8.4 主要補機類の開発
8.4.1 研究開発目標
8.4.1.1 研究目標
主要補機類の開発に関する調査、要素技術開発を行い、パイロットプラント開発のために必要な基礎技術を開発する。
8.4.1.2 研究範囲
水素利用技術の一つとして、環境性に優れ画期的高効率が期待できる水素燃焼タービンの研究課題に関し、調査研究とパイロットプラント開発のために必要な基礎技術開発を行うとともに、主要技術の次段階研究に必要な技術的方策を検討する。
本年度は、液体水素冷熱利用技術開発において、空気分離装置、供給設備等全体システム設計の完了及び前年度実施していない主熱交換器、非常用設備等の検討を行い、システム全体の経済性を検討するとともに、今後の開発課題を抽出した。また、高温熱交換機開発では、前年度に引き続き再委託先2社の競合設計により最適サイクルに選定されたトッピング再生サイクルの高温熱交換器の概念設計を行い、最適設計案の評価・選定した。
8.4.2 平成10年度の研究開発成果
（１）液体水素冷熱利用技術の開発
- 液体水素冷熱利用酸素製造システムの見直し
1000MW発電プラント（500MW水素燃焼タービン発電設備2基）の空気分離装置が、非常停止した場合のシステム全体への影響について検討し、非常停止に対するバックアップシステムとして、発電設備1基分の水素並びに酸素を所定の温度、圧力で2時間供給できるシステムとした。図8-4-1に水素・酸素供給設備フローを示す。
- 空気分離装置のバックアップシステムの検討
バックアップのため必要とされる設備は、水蒸気気化器及び所定流量の2時間分相当量を貯蔵できる液体水素貯槽とその酸素気化器であり、その両気化器及び貯槽設備の概念設計を実施した。図8-4-2にバックアップシステムを示す。
- 空気分離酸素製造装置用熱交換機類の試設計について
前年度に決定した原料空気圧縮機及び原空ブースター1、2の仕様に基づき、主熱交換器及び酸素蒸発器について試設計を行った。
主熱交換器、酸素蒸発器ともに、多流体が同時に熱交換でき、コンパクトで、高性能なプレートフィン型熱交換器を採用することで、実現可能な大きさ、構造で設計できることが確認された。例として図8-4-3に主熱交換器の仕様、外形図を示す。
- コスト積算と経済性評価について
経済性評価を行うために前年度行った塔頂コンデンサ、リボイラコンデンサ、過冷却器及び本年度設計を行った主熱交換器、酸素蒸発器、バックアップシステムについてコスト積算を行い、研究で開発した水素冷熱を利用した空気分離酸素製造装置の酸素製造原価を算出し、冷熱利用の効果を明らかとした。水素冷熱利用の無い場合に比べ、空気分離酸素製造動力原単位は0.595kWh/Nm3から0.286 kWh/Nm3と半分以下に押さえられ、また酸素ガス製造原価は10.92円/Nm3（7.65円/kg）、水素燃焼タービン1kWhの酸素コストは2.58円/kWhと算出された。
（２）高温熱交換器の開発
- 高温熱交換器概念設計
再委託先一社（(株)東芝）は、以下の特徴を有する熱交換器の設計を実施した。
伝熱管の熱交換容量を最大限利用することで、伝熱管をやや細管とするとともに高熱交換性能を有するセレーテッドフィンを用いることで、伝熱管外部の熱伝達を促進し、熱交換器をコンパクト化を図った。伝熱管、ヘッダの材料は、熱交換器(15)の最高温部出口ヘッダにハステロイXを使用したものの、その他の材料は熱交換器(14)、(15)とも全てオーステナイトステンレス鋼管（SUS310J1TB）を使用し低コスト化を図った。
また、熱伸びは下部摺動で吸収する自立型支持の管束構造物、ケーシングは、構造強度に優れた円筒型容器を採用するとともに、ケーシング温度を常時120℃に保つため（水蒸気の凝縮防止）、保温材を内・外面に適用した。図8-4-4に熱交換器概念図を示す。
他の再委託先（三菱重工業㈱）は、以下の特徴を有する熱交換器の設計を実施した。熱交換器(14)、(15)とも従来実績のある共通管経のスパイラルフィン型伝熱管を使用するとともに、伝熱管ヘッダの材料は材料費低減のため温度条件により炭素鋼（STB22、STB24）、オーステナイトステンレス鋼（SUS304TB、SUS316TB）、超合金（Hastelloy X、Inconel1800）を使い分けた。また、熱伸びは、摺動の不確定性（固着）を考慮し、門型吊下げ支持の管束構造物、ケーシングは補強を施した矩形容器を採用するとともに、メンテナンス性に優れた外面保温のみを適用した。図8-4-5に熱交換器概念図を示す。
- 最適熱交換器設計の評価
伝熱管、伝熱管分岐・支持構造、圧力容器、配管接続構造及び全体的視野から運転性、保守性、寿命について評価した結果、東芝案92.05点、三菱重工業案87.09点（各120点満点）の順となった。表8-4-1に評価結果を示す。
