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AHAT - 経済産業省
高効率ガスタービン実用化技術開発 （AHAT）に関する 施策・事業の概要について 平成２２年１１月９日 日立製作所株式会社 住友精密工業株式会社 （財）電力中央研究所 目 次 １．プロジェクトの概要 ２．目的・政策的位置づけ ３．目標 ４．成果、目標の達成度 ５．事業化、波及効果 ６．研究開発マネジメント・体制等 １．高湿分空気利用ガスタービン実用化技術の開発の概要 概 要 実施期間 予算総額 実 施 者 プロジェクト リーダー 小中容量機（１０万ｋＷ程度）の高効率化（４５％ ５１％）のため に有望とされている高湿分空気利用ガスタービン（ＡＨＡＴ）の実用 化に必要な多段軸流圧縮機、多缶燃焼器等の開発を行うとともに システムの信頼性等の検証を実施する。 平成２０年度～平成２３年度 （４年間） ３８億円 （４年間で、４８億円） 日立製作所（株）、（株）住友精密工業、（財）電力中央研究所 圓島 信也 日立製作所㈱ ２． 事業の目的・政策的位置付け 目的 天然ガスは、世界各国に幅広く分布しており、中東依存度は約２割と低い ためエネルギーセキュリティを確保する上で極めて重要な燃料である。また、 他の化石燃料に比べ、環境負荷が少ないクリーンなエネルギーである。 そのため、天然ガスの利用拡大を図るべく、さらなる二酸化炭素排出量の 削減が見込まれる高効率ガスタービンの技術開発を推進していくことが強く 求められている。 高湿分空気利用ガスタービン（AHAT*１）は、中小容量機（１０万ｋW程度）の 高効率化（45％(HHV)既設複圧CC*2→51％(HHV)以上）を目的に、日本オリ ジナルの技術であり、世界初となるAHATの実用化に必要な技術開発を行う。 ＊１：AHAT：Advanced Humid Air Turbine ＊２：CC：Combined Cycle ２．事業の目的・政策的位置付け ＡＨＡＴの位置づけ ＡＨＡＴはガスタービンサイクルを改良したシステムであり、比較的早期に実用化が期待で きる高効率発電システムである。また、次世代高効率発電システムである石炭ガス化と組 み合わせたＩＧＨＡＴへ展開できる技術である。 ＵＳＣ ＧＴ USC USC (700℃級) (800℃級) ACC ACC (1500℃級) (1700℃級) ｸﾛｰｽﾞﾄﾞ GTCC AHAT 水素・酸素 燃焼ﾀｰﾋﾞﾝ 低発熱量ｶﾞｽ焚きＧＴ IGCC ｶﾞｽ化炉 (空気吹き) ｶﾞｽ精製 H2分離 IGHAT (O2吹き) PFBC IGCC/IGHAT (ｺﾌﾟﾛﾀﾞｸﾄ化対応) IGCC O2分離 IGCC 1700℃級GT との組合せ 地球環境問題へ の対応、エネル ギーセキュリティ を確保した高効 率発電システム 高度ｶﾞｽ精製 A-PFBC IGFC 燃料電池 ｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞ 燃料電池 分離技術 ：発電システム ：要素技術 網掛：調査対象技術 ：目的 出典：「電力分野産業技術戦略」に関わる動向調査 報告書 平成16年6月 （財）エネ総工研 ２．事業の目的・政策的位置付け 国のエネルギー技術開発戦略における高効率ガスタービンの位置づけ 高効率ガスタービンは、二酸化炭素排出量を抑制できる高効率天然ガス発電であり、「技 術戦略マップ」において、「総合エネルギー効率の向上」、「化石燃料の安定供給とクリー ン有効利用」に寄与する技術の一つとして位置付けられている。 評価項目 内容 ①総合エネルギー効 率の向上 転換部門における「ｴﾈﾙｷﾞｰ転換効率向上」、産業部門における「製 造ﾌﾟﾛｾｽ効率向上」、民生・運輸部門における「省ｴﾈﾙｷﾞｰ」など、 GDPあたりの最終ｴﾈﾙｷﾞｰ消費指数を向上することに寄与する技術 ②運輸部門の燃料多 様化 バイオマス由来燃料、GTL、BTL、CTL等の新燃料、EVやFCVなど、 運輸部門の石油依存度を低減することに寄与する技術 ③新エネルギーの開 発・導入促進 太陽、風力、ﾊﾞｲｵﾏｽ等を起源とするｴﾈﾙｷﾞｰに関連する技術の開 発・導入促進に寄与する技術。また、再生可能エネルギーの普及に 資する新規技術、ｴﾈﾙｷﾞｰ効率の飛躍的向上に資する技術、ｴﾈﾙ ｷﾞｰ源の多様化に資する新規技術など「革新的なｴﾈﾙｷﾞｰ高度利用 技術」も含む。 ④原子力利用の推進 とその大前提となる 安全の確保 2030年以降においても、発電電力量に占める原子力発電の比率30 ～40%程度以上とすることに寄与する技術。負荷平準化、原子力利 用の推進に資する技術や安全確保に資する技術も含む。 ⑤化石燃料の安定供 給とクリーン・有効 利用 化石資源の開発・有効利用技術、CCT（クリーン・コール・テクノロ ジー）等のクリーン利用や、資源確保に資する技術。 GTL：Gas To Liquid BTL：Biomass To Liquid CTL：Coal To Liquid AHATの可能性 中小容量機の新設お よびリプレースによる エネルギー効率向上 天然ガス利用に寄与 ３． 目標 ＡＨＡＴとは（１） 日本オリジナルの技術であり、高湿分空気を利用したガスタービン単独の発電システムで ある。コンバインドサイクルの蒸気タービン蒸気量に匹敵する湿分を増湿塔で加え、ガス タービン排熱を高湿分再生熱交換器で回収し、ガスタービンで利用する。 蒸気タービン 高湿分再生熱交換器： 高湿分空気 排熱回収 燃焼器 焼 圧縮機 水 タービン 増湿塔： 出力増大 熱効率寄与度 度 水回収器 燃料 噴霧器 増湿塔 高湿分 再生熱交換器 ガスタービン 水 噴霧器：圧縮機動力低減 空気 ＡＨＡＴサイクル コンバインド AHAT サイクル ３． 目標 ＡＨＡＴとは（２） 中小容量機（10万ｋW程度）で、コンバインドサイクルの効率を凌ぐ新型ガスタービン 発電システムである。 出典： Gas Turbine World Handbook 2004 60 実用化 実用化 （送電端 51% HHV) 実用化技術開発：30MW級 送電端効率 (%H HHV) 50 要素技術開発 ３ＭＷ級検証機 三重圧 C/C 三重圧C/C AHAT 複圧 C/C 復圧C/C AHAT 40 単圧 C/C 単圧C/C 航転型 GT 航転型GT 30 ｼﾝﾌﾟﾙｻｲｸﾙ GT ｼﾝﾌﾟﾙｻｲｸﾙGT 20 出典：Gas Turbine World Handbook 1 10 100 発電端出力 (MW) 1000 *C/C ： Combined Cycle ３． 目標 ＡＨＡＴとは（３） ＡＨＡＴは、運用性、環境性、経済性に優れた発電システムである。 ◎：特に優位 ○：優位 -：同等 項目 ◎ ST系なく、起動時間短い ST ＨＲＳＧ暖機要 負荷即応性 ◎ 独 GT単特運転並み ベース ◎ 高湿分燃焼により低負荷で運転可能 吸気噴霧冷却：高気温時の出力低下小 大気温度特性 ○ 制御 ○ GT 制御が主でシンプル NO ｘ対策 ○ GT：高湿分空気燃焼、GT排気：必要に応じ 脱硝装置 立地制約 ◎ 機器構成、工期 経済性 コンバインドサイクル 起動時間 運用性 最低負荷 環境性 AHAT 低 NO ｘ安定燃焼の制限 ＧＴおよびＳＴ出力低下 GT 、 ST 制御あり GT：低NOx燃焼器、又は、水噴射、 又は蒸気噴射、GT排気：脱硝装置 水回収水温60℃程度：冷却塔冷却 ST出口温30℃程度：復水器冷却 内陸部にも設置可能 沿岸（海水への温排水） ◎ ST系なく、構成シンプルで工期も短い ベース 配管 - GT 圧縮機吐出圧力低く、薄肉 ただし、再生サイクル配管径大 HRSG 高圧系圧力高く、肉厚 ただし、主蒸気配管径小 水質管理 - 水処理装置（イオン交換樹脂等）設置 薬注による pH 調整 ユーティリティ消費 - 純水(圧縮機吸気噴霧冷却用),ｱﾝﾓﾆｱ(脱消 用)、冷却水(冷却塔補給用) 純水(HRSGﾌﾞﾛｰ補給用)、 ｱﾝﾓﾆｱ(脱消用)、冷却水(補給用) メンテナンス費用 ○ 構成機器少ない（排熱回収系、水回収系） GT：ガスタービン、ST：蒸気タービン、ＨＲＳＧ：排熱回収ボイラ 排熱回収系、ST系、復水器系 ３． 目標 ＡＨＡＴの研究課題 本事業におけるＡＨＡＴの研究課題は以下の3点である。 １）①～⑤：高湿分空気に関係した実用化技術 ２）⑥：実用化技術（①～④）を組合せた総合試験装置による機器の相互作用確認 ３）⑦：ユーザー視点に立ったシステム評価 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ３． 目標 ＡＨＡＴの開発目標 下表の要素技術項目は、天然ガスを燃料とした１０万ｋW級中容量高湿分空気利用ガスタービン システムにおいて、送電端効率51％、NOｘ排出濃度10ppm以下（16%O2）を達成可能にする。 実用化技術 目標・指標（中間評価） 妥当性・設定理由・根拠等 ・蒸発予測モデルの高度化 圧縮機内部での水滴蒸発効果を積極的に活 用できる噴霧量を設定した。 ・材料選定 ・耐久性向上 熱交換器のコアの大型化（コスト）と性能を勘 案して設定した。温度効率90％は高温で作動 する再生器にとって極めて高い値に相当する。 ・NOｘ：10ｐｐｍ以下 NO 10 以下 ・バーナ要素試験 バ ナ要素試験 ・実寸単缶燃焼試験 高湿分空気による燃焼では燃焼の不安定化 が懸念される、低ＮＯｘと燃焼安定性の両立を 勘案し設定した。 ④高湿分 冷却翼 ・冷却効率 静翼：70％以上 動翼：60％以上 ・ハイブリッド冷却翼の設計 高湿分により主流ガス側の熱伝達率が大き くなり熱負荷が増大することを勘案し設定した。 ⑤３ＭＷ級 検証機 ・AHATプラント側の特性把握 ・AHATプラント側の特性把握 ３MW機試験を実施し、AHATシステム特性、 機器性能の向上、主要機器の経時変化を確 認する。 ⑥実用化技術 ・発電用ヘビーデューティー 総合試験 ガスタービンにAHATを適用 ・総合試験装置の設計 開発した要素技術を組合せ、高圧、高湿分 環境における高湿分軸流圧縮機、高湿分再生 熱交換器、高湿分多缶燃焼器、高湿分冷却翼 の相互作用を確認する。 ⑦AHAT特性 解析 ・３ＭＷ級検証機評価 技術開発においては、開発側のみならず、 ユーザの視点に立って客観的に特性を評価す ることが重要。 ①高湿分 軸流圧縮機 目標・指標（事後評価） ・吸気噴霧量：3.5％以上 ②高湿分 ・温度効率：90％以上 再生熱交換器 ・伝熱面密度：1000m2/m3以上 ③高湿分 多缶燃焼器 ・ユーザ視点からの システム評価 ４. 成果、目標の達成度 ①高湿分軸流圧縮機 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４. 成果、目標の達成度 ①高湿分軸流圧縮機：蒸発予測モデルの高度化 蒸発予測アルゴリズムを以下の(1)～(3)の項目について高度化、ガスタービン 全体のヒートバランス設計ツールに実装し、圧縮機内部蒸発予測を可能にした (1) 吸気ﾀﾞｸﾄ蒸発による流量増加を考慮 (2) 翼面での液滴捕集を模擬 (3) 液滴径分布を考慮 圧力比 更新 圧縮機～ﾀｰﾋﾞﾝ間性能計算 ・加湿器 ・再生熱交換器 ・燃焼器 ﾀｰﾋﾞﾝ性能計算 NG ｹｰｼﾝｸﾞ 計算終了 ・・・ ﾍﾞﾙﾏｳｽ IGV 動翼 静翼 ﾛｰﾀ 実装時の計算時間短縮のため 圧縮機特性をﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ化 ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ 圧縮機/ﾀｰﾋﾞﾝのﾏｯﾁﾝｸﾞ判定 OK 吸気ﾀﾞｸﾄ 流れ 圧縮機性能計算 圧力比 IGV開度 Pout = f1 ( , igv Gout = f 2 ( , igv ) igv ) 出口圧力 Pout 出口流量 Gout ・・・ 初期条件入力 （圧力比，IGV開度） 高度化した蒸発予測ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑを実装 ・・・ 計算開始 特徴 ツール 概要 ４. 成果、目標の達成度 ②高湿分再生熱交換器 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた （① ④）を組合 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４ 成果、目標の達成度 ②高湿分再生熱交換器：材料選定、耐久性向上 材料は高性能かつ低コスト、耐水蒸気酸化性を考慮してステンレスを選定した。 本構造は、構造解析及びスケールモデルを用いた耐久試験により考案した。 空気 ヘッダー端部形状の改良 排ガス入口開口部見直し 排ガス 排ガス 空気 空気出口開口位置の変更 再生熱交換器本体の構造を 見直して耐久性を向上 伝熱面密度：1180m2/m3 （＞1000m2/m3目標） ４. 成果、目標の達成度 ③高湿分燃焼器 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４. 成果、目標の達成度 ③高湿分多缶燃焼器：要素バーナ試験 側方４孔ノズルの混合促進効果による低NOx化を要素試験で確認した。 空気孔 燃料ノズル 燃料ノズル後流に形成される 空気循環流によって燃料噴流が せき止められ，燃料が循環流中 に停滞し拡散する。 燃料混合解析結果 単孔ノズル（3MW） 供試バーナ 3MW(ドライ) NOx 中容量 (ドライ) 側方４孔ノズル 中容量(加湿) 3MW(加湿) 燃空比 図 要素燃焼試験結果 循環流に取り込まれる前の 空気流中に燃料が拡散後， 循環流中でさらに混合促進する。 ４ 成果、目標の達成度 ③高湿分多缶燃焼器：実寸単缶燃焼試験 点火，昇速および燃料切替えの観点から，多缶燃焼器のクラスターバーナ 構造を検討し，実寸単缶燃焼試験部品を設計，製作した。 高湿分燃焼試験装置での燃焼試験により，目標NOx<10ppmを確認した。 今後，起動，部分負荷特性，ライナメタル温度を評価，改良する。 対象 F2列数 F5列数 F3+F4 点火温度高 Case① F1+F2+F5 2 Case② F2～F4 Case③ F3+F4 F1 F5 F5 F2 F3 F4 1 Case④ 点火 × F2～F4 ○ 昇速 切替 判定 ○ 問題 なし F1+F5 △ F1+F2+F5 ○ F1+F5 × ○ ○ ◎ 問題 燃料 なし △ 系統 ◎ 変更 採用 対応 実寸単缶燃焼試験部品 100 ⑥実用化技術総合試験条件 NOx (ppm) 10 1 湿分 図 実寸単缶燃焼試験結果 高湿分燃焼試験装置 ４. 成果、目標の達成度 ④高湿分冷却翼 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４ 成果、目標の達成度 ④高湿分冷却翼：ハイブリッド冷却翼の設計 ハイブリッド冷却翼および冷媒供給系統の設計を完了した。 加湿管 出口より 圧縮機 出口より 加湿管 出口より 翼面主流ｶﾞｽ温度 前縁 ﾒﾀﾙ温度 度(℃) ｲﾝﾋﾟﾝｼﾞﾒﾝﾄ 冷却 ﾒﾀﾙ表面温度 目標上限温度 背側 冷却面温度 ﾌｨﾙﾑ冷却 後縁 腹側 後縁ﾋﾟﾝﾌｨﾝ 図 前縁 背側 後縁 翼面位置 圧縮機 出口より 後縁 ハイブリッド静翼冷却構造 腹側 図 ハイブリッド静翼の設計メタル温度分布 ４. 成果、目標の達成度 ⑤３MW級検証機 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４. 成果、目標の達成度 ⑤３MW級検証機：AHATプラント側の特性把握 ＡＨＡＴシステムの成立性を確認する目的で、要素技術開発（04～06年）にて製作 した。この装置を用いて、AHATシステム特性、機器性能の向上、主要機器の経時 変化を確認した。 増湿塔 高さ：11.5ｍ 水回収器 噴霧器 ガスタービン （圧縮機、燃焼器、タービン） 高湿分再生熱交換器 AHATｼｽﾃﾑ検証機設置場所（茨城県ひたちなか市） ４. 成果、目標の達成度 ⑤３MW級検証機：AHATプラント側の特性把握（性能検証） 大気温度特性は予測値と同様な傾向を示し、気温が低いほど高出力、高効 率になっている。コールド起動は、起動開始後約60分でフル負荷に到達し、 高速起動できることを確認した。 1500 1200 4 発電端出力 900 3 600 300 1 給水加熱器入口ガス温度 0 0 0 図 大気温度特性の測定結果 2 加湿量 出力[MW] or 加湿量 [kg/s] タービン入口ガス温度 温度 [℃] 発電端出力 [kW] 発電出力相対 対値 発電効率相対 対値 発電端効率 [% %LHV] 4200 48% 1.0 4000 46% 予測値 3800 44% 0 95 0.95 3600 42% 0.9 出力 1.0 3400 40% 0.85 3200 38% 0.8 0.95 3000 36% 0.9 効率 2800 34% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 大気温度 [℃] 5 30 60 起動開始後の時間 [分] 90 図 コールド起動特性の測定結果 ４. 成果、目標の達成度 ⑤３MW級検証機：AHATプラント側の特性把握（水回収技術） 加湿量 または 水回 回収量 [kg/s] スプレイノズル配置の工夫により、液滴空間分布が均一化し、回収率が向上、 増湿塔加湿量のほぼ100%を回収可能となった。 WAC 増湿塔 水回収 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 試験ケース名 WR1 WR2 排ガス整流板 従来 機器 スプレイノズル 従来 状態 ミストエリミネーター WR3 従来 WR4 WR5 WR6 WR7 WR8 WR9 WR10 GT側に100mm移動 微細化 分布均等Ⅰ 分布均等Ⅱ 微細化 図 増湿塔による加湿量と、水回収装置による回収量の比較 RUN27-14:00 RUN28-14:30 RUN28-15:30 RUN29-12:30 RUN29-13:00 RUN29-13:40 RUN29-15:40 RUN29-15:50 RUN34-14:20 RUN34-15:10 RUN34-16:20 RUN35-14:00 RUN35-16:20 RUN35-17:50 RUN35-19:00 RUN36-13:00 RUN36-14:40 RUN36-18:00 RUN37-12:00 RUN37-13:33 RUN37-16:00 RUN37-18:00 RUN38-12:05 RUN38-13:14 RUN38-14:00 RUN38-14:57 RUN40-12:00 RUN40-13:00 RUN40-14:00 RUN40-15:00 RUN43-14:40 RUN44-13:00 RUN44-15:00 圧 力 損 失 (kP Pa) 25 20 5 空気圧損上限 15 温度効率下限 10 排ガス圧損上限 0 0.92 0.90 0.88 0.86 温度効率 ４. 成果、目標の達成度 ⑤３MW級検証機：AHATプラント側の特性把握（耐久性） 高湿分再生熱交換器の温度効率、排ガス側圧力損失、空気側圧力損失の経時 変化は特に見られなかった。制限値を満足している。 1.00 0.98 0.96 0.94 0.84 0.82 0.80 実線：測定値 破線：設計値 図 高湿分再生熱交換器の経時変化（圧損、温度効率） ４. 成果、目標の達成度 ⑥実用技術総合試験 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４. 成果、目標の達成度 ⑥実用化技術総合試験：総合試験装置の設計 高圧・高湿分環境における、高湿分軸流圧縮機、高湿分再生熱交換器、高湿 分多缶燃焼器、高湿分冷却翼の相互作用を確認するために、４０ＭＷ級総合 試験装置を設計し、製作を開始した。 9-TE-271 TE H-002 H 燃焼器 9-TE-031～ 270 TE TE TE F1 燃料 F2 9-FIT-004 F F3 F4 9-PDIT-003 吸気噴霧器 煙突 再生熱交換器 DP DP 9-PDIT-001 圧縮機 負荷 圧縮機 タービン タ ビン 大気 DP 9-PDIT-002 H H H-004 D H-003 吸気 噴霧冷却 (WAC) H-001 H 9-FIT-001 F 高湿分 翼冷却 9-FIT-003 F 9-TE-030 TE CO2 CO2 冷却器 9-TE-002～ 026 TE TE TE TE TE 放風 加湿管 ドレン F F 2-FIT-001 F 3-FIT-002 液滴噴霧ヘッダ ＴＥ：温度 1-FIT-001 F 3-FIT-001 補給水タンク Ｆ：流量 Ｈ：湿度 補給水 (純水) ＤＰ：差圧 圧縮機 ・各部温度・圧力 ・壁圧変動 ・静翼振動 ・動翼先端間隙 タービン ・翼ﾒﾀﾙ温度 （熱電対、放射温度計併用） ・翼冷却空気温度 ・動翼先端間隙 ・各部温度、圧力 燃焼器 ・排ｶﾞｽ組成 ・各部ﾒﾀﾙ温度、圧力 ・燃焼振動 ・各部圧損（差圧） 回転体 ・圧縮機/タービン 動翼振動 ・ロータメタル温度 （テレメータ使用） 軸受･ケーシング ・スラスト軸受荷重 ・各部圧力・温度 加湿水ポンプ 図 実用化技術総合試験装置の系統と計測項目 ４. 成果、目標の達成度 ⑦AHAT特性解析 ③-2高湿分燃焼器 ・圧縮機から全量抽気し 燃焼器へ導入 ・多缶燃焼器に対する低圧損構造 ③-1高湿分燃焼器 ・構造変更（単缶 多缶） ・更なる低NOx化 ②高湿分再生熱交換器 ・高温・高圧・高湿分対応の高効率 熱交換器 ・伝熱ｺｱの大型化 ・構造最適化（圧損低減/偏流防止） ⑤３MW級検証機 ・様々な運転条件による 性能検証 ・水回収技術 ・信頼性・耐久性評価 排出ガス ①-2高湿分軸流圧縮機 ・方式 ： 遠心型 軸流型 ・中間冷却効果 & 圧縮特性 燃料 ⑥実用化技術総合試験 ・（①～④）を組合せた 相互作用確認 発電機 ①-1高湿分軸流圧縮機 ・噴霧液滴の微粒化 ・噴霧量の増大 ⑦AHAT特性解析 ・ユーザー視点に立った システム評価 ﾀｰﾋﾞﾝ 動/静翼冷却用 冷却空気 冷却器 増湿器 ④高湿分冷却翼 ・高温高湿分主流ガス条件での 高性能冷却構造 熱交換器 水処理 装置 水タンク ４. 成果、目標の達成度 ⑦AHAT特性解析：３ＭＷ級検証機評価 コールドスタート時の起動時間が約60分と第1フェーズ試験から大幅に短縮、向上できた。 既存複合発電の起動時間、負荷変化率を上回る結果を得た。 【各種運用性の比較】 項 目 検証機実績(第 1 フェーズ) 検証機実績(第 2 フェーズ) 既存一軸型 GTCC 発電 起動時間 - - 約 60 分 約 2 時間 40 分 （静定、データ採取時間 含む） 燃焼による負荷変化 3.3%/分 加湿による負荷変化 2.3%/分 約 60 分 約 180 分 （復水器真空保持の場合） 水系統の自動化 5.0%/分 加湿による負荷 変化率向上 IGV 開度制御 燃焼温度制御 IGV の設置 低負荷での水噴霧 ホットスタート 〃 コールドスタート 負荷変化率 負荷制御 燃焼温度制御 増湿塔加湿量あり、なし WAC あり、なし （水系統起動時の場合） 燃焼による負荷変化 15%/分 （自動化） 加湿による負荷変化 3.3%/分（手動操作） 燃焼温度制御 増湿塔加湿量 WAC 流量 課 題 ４. 成果、目標の達成度 研究開発成果 ：学会表彰、論文、特許等の出願・発表状況 学会で高い評価を受け、海外で４件、国内で２件、学会から表彰されている。 〇主な学会表彰 ・米国機械学会ASME Turbo EXPO, J.P. Davis Award 受賞 （10年6月） ・米国機械学会ASME Turbo EXPO, Best Paper Award (Cycle Inovation 部門）受賞 （09年6月） ・日本ガスタービン学会 技術賞受賞（08年4月） 項目 年度 2004 2005 2006 2007 2008 2009 合計 論文・解説 ０件 ２件 １件 ２件 ３件 ３件 １１件 特許（公開） ３件 １０件 １２件 ７件 ８件 １１件 ５１件 国際会議発表 １件 ２件 １件 ２件 ４件 １件 １１件 国内会議発表 ２件 ０件 ５件 ７件 ５件 １件 ２０件 ４ 成果、目標の達成度 本事業での実施項目は達成しており（中間評価） 予定どおり順調に進捗している。 要素技術 目標・指標（中間評価） 成果 達成度 ①高湿分 軸流圧縮機 ・蒸発予測モデルの高度化 予蒸発アルゴリズムを高度化し、設計完了 した。 達成 ②高湿分 再生熱交換器 ・材料選定 ・耐久性向上 低コストなステンレスを材料選定し、耐久 性向上しかつ大型化したコアを設計完了し た。 達成 ③高湿分 多缶燃焼器 ・バーナ要素試験 ・実寸単缶燃焼試験 実寸単缶燃焼試験で、10ｐｐｍ以下を確認 実寸単缶燃焼試験で 10ｐｐｍ以下を確認 した。 達成 ④高湿分冷却翼 ・ハイブリッド冷却翼の設計 冷却性能を向上する構造を考案設計完了 した。 達成 ⑤３ＭＷ級検証機 ・AHATプラント側の特性把握 システム特性、機器性能の向上、主要機 器の経時変化ないことを確認した。 達成 ⑥実用化技術 総合試験 ・総合試験装置の設計 総合試験装置の設計を完了し、製作を開 始した。 達成 ・３ＭＷ級検証機評価 ３ＭＷ試験結果とｺﾝﾊﾞﾝﾄﾞサイクルを比較 し起動特性で優位であることを確認した。 達成 ⑦AHAT特性解析 ５. 事業化、波及効果 本技術は実用化技術開発の段階にあり、本技術完成後は実証機による熱、環境、運転性能、 長期信頼性を評価し商用機につなげていく必要がある。なお、本技術の一部は既に製品に適 用済であり、ガスタービンの高性能化に寄与している。 項目 年度 2000 技術開発 2005 要素技術開発 （’ 04～’ 06年) 実用化技術開発 （’ 08～’ 11年) 1/30規模の装置で 原理的なAHATシス 原 1/3規模の装置で中容量 AHATシステムを実現す を実現す るためのガスタービンに 関わる要素技術を開発。 テム成立性を確認。 技術開発の 成果、波及 次世代 2020 ～ 2010 実証機 （’ 12～’ 16年) （実規模）で、 熱、環境、運転 性能、長期 信頼性を評価。 ・高湿分翼冷却翼技術 商用機 （’ 17年～） ・リプレース ・高湿分燃焼器技術 ・系統調整電源 日立ガスタービンに適用 ・海外分散電源 ＣＯ２回収型クローズドサイクルＡＨＡＴ 発電技術への 展開 ＣＯ２回収型ＩＧＨＡＴ ５．事業化、波及効果 リプレース市場 2015年には、6000万ｋWのリプレース潜在需要ある。30年以上経年の油焚火力は2010年に 3500万ｋWに達する。これらの国内リプレース市場にＡＨＡＴを導入していく。 18,000 50 ﾘﾌﾟﾚｰｽ需要 14,000 2010年 3,000万 kW 12,000 2015年 6,000万 kW ＬＮＧ新増設 （想定） 45 40 ＬＮＧリプレー ス ＬＮＧ既設 10,000 石炭新増設 （想定） 8,000 石炭リプレー ス 石炭既設 6,000 4,000 石油リプレー ス 石油既設 2,000 発電設備量 ［百万 万ｋＷ］ 発電端出力 （万 万 kW) 16,000 1990 2000 2010 年 度 2020 2030 2040 2050 日本における電源構成の推移推定例(寿命40年） 出典：電力中央研究所｢第18回ｴﾈﾙｷﾞ未来ﾌｫｰﾗﾑ｣(1999) 8.3 30 25 25.8 20 15 10年以下 11～20年 21～30年 31～40年 41年以上 25.4 10 0 1980 0.5 35 5 0 1970 8.4 10.3 9.2 0.9 2000年度末 2010年度末 国内油焚き火力ﾘﾌﾟﾚｰｽ市場 ５．事業化、波及効果 系統調整電源：太陽光発電導入に伴う電力系統安定化対策 太陽光出力変動に対して、系統調整用火力発電が今後必要となる。要求される性能として、 ①短い起動時間、②負荷追従性、③幅広い出力調整範囲、幅広い出力範囲での高効率維持 などが挙げられる。ＡＨＡＴは運用性に優れていており、系統調整用電源として期待できる。 太陽光出力変動に要求される性能 ○発電開始までの立ち上げ時間が短 いこと 発電方式（10万ｋW級ガス焚で比較） AHAT（目標値） GTCC ◎ 30分（ﾎｯﾄ） 60分（ｺｰﾙﾄﾞ） 従来汽力 ○ △ 60分 180分 180分以上 △ ○ ◎ 8.3～10％/分 5％/分 3～5％/分 ◎ △ ◎ ○最低負荷の小さいこと（いわゆる 50％負荷 20％負荷 25％負荷 「下げ代」が大きい） ◎ ○ ○ ○十分なガバナフリー容量及びＬＦＣ容 量の確保 LFC対応 LFC対応 GF＆LFC対応 ○急激な需要変動に対応可能な出力 変化速度（kW/分）が大きいこと ○低負荷運転時に効率の低下が小さ いこと（50～100%負荷時効率、HHV） ◎ 43～51% ○ 40～50% △ 38～40% ６．研究開発マネジメント・体制等 プロジェクト遂行スケジュール 計画 各項目とも予定通り進捗している。 項目（主担当） 技術開発要素 ①高湿分圧縮機 （日立） ②高湿分再生熱交換器 （住友精密） ③高湿分多缶燃焼器 （日立） ④高湿分翼冷却 （日立） 試験 ⑤３ＭＷ級検証機 （日立､住友精密､電中研） ⑥実用化技術総合試験 解析 （日立､住友精密､電中研） ⑦ＡＴＡＨ特性解析 （電中研） 予算 （補助金ベース、百万円） 平成20年度 実績 平成21年度 平成22年度 平成23年度 評価モデル高度化、微粒化技術 総合試験評価 材料試験・小型試験、コアの大型化 総合試験評価 バーナー要素試験・単缶燃焼試験 ナ 要素試験 単缶燃焼試験 総合試験評価 ハイブリッド冷却翼、高性能冷却試験 試験 設計 製作 ３ＭＷ級検証機評価 216 中 間 評 価 1085 他システム評価 2465 総合試験評価 総合試験 総合試験評価 1032 ６．研究開発マネジメント・体制等 本事業は、㈱日立製作所、(財)電力中央研究所、住友精密工業㈱の３社で実施しており、プロ ジェクトリーダーを㈱日立製作所に設置している。 (財)電力中央研究所はユーザーの視点に立っ たシステム評価としてＡＨＡＴ特性解析を担当、住友精密工業㈱は高湿分再生熱交換器を担当し、 実施者の専門技術を最大に発揮できる３社連携の協力体制で実施している。 経済産業省 補助：2/3 ㈱日立製作所 （プロジェクトリーダー） 項目①,③,④,⑤,⑥を担当 (財)電力中央研究所 項目⑦を担当、⑤,⑥に参加 住友精密工業㈱ 項目②を担当、⑤,⑥に参加 実施項目 ① 高湿分圧縮機 ② 高湿分再生熱交換器 ③ 高湿分多缶燃焼器 ④ 高湿分冷却翼 ⑤ ３MW級検証機 ⑥ 実用化技術総合試験 ⑦ AHAT特性解析