成果報告書詳細
管理番号20110000000909
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/超臨界CO2を作動流体とする高効率ガスタービン発電の研究開発
公開日2011/8/5
報告書年度2008 - 2010
委託先名エネルギー総合工学研究所 熱技術開発株式会社
プロジェクト番号P03033
部署名エネルギー対策推進部
和文要約 一般に産業用発電システムは、構成機器が中小規模である事に起因する特性、特に蒸気タービン効率面の制約から高効率発電には限界が見られる。一方、超臨界CO2ガスタービンは、「外部からの加熱によるクローズドサイクルであるため、石炭、重質油、排熱などの多様な熱源が利用可能」、さらに「超臨界圧CO2の特性を生かしたサイクル構成により中小規模でも高い発電効率が得られる」という特徴を有している。
 本研究では、超臨界CO2ガスタービン発電システム開発を目指して、要素技術の開発、ベンチスケールでの原理検証試験、および実機スケールを想定した諸検討を実施した。主要サブテーマは「ガスタービンの開発」、「再生熱交換器の開発」、「総合運転試験」、および「発電システムの研究」から成り、それぞれ有益な成果を得ることができた。それぞれの成果概要を次に述べる。
 「ガスタービンの開発」に関しては、原理検証用ガスタービンを製作してCO2ループに組込むとともに、その運転制御方法を検討した。さらに超臨界CO2のCFD(Computaional Fluid Dynamics)解析手法を用いて圧縮機内の流れを解析し、上記の圧縮機設計と運転条件に関する示唆を得た。
 「再生熱交換器の開発」においては、従来のS型フィンに比べ伝熱性能を大幅に向上させる新型フィンを開発し、伝熱流動相関式を実験検証した。具体的には、新型フィンを適用した再生熱交換器を製作し、高温耐圧性能20MPa・800K、温度効率0.95を実証した。
 「総合運転試験」においては、先ずレシプロ型圧縮機を臨界点近傍の条件で運転し、理想気体に比して圧縮動力低減を確認した。次いで超臨界領域でCO2ガスタービンの運転試験を行い、超臨界圧CO2ガス条件および閉ループ特有の諸問題を経験したが、所定の圧力・温度(例、圧縮機入口7.8MPa×35℃)および回転数などの運転条件ならびに運転途中でのCO2挿入要領などの運転方法を確立した。ついで性能的には外部電源によらないで運転を継続する閉サイクルの自立運転を達成するとともに、当初目的の10kWには及ばなかったものの約200Wの発電出力を継続的に得ることに成功した。さらに運転時のエネルギーバランスと流量バランスの検討を行い、性能向上の方策とスケールアップ機の実証に向けての課題を整理した。
 「発電システムの研究」においては、CO2サイクル自体の高効率化の検討を行い、低温排熱をCO2サイクルに取込み可能なサイクルを開発し、蒸気タービンと同等の発電効率の見通しを得た。さらに、産業用規模の発電システムを対象とした燃料燃焼式のCO2加熱方式と構造を検討し、蒸気タービンを上回る発電効率及び経済性の見通しを得るとともに、ガスタービンとCO2サイクルとの組合せシステムを検討し、LNGガスタービンとの組合せにおいても同システムが優れた効率特性を有していることを示した。さらに熱電併給システムであるコジェネ適用においてもガスタービンとCO2サイクルとの組合せシステムは優れた特性を有する事を明らかにした。
 以上の成果から、本システムが原理的に成立することを確認するとともに、次段階規模の試験装置設計を可能とする有益なデータを収得・整理することができた。
英文要約【Summary】
Title : Strategic Development of Technology for Efficient Energy Utilization Project / Fundamental Technology Development for Energy Conservation / Development of High Efficient Supercritical CO2 Gas Turbine Power Generation System / Final Report(FY2008~2010)
Recently electric power plant efficiency for industrial application has reached almost saturated level in case of using steam turbine.
The super critical carbon dioxide gas turbine (SCO2GT) by closed cycle has the characteristics of having higher efficiency than conventional plant in principle, and has the flexibility of fuel application from gas, liquid to solid fuel. In this study, we have performed in general elementary test to make clear the principle, and the feasibility study for the actual application. As to the specific items, there are four subjects such as the “Development of SCO2GT”, the “Development of recuperator”, the “Field Testing”, and the “Application study”. Regarding the “Development of SCO2GT”, we have designed and fabricated CO2 turbine proper and installed in the testing facility called the “Loop”, which include necessary equipments such as the recuperator, the electric heater, the cooler, the CO2 charging devices and so on. In parallel with the above, we have analyzed the fluid mechanism in the compressor by using CFD (Computational Fluid Dynamics), and obtained the useful data for the compressor design. Regarding the Development of recuperator, we have developed a new typed fin instead of the old type called S typed fin, by which the heat exchange performance was improved, together with the development of correlation equation to meet experimental data. Based on the above result, we have designed and manufactured the recouperator to be installed in the loop having 20 MPa, 800 K, and 0.95 (temperature performance). Regarding the “Field Testing”, at first we have operated supercritical CO2 fluid around supercritical point by using reciprocating compressor, and confirmed the decrease of the power input.
Next, we have performed testing operation by adopting the SCO2GT in to the loop. In the earlier stage of operation, we have encountered several troubles originated by the supercritical CO2 operation with closed cycle. However, we have established the control method to attain the aimed operational condition. Finally, we have obtained about 200 W electric power production. Regarding the “Application study for power generation”, we have studied the optimum cycle study to obtain higher efficiency, and introduced some method to be applicable relatively lower temperature. And we have studied the application of SCO2GT for industrial usage, and found this system has the potential to exceed the value of the conventional type such as boiler and steam turbine system, and gas turbine and steam turbine system for the middle or small scaled unit size. We have also found the system has advantage for the electric and heat cogeneration system. As the result, we have confirmed the principle of SCO2GT system will exist and obtained necessary data to design the larger scale to be expected to the next stage development.
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