三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012) 新製品・新技術特集

技 術 論 文19

世界初の 1600℃級 M501J ガスタービンの実証発電設備における検証試験結果
Verification Results of World First 1600℃ J Class Gas Turbine

羽 田 哲 *1

塚 越 敬 三 *2

Satoshi Hada

Keizo Tsukagoshi

正 田 淳 一 郎 *3

伊 藤 栄 作 *4

Junichiro Masada

Eisaku Ito

ガスタービンコンバインドサイクル発電は，再生可能エネルギーと共存する最もクリーンで経済的な火力発電設備として，長期的な市場拡大が予想されている．当社では，更なる高性能化のために国家プロジェクト“1 700℃級超高温ガスタービン要素技術開発”で得られた最新技術の一部をいち早く適用し，世界初の 1 600℃級 J 形ガスタービンの開発に成功した．60Hz 向 M501J ガスタービンは，当社高砂製作所内にある実証設備複合サイクル発電所(T 地点)にて，2011 年２月から６月まで試運転を行った後，長期信頼性実証運転を継続している．M501J 形商用機は，関西電力（株）姫路第二発電所に向けて既に出荷され，2013 年 10 月から営業運転を開始する予定である．本稿では，M501J 形の特徴を紹介するとともに，T 地点における M501J 形初号機の実機検証試験の結果について紹介する．

|1. はじめにガスタービンコンバインドサイクル発電(GTCC)は，化石燃料を使用する最もクリーンかつ高効率な発電設備であり，以下に示すように社会・経済面の期待が大きい．
① 長期的な展望として GTCC の世界市場は更に成長する② 新興国の電力基盤整備では短納期で安定した電力供給が可能な GTCC の需要が大きい③ 先進国では経済性と環境適合性をより一層高めるための高効率化が必要となる④ 再生可能エネルギーの普及に伴い，優れた負荷追従能力を持つ GTCC の要望が高まる
当社は，1980 年代に 1 150℃級大容量ガスタービン M701D 形を開発し，天然ガス焚きコンバインドサイクル発電プラントである東北電力（株）東新潟火力発電所３号系列において，高いプラント熱効率と信頼性および低公害性を実証した．その後 1989 年にタービン入口温度 1 350℃のM501F 形，1997 年に蒸気冷却式燃焼器を採用したタービン入口温度 1 500℃の M501G 形を開発し，効率向上および信頼性向上に取り組んできた．当社では，ガスタービンの更なる高効率化を目指し，2004 年から国家プロジェクト“1 700℃級超高温ガスタービン要素技術開発”に参画し，高温・高効率化に必要となる最新技術の開発に取り組んできた．その開発成果を活用して，世界初のタービン入口温度 1600℃，コンバインドサイクル発電端熱効率 61.5％（ISO 標準条件，LHV（低位発熱量）基準）以上も達成可能となる M501J 形を開発した（図１）．また，50Hz 向にスケール設計の M701J 形を開発中である．
本稿では，M501J 形の特徴を紹介するとともに，2011 年２月より当社高砂製作所敷地内にあるT 地点にて実施した M501J 形初号機の実機検証試験の結果について紹介する．

*1 原動機事業本部ガスタービン技術部 工博*2 原動機事業本部技監・技師長*3 原動機事業本部ガスタービン技術部部長*4 技術統括本部高砂研究所次長 工博

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図１ 当社ガスタービン(60Hz 機)の効率，出力の変遷|2. M501J ガスタービンの特徴
M501J 形は，豊富な運転実績のあるタービン入口温度 1400℃級 F 形，1500℃級 G 形・H 形で実証済みの要素技術を集大成するとともに，国家プロジェクトで開発された 1700℃級の最先端の技術開発の成果を適用することにより，タービン入口温度 1 600℃のガスタービンとして開発された（図２）．タービン入口温度上昇および最新の要素技術を採用することにより，コンバインドサイクル発電端熱効率は従来機と比べて大きく上昇し，61.5％（LHV 基準）以上も達成可能となる（図３，表１）．天然ガス焚き J 形コンバインドサイクル発電所の CO2 排出量は，従来型石炭焚き火力発電所と比較して，約６割の低減することが可能である．

図２ M501J 形ガスタービンコンセプト

図３ M501J 形ガスタービン特徴

表１ J 形ガスタービン性能
型式
タービン入口温度
回転数
GT 出力（発電端）
CC 出力（発電端）
CC 効率（発電端，LHV，ISO ベース）
圧縮機/圧力比
燃焼器
タービン

M501G
1 500℃
3 600rpm
267MW
399MW

M501J
1 600℃
3 600rpm
327MW
470MW

58％以上

61.5％以上

17 段/2016 缶

15 段/23
16 缶
１～４段動翼 空気冷却
１～３段静翼 空気冷却
４段静翼 無冷却

１～３段動静翼
４段動静翼

空気冷却
無冷却

2.1 全体構造
M501J 形の基本構造は，実績のある F 形，G 形をベースとした設計としており，①発電機との接続は，熱伸びなどの影響が小さく，フレキシブルカップリングなどが不要な圧縮機軸端駆動方式，②ロータは，圧縮機側軸受とタービン側軸受に支えられた２軸受構造，③コンバインドサイクルプ
ラントの配置に最適な軸流排気タービン，④圧縮機ロータは，トルクピンを挟んだディスクをボルト結合し，タービンロータはカービックカップリングを持つディスクをボルトで結合し，トルクを確実に伝えるロータ構造，などの特徴を継承している．

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2.2 圧縮機
M501J 形圧縮機は，圧力比 23 の 15 段軸流方式であり，圧力比 25 の H 形圧縮機の技術をもとに設計された．性能向上のために，３次元先進設計を適用し，前方段の衝撃波損失低減および中後方段での摩擦損失を低減している．このコンセプトは３次元 CFD にて評価後，実機スケールモデルの高速試験圧縮機（HSRC）(図４)にて検証を行った．図５に３次元 CFD での解析結果の一例を示す．また，圧縮機の起動中は，低圧・中圧・高圧の３段から抽気が行われ，入口案内翼（IGV）と前方３段の可変静翼（VV）を制御することにより，起動中の旋回失速の発生を抑え，かつコンバインドサイクルプラントの部分負荷性能の改善を図っている.

2.3 燃焼器
M501J 形燃焼器は，G 形にて実績のある回収型蒸気冷却方式を採用した．タービン入口温度は G 形の 1 500℃から 1 600℃に 100℃上昇しているが，燃料と空気のより均質な混合を目的とした燃焼器ノズルの改良（図６）により，燃焼領域の局所火炎温度を低減するなどの低 NOx 化技術を適用し，G 形と同等レベルの NOx 排出濃度に抑えている．燃焼器は，気流試験，大気圧燃焼試験，高圧燃焼試験にて性能および信頼性を検証し，詳細設計に反映している．

図５ 圧縮機の壁面近傍の流れ(３次元先進設計の効果)
図４ 高速試験圧縮機（HSRC）
外観

図６ 燃焼器ノズル周りの改良

2.4 タービン
M501J 形タービンは，軸流形４段の高負荷・高性能タービンである．性能向上のために，G 形で採用してきた完全３次元設計に加え，流れ場の干渉や翼前縁からの馬蹄渦の影響などを考慮し，エンドウォール部で発生する二次流れを抑制する３次元エンドウォール形状を採用した．G 形からの温度上昇に対しては，国家プロジェクト 1 700℃級ガスタービンにて開発された技術を適用することで，従来機並のメタル温度を保つことが可能となった．ガス温度 100℃上昇のうち，高性能冷却技術により約 50℃，先進遮熱コーティング(TBC)により約 50℃のガス温度に対応している（図７）．

図７ タービン入口温度 1 600℃実現のための要素技術

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タービン１～４段動翼および１～３段静翼には空冷翼を採用している．G 形の４段動翼は無冷却翼であったが，J 形ではタービン入口温度上昇に伴い冷却翼とした．翼材料は，動翼にMGA1400（Mitsubishi Gas Turbine Alloy 1400），静翼に MGA2400 を採用，１～３段動翼は一方向凝固翼（DS）としている．なお，MGA1400/2400 は既に F 形，G 形にも採用している．
図８のとおり冷却構造は，F 形，G 形と年々高度化され，J 形は先述のとおり国家プロジェクトにて開発された高性能フィルム冷却や先進 TBC を採用している．高性能フィルム冷却については，
平板での要素試験にて最適なフィルム形状を絞込み，大型低速回転試験や中圧翼列試験にてフィルム効率の検証(図９，10）を実施した．高性能フィルム冷却や先進 TBC は，T 地点 M501G 形のタービン翼に施工され，特殊計測により有効性を確認し，長期実機検証を実施した．これらの試験結果を反映して J 形のタービン翼は設計され，実圧高温翼列試験を実施後，M501J 形初号機にて最終検証を行った．

図８ タービン冷却構造の変遷

図９ 回転試験装置概要

図１０ 回転試験装置によ る フ ィ ル ム効 率 計
測結果|3. T 地点実証発電設備での検証試験結果
M501J 形の開発においては，基本設計段階において各要素の検証試験を実施し，その結果を詳細設計に反映し，最終的に実証発電設備にて実機検証を実施後，商用機を製作している．
図１１は，当社高砂製作所内にあるガスタービン複合サイクル発電プラント実証設備（T 地点）の外観である．T 地点は，M501G ガスタービン，蒸気タービン，排熱回収ボイラ(HRSG)を備えた実証設備複合サイクル発電所として建設され，1997 年１月から 2010 年 10 月まで 39 253 時間，起動回数 2301 回の運転を行い，M501G 形の性能向上および信頼性向上に大きく貢献した．
2010 年 10 月より M501G 形から M501J 形への換装工事を実施し，2011 年２月より M501J 形初号機の試運転を開始した．試運転は予定どおり進められ，２月２日の初スピン，７日に初着火，その後７回の起動でタービン入口温度 1 600℃に到達した．その後４月末まで各種試験を行い，開放点検を実施，各部品の健全性が確認された．７月より長期信頼性実証運転を行っており，2011
年 12 月末時点で起動回数 58 回，運転時間 3 540 時間に達している(図１２)．以下，特殊計測概要および各要素の検証結果について述べる．

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図１１ 三菱高砂製作所実証設備
複合サイクル発電所(通称：T 地点)

図１２ T 地点における M501J 試運転実績

3.1 特殊計測概要
T 地点に設置された M501J 形には，各部品の健全性最終確認のために，通常監視項目に加えて，回転部を監視する約 100 点を含めて合計 2300 点以上の特殊計測用センサを取り付け，データを取得した．

3.2 圧縮機
圧縮機は，起動特性および動静翼の信頼性を確認するため，動静翼の固有振動数・振動応力や圧力変動の計測を実施した．起動時の旋回失速は約 60％回転数にて消滅するなど，良好な起動特性を確認した(図１３)．また，各 IGV 角度での圧縮機効率および吸気流量の計測を実施し，所定の性能が得られることを確認した．

図１３ 圧縮機起動特性

3.3 燃焼器
燃焼器においては，メタル温度，振動応力，圧力変動の計測を実施した．タービン入口温度1600℃の運転において，燃焼筒メタル温度は許容温度以下であることを確認した(図１４)．また，燃焼振動，振動応力についても許容範囲内であることを確認した．

3.4 タービン
タービン動静翼に熱電対を取り付けてメタル温度計測を実施した．動翼については，テレメータを使用して，メタル温度を計測し，1600℃運転においても許容メタル温度以下であることを確認した．例として図１５にタービン１段静翼の翼面メタル温度分布を示す．また，タービン１段動翼の翼面およびプラットフォームについては，パイロメータを使用して表面メタル温度分布計測を実施した．動翼プラットフォームのメタル温度計測例を図１６に示す．
動翼の固有振動数に関しては，全運転範囲にて主要な励振源に対して離調できていることを確認し，振動応力についても許容応力以下であり，問題ないことを確認した．

3.5 開放点検結果
2011 年６月までの試運転時に，ガスタービンの開放点検を実施し，図１７に示すとおり各部品の健全性を確認した後，７月からの長期実証運転を開始した．さらに夏期の長期信頼性実証運転後，2011 年 10 月にタービン，燃焼器点検を実施し健全性を確認した．その後現在も長期信頼性実証運転を継続中である．

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図１４ タービン入口温度 1600℃での燃焼筒メタル温度

図１６ パイロメータによるタービン１段動翼プラット
フォームメタル温度分布
計測結果

図１５ タービン１段静翼翼面メタル
温度計測結果図１７ 開放点検結果|4. まとめ
ガスタービンコンバインドサイクル発電(GTCC)は化石燃料を使用する最もクリーンかつ高効率な発電設備として，社会・経済面での期待が大きい．当社は，発電端熱効率 62～65％（LHV）のコンバインドサイクル発電を目指した国家プロジェクト“1 700℃級超高温ガスタービン要素技術開発”に参画し，ここで開発された最新要素技術の成果を即時適用して，世界初の 1600℃級 J 形ガスタービンを開発した．M501J ガスタービン初号機は 2011 年２月から当社複合発電設備にて実機検証試験を行い，無事試運転を完了した．今後，発電端熱効率 61.5％（LHV 基準）以上を達成する J 形ガスタービンコンバインドサイクル発電の普及を通じて，CO2 排出量低減および電力の安定供給に貢献する所存である．

参考文献(1) 梅村直ほか ，最新鋭 1500℃級ガスタービンの開発・運転状況，三菱重工技報，Vol.35 No.

１ (1998) p.２～５(2) 伊藤栄作ほか ，超高温ガスタービンの要素技術の開発，三菱重工技報，Vol.47 No.１ (2010)

p.25～30(3) 伊藤栄作ほか，超高温ガスタービンの要素技術の開発，三菱重工技報，Vol.48 No.3 (2011) p.２～７(4) Hada, S. et al., Evolution and Future Trend of Large Frame Gas Turbine for Power Generation–A new 1600degree C J class gas turbine, IGTC, IGTC2011-0189