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特集論

超大型メタノール・DME プラント向け
高性能圧縮機・蒸気タービン

文High Efficiency Mitsubishi Centrifugal
Compressors and Steam Turbines for Large
Methanol and DME Plants
大 崎 裕 章＊1

橋

爪

啓＊2

堀 場 潤 一＊3

枡

谷

穣＊4

Hiroaki Ohsaki
Junichi Horiba

Kei Hashizume

Jyou Masutani

製品単価の低減すなわちエネルギー効率改善を目指し，メタノールプラントの大型化が近年プラントユーザの間で進められている．当社もこのニーズに対応して大型プラント用高効率大型圧縮機・タービンの技術開発を行ってきた．本論文では納入してきた適用例を紹介するとともに超大型プラント用圧縮機・タービンを提案する．また，新プロセスプラントである DME（ジメチルエーテル）プラントに対して，従来のメタノールプラント用機器製作の実績をいかした圧縮機・タービンにて対応できる点を紹介する．

1．は

じ

め

（1）合成ガス圧縮機に（2）循環ガス圧縮機

近年のメタノールプラント容量は，1970 年代以前

（3）天然ガス圧縮機の 1 500 トン／日程度から 2 500 トン／日に拡大してメタノールプラントでは，原料天然ガスが水蒸気及おり，さらに 5 000 〜 7 000 トン／日のプラントが計画

び CO2 と適切な混合比で混合され，合成ガスとなる．

されている．図１にメタノールプラント容量の推移を

この合成ガスを合成ガス圧縮機にて 100 気圧前後に加示す．一方，DME プラントにおいては，その中間生

圧し，反応器内の 250 〜 400 ℃の触媒層に導いて，メ成物であるメタノールを従来のメタノールプラントよ

タノール合成反応を行う．
天然ガス圧縮機は，原料天然ガスを改質器に送り込りも多く生産するため，プラント規模がさらに大型化

むための加圧が必要な場合に使用される低圧圧縮機でする傾向にある．

ある．

2．プラントプロセス及び適用遠心圧縮機
2．1

当社は循環ガス圧縮機と合成ガス圧縮機を複合させた遠心圧縮機を適用することが多い．図２に一般的なメタノールプラント

メタノールプラントで使用される主要遠心圧縮機とメタノールプラントの機器構成を示す．
合成ガス圧縮機は低圧・高圧の２ケーシング構成として，以下がある．

し，高圧合成ガス圧縮機に循環ガス圧縮機を複合化し
8 000
7 000

トン／日

6 000

：稼働中
：将 来

循環ガス
圧縮機

5 000
4 000
水蒸気

3 000
2 000

天然ガス

1 000
0
1970

1980

1990
西

2000

反応器

改質器
天然ガス
圧縮機

2010

年々プラン
トサイズが大きくなってきている傾向を示す．

＊2

精留塔
初留塔
メタノール

暦

図１ メタノールプラント容量の推移

＊1

合成ガス
圧縮機

広島製作所ターボ機械技術部長
広島製作所ターボ機械技術部マーケットグループ長

図２ 典型的なメタノールプラントの機器構成

メタノール
プラントの機器の構成と圧縮機・蒸気タービントレンの適用箇所を示す．

＊3＊4

広島製作所ターボ機械技術部マーケットグループ
技術本部高砂研究所ターボ機械研究室主席

143ている．合成ガス圧縮機は低圧・高圧とも多段バレル

2．2型圧縮機である．図３に 2 500 トン／日メタノールプ

DME（ジメチルエーテル）は燃焼させても硫黄酸

ラント向けの合成ガス圧縮機製品を示す．

DME プラント

化物やすすを発生せず，窒素酸化物の発生量も化石燃

当社は圧縮機駆動用蒸気タービンを両軸駆動とし，料に比べ大幅に低減できるクリーンな新燃料として，

この低圧・高圧合成ガス圧縮機をそれぞれ蒸気タービ

また国策としても注目されている新エネルギーである．

ンの両側に配置してメンテナンス性を大幅に向上させ

現在工業用として検討されている DME プラントにている．

は，2．1 のメタノールプラントにて合成されたメタプラントの大型化に伴い，合成ガス圧縮機，循環ガ

ノールを脱水反応させ，DME を合成させる間接法がス圧縮機も大型化する．このため，高圧で大型の遠心ある．この場合，メタノールプラント向に適用されて圧縮機を適用する必要がある．

いる遠心圧縮機技術をそのまま DME プラントにも適

図４に 7 000 トン／日の超大型メタノールプラント

用できることになる．そして，メタノールの生産に加向けに選定された遠心圧縮機・蒸気タービントレン構

え，DME を生産するためプラント規模は従来のメタ成を示す．遠心圧縮機及び蒸気タービンの大容量化にノールプラントよりもより大型化したものとなる．よ伴い，圧縮機インペラ及び蒸気タービンブレードも大って，遠心圧縮機・蒸気タービン等機器についても大容量化し，高負荷・高効率の機器を設計するには解決

型メタノールプラントに適用している技術を適用する

すべき課題が発生するが，当社は以下に述べる大型化必要がある．

対応技術の適用により当プラント容量への遠心圧縮

一方，水素と CO2 を合成させて直接 DME を製造す

機・蒸気タービントレンを供給できることを確認した．

るプラントも検討されている．なお，当社は DME 利用に対応するための製造，輸送，貯蔵，利用のための

高圧合成
ガス圧縮機

蒸気タービン

低圧合成
ガス圧縮機

一連の製品開発に携わっており，新エネルギー活用・環境保護へ向け積極的に活動を行っている．

3．プラント大型化対応技術
3．1

高効率化技術プラント大型化により遠心圧縮機の効率はプラント運転コストに従来以上に大きく影響する．このため，合成ガス圧縮機に適用できる大風量インペラの高効率
図３ 2 500 トン／日メタノールプラント用合成ガス圧縮
2 500 トン／日メタ機トレン（機器全長 9.0 m）
ノールプラント用合成ガス圧縮機トレンの製品実績を示す．

化を図り，従来比１％の向上を実現している．
3．2

大容量化技術（1）高圧力係数化インペラ
プラント大型化による圧縮機の大風量化に対応するため，高効率大風量インペラを適用する必要があ

圧縮機定格速度

（rpm）

7 800

タービン定格動力（kW）

53 000圧縮機吸込流量（Am3/h）

29 600傾向にあるため，数枚の大風量インペラを圧縮機ケ

圧縮機吐出圧力

（ata）

108

ーシング内に収めるにはインペラ段数を低減し，軸蒸気タービン

受間距離を短くすることが望ましい．すなわち，軸るが，大風量インペラは軸方向の厚みが大きくなる

受間距離の増加は回転軸の運転安定性上好ましいこ
高圧合成ガス／循環ガス圧縮機

低圧合成ガス
圧縮機とではなく，安定性確保のためには運転速度の低減が必要になる．
このため高圧力係数インペラを適用してインペラ
段数を低減し，より剛性が高く，安定性に優れたロータを実現している．
図５は従来インペラと高圧力係数化インペラの圧機器全長 11.0 m

図４ 7 000 トン／日メタノールプラント用合成ガス圧縮
将来の大型プラントである 7 000 トン／機トレン
日プラント用の当社提案の合成ガス圧縮機トレンとその諸元を示す．

力係数の比較例を示し，当インペラの設計流量点にて 10 ％の圧力係数の増加を達成した．
（2）高ボス化インペラ
高圧力係数インペラにおいては，同時に高ボス化
三菱重工技報 Vol.41 No.3（2004-5）

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1

圧力係数

高圧力係数化インペラ
従来インペラ

10 ％
0.5

0
0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

流量係数

図５ 高圧力係数化インペラと従来インペラの圧力係数
高圧力係数化インペラが従来のインペラに比比較

図７250mm 長翼概観250mm 長翼の概観を示す。

べ圧力径数にて 10 ％の増加を達成したグラフを示す．

高圧力係数化インペラ適用による段数低減により軸受間距離 10 ％ 低減

5.0

材質
：Ti-6AL-4V：MNB-1：SUS410J1

高ボス化インペラ適用によるシャフト径５〜10 ％ 増加

250 mm 翼

排気環面積（m2）

1.0

210 mm 翼

0.5

160 mm 翼

Ti-6AL-4V

150 mm 翼
1.0
SUS 410J1
0.05

図６ 大容量化技術を適用したロータ（上段）と従来ロー
軸受間距離を 10 ％低減，シャフト径
タ（下段）を５〜 10 ％増加し，大型圧縮機でも高い剛性をもつロータを示す．

（インペラ内径の増加）も図っており，インペラの

MNB-1

0.01
1.0

5.0

10

50

100

最大連続回転数（×103 rpm）

図８ 合成ガス圧縮機駆動タービン翼

開発したチタン合金製 250 mm 翼が従来翼より排気環面積が大きく，大容量域で適用できることを示す．

焼きばめを行うシャフトを太くし，剛性の高いロータを実現している．
3．3

軸安定化技術4．大型メタノールプラント・ DME プラント向け高効率蒸気タービン

遠心圧縮機の運転時のロータには，ロータを加振す
る力と振動を減衰する力が働いている．振動を減衰す

プラント大型化に伴い圧縮機所要動力が増加し，蒸る力に比べ加振力が大きい場合，ロータは不安定とな気タービン定格動力の増大が必要となる．従来このよる．

うな大容量蒸気タービンにはダブルフロー型を適用す

当社従来の加振力低減機構（スワールキャンセラ）るタービンメーカが多く見られたが，当社は大風量用及び振動減衰力増大機構（オーバハングダンパ）に加長翼を適用したシングルフロー蒸気タービンを適用しえ，上記 3．2（1），（2）によって軸受間距離を短く，て対応してきた．シングルフロー型にすることによりシャフトは太くしてロータ剛性を高めることにより優ダブルフロー型に比べ蒸気流路の圧力損失を大幅に低れた安定性を実現している．当ロータと従来ロータの減でき効率の向上が図れる．また，タービン外形もコ比較を図６に示す．軸受間距離を 10 ％短くし，イン

ンパクトとすることができる．当メリットはプラント

ペラ焼きばめ部シャフトを５〜 10 ％太くしてロータ大型化に伴い，プラントユーザにとってますます大き剛性を大幅に向上させることができた．

なメリットとなる．

145

図9

2 500 トン／日メタノールプラント用圧縮機工場
2 500 トン／日プラント用圧縮機の工場試
立会試験
図 10 2 500 トン／日メタノールプラント用圧縮機及び2 500 トン／日プラント用
蒸気タービン現地運転

験風景を示す．

圧縮機及び蒸気タービンの現地運転風景を示す．

当社はシングルフロー用大風量用翼として，従来翼でカバーしていなかった高速・大風量域をカバーする
250 mm 翼を開発して大型プラントに適用しており，

6．ま

と

め

今後のさらなるプラント大型化の傾向にも対応できる

メタノールプラント及び DME プラントにおけるプものである．図７に 250 mm 翼の外観を示す．また図

ラント大容量化の傾向に対応した大容量高効率遠心圧

８に大風量用翼の適用範囲を示す．

縮機・蒸気タービン技術開発と実績を紹介した．

5．製

品

実

績

当社は，大型化するメタノールプラント，DME プ
ラントに対応できる高効率遠心圧縮機と圧縮機駆動用

今回紹介した大容量化技術を当社遠心圧縮機及び蒸気タービンに適用し，現在計画されている 7 000 ト
ン／日メタノールプラント及び DME プラントに対応していく所存である．

蒸気タービンを当社同一工場にて同一品質管理のもと製作・提供できる．また遠心圧縮機・蒸気タービンのストリング工場試運転も同一工場で実施できる．図９に遠心圧縮機・蒸気タービンの工場試験運転の様子を示す．また図 10 に遠心圧縮機・蒸気タービンの現地運転の様子を示す．
5．1

空力的性能試験結果

2 500 トン／日メタノールプラント用合成ガス圧縮

参 考 文 献（1）藤村ほか，化学プラント用高効率遠心圧縮機，三菱重工技報 Vol.33 No.5（1996）（2）佐々木ほか，Proceedings of the Thirty-First
Turbomachinery Symposium（2002）p.75（3）石油学会編，石油化学プロセス（2002）

機，循環ガス圧縮機，天然ガス圧縮機の空力的性能試
験を客先の立会いのもと行い，高効率圧縮機の性能が確認された．
5．2

機械的性能試験結果

2 500 トン／日メタノールプラント用合成ガス圧
縮機，循環ガス圧縮機，天然ガス圧縮機の機械的性能

大崎裕章

橋爪啓

堀場潤一

試験を客先の立会いのもと行い，軸受部振動計測値として遠心圧縮機 15 μm 以下，蒸気タービンにて 10 μm 以 下 を 実 現 し ， API（ American Petroleum
Institute）規格の制限値 25.4 μm に比しても非常に低く，優れた運転安定性を示した．

枡谷穣

三菱重工技報 Vol.41 No.3（2004-5）