発電用水蒸気循環型水素-酸素燃焼 複合タービンシステムの解析

水素エネルギーシステム
Vo
1
.2
3，N
o
.
2(1998)
特集
発電用水蒸気循環型水素-酸素燃焼
複合タービンシステムの解析
査 岐 典 彦 .~:賓純・古谷博秀・高橋三鈴
工業技術院機械技術研究所
3
0
5
8
5
6
4つくば市並木 1
2
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JunHAMA，
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1.緒言
な分野で利用するための世知句なエネルギーネットワー
クを構築を目指している。この利用指荷の柱の一つに水
国連気候変動榊匙条約第 3回締約国会議 (
0
即3
)にお
素燃焼タービンか取り上げら九将来のクリーンかつ高
いて、温室効果ガスの排出削減量か定められるなど、昨
効率な大型発電システムを目指して研究開発が進められ
今、加求温日新じなどのt
-ft卵期澗題への関心の高まって
3
J。
ている [
ここでは、この大型溌電用水素燃焼タービンについて、
いる。さらに将来のエネルギー問題に対処していくため
に、火力発電システムではクリーン化、高効率化の樹荷
その原理件撤を述べるとともに、これまでの研究開発
開発が推進されている。
の動向を紹介する。また、エクセルギー解ネ斤を行った結
果、各々の作動条(牛において効率向上を妨げる要因が明
一方、太陽、水力などのクリーンな再生可能自然エネ
ルギーを国際的に利用する共同井究プロジェクトが活発
瞭に示されたので、報告する。
化してきている [
1
J。わが国では地球再生計画の具体的
2
. 水素燃焼タービンのj
蔚里と特徴
な国祭大型共同庁究のーっとして、水素利用国際クリー
W
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n
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百
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w
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k
)プ
ンエネルギーシステム技術 (
ロジェクトが通産省工業技術院のニューサンシヤイン計
水素燃よ尭タービンには、水素一空気J
開よ尭タービンと水
2
]。このプロジェクト
画の一環として進められている [
素一酸素燃尭タービンがある。前者の方式は、既存化石
では、太陽、水力などの再生可能エネルギーを水素等に
燃キ!の代替として水素を通常のガスタービンに利用する
変換し、これを消費国に輸送して発電・運輸等の広範囲
方式である。水素の大量供給のインフうがないため、水
-2-
特集
水素 cJ二ネノレギーシステム Vo
1
.23，No.2(19~j8)
素を用いた発電システムとしての運転は実際には行われ
主要発宝源の一つで、ある火力発電所にとって、環境負荷
ていないが、既存システムを一部改造することにより水
フリーの王監霊的な発電システムのーっとなる。それゆえ、
素用に車詳有できることなどカミ指摘されてきた。
WE-NETフ口ジェクトでは、この水素-酸素燃止尭タ
o
ーピンが樹f
1
開発の対象となっている。
づぢ、空気の代わりに酸素を酸化剤に利用する水素一
般素燃焼タービンでは、水素がクリーンかつ価値の高い
3留水素撚暁ターピンの開発動向
次エネルギーであることから、水素の特徴を活かした
弁電システムが提案されている。その基本的なガスター
ンシステムの構成例を図 1
に示す [
4
]。ここでは、求
3--
手、ガスと酸素ガスを王監命比率で燃焼器へ供給して燃焼さ
水素鰍尭タービンの研究開発は段位機用推進機関の研
て作弱点某体制[献し、その作動媒体と側尭生成物であ
究の
水燕気をタービンで膨張させて発電し、燃焼生成物分
υ
J
'
<
:蒸気のみを補語器でイ差水・除去し、作重加某f
料
圏内外の開発動向 [
5
][
6
]
環として始まった。一方、水素一酸素燃焼を利問
ミクローズドシステムについては、
酸素製造を含めた発電システムが提案され問、これに
巨預
託で撚よ尭器に戻して促'i
l
翼手リ用する。
関連した要素出荷開発としてドイツ連邦断首#宙研究所
プのようなシステムについて、具体的に発電用 L
は、既存の蒸気タービン発電システムの部分
、/パインドサイク )
1
ノとこれに類似した構成の水素一金
負荷芹;に水素-酪漂競争漉を利用した蒸気発生器の開発を
〆1
る[
7
]。また、オーストリアの
進めて 1
(
}
/
j
タ
主帯、明シスデムとで比較してみると、水素一酸素燃 i
，
~""ンシステムには以下のような特徴がある。
G
r
a
z
は水素一酸素燃焼を利用した複合サイクルを提案し問
(
図2
参照)、タービン入口温度 1
2
0
QCの燃焼器の諾十@
O
基本的(，ごー鰍尭生成物で、ある水のみを排出する、夕
製作が行われている [
9
]。ロシアでも目立水素ロケッ
、ンなセミクローズドシステムが構築でき、大会忌荒
した水素手認発生器の研究力当主表されている [
1
0
]。
埼へ負荷を与えない。
わが置ではオイルショック以後、内燃ランキンサイク
三:〆*のみを排出するので、起動時等を除いて、脱耐装
湾、煙突等の排気設備が不要か、小親日莫化できる。
1
1
Jやこれを想定した基礎燃焼実験などが行わ
ルの解析 [
J，:ガスターピンと蒸匁タービンとの複合システムを構
れてきた。水素一酸素燃焼を利用したセミクロースホドシ
i
比する場合(図 2参照)、ガスタービン側の作動路右本
ステムの具体的な機吉田守性については、作弱点某体にアル
に過熱水蒸気を用いることにより、ガスタービン品
ゴンを用いた不活性ガス循環型燃焼システムや小型ガス
後の水蒸気をそのまま分~皮して蒸気タービンを作
ターピンシステム(図 1参照)が鶏祭に鶏鰹レベルで
運転さ払システムが実際に機能することが実証された
動させることができる O
L
の比較例に示すように、水素一酸素般教尭の特徴を活
しだタービンシステムを構築すれば、
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o
J
，
f
求
温
日
新
む
ブjス
P6
作動媒体十水線気
国 1 水素一酸素燃焼タービンシステム
国 2 水蒸気循環型水弄肢は尭複合タービンシステム
町
一-一
特集
水素エネルギーシステム VoL23，No.2(
1
9
9
8
)
[
1
2
]。これ以後、平成 3年度からサンシャイン計画の依
燃焼器 C
O
M
B
中圧タービン
復水タービン
高庄タービン
圧縮機 GOMP
高圧水ポンプ
熱 交 換 器HXl
熱交換器HX2
復 水 器 GON
日
脱 気 器 HX開
排水
2
合流点 1
託調査の一環として「水素燃焼タービンの調査」が実施
さh-水蒸気または不活性ガスを作動自期本とする代表的
50
λ件
nununu
-NETの水素燃焼タービンの技術開発が開始さh-前
ま 川 町 嘩i社
4 ギトH
、 ヘ
な発電サイクルの性有旨十算が行われた [
1
3
]。また、 W E
。。の正
記した G
R
A
Z工科大学提案の蒸気複合サイクルでは
1
2
0
0Cで 5
7
.
5%の高効率力草足告されていることから問、
0
このサイクルの分析検討カミ行わ t
hタービン入口温度を
1
2
0
0Cより高温イじすることにより、 60%
以上の高効率が
0
)[
1
4
]
[
1
5
]。
実現できる可能性が試算された(図 2
3-2 WE-NETにおける水素燃焼ターピン技術
開発の動向[16
]
[
1
8
J
0
2
0年までの長期計画
WE--NETプロジェクトは 2
CDT
H円
HPP
10
であり、これを 3期に区分して研郊自発を行うこととし
∞o
O 1100120013001400150016001700180019002
てスタートした。その第 I期計画(19
9
3，，-， 1
9
9
8
)では、
中圧ヲーピン入口温度
調剤井克基礎自噺究および要素樹柄庁究等をとおして、
。
G
(
a
) エクセルギー損失
水素製造技術、輸送・貯蔵樹布、利用技術に関する事楚
63
ま
的出荷の確立を図り、全体システムの最適化設計に必要
62
な情報を得るとともに、システムの設計@製作に必要な
議 61
出荷を確立することを目指している。
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0
0M W
級、燃焼器
水素燃焼タービンの技術開発は、 5
出口温度 15∞~
G
T
1
7
0
0o
c
、効率 60% 班
(N
)を最終目
259
牛1 58
主
、
標としている。第 I期計画では、最直システムを選定し
H 57
て、実話鵡釦こ必要な墨田慰支術を確立することを狙いと
1
埜
56
1;~
推昨姉
しており、(1)高直システムの評価、(2)鰍姉1
55
1000
の 開 抵 (3)タービン翼、ロータ等主要構成機器の開抵
1200
1400
1600
1800
2000
中圧タービン入口温度
℃
(
b
)効本エクセルギ一利用率
(
4
)主要補機類の開抵(5
)超高温材料の開発の 5項目
図3
について、角平木斤@一調査、要素撹荷開発力苛子われている口
中圧タービン入口温度の影響
この中で、発電システムの具体的な仕様を決定するう
えで重要となる高直システムについては、水蒸気や非凝
箇所でどの程度起こっているかを調べた結果を紹介する。
縮性ガスを作動す新本に用いた、プレイトン、ランキン、
代表的なパラメータとそのときの効本システム各部で
およびこれらの複合型の各種サイクルのシステム検討が
のエクセルギー損失の害恰を調べたところ、以下に示す
行われ、各サイクルの構成とその試算結果がまとめて報
いずれの場合でもエクセルギーの損失の 7割ほどカ場数尭
1
8
]
0
告されている [
器内で発生しており、最もエクセルギー損失が大きい。
4
. 水素一酸素燃焼タービンのエクセルギー解析
ーに変換する上で、このエクセルギー損失は不可避であ
しかし、燃よ尭により燃料の他学エネルギーを熱エネルギ
り、通常、他の部分のエクセルギー損失を低減すること
水素-酸素燃焼タービンの代表例として、 G
r
a
zサイ
で、効率向上を図ることになる。
クルを取り上げ、装置の作動条件を様々に変更してサイ
クル計算を行い、その結果についてエクセルギ一角特斤を
行って、効率低下の原因となるエクセルギー損失がどの
4-1 中圧タービン入口温度の影響
G
r
a
z工科大の計算条件に対して、中圧タービン入口
-4-
特集
水素エネノレギ』ーシステム Vo
.
123，NO.2(19~)8)
100
燃 焼 器 ∞M
B
燃焼器 C
O
M
B
中f
fタービン GT
復水タービン CDT
~ff.タービン HPT
圧 縮 機 官 OMP
50
5
0
高圧水ポンプ HPP
若
手
中圧ターピン GT
復水タービン GDT
窓圧タービン HPT
圧縮機 GOMP
寓圧水ポンプ HPP
熱交換掛lX1
2
ま
熱交換器削 1
熱交煉器 HX2
熱交換器HX2
復水器 COND
脱 気 器 HX
V
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復水器。ω~D
40
脱気器!-l糊
排水
合流点 1
2
排水
合流点 1
2
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川
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T3=600cC
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(
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)エクセルギー損失
(
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)ヱクセルギー損失
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j -je--i-M=oJ
55
1
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18
20
w
x
4
(
b
)効本エクセルギー利用率
圏4
q
:J圧タービン翼冷却用抽気 w
;
叫の影響
。
∞
1
0
0
"
"
2
0 Cまで、変化させたときのエクセル
温度目を 1
おり、これカ効率向上を妨けている。勲主換器取1での
ギー損失の内訳について各部の割合を図:3(
a
)に示し、
エクセルギー損失が大きい原因は中圧タービン出口温度
b
)に示す。ここでは、仮に無冷却で
システムの効率を (
が高いため、
H
X
lでの熱実換量が大きくなるためであり、
もタービン翼の耐熱性に問題を生じないような櫛荷が実
対策としては高温化とともに中圧タービンの膨張比を大
現されたものとして、無冷却のままタービン入口温度を
きくして、タービン出口温度を下げることにより、熱交
上昇させて検討した o (
a
)の棒グ、ラフは上から下へ凡例
換によるエクセルギー損失を低下させることが考えられ
)
1買に領域分けして表示している。なお燃焼潜におけるエ
る。また、熱交ま負器の耐熱温度の点から考えても、中圧
クセjレギー損失が他の部分でのエクセルギー損失に比べ
タービンの膨張比増大によるタービン出口温度低下は必
0
"
'
1
0
0%の間で目盛りを圧縮して表示す
て大きし Nため、 5
要である。
るq 温度上昇により、効率が上昇して行くカミ高温にな
4-2 タービン翼冷却の景免I
ると効率向上の程度が小さくなっている。エクセルギ-
t
員チ謂u
合をみると、熱交換器取1の損失か大きくなって
図 4に中圧タービン翼冷却用の抽気のお恒 w
x
4に対す
Fhu
k素エネルギーシステム Vo.
123，No.2(
1
9
9
8
)
特集
ノ
50
燃 焼 器 COMB
燃 焼 器 COMB
中圧タービン GT
復水タービン CDT
高圧タービン HPT
中圧タービン GT
復水タービシ CDT
lIi圧タービン HPT
ポ哩l社会
nununU
排水
合流点 1
2
Nfhわ け 門
吋
甲 hU
。o
375 400 500 600 700 800 900
分岐点温度
。
c
(
a
)エクセルギー損失
62
益 61
b
三ーギーギ証 H 寸
…・一
一ー;ム里竺】 ~t~~
圃
平
園
自
.
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300
一---圃由園、占圃圃圃圃圃ヤ圃園田圃マ
守竺同一三?で二一一...
、.
÷
-J
、
400
500
600
700
分服点温度
800
f一一一三効率一
- F '
ヰJ 58
ε
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曲一ー :
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吉田
一
キJ 58
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量 61
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ケ
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上
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)エクセルギー損失
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玄関
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熱交換務H
)
(
l
熱交換器HX2
復水器 COND
脱気器 HXW
1
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63
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高圧水ポンプ HPP
432
排水
合流点 1
2
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l社dN
執柳時
復水器 COND
H
克気器 HXW
1
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圧縮機 GOMP
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幣交換器 H
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然交換器H
X2
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SM
圧縮機 CONP
高圧水ポンプ HPP
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川崎
℃
(
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)効果エクセルギ一利用率
(
b
)
効ヰミエクセルギ一利用率
図7
圏 6 分岐点温度の影響
r
w
x
3抽気の効果
←
る効率や各部でのエクセルギー損失明恰の変化を示す。
x0
.
1
5とした。
においては w
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0Cとし、冷却用の水蒸気
中圧タービン入口温度を 1
4-3 中圧タービン圧力比の影響
0
w
x
4は
中圧タービン圧力比を増大し、中圧タービン入口圧を
中圧タービンの全作鰍某体主糧を 1として無次元化して
増大すると、図 5のように中圧タービンおよび圧縮機で
はそのまま;昆入されると簡単に仮定して計算し、
いる。冷却用の抽気力立曽大するほど、中圧タービンでの
のエクセルギー損失が増大するものの、熱交換器取1で
エクセルギー損失カせ普大するが、熱交換器取lのエクセ
のエクセルギー損失カヰ民減さ才1
へ効率が向上する。つま
ルギー損失が減少するので、効率の低下は小さくなって
り、中圧タービンで十分に膨張してタービン出口温度が
いる。逆に言えば、本設定より中圧タービンの脇長比等
低下し、熱交換器取1の負担力需くなったことか裏付け
X
lにおけるエクセル
を変更することにより、熱交換器 H
られる。
ギー損失を低減して効率が向上する可能性がある。
。
∞
7 Cとした場
ところで、中圧タービン入口温度を 1
4-4 分岐点温度の影響
分岐点温度 T
3を上昇させると、熱交換器取1の熱交
合に翼冷却を行わないとは考えにくいので、以下の検討
十
6一
一
水素エネルギーシスデム Vo
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特集
換量カヰ昆減さ払逆に熱交槻号取2の熱交換量カ糟大し
を利用してメタン-酸素~尭を行うことで NOx フリーと
て、図 6のように取1におけるエクセルギー損失カヰ馬減
なり、タービ、ン入口温度の高温f
じが可能となって
するものの、協2におけるエクセルギー損失が増大する。
1
9
]。
収が容易となるシステムの提案もなされている [
C
O
2回
しかし、 トータルではエクセルギー損失は低減し、効率
3が 6
∞
。C以上では、
は位上する。また、分岐点温度 T
参考文献
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j-るエクセルギi
場ミも増大する o これは護
水夕、ービン出口の温度が高くなり、復水されないまま復
水器へ作動媒体が流入するため、復水器で捨てる熱が増
人することが原因である。したがって、壬州庇4温度が高
し、ほど復水タービンの膨張比を大きく取る必要がある。
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帝部各 8の水の温度が高いほど、水の蒸5
きのための熱交
換量が少なくて済友人熱奈換器HX2におけるエクセルギ
損失が少なくなり、熱効率が向上すると考えられる。
そのため、 3
貼 Zサイクルでは復水タービンから抽気し
てノ求を予熱する来型各が設けられている。その経路を流れ
る水蒸気流量 w
x
3耐震*タービン蒸気滅量に対する比率
について、予熱効果を調べたのが、図?である。
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賓 純 ; 日本国緋古学会、講習会「エネルギ一変換の
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I紀一郎他; 日本欄農学会，動力・エネルギー
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駿素燃焼タービンシステムの夙として、
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システム部門シンポジウム、
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)
1
4
. 山下巌;日本ガスタービン学:詰志 2
下手う原因となるエクセルギー損失の様子を調べた結果、
1
5
. 萱岐典彦他;日本機械学会茨城講演会講演論文集、
品砧f 七に伴い、中圧タービンの膨張比のili~~大が効率向
むこノ勺りであることな仏効率向上に関する指針カ可号 ~)n
16.¥
細 部C
i 目 前.
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5(
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号
水素燃焼ターヒ、ン品~f~市野Eは、スタート時の各種按業
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訂作基調龍夫講食が進弘各要素撹荷の具イ材句な仕様や
ってきている。これらのキーテクノロジ に
ついて、さらに委主正に向けてのデータ蓄積および音羽田を
継続)ていく必要がある。また、開発力$，ìi~;む中で、新た
な課題 提案が見いだされてきている。 U
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x生成のた (j)、タービン入口温度の高温f
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界 的1
っているが、本水素;鰍尭タービンの基本サイク jレ
目。三巻利夫; N
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O第 14回事業報告会、アルコールパ
7(
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4
)
イオマス技術分科会、 5
1
8，住雄幹夫;貰印O第 1
5回事業ヰ臣告会、アルコールパ
イオマス出~Î分科会、
8(
19
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5
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