三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

特集論9

石炭焚き発電技術の高効率化の現状と展望

文

Latest Technologies of High Efficient Coal
Fired Thermal Power Plants and Future
Prospect
橋 本 貴 雄＊1

田 中 良 典＊2

＊3

平 崎 大 二 郎＊4

Takao Hashimoto

外 野 雅 彦Masahiko Hokano

Yoshinori Tanaka
Daijiro Hirasaki

近年の原油価格高騰を背景に発熱量当たりの単価が比較的安く，価格の変動も少なく安定している石炭は今後とも利用拡大が予想される．一方で石炭，LNG，石油などの化石燃料を用いる火力発電の 2005年度の国内年間発電電力量に占める割合は約６割を占め，発電に伴う温室効果ガス排出抑制には火力発電からの CO2 排出抑制が最も重要である．石炭は年間発電電力量の約 25 ％を賄っており，地球温暖化問題への対応からも，高効率化による CO2 排出抑制への取組みが必要である．

フレームとしたコンバインド車室と，低圧タービン１1．石炭焚き発電技術の高効率化の現状車室とから構成される 600 MW 級初の２車室タービ

図１に示すとおり従来の火力発電方式では，単機容ンである．高中圧タービンは，高蒸気条件に対応する量の増大と熱効率の向上を目的として蒸気条件の高温ために実績で培った高温材料・冷却構造を採用し，性高圧化が進められている．

能及び軸系信頼性の観点から翼列とフレーム体格の最東京電力㈱広野火力発電所５号機は，世界最高水適化を図り，コンパクトな設計を実現している．また，

準 で あ る 24.5 MPa × 600/600 ℃ の 超 々 臨 界 圧 条 件

低圧タービンには，スチール 48 インチ ISB（Integral（USC：Ultra Super Critical）を採用した最新の石Shroud Blade）翼や，高性能排気室，軸受基礎支持炭火力発電設備であり，2004 年７月の商用運転以降，構造等の高性能・高信頼性技術を採用している．

信頼性の高い運転を継続している．

高温用材料として高中圧一体ロータには改良 12 Cr

この最新の石炭火力の効率は発電端で 43 ％（HHV鍛鋼，内部車室には 12 Cr 鍛鋼，タービン入口弁及び基準）であり，従来に比べ CO2 排出原単位を約３％弁と車室の接続管には９Cr 鋼を採用している．ロー低減可能となった．

タ中央部及び中圧入口翼溝部の冷却は，調速段出口よ1．1

タ ー ビ ン

りロータに沿って中圧タービン側へリークする蒸気に

図２に示すタービンは，高圧・中圧タービンを一体よって行っている．また，中圧タービン外部車室内面が 600 ℃の再熱蒸気に直接触れないようサーマルシー

蒸気温度（℃）

500
400

538℃
24.5MPa
24.1MPa30

16.6MPa

20：温度：圧力

300

4031.0MPa10

蒸気圧力（MPa）

566℃
600

610℃
600℃
593℃

2001910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000年

図１

＊1
＊2

火力発電プラントの蒸気条件の変遷

近年の蒸気条件は圧力は 31 MPa，温度は 610 ℃まで向上している．

原動機事業本部火力プロジェクト部長
原動機事業本部蒸気タービン統括技術部タービン開発グループ主席

図２＊3＊4広野５号機タービン外観

長崎造船所ボイラ技術部ボイラ技術一課長
原動機事業本部火力プロジェクト部プラント技術課

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 200810

ルドを設置し，外部車室との空間に高圧タービン排気きがあり，送電端効率として 46 ％（HHV 基準）をからの冷却蒸気を導入している．

目論んでいる．ただし，今後 A-USC を商用化するた

1．2

ボイ

ラ

めには高温高圧化に適応する材料の開発・実用化と，図３に示すボイラには高温化対応材料，ライフル管それに伴う製造技術の開発，信頼性・経済性を考慮しを使った垂直管型火炉の他に，三菱旋回燃焼に A-PMた設計の確立などの課題が挙げられる．図４に示すと（Advanced-Pollution Minimum）バーナ，及び MRSおり，現在計画されているスケジュールでは，材料開（Mitsubishi Rotary Separator） ミ ル 適 用 に よ る 低発などの要素開発から実缶試験などの検証試験までのNOx・低未燃分燃焼技術を採用している．

期間を９年間としている．実証試験については５年間を見込まれているが，具体的な規模については現状未

2．次世代超々臨界圧プラント（A-USC）の開発

定である．
2．1

近年では CO2 排出抑制が世界的な緊急課題となっ材 料 開 発ており，火力発電所の蒸気条件を一層，高温高圧化す

700 ℃級の条件下においては，従来の材料とは異なることで高効率化を図ることは，CO2 排出抑制の有効る高温強度を有する材料の開発が必要である．従来のな手段である．欧米諸国と同様に我が国でも 700 ℃級

USC で採用されているフェライト鋼やオーステナイの A-USC 技術開発を国プロとして推進しようとの動ト系ステンレス鋼では 700 ℃級の温度領域においては強度不足である為，A-USC ボイラ及びタービンの主要材料として十分な許容引張応力を有する Ni 基ある
いは Fe-Ni 基合金の適用が不可欠と考えられている．
タービンロータ候補材料としてはタービン各メーカが独自開発を行っており，当社では低熱膨張性を指向した Ni 基合金 LTES700R を開発している．
また，ボイラ材料としては Ni 基合金である Alloy617，CCA617，Haynes230，Alloy 740，Nimonic 263のほか，近年，日本で開発中の Fe-Ni 基合金である
HR6W が挙げられる．
これらの材料開発において長時間のクリープデータや熱疲労のデータ蓄積・評価とともに，信頼性向上のための高温下での長時間使用に伴う材料特性の把握が

図３

1 年目
システム設計必要である．また，高価な Ni 基合金を適用するため，

広野５号機ボイラ側面図

システム設計，設計技術開発

2 年目

3 年目

4 年目

7 年目

8 年目

9 年目

大径管，伝熱管用新材料開発，材料改良
高温長期材料試験（3〜7万時間）

ボイラ

タービン

6 年目

基本設計，配置最適化，経済性試算

材料開発

要素開発

5 年目

材料製造性検証

溶接技術開発・試験，曲げ試験

構造・要素技術

冷却，シール等要素技術開発

材料開発

材料改良仕様策定等

10万時間

実サイズ部材試作

ロータ，ケーシング等の大型溶接技術，試作
高温長期材料試験（3〜7万時間）
高温弁構造・要素・材料開発

試設計

試作
設備計画

実缶試験・回転試験（高温弁含む）

図４

10万時間

設備設計

設備製造，据付

A-USC 技術開発 国プロスケジュール案

試験，評価実証機

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

適用範囲を極力小さくし，経済性を確保する設計手法の確立も重要である．
2．2

製造技術の開発

前述の材料を適用する上で加工技術，溶接技術，検査技術などの製造技術の開発が課題として挙げられる．
① タービンのロータ材を Ni 基合金で製作するには，11④ タービンについても材料開発のみならず高温部の冷却や熱応力低減を含む構造面での開発が不可欠であり，Ni 基合金の材料強度に応じた冷却構造の検討が必要である．

3．まとめ

Ni 基合金の大型鋼塊製造性の向上が要求される．

石炭火力による我が国のエネルギーセキュリティのまた，経済性の観点から，高温部位に Ni 基合金，確保と A-USC の高蒸気条件を実現化する上で不可欠

比較的温度の低い両端部に高 Cr 鋼を適用した溶接な新材料及び製造技術の確立のための継続的な研究開

ロータを実現する溶接技術や溶接部検査技術の確

発は緊急課題である．それにより火力発電における熱立が必要である．

効率の向上，CO2 削減を達成させ，地球温暖化に対し② 主蒸気管及び再熱蒸気管はフェライト，オーステて貢献出来る革新的な技術開発が必要である．

ナイト鋼に代わり Ni 基合金または Fe-Ni 基合金が適用されるが，高温下で高強度を有する材料の曲げ加工技術の確立が必要である．また，これら材料及び異材継手の溶接材料の開発，溶接施行法の確立，溶接条件の最適化，継手の組織，強度，靭性の把握，熱処理方法，溶接部検査手法などを含めた総合的な検証が必要である．
2．3参 考 文 献（1）門馬昌弘ほか，最新鋭石炭焚き 600MW 発電プラ
ント 東京電力㈱広野火力発電所 5 号機 の営業運転開始，三菱重工技報 VOL41 NO.5（2004）
p.264（2）日本機械学会，700℃級超々臨界圧（A-USC）発電技術に関する調査研究分科会 成果報告書，
P-SCD353（2007）p.1

構造上の考慮

① 主蒸気管及び再熱蒸気管には Ni 基合金，Fe-Ni 基合金が適用されるが，従来のフェライト鋼に比べ熱伸び量が大きくなるため，配管ルートや系統構成への配慮が必要となる．
② 高温部に付随する弁類は高温高圧化に伴う熱応力の増加により摺動部の作動性，締切性，シール部の耐橋本貴雄

久性など，構造的な信頼性を確保する必要がある．
③ ボイラに付随する過熱低減器については高蒸気条件下で温度の低いスプレイ水と混合されるため，発生する繰り返し熱応力に対し構造上の配慮やノズル材質の検討を行う必要がある．

平崎大二郎

田中良典

外野雅彦