新エネルギーの展望 ガスタービン技術 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 はじめに １ ２ ３ ４ ５ ６ 次 ································································ ガスタービン開発の歴史と最近の状況 1 ··································· 2 ······················································ 2 1.1 開発の歴史 1.2 ＬＮＧコンバインドサイクルの発展経緯 ····························· 2 ······························· 4 ····································· 4 ··············································· 5 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 2.2 ガスタービンの種類 2.3 ガスタービンの性能と基本サイクル 2.4 ガスタービンの諸特性 2.5 コンバインドサイクルの基本的構成 ································· 6 ············································· 9 ガスタービンの主要構成技術 ································· 9 ··········································· 11 3.1 圧縮機 ·························································· 12 3.2 燃焼器 ·························································· 12 3.3 タービン ························································ 13 ガスタービンの燃料と適用状況 要 ········································· 16 ·························································· 16 4.1 概 4.2 ガスタービンの適用燃料概説 4.3 4.4 ······································· 16 高炉ガス焚き発電所 ··············································· 16 石炭ガス化複合発電 ··············································· 18 ガスタービンの開発課題と動向 要 ········································· 21 ·························································· 21 5.1 概 5.2 冷却技術の変遷 5.3 耐熱材料技術の変遷 5.4 ガスタービンの主要構成要素技術の課題と動向 ··················································· ガスタービンと運転・保守 ··············································· 21 22 ······················· 22 ············································· 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 ８ 国内代表メーカの技術概要とその取り組み 要 ······························· 28 7.1 概 ·························································· 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 ガスタービンの将来展望 要 ··············································· 33 ·························································· 33 8.1 概 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 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 日本における最近の年間発電電力量（kWh） らも，極めて現代的な発電方式といえる。 （2006年度推定実績）は，火力が約６割を占め， そのコンバインドサイクルが今日実用機とし 次に原子力が３割，水力・地熱が約１割，いわ ての信頼を勝ち得るに至った背景には，前述の ゆる新エネルギーは未だ約１％に過ぎない。す ように研究開発，設計製作および運転面におい (1) なわち現在の電力の大半は火力に頼っている 。 て，関係者（ユーザ，メーカ，研究機関等）が その火力の中でも，現在は発電量としてもっ 長い歴史と経験を経て努力してきた成果に他な とも多いのがＬＮＧ火力である。最近は火力発 らないが，今日の環境とエネルギーを取り巻く 電による発生電力量の約４割強（全体発電量の 切迫した状況を勘案すると，今後ともさらなる 比率で26％）を占め，僅少差ながら石炭火力の 効率向上と信頼性確保等の性能向上を目指した 約４割（同24％）を越えるまでになってきた。 一層の努力が必要であろう。 石油火力等は約２割（同10％）に低下してきて 航空用ガスタービンは，人と荷物を満載した いる。1980年ごろのＬＮＧ火力の比率が約１割 巨大な飛行機を高度約１万ｍもの高所に押し上 強，石油が約４割もあった時代からすると，正 げ，今や地球の半分の距離を無着陸で運行する に隔世の感がある。ＬＮＧ火力の中で最近特に 迄になった。また，発電用ガスタービンは，コ 注目を浴び，また実績も伸びてきているのが， ンバインドサイクルとしてわが国発電用電力量 ＬＮＧ複合発電（略称，コンバインドサイク の４分の１を占めるほどの重要な電源となって ル）である。 いる。 そのコンバインドサイクルの発展は，すなわ 人類は今や陸と空において，ガスタービン技 ち効率面，運転特性面，さらに経済性面での優 術から多大の恩恵を受けているといっても過言 れた特徴に起因するものであり，それはとりも ではないだろう。 なおさず大部分ガスタービンの特徴でもあるの 本書が，そのような現代の重要技術であるガ で，いまやガスタービン技術がその中心となっ スタービン技術について，理解を深められる際 ているといっても過言ではない。 の多少とも参考になることを期待する次第であ そのガスタービンは，第２次世界大戦前後か る。 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 － 1 － １ ガスタービン開発の歴史と最近の状況 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 1.1 開発の歴史 (2)(3) た発電方式である。 ガスタービンの開発歴史を見ると，航空用に わが国における発電用としての本格的な採用 おいては，イギリスとドイツでほぼ時を同じく は，1984年（運転開始）の東北電力東新潟３号 して開発され，例えばイギリスでは，1937年に 系列発電所が挙げられる。同プラントは，ガス 英国空軍士官で技術者のフランク・ホイットル タービン温度（第１段動翼入口）は，1,154℃ 卿がジェットエンジン試験に成功し，ドイツで であり，発電効率（発電端，高位発熱量 は，1939年に当時学生のフォン・オハインが， （HHV）基準）は約44％（低位発熱量（LHV）基 ジェットエンジン研究を飛行機に応用し，成功 準49％）と当時の最新鋭従来方式火力発電プラ したことが伝えられている。また，発電用の場 ントの効率と匹敵するものであった。しかし， 合も，開発開始時期はそれ程変わらず，1939年 その後のガスタービン温度の上昇とともに同効 にスイスのＢＢＣ（現ＡＢＢ）が，出力4千kW 率は飛躍的に増大し，最近では，ガスタービン のガスタービンを試作し，運転に成功したこと 温 度 1,300 ℃ 級 で 同 効 率 約 50 ％ （ LHV 基 準 約 が挙げられている(2)。 55％）時代を経て，いまや1,500℃級で同効率 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 約54％（LHV基準約60％）が，建設され実運用 されるようになった。 的な発電（外燃機関）でなく，高温燃焼ガスか 従来の火力発電効率がせいぜい40％を超える ら直接発電出力を得る内燃機関であり，そのた 程度だっただけに，飛躍的な効率の変化といえ め構造がコンパクトで大出力が出ることが知ら る(3)(30)。 図1－1(3)にコンバインドサイクルの発電効率 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 の推移を従来形火力との対比で示す。 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 うになってきた。 ちなみにコンバインドサイク 発電所熱効率 れるに従い，広く採用されるよ 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 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） － 2 － 1.2 ＬＮＧコンバインドサイクルの発展経緯(4) 照）。 近年の産業および経済の進展にともなうエネ 発電用としてＬＮＧが導入された初期の時代 ルギー消費量の増大，とりわけ電力化率の上昇 は，ＬＮＧを（ガス焚）ボイラで燃焼し，蒸気 により電力消費量は，ほぼ一貫した右上がりの タービンで発電するいわゆる従来型発電方式が 上昇を続けてきた。 主体であった。特に，高度成長期時代のエネル その中で，近年の電源構成を見ると戦後の水 ギー消費量の増大により引き起こされる環境問 主火従から火主水従へと移行して暫らく経った 題に対応して，ＬＮＧは，基本的にはSOx，ば 石油危機直前の1970年ごろの火力の主要電源は いじん低減のための特別の設備が不要な燃料で 石油であったが，その後石油危機を契機として あったし，またそれに応えるガス焚きボイラは， 脱石油化が図られ，さらに原子力開発の進展， その環境特性（低NOx特性）面，性能面，ある 天然ガスの導入および石炭の見直し等があり， いは運用特性面等において十分当時のニーズに 最近（平成18年度推定実績）の電源構成（電気 応えるものであった。当時は未だガスタービン 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 。 石炭 LNG 石油他 地熱 原子力 23775 (100 %) 4712 (20%) 52 (0.2%) 4688 (20%) 20000 15000 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 万kW (1) 水力 25000 10000 5993 (25%) 5000 3784 (16%) 0 4526 (19%) 力の推移を見ると，先ず年度末電源設備では， 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1990 1984 1979 1973 1952 のが，最近（平成18年度推定実績）では，25％ 1965 1973年で（全体発電出力中）約３％であったも に達し，石炭，石油等を凌駕して火力の中で１ 図1－2 位を占めるようになった。また，年間発電電力 年度 年度末電源設備の推移（電気事業用） 量では，1973年は約２％に過ぎなかったものが，（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 最近（上記と同時期）では，全体の中で約26％ 庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成） 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， 水力 石炭 LNG 石油他 地熱 原子力 新エネ 12000 主要燃料として利用されていることが窺える。 9705 (100 %) 10000 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。 51 (0.5%) 2824 (29%) 34 (0.5%) 938 (9%) 2491 (26%) 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 億kW 8000 6000 4000 を見ると，1990年ごろはＬＮＧ火力中のコンバ 2397 (25%) 970 (10%) 2000 インドサイクルの比率は，約１割に過ぎなかっ 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1990 1984 1979 1973 1952 1965 0 たが，最近（2005年度）では約４割にも達する 年度 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 図1－3 年間発電電力量構成の推移（電気事業用） 新設されてなく，今後さらにコンバインドサイ （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 クルの比率が増すものと予想される（図1－4参 庁データよりエネルギー総合工学研究所で作成） － 3 － ２ 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 ガスタービンの原理， 基本構造および性能 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 2.1 ガスタービンの原理と基本構造(5) の向上により，上記の推移に見られるようにコ ガスタービンは，燃焼器で燃料を高温高圧下 ンバインドサイクルはＬＮＧからの発電方法と で燃焼し，その燃焼ガスで後流の羽根車（ター しては今や従来方式を凌駕したと見ることもで ビン）を回転させ電気あるいは動力を発生する きよう。 装置である。 従来型の発電方式である蒸気発生装置（ボイ 従来方式 ラー）と蒸気タービンの組合せで発電する方式 コンバインドサイクル 70000 60000 50000 ＭＷ が外燃式と呼ばれるのに対し，直接燃焼ガスか 59700 (100%) ら動力を得ることから内燃式とも言われる。そ 22800 (38%) 40000 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 30000 20000 36900 (62%) 10000 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 図1－4 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 0 西暦 日本のＬＮＧ火力の建設推移 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 （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） 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。 － 4 － 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） 加熱器 加熱器(燃焼器) 圧縮機 圧縮機 タービン タービン 出力 出力 冷却器 （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） ガスタービンサイクルを従来のピストンエン また，航空用あるいは陸用大型ガスタービン ジン等の容積型内燃機関と比較した場合の最大 は，その利用する燃料として航空用燃料あるい の長所は，ガスタービンの場合ピストンエンジ はＬＮＧなど高品質燃料が使われており，その ン等とは異なり，作動流体が連続的に高速で流 ような燃料の確保上からの制約を懸念する向き れるので，装置の大きさの割には大量の作動流 もある。ただし，高品質燃料の確保に関しては， 体を処理でき，そのため（装置サイズの割に 少なくとも発電用燃料に関する限り製鉄所から は）大規模出力が得やすいことである。 の高炉ガス利用，あるいは石炭からのガス化ガ 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 も行われてきている。 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 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 ディーゼルエンジンなどに比べると窒素 クル」と「密閉サイクル」とがある。 酸化物（NOx）の発生を抑制できる。 「開放サイクル」は燃焼器で発生した燃焼ガ 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 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 い。 ⑤ スの利用など，適用燃料の拡大に向けた取組み 等で大気へ放出されるものである。一方，「密 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 閉サイクル」は，窒素，ヘリウム，二酸化炭素 は，高温化とともに燃焼器あるいは高温側ター などの低沸点流体を循環利用するものである。 ビンの動・静翼などの高温部品・部材は，劣化 現在実用されているものはほとんど開放サイク あるいは短命化の傾向を有しており，従ってそ ルである。 の適正な手入れ（保守）あるいは交換が必要で さらに「開放サイクル」ガスタービンは，ジ あること，またそのための経費が定常的に発生 ェットエンジンに見られる「航空機用ガスター することが挙げられる。ただし，高温部品の寿 ビン」と発電用あるいは動力用等の陸用原動機 命に関しては，適切な保守・交換基準の設定に としての「陸用ガスタービン」に大別される。 より，その運転上の信頼性が，格段に向上して 「陸用ガスタービン」の場合，特に電気事業発 きていることもあり，もはや問題点としてあげ 電用は，年間の使用時間が航空機用に比べ格段 る必要はないという指摘もあるが，本質的な性 に多いこともあり，前にも述べたように「ヘビ 格ということで理解しておくべきであろう。 ーデューティ」ガスタービンとも称せられ，航 － 5 － ファン 空機用とは異なる耐久性，効率特性等の評価指 圧縮機 燃焼器 タービン 標が適用される。 ジェットノズル 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 ファンタービン 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 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 ボファンエンジンなどが開発されてきた。いず 出版会，2006年３月） 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 ＪＩＳ（JIS B 0128）で定められている。例え を得るものである。 ば，温度15℃，圧力101.3kPa，相対湿度60％等 一方，陸用（発電用）の種類としては，上記 が定められている(6)。 の航空機用を転用したものと，発電用専用とし (2) ガスタービンサイクル 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 ガスタービンサイクルの基本は，前図（図2 ットエンジンを利用したものであり，一般に圧 －1）にても示したが，改めてオープンサイク 縮機駆動用のタービンと動力回収用（発電用） ルの単純ガスタービンサイクルのフローとサイ のタービンとは，別軸にした組合せとなってい クルを示したのが，図2－3である。同図右の実 る。一方，発電専用に開発されたガスタービン 線は全て損失が無い理想サイクル（可逆断熱圧 は，発電用のニーズである長期運転を前提とし 縮・膨張）であるが，実際のガスタービンは， て構造が簡単で長期運転上の信頼性向上に努め 圧縮機内部損失，タービン内部損失，圧力損失， たもので，一般に一つのガスタービンで圧縮機 熱損失，機械損失などの影響を受け理想的サイ 駆動と発電を行わせる１軸方式が主流となって クルから外れ（不可逆過程），同図の破線のよ いる。 うな工程を描く。これが，実際のガスタービン 大型航空機用で採用されるターボファンエン サイクルの基本となる。 (5) ジンの基本構造を図2－2 に示す。なお，陸用 一方，ガスタービンサイクルとしては，上記 発電用ガスタービンの構造については，後述 の単純ガスタービンサイクルが基本となるもの （第３章）で紹介するので，ここでは省略する。 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 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 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 ガスタービンの性能は，大気状態特に温度と 圧，中圧の２段階に設けた方式），あるいは中 圧力（大気圧）に大きな影響を受ける。例えば， 間冷却ガスタービンサイクル（空気圧縮機の中 大気圧力が高く，また温度が低いほど空気の比 間に冷却器を設けた方式）等がある。その概念 重が大きくなり，容積的（容積流量）には一定 を，それぞれ図2－4，図2－5および図2－6に示 であっても，重量が増える（重量流量が増加す 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， 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。 － 6 － 圧縮機 温度Ｔ 加熱器(燃焼器) タービン 出力 比エントロピーs (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 温度Ｔ （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） 再生熱交換器 圧縮機 燃焼器 出力 タービン 図2－4 比エントロピーs 再生ガスタービンサイクル (a) 基本構成，(b) Ｔ－ｓ線図 温度Ｔ （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 再熱器 圧縮機 低圧タービン 高圧タービン 比エントロピーs 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） － 7 － 低圧圧縮機 タービン 高圧圧縮機 温度Ｔ 燃焼器 出力 中間冷却器 比エントロピーs 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） (3) ガスタービンサイクルの性能 のがあるが（例えば，文献(7)），本書ではそ さて，ガスタービンサイクルの性能は，熱力 の詳細は省略する。 学の基礎式，定義式から容易に導かれる。 実際のガスタービンサイクルでは，上述のよ その基礎となるのが， うに理想サイクルから外れる（不可逆過程）が， ① 熱力学の第１法則 その経路は上記の理想サイクルに圧縮機効率お ② ガスの状態式 よびタービン効率を加味することにより求めら ③ 可逆断熱変化の式 れる。そこで，圧縮機効率およびタービン効率 (5) 等である 。 をそれぞれ，η cおよびη tで示すと実際のガス 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 タービンの比出力および熱効率は，下記の式で 表される。 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 比出力＝CpT1｛η tτ(1－1/γ κ-1/κ )－(γ κ-1/κ －1)/ηc｝ 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 熱効率＝｛η tτ(1－1/γ κ-1/κ)－(γ κ-1/κ－1)/ 表的な性能関連諸指標を次の式で示す(7)。 ηc｝/｛(τ－1)－(γκ-1/κ－1)/ηc｝ ここに，ηt＝タービン効率（実際） 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) 図2－7は，その関係を示したものである。 熱効率 η＝1－θ-1＝1－1/γκ-1/κ 理想サイクルの熱効率は，圧力比（γ）の影 ηc＝圧縮機効率（実際） 響が大きいが，ガスタービンサイクルでは，タ ここで，P2，P1あるいはT3，T1は，サイクル ービン入口温度と圧縮機入口温度の比（最高最 行程に対応した場所の圧力あるいは温度を示し 低温度比）（τ）の影響も大きく受けることが （図2－3参照），またκは比熱比（断熱指数） 判る。すなわち，τが大きくなれば，換言する を意味する。 とタービンの入口温度が高くなれば，比出力は これらの指標を利用した比出力と熱効率の関 増し，熱効率も上昇するが，圧力比に関しては 係は，その試算結果をグラフにて整理されたも 熱効率を最大にする圧力比（最適圧力比）が存 － 8 － 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 図2－7 するといわわる(7)。図2－8にその概要 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 を示す。 電Vol.55 No.11，2004.11，P1241） 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。 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」， その結果，現状のガスタービン効率は，約35～ 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， 42％程度（LHV基準）といわれる。 P1241） 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 2.5 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。 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 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 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。 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 (1) コンバインドプラントの形式(8) し，またコンバインドプラントとしての総合発 － 9 － コンバインドプラントのサイクル形式は， 「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 図2－9 排熱回収サイクルのフロー ンで動力を回収するとともに，ガスタービン出 （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン 力と合わせて全体出力を得る発電方式である。 ドサイクルの計画・運転・保守」，オーム 通常，排熱回収ボイラでは，追い焚きなどの燃 社，2002年） 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 図2－10 排気再燃サイクルのフロー ビンの蒸気条件も向上し全体的に発電効率が上 （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン 昇してきていること，さらに系統構成がコンパ ドサイクルの計画・運転・保守」，オーム クトであるという特徴もあり，最近のコンバイ 社，2002年） 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 図2－11 過給ボイラサイクルのフロー り，原理的にガスタービンのみに燃料を投入す （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン る場合（例えば「排熱回収サイクル」に比べ） ドサイクルの計画・運転・保守」，オーム 効率は適わない。しかし，既存のＬＮＧ燃焼ボ 社，2002年） 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 り，ガスタービンの温度が比較的低い場合でも 条件によって利用されている。 ボイラの蒸気条件（圧力，温度）は高くとれ， 「過 給（ ボイラ ）サ イクル 」（ 図2－11参 そのため効率面でも（例えば，排熱回収方式よ 照）は，（加圧の）過給ボイラを燃焼器と見立 り）すぐれていた場合もあった。しかし，上述 て，そのボイラ排ガス（燃焼器排ガス）をガス のように近年のガスタービン温度の高温化とと タービンに導いて熱回収する方法である。ガス もに排熱回収サイクルの効率が上昇したためそ タービンの燃焼器が（加圧）ボイラとなってお の特徴がなくなり，一方では加圧ボイラ構造に － 10 － ３ よる建設費の増大もあり，現在ではＬＮＧコン ガスタービンの主要構成技術 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。 ガスタービン技術の発展は，高温化技術にと ただし，石炭とガスタービンとの組合せのひ もなう性能（特に効率）向上とシステム自体の とつである加圧流動層式コンバインドサイクル 実用性（信頼性，運転保守特性，経済性等）向 （ Ｐ Ｆ Ｂ Ｃ ， Pressurized Fluidized Bed 上の２面からの発展の成果と見ることができる。 Combustion）は，原理的にこの方式であり，そ 高温化技術は，冷却方法の発展と材料開発等に の意味では現在も利用されている方式である。 よるものであり，実用性向上は，とりもなおさ ガスタービン排気ガスの熱回収の方法として ずガスタービンシステムおよびその構成機器の は，その他に，「排気助燃サイクル」（排熱回 実用性，信頼性向上等を意味する。高温化技術 収サイクルにおいて排熱回収ボイラの前に助燃 の内容については，第５章で述べるので，ここ 設備を設けたもの），「給水加熱サイクル」 では実用性関連技術としてガスタービン技術の （ガスタービン排気ガスを既設火力の給水加熱 中核技術である圧縮機，高温燃焼器，タービン 用として利用），あるいは回収ボイラ等で発生 の３大構成技術を取り上げその概要を紹介する。 した蒸気を地域の暖冷房用熱として供給する まず，全体の構造を把握する意味で図3－1お 「熱併給サイクル」等があるが，紙数の関係も よび図3－2に発電用ガスタービンの鳥瞰図と構 ありその詳細は省略する。 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。 燃焼器 タービン 圧縮機 車軸 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） － 11 － 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)） 3.1 圧縮機(7) 軸流圧縮機で特に高い圧力を要求される場合 圧縮機としては一般に，軸流圧縮機や遠心圧 には，圧縮空気を途中で抜き外部の冷却器で冷 縮機などがあるが，現在一般的に高圧・大容量 却したあと，再び流路に戻す方法が採用される のガスタービンにおいては，多段の軸流圧縮機， が（これは前章で述べた「中問冷却」方式に相 小型の圧縮機の場合は，遠心圧縮機が採用され 当），これにより，圧縮動力の低減が図れる。 る。 一方，小型ガスタービンの圧縮機は，一般に まず軸流圧縮機の場合を説明する。圧縮機の 遠心圧縮機が採用される。その主な理由は，上 構成としては，一般に動翼と静翼が交互に対に 述のような軸流圧縮機で見られるシステムの煩 なって配置される。動翼はそれ自体が回転し流 雑さを避け装置をよりコンパクトにするためで 体にエネルギーを与える役割をなし，静翼はこ ある。 の流体を減速して圧力上昇させる役割をなす。 燃焼器(6)(7) 当然のことながら，軸流圧縮機の空気流路サイ 3.2 ズは後方に行くにつれ流体の圧力が上昇するの (1) 燃焼器の基本的形状 で小さくなる。軸流圧縮機の場合，一般的に起 燃焼器には，高温で高効率燃焼および安定的 動時に中間段での抽気を実施する。これにより 燃焼の役割に加え，NOx排出量の低減，出口温 起動時に不足しがちな上流段における吸い込み 度の平準化とともに，昨今の高温燃焼に伴う信 空気による軸流速度を確保する。図3－3は，こ 頼性，耐久性の確保が必要とされる。 れらの概念を示したものである(7)。 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 図3－3 圧縮機抽気の概念図 分解点検が出来ないため，定期的に環状の構成 （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， 部品を分解点検することが必要となる。これら 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， の特徴は，航空機エンジンに向いているといわ P1242） れる。 － 12 － (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 ， 図3－4 各種燃焼器の形式 P1244） （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 ， (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 P1244） ては，高温化にともなう「低NOx化」と「安定 一方，キャニュラー形（缶形）は，（個々 燃焼」の両特性の確保が必要とされる。 の）筒型燃焼器を周囲に配置したものであり， 燃焼方式に関しては，従来より採用されてき 燃焼ガスの均一分布性はアニュラ型ほどではな た「拡散燃焼」と近年の燃焼方式である「予混 いにしても良好な特性を有している。一方，燃 合燃焼」がある。「予混合燃焼」方式は，火炎 焼器部分の重量はアニュラ形より増えるが，燃 温度を抑えながら燃焼が可能なため「低NOx 焼器単品での分解交換が可能なため，発電用に 化」に対してすぐれているが，燃焼の安定範囲 適しているといわれる。 の幅が狭く不安定になりやすい問題を抱える。 サイロ形は，大きなサイロ形状燃焼器を配し 一方，「拡散燃焼」は可燃範囲が広く火炎は安 たもので，燃焼ガスの均一分布という点ではも 定しているが，発生NOxレベルが高い等問題を っとも劣るが，燃焼時間を比較的長く取れるた 抱える。そこで，最近の低NOx燃焼方法として め，低カロリーガスなど燃えにくい燃料の燃焼 は，両者の特徴を組み合わせたハイブリッド型 に向いている。 の採用が多く見られるようになって来た。図3 上述のようにそれぞれの特徴を持っているの －6に，「拡散燃焼」と「予混合燃焼」方式の で，ガスタービンの用途，燃料の種類等の条件 空気比に対するNOx値及び安定燃焼域の概要を に応じ，その特徴を生かした燃焼器の選択が要 示す。いずれにしても，最近の高温燃焼器にお 求される。 いては，火炎温度のピークを極力抑え，燃焼器 － 13 － 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 NOx（ppm） 拡散燃焼 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 予混合燃焼 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 図3－6 空気比に対するNOx値＆安定燃焼域 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） （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」， ③ フレキシブルな構造（起動停止にともなう 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， 大きな熱的変化を許容できるものとするた P1245） め） 特に，高温燃焼ガスを最初に受けるタービン 出口の温度分布の平均化が求められる一方，高 入口静翼は，非常な高温に曝されるため，一般 温燃焼器特有の空気・燃料の混合比率が限られ に冷却空気を利用して翼自体を冷却するととも るため不安定燃焼に陥りやすい等の課題があり， に翼の内部から染み出させて翼表面を空気の層 これを如何に解決するかが燃焼上の大きな課題 で覆い高温ガスが直接翼に当たらないようにし である。 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， 3.3 タービン (6)(7) 翼の温度を下げるなどの工夫をしている。図3 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 －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)。 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 図3－7 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 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 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 － 14 － 料，日本ガスタービン学会，平成12年７月） 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。 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 図3－9 空気冷却方式（GE型-FA型の例） （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） タービン部の冷却構造例 （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）） 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 締付ボルト (6) 照 ）。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 半径方向歯車 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。 図3－10 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 ， ディスク（動翼を植え込んだ円板）を重ねてそ P1246） 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 図3－11 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 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」， にしても最近では，動翼・静翼共に内部に複雑 火 力 原 子 力 発 電 Vol.55 No.11 ， 2004.11 ， P1247） － 15 － ４ ガスタービンの燃料と 適用状況(3)(9)(10)(11) 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 4.1 概 要(9) 題となるのはＶ，Na等のよる高温腐食成分とい 先に紹介したようにガスタービンの歴史は， われるが，その対策の例としては，Na等のアル 航空機用エンジンでの利用を先導として，その カリ金属は水溶性であることを利用して水洗し， 装置規模に対する出力が大きい，高速起動が可 Ｖは水溶化困難であるため（油溶性）その方法 能等により，陸用でも使用されるようになり， では除去が困難であり，添加剤を投入して処理 初期の予備機としての役割から，その後長期運 する方法等が提案されている。 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。 ガス化ガス とりわけ，ガスタービンの燃焼器温度の上昇と 酸素吹き 酸素吹き 窒素混合 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 燃焼速度 ともに，出力および効率も上昇し，今や火力発 製油所ｶﾞｽ 空気吹き LPG & B-Bｶﾞｽ 天然ｶﾞｽ&製油所ｶﾞｽ COG &坑内ｶﾞｽ BFG/LDG/COG 混合ｶﾞｽ BFG 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， 製鉄所副生ｶﾞｽ ガスタービンの特徴を生かす原動機あるいは発 0 2 4 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 8 20 40 80 燃料発熱量 MJ/m3N 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 ている燃料および同適用技術の動向を紹介する。 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） 4.2 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， 4.3 (1) 概 高炉ガス焚き発電所(3)(11) 要 一般的に使用されてきた。しかし，近年，製鉄 既に何回か出てきているが，ここで改めて高 所副生ガス，石炭ガス化ガスなどいわゆる低カ 炉ガス（ＢＦＧ，Blast Furnace Gas）利用に ロリーガスも適用燃料の対象とされるようにな おけるガスタービンの説明を行う。ＢＦＧは， り，既に多くの実績も得られてきた。また，デ 製鉄所の高炉から副生燃料として発生するガス ュアル燃料と称して，例えば製鉄所副生ガスと （ＢＦＧ）で，可燃成分の主体は一酸化炭素で 重油の混合利用などの利用も行われている。図 あり，窒素および炭酸ガス等不活性成分ガスの 4－1は国内メーカの事例ではあるが，ガスター 割合が多く，その結果単位体積当りの発熱量は， ビンに適用した燃料ガスの実績を示したもので 3.0MJ／m3NとＬＮＧの約10分の１（１／14～１ ある(11)。 ／８）と低い。また，燃焼速度は遅く，可燃範 一方，高カロリーあるいは低カロリーであれ， 囲が狭いという特徴もある。したがって，ＢＦ 燃料の性状から高品質，低品質燃料という区分 Ｇ焚きガスタービンとしては，燃料制御システ がある。例えば，同じガスタービン用燃料油と ム，燃料供給システム，および燃焼器などに最 いっても，航空用燃料と陸用燃料とはその性状 適設計が必要とされる。このためには，空気圧 要求値が異なる。例えば，Ｖ，Na等の腐食性成 縮機，燃焼器，およびタービンにおいてＢＦＧ － 16 － の特性に応じた的確な機器選定と組合せが必要 (2) 導入普及状況 とされる。図4－2に天然ガス焚き用と比較して 日本で最初のＢＦＧガスタービンの実用機は， のＢＦＧ焚きガスタービンの構成と主要な空気， 1958年八幡製鉄所納入の850kW機に始まるとい ＢＦＧ及び燃焼ガス流量バランスの概要を示す。 われる。しかし，本格的に開発が行われたのは， そのような配慮がなされて現在は，次項にて 1970年代になってからといわれる。その後ガス のべるように既に国内外で多数の実績が得られ タービン温度の上昇（1,000℃，1,150℃等）に るようになった (11) 。 ともない，出力も10MW級，100MW級へと増大し， なお，ＢＦＧに加え発熱量が高くやはり製鉄 1980 年 初 頭 に 150MW 級 が 実 用 化 さ れ ， 最 新 鋭 所から副生的に排出されるコークス炉ガス（発 （例，2004年に運転開始した君津共同火力）ガ 熱量19MJ／m3N）を混合したガス（これを増熱 スタービンコンバインドプラントの場合，ガス ＢＦＧと称す）にして，より燃焼の安定性を増 タービン温度1,300℃級で同出力180MW（蒸気タ す場合もある。 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 空気 98% 技術は，既に国内で多くの実績が得られている BFG焚 天然ガス焚（標準機） 吸気フィルター 発電機 大容量 ｶﾞｽ圧縮機 タービン 圧縮機 排ｶﾞｽ量 100% 燃焼器 HRSG 空気ﾊﾞｲﾊﾟｽ弁 湿式E/P ｶﾞｽ冷却器 して製作された機器が納入されている(11)。 翼高さの見直し 増速ｷﾞﾔ 発電機 圧縮機 が，近年海外においてもその実績・経験を生か 空気 73% 吸気フィルター タービン 排ｶﾞｽ量 100% 先ずＢＦＧの圧縮機について概説すると，Ｂ 燃料量 HRSG 27% ＦＧの供給圧は高炉の運転圧力の関係から低く， 排ｶﾞｽ 燃料量2% 燃料ｶﾞｽ母管 図4－2 排ｶﾞｽ (3) ＢＦＧ焚き用ガスタービン 燃料ｶﾞｽ母管 従ってガスタービンで燃焼用として利用するた 天然ガス焚きとＢＦＧ焚きのフローバ めにはガス圧縮機で圧縮する必要がある。その ランス ため，高炉ガス焚きガスタービンシステムでは， （出典：小森豊明他，ＢＦＧ焚ガスタービンコンバイ ガスの圧縮と空気の圧縮と圧縮機が２台必要と ンドサイクルプラント，日本ガスタービン学 なる。一般にガス圧縮機，蒸気タービン，発電 会誌Vol.34 No.5，2006.9） 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） － 17 － ア（変速装置）は１軸にて構成される。このた ス化方式の開発が期待された。例えば，従来方 めには，高速で大容量に対応可能な強度を持っ 式の場合，現在運転中の最新鋭微粉炭火力であ たシャフトの設計が重要とされる。図4－3はそ る超々臨界圧火力発電（ＵＳＣ：Ultra Super の構成例を示したものである(3)。 Critical）においても，発電効率（送電端， なお，個々の機器の設計に際しては，豊富な LHVベース）は42％程度である。一方，ＩＧＣ 実績を有す天然ガス焚きとの比較の基に，上記 Ｃの場合，1,500℃級のガスタービンと組み合 図（図4－2）に示す流量バランスの相違に対応 わせた場合を想定すると，同効率は48～50％が して変更が加えられてきた。例えば，ガスター 実現可能とされる。このように，石炭を使いな ビンの出口流量を天然ガス焚きガスタービン がら高い発電効率が可能となることは，その分 （標準機）とあわせた場合，ＢＦＧ焚きでは， 燃料節減およびCO2 低減がはかれ，さらにガス 空気量が少ない分，空気圧縮機部分の翼高さを 化方式の種類にもよるが，石炭灰が溶融スラグ その量に応じてカットするなどの変更を加える 状でとりだせるため，灰の容積面あるいは環境 ことにより極力標準機を部分的変更により採用 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 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 型微粉炭火力の燃焼排ガス中よりCO2 を回収す れたが，ガスタービン温度の高温化に伴い燃焼 る場合に比べ，ＩＧＣＣの場合（ガス化ガスか 器の冷却性能の相違から，マルチキャン型燃焼 ら）の回収は，加圧状態である，処理ガス量が 器のガスタービンヘと進んでいったメーカもあ 小さい，CO2濃度が高い等の理由からCO2除去に る (3)(11)。一方，環境特性，特にNOx特性は，高 際しての所要動力が小さく，また経済的にも有 炉ガス特有の低カロリーの燃焼特性上一般に低 利と考えられている。 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 (2) 開発状況(12)(13) 事例も発表されている(3)。 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 4.4 石炭ガス化複合発電(3)(12)(13) 炉（噴流床，流動床，固定床等）の開発が進め (1) 石炭ガス化複合発電の狙い られた。それらの中で現在，実用化に至った炉 石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ： Combined おいて300MW級ＩＧＣＣが商用機として運転さ Cycle Power Plant）とは，石炭をガス化させ れている。ただし，これらのプラントは，高効 ることにより，高効率特性を有すコンバインド 率化を余り重視してないためか，その効率は余 サイクルへの適用を可能とするものである。石 り高くなく，また天然ガスを補助燃料として利 炭は，ＬＮＧあるいは重油に比べ格段に埋蔵量 用しているにもかかわらず，その運転による利 が多く，またその世界の産地も偏在してないこ 用率は約60～80％にとどまっている。最近，石 ともあり，石油危機当時から将来の有望発電用 油価格の高騰もさることながら，天然ガス価格 燃料の一つとして位置づけられてきた。しかし， も上昇する傾向を反映し，石炭火力が再び注目 石炭はCO2 発生量が多い（単位熱量あたり天然 されてきているが，その中でＩＧＣＣが高効率 ガスの1.5倍），さらにSOx，ばいじん量など環 と環境の面から注目されてきている。その規模 境面における燃料特有の課題を抱えており，高 も，600MW以上の大型火力発電所として，2010 効率化面と環境特性面から従来方式である微粉 年頃の運転開始を目指した計画が進められてい 炭直接燃焼方式より優れた特性を有する石炭ガ る。 Integrated Coal Gasification はほとんどが噴流床方式であり，今や数箇所に － 18 － わが国では，商用化前の実証試験プラントに 表4－1 ＩＧＣＣ実証機の概要 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 （出典：太田一広，石炭ガス化複合発電，日本ガスタ のように海外の商用規模ＩＧＣＣはほとんど酸 ービン学会誌Vol.34, No.5, 2006,9） 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 図4－4 き・加圧ガス化技術が基となり，さらにその次 ＩＧＣＣ完成予想図 段階である国家プロジェクトによる200ｔ／日 （出典：太田一広，石炭ガス化複合発電，日本ガスタ 規模パイロットプラントによる運転研究（1986 ービン学会誌Vol.34, No.5, 2006,9） ～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 電効率（送電端，LHV基準）で55％以上が予想 ラントでは，実証機のためガスタービン温度は されている。また，同ＩＧＦＣ用の要素技術と 1,250℃が採用されているため，発電効率（送 して多目的石炭ガス化製造技術（ＥＡＧＬＥ） 電端，LHVベース）は42％の計画値となってい の技術開発が，国およびＮＥＤＯの補助を受け る。これでも，上述のように最新鋭超々臨界圧 て，電源開発(株)が実施者となり，石炭処理量 石炭火力とほぼ同等のレベルである。ＩＧＣＣ 150ｔ／日規模にて研究開発が進められている 実証機の概要と完成予想図をそれぞれ，表4－1 （1995年～2006年）。 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， (3) ＩＧＣＣ用ガスタービン この他さらに高効率を狙った将来の方式として 次にＩＧＣＣにおけるガスタービンについて 石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ）の研 述べると，（空気吹き）石炭ガス化ガスの発熱 究開発も行われている。石炭ガス化炉からの精 量は，ＬＮＧに比べ，約10分の１と低く，高炉 製ガスを燃料電池に投入し直接発電を行うとと ガス（ＢＦＧ）に比べ約１割高い程度のいわゆ もに，その後流にガスタービンと蒸気タービン る低カロリーガスである。またアルカリ金属と を置き熱回収向上を図り，これにより例えば発 ばいじん含有量は一般に多い。ただし，発熱量 － 19 － は低いが，ＢＦＧに比べ（またＬＮＧに比べて 表4－2 ガスタービン燃料ガス性状例 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)。 （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） － 20 － ５ ガスタービンの 開発課題と動向(3)(9)(10)(15) 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 5.1 概 要 の第１の背景として冷却技術の向上があげられ 先のガスタービンの開発の歴史の概要に触れ る。図5－1(3)に過去の空冷技術の推移を冷却効 たように，近年特に石油代替エネルギーとして 率で示す。（注，冷却効率の定義，基礎となる のガス燃料（主にＬＮＧ）の利用が急速に進展 冷却方法と冷却効率の関係は，前述図3－8参照 する中で，ＬＮＧ利用火力発電設備としては， されたし。） 今やガスタービン技術を中心としたコンバイン なお実際適用される冷却方法は，ガスタービ ドプラントが主流となってきた。その主な理由 ンメーカそれぞれの思想と技術により異なるも は，ガスタービン温度の高温化に伴い発電効率 のであるが，ここでは最近一般的に見られる冷 が飛躍的に上昇してきたことがあげられる。も 却技術の傾向を示す。 ちろん，それ以外にも，急速起動・停止が容易， ① 静翼：内面に冷却空気を衝突させて冷却効 負荷変化が容易，建設費が安い，建設期間が短 果を上げたインピンジメント冷却， いなどの理由もあげられよう。しかし一方では， 対流冷却及びフィルム冷却の組合わ その発展特に高温化発展の背景には，さまざま せ。 な技術課題が発生した。それらの課題は関係者 ② 動翼(内部)：数多く折り返した空気通路の の努力，協力の結集により，着実に解決，ある 中を対流冷却させる方式（リターン いは実証試験等で検証され，発電用機器として フロー）とフィルム冷却の組み合わ 信頼するに耐える技術として構築されてきた。 せ。 しかし，それらの中には，更なる高効率化ある ③ 動翼(前縁部)：最も厳しいところであり， いは高温部品の長寿命化など今なお開発中の技 シャワーヘッドと呼ばれる冷却空気 術課題もある。 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 そこで本章では，それらの変遷の中で主要技 ェイプトホールを採用する。 術がどのような課題を抱え，開発されてきたか， なお，これらの複雑な冷却構造は，主として さらに現在および将来の取組みの概要を述べる。 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） － 21 － 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 図5－2 耐熱材料の耐用温度の推移 て（結晶制御を行うことにより）一方向凝固， （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発 あるいは単結晶の材料が得られるが，こうする 電Vol.54 No.10，2003.10，P1179） 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 図5－3 す部材には（製造上の制約から）適用困難とい 遮熱コーティングの構造模式図と温度 低減効果 われるが，静止部への適用が期待される。さら （出典：特集火力発電所の熱効率向上，火力原子力発 に将来材料としては，金属間化合物，非金属系 電Vol.54 No.10，2003.10，P1180） のセラミック材（Ceramic Matrix Composite， Ｃ Ｍ Ｃ ） ， カ ー ボ ン カ ー ボ ン 材 （ Carbon- 用に際しては，従来の燃焼器ライナーから，最 Carbon Composite）の適用が検討されている。 近ではタービン前翼への適用が進んでいる。 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 5.4 ガスタービンの主要構成要素技術の課題 と動向(3) 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 高効率化の一つの要因として，主要構成機器 Ｃは，ガス温度が上昇してもその熱遮蔽効果に の効率向上も挙げられる。ここでは，圧縮器， よりメタル自体の温度上昇が抑えられるもので タービンおよび燃焼器を取り上げ説明する。圧 ある。その効果の概念を図5－3に示す。その適 縮器およびタービンの効率についても近年改良 － 22 － がなされ，最近では両機器とも，その効率は， 用している。タービン翼形も，圧縮器同様，従 90％のレベルには到達しているといわれるが， 来機種（例，1,100℃級ガスタービン）の２次 更なる改良・改善が行われている。次にその概 元設計から，1,300℃級ガスタービンでは３次 要を示す。 元設計，さらに1,500℃級では翼型を半径方向 に曲線的に重ね合わせたいわゆる完全３次元設 １）空気圧縮機 計といわれる翼型を採用し，より流れが円滑で ガスタービンの高温化に伴い，燃焼温度とと 流損失の発生が少ない形状へと発展した設計が もに燃焼圧力，すなわち圧縮比も上昇し，また なされている。さらに，起動時などの熱伸びに 大容量化（高負荷化）も求められる傾向にあり， 対する制御（例，動翼チップ部クリアランス制 したがって空気圧縮機の性能向上への期待は大 御）など，高温化に伴うタービン翼等の挙動に きい。その性能向上の方向性は，入口流速増大 対して運転制御面からも各社各自の最新技術に と同一回転数における圧縮処理量の増大を狙っ よる工夫が凝らされている。 たものである。そのための具体的な対策はメー カにより異なるが，方向性としては，最新の流 ３）燃焼器 れ解析手法を利用して（例，従来の２次元流れ 燃焼器では，高温化に伴い低NOx化と冷却技 解析から３次元流れ解析手法の採用）翼形状， 術に対する工夫が必要である。高温化になるに 段数，あるいは，翼の制御方法（静止翼か可変 従い，いわゆるサーマルNOxの発生が増加する 翼か等）による解析が用いられている。なお， のでその対策が求められる。一般に，方向性と 最新鋭の（1,500℃級）ガスタービンの圧縮比 しては予混合燃焼と拡散燃焼との組合せが中心 は約25前後と各メーカともほぼ似たようなレベ となっているが，実際は各社各様の方法が採用 ルであるが，圧縮器の段数は，15～18段とメー されている。燃焼器の冷却方法も各社各様の工 カにより異なる値が採用されている。 夫が凝らされているが，ここでは一例として蒸 気を冷却用として使用しながら，使用後の高温 ２）タービン 蒸気を蒸気タービンで有効に活用し，耐久性と 最近の大容量ガスタービンは負荷変動対応形と 発電効率向上を狙った方式も出現してきている なっているが，その段数は，ほとんどのメーカ ので，その概念を図5－4に示す(3)。 が高負荷・高性能の３段または４段軸流形を採 図5－4 燃焼器技術変遷の例（1,300℃から1,500℃へ） （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） － 23 － ６ ガスタービンと 運転・保守(8)(16)(17)(18)(19) っているものであり，実際の運転結果も十分そ の期待に応えてきている。 図6－1に負荷の大きさと効率の関係を示す。 6.1 ガスタービンの運転特性概要(8) なお，同図の特性は，ガスタービンと蒸気ター (1) 起動特性と負荷変化特性 ビンの構成により異なる特性を有す。 コンバインドサイクルの一つの特徴が，運転 特性が良好なことを前にあげた。それは，ボイ (2) ガスタービンと蒸気タービンの構成例 ラに代表される大きな重量物を抱えた従来方式 前項で起動特性がガスタービンと蒸気タービ の発電方式と比較しても，比較的小さなサイズ ンの構成により異なると記したが，ここで同構 で大きな出力を出すガスタービン発電方式の起 成上代表的な組合せとして，一軸形および多軸 動・負荷変化における優れた特性は容易に理解 形につき概略説明を行う。図6－2に両構成例を されるところであろう。一例として起動時間は， 示す。 70～100分，負荷変化の追従性は，毎分５％程 一軸形は，ガスタービン，蒸気タービンと発 度が十分達成されている。もちろんその間の着 電機が同一軸上に配列されたものである。一般 火，負荷上昇等の全ての制御は自動にて行われ る。また，性能面に関しても部分負荷性能（効 率）は，ガスタービン台数の運転を順次消火す る台数制御により，極めて低い部分負荷（例え ば，25％前後）でも，かなりの高効率運転が可 能である点も負荷変化特性の一つの特徴として 挙げられている。 この特性のゆえに，コンバインドサイクルは， 図6－1 ミドル負荷あるいはピーク負荷に適した火力発 ユニット総合発電効率特性例 電方式といわれ，ベース電源としての原子力発 （１軸形ＧＴ３台構成の場合） 電あるいは準ベース電源とされる石炭火力では （出典：火力発電総論「12．ガスタービンコンバイン 対応困難な負荷追随性の要求に応える役割を担 ドサイクルの計画・運転・保守」，オーム 社，2002年） 図6－2 ユニット総合発電効率特性例（１軸形ＧＴ３台構成の場合） （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） － 24 － にこれを複数組み合わせたものとして運用され カのみでは作成できない，長い運転経験を生か る。各軸が独立しているため，軸単位で起動停 したユーザの工夫も織り込まれ，それぞれのプ 止が可能で，したがって部分負荷特性が良好， ラントの独自状況，特性に応じた固有の要素を 頻繁な起動停止に適しているとも言われる。な 織り込んで纏め上げられるものである。そこで， お，上記の一軸上に配列された発電設備をユニ 本章では，全般的に高温部品の損傷技術全般の ットと称し，さらに複数ユニットで構成される 紹介と補修・寿命延伸技術の概要を文献で発表 １つの発電プラントを系列と称している。 された範囲において述べる。高温部品の代表で 一方，複数のガスタービンに対し，一つの蒸 ある燃焼器，タービン（動翼，静翼）等の具体 気タービンと発電機から構成される配置を多軸 的な高温部品の保守要領については，文献等を 形と称している。一軸形に比べ蒸気タービンの 参照いただくものとしてここでは省略する。 容量が大きいので，蒸気タービン効率も高くな り，したがって比較的大きな負荷による運転時 (2) 高温部品の損傷技術全般(16) 間が多い，ベースロード的な運用に適している ここで扱うガスタービンの高温部として，燃 といわれる。この場合も，ユニットと系列の呼 焼器，ガスタービン静翼，動翼の３箇所を主な 称は，上記と同様である。 対象として取り上げる。それらの代表的な劣 化・損傷状況の一例を図6－3に示す。概説する 6.2 (1) 概 保守の概要(16) と，それらの高温部品の使用条件は非常に厳し 要 いため，劣化・損傷は必然的に発生するものと ガスタービンの高温部品は，高温，高圧，あ はいえ，その種類と程度は，個々の条件に応じ るいは条件によっては腐食性ガス雰囲気等も重 てさまざまであり，たとえ同じ場所に同じ機種 なり，非常に厳しい環境にさらされており，一 を設置した場合でもその発生状況は異なる。従 般に運転時間の経過とともに，劣化，損傷，あ って，各機械，装置ごとの対応が求められると るいはそのまま放って置けば最終的には（部材 いっても過言ではない。本来，引き続いてそれ により定まる）寿命が尽きることになる。そこ らの各高温部品ごとの，保守要領の説明が，続 で運転・保守要領（システム）の作成とそれに くことになるが，本書では紙面の関係から省略 もとづく点検・補修あるいは寿命管理が重要と する。詳細は，関係資料（例えば，参考文献 なる。一般に，高温部品には点検・補修で間に (16)，(17)）参照されたい。 合わず，部材そのものを交換する期間（交換寿 命）が定められている。したがって，高温部品 (3) 補修・寿命延伸技術の概要(16)(17) ガスタービンの高温部品は，上述のようにそ の運転・保守要領で重要なことは，材料の劣化， 損傷程度を検知・評価，寿命診断を行い，必要 れぞれ場所に応じて損傷の原因があり，またそ に応じ補修，取替えるいわゆるメンテナンス技 の損傷発生の頻度と損傷の形態が異なる。そこ 術を確立することである。しかも，その要領は， で，各部材の損傷状況，特性を踏まえた対策を プラントごとの個々の条件で異なり，また常に とることが必要である。紙面の関係からここで 改良開発を求められるものである。とりわけ， もその詳細は省略するが，補修・寿命延伸の概 高温部品は，金額的に高価なものが多くその取 要を把握する意味から最近のガスタービン高温 替え頻度は，プラントの経済性を大きく左右す 部の補修方法と補修技術の例を表6－1に示す る場合もある。したがって高温部品の安全性確 (16) 。 保を前提としての延命化（寿命延伸技術）は， なお，実際の部品，部材の交換においては， とりわけ大きな課題である。それは，機器メー メーカ各自に推奨する時期が提案されている。 － 25 － 図6－3 高温部品の劣化・損傷状況 （出典：石井潤治，ガスタービンの最新補修・寿命延伸技術，火力原子力発電Vol.53 No.7，2002.7，P807） 表6－1 高温部品の損傷と補修技術 表6－2 ガスタービンの高温部品推奨点検間隔 （出典：石井潤治，ガスタービンの最新補修・寿命延伸技 術，火力原子力発電Vol.53 No.7，2002.7，P810） （出典：入門講座「発電設備の予防保全と余寿命診断 これらの保守管理に関するユーザ，メーカ等関 技術－Ⅱ火力発電設備の予防保全と余寿命診 係者の努力によって過酷な条件下にさらされる 断 技 術 」 ， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.51 No.11 ， ガスタービンの各部，各部材が健全に保たれ， 2000.11，P1596） ひいてはコンバインドプラントの信頼性向上に 超えて順調に運転が行われている発電プラント 結びついてきているといえよう。 ガスタービンの高温部品推奨点検（取替えで はない）間隔の一例を表6－2に示す (17) 。 の事例から，その概要を次のとおり紹介する。 ① ガスタービンの開放点検を２年おき，燃焼 器点検をその中間年に（やはり２年おきに） (4) 具体的運転保守の事例 (19)(18) 実施し，累積運転時間が５万時間を超えた時 具体的な運転保守要領として既に10万時間を － 26 － 点に，ガスタービンロータの特別点検も実施 ② し，それとともに未点検場所を極力無くし， ていたので，発電所側はメーカとの共同で高温 トラブル発生の防止を図る。 部品の保守管理を一元化した「高温部品管理シ さらに，高温部材に対しては，実運用時の ステム」（例，「高温部品管理支援システム」， 燃焼ガス雰囲気の変動，冷却効果の変化，あ 「高温部品管理倉庫」および「高温部品検査 るいは材料自体の組織上の変化等いかなる条 所」の３システムから構成）を開発した。さら 件下でも事故等につながらぬよう利用側独自 に同システムは同発電所でその後追加として建 の工夫による監視が行われている。例えば， 設された最新鋭コンバインドプラントの運転開 次のような点からの配慮である。 始とともに完成度を増し，その結果機械による ・軽微な欠陥（磨耗，亀裂，酸化，変形等） 精度の高い検査や自動化された倉庫による入出 に対するきめ細かな管理。 力の効率化，およびシステムによる履歴管理な ・一方，部品点数が多く，管理が困難である ど高度な管理が可能となった。 ことへの対処。 図6－4に，高温部品管理システムのフロー図 ・高温部品は効果であるため，運用コストを の一例を示す(19)。 以上から全体的にいえることは，近年建設さ 最小化する寿命評価と寿命を全うさせる運 ③ 用。 れるようになった大型コンバインドプラントは， 保守・管理のシステム化 ほとんどが予定通りの運転および機能・性能を それらの，運用管理は従来手作業で行われて いたが，設備の経年化に伴いその管理はより煩 発揮しており，その結果同技術に対する評価の 確立に資するところとなっていると判断される。 雑，複雑化し，多大な労力を要する結果となっ 図6－4 高温部品管理システムフロー図 （出典：菅原道雄他，東新潟火力３，４号系列の運転・保守実績，日本ガスタービン学会誌Vol.29 No.1，2001.1） － 27 － ７ 国内代表メーカの 技術概要とその取り組み(7)(20) 製作は，海外メーカからの技術提携よるもので あったが，その後国内メーカの技術力向上に伴 い，近年では自主技術で開発および実機製作を 7.1 概 要 行うメーカも出てきた。ここでは，大容量ガス 第１章で世界のガスタービンの開発歴史の概 タービンを手がける国内メーカ数社につきその 要について述べたが，ここではわが国における ガスタービンの特徴と取組状況を五十音順にて 取組み，開発，実機適用に関する歩みの概要を 紹介する。紹介するのは，「川崎重工業－アル 述べる。 ストーム型」，「日立／東芝－ＧＥ型」，「富 わが国は，戦中および敗戦による産業停滞の 士－シーメンス型」，および「三菱重工業型」 中でガスタービンに関しても欧米の技術開発の であるが，その内容は2004年11月発表(7)（対象 流れから大きな遅れを取った。 によっては2002年10月発表 (20) ）の文献ベース そのような中でわが国のガスタービン開発上 によるものである。 記念すべきものとして，1948年（昭和23年）に 鉄道技術研究所が製造した2,000kWがあげられ 7.2 「川崎重工業－アルストーム型」(7)(20) るが，それは大戦中に高速艇のエンジン用とし 川崎重工業は，アルストーム社との技術契約 て開発着手されたものが，戦後に完成したもの により，大型を含むガスタービンの設計，製作 であり，また研究用としての域を出ないもので を行っている。したがって同ガスタービンは， (2) あった 。しかし，昭和30年ごろになると，欧 アルストーム社（Alstom）が開発した技術を基 米におけるガスタービンの技術進展とその応用， にしているが，ガスタービンの基本構造として， とりわけ発電用としての適用が国内でも注目さ 先ずロータは溶接製，燃焼器はアニュラー型に れるようになった。ただし，大半は非常用ある 加え，高環境適合形バーナ（ＥＶバーナ）を採 いはピーク用としてのもので，その形式もガス 用したものである。また，近年の高温化と高効 タービン単体（オープンサイクル）で，連続運 率化対策としてタービン入口温度の上昇ととも 転を目指した発電用コンバインドサイクルとし に二段燃焼再熱方式を採用している。その初号 ての適用までにはいたらなかった。しかし， 機（ＧＴ24）は，アメリカのギルバート発電所 1980年（昭和55年）ごろからガスタービンの単 に納入（運転開始1995年）され，以降その相似 機容量（出力）の増大，信頼性の向上などもあ 設計による大型機種（ＧＴ26）とともに，多く いまって，コンバインドサイクルとしての適用 の実績が得られて来ている。図7－1に川重－ア が行われるようになった。 以降，例えば産業用としてはＪＲ東日本（当 時国鉄）川崎向け144MW（1981年運開）さらに 事業用としては，東北電力東新潟３号系列 1,090MW（1984年運開）あるいは東京電力富津 火力１，２号系列1,000MW（1985年，1988年運 開）等の運転成功を契機として，今日見られる ようなコンバインドプラント導入が相次ぐこと 図7－1 になったことは，第１章でも述べたところであ 川重－アルストーム型ガスタービン ＧＴ24／26断面図 る。 さて，これらの設備の設計・製作に関する日 本のメーカの対応であるが，当初これらの設計 （出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ． 複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発電Vol.53 No.10，2002.10，P1254） － 28 － ルストーム形ガスタービンの断面図を，表7－1 燃焼器排ガスおよび高温空気（1,000℃級） に基本性能例を示す(20)。 利用の低NOx燃焼を行う。 ５）タービンは，高圧および低圧とも空気冷却 表7－1 川重－アルストーム型ガスタービンの と適切な材料選定を行い信頼性を確保してい 基本性能例 る。 例えば，高圧タービンの静翼，動翼とも１段 目は，シャワーヘッド冷却，対流冷却，および インピンジメント冷却を採用し，材料は，静翼 は１方向凝固翼（ＤＳ材）とセラミックコーテ ィング（ＴＢＣ）の組合せ，動翼は単結晶翼 （ＳＣ材）の使用などである。 7.3 日立／東芝－ＧＥ型(7)(20) ＧＥ社技術の場合，特に冷却技術は航空機用 エンジンの経験が生かされている。同形式の最 新鋭形式は，1,100℃級ガスタービンをベース （出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ． として高温化および出力増加を狙った設計で， 複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 高温部品の耐熱合金の開発，新冷却技術の採用 電Vol.53 No.10，2002.10,P1254） が基本となっている。国内では既に同方式によ る1,100℃級のガスタービンを使ったコンバイ なお，アルストーム社の二段燃焼再熱方式の ンドプラントの多くの実績（総出力5,040MW） 実機適用は，1940年代から1970年代にかけて20 (20) 数台納入しているが，上記形式（ＧＴ26）から バインドプラントもかなりの数が建設され，順 はじめてアニュラ方式が採用されている。 調に運転（総出力約17,000MW） (20) がなされて 以上を含め同社方式の構造上の特徴を整理す ると次の通りである (20) 。 を踏まえ，その後1,300℃級採用によるコン いる。さらに，1,500℃級採用ガスタービンの 計画も行われている。 １）二段燃焼再熱方式を採用。 本形式によるガスタービンの特徴として次の ２）ガスタービンの出力軸は，低温軸（コール ドエンドドライブ），排気は軸流排気とした。 点が挙げられている(7)。 １）ガスタービンの出力軸は，熱伸びの少ない ３）圧縮機は22段の軸流圧縮（圧縮比は30）を 圧縮機側の軸端とし，排気側は排気損失が少 採用。入口３段の静翼を可変ピッチ方式とし ない点で有利な軸流排気，またボイラは横置 て吸気流量の60％までを自由に変更可能とし き自然循環型を採用している。 た。これにより，ガスタービン負荷40％程度 ２）圧縮機翼列は，高温度適用の場合も， までの部分負荷効率とともに，ガスタービン 1,100℃級ガスタービン圧縮機のスケールア 排出NOx濃度の改善も図っている。 ップであるが，高温化に際しては出力増に伴 う入口部の拡大，圧縮機段数の増加（例，18 ４）２段の燃焼器の内，高圧燃焼器は，30個の 段）で対応している。 アニュラー型燃焼器（ＥＶバーナ）を用いて 予混合燃焼を行い，NOx低減を図っている。 ３）タービンは，軸流３段の動静翼から構成さ また，低圧燃焼器は，24個の同様なアニュラ れる。静翼では１～３段が冷却翼，動翼では ー型燃焼器（ＳＥＶバーナ）を用いて，高温 １～２段が冷却翼，３段は無冷却翼となって － 29 － いる。なお，冷却に伴う翼構造および材料選 定に特別の配慮がなされている。 例えば，静翼（第１段）は，精密鋳造で内部 はインピンジメント冷却，翼前面はシャワーヘ ッド冷却，翼面はフィルム冷却等であり，また 図7－2 材料は，熱疲労に優れたCo基超合金（ＦＳＸ－ ＧＥ－９Ｅ型1,100℃級ガスタービン 断面図 414）を採用している。また，動翼（第１段） （出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ． には，内部冷却にリターンフロー，材料にNi基 複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 超合金（ＧＴＤ－111）使用の一方向凝固翼を 電Vol.53 No.10，2002.10，P1251） 採用している。それと同時に，タービン第１， ２段動翼には翼表面および翼内部に遮熱コーテ ィングが施している等である。 燃焼器は，希薄予混合燃焼方式によるドライ 低NOx燃焼器を採用し，高温燃焼（温度上昇に よる容量増加）に対応して，燃焼器本数を増加 している(7)。 図7－2に，ＧＥ－９Ｅ型（1,100℃級）ガス 図7－3 ＧＥ－９Ｈ型1,500℃級ガスタービン 断面図 タ ー ビ ン ， 図 7－ 3に Ｇ Ｅ － ９ Ｈ 型 （ 1,500℃ 級）ガスタービンの断面図を示す (20) 。（注， （出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ． なおＧＥ系では，ＦあるいはＦＡ型と称して 複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 1,300℃級ガスタービンが実用化されているが， 電Vol.53 No.10，2002.10，P1251） ここでは紙面の都合上省略する。） 同形式の基本性能例（50HZ用）を表7－2に示 表7－2 （50HZ） す。 形 7.4 ＧＥ型ガスタービンの基本性能例 式 発 電 端 出 力 富士－シーメンス型(7)(20) (kW) 発 電 端 効 率 (％LHV) シーメンス社（ドイツ）は，大戦後から電力 用に特化したガスタービンの開発を行った。そ の基礎となったのが航空機エンジンであり，ガ 排 ガ ス 温 度 圧 圧 タ ビンと称す）を継承し，さらに，圧縮機とター 燃 ー社（Pratt & Whitney，ＰＷＡ）社の航空機 縮 ー 焼 (℃) 比 空 気 流 量 スタービン本体構造はその思想（Ｖ型ガスター ビン翼列には，プラット・アンド・ホイットニ 力 ビ MS9001E MS9001FA MS9001H 116,900 255,600 490,000※ 32 36.9 60※ 529 602 － 12.1 17 23.2 (kg/s) 401 627 686 機 (段数) 17 18 18 ン (段数) 3 3 4 器 (個数) 14 18 14 （注）※の出力および効率はコンバインドサイクルでの値を示す。 （ 出 典 ： 文 献 (20) を も と に Gas Turbine World 2006 Handbook他を参考に修正） エンジンからの技術導入による技術が組み合わ されている。図7－4に典型的なＶ型ガスタービ ンの断面図を示す (7) 。1,300℃級として，ＶＸ １）タービン全体の基本構造は，Ｖ型ガスター 4.3型（初号機1990年運開），1,400℃級として ビンの思想にもとづき，２軸受け支持方式， ＶＸ4.3Ａ型が開発されている。次に，富士－ 水平２分割ケーシング，タービンは軸流排気 シーメンス型の特徴を概説する。 方式が採用されている。 － 30 － ンピンジメント・フィルム冷却の組合せ，第 １段動翼は，リターンフロー式対流・フィル ム冷却の組合せである。また材料面では，第 １，２段動翼にはNi基合金の単結晶翼（ＳＣ 翼），第１～３段動静翼には遮蔽コーティン グ（ＴＢＣ）を採用しているなどである。 7.5 三菱重工型(20)(7) 戦後，三菱重工業は米国のウエスチング社 図7－4 富士－シーメンスＶ型ガスタービン （Westinghouse）との技術提携により，設計・ （V84.3／V94.3）の断面図 製作していたが，その後同社との契約を終結し， （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」 現在は自社技術により，開発，設計・製作を行 Ⅳ．ガスタービンの性能と構造，火力原子力 っている。前述の国内事業用の初号機となる東 発電Vol.55 No.11，2004.11，P1250） 新 潟 ３ 号 系 列 の 1,150 ℃ 級 ガ ス タ ー ビ ン （ Ｄ 型）の製作に引き続き，1,350℃級（Ｆ型）， ２）燃焼器は，ハイブリッド（ＨＢＲ）型燃焼 さらに回収型蒸気冷却燃焼を特徴とした 器と称し，24個のバーナをアニュラー形大型 1,500℃級（Ｇ型）ガスタービンを開発してい 燃焼室の円周上に配置した形式を採用。気体 る。三菱の設計は，Ｄ型が基本となって後継機 および液体燃料にも対応可能で，低負荷領域 へ踏襲されている。Ｇ型ガスタービン（Ｍ501 では拡散燃焼，高負荷領域では予混合燃焼運 Ｇ）の基本構造と最新技術を図7－6に示す (20) 。 その特徴は， 転として切り替え使用される。同燃焼器の例 １）ガスタービン本体構造としては，まずロー を図7－5に示す。 タは２軸受け支持構造としている。さらにロ ータは組立てディスク式が採用され，圧縮機 側はディスクをボルト結合，タービン側は， カービックカップリングと称される歯継手を 使っている。また，車室は水平２分割方式で， 組立て保守が容易な構造となっている。 ２）圧縮機は，大容量化に伴う大風量，高圧， 高効率化に対応するため，空力学的面からの 適正形状の検討（例，多重円弧翼，拡散制御 図7－5 翼等），および起動時の旋回失速，サージン ＨＢＲ燃焼室外形図 グ防止のため中間段での抽気導入，可変式の （出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」 入口案内翼を採用している。 Ⅳ．ガスタービンの性能と構造，火力原子力 ３）燃焼器は，マルチキャン形ドライ低NOx燃 発電Vol.55 No.11，2004.11，P1251） 焼器を採用。中心に配したパイロットノズル ３）タービンは，４段で構成されている。冷却 の周囲にメインノズル（Ｇ型で８個）を配し， は，第４段以外は空冷翼であり，それぞれの 予混合火炎の安定燃焼を図っている。冷却方 部分に応じた冷却方式と材料が採用されてい 式は，空気冷却を基本とするが，1,500℃級 る。例えば，第１段静翼の冷却は，対流，イ の高温化になると同燃焼温度の向上と同時に － 31 － 低NOx化を達成するため回収式蒸気冷却方式 る。材料は，第１段静翼は，Ni基超合金の精 を採用している（前述図5－4参照）。なお冷 密鋳造製であり，第２～４段の静翼も精密鋳 却で蒸気が得た熱量は，蒸気サイクル側に回 造であるが，材質とセグメント数を変えてい 収され，プラント全体の熱効率向上へ組み込 る。動翼は，全段を精密鋳造翼で構成し，特 まれている。 に１，２段動翼は，一方向凝固翼を採用して ４）タービンは，４段軸流方式である。高温部 いる。 の冷却方式は，第１段静翼が，インピンジメ ント冷却とフイルム冷却，また第１段動翼に 表7－3に，三菱ガスタービンの基本性能例を 示す。 は，リターンフロー冷却方式が採用されてい 図7－6 (出典：佃 Ｍ501Ｇガスタービン 嘉章他，東新潟４号系列1,450℃級ガスタービン複合発電設備の運転実績，火力原子力発電 Vol.51 No.6，2000.6,P686) 表7－3 三菱ガスタービンの基本性能例 (出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ．複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発電 Vol.53 No.10，2002.10，P1260) － 32 － ８ ガスタービンの 将来展望(10)(21)(22)(23)(24) 8.2 超高温（1,700℃級）ガスタービン(10) (1) 超高温ガスタービンの狙い ガスタービンを高温化すると，冷却用空気量 8.1 概 要 の増大，（サーマル）NOx発生量の増加等があ 一昔前は，「果たして1,500℃のガスタービ るため，効率面および経済性面でも頭打ちにな ンが実現するだろうか」という言葉が聞かれた ることが予想される。その限界がどこにあるの 由であるが，現在は同温度レベルのガスタービ かは，種々議論されるところであるが，少なく ンが既に商業運転されるまでになった。最近の とも1,700℃級ガスタービンまでは効率面の上 ガスタービンの技術進展はこのように顕著なも 昇が期待されている。同効率の予想を図8－1に のが見られる。 示す。同図に示されるように，1,700℃級が完 ガスタービンに関連した更なる将来の方向と 成したときのコンバインドプラント予想発電効 しては，ガスタービン自体の高温化を狙う「超 率（発電端，LHV）は，62～65％と予想される。 高温ガスタービン（例，1,700℃級ガスタービ これは，現在の1,500℃級コンバインドプラン ン）」，ガスタービンに関連した「新システム トの発電効率（発電端，LHV）の約60％弱より （例，ＡＨＡＴサイクル，燃料電池－ＧＴ組合 （相対値で）約４～８％高く，燃料は異なるが せサイクル）」，将来水素時代が訪れた時に想 最新鋭微粉炭火力の発電効率（発電端，LHV） 定される方式として「水素燃焼タービン」，等 の約44％と比較すると約40％高い。従って，そ があげられよう (22)(23) 。ここでは，その中から ガスタービン技術そのものの将来展望に関連し の分CO2 発生量も低減する（燃料の差を考慮す るとさらに大きい）。 て現在経済産業省（資源エネルギー庁）の補助 事業にて研究開発が行われている「超高温ガス タービン」および「ＡＨＡＴサイクル」に関連 した研究開発動向を中心として紹介する。 同プロジェクトは，経済産業省（資源エネル ギー庁）の「平成16年度エネルギー使用合理化 技術開発費補助金－高効率ガスタービン実用化 要素技術開発事業」に対応したもので，2004年 度から４年計画の研究開発プロジェクトである。 その主要テーマは，「1,700℃級ガスタービン 図8－1 要素技術開発」と「高湿分空気利用ガスタービ ン（ＡＨＡＴ）」の２テーマから成っている。 (出典：塚越敬三他，大型発電用ガスタービンの最新 技 術 動 向 ， 三 菱 重 工 技 報 Vol.42 No.3 ， なお前者は，大容量機（例えば，ガスタービン 2005.10) 単体25万kW程度，コンバインド出力40万kW程 度），後者は中小容量機（10万kW程度）の高効 火力発電における熱効率の推移 (2) 1,700℃級ガスタービンの要素技術開発 率プラントを狙いとしたものである。 1,700℃級ガスタービンの開発では，高温化 なお，実施担当は，前者は三菱重工業，後者 に耐える耐熱材料，冷却材料，およびコーティ は日立製作所，電力中央研究所および住友精密 ング材等の高温化対策技術，高温化に応じて発 工業を主体メンバーとして推進されている。 生量が増えるNOx低減のための低NOx燃焼システ ム，高温化にともなう高負荷高性能ガスタービ ン，あるいは高い圧縮比に適合する高圧力・高 － 33 － 性能圧縮機の開発などである。これらを全てメ 量自体も従来方式（例，予混合燃焼方式等）の ーカ等民間の研究開発に求めるのは余りにもリ 採用で所要レベルまで低減できたためと考えら スクが大きいこともあり，現在その中の一部は， れる。しかし，1,700℃級の場合は，排ガス再 上述の経済産業省所掌「1,700℃級ガスタービ 循環方式が不可欠と見られている。その適用方 ン要素技術開発」プロジェクトにて研究開発が 法に関し同要素研究の中では，排ガスを空気圧 行われている。 縮機の入口に持ってくる方法と別置の（専用） 同プロジェクトによる研究課題は，「燃焼技 圧縮機を置く方法が検討されたが，サイクル検 術」，「タービン冷却技術」，「超耐熱材料技 討の結果，前者が効率面で有利となるという検 術」，「コーティング」，あるいは「高圧力 討結果が示された。また，燃焼方式は，予混合 比・高性能圧縮機の開発」などが挙げられてい 型燃焼方式（現在ガスタービン低NOxの主流） る。 と拡散燃焼方式をシミュレーション検討等で比 以下ここでは，紙面の都合もあり同研究の一 較検討した結果，燃焼器出口酸素濃度の設定に 部である「燃焼技術」と「タービン冷却技術」 もよるが，拡散燃焼方式が有利と見られている。 の概要を示す。 図8－2に1,700℃級ガスタービンの再循環方式 の概念を示す。 １）「燃焼技術」 (10)(21) 1,700℃級の高温燃焼器となると，本来増大 ２）タービン冷却技術 するNOx生成量をいかに必要レベルまで低減す 高温化に伴い更なる冷却効果の向上が求めら るかに関して，従来発想を変えた新たな視点か れ，そのためにはより少ない冷却量で高い冷却 らの取組みが必要となる。 効果が得られる技術の適用が必要とされる。そ これにたいして，現在考えられているのが， のため，例えば第１段静翼の場合は，翼の内部 排ガス再循環システムの採用である。同システ 冷却には，翼部を冷却能力の高い蒸気（冷却後 ムは，発電用ボイラでは，お馴染みの方法であ の蒸気は，回収し蒸気タービン系へ活用）とし， るが，大型ガスタービン利用コンバインドサイ また通路の狭い後縁部を空気冷却とするハイブ クルにおいては，今まで採用されなかった。ガ リッド冷却構造とする方法が候補として挙げら スタービン出口排ガス（実際には，排ガスボイ れている。 ラ出口排ガス）を燃焼器適正圧力まで昇圧する 際のエネルギー消費量が大きい，またNOx生成 図8－2 図8－3にタービン１段静翼の冷却構造の概念 図を示す。 1,700℃級ガスタービンの再循環方式 (出典：塚越敬三他，大型発電用ガスタービンの最新技術動向，三菱重工技報Vol.42 No.3，2005.10) － 34 － 図8－3 タービン１段静翼冷却構造概念図 (出典：塚越敬三他，大型発電用ガスタービンの最新技術動向，三菱重工技報Vol.42 No.3，2005.10) 8.3 高湿分空気利用ガスタービン（ＡＨＡ されている。ＡＨＡＴサイクルは，ＨＡＴサイ Ｔ）(24) クルで採用されていた圧縮機の中間冷却機に換 高湿分空気利用ガスタービン，略称ＡＨＡＴ えて圧縮機前に吸気噴霧機を採用したもので， （Advanced Humid Air Turbine）システムは， これによりガスタービンの圧力比や温度上昇に その前身のシステムで1980年ごろ提案されたＨ 頼ることなく，発電効率の上昇が得られるとこ ＡＴ（Humid Air Turbine）システムの改良型 ろに大きな特徴がある。 である。 上述のように，現在2004年からの３年間のス ＨＡＴサイクルは，通常のガスタービンコン ケジュールで研究開発が進められているが，そ バインドプラントのガスタービン後流の排ガス の内容は「要素技術開発（例，湿分を多量に含 ボイラによる蒸気発生器に変えて，圧縮機出口 む燃焼器の開発，湿分制御系の開発等）」と の燃焼用空気に水分を増湿させた増湿湿分空気 「検証機によるシステム確認」から成る。検証 を燃焼器に導き，ガスタービン自体の出力上昇 機としては，2006年10月より茨城県ひたちなか を図る発電システムである。排ガスボイラおよ 市にパイロットプラントが建設され，試験が行 び蒸気タービンを必要とせず，ガスタービン燃 われている。 焼後の排熱を有効に回収して発電するため，比 較的中規模用の高効率発電プラントとして期待 図8－4 図8－4に，ＡＨＡＴパイロットプラントのシ ステム構成を示す。 ＡＨＡＴパイロットプラントのシステム構成 (出典：片桐幸徳，ＡＨＡＴ発電設備の制御，日本ガスタービン学会誌，Vol.35, No.1, 2007.1) － 35 － 燃料電池とガスタービンサイクル(26)(27)(28) 端，LHVで57％）が得られている。なお，同構 燃料電池とガスタービンサイクルの組み合わ 想は，ＩＨＩが1987年（昭和62年）より国家プ せも，夢のある将来技術として期待されている。 ロジェクト（ニューサンシャイン計画）により その場合の考え方は，高温型の燃料電池の反応 300kW級の加圧発電システム研究を実施してき 後の未反応燃料を含有した高温排ガスをガスタ た成果を踏まえ事業化検討を行った中で発表さ ービン（燃焼器）に導き，その未燃成分と高温 れたものである。 8.4 排ガスの持つエネルギーをガスタービンで有効 に利用するものである。従って，その場合の燃 (2) 固体酸化物形（ＳＯＦＣ）とガスタービン 料電池としては，高温型の燃料電池である溶融 の組み合わせ形(27)(28) 炭酸塩形（ＭＣＦＣ）と固体酸化物形（ＳＯＦ ＳＯＦＣとガスタービンの組合せの例を図8 Ｃ）の２種類が提案され，それぞれに対し研究 －6に示す。試算結果によれば，700MW級の大規 開発が行われている。 模を想定した天然ガス焚き組み合わせ形発電プ ラントにおいて，全体発電出力に占めるＳＯＦ 以下，それぞれの概要を示す。 Ｃ出力は約70％，ガスタービン出力は20％，蒸 気タービン出力は10％の構成となっており，同 (1) 溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）とガスタービン の組合せ形 (26) 構成に基づく全体の発電効率（送電端，LHV） ＭＣＦＣとガスタービンの組合せ形（ハイブ は，71.2％と試算されている。なお，その開発 リッド形）のフロー案を図8－5に示す。これに を目指して，三菱重工業が2004年度のＮＥＤＯ よれば，ＭＣＦＣ単独の（天然ガス利用）発電 受託研究テーマ「円筒型ＳＯＦＣ高効率コンバ 効率（LHV基準）は，50～55％であるが，ガス インドシステムの開発」にて200kW級発電シス タービンとの組合せで，発電効率は約５～10ポ テムの研究開発を実施中であるが，上記数値は イント上昇するとの試算が得られている。試算 その中で将来の構想として試算されたものであ 例では，約７MWの比較的小規模の発電プラント る。 で，発電効率（発電端，LHV）は60％（同送電 燃料電池モジュール カソード アノード リサイクルブロワ 燃料 改質室 燃料 燃焼器 燃焼器 加熱室 ＧＴ 温水回収 排気 空気 排熱回収ボイラ 蒸気 回収水 水処理装置 図8－5 ＭＣＦＣとガスタービン組合せ複合発電システムフロー案 （出典：伊藤和彦他，溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）ハイブリッドシステム，日本ガスタービン学 会誌Vol.31, No.３, 2003.5） － 36 － あ と が き 今我々の生活にとって，飛行機の利用はもは や日常の交通手段と化しているが，しかし誰も が飛行機に乗るときには，あの大きな機体が多 くの人間と重い荷物を乗せて大空へ飛び立つこ とに少なからず感動を覚えるのではないだろう か。その大きな力（原動力）を受け持っている 図8－6 ＳＯＦＣとガスタービン組合せ複合発 のがガスタービンに他ならない。 電システムフロー案 また，飛行機に比べたらそれほど華やかではな （出典：久留長生，ＳＯＦＣ複合発電システムの開発 いにしても，現在ＬＮＧ火力発電は，全体の発電 と将来展望，日本ガスタービン学会誌Vol.35. 電力に対し（年間発電電力量ベース，2006年度推 No.2, 2007.3） 定実績）約26％と，原子力（約30％）に次いで主 要電源として利用されているが，そのＬＮＧ火力 の最近の主要構成システムはコンバインドサイク ルであり，その原動力もガスタービンが中心とな っている。このように，今やガスタービンの威力 に現代はすっかり，お世話になってきているとい っても過言ではないであろう。 そのようにお馴染みのガスタービンではあり ながら，本誌執筆のために今回改めて関連資料， 情報を収集し，読みこんでいくにつれ，ガスタ ービンの働きと魅力を再発見する思いであった。 その理由は４点に集約されるようである。 その第１は，ガスタービンの普及が着実に進 展してきたことである。 上述のように今日広く使われるように普及し てきた背景には，性能，経済性および運転性の 全てが，実用機として信頼に足ることが実証さ れ評価されてきたことに他ならない。しかし一 般に，新しい技術の導入当初は初期トラブルは つき物であり，それぞれ特に早い時期に同技術 を採用した発電所においては，何らかの問題や トラブルが発生したことがあるのではないかと 推定されるが，関係者特にユーザの運転・保守 上の改良・改善等の努力により信頼するに足る 技術として完成してきたことは想像するに難く ないことであろう。 第２点は，技術開発の進歩の速さである。 本技術は，特に技術開発および実用化の速さ － 37 － が注目される。例えば，従来形火力発電技術と （ ASME TURBO EXPO50 ， 於 米 国 ネ バ ダ 州 リ ノ コンバインドサイクルにおいて発電効率の進展 市）を数えるほど充実した活動を続けている。 度を比較した場合，従来形火力は戦後急速に効 日本でも日本機械学会の傘下にガスタービン学 率が上昇した時期があったが，その後の歩みは， 会が約30年前に設立され活発な活動が行われて 遅々としたものであり，例えば1960年ごろに効 いる。なお，日本ガスタービン学会主催の国際 率（発電端，HHV基準）で約40％に達した後， 会議をＩＧＴＣ（International Gas Turbine 約42％に上昇するのに実に約30年（年間上昇率 Congress）と称し，４年に１回開催されている （絶対値ベース）は0.06％）もかかっている。 が，更にその中間年に近年では近隣国の韓国， ところが，コンバインドサイクルは，その本格 中国の関連学会と共同でアジアガスタービン会 的実用化は随分遅れたが，わが国で大型適用の 議も開催されるなど，国内外の関連大学，産業 初号機とされる東北電力の東新潟３号系列の場 界が主導して本技術の情報交換と啓蒙が活発に 合（1984年運転）開始時点で既に同効率は約 図られるようになってきている。なお，2007年 44％であったが，最近の高効率プラント（ガス のＩＧＴＣは，東京で12月に開催されることに タービン温度1,500℃級）では，約54％であり， なっている。 これは，20年間で約10％上昇（年間上昇率（絶 さて，そのような魅力を秘め現在非常に活発 対値ベース）は0.5％）で，効率に関する限り な動きを見せているガスタービンであるが将来 従来形より一桁大きい上昇速度を示している はどうであろうか。その将来の方向を陸用に限 （第１章参照）。 定してみるときに，更なる高効率化，高性能化 その第３は，技術そのものの持つ魅力であり， の動きとしては，本文中にも述べた1,700℃級 奥深さである。ガスタービン技術の課題は第５ ガスタービン，ＡＨＡＴサイクル，石炭とガス 章でも述べたように，高温化のための「冷却技 タービンと組合せた石炭ガス化発電（ＩＧＣ 術」および「材料技術」に加え低NOx燃焼等の Ｃ），あるいは燃料電池（ＳＯＦＣ）との組み 「燃焼技術」および更なる「信頼性向上技術」 合わせである超高効率複合発電，さらに水素時 も挙げられる。それらの研究開発の推進には， 代が到来したときの水素燃焼タービン，更に遠 基礎から応用技術までの科学技術の総合力が必 い将来には宇宙における太陽熱利用のガスター 要とされ，またとどまるところを知らぬ進展が ビン閉サイクル発電等，超長期的な技術課題が なされている。そのため研究・技術陣において 数多く提案されている。まだまだ，将来発展の は，競争に遅れをとらぬために常に必死の努力 余地は十分ありそうである。 が続けられている様子である。まさしく科学技 以上のように魅力あるガスタービンの世界を 術立国であるわが国の科学技術のレベルとその 本誌のような小冊子で，紹介するのは至難の業 維持向上が問われる場ともなっていると思われ であるが，ガスタービンの特徴，動向あるいは る。 課題を探る一つのヒントになれば幸いである。 その第４は，このガスタービンの研究開発に 最後に、本書中の図表に関しその使用を許諾 関連した成果発表あるいは情報交換の場が定着 いただいた関係先、特に(社)日本ガスタービン しかなり有効に活用されていることである。戦 学会、(社)火力原子力発電技術協会、(社)電気 後，機械工学関係，特に原動機分野における規 学会、および(財)東京大学出版会に深甚なる謝 格化，標準化，あるいは研究成果発表の場とし 意を表します。また、内容に関し内外からコメ ては，米国ＡＳＭＥ（アメリカ機械学会）が世 ントあるいはレビューを頂いた。特に一部の電 界をリードしてきたが，同学会傘下のＡＳＭＥ 力およびメーカ関係者には、誌面を借りて衷心 国際ガスタービン会議も既に2005年にて第50回 より御礼申し上げます。 － 38 － 参 考 資 料 冷却技術，日本ガスタービン学会誌，Vol.35 No.3，2007.5 １ 平成19年度電力供給計画の概要，経済産業 16 省資源エネルギー庁，平成19年３月 ２ 延 伸 技 術 ， 火 力 原 子 力 発 電 Vol.53 No.7 ， 大地昭生，火力発電の変遷－大容量化と高 効率化への挑戦，(社)日本学術士会ＨＰ 2002.7 17 （2001年８月月例資料），2001.8 ３ ４ ５ 特集火力発電所の熱効率向上「３．ガスタ 診断技術」，3.1.コンバインドサイクル発電 ー ビ ン 」 火 力 原 子 力 発 電 Vol.54 No.10 ， 設備／ガスタービン本体，火力原子力発電 2003.10 Vol.51 No.11，2000.11 「電源開発の概要」（昭和63年度～平成17 18 ガス事業部編 子力発電Vol.51 No.6，2000.6 斉藤孝基他，新版エネルギー変換，東京大 19 電気学会編 火力発電総論「８．ガスター Vol.29 No.1，2001.1 20 入門講座「タービン・発電機及び熱交換 電気学会編 電Vol.53 No.10，2002.10 火力発電総論「12．ガスター 22 入門講座「タービン・発電機及び熱交換 伝熱学会，エヌ・ティー・エス，1996 23 2004.4 塚越敬三他，大型発電用ガスタービンの最 学会，エヌ・ティー・エス，1996 24 2005.10 小森豊明他，ＢＦＧ焚ガスタービンコンバ （2007.1） 25 学会誌Vol.34 No.5，2006.9 ＮＥＤＯホームページ http://www.nedo.go.jp/kankobutsu/pamphle 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 ts/sekitan/cct2006.pdf 26 電中研レビュー（44号），石炭ガス化複合 来への研究展開，2001.10 伊藤和彦他，溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣ ＦＣ）ハイブリッドシステム，日本ガスター 発電の実現に向けて－実証機開発の支援と将 ビン学会誌Vol.31, No.３（2003.5） 27 佐藤幹夫，燃料多様化，日本ガスタービン 加幡達雄，固体酸化物方燃料電池（ＳＯＦ Ｃ）複合発電システム，日本ガスタービン学 学会誌Vol.35, No.2，2007.3 15 片桐幸徳，ＡＨＡＴ発電設備の制御，日本 ガ ス タ ー ビ ン 学 会 誌 ， Vol.35, No.1 インドサイクルプラント，日本ガスタービン 14 竹矢一雄，「第６節新しい動き，２複合サ イクル」，エネルギー新技術体系，日本伝熱 新 技 術 動 向 ， 三 菱 重 工 技 報 Vol.42 No.3 ， 13 川地和彦，「第６節新しい動き，１高温ガ スタービン」，エネルギー新技術体系，日本 器」１．概説，火力原子力発電Vol.55 No.4， 12 塚越敬三，川田裕，次世代高温・高効率ガ スタービンの技術動向，配管技術，2006.6 守」，オーム社，2002年 11 加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ． 複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 21 ビンコンバインドサイクルの計画・運転・保 10 菅原道雄他，東新潟火力３，４号系列の運 転・保守実績，日本ガスタービン学会誌 子力発電Vol.55 No.11，2004.11 ９ 嘉章他，東新潟４号系列1,450℃級ガ スタービン複合発電設備の運転実績，火力原 器」Ⅳ．ガスタービンの性能と構造，火力原 ８ 佃 年度），経済産業省資源エネルギー庁電力・ ビン発電設備」，オーム社，2002年 ７ 入門講座「発電設備の予防保全と余寿命診 断技術－Ⅱ火力発電設備の予防保全と余寿命 学出版会，2006年３月 ６ 石井潤治，ガスタービンの最新補修・寿命 会誌Vol.31, No.３（2003.5） 塚越敬三他，最新の産業用ガスタービンの 28 － 39 － 久留長生，ＳＯＦＣ複合発電システムの開 発と将来展望，日本ガスタービン学会誌 Vol.35. No.2，2007.3 29 渡辺紀徳，ガスタービンの将来を目指す技 術伝承と人格育成，日本ガスタービン学会誌 Vol.35, No.2（2007.3） 30 松永昌克他，川崎火力発電所１号系列の計 画概要－ＭＡＣＣ発電の特徴，火力原子力発 電Vol.57 No.8，2006.8 31 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 32 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 － 40 － 新エネルギーの展望 既刊一覧 燃 料 メ タ ノ ー ル 編 1987年１ 月発 行 廃 棄 物 発 電 （ その２ ） 1996年３ 月発 行 太 編 1987年２ 月発 行 低品位炭の改質技術 1997年３ 月発 行 陽 光 発 電 燃 料 電 池 編 1987年３ 月発 行 メタノール発電技術 1997年３ 月発 行 風 力 発 電 編 1988年１ 月発 行 電 力 負 荷 平 準 化 1998年３ 月発 行 編 1988年３ 月発 行 非 在 来 型 天 然 ガ ス 1998年３ 月発 行 自動車用エネルギー編 1988年３ 月発 行 (メ タ ン ハ イ ド レ ー ト 編 ) 地 編 1989年２ 月発 行 石 炭ガス 化複 合発電 技術 1999年３ 月発 行 編 1989年３ 月発 行 廃 棄 物 発 電 （ その３ ） 1999年３ 月発 行 編 1989年３ 月発 行 原 子 力 発 電 技 術 2000年３ 月発 行 編 1990年２ 月発 行 原子燃料サイクル技術 2000年３ 月発 行 1990年３ 月発 行 固体高分子形燃料電池 2001年３ 月発 行 燃 料用メ タノ ール（ 改訂 版） 1990年３ 月発 行 マイクロガスタービン 2001年３ 月発 行 太 陽 光 発 電 （ 改訂版 ） 1991年３ 月発 行 コージェネレーション技術 2002年３ 月発 行 地 球 温 暖 化 （ 改訂版 ） 1991年３ 月発 行 循 環 型 社 会 の 構 築 2002年３ 月発 行 エネルギー有効利用 1991年３ 月発 行 バ イ オ マ ス 発 電 2003年３ 月発 行 水 素 エ ネ ル ギ ー 1992年３ 月発 行 廃 棄 物 発 電 （ その４ ） 2003年３ 月発 行 風 1992年３ 月発 行 地 球 温 暖 化（ 再改訂 版） 2004年３ 月発 行 車 1992年３ 月発 行 風 2004年３ 月発 行 非 在 来 型 天 然 ガ ス 1993年３ 月発 行 省 エ ネ ル ギ ー 技 術 2005年３ 月発 行 地 球 温 暖 化 対 応 1993年３ 月発 行 太 陽 光 発 電（ 再改訂 版） 2005年３ 月発 行 石 炭 の 高 度 利 用 1993年３ 月発 行 バイオマスエネルギー 2006年３ 月発 行 水 素エネ ルギ ー（改 訂版 ） 1995年３ 月発 行 燃 2006年３ 月発 行 廃 電 1995年３ 月発 行 ガ ス タ ー ビ ン 技 術 2007年３ 月発 行 石 炭 灰 の 有 効 利 用 1996年３ 月発 行 自 動車用 エネ ルギー (改訂 版) 2007年３ 月発 行 石 二 高 地 燃 電 炭 球 ガ 温 次 温 力 気 棄 暖 電 超 熱 料 ス 電 化 池 電 発 化 導 電 池 （ 改訂版 ） 発 電 （ 改訂版 ） 自 物 動 発 力 料 発 電 電（ 再改訂 版） 池（ 再改訂 版） 2007年３月発行 編集発行 財団法人 エネルギー総合工学研究所 （担当部門：エネルギー技術情報センター） 〒105-0003 電話 東京都港区西新橋1-14-2（新橋ＳＹビル８Ｆ） 東京（03）3508-8894（代表） http://www.iae.or.jp/ 備考：上記の各編は，当所のホームページの「定期刊行物」の欄でも御覧 頂けます。 印 刷 ㈱ 日 新 社
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