三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013) 発電技術特集

技 術 論 文67

分散型発電用ガスエンジン KU30GSI の高効率化と排熱利用技術
Technologies for improving Efficiency and Utilizing Exhaust Heat ofGas Engine KU30GSI for Distributed Generation

鈴 木 元 *1

長面川

Hajime Suzuki

Shoji Namekawa

昇 司 *2

石 田 道 靖 *3

吉 栖 博 史 *4

Michiyasu Ishida

Hiroshi Yoshizumi

高 井 淳 *5

山 野 修 平 *5

Atsushi Takai

Shuhei Yamano

発電設備の分散化やスマートグリッド等発電設備の効率的運用ニーズの拡大に加え，シェールガスの開発やガスパイプラインの整備により今後ガスエンジン発電設備の増加が予想される。
当社は高速ガスエンジン GSR から中速ガスエンジン KU30GSI までのリーンバーンガスエンジンをラインナップし，広い出力レンジをカバーしている。
本稿では，同クラス世界最高レベルの発電効率 48.8％を達成した KU30GSI-PLUS の高効率化技術を中心に紹介する。更にコジェネレーションとしてエネルギーの有効利用を目指した技術開発やアプリケーションについても紹介する。

|1. はじめに
環境負荷削減やシェールガスの開発を背景に，天然ガス資源は今後の主要な燃料として注目されている。一方，各国における電力政策の転換機運や災害などにも有効な分散型電源への関心の高まりは，効率の良いエネルギーの利用，いわゆる“スマートエネルギーネットワーク”の重要性をますます押し上げていくものと推測される。こうした背景の中，天然ガスを始め種々のガス燃料を利用可能なガスエンジンは，高い起動性能，負荷追従性を有し，排熱回収にもフレキシブルに対応できる利点から，CHP（Combined Heat and Power plant）を始めとする様々なアプリケーシ
ョンや幅広い出力範囲で利用されており，効率の良いエネルギーソリューションの提供に最適な選択肢の一つと考えられる。
当社では 305～1 500kW をカバーする高速ガスエンジン GSR と 3 650～5750kW をカバーする
中速ガスエンジン KU30GSI をラインナップし，小規模な分散電源から施設，工場等のコジェネレーション，事業用発電まで対応が可能である。これらのガスエンジンは高い性能と信頼性を有し，市場にて好評を得て受注を伸ばしている。
本 稿 で は 三 菱 ガ ス エ ン ジ ン の 高 効 率 化 技 術 ， 特 に 発 電 端 効 率 48.8 ％ を 実 現 し た
KU30GSI-PLUS の最新技術と排熱利用技術を含めたガスエンジンのアプリケーションについて紹介する。

*1 汎用機・特車事業本部エンジン事業部横浜エンジン部 主席技師
*2 汎用機・特車事業本部エンジン事業部エンジン技術部 次長*3 汎用機・特車事業本部エンジン事業部横浜エンジン部 課長*4 汎用機・特車事業本部エンジン事業部横浜エンジン部*5 汎用機・特車事業本部エンジン事業部エンジン技術部 主席技師

三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013)

68|2. ガスエンジンのラインナップ
当社では火花点火方式を採用した副室付希薄燃焼ガスエンジン KU30G 型及び GSR 型ガスエンジンを 1990 年初頭より市場に投入，販売を開始した。以来，効率と出力の向上を追求し，2000
年にはマイクロパイロット着火方式を採用し，高効率，高出力を実現した KU30GA 型ガスエンジンの販売を開始し，高い国内シェアを獲得した。これらガスエンジンの最新型である KU30GSI 及びGSR は，副室を有する火花点火希薄燃焼方式を採用した高効率４サイクルガスエンジンである。
KU30GSI ガスエンジンは高い発電効率とともに，排熱回収や CHP などのアプリケーションに適するよう排気温度を高めることで高い総合効率を実現している(1)。他方，最大 5 750kW の出力を有する KU30GSI では CHP 用途以外に，事業用や独立発電事業者などへの適用ニーズも多い。このようなニーズに対し，発電効率を高め世界最高レベルの 48.8％を実現した KU30GSI-PLUS ガスエンジンを新たにラインナップした(2)。KU30GSI はディーゼルを含む KU シリーズ機関と部品を共有化し，10 年以上の運転実績により高い信頼性を実現した KU30GA 型機関とも約 80％の部品を共有化している。
GSR ガスエンジンは部品の約 80％を SR ディーゼルエンジンと共有化することで KU30GSI と同様，信頼性と製造，部品供給の効率化を図った高速ガスエンジンである。GSR ガスエンジンには，日本国内で通常要求される高発電効率を狙った冷却塔仕様のガスエンジンの他，東日本大震災以降ニーズが拡大した BCP（Business Continuity Plan）に対応可能なラジエータ仕様のガスエンジンをラインナップしている。また，両仕様とも BOS（Black Out Start）機能を備えており， 防災負荷あるいは保安負荷のどちらにも対応が可能である。また，エンジン，発電機や補機類を個別に据え付け，配管・配線等を行う従来の発電セットに対し，“素早く移動，素早く設置，素早く発電”を製品コンセプトとする可搬式のラジエータ仕様を適用したコンテナ型発電セット“MEGANINJA（登録商標）（Mitsubishi Energy Gas Package NINJA Series）”を開発し，ラインナップに加えている。従来の発電セットでは設置してから送電開始まで少なくとも 30 日程度の日数が必要であったが，MEGANINJA では海外など電力網のインフラが未だ十分に整備されていない地区で，短期に発電を開始し，電力需要を賄うニーズに容易に対応できる(3)。
これら KU30GSI と GSR を組み合わせた複数台のアプリケーションでは，電力需要に合わせて効率良いプラントの運用が可能で，かつ系統からの電力供給が途絶えた場合でも発電開始が可能な発電プラントも実現可能である。図１に三菱ガスエンジンシのラインナップ，表１に主要諸元を示す。

図１ 三菱ガスエンジン

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表１ 主要緒元形 式

GSR

GSR2

シリンダ数

KU30GSI

KU30GSI

6 - 16-PLUS
12 - 18

ボア／ストロークmm

170×180

170×220300×380

回転数

min-1

1 000-1 800

1 000-1 500

720/750kW

305 - 1015

380 - 1500

発電機出力

※

3650 - 5750

発電効率※％

41.0 - 43.4

NOX (O2=０％)ppm< 320< 320

機関重量t

2.2 - 8.1

40 - 60

46.548.8※：ISO3046 条件及び当社推奨の標準ガスによる|3. 高効率ガスエンジン発電技術
近年，ミラーサイクルの採用が効率向上の一般的なトレンドであるが，より積極的にミラーサイクルを適用するためには高燃焼圧力と高過給圧力への対応が要求される。すなわち，ノッキングに対する裕度の確保と高圧力比下での高過給効率の維持が技術的な課題となる。
KU30GSI-PLUS ではノッキング裕度の確保に対し安定かつ速い燃焼を指向し，火炎伝播の遅れる燃焼室部分を徹底して削減し，燃焼室内の混合気の不均一を最大限排除する設計とした。
特に国内で使用される都市ガス 13Ａはメタン価 65 と通常の天然ガスと比べ低く，ノッキング裕度に対する配慮が効率アップの上で重要となる。
また，ミラーサイクルを強める場合，それに合わせた空気量を確保する必要があり，高過給効率を維持しながら高い給気圧力を達成しなければならない。KU30GSI-PLUS ではこのような高過給圧，高効率を目指し開発された三菱 MET-MB 型過給機を搭載することで，高発電効率を実現した。
さらに，排気ガス中の未燃ガスの低減に着目し，副室・ピストンなど燃焼室内の無駄容積を徹底して低減し，副室噴孔径や角度，ピストン形状などの最適化を行うことで，THC（Total HydroCarbon）を従来に比べて大幅に低減している。

3.1 ノッキング裕度確保と燃焼安定性の向上
一般的に高出力，高効率の副室付ガスエンジンはノッキング域と失火域に挟まれた非常に狭い空気過剰率の範囲で運転されており，主・副燃焼室の混合気形成によっては毎サイクルの燃焼変動が大きくなる。こうした燃焼変動はアンチノックガバナなどによって回避制御される場合が多いが，KU30GSI-PLUS では回避制御には頼らず燃焼を安定させることを目指した。
また，副室を含む燃焼室形状の最適化を図り，燃焼の安定性と効率を高めた。燃焼圧力のバラツキを示す指標 Cov-Pmax の改善前後の比較を図２に示す。

図２ 改善前後での Cov-Pmax の比較

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約 40％の Cov-Pmax を低減することで，国内の都市ガス 13Ａでも高い効率と安定した燃焼を実現した。この最適化はシリンダ間のバラツキも低減し，機関全体としても非常に均一かつ安定な燃焼となっている。
シリンダやサイクルごとの燃焼のバラツキを低減することで，高ミラーサイクル化に伴う高い燃焼圧力下での狭い運転範囲でもノッキング裕度を確保することができ，高い発電効率を達成することが可能となった。

3.2 無駄容積の削減
無駄容積の削減もガスエンジンでは共通の課題である。特に燃焼室内の狭い空間に侵入した混合気や燃焼後期の混合気の燃え残りは熱効率の悪化を招くとともに，ノッキングなど燃焼異常の原因ともなる。従来 KU30GSI では始動弁穴の廃止やライナとシリンダヘッド間隙等の無駄容積の低減を進めてきた。KU30GSI-PLUS では燃焼室内の無駄容積を更に低減させるため，副室周り、ピストントップランド周り，加えて給排気弁周りのクレビスを徹底的に見直し，無駄容積の低減を図った（図３）。この結果，無駄容積の 27％削減を達成し，未燃ガス排出を 23％低減することができた。

図３ 無駄容積3.3 高圧力比過給機の採用
KU30GSI-PLUS ではミラーサイクルに最適化された高圧力比領域にて高い過給機効率を維持できる三菱 MET42MB 過給機を搭載した。三菱 MET42MB 過給機は高回転域での信頼性を確保しつつ，羽根車とタービンのピーク効率を最適化することで，高圧力比でも高い過給機効率を維持することが可能になった。そのため，従来型 KU30GSI にて採用していた三菱 MET42MA 過給機と同等の過給機効率を更に高い圧力比 4.0～4.5 の範囲においても確保できるようになり，高ミラーサイクルによる高効率化が実現した。図４に過給機効率の比較を示す。

図４ 過給機効率

三菱重工技報 Vol.50 No.3 (2013)71|4. ガスエンジンの排熱利用技術
当社ではエネルギーの有効利用を目指し，ガスエンジン単体のみならず周辺機器を組み合わせた排熱回収効率向上にも適用しやすいガスエンジンの技術開発を進めている。

4.1 機関冷却水の効率的利用
ガスエンジンコジェネレーションでは，蒸気，温水，冷水への排熱利用も考慮すると 80％を超える総合効率が得られる。一方，回収される温水の温度レベルが低く，工場などの自家発電設備では有効に利用できないケースもある。このようなアプリケーションでは，エネルギーの有効利用の観点から温水の効率的利用法の提案が今後の課題と考えられる。
こうした効率的利用方法の拡大を目指し，KU30GSI-PLUS にて機関冷却水のエネルギーの有効利用を目的とした技術開発を進めている。本開発では，機関冷却水の出口温度を 110－115℃まで高めることで、最低でも大気圧レベルの蒸気の生成を狙った。既に単筒試験機での燃焼試験を完了し，2013 年より多気筒実証機での検証試験を開始している。これまでに燃焼やエンジンの信頼性への影響把握を完了し，現在エンジンやシステムの耐久検証を進めており，2013 年度末の完了，市場投入を目論んでいる。
上記冷却水温度を達成し，大気圧力レベルのフラッシュ蒸気を蒸気圧縮機で加圧し排ガスボイラからの蒸気に加えることで，機器の所要動力を差引きしても 10％pt 以上のエネルギーを蒸気回収量に反映できる。（図５）

図５ 機関冷却水の有効利用

4.2 いろいろな排熱利用アプリケーションの例
上述のように高温冷却水を更に効率良く利用する取組みも進めている一方，現存の温度レベルでも既にアプリケーションとして有効に利用されている例もある。
図６に天然ガスを燃料とした 18KU30GSI を設置し，マルチエナジー吸収冷凍機にて 5.6℃の冷水を取り出したガスエンジンプラントの一例を示す。本プラントは米国の大学構内に設置され，2012 年より運用を開始，発電機端電力 5 500kW と空調用冷水約 3 500kW を供給することで夏場の大学構内のエネルギー効率化を図っている(4)。
排熱利用アプリケーションと前述のＢＣＰを組み合わせた一例を図７に示す。本プラントでは
GS16R 機関発電装置を設置し，通常時に使用する都市ガス供給設備の他に，災害時の都市ガス供給停止に備えたＬＰＧ（液体プロパン）タンクからのガス供給設備を有している。また，本プラントにおいても排熱を有効に利用するシステムを取り入れており，排ガス蒸気ボイラからの蒸気利用と吸収式冷凍機による冷房利用，更に高温冷却水は熱交換器による暖房と給湯への利用と，様々なエネルギー形態で排熱を有効に利用している。
これらは一例であるが，三菱ガスエンジンは発電効率を追求するのみならず，トータルで高い熱効率を実現するアプリケーションにフレキシブルに対応できるエンジンを目指している。

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図６ 排熱利用例（KU30GSI）

図７ 排熱利用例（GS16R)|5. まとめ
当社は高速ガスエンジン GSR 及び中速ガスエンジン KU30GSI をラインナップし，幅広い出力レンジ，用途にフレキシブルな対応が可能である。また，最新型の KU30GSI-PLUS は商用機にて起動時間７分以下といった高い起動負荷追従性と環境性能を維持しつつ，日本国内特有の都市ガス 13Ａ（メタン価 65）使用下においても優れた発電効率 48.8％を実現している。将来の燃料として世界的に LNG が注目される中，発電効率の向上は発電コスト削減に寄与し，環境負荷低減やエネルギーの効率的利用に大きく貢献できるものと考えている。
三菱ガスエンジンは開発以来，社会とお客様のニーズに応える技術開発を目指しており，今後も有用な技術の開発を進め，多様なソリューションを提供していく予定である。

参考文献
(1)
(2)
(3)
(4)

石田ほか，CIMAC Congress 2010，Bergen ; Paper No.109
鈴木ほか，CIMAC Congress 2013，Shanghai ; Paper No.421
1.5MW 発電用高効率ガスエンジン及びコンテナ発電セットの開発, 三菱重工技報 Vol.50 No.1（2013）p.18～20
大崎ほか，MACHⅡ-SI ガスエンジンによる米国 University of Central Florida 向け環境対応型・高効率熱併給発電プラント，三菱重工技報 Vol.48 No.1（2011） p.11～15