三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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特集論文

１MW 級ガスエンジンの開発とコージェネシステムへの適用状況
The Development of 1M W Grade Gas
Engine and The Application Situation to theCo-generation System
嘉 戸 貴 志＊1

Takashi Kado

小 川 正 毅＊4

Masaki Ogawa

堀 本 孝 治＊2

逢 坂 靖 彦＊3＊4

成 田 浩 一＊5

Koji Horimoto

野 口 知 宏Yoshihiko Osaka

Tomohiro Noguchi

Hirokazu Narita

20 世紀末より，クリーンエネルギーと呼ばれる天然ガスを燃料とするガスエンジンは，地球温暖化の，酸性雨の原因となる硫黄酸化物（SOx）や環境の問題となる窒素酸化物原因となる二酸化炭素（CO2）（NOx）の排出が少なく，地球環境問題に対して優れた発電システムとして注目され，需要が伸びてきた．
そのような背景の中，当社は地球環境にやさしい高効率１MW 級（280 〜 1 000 kW）ガスエンジンの開発を行いつつ市場に投入してきている．

1．ガスエンジンの高効率化
1．1

ガスエンジンの特徴815 kW）を開発し，当時の世界最高の発電端効率40.4 ％（305 kW） 〜 40.8 ％（610 kW，815 kW） を達 成 し た． そ の 後 改 良 を 重 ね， 今 で は 815 kW でガスエンジンの燃料としては，主に天然ガスや都市41.4 ％の発電効率を達成している．当社はその後も大ガス（13A）が用いられる．主成分であるメタン（CH4）（株）との共同開発を続け中型クラスのガスエン
阪ガス（C）に対する水素原子（H）の比率が４倍
は，炭素原子ジンとして，世界最高の発電端効率 41.5 ％（380 kW）であり，これらは石油系燃料が２倍であることに比較を達成した GS6R2 ミラーサイクルガスエンジンをして高いことから，燃焼させると水（H2O）になる割合

2005 年に市場投入した．さらに近々 41.7％の発電端が高く，地球温暖化の原因となる二酸化炭素（CO2）効率を有する 1 000 kW のミラーサイクルガスエンジの生成量が少ないのが特徴である．また燃料中に硫ンの投入も予定している．図１に効率向上の推移を示

黄分が含まれないので酸性雨の原因となる硫黄酸化物す．これらは 60 Hz 地区での製品群について述べて（SOx）の排出が無いこと，健康に悪影響を与える粒いるが，50 Hz 地区でも同様に以下のように開発を重子物質（PM：Particulate Matter）の発生が無いこと，人体に有害な窒素酸化物（NOx）の排出を少なく抑えられることも特徴である．
1．2

当社ガスエンジンの効率向上の歴史

GSR 2ミラー発売

45

GSRアドバンストミラー発売

当社はまず 1993 年に最初の超希薄燃焼方式を採用発電端効率（％）

したガスエンジンを市場に投入した．そのころの発電端効率は 34.3 ％〜 35.5 ％であった．その後 2000 年（株）との共同開発で副室希薄燃焼方式にミに大阪ガス
ラーサイクルを適用したガスエンジン（GSR ミラー）を市場に投入した．そのミラーサイクルガスエンジン

GSR 2ミラーサイクル

GSRミラー発売
アドバンストミラーサイクル

40

ミラーサイクル35

リーンバン

は当時そのクラス（280 kW，560 kW，740 kW）で発電端において世界最高効率の 40 ％を達成した．2002
年にはそのミラーサイクルガスエンジンを高効率，高1995

出力化したアドバンストミラーサイクルガスエンジ

2005
年

ン（GSR ア ド バ ン ス ト ミ ラ ー，305 kW，610 kW，

図１

＊1

＊4

＊2

＊5

汎用機・特車事業本部エンジン技術部次長
汎用機・特車事業本部エンジン技術部プラント技術課主席＊3
汎用機・特車事業本部エンジン技術部プラント技術課

2000

当社ガスエンジン効率向上の推移

汎用機・特車事業本部エンジン技術部大型エンジン設計課
MHI さがみハイテック株式会社設計部

2010

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 200825

ね市場に投入してきている．

ガスの熱を温水として回収するか，蒸気として回収す● GSR ミラー：発電端効率 39 ％（320 kW，635 kW，

るかによって区別される．そのため，まずエンジン，845 kW），2002 年．

発電機，始動用蓄電池，潤滑油槽，制御盤，ガス弁機● GSR ミラー：発電端効率 40 ％（635 kW，845 kW），2006 年．

器類，ガスコンプレッサ等両者に共通の部分はひとまとめにして発電装置部としてパッケージ化した．そし● 高出力化 GSR ミラー：発電端効率 40 ％（700 kW，930 kW），2006 年．て共通化できない部分を補機ユニットと称して熱回収機器類を搭載して温水回収仕様，温水＋蒸気回収仕様● GS6R2 ミラーサイクルガスエンジン：発電端効率の対応が可能な商品化を行ってきた．パッケージの設，2007 年
41.6 ％（315 kW）

計においては，メンテナンス性を考慮し，かつコンパ

この GSR ミラー，GSR アドバンストミラー及び高クトな配置を実現している．また，発電装置部と補機出力化 GSR ミラーは合わせて既に全国で 220 台以上のユニット部の構成でコージェネレーションパッケージ納入実績を上げ，ユーザーより好評をいただいている．

を構成することによって現地据付時にそれらの接続のみを実施するだけでよくなり，現地工事工程短縮も図ることができている．

ミラーサイクル概念図
従来サイクル

2．2

ミラーサイクル

温水＋蒸気回収システム

温水＋蒸気回収仕様の系統図を図３に示す．補機ユノッキング発生

筒内圧力

筒内圧力

ニット上に排ガス蒸気ボイラを配置し，エンジンの排仕事量増大

ガスの熱を蒸気として回収し，エンジン冷却水系熱を熱交換器を介して温水として回収するシステム（総合効率としては 73.2 ％〜 76.4 ％）である．温水回収側

体積体積

圧縮

圧縮

膨張

膨張の設定温度については汎用性のある温度範囲に設定している（83 〜 88℃，吸収式冷凍機，ジェネリンクなどにより要求される温度範囲）．図４に GS16R アド

図２

ミラーサイクル概念図

圧縮比を抑えることでノッキングを抑え，膨張比を大きく取ることでサイクル効率を向上させる技術．

バンストミラーサイクル 815kW の蒸気＋温水回収仕様の設置例を示す．
2．3

温水回収システム

温水回収仕様の系統図を図５に示す．エンジンの排2．ガスエンジンコージェネレーションシステム

排ガス
蒸気ボイラ

コージェネレーションとは天然ガスなどの一つのエ蒸気出口
消音器

ネルギー源から，電気や温水，蒸気など複数のエネル

給水入口

ギーを発生させることで，エネルギーを有効活用する

排風口システムである．このため，エネルギー効率が高くなり，結果的に CO2 に代表される温室効果ガスの排出抑制につながると同時にエネルギー費用の削減といった経済効果も期待できるシステムである．
2．1

システム構成エンジン周りのコージェネレーションシステムの構

温水出口
ジャケット水
熱交換器
放熱
熱交換器

温水入口
冷却水出口

成機器としてはエンジン，発電機，ポンプ，熱交換器，消音器，ボイラ，ガスコンプレッサ等があり，それらの組合わせにより種々のバリエーションが考えられる．そのため基本システムをベースに標準化するこ

排気ガス

冷却水入口
インタークーラ
熱交換器
自動給油装置

吸気口
ガスエンジン

副主燃燃
焼焼室室化を行った．ガスエンジンを核としたコージェネレー
ションシステムは大別して温水回収仕様と温水＋蒸気補機ユニット

回収仕様の２通りに代表される．両者はエンジンの排

図３

蓄電池

空燃比制御ガスタ潤
ン 滑 コンプレッサ
ク油とによって客先仕様への迅速な対応を可能とする商品

発電機

発電機
制御盤

電磁弁

燃料ガス

温水＋蒸気回収システム系統図

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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図４

稼動中のアドバンストミラー GS16R-815kW 蒸気＋温水回収仕様

排気ガス
消音器

温水出口

排ガス
温水ボイラ

放熱熱交換器率 40 ％を達成し注目を浴びてきたこと，ここに述べ
ガスエンジン

冷却水出口
副主燃燃
焼焼室室

冷却水入口
インタークーラ
熱交換器

稼動中のアドバンストミラー GS6R-305kW 温水回収仕様

排風口ジャケット水熱交換器
温水入口

図６

吸気口
発電機とによって，納期短縮，低コスト化が図れ，その結果順調に受注を重ねてきた．今後はエネルギー価格の高蓄電池

自動空燃比制御給油装置
タ潤ガス
ン滑ク油 コンプレッサ

騰と CO2 排出削減要求に伴い，さまざまなコージェ
ネレーションのニーズが予想され，いままで商品化を発電機制御盤行ってきたバリエーションだけにとどまらず，客先受変電室配電盤へ電磁弁
燃料ガス補機ユニット

図５たエンジン機種ごとの標準化パッケージを設定するこ

ニーズを的確に捉えた商品化対応を行うことを検討している．また開発分野においても当社が培ってきた高効率化技術をさらに進化させ，地球温暖化防止に貢献するような商品を提供していきたいと考えている．

温水回収システム系統図

ガスの熱を補機ユニット上に配置された排ガス温水ボイラにより温水として回収し，エンジン冷却水系熱と合わせて熱交換器を介して温水として回収するシステム（総合効率としては 73.5 ％〜 77.6 ％）である．このシステムの場合も温水回収側の設定温度は温水＋蒸気回収システムと同じに設定している．ただし，このシステムにおいてはオプション対応として 83 〜 90 ℃の高回収温度への対応も可能である．図６に GS6R

参 考 文 献（1）福澤順博ほか，高効率ミラーサイクルガスエンジンの開発，三菱重工技報 Vol.38 No.4（2001）（2）角田明ほか，世界最高効率三菱リーンバーンガス
エンジン，三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003）（3）下田裕巳ほか，高効率で CO2 排出低減したミラー
サイクルガスエンジン発電，三菱重工技報 Vol.41
No.1（2004）（4）野口知宏ほか，更に進化した世界最高効率 41.5％のガスエンジンコージェネレーション発電システ
ム，三菱重工技報 Vol.42 No.3（2005）

アドバンストミラーサイクル 305 kW の温水回収仕様の設置例を示す．
2．4

その他への適用例

排ガスを直接吸収式冷凍機等へ導いて熱回収を行う
ケースでは，補機ユニット上は放熱系の機器類等を配置し，排ガスを直接煙道を介して導入するシステムへの

嘉戸貴志

堀本孝治

逢坂靖彦

小川正毅

野口知宏

成田浩一

対応も可能となり，その仕様で数台の納入実績がある．

3．まとめ

GSR ミラーサイクルガスエンジンコージェネレー
ションパッケージは，このクラスで最初に発電端効