利用することが出来れば、エネルギーセキュリティの向上にも寄与すると考えられるでつ。

次世代の火力発電としての「水素発電」の可能性①

近年「水素」をエネルギーとして用いる「水素社会」へ向けた取り組みが加熱しているでつ。

エネルギーとしての水素を利用する機器としては、「燃料電池」がまず挙げられるでつが、これに加え最近注目を集めているのが水素を火力発電の燃料として用いる「水素発電」。

現在日本では2030年頃の発電事業本格導入を目標に水素発電に向けた取り組みが開始されているでつ。

 

水素ガスタービン燃焼器

水素は、発熱量が大きい、可燃範囲が広い、燃焼速度が大きいといった燃焼に関する優れた性質が持っているでつ

端的にいえば非常にもえやすく、爆発の危険性も高い燃料。

したがって、水素燃焼器を開発する上では、これらの特長を十分に生かし、排気ガスをクリーンにすること、かつ、安全・安定に作動させることが重要となるでつ。

 

水素の特徴を生かすことで、燃焼器が小さくできるでつ。

燃焼器を小さくできるということは、空間的に省スペースとなるだけでなく、短い時間に多くの燃料を燃焼させられることも意味しているでつ。

すなわち水素をうまく燃やすことができれば、超小型で超高出力の燃焼器を生み出すことが可能。

 

だけど、多くの長所をもつ水素でも、燃料として用いる場合に問題になる点もいくつかあるでつ。

それは逆火とNOX

 

水素を燃焼させる方法として、これまでに旋回する空気流中に水素燃料を噴射して燃焼させる拡散燃焼方式と、水素と多量の空気とをあらかじめ混合した混合気に旋回をかけて燃焼させる希薄予混合燃焼方式の2つの方法について検討中。

 

拡散燃焼の場合には、水素火炎を燃焼器内に安定して形成させることができまるでつが、火炎温度が非常に高いため、温度を比例して空気中の窒素から生成するNOXの濃度が高くなるでつ。

 

一方、希薄予混合燃焼させる場合には、当量比を小さくすることで火炎の温度を低くし、NOX濃度を低く抑えることができたでつが、火炎が変動したり、逆火や燃焼器が共鳴を起こす振動燃焼が起こったりする場合があり、安全・安定に燃やすという観点からさまざまな問題があることがわかってきたでつ。

 

これらの研究成果をもとに、拡散燃焼での高い火炎安定性と、希薄予混合燃焼での低いNOX性のそれぞれのメリットを抽出した新しい燃焼方式による水素燃焼器の研究開発を進行させているでつ。

ポーランドでガス火力発電設備を初受注、LTSAも締結出力49万kWのジェラン(Zeran)GTCCコージェネ施設プロジェクト向け

ポーランドの国有石油・ガス会社であるPGNiG(Polskie Gornictwo Naftowe i Gazownictwo)の子会社向けに、ポーランドの建設業者Polimex Mostostal S.A.(PxM)とのコンソーシアムで、出力49万kWの天然ガス焚きガスタービン・コンバインドサイクル(GTCC)発電設備をフルターンキー契約で受注し、併せて長期メンテナンス契約(LTSA)も締結しました。首都ワルシャワ近郊のジェラン(Zeran)に建設されるコージェネレーション(熱電併給)施設の中核設備となるもので、運転開始は2020年の予定です。ポーランドで当社がガス火力発電設備を受注するのは今回が初めてとなります。

 今回のGTCCコージェネ施設は、PGNiG100%出資によるコージェネ事業会社のPGNiG Termika S.A.(Termika:テルミカ)が、ワルシャワの北方約10kmで運営するジェランCHP(Combined Heat and Power)プラントの敷地内に建設されます。本施設稼働後に、同敷地内の老朽化した石炭火力発電設備はその役目を終えます。新施設では発電能力が80%向上するため、電力だけではなく、ワルシャワ市民に廉価な地域暖房用の熱も安定して供給できます。

 受注したGTCC発電設備は、M701 F形ガスタービン1基、蒸気タービン1基、排熱回収ボイラー、電気計装設備、その他の機器で構成されます。当社はこのうちガスタービンを高砂工場で、発電機を日立工場で製作、併せて関連機器も供給します。当社の欧州拠点法人が蒸気タービン、排熱回収ボイラー、電気計装設備など付帯設備などを供給するとともに、プロジェクト全体の取りまとめを行います。その他プラント周辺機器の調達と土建・据付工事などを、PxMが手掛けます。

 また、当社の欧州拠点法人が、6年間のLTSA契約に基づき運転開始後、遠隔監視や技師の派遣を含めたGTCC発電設備の保守・管理を支援します。

 テルミカの社長であるウォルシェッチ・ドンブロフスキー(Wojciech Dąbrowski)は次のように語っています。「今回のGTCCコージェネ施設の建設はポーランド電力業界にとって重要な投資案件です。首都ワルシャワのエネルギー安全保障を改善する上でも不可欠です。高効率で最新鋭のガス焚き技術はIED(注1)やBAT(注2)等、欧州の厳しい環境保護基準を満たすことができるでしょう。これにより首都ワルシャワの大気をきれいにし、この地域の住環境を改善させるでしょう。」

 MHPS欧州拠点法人社長の内田聡は「テクノロジーリーダーとして、MHPSは信頼できる高品質の製品開発を継続しており、将来の発電ニーズに対しても理想的に応えることができます。私どもの製品を通じて、お客様が化石燃料を効率よく利用し、同時に環境負荷を低減することに貢献します」と述べています。

 コンソーシアムパートナーであるPxM社長のアントニー・ヨズボーヴィッチ(Antoni Józwowicz)は「コジェニッチェ火力発電所プロジェクトで培ったMHPSとの良好な協力関係を活かし、求められている性能の達成と納期遵守を成し遂げます」と述べています。

 ポーランドは世界有数の石炭資源国で、国を挙げて石炭埋蔵量の大部分を占める瀝青炭や褐炭を有効活用できる高効率石炭火力発電システムの導入や、環境負荷低減に役立つ総合排煙処理システム(AQCS:Air Quality Control System)の普及に力を注いでいます。一方で、同国南部に多い炭鉱の近くを中心に天然ガスも産出しており、国内ガス消費量の3割近くが自国由来です。PGNiGでは、大気環境保護ならびにエネルギー利用効率向上などの観点から、天然ガス燃料を活用した高効率発電の普及にも注力しています。

 GTCC発電は、ガスタービンでの発電に加え、その高温排ガスを利用して蒸気タービンでも発電ができ、化石燃料を使う発電の中で最もクリーンかつ高効率な方式です。ポーランドにおける今回の天然ガス焚きGTCCコージェネ設備受注は、当社がGTCC発電設備を世界で多数納入し、技術・実績両面で市場の信頼を獲得していること、特にポーランド市場においてコジェニッチェ火力発電所やトゥルフ火力発電所など石炭火力設備および環境装置で大きな実績を持っていることが、高く評価されたことによるものです。

 MHPSは今後、5月に開設した新ポーランド事務所も活用し、石炭をガス化してコンバインドサイクル方式により発電する最先端の高効率発電技術であるIGCC(Integrated coal Gasification Combined Cycle:石炭ガス化複合発電)や天然ガス焚きGTCC、超々臨界石炭火力、先進的AQCSを提案・提供することにより、同国でのエネルギー資源の有効利用と環境負荷の低減に貢献していきます

チュニジア電力・ガス公社向けガス焚き複合火力発電所建設工事契約!

チュニジア電力・ガス公社との間で、チュニジア共和国(以下「チュニジア」)ベンナラス県ラデスにおける発電容量450メガワットのガス焚き複合火力発電所(以下「本発電所」)の土木据付込み一括請負契約(EPC(注)契約)を締結。

本発電所の建設予定地は、チュニジアの首都チュニスから10キロメートル東に位置してて、稼働開始後にはチュニジア総発電容量の約1割を担う予定。

高効率で温室効果ガス排出量が少ないガスタービン・コンバインドサイクル発電(GTCC)を採用。

2019年5月の一部先行運転開始および2020年4月の全プラント運転開始。

総事業費は約380億円で、資金は国際協力機構の円借款によって賄われるでつ。

本発電所の建設において、MHPSは、M701F形ガスタービン、排熱回収ボイラー、蒸気タービンを供給するほか、据付・試運転期間中の指導員を派遣します。発電機は三菱電機株式会社製を採用。

また別途、MHPSの欧州拠点法人が6年間の保守契約を結んだでつ。

住友商事は発電設備の周辺機器供給ならびに土木据付工事を手掛けるでつ。

なお、MHPSは1985年にも同地域発電所向けにガス/油焚きボイラー・蒸気タービンを納入した実績を有してて、現在でも高い稼働率で運転されてるでつ。

チュニジアは、2011年のジャスミン革命による民主化以降経済成長が加速しており、チュニジアにおいて新規電源開発は喫緊の課題。

本発電所は、日本政府の推進する「質の高いインフラパートナーシップ」に資する案件として、日本の資金および技術を活用してチュニジアの逼迫する電力需要に応えるとともに、同国の基礎インフラ整備の一翼を担うでつ。

MHPSは、今後も資源の有効活用と環境負荷の低減に役立つGTCC発電設備をグローバル市場で提案することにより、持続可能性の追求と電力の安定供給に貢献してまいります。
住友商事が世界各国で取り組んできた発電所建設(EPC)の総容量は約50,000メガワットにのぼります。今後、豊富な契約履行実績と経験をもとに、世界規模での電力インフラ関連ビジネスを拡充し、インフラ整備を通じて各国の経済発展に寄与してまいります。

100%水素で発電するガスタービンの実現へ

水素を燃焼して発電するガスタービンの開発が進んでいるでつ。

水素と他の燃料を混焼する技術は確立してきたでつが、今後期待されるのは化石燃料を用いず、100%水素で発電できる水素専焼ガスタービンの開発。

工場内で得られる副生水素などを活用した経済的な発電が期待できるでつ。

一方、実用化に向けた課題の1つとして残るのが、燃焼時に環境へ影響を及ぼす窒素酸化物(NOx)が発生する点。

これを抑えられる燃焼技術が必要。

こうした技術開発に取り組んでいるKHIさんは、水素専焼ガスタービンを実用化する上で低NOxに貢献する「水素専焼ドライ・ロー・エミッション(DLE)」という燃焼技術の開発に成功(図1)。

ドイツで実施した燃焼試験において環境基準をクリアする低NOx性能を確認。

水素と空気の混合気を燃焼する際、燃焼温度が高温になるためNOxが発生しやすい状態になるでつ。

ガスタービンを利用した水素燃焼においてNOxが発生しやすい理由には、燃焼速度が速い水素を用いると燃焼が不安定になることや、火炎温度が高くなるという点が挙げられるでつ。

こうした要因により、天然ガスを燃焼した場合と比較して約2倍のNOxが発生してしまうでつ。

これらの課題を解決するために、微小な水素火炎を用いて逆火などの不安定な燃焼を抑える技術の開発を進めてきたでつ。

そして2014年度からは科学技術振興機構(JST)より委託を受け、この微小な水素火炎を用いた低NOx性能を持つガスタービンの燃焼器の開発に取り組んでいるでつ。

今回開発したDLEを適用した燃焼器で、ドイツのアーヘン工科大学が所有する高温/高圧燃焼試験設備で水素100%の燃焼試験を行ったでつ。

その結果、NOx発生量を大気汚染防止法の規制値である84ppmを下回る、40ppm以下に抑えられることを確認(図2)。

NOxの発生を抑えるには、水や蒸気の噴射して燃焼温度を低く制御するという方法もあるでつが、燃焼効率が落ちてしまうというデメリットもあるでつ。

今回、開発したDLEは水や水蒸気を用いないという点も特徴。

DLEの「D(ドライ)」はこのことを指しているでつ。

今後DLEのさらなる研究開発を進め、2017年を目標に燃焼器の完成を目指すでつ。

同時に燃焼器をガスタービンに搭載した場合の技術確立にも取り組んでいく計画。

タービン内再熱水素燃焼ガスタービンの研究①

現在、人類はエネルギーの多くを、ものを燃やすことで得ているでつ。

たとえば自動車のエンジンではガソリンを燃やしているし、家庭で暖をとるときは灯油かガスを燃やしているでつ。

電気は火力発電によって作られている場合が多いでつ。
一方で、燃焼の際に発生している二酸化炭素、窒素酸化物等の燃焼排気ガスが、地球温暖化、あるいは環境汚染物質として問題となってて、排出抑制が望まれているでつ。

そのための技術的アプローチは様々ですが、燃料を変えることでも実現できるでつ。

水素の利用を念頭に置いた研究を実施。

水素は燃えても水を発生させるだけで、SO、炭化水素、COを発生させず、NO低減も容易と考えられ、大気汚染をもたらさないクリーンな燃料。

また、二酸化炭素による地球の温室効果を軽減する次世代燃料としても期待されているでつ。

水素の特徴は燃料としては、単位質量あたりの発熱量が高く、また速い燃焼速度を有するでつ。

また、比熱と熱伝導率が高く、冷却材としての優れた特徴も併せ持っているでつ。

水素の持つこれらの特徴を生かして、タービン内再熱水素燃焼ガスタービンを提案するでつ。

タービン内再熱の概念図を図1に示すでつ。

再熱燃料(水素)はタービン翼を冷却しながら翼内部を流れ、翼後縁から主流ガス中に噴き出され、タービン流路内で着火・燃焼。

この方式では、複数回の再熱を実現することが容易であり、カルノーサイクルと同じ熱効率を有するエリクソンサイクルの等温膨張過程を近似的に実現することができるでつ。

つまり熱効率が高いと言うこと。

タービン内再熱の試験用に単段の試験タービンを製作し、各種の実験。

図2に試験タービンの概要図を示しでつ。

タービン上部に燃焼器を配置。

燃料は灯油。

燃焼ガスは下のタービンに流れていき、ロータ翼を回すことで出力を得るでつ。

再熱用水素はノズル翼(固定された翼です)後縁から吹き出されロータ翼との間の空間で燃焼。

この燃焼エネルギーがロータ翼によって回収されるでつ。
 実験の結果、タービン内再熱が機構的に可能であること、出力上昇を確認しました。

IGCC一貫生産体制構築に向けた「石炭ガス化炉工場」が竣工石炭ガス化炉の製造を開始

長崎工場(長崎市)で石炭ガス化複合発電(IGCC:Integrated coal Gasification Combined Cycle)プラントの主要設備を製作する「石炭ガス化炉工場」を完成させ、この程、石炭ガス化炉の製造作業を開始。

この工場の完成により、次世代の高効率石炭火力発電技術であるIGCCの一貫生産体制を長崎工場に構築することができるでつ。

また、この石炭ガス化炉は、勿来(なこそ)IGCCパワー合同会社(注1)が福島県いわき市で建設している出力54万kWのIGCC施設向けで、2018年6月から順次出荷する計画。

石炭を効率良くガス化するためには、高温高圧の環境が必要であり、石炭ガス化炉は、高温に耐えうるガス化装置と、それを高圧にするための圧力容器から構成。

石炭ガス化炉工場は、高温高圧に対応した製品を製作するために、従来の石炭焚き火力発電向けボイラー製造により培った溶接などの要素技術に加え、新たに独自開発した自動溶接装置、ITを駆使した生産方式を導入。

今回製造を開始した石炭ガス化炉は、工期短縮を目的に、輸送できる最大重量までモジュール化(ガス化装置と圧力容器の一体化)した後、建設現地へ輸送し、据付工事を行うでつ。

IGCCは、ガス化炉で石炭をガス化し、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた高効率のコンバインドサイクル方式で発電することで、従来の石炭焚き火力発電に比べ、発電効率を飛躍的に向上させ、CO2排出低減にも寄与する画期的な火力発電システム。

勿来IGCCパワー合同会社は、三菱商事パワー株式会社、三菱重工業株式会社、三菱電機株式会社、東京電力ホールディングス株式会社および常磐共同火力株式会社の5社が出資している会社。

水素専焼タービンの先導的研究開発等に着手⑤

 水素専焼は、天然ガスと水素との混合燃料ではなく、100%水素を燃料とした燃焼。ドライ低NOxは、ガスタービン高効率化のために蒸気/水の噴射をせずに低NOxを実現する燃焼器。従来燃焼器はNOx排出を抑えるために燃焼器に蒸気/水を噴射していたが、この蒸気/水の噴射はガスタービン効率低下を伴う。クラスタバーナは、小型バーナを複数個組み合わせた形式の燃焼器。 数値流体力学(CFD)解析は、流れの状態や燃焼反応に関する各種の方程式をコンピュータを用いて解き、現象を予測するシミュレーション手法。

450kWガスコージェネレーションシステムのリモートラジエータ仕様を開発~停電かつ断水時も定格出力を維持したまま運転継続を可能に

発電出力450kWのガスエンジンコージェネレーションシステム(以下、「ガスコージェネ」)において、新たに空冷式のリモートラジエータ仕様(以下、「本製品」)を共同で開発し、2017年6月1日より本追加仕様の販売を開始。
 従来の冷却装置は、冷却水を循環させる水冷式の冷却塔仕様(以下、「従来品」)でしたが、本製品は空冷式のリモートラジエータとすることで、常時の冷却水補給が不要となり、災害発生時等の非常時に停電かつ断水が発生した場合でもシステム運転を継続することを実現。
 また、従来の空冷式では、冷却塔仕様に対して発電出力を抑えながら運転する必要が生じる場合がありましたが、本製品では、エンジンを最適に制御することで、発電出力を抑えることなく定格出力での運転継続が可能。
 東邦ガスとMHIETは、本製品を病院や商業施設、オフィスビル、工場などに提案し、エネルギー利用効率が優れたシステムとして、ガスコージェネの更なる普及促進を図り、事業継続計画(BCP)、省エネルギー、環境への貢献に積極的に取り組むでつ。

従来の空冷式では、エンジンに流れる冷却水温が上昇した場合の性能低下・不具合発生を抑制するために、水冷式に対して発電出力を抑えて運転する必要が生じる場合がありましたが、本製品は、エンジン制御の最適化により冷却水温の上昇に伴う性能低下を抑制し、定格出力での常用稼働を実現。
(注1)リモートラジエータとは、ラジエータをエンジンと異なる場所に設置する冷却システム

冷却装置を空冷式のラジエータとすることで冷却のための補給水が必要なくなり、ユーティリティとして燃料ガスのみで発電装置の運転を継続することが可能。

従来品に搭載されていたBOS(Black out start)機能(注2)にラジエータによる冷却を組み合わせることにより、本製品では災害時に停電と断水が併せて発生した際にも、防災設備への給電、工場・ビルなどの保安設備への給電をより確実に行えるようになり、電源セキュリティを向上。
(注2)停電時に外部電源なしでエンジンを起動・給電する機能

都市ガス13A 低位発熱量40.60MJ/Nm3の時の換算値で裕度は+5%。
また、国際標準化規格(ISO 3046)による試験、計測方法にて効率を算出

水素専焼タービンの先導的研究開発等に着手④

これまで水素社会実現に向けた基礎的調査研究において、技術情報および内外の政策情報を集約した各種要請を反映し、技術開発シナリオ検討のフレームワークを完成させるとともに、想定されうる前提条件に基づく一通りのシナリオを作成。

 

今回の追加公募により、これまでの調査研究成果を継続、発展させるとともに、学理に根差した技術的革新性、社会的・組織的な合理性を付与させるでつ。

この研究によって、エネルギーシステム全体における水素エネルギーの位置づけを明確にするとともに、具体的導入形態の例示、開発中の技術の位置づけの明確化、および今後強化すべき技術等により、シナリオの精緻化を図るでつ。

水素専焼タービンの先導的研究開発等に着手③

数MW級の自家用発電向け水素ガスタービン発電において、キーコンポーネントとなる水素専焼ドライ低NOx燃焼器の研究開発を行うでつ。

数値流体力学(CFD)解析 を用いた流動、燃焼ガス分布の予測により、燃焼器形状の検討を行うでつ。

設計・試作した燃焼器は高圧水素燃焼試験を行い、低NOxで安定燃焼の達成を目指すでつ。

水素専焼タービンの先導的研究開発等に着手②

水素専焼対応型Dry Low NOx高温ガスタービンの研究開発でつなぁ~

数百MW級の発電事業者向け大型ガスタービンに適用可能な水素専焼ドライ低NOx※2 燃焼器の開発に向けて、クラスタバーナ※3 の大型高温化および燃焼器特性の評価等の技術開発を行うでつ。

燃焼器の構造成立性の検討、縮小モデルバーナの解析検討および設計・製作を行い、火炎形状の適正化、安定燃焼の実現、低NOxの実現を目指すでつ。

水素専焼タービンの先導的研究開発等に着手①

2014年4月11日に閣議決定された「エネルギー基本計画」では、水素を日常の生活や産業活動で利活用する社会である“水素社会”の実現に向けた取り組みを加速することが定められたでつ。

NEDOは「水素利用等先導研究開発事業」において、2030年以降の長期的視点をにらみ、将来の水素エネルギー利活用の本格化を見据え、再生可能エネルギーを利用した水素製造およびエネルギーキャリアを用いた水素の貯蔵・輸送における要素技術の研究開発を実施。

今般、将来の水素需要の創出に向けて水素発電の本格導入が検討されている中、2030年以降の実用化を目指し、発電効率を下げずに低NOxを達成するドライ型水素専焼※1 ガスタービン燃焼器の要素技術開発2テーマを新たに追加。

また、この事業では開発する技術の速やかな実用化・普及と技術課題の明確化、将来の技術課題・シーズの発掘を目指し、普及シナリオを作成していますが、水素社会実現までのシナリオ調査研究について、研究体制を刷新し、水素エネルギーに関する技術進展の将来予測について分析・評価等を行い、シナリオへの反映、精緻化を図りるでつ。

大型水素タービン技術①

水素タービンの開発…

各メーカ力入ってきたでつなぁ~

だけど開発スピードはもっと速くしないと…

ウズベキスタンでコージェネレーションシステム実証に本格着手―従来比38%の省エネ化と電力・熱の安定供給目指す

KHIさんが、NEDOと丸紅ユティリティ・サービス(株)で、ウズベキスタンのフェルガナ市でガスタービンコージェネレーションシステムの実証事業を開始。

順次、設備の導入や実証を進め、2020年度末までに同市内の実証サイト2カ所へガスタービンコージェネレーションシステムを実装し、従来比38%の省エネルギー化および電力と熱の安定供給の実現を目指すでつ。

ポーランドの首都ワルシャワに事業統括機能を備えた新事務所を開設先進的な石炭火力発電システムやAQCSの需要開拓を強化

ポーランドの首都ワルシャワに17日(現地時間)、新しい事務所(Poland Branch Office)を開設。

これまで同市内の2ヵ所に分かれていた、当社の欧州拠点法人が運用する事務所と、当社が同国内で受注したプロジェクトの遂行を手掛ける事務所を一体運営し、同国における事業展開の統括機能を持たせることにより受注拡大につなげるのが狙い。

新ポーランド事務所を通じ、先進的な石炭火力発電システムや総合排煙処理システム(AQCS:Air Quality Control System)などの整備計画に関する商談開拓や顧客への提案を強化。

新ポーランド事務所は、欧州拠点法人が事務所を置いていたワルシャワの中心街で新たな場所を選び、そこで同事務所とフレデリック・ショパン国際空港の近くにあった当社直轄のプロジェクト遂行事務所を一体で運営するために開設したもの。

周辺には同国の政府機関や電力企業各社の本社もあるでつ。

現地では同日、開所式典が開催され、ポーランド政府を代表してエネルギー省(MoE:Ministry of Energy)幹部、在ポーランド日本大使館からは松富重夫特命全権大使のほか、現地の電力エネルギー業界、商社などから来賓が多数臨席。

ポーランドは世界有数の石炭資源国で、総発電量の約9割を石炭火力で賄ってるでつ。

同国では2015年に発足した現政権が、エネルギー安全保障強化の観点から国内炭鉱業の再編・活性化を目指してMoEを新設。

政府主導で、炭鉱の再編・合理化に取り組む一方、石炭埋蔵量の大部分を占める亜瀝青炭や褐炭などの低品位炭を有効活用できる高効率石炭火力発電システムの導入や、環境負荷低減に役立つAQCSの普及に力を注いでいるでつ。

幅広い炭種に対応可能な独自の高効率燃焼技術を保有しており、同国向け石炭火力発電設備において大きな実績を持っているでつ。

現在、同国の発電会社であるエネア社(ENEA Wytwarzanie S.A.)が運営するコジェニッチェ(Kozienice)火力発電所の11号機建設プロジェクトで、出力107万5,000kWの瀝青炭焚き超々臨界圧火力発電設備を受注、2017年12月の運転開始に向けて建設中で、同発電所の1、2号機向けには選択触媒還元法(SCR:Selective Catalytic Reduction)による先進的な排煙脱硝設備を受注し、昨年に設置を完了。

また、ポーランド国営電力会社(PGE:Polska Grupa Energetyczna S.A.)が運営するトゥルフ(Turów)火力発電所の11号機建設プロジェクトでは、出力45万kWの褐炭焚き超々臨界圧火力発電設備を受注。2020年半ばの運転開始に向けて建設を進めているでつ。

MHPSは今後、新ポーランド事務所を通じて、石炭をガス化してコンバインドサイクル方式により発電する最先端の高効率発電技術であるIGCC(Integrated coal Gasification Combined Cycle:石炭ガス化複合発電)をはじめ環境に配慮した多様な高効率発電システムや先進的AQCSを提案・提供することにより、同国の旺盛な発電需要に応え、経済発展に貢献するでつ。

やっぱり…

水素ガスタービンコンバインドサイクルの普及はインフラの整備でつなぁ~

政府が動いても対応が遅いでつなぁ~

でも水素社会へ動き出してるでつなぁ~

ガスタービン、大型蒸気タービン、産業用事業の工場を製品ごとに集約化国内製造拠点の再編および事業再配置によりPMI活動のさらなる進化へ

国内製造拠点の再編および事業再配置についての概要を決定。

PMI(Post Merger Integration:合併・買収後の統合推進)活動のさらなる進化に向け、ガスタービンを高砂工場(兵庫県高砂市)、大型蒸気タービンと水車を日立工場(茨城県日立市)、中小型の産業用事業を長崎工場(長崎市)および当社100%出資の三菱日立パワーシステムズインダストリー株式会社にそれぞれ集約するのが柱。

2017年度末にはほぼ完了する予定。

製品ごとに工場の集約化を行うことで、生産性向上と資産活用の促進をはかるとともにサプライチェーンの整流化によりコスト競争力の強化につなげ、火力発電システム・環境装置分野における“世界No.1プレイヤー”の実現を目指すでつ。

ガスタービンについては、横浜工場のガスタービン高温部品の製造機能と、日立工場の中小型ガスタービン製造機能を高砂工場に移管。

これに併せて、EPC(エンジニアリング・調達・建設)、設計、サービスについても、東京湾岸地域周辺のサービスは地の利のある横浜工場で対応する以外、高砂工場に集約。

一方、日立工場には、高砂工場および長崎工場の大型蒸気タービンならびに高砂工場の水車製造機能を移管。

これに併せて、品質保証、調達、設計、サービスも日立工場に集約。

また、高砂工場の原子力タービンの製造機能についても、今後の市場状況その他を見極めた後、将来的に日立工場に集約する予定。

本社などで手掛ける中小型の産業用事業については、蒸気を再加熱して熱効率を高める再熱サイクルを備えた比較的大出力の設備案件(再熱案件)を遂行する機能を長崎工場に移管し、すでに同工場への移管を完了している製造機能と併せ、現在各拠点に点在しているリソースを集めて有効活用できる体制。

また、今後需要拡大が見込まれるバイオマス発電分野など再熱サイクルを採用しない設備案件(非再熱案件)を遂行する機能を、MHPS-IDSに移管。

MHPSは、国内製造拠点の再編および事業再配置を通じて、仕事の手順やシステムの統一、生産設備の稼働率向上、不要設備の廃却による固定費の削減、サプライチェーンの整流化、土地資産の有効活用を加速する一方、今後も各拠点が立脚する地域の自治体をはじめステークホルダーとも緊密に連携しながら、さらなるシナジー追求により収益力およびグローバル市場での競争力強化を推進していくでつ。

自前は…

自由化で自前とか相互とか多くなってきたでつなぁ~

火力発電設備向けデジタルソリューションMHPS-TOMONIの機能強化へOSIsoftとマイクロソフトが開発したRCIPに参加

OSIsoft, LLC(OSIsoft、本社:米国カリフォルニア州)とMicrosoft Corporation(マイクロソフト、本社:米国ワシントン州)が共同開発した高度ICT(情報通信技術)プログラムの「レッドカーペット・インキュベーションプログラム(Red Carpet Incubation Program:RCIP)」に参加し、火力発電設備の運転を最適化するデジタルソリューションプラットフォーム「MHPS-TOMONI(トモニ)」の機能を強化するでつ。

OSIsoftとマイクロソクトの協力により、設備の計画外停止を最小限に抑えるなど運用効率を高めて火力発電所のデジタル転換を推進していくのが狙い。

RCIPは、OSIsoftとマイクロソクトの包括的な協業によるもので、高度なデータ分析を迅速に行うことを可能。

データ分析者たちがクラウドベースの分析プラットフォームやビジネス情報アプリケーションで使えるように運用データを整理する場合、データ量は1日当たり数百テラバイトに達して膨大な時間がかかりるでつが、RCIPにより実現する完全制御されたビッグデータおよび高度な分析プラットフォームを活用することで、コストと時間ならびに労力を大幅に削減できるでつ。

MHPSは、MHPS-TOMONIをOSIsoftのPI SystemやマイクロソフトのMicrosoft Azureといった信頼できるソウトウエア上で開発することにより、短期間で新しいサービス事業をサポートするための安全で使いやすいプラットフォームを開発できるようになったでつ。

「MHPSはOSIsoftやマイクロソフトなど世界中の信頼できるパートナーとチームを組み、ビッグデータを活用して発電プラントの運用効率を改善します。RCIPへの参加により、当社のデジタルソリューションサービスであるMHPS-TOMONIの機能はより強化されます。当社はMHPS-TOMONIを通じて、発電プラントの価値を高めるさまざまなアプリケーションを発電事業者に提供していきます。」

MHPSは、RCIPを通じてOSIsoftと協業関係のさらなる緊密化をはかり、火力発電設備の効率的運用に貢献するでつ。