第章

6プラントシステム技術

第６章

６−１

研究の背景

６−２

システム性能解析評価ツールの開発

６−３

今後の展開

プラントシステム技術 ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

幸田栄一

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

高橋

徹

横須賀研究所

エネルギー機械部長

三巻利夫…………………………………………………………………………………………………………………85……………………………………………………………………………………85…………………………………………………………………………………………………………………89

横須賀研究所

エネルギー機 械 部

船山保男

コラム：DME併産型石炭ガス化複合発電 …………………………………………………………………………………………91

幸田 栄一（平成２年入所）
当研究所に入所した当初は溶融炭酸塩型燃料電池の研究開発に従事し、その後IGCCやCAES、水素燃焼タービンなどの各種新型発電システムの解析・評価を行ってきました。
現在は、これらの解析・評価と同時に、発電システムを解析するための手法およびプログラムの開発も行なっています。
今後は、IGCCの実用化に向けソフト面からの研究を進めるとともに、新型のみならず既設も含め、火力発電の高効率化に寄与していきたい。

三巻 利夫（1978入所）
これまでガス/蒸気複合発電、石炭ガス化複合発電等の熱効率解析、動特性シミュレーションに関する研究に携わり、新型火力発電プラントの性能解析・評価結果を踏まえた研究計画の立案・推進に従事してきました。今後引き続き石炭ガス化複合発電の実用化に向けたシステム評価研究を進めるとともに、サイクルの改良による新たな高効率ガスタービン利用システムの研究や需要家サイドを含むトータルなエネルギーシステムの省エネ性の評価研究に取り組んでいきます。

84

高橋徹（1997年入所）
これまでに発電システムのシステム解析に関する研究に携わってきました。現在は、それに加え、分散型エネルギーシステムについても研究を行っています。今後は、ガス化複合発電の実用化に向けて、ガス化複合発電の高効率化の研究を行っていきたいと考えています。

船山保男（昭和42年東京電力`（鶴見火力発電所）入社）
昭和52年、東電学園大学部卒業
昭和66年、火力部火力設計課
昭和60年、開発研究所石炭ガス化研究室
平成２年、石炭ガス化複合発電技術研究組合
出向
平成８年、エネルギー・環境研究所石炭研究室主任研究員
平成９年、横須賀火力発電所保修部課長
平成11年、電力中央研究所派遣 横須賀研究所プラント熱工学部 上席研究員、現在に至る

６−１

研究の背景

機器から構成されている上に、作動媒体も気体だけでな6-1-1 は じ め にく、液体や固体、あるいは二相流までも含まれる、非常に複雑な系である。このため、従来は様々なシステム構

IGCC システムと一口に言っても、第一章で紹介した成毎に専用の熱効率解析プログラムを開発して性能解析ように様々なガス化炉形式、ガス精製方式があり、また、を行なっていた。ところが、このように個々に専用プロ使用するガスタービンの形式や蒸気系の構成方法にも多グラムを用いて計算することには次のような問題点があくの選択肢がある。さらに、将来的には燃料電池と組みる。先ず、新たな工夫を加えたシステム構成を考案した合わせたシステムも考えられている。このように多数のとき、その性能を解析するために、新たにそのシステム選択肢が考えられる中から目標とするシステムを明確に用の計算プログラムを開発しなければならず、時間も労して開発を進めるためには、多くのシステムを同一条件力もコストもかかる。また、複数のシステムの計算結果で解析し、比較評価する必要がある。

が得られていても、全て別々の計算プログラムで計算さまた、システムを評価するための指標としても、熱効れたものでは計算の前提条件や計算方法が統一されてい率、経済性、信頼性、運用性、環境性など、様々なものないため、それらの結果を横並びで比較することができが考えられる。中でも熱効率解析はシステム全体の熱物ない。さらに、IGCC システムの成立性を評価するため質収支計算を行なうものであり、システム全体の熱効率には、IGCC システムのみでなく微粉炭火力や PFBC なを求めるだけでなく、各機器の設計条件を明らかにする

どの競合技術についても同一条件のもとで性能解析を行ものであり、プラントの計画や設計、運用など様々な検なって、比較評価する必要がある。
そこで、当研究所では、平成 10 年度より様々な発電討のベースとなるものである。
当研究所では、これまでに個々のシステム毎に熱物質システムの熱効率を解析することのできる汎用プログラ収支計算プログラムを開発し、様々な発電システムの解ムの開発を進めてきた¸。本章では、このプログラムに析評価を行なって、その開発計画の策定などに資してきついて、その概要と IGCC システムの熱物質収支計算にたが、ここでは、IGCC 発電システムの熱効率解析・評基づく熱効率解析・評価のための諸機能、および今後の価研究に関する近年の取り組みを紹介する。

展開について述べる。

6-1-2 汎用熱効率解析ツール開発の重要性
IGCC システムは、通常の発電システムと較べ多くの６−２システム性能解析評価ツールの開発

析汎用プログラムの実行画面例を示す。図を見れば分か

6-2-1

発電システム熱効率解析汎用プログ
ラムの概要

るように本プログラムは Windows アプリケーションとして作成されているため、基本的な操作を簡単に行なうことができる。

図 6-2-1 に当研究所で開発した発電システム熱効率解システムの設計から計算に至る操作は、図に示すよう

電中研レビュー No.44 ● 851-1）コンポーネントパレットから機器を選択

1-2）機器を配置したい位置をクリックして機器を配置

4）機器の計算条件の設定

2-1）パレットで接続線を選択

2-2）表示された接続ポート間をマウスでドラッグして接続

5-1）計算の実行

3）作動流体の性状を入力

5-2）各部状態量の表示
5-3）各部状態量の詳細表示

図6-2-1 発電システム熱効率解析汎用プログラムに、必要な機器を配置してそれらを接続し、様々な計算

a．石炭ガス化炉条件を設定して、計算実行ボタンを押すという流れであ

石炭ガス化炉として、実証機計画の事前検討で取り上げり、マウス操作を中心として直感的且つ簡便に行なえるられた、図 6-2-2 に示す４種類のガス化炉のモデルを組ものとなっている。

み込んでいる。図中、赤い三角印が機器への作動流体のシステム全体の熱物質収支の計算には当研究所で独自流入を、青い三角が機器からの流出を示している。例とに開発した高速計算アルゴリズムを用いているので、して、図中一番左の電中研−三菱炉について、各ポート様々な計算条件のもとで高速に計算を行なうことが可能に接続するラインの種類を示す。

である。

次に、モデル内の計算式について簡単に触れる。石炭ガス化炉内は、固体粒子を含む複雑な流れ場の中で様々6-2-2 IGCC システム性能解析のための機能な反応が同時進行する、非常に複雑な系である。したがって、ガス化炉内の伝熱・流動・反応などのモデリング

¸

機器モデル
各種 IGCC システムの熱物質収支計算を行うため、下記の機器モデルを開発している。

86

は、第３章で示したように別途実施している。本システ
ムでは、シフト反応など反応速度の速い反応は化学平衡の状態にあるものとして、また、石炭粒子のガス化など

回収蒸気

生成ガス

リダクタ石炭リダクタ空気
コンバスタ石炭

チャーコンバスタ空気

冷却水

電中研−三菱炉

日立炉図6-2-2

テキサコ炉

シェル炉

ガス化炉モデル

反応時間の遅いものに関しては炭素転換率等を設定値と表6-2-1して与えて計算するものとなっている。また、水冷壁へガス精製設備機器モデル

集じん設備

サイクロンの伝熱量に関しても、ガス化炉への総入熱に対する炉壁フィルタへの伝熱割合を設定値として与えて計算するものとなっポーラスフィルタている。
移動床集じん設備

例として、電中研−三菱炉について計算するために設

脱硫設備

乾式

固定床脱硫設備

定しなければならない値を示すと、移動床脱硫設備

・炉内炭素転換率
流動床脱硫設備

・コンバスタ炭素転換率

湿式・放熱ロス割合

化学吸収塔

その他

COSコンバータ・スラグ捕集効率

脱硝設備

・コンバスタ空気比又はコンバスタ温度

水洗塔

・リダクタ空気比又はリダクタ温度
・給炭量比（コンバスタ投入石炭流量/リダクタ投入石炭流量）っている。一方、湿式脱硫設備に関しては脱硫剤に関す・炉壁への伝熱割合（コンバスタ及びリダクタ）

る詳細データの入手が困難であるため、脱硫効率を設定・各部圧力損失値として与えて計算するものとなっている。また、集じとなっている。これらをもとにガス化炉出入り口の熱物質収支計算を行ない、生成ガスの組成や空気比、ガスん設備に関しても、集じん効率を設定値として与えて計算するものとしている。

化効率などを算出する。
c．そ

種機器モデルが組み込まれている。
これらの機器モデル内部の計算式は、それぞれ次のよ他

上記の機器モデルの他に、他の発電システムでも用い

b．ガス精製設備
ガス精製用の機器モデルとしては、表 6-2-1 に示す各のられる機器モデルとして、表 6-2-2 に示す各種機器のモデルが組み込まれており、石炭ガス化燃料電池複合発電も含む様々なシステムの性能解析が可能である。

うになっている。先ず、乾式の各種脱流設備に関しては各種の触媒を用いた場合の平衡定数などのデータが揃っ¹

作動媒体の物性値計算式ているので、触媒の種類を選択することで自動的に除去効率を計算するものとなっている。現時点では亜鉛フェライト、チタン酸亜鉛及び酸化鉄の中から選択可能となa．石炭

石炭の物性としては実証機設計候補炭を中心に、現在

電中研レビュー No.44 ● 87

表6-2-2

IAPWS（国際水・蒸気表会議）の IF-97 ¹を採用しておその他機器モデル

回転機器

り、従来の蒸気表の適用範囲である 800 ℃、100MPa ま

膨張タービンでの領域に加え、圧力が 10MPa 以下であれば、2000 ℃

ガスタービンまで信頼性の高い計算結果を得ることが出来る。

蒸気タービン
圧縮機c．その他気体成分

ポンプ
熱交換器

その他のガス成分については、文献ºの式を基本とし、熱交換器

ここに含まれていない成分については NIST（National復水器

Institute of Standard and Technology,

水分離装置

上（http://webbook.nist.gov/chemistry/）で公開して冷却器

いる式を用いている。

加熱器
燃料電池米国）が WEB

MCFC

6-2-3

熱物質収支計算例

SOFC
その他

燃焼器

図 6-2-3 に簡単なシステムの熱物質収支計算例を示す。

増湿塔

ここでは設定した値を赤丸で囲っているが、このように燃焼器出口温度を設定値として与え、燃料流量を設定せ４炭種について、灰性状も含めた石炭性状をデータベーずに計算を実行すれば、必要な燃料流量が計算される。

スとして持っている。さらに、任意の石炭性状を設定し逆に、燃料流量を設定して、燃焼器出口温度を計算結果て計算することも可能である。として得ることもできる。このように、合理的な条件が設定されていれば任意の計算条件下で熱物質収支計算を行なうことが可能である。図 6-2-4 に本プログラムを用

b．水 ・ 蒸 気
発電システムの作動流体として最も多く使われている

いて計算した IGCC システムの熱物質収支計算例を示す。

水・蒸気の物性計算には、最新の蒸気表である、

このように複雑なシステムでも、パソコン上で短時間で燃料25.0 C
1.0 bar
1.0 kg/s

燃焼器

圧縮機

1200.0 C
15.0 bar
0.0 kg/s

25.0 C
1.0 bar
0.0 kg/s

タービン25.0 C
1.0 bar
0.0 kg/s

空気25.0 C
1.0 bar
1.0 kg/s

燃料25.0 C17.6 bar
2.0 kg/s

燃焼器

圧縮機
空気
25.0 C
1.0 bar100.0 kg/s

415.9 C
15.8 bar00.0 kg/s

1200.0 C
15.0 bar
0.0 kg/s

タービン
558.7 C
1.0 bar102.0 kg/s

図6-2-3 計算例（単純ガスタービンサイクル）

881266.2 C
32.0 ata
622.4 t/h
石炭80.0 C
38.0 ata
121.5 t/h

150.2 C
28.0 ata
604.1 t/h

404.9 C28.9 ata
621.5 t/h

21122ポーラス
フィルタ

25.0 C
28.0 ata
604.1 t/h

94.0 C28.0 ata
70.0 C
621.5 t/h
28.0 ata
CO コンバータ 621.5 t/h
94.0 C
28.0 ata
621.5 t/h

サイクロン

50.0 C
28.0 ata
606.2 t/h

スクラバー

脱硫塔
回収蒸気

12
石炭前処理
25.0 C
7.8 ata
41.8 t/h
酸素圧縮機

窒素 圧縮機
25.0 C
7.7 ata
133.9 t/h

209.7 C
30.3 ata
89.0 t/h

1

11564.7 C
171.1 ata
290.8 t/h

1222

燃焼器

112

冷却空気

2COND

24605C
225ata399.2t/h

12LTLTIT
ITHT
135.0 C
21.4 ata
2124.0 t/h

125.0 C
7.7 ata
89.0 t/h

原料空気
圧縮機

300.0 C
27.2 ata
604.1 t/h

窒素昇圧機

2N2O2
15.0 C
1.0 ata
175.7 t/h
空気2249.8 C
36.7 ata
44.9 t/h

339.9 C12.0 ata
554.4 t/h

538.0 C54.8 ata
387.2 t/h

1空気昇圧機
圧縮機
15.0C
空気 1.0ata
2030.1t/h

CP566.0 C187.6 ata
180.0 t/h

ガスタービン
570.8 C
1.0 ata
2324.0 t/h

GCGC
回収ドレン
IP-BFP
補給水12
補助蒸気冷却水HP-BFP
21RH

図6-2-4

IP-SH

IP-EVA

2ECO

1ECO

排ガス
100.0 C
1.0 ata1996.2 t/h

IGCCシステムの熱物質収支計算

熱効率解析を行うことが可能であり、炭種や大気条件、製設備等の機器の変更や、蒸気系の組み換えなどを行なあるいは各機器の効率等が変わった場合の影響なども即ってシステムの最適化の検討を行なうことも容易である。

座に計算することが出来る。さらに、ガス化炉やガス精６−３

以上述べたように、既に４種類のガス化炉を含む様々

¸

今後の展開

計算精度の向上な機器モデルを開発しており、多様な IGCC システムの作動流体に含むことのできる成分数の追加や、化学反熱効率解析が可能であるが、今後、より一層の実プラン応及び気液平衡計算式の拡充など、物性値計算用関数群

トに即した機器のモデル化と操作性の向上などを目指しを増強し、より詳細な解析を可能とする。
また、将来的には第 3 章で述べたガス化炉内シミュレて、以下に示すようなプログラムの機能増強を行なう計画している。
さらに、本プログラムを用いて実証プラントの性能解ーション技術など、個々の機器に関する研究の成果を反映させて、より一層の計算精度の向上を目指す。

析・評価、将来的には商用プラントの一層の高効率化を目指して種々の IGCC システムの解析・評価研究を進めていく計画である。

¹

操作性の向上本プログラムは、設定された条件が合理的でありさえ電中研レビュー No.44 ● 89

すればどの値を設定しても計算することが可能である。

・空気比、給炭量比などの各種操作パラメータがプラント全体性能に与える影響の検討。

しかし、このように柔軟な条件設定が可能であるため、IGCC システムのような複雑なシステムの解析を行なう

・設計条件（炭素転換率、放熱ロス割合、スラグ捕集効

場合には、計算条件の設定が難しくなってしまっている。

率、炉壁への伝熱割合など）の相違が全体性能に与えそこで、条件設定を支援する機能の追加を考えている。

る影響についての検討。
・炭種の違いがプラント全体性能などに与える影響の検º

計算機能の増強
現時点では定格負荷時の熱物質収支計算を行う機能し討。
・プラント運転状態の解析による、設計性能との相違に関する要因分析。

か持っていないが、部分負荷特性解析や、さらには動特性解析を行う機能の追加を進めている。
¼»

実証プラントの性能解析・評価
実証プラントを詳細にモデル化し、以下に示すような解析・評価を行ないたいと考えている。

90

商用プラントのシステム解析・評価研究
さらに、以上述べたプログラムの機能増強などと並行して様々な IGCC 発電システムの検討を進め、より高性能なシステムを提案して行きたいと考えている。

コラム： DME 併産型石炭ガス化複合発電
１．は じ め に
現在、石炭は LNG や石油と比較して熱量単価が約 1/3 と安く、原子力に次ぐベース電源若しくはミドル電源用燃料と位置付けられ、高効率発電が可能な IGCC の開発が行われている。IGCC での石炭ガス化ガスは、発電用燃料以外に合成燃料（メタノール、F-T 油、DME 等）用の原料ガスとしても活用可能である。IGCC と合成燃料製造とを組み合わせ、重複設備を統合した合成燃料併産型 IGCC システムが提案されており、このシステムでは、発電側と合成燃料製造側の負荷を調整することにより、IGCC をピーク対応用として運用しながら合成燃料を安価に製造できる可能性がある。当研究所
では、合成燃料として、物性が LPG に近く環境性にも優れている DME を取り上げ、DME 併産型
IGCC システムについて、技術的・経済的観点から、その実現性の検討を実施した。

をガスタービンに供給することにより、システム全体としての効率向上を図っている。発電と DME製造を併せたエネルギー利用効率（注）は、表３に示
す通り、夜間（主に DME 製造）は 52%、昼間（主に発電）は 42 〜 43%であった。クエンチ型 IGCCは約 36 ％であるから、約６％（絶対値）向上することになる。
3.2 経 済 性
¸ 発電原価発電設備は表 2 に示すパターンで運転するため、設備利用率は約 20%である。その結果、発電原価は、ケース１で 16.0 円/kWh、ケース２で 10.6 円/kWh、
ケース３で 9.9 円/kWh となり（表４）、ケース２及
び３は、ピーク用電源として採算に乗る可能性があることがわかった。
¹

２．設備構成と運用方法
図１に基本システム構成を、表１に検討ケースを示す。本検討では既に商業化されている酸素吹きスラリーフィード・クエンチ型ガス化炉と湿式ガス精製（MDEA）をベースとし、DME 製造設備は、NKK が開発を行っているプロセスを想定した。
運用方法については、ガス化炉・ガス精製は常時定格運転とし、昼間は発電を主に、夜間は DME 製造を主に行うパターンとした（表２）。
３．検 討 結 果
3.1 熱 効 率
本システムでは、DME 製造設備からのオフガス

DME 製造原価
DME 製造原価を表５に示す。本検討では、ガス化炉、ガス精製及び共通設備建設費を IGCC 側で負担させ、DME 側の固定費を小さくなるようにしている。その結果、DME 製造原価はケース１及び２で 2.0 円/Mcal、ケース３で 1.2 円/Mcal となり、輸入
LPG（1.9 〜 3.6 円/Mcal）や LNG（1.7 〜 2.2 円/Mcal）と比較して十分の競争力を持つことがわかった。
º

プラント建設費
IGCC、DME 設備の推定建設費を表６に示す。

3.3 実用化にむけた技術課題
各構成設備の開発段階や技術課題を表７に示す。

送電電力（kW）x 860kcal/kwh + DME製造量（kg/h）x DME発熱量（kcal/kg）x 100（注）エネルギー利用効率＝――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
石炭投入量（kg/h） x 石炭発熱量（kcal/kg）

煙突

蒸気

ガス化炉

ガス精製

精密脱硫

ガスタービン

オフガス

排熱回収
ボイラ

蒸気タービン
別置ガスタービン
による発電
又は販売

DME製造

DME

図１

DME併産型IGCC基本システム構成

電中研レビュー No.44 ● 91

表１設

備

方式

検討ケース

ケース１（基本ケース）

ケース２（スケールアップによる経済性向上）

ケース３（参考ケース）

118 t/h １系列

130 t/h ２系列

92 t/h ２系列

ガス化炉

酸素吹き・スラリー
フィード・クエンチ型

ガス精製

湿式ガス精製

ガスタービン（石炭量相当）GE F型

F7FA １台（78 t/h×１）

F9FA ２台（118 t/h×２）

F9FA ２台

DME製造

直接製造方式（NKK）

51 t/h １系列

111 t/h １系列

111 t/h １系列

同

上石

燃料種別

表２

同

炭

石

同

炭

設備運用パターン発 電 設 備Ｄ Ｍ Ｅ 設 備

定格出力運転（燃料は石炭ガス化ガスとDME製造装置からのオフガス）

運転維持の為に必要な最低量製造運転

土日祭日の終日
及び平日の夜間（17：00〜８：00）

部分負荷運転（燃料はDME製造装置からのオフガス。この電力で所内動力を賄い、若干の送電が可能）

定格量製造運転エネルギー利用効率

ケース１
昼
発電電力

上重質残渣油

平日の昼間（８：00〜17：00）

表３間

ケース２

夜間

昼間ケース３

夜間

昼間

夜間

MW

306

120

880

286

880

286

ガスタービン

MW

197

80

572

186

572

186

蒸気タービン

MW

109

40

308

100

308

100

MW

47

54

123

146

123

146

IGCC設備

MW

38

38

106

106

106

106

DME設備

MW

91616

40

1640

送電電力

MW

259

66

757

140

757

140

送電端熱効率％

40−

41−

41−

DME製造量t/h

1951

17111

17111

エネルギー利用効率％

43

52

4252

4252

所内電力

表４

発電原価

ケース１
昼92

上間

夜

ケース２
間

昼間

夜

ケース３間

昼間

夜間

固定費分円/kWh

14.5

09.1

09.1

0

燃料費分円/kWh

1.5

01.5

00.8

0合円/kWh

16.0

010.609.90計

表５DME製造原価

ケース１

ケース２

ケース３円/トン円/Mcal円/トン円/mcal

0.60

3,591

0.52

3,591

0.52

11,518

1.67

11,732

1.70

6,6210.96

夜間電力売電補正

1,732

0.25

1,797

0.26

1,797

0.26

合

11,062

2.02

10,530

1.96

5,419

1.22円/トン円/Mcal

4,163

固定費分
燃料費分
（注）

計

（注）夜間電力売電補正：夜間発電電力を1.5円/kWhで売電した収入

表６

プラント建設費
ケース１

ケース２

ケース３

プラント建設費

億円

605

1,108

1,108

IGCC設備DME製造設備

億円
億円

518
87955
153955153

表７設

各構成設備の技術レベル

備

開発段階

酸素吹きスラリーフィード・
ガス
化
炉

クエンチ型

◎◎同上（重質残渣油）
空気吹きドライフィード・排熱回収型

○

技術課

題

ガス化炉で熱回収をしないので熱効率が低く、通常36％（送電端HHV）程度
同上高効率（46〜48％）が可能であり、実証プラント計画を推進中
顕熱損失が大きく、乾式より熱効率が約

湿式ガス精製（MDEA）◎

精密脱硫装置（亜鉛吸着方式）◎

吸着後は廃棄物となり、処理が難しい

複合発電設備◎特になし

DME製造設備△

１〜２％下がる。

触媒の寿命、製造コストの低減、DME転換率の向上、スケールアップ技術の確認、長時間連続運転の確認◎：商業レベル◯：実証レベル□：パイロットレベル

クエンチ型ガス化炉はアンモニア製造用として、
LNG コンバインドは発電プラントとして既に商業運転されている技術である。IGCC は欧米で実証試験が進行中であり、日本でも㈱クリーンコールパワー研究所が発足して実証機計画が進行している段階である。
精密脱硫装置については亜鉛吸着法が実用化されているが、再生利用できないので大量使用した場合の廃棄処理の方法に課題が残されている。
DME 製造の技術的課題は、)エネルギー転換効率の更なる向上（現状は約 80%）、*触媒の長寿命化と製造コストの低減、+プラントとしての長期安定運転の検証などが想定される。

△：ベンチレベル

４．今後の展開
本検討は既存の資料 ¸¹をベースに概略の試算を行ったものである。今後は、設備構成、機器容量及び運転方法などの最適化検討が必要である。
DME 設備から発生する中圧蒸気も取り込んだ蒸気系の最適化、ガス系の顕熱回収による損失低減及び、ガス・空気系圧力の動力回収など最適化検討を行えば、更に効率の向上が期待できる。
参考文献¸ 石炭利用総合センター DME 研究会提出資料、
NKK¹ IGCC 発電プラント− EPRI の設計とコストの研究（EPRI ガス化会議資料、1998 年）

電中研レビュー No.44 ● 93