三菱重工技報 Vol．46 No．2 (2009) 発電技術特集

特 集 論 文30

1500℃級ガスタービンコンバインドプラントの設計と試運転実績－東京電力（株）川崎火力発電所第１号系列の建設－
Design and Operating Experience of GTCC Power Plant(Kawasaki Thermal Power Station Group1 of Tokyo Electric Power Company)
with Gas Turbine Inlet Temperature of 1500℃

川上 潔

河合 潤

Kiyoshi Kawakami

Jun Kawai

永井 雅明
Masaaki Nagai

近年，地球温暖化などの環境問題がクローズアップされており，火力発電所建設に対しても高効率化が望まれている．当社はガスタービンの高温化・大容量化に取り組み，最新鋭の M701G2形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を東京電力（株）川崎火力発電所第１号系列向けに納入した．本プラントは高効率プラントで CO2 及び NOx 排出量が少ない環境に優しいプラントであることが評価され“2008 Projectｓ of the Year Awards” （Power Engineering 社主催）
にて Best Project に選ばれた．平成 21 年２月５日に出力 1500MW の１号系列が運開され，信頼性の高いプラントとして順調に運転が続けられている．

|1. はじめに電力供給用発電プラントには，高い信頼性が要求されるとともに，資源エネルギーの有効活用及び優れた環境特性が必要とされている．このようなニーズにこたえるため，東京電力（株）川崎火力発電所第１号系列は，軸出力 500MW のコンバインドプラントを３軸備え，総出力 1500MW のLNG 焚き最新鋭高効率コンバインドプラントとして建設された．本プラントでは，十分実績のある技術を基本として開発された大容量・高効率 M701G2 形ガスタービンが採用されている．
また，蒸気サイクルにも高温・高圧蒸気条件に対応した排熱回収ボイラ，蒸気タービンが採用されている．平成 18 年 12 月の初軸初着火から平成 21 年２月の最終軸まで順調に試運転を完了し２月５日に全軸での営業運転を開始した．プラント効率は世界最高水準の 59％（低位発熱量基準）を達成しており，また環境保全，運用性でも計画を満足するものであることを確認している．
本報では，このコンバインドプラントの計画概要と運転実績について紹介する．

|2. プラント計画概要
2.1 プラント概要
川崎火力発電所第 1 号系列は，燃焼器出口ガス温度 1,500℃で作動する大容量・高効率ガスタービン（M701G2 形）を中核とした排熱回収型コンバインドプラントである．本プラントは，ガスタービン，蒸気タービン，発電機が一軸で構成され，軸出力 500MW の一軸型コンバインドプラントが 3 軸設置され，全体で 1500MW の系列出力となっている．プラントの軸構成を図１に示す．

図１ プラント軸構成

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2.2 主な特徴(1) 高いプラント効率
1,500℃級 M701G2 形ガスタービン採用とともに蒸気サイクルには三圧再熱式を採用している．また，更なる高効率化を図るために，給水を利用して熱交換を行う TCA（ガスタービン冷却空気冷却器），FGH（燃料ガス加熱器）を採用し，プラントサイクルから排出される熱源のロスを最小限に抑えることにより，従来型コンバインドプラントを凌駕する世界最高水準のプラント熱
効率 59％（低位発熱量基準）が実機で確認されている．
(2) 環境保全
燃焼器出口ガス温度を 1,500℃に上昇させることに伴う NOX 発生量の増加を抑えるために，従来の予混合方式に加え，燃焼器壁面の冷却を蒸気で実施する低 NOX 燃焼器を採用した．
さらに，排熱回収ボイラに乾式脱硝装置を組み込むことにより環境規制値を十分満足している．
(3) 優れた運用特性
コンバインドプラントは従来火力プラントに比べ起動特性が良いことで DSS／WSS 運用が実施されるが，一軸当たり 500MW と世界最大容量であるにもかかわらず，従来の F 形ガスタービ
ンコンバインドプラントと同等の起動時間 60 分を達成している．

2.3 プラント定格性能と機器仕様(1) プラント定格性能
川崎火力発電所第１号系列は，大気温度 5℃で総出力 1,500MW を満足するプラントとして計画された．計画プラント熱効率は 53.0％（高位発熱量基準）[≒59％(低位発熱量基準)]であり従来火力プラントに比べ 20％（相対値）以上優れた熱効率である．
(2) 機器仕様
各機器については，コンバインドプラントの出力特性を踏まえ，かつ運転制御性を考慮した仕様となっている．主要機器の諸元を表１に示す．
表１ 主要機器の諸元
数量
形式
燃料
出力

ガスタービン

入口温度
回転速度
数量

排熱回収ボイラ
出口圧力

出口温度

３台
くし形２流排気式
再熱混圧復水形(TC２F - 35.4)
167,000kW
12.78MPa
3.37MPa
0.4MPa
564℃
565℃

自然循環型

(低圧)
復水器真空回転速度

273℃
50.7hPa
3,000rpm

(高圧)
(中圧)
(低圧)

360t/h100t/h
70t/h

数量

３台

(高圧)
(中圧)
(低圧)
(高圧)
(中圧)
(低圧)

13.18MPa
4.52MPa
0.45MPa
567℃
277℃276℃

排熱回収三圧再熱

形式
蒸発量

３台
数量
開放単純サイクル一軸形
形式(M701G2 形)
LNG 気化ガス
333 000kW
出力(大気温度５℃時)
入口圧力 (高圧)
1,500℃(再熱)
蒸気タービン
3,000rpm(低圧)
入口温度 (高圧)
(再熱)
３台

形式
発電機

容量電圧
力率
周波数
回転速度

横軸円筒，回転界磁
三相交流同期発電機
558,000kVA
16,200V
90％(遅れ)50Hz
3,000rpm|3. 主要機器の特徴
3.1 ガスタービン
M701G2 形ガスタービンは，平成 14 年に実機による工場実負荷試験にて，性能，特性を確認し，信頼性の高いガスタービンとして検証された．
M701G2 形ガスタービンでは燃焼器に蒸気冷却技術を採用している．この冷却蒸気を積極的

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32に活用しタービン翼環の蒸気通路にも蒸気を流すことにより，タービン部のクリアランス制御が可能となった．起動時にタービン翼環側を暖めることによりクリアランスを広げ，負荷運転時には翼環側を冷却することによりクリアランスを最適化することができ，タービン性能の向上が図られている．また，タービン１段動静翼も空力及び冷却性能を向上させた改良翼を採用し，排気ディフューザも改良することにより空力損失を低減しタービン性能の向上が図られている．
環境面では燃焼振動特性及び信頼性を維持しながら更なる低 NOｘ化を図った燃焼器を開発した．実機でも燃焼振動特性も良好で，低 NOｘ化が十分図られていることが確認されている．
ガスタービン断面図を図２に示す．

3.2 蒸気タービン
本プラントは，M701G2 形ガスタービンの排ガス条件に合わせた蒸気条件として，高圧主蒸気及び再熱蒸気に 566℃の高温蒸気条件を選定し，コンバインドプラントとしての性能向上を図った．蒸気タービンには，排熱回収ボイラの発生蒸気流量に適した実績のある２車室タービンを採用し、高中圧タービンには完全３次元設計反動翼、低圧タービンの最終段には 35.4 インチ翼を採用している．また，低圧タービン排気湿り蒸気対策として中空静翼を採用するなど，最新技術を導入し効率向上，信頼性向上を図った．蒸気タービン断面図を図３に示す．

3.3 排熱回収ボイラ
排熱回収ボイラは三圧再熱自然循環型の採用，高温ガスタービン採用による排ガス温度の上昇により高圧主蒸気，再熱蒸気共 566℃（蒸気タービン入口）の高温蒸気条件の採用により高効率化を図っている．さらに，本プラントではガスタービンの燃焼器冷却蒸気に必要な蒸気を中圧発生蒸気から確保することや，低温再熱系統から蒸気を抽気し隣接する工場へ送気することが求められ，設計上の重要な考慮点となっている．
また，排熱回収ボイラは，総重量 3,800 トンの大型一体モジュールにて海上輸送し，現地にてタービン建屋側の配管，ダクトとつなぎ込みを行うことで現地据付け工程の短縮を図っている．
排熱回収ボイラ一体モジュールの写真を図４に示す．

図２ ガスタービン断面図

図４ 排熱回収ボイラー体モジュール

図３ 蒸気タービン断面図

3.4 TCA（ガスタービン冷却空気冷却器）及び FGH（燃料ガス加熱器）
従来のコンバインドプラントより更なる高効率化を図るために，TCA と FGH をボトミングサイクルへ組み入れ，プラントサイクルから排出される熱源のロスを最小限に抑えている．従来の TCA ではガスタービンの冷却空気を適切な温度へ減温することにより得られた熱源を効果的に回収せずプラントの系外に排出していた．

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また，燃料ガスについては，供給された温度のままでガスタービンへ供給していた．本プラント
では TCA と FGH をボトミングサイクルの排熱回収ボイラと組み合わせることにより，今まで，系外に排出していた TCA の排熱を排熱回収ボイラの蒸気発生に寄与させるとともに，排熱回収ボイラの加熱された給水を利用して燃料ガスを加熱し，ガスタービン入口の燃料ガス温度を上昇させることにより高効率化を図っている．

|4. 試運転実績
試運転過程で，プラント性能，環境特性及び運転特性について確認され，いずれも計画値を満足する良好な結果が得られている．

4.1 プラント性能
プラント実測性能を表２に示す．定格出力 500MW は，大気温度５℃以上でも確保できることが，確認され，プラント熱効率は計画値 53.0％（高位発熱量基準）[≒59％(低位発熱量基準)]以上が実測されている．
表２ 実測性能
実測値
プラント出力プラント熱効率479.4MW (大気温度 22.45℃)
509.7MW (大気温度 5℃換算)
53.54％ (高位発熱量基準)
59.18％ (低位発熱量基準)

4.2 環境特性
蒸気冷却式低 NOｘ燃焼器と乾式脱硝装置による NOｘ制御技術が低 NOｘにおける安定運転を実現した．煙突から排出される NOｘ濃度は，環境規制値である５ppm（O2＝16％換算）を下回る結果が得られた．

4.3 運用特性
試運転期間中にプラント運用特性に関する多くの試験が実施された．軸起動停止試験，他缶蒸気起動試験，保守停止試験，自動通常停止試験，DPC+AFC 試験，自動負荷降下試験などが実施され，計画どおりに運用できることが検証された．

|5. まとめ
東京電力（株）川崎火力発電所第１号系列は最新の技術を導入したコンバインドプラントとして建設され，期待どおりの成果が発揮されている．技術革新によるプラントの高性能化及び環境対応には注目すべきものがあり，取り分け，ガスタービンの技術開発には目を見張るものがある．また，蒸気サイクルを含めたプラントシステムについても引き続き時代の要求にあったプラント開発が進められている．本プラントで得られた貴重な成果は，今後の更なる大容量・高効率プラントへの計画に大いに役立つものと考えられる．この川崎火力発電所第１号系列コンバインドプラントが，信頼性のある安定電力確保，近隣工場へ蒸気供給，並びに環境に優しいプラントとして社会や地域に貢献できるものと信じている．

参考文献(1) 塚越敬三ほか，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)
p.3～4

執筆者紹介
川上潔
高砂製作所
品質保証部
主幹

河合潤
原動機事業本部
プラント事業部
高砂プラント技術部
火力プラント設計課
主席

永井雅明
原動機事業本部
ボイラ統括技術部
ボイラ設計課主席
技術士（機械部門）