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低カロリー副生ガス焚き大容量・高効率コンバインドサイクル発電設備の開発

概略系統

図1 概略系統

M701FS形ガスタービン

図2 M701FS形ガスタービン

1.概要

 三菱重工業(株)と君津共同火力(株)は君津共同発電所5号機発電設備向けに,製鉄所での生産過程で発生する高炉ガスとコークス炉ガスの混合ガスを有効利用し発電用燃料として用いる300MWコンバインドサイクル発電設備を開発した.主機として最新高温技術を適用したM701FS形ガスタービン(GT)を採用し,GT入ロガス温度を1300°Cまで上昇させることで発電端効率48.7%(高位発熱量基準)を達成し,従来実績から大幅な熱効率向上を実現した.可燃範囲の狭い難燃性ガスを全運転範囲にて安定燃焼できる燃焼器を開発し,GT出口でのNOx排出値はあらゆる負荷範囲において10ppm未満(16%O2換算値)を達成し,環境性能も優れた設備となった.

2.技術の内容

 本発電設備の概略系統を図1に,主機のGTを図2に示す.

 主燃料は製鉄所での生産過程で発生する高炉ガス(BFG)で,高位発熱量基準で3345kJ/m3N程度と低カロリーであり,可燃範囲もLNGの半分程度と非常に狭い.本ガスに増熱用のコークス炉ガス(COG)を混合し,4606kJ/m3Nとした上でGT燃料として供給する.この高カロリーガス混合流量制御により,不安定なBFGのカロリーを一定に増熱,安定化している.

 混合された燃料には約10mg/m3N程度のダスト分が含有されるため,燃料ガス圧縮機の汚れによる急激な性能低下が懸念されるが,湿式電気集塵器を設置して不純物を効率的に除去すること,および運転中定期的にガス圧縮機翼を洗浄できる装置を設置することにより,汚れの進行を抑えることを可能とした.

 可燃範囲の狭い難燃性ガスをGT着火時から燃焼ガス温度が1300°Cにも達する全負荷運転までの全運転範囲で安定して燃焼させるため,空気バイパス弁付マルチキャン燃焼器を開発した.空気バイパス弁は,特に低負荷時に燃焼領域の下流部へ燃焼用空気の一部をバイパスさせることで燃焼領域における燃空比の落ち込みを抑え,全運転範囲において高い燃焼効率を維持することを可能とした.さらにGT出口でのNOx排出値はあらゆる負荷範囲において10ppm未満(16%O2換算値)を達成している.

 BFGは低カロリーであるため,LNG燃料を用いる標準GTに比べ多量の燃料が必要となる.また,高炉からは600mmAq程度の低圧で供給されるため,圧力比約16のGTにて燃焼させるためには圧力比16以上にまで圧縮せねばならず,大流量ガスを効率的に圧縮できるガス圧縮機が必要となる.このため大流量に適した100MW級軸流ガス圧縮機を開発した.一方,タービン部は実績ある標準仕様を適用するため,多量の燃料ガス流量とのバランスを考慮してGT空気圧縮機の吸込み空気流量を最適に設計した.

 BFGには毒性を有するCOが約20%vo1.含まれるという特徴もある.このため,系外への燃料ガス漏えい防止を徹底した設計としている.燃料ガス圧縮機出口部には減圧多孔板と冷却水噴射ノズルを内蔵する直冷式のガス冷却器を設置し,全負荷運転からの緊急停止時においてもGTへの投入が遮断された高温・高圧の燃料ガスを減圧・減温することで,全ガス量を安全に系統内に回収可能とした.また燃料ガス圧縮機の軸封部にはセグメントシールを採用し,バッファ流体としてN2を供給することで,燃料ガスの機外への漏えいを完全に防止している.

 機器配置上の特徴として,ガスタービン・発電機・蒸気タービンとガス圧縮機とを増速歯車装置を介して同一軸上に配列し,シンプルな配置としている.軸系全長は約56mにも達するが,各機器の軸方向の熱伸びが相互に影響を及ぼさないように,蒸気タービンの両軸端にフレキシブルカップリングを設置し,軸系の安定を図った.また,ユニット起動のための専用設備を設けず,既設ボイラからの蒸気で蒸気タービンを駆動する蒸気タービン起動方式を採用したことも軸系構成のシンプル化に貢献している.

3.まとめ

 低カロリー副生ガス焚きコンバインド発電設備として発電機出力300MW,発電端効率48.7%という従来実績からの大幅な性能向上を実現した本発電設備は2004年7月28日に予定どおり営業運転を開始し,現在順調に稼動中である.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2005年、福江一郎(三菱重工業(株))、青木素直(三菱重工業(株))、佃 嘉章(三菱重工業(株))、松本 瑛(君津共同火力(株))、久保田昭人(君津共同火力(株))に日本機械学会賞(技術)を贈った。

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製鉄所、低カロリーガス、高炉ガス、コークス炉ガス、ガス圧縮機、火力発電、コンバインドサイクル、省エネルギー・省資源、ガスタービン、気体燃焼
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