次世代ガスタービンと発電システム
Next Generation Gas Turbine and Power System

Key Word: Power Plant, Gas Turbine, Combined Cycle, IGCC, Steam Cooling Hydrogen Combustion Turbine

１．はじめに

２．火力発電技術の展望

３．次世代ガスタービンシステムと冷却技術

　−高いプラント熱効率
　−低ＮＯx化に有利

このような蒸気冷却においては、ガスタービンで冷却に使用された蒸気は回収されて蒸気タービン系に戻される回収型が採用されている。このため、空冷の場合と違って冷却用蒸気は高温ガス中に混入しないため、ガス温度低下を最小限に止め、また、回収された蒸気は蒸気タービン系で仕事をすることでプラントの高効率化が図られている。タービン動静翼全体に蒸気冷却を適用すると、プラント熱効率は空冷に比べて約２％の向上を図ることができる。そして、初段静翼にこの冷却方式を適用すると、初段動翼入口温度基準で考えた場合、初段静翼入口温度、すなわち燃焼器出口温度を大幅に下げることができ、低ＮＯx化に極めて有効である。
　当社で計画した蒸気冷却コンバインドサイクルのシステム構成を図３−１に示す(3)。ガスタービンと蒸気タービンは一軸構成で、排熱回収ボイラは３ドラムタイプである。タービンへの冷却用蒸気は高圧過熱器の途中から抽気されてガスタービンで冷却を終えた後、高圧蒸気タービン入口に戻される。

・基本仕様，性能
　プラントの基本仕様を表３−１に示す。一軸のプラント出力は、ガスタービン２４６ＭＷ，蒸気タービン１４０ＭＷの計３８６ＭＷである。大型ガスタービンの冷却翼等のキーとなる技術の検証のために、スケール比が約１／２の出力６０ＭＷのスケールモデル機が選定された。図３−２にガスタービンの断面図を示す。初段静翼入口温度は１４５０℃で、圧力比は１８であり、圧縮機の段落数は１７段，タービンは３段である。本ガスタービンにおける蒸気冷却はタービンの初段静翼に適用しており、初段動翼以降の段落の冷却翼には空冷を採用している。燃焼器は缶タイプで１０缶で構成されており、ＮＯx低減のための燃焼機構は１３００℃級低ＮＯx燃焼器を踏襲している。燃焼器の高温化対応として、ライナーやトランジションピース等の高温部品は、内面のフィルム冷却用空気の不足を補うために、外面に伝熱促進リブの設置やインピンジメント冷却による冷却強化が施されている。

・冷却翼技術
１５００℃級の主要な高温化技術としては、冷却技術、耐熱材料の改善そして遮熱コーティング(ＴＢＣ)の適用が挙げられる。まず、蒸気冷却を適用している初段静翼について述べる。蒸気冷却翼の開発に当たっては、次のような設計上の配慮がなされている。

　−回収型最適冷却構造
　−翼の均一な温度分布
　−熱応力の低減

静翼の全体構造を図３−３に、冷却構造を図３−４に示す。静翼は翼部と内外輪一体の精密鋳造翼であり、翼部は中空で、冷却通路が翼コード全体に渡って半径方向に沿って設けられている。冷却蒸気は外輪側から供給されて、まず翼背側を流れてこの部位を冷却して内輪側に向かう。内輪にも冷却通路が形成されてこの部位を冷却した蒸気は、翼腹側を外輪に向かった流れてこの部位を冷却し、外輪も内輪と同様の冷却通路が設けられて冷却される。冷却蒸気は翼を冷却した後、蒸気タービン系に戻される。高温ガス側の翼外面熱伝達率は腹側に比べて背側の方が大きいため、冷却で温度上昇していない冷却蒸気を背側から供給するように考慮されている。この蒸気冷却翼は空冷翼に比べて比較的単純な冷却構造を採用している理由として、蒸気は空気に比べて、物性値の違いから約１.５倍の優れた伝熱特性を持っているため、このような円管流れを主体としてた構造で従来翼と同レベルのメタル温度を維持している。
　冷却通路の大型アクリル模型を使った水流試験による流れの可視化や圧力測定、あるいは実翼の空気による流量配分試験を実施して、冷却通路内の流れの状態の把握と各冷却通路の流量配分について確認を行った。また、翼の健全性確保の面から、熱応力低減のための空気によるフィルム冷却の試験や解析あるいはＴＢＣの適用等について検討を行い、ここでは翼前縁近傍からの背側のフィルム冷却を採用している。蒸気冷却翼の冷却性能と翼の健全性を検証するために、実機運転と同等の条件下で、高温風洞試験を実施した。試験設備の全体系統を図３−５に示す。冷却媒体の蒸気は、高圧空気供給用圧縮機の駆動用ガスタービンの排気に設置さた排熱回収ボイラから供給されている。設計点における翼中央スパンでの翼メタル温度の試験結果を図３−６に示す。測定値は計算値とよい一致を得ており、計画通りの冷却性能を確認した。
　次に、初段空冷動翼について述べる。1300℃級空冷翼の冷却構造を基本として冷却性能の改善を図っている。図３−７に翼全体と内部の冷却構造を示す(4)。３パスのサーペンタイン冷却通路から成り、冷却構造の最適化と翼面の多列フィルム冷却を採用している。高温風洞試験を実施し、図３−８に示すように設計点における翼中央スパンでの冷却効率の試験結果は計算値とよい一致を得ている。材料は半径方向に結晶成長させた高温強度に優れた結晶制御合金である一方向凝固（ＤＳ）や単結晶（ＳＣ）材を使用している。結晶制御合金のタービン翼への適用に当たって、複雑な冷却構造の鋳造性とクリープ破断強度（図３−９(6)）や疲労強度を検証しており、そして異方性材料の強度，振動設計法を確立して来た。これら動翼を所内試験発電所のガスタービンロータに組み込んで運転試験を行っており、分解検査によって翼の健全性を確認している(6)。ＴＢＣのタービン翼への適用に当たっては、コーティングを施工したタービン翼を高温タービン試験装置に組み込んで遮熱特性の試験を実施し、ＴＢＣのない翼に比べてガス温度を約１００℃高温化できることを確認した。また、コーティングの耐久性向上のための施工プロセスの最適化や耐酸化性改善などの各種基礎試験を経て、ＴＢＣを施工したタービン初段動静翼を上記ガスタービンに組み込んで耐久性検証運転を継続して実施している。

２）将来型１７００℃級ハイブリッド型蒸気冷却システム ・システム構成
　ハイブリッド型蒸気冷却システムとは、前述の回収型蒸気冷却システムよりも高い燃焼ガス温度、例えば１７００℃に対応すべく考案された高効率なシステムである。
　この基本システムの適用例をＷＥ−ＮＥＴプロジェクトの中で当社が提案している新ランキンサイクルを用いて紹介する。 　図３−１０は水素燃焼タービンを用いた新ランキンサイクルの一例であり、熱効率６０％を越えるものである(7)。基本構成は２段再熱ランキンサイクルであるが、本サイクルがこれまでのランキンサイクルと大きく違う点は、再熱器として水素・酸素燃焼器を採用した点にある。これまでの再熱器はボイラーの一部であり、伝熱管材料の限界から蒸気温度を６００℃程度に制限する必要があった。これに対し、水素・酸素燃焼器は伝熱管を有さないことから大幅に温度を上げることが可能になり、このケースでは１７００℃まで２段再熱している。また、他の相違点として、高圧タービンに供給される蒸気は低中圧タービン出口に配置された蒸気発生器により生成される。これにより、復水器に落ちる熱量を大幅に低減し、逆に高圧蒸気の発生に有効利用することが可能となった。

・冷却翼技術
　水素・酸素燃焼タービンシステムにおける１７００℃級高温タービンの翼冷却方式の選定に当たっては、次の３点を主要課題として検討を進めた。

　−高いプラント熱効率
　−高い翼冷却性能
　−高い運転信頼性

冷却方式は、大別すると従来から行われているフィルム冷却等の冷媒を主流ガス中に吹き出す"開放式"，そして前述の蒸気冷却のように供給された冷媒を主流中に吹き出さずに全て戻す"回収式"がある。また、冷媒が蒸気ではなく、水を使用する"水冷式"も考えられる。
　これら冷却方式の比較評価を実施した。以下に検討内容の概要を記す。プラント熱効率の面からは、冷媒の蒸気を主流中に吹き出す開放式は不利であり、回収式が有利となる。水冷式は加熱水の有効利用が難しく、プラント性能上有利とは言えない。翼の冷却性能の面から見ると、水冷は蒸気よりも優れていることは当然ながら、この方式は過去の開発事例からも分かるように、金属の腐食やクラック発生による冷却水の主流への漏洩による重大事故への懸念が考えられ、運転信頼性の面で困難な開発課題を抱えることになる。開放式は冷却性能を充分に満足する一方、回収式では翼の前縁や後縁のように翼外面の熱伝達率が高く、かつ、内部の冷却構造が充分に取り難い、いわゆる熱的に厳しい部位で、満足な冷却性能を得ることが難しくなる。このように、それぞれの方式は一長一短があることが分かる。本システムにおいては、開放式と回収式の長所を組み合わせた"ハイブリッド型蒸気冷却システム"を選定した。図３−１１，−１２に初段静翼と初段動翼の冷却構造を示す。動静翼共、翼中央部には回収式を、翼前縁，後縁部は吹き出しの開放式の冷却方式を採用している。このようにハイブリッド方式を選定することによって、翼全体に良好な冷却性能を維持しつつ、高効率プラントの達成と運転信頼性の確保を実現することができる。 　これら動静翼には単結晶材を採用しており、ＴＢＣも翼全面に適用する。ＴＢＣの適用に当たっては、ガス温度が高いことと主流ガス／冷媒が蒸気で熱流束が大きいことから、ＴＢＣは耐久性と併せて耐熱性の向上が課題である。２段落以降の冷却翼には、主流温度条件から見て全て回収式の冷却方式を採用している。

４．まとめ

　以上述べたように、環境問題、燃料の多様化等の社会的要請に答えるべく、高効率な冷却技術を採用した次世代ガスタービンと、その技術をさらに発展させた将来型発電システムの早期の実用化が望まれる。
　なお、本発表の内「１５００℃級冷却システム」の開発は東北電力殿との共同研究として実施した。また「将来型１７００℃級ハイブリッド型蒸気冷却システム」については水素利用国際エネルギーシステム技術(WE-NET)「水素燃焼タービンの開発」の一環で、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)殿、(財)発電設備技術検査協会殿および電力中央研究所殿からの委託を受けて実施したものである。記して関係各位に謝意を表する。

参考文献