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分散電源の中核を担う航空転用形ガスタービンの特徴と用途

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火原協大学講座資料

2017年6月17日

資源・エネルギー・環境事業領域米澤克夫

資料番号●●●●

1. 航空転用形ガスタービンとは？定義、機種事例

2. 航空転用形ガスタービンの特徴性能、構造、改良等

3. 航空転用形ガスタービン発電設備を支える技術パッケージ、制御装置

4. 航空転用形ガスタービンの既存用途と性能コージェネレーション、コンバインドサイクル

5.今後期待される航空転用形ガスタービンの適用分野

目次

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資料番号●●●● IHI Proprietary Information 3

航空転用形ｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝ（航転形GT)とは

JIS B 8040 ガスタービン－用語－による定義は以下の通り、本日はこの定義によるガスタービンについて説明します。

航空機用エンジンを設計変更して陸用及び船用に転用するか，又は，これをガス発生機にし，出力タービンと組み合わせて陸用及び船用に用いるガスタービン

ちなみにヘビーデューティガスタービン（重構造形ガスタービン，産業用ガスタービン）については以下の通り定義されている。 “あらかじめ陸用及び船用に設計されており,定格負荷で長時間連続運転することを前提としたガスタービン”

プレゼンター

プレゼンテーションのノート

形と型の説明も忘れないこと


航転形GTの例

501K/IM400 ４,000ｋWクラス T56 ターボプロップエンジン P-3C

航空機用エンジン（ターボシャフトエンジン、ターボプロップエンジンが多い）をほぼそのまま陸用または船用に転用した例

搭載されている機体の例航空機用エンジン航転形GT

AS332 MAKILA ターボシャフトエンジン MAKILA 1,000ｋWクラス

プレゼンター


ほぼそのままとなると大出力の物が少ないどこを設計変更しているかを説明必ず設計変更が必要な要素として燃焼器を説明 IM150 燃焼器（ガス焚き対応）、排気ダクトの向き 501K 燃焼器、SDGの削除


航転形GTの例

LM6000 45,000kWｸﾗｽ CF6-80C2 B747

航空機用エンジン（ターボジェットエンジン、ターボファンエンジンが多い）をガス発生機にし、出力タービンと組合わせた例

Trent/MT30 50,000ｋＷクラス Trent700 A380

搭載されている機体の例航空機用エンジン航転形ガスタービン

LM2500 20,000kWクラス TF39/CF6-6 DC-10

プレゼンター


大出力の航転形GTのベースは高バイパスターボファンが多い。機体の説明をわかりやすく。同じ機体でもエンジンメーカが異なることを説明台数が多いことを強調、1000台規模


特徴（性能）

2)

航空転用形ガスタービンコンバインドサイクル

重構造形ガスタービンコンバインドサイクル

航空転用形ガスタービン単体

重構造形ガスタービン単体非常用発電装置産業用/分散電源事業用

ディーゼル/ガスエンジン単体

航転形GTは大出力ではないが単体効率が高い

プレゼンター


縦軸と横軸、プロット（ハッチング）の説明航転形GTの出力はそれほどお菊はできない、小さい物もあるが単体効率でレシプロエンジンに対抗するのは難しい。出力レベルが同じであれば単機でも、コンバインドでも高効率用途についても言及する


特徴（運用特性）ケーシング、ローター共に薄肉・軽量構造であるため、以下の様な運用上の特徴を有す

1. 急速起動可能 2. 高応答（10~12MW/分、最大80MW/分） 3. 停止後のターニング不要

0

5

10

15

20

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50

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

回転

数

rp

m

発電

出力

M

M

時間分

ガスジェネレータ回転数

出力軸回転数

発電出力

ガスパージ運転

暖気運転（省略または短縮可能）

プレゼンター


航転形GTの最大の特徴は急速起動と高応答転がり軸受、薄肉構造が寄与メモを順番に。縦軸、横軸の説明。グラフの説明。特に5分間起動も可能であることを説明。空港での体験も織り交ぜて。ガスパージについては工夫が必要であることを説明。出力の変動可能速度も速いことを強調。1分間で定格出力の倍近く変動可能。停止後のターニング不要も強調


特徴（メンテナンス）航転形GTのメンテナンスは航空機用エンジンと同様に以下の2方式の組み合わせ 1. On Condition 点検・整備

• 定期的に短時間エンジンを停止して、ボアスコープ等によりエンジンの状態を確認し高温部整備、オーバーホール時期を決める

2. 高温部整備とオーバーホール • 目安となる運転時間を設定し、On Condition整備の結果を踏まえて実施 • エンジンをパッケージから取り外して、モジュール交換、分解整備を実施 • プラントの停止時間を最小とするため、エンジン交換、On Site モージュール交換等のOption設定可能

On Condition整備高温部整備

燃焼器

高圧タービン靜翼高圧タービンロータ

プレゼンター


航転形のメンテナンス方針についても説明したい。 On Conditionメンテナンスを説明。写真を説明定期的な停止が必要と誤解されている。分解整備は工場整備が基本。停止期間を最小化するためにモジュール構造であることも強調。静止部品も含めモジュール交換可能。モジュール交換はOn Site（Field）でも可能。支える技術としてパッケージ技術も必要。


航転形GT発電設備を支える技術（パッケージ）

1 2

3

4 5 6 7

航転形GTのメンテナンスを効率よく実現するため以下のような特徴を有す

1. On Condition整備に十分なスペースの確保 2. エンジンを容易かつ短時間に換装

プレゼンター


航転形GT発電設備の周辺技術を紹介。ガス圧縮機の話、吸気冷却の話は既にした。その他としてまずガスタービンパッケージの話。一般に航転形GTはパッケージに搭載して納入される。パッケージの特徴、メモを説明。図を説明


航転形GT発電設備を支える技術（制御装置）

＃1 パワートレイン＃2 パワートレイン Balance of Plant

高速制御装置

高速制御装置

高速制御装置

リモートI/Oパネル



OES OES

プリンタプリンタ

マンマシンインターフェイス

航転形GT発電プラント制御システムの構成例

OES

1 種類の制御装置で、時定数の異なる多種多様なプラント機器や電気システムを、統合的に制御

プレゼンター


CPUの発達に伴いエンジン制御に加えプラント制御も1台の制御装置で対応。


航転形GTの既存用途

電力需要　小大

～10KW 　～100KW 　～500KW ～1,000KW ～5,000KW ～10,000KW 10MW以上 100MW

熱需要

小

複　合　大　型

スポーツ

施設ショッピングセンター

大

熱需要

大　規　模　工　場　　　　　素　材　分　　野　　工　　場　　製　　鉄　．　石　油等自　動　車　．　半　導　体　　等

事業用

工業団地、コンビナート向け熱電供給設備産業

総合病院

ビジネスホテル

コンビニ戸建

住宅

ガソリンスタンド

上下水道施設

中　・　小　規　模　工　場

旅館

民　生　分　野

ホテル

老健施設

大学　･　短大

庁　舎　　･　　事　務　所　ビ　ル

ファミレス

中小病院

ファーストフード

食品．部品．アッセンブル等

温浴施設

中小スーパー

学　校

ｉＤＣ

航転形GTはこれまで産業用分野に適用

プレゼンター


ここからは航転形GTの用途について紹介。既存の用途を紹介してから今後（近い将来）期待されている用途を紹介。図の説明　横軸は出力、これより右は事業用の世界。出力レンジから工場などの自家発、産業用が主な用途。非常に特殊用途として大型排水ポンプのバックアップ電源として1万～2万ｋWの非発という用途もある。


既存用途と性能（コージェネレーション）

高い発電端効率の特徴を生かして普及が進むエネルギーセキュリティーの面から注目を集めている

LM2500 LM2500+ LM6000

発電端出力 23 MW 33 MW 45 MW 送気蒸気量 42 t/h 52 t/h 62 t/h

発電端効率 37 % 40 % 42 %

総合効率 88 % 88 % 83 %

NOｘ値(16%O2) 21 ppm 21 ppm 21 ppm

燃焼器 DLE DLE DLE

プレゼンター


コージェネの性能表の説明。蒸気量は給水温度20℃、0.8MPaの飽和蒸気、標準大気条件（１０１３ｈPa、15℃、RH60%） LM2500とLM2500+の違いの説明このクラスの自家発は重油焚きBTGが多数導入された。CO2削減から重油→天然ガス化によりガスタービンコージェネが普及このサイズは航転形GTの高効率が活かせ８０％を超える総合効率が期待できる。国内外で蒸気需要がある製紙、化学業界に普及。震災以後は国内でエネルギーセキュリティーの観点から注目が集まっている。国内では余剰電力の売り電も規制緩和が進めばさらに普及が期待される


既存用途と性能（コンバインドサイクル）

LM6000×2+ST LM6000×１＋ST

全体発電端出力 115 MW 55 MW ガスタービン発電端出力 90 MW 45 MW

蒸気タービン発電端出力

25 MW 10 MW

総合効率 53 % 50 %

NOｘ値(16%O2) 21 ppm 21 ppm

燃焼器 DLE DLE

航転形GTは民間発電会社向けコンバインドサイクルとして国内外で多数運用航転形GT単体効率が高いため相対的にST出力が小さい（GT出力の約1/4) HRSG,STが小型でプラントの短納期（約2年）、省スペースを実現

プレゼンター


コンバインドサイクルの例大気条件は同じ。国内外で民間発電事業者向けに普及事業用のコンバインドのような超臨界のボトミングサイクルではないが、50%w超える効率が期待できる。 ST/GTが1/4→HRSG/STの系統を小型化できる→プラント短納期（工事物量が小さい、2.5年）、省スペースが特徴数十MWの高効率ST開発に期待。


航転形GTの特徴・用途のまとめ航空転用形ガスタービン重構造形ガスタービン

定義

エンジン構造航空機用エンジンを陸用に転用あるいはガスジェネレータとして出力タービンと組合わせて陸用に転用

陸上用専用に設計されたガスタービン

性能

単体出力 100MW以下 100MW以上の大出力も可

性能単体効率高（40%以上）コンバインドサイクルな総合効率重視

コンバインドサイクル出力

GT:ST＝4:1 GT:ST=1:1

運用特性

急速起動（10分起動）可

高応答（最大80MW/分）

停止後のターニング不要

定格負荷で長期運転に適す

停止後のターニング要

構造

基本構造薄肉軽量厚肉高剛性

軸受転がり軸受すべり軸受

メンテナンス

方針定期的・短時間の現地On Condition点検・整備とその結果に基づく高温部点検・オーバホールの組合せ

定期的な点検・整備

間隔実運転時間ベース発停回数を考慮した等価運転時間ベース

方式エンジン/モジュール交換方式による工場整備

現地での分解・点検方式

プレゼンター


この後は航転形GT適用の事例紹介になる。その前にここまでの話をまとめる。比較で述べた方が解りやすいので重構造形GTと比較して示す。表を順番に説明。


デイリーのピークカット用途における形態。電力事業者の指令から10分以内に最大定格まで発電することが可能。

発電機は無負荷のモーターになり、無効電力を供給することが可能。電力事業者の指令を受けGTを始動し、クラッチ

インで発電。燃料の無駄なく、送電までの時間もピークカットより短い。クラッチ容量の点で軽量ロータで慣性の小さい航転形GTは有利

無負荷非同期または部分負荷で待機する形態。電力事業者の指令から発電までが最も速いが、GT燃料費が無駄になるデメリットあり。

航転形GT 発電機 52G

ピークカット電源


クラッチ Spinning Reserve電源

（Synchronous Condenser）


Spinning Reserve電源

今後期待される航転形GTの適用分野（予備力電源）

新規送電線敷設余裕、大型発電所設置余地が少なくなる中、系統電圧・周波数安定化電源として電力需要地近くに以下のような予備力電源設置が有効 • 数10MW規模で10分以内に定格運転可能なGTピークカット電源→欧米、オセアニアでは広く普及 • Spinning Reserve電源→Synchronous Condenserは米国ではすでに数十台規模で導入進捗

プレゼンター


これはさらに新しい用途。予備力電源として起動指令から5分以内で最大負荷到達可能な航転形GTを応用しようというもの。ピークカットやSpinning Reserveという考え方。スライドを説明。ピークカット→Spinning Reserve→Spinning reserve（Synchronized Condenser）の順で説明

ご清聴ありがとうございました

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