三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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特集論

ガスタービンコンバインドサイクル
プラントの高効率化への取組み

文

Development of High Efﬁciency Gas Turbine
Combined Cycle Power Plant
石 川 雅 雄＊1

Masao Ishikawa

小 森 豊 明＊3

Toyoaki Komori

寺 内 方 志＊2
Masashi Terauchi

安 良 岡

Jun Yasuraoka

淳＊4

地球温暖化防止に対する二酸化炭素ガス（CO2）の削減が，発電用プラントに課せられた大きな課題となっている．全 CO2 排出量の１/ ３を占める発電用プラントは，その効率向上により，排出量の低減に大きく貢献する．ここでは，発電プラントの中でもガスタービンコンバインドサイクルプラントに焦点を当て，その高効率化への取組みについて紹介する．

1．はじめに

2．コンバインドサイクルプラントの熱効率及びCO2 削減の推移

地球温暖化防止に対する二酸化炭素ガス（CO2）の削減については，その方法として，CO2 排出量自体の削減と CO2 の回収に区別される．

火力発電はボイラ，蒸気タービンと組み合わせた従来型火力とガスタービンによる直接発電とその排出ガスのCO2 回収はこの１〜２年の間に，石油コークスを熱回収により得られた高温の蒸気による蒸気タービンとガ ス 化 し， シ フ ト 反 応 さ せ CO2 を 分 離， 水 素 ガ スを組み合わせたコンバインドサイクル方式に大別できる．

タービンコンバインドサイクルと EOR（Enhanced Oil

従来型火力に対し，コンバインドサイクルの我が国にRecovery）を組み合わせた検討が行われている．

おける発電用としての本格的な採用は，1984 年の東北

一方で現在 CO2 排出量の 1/3 が発電によるもので電力（株）東新潟 3 号系列発電所であり，ここではターある事は既知のとおりであるが，発電プラントの場合，ビン入口温度 1 100 ℃級の D 形ガスタービンを採用した．

高性能ガスタービンを採用した高効率ガスタービン

その後のガスタービンのタービン入口温度の上昇とコンバインドサイクルプラント導入による熱効率の向ともに，1 300 ℃級の F 形ガスタービンを経て現在ター上が CO2 排出量低減にダイレクトに結びつき，当面，ビン入口温度 1 500 ℃級の G 形ガスタービン（図１）

CO2 削減手段としては有効である．

を開発した．最新鋭 G 形ガスタービンコンバインドプ

ここでは CO2 排出量削減に対する取組みとして，（LHV 基準，HHV 基準にて 53 ％超）
ラントでは，59 ％

ガスタービンコンバインドサイクルプラントの高効率を超える効率となっている．これらコンバインドサイ化に対する今後の展望について述べる．
発電所熱効率（HHV, %）

60
50
4030
20：コンバインドサイクル：従来型火力

100
1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

西暦（年）

図１
＊1
＊2

図２

G 形コンバインドサイクルプラント

東北電力
（株）
東新潟火力発電所第４−２号系列．

原動機事業本部ガスタービンコンバインドプラント計画部長
原動機事業本部ガスタービンコンバインドプラント計画部プラント計画課長＊3

従来型火力とコンバインドサイクルの発電効率推移

出典：特集火力発電所の熱効率向上 3．ガスター
ビン 火力原子力発電 Vol.54 No.10（2003）p.1176

原動機事業本部ガスタービンコンバインドプラント計画部ガスタービン計画課長＊4
原動機事業本部ガスタービンコンバインドプラント計画部ガスタービン計画課

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

CO2排出量（kg/kWh）

コンバインドプラン効率（LHV %）0.8：従来型火力：コンバインドサイクル

0.75
0.70
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

1365
ガスタービン
コンバイドサイクル
60

F型
超高温ガスタービン（1 700 ℃）

55
D型
50
45

2010

1 100 1200 1 300 1 400 1 500 1 600 1 700
タービン入口温度（℃）

西暦（年）

図３G型

図４

CO2 排出量削減の推移

タービン入口温度とコンバインド効率

従来型火力／コンバインドサイクルとも全て天然ガス焚きに換算した場合の CO2 排出量を示す．

す．
クルと従来型火力の発電効率推移を図２に示す．
また，この効率の上昇による kWh 当たりの CO2 排出量削減の推移を図３に示す．

従来の F 形，及び最新鋭の G 形の 1 500 ℃級より更にタービン入口温度を上昇させた 1 700 ℃級ガスタービンを採用したコンバインドサイクルプラントで1950 年以降一貫して排出量は低減しているが，従は，熱効率は 62 ％〜 65 ％（LHV 基準）となり，従来型火力では効率上昇の鈍化に伴い，排出量はあまり来のコンバインドサイクルプラント熱効率に比較し，減少していない．

かなりの熱効率の向上が見込まれる．

それに対しコンバインドサイクルでは熱効率の大幅な向上により，CO2 排出量の減少度合いが大きく，今後も更なる効率の向上による排出量の低減が期待でき

図５に 1 700 ℃級ガスタービンの開発コンセプトを示す．
当社は国家プロジェクトである 1 700 ℃級ガスタービンの開発に参画しており，この 1 700 ℃級ガスターるといえる．

3．1 700 ℃級高効率ガスタービンの概要
先に述べたとおりコンバインドサイクルプラント効

ビンでは，6 つの要素技術（燃焼器，冷却，耐熱材料，熱遮蔽コーティング，タービン空力，圧縮機空力）開発が必須となる．

率向上のためには，サイクル温度の上昇が必要である．

最新の 1 500 ℃級ガスタービンに比べはるかに厳し

図４にサイクル最高温度（ガスタービン入口温度）

い 1 700 ℃級ガスタービンの実現に向け，高性能圧縮とコンバインドサイクルプラント熱効率の関係を示

機，1 700 ℃に対応する低 NOx 燃焼器，タービンのタービン
先進冷却技術の開発
低熱伝導率遮熱コーティング
超耐熱材料の開発
高負荷・高性能タービン

圧縮機
高圧力比高性能圧縮機

燃焼器
低 NOx 燃焼システム

図５ 1 700 ℃級ガスタービンの開発コンセプト

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1450.0

10 000CO2 排出量（億トン/年）

天然ガスによる発電量（TWh）

12 000

8 000
6 000
4 000

45.0

35.02 000020002010

図６

図７

天然ガスによる発電量予想

4．高効率ガスタービンコンバインドサイクル
プラントによる CO2 削減

天然ガス焚きコンバインドサイクル発電による CO2 排出量予想

10 000 TWh 当たりの排出量を示す．

出典：IEA World Energy Outlook

開発を実施中である．

F 形 G 形 1 700℃級

30.0

2030

年

CO2 削減量

40.0

たガスタービンコンバインドサイクルプラント発電設
備は，現在，多数の運転実績があり，また今後建設予定の発電設備も国内外に多数ある．この新しい技術開発／導入によりエネルギーの有効利用や地球環境対策

2000 年の全世界における総発電量は，15 000 T（テの要求に応え，社会に大いに貢献できると考える．今ラ）Wh，また 2010 年の全世界における総発電量は，後も当社はこの分野で先駆的な役割を果たすべく，よ約 20 000 TWh，2030 年には 30 000 TWh を超えるとり一層の技術開発に努める所存である．

予想されている．
この内， 発電設備の 主 燃 料で あ る 天 然 ガ ス による 発 電 量 は 2010 年 で 5 000 TWh，2030 年 に は 約
10 000 TWh と予想され，2030 年にはほぼ倍増する（図６）．
仮に 2030 年（10 000 TWh 分）の天然ガス焚き発電所からの CO2 排出量を全て G 形または 1 700 ℃級の高効率ガスタービンコンバインドサイクルプラントにて発電所を計画したとすると，従来の F 形に比べ，

参 考 文 献（1）岩崎洋一ほか，高効率ガスタービンの運転実績と今後の開発動向，三菱重工技報 Vol.44 No.4
（2007）（2）岡田郁生ほか，1 700 ℃級ガスタービンの要素技術の開発，三菱重工技報 Vol.44 No.1（2007）

その効率差による燃料量の低減により，2030 年ではG 形で２億トン，1 700 ℃級では約５−７億トンの削減となる（図７）．
これは現在の日本の年間 CO2 排出量が約 13 億トンであることを考えると大きな削減効果という事が出来る．
このように高効率ガスタービンコンバインドサイク
ルプラントによる CO2 削減効果は大きく，CO2 回収

石川雅雄

及び貯留設備の具現化に先立ち，その役目は重要と考えられる．

5．まとめ

当社の D 形，F 形，G 形ガスタービンを主体とし安良岡淳

寺内方志

小森豊明