成果報告書詳細
管理番号20130000000108
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実証研究 (電力需給緊急対策)  ガスタービン用吸気加湿冷却装置の開発について
公開日2013/4/9
報告書年度2011 - 2012
委託先名株式会社東芝
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約震災以降、夏場のピーク電力をいかに確保するかが国家的大命題となっている。改造範囲が小さくかつ既設機への改造がしやすい吸気加湿冷却装置の普及は、夏場のピーク電力必要時に増出力を図ることができ、計画停電等による長期的な経済停滞を防ぐことができる。
これに対する技術課題としては上流から飛来するミストによる圧縮機翼エロージョンがリスクとして挙げられており、これに対する定量的評価が必要となっている。
 そこでスプレーノズルを装着した吸気ダクトのスケールモデルモックアップ装置を作り、実際の吸気ダクト内での速度条件を合わせた試験を実施した。これによりIGVに一旦凝縮付着したミストが後縁から再度離脱する現象を目視的にとらえることができた。後縁離脱直後は180μm程度の大きい粒子であるが、速度せん断により即座に微粒化し、初段動翼入口に達する距離ではザウタ平均径は80μmになっていることがわかった。 ミストスピンテストでは水滴径と衝突速度に支配的な周速をパラメータとし、実機翼と同材のテストピースにスプレー水を衝突させ、一定の間隔ごとに重量を計測して浸食量を計測するとともに、その表面を観察し材料分析を実施した。パラメータ解析の結果、実機では10年で1.2mm程度の浸食が初段動翼前縁に発生する程度であり、減肉量のリミット以下であり、頻繁に動翼を交換する必要はなくメンテナンスも10年間程度は必要ないと結論づけられる。
 材料分析では表面観察により安定域では微細な円錐状の突起が林立した形状になっていることがわかった。ストライエーションが観察され疲労現象をともなって浸食が進行されることがわかった。これらの技術的成果により圧縮機エロージョン深さは問題ないレベルであることがわかったため、顧客である電力会社は当吸気冷却システムを積極的に採用できる環境が整ったこととなる。採用が進んだ場合、既設コンバインドサイクルの出力が単機あたりで約4%の出力が増加し、市場規模から予想した受注台数である27軸分を掛け合わせると約34万kWの出力増加が夏場に期待できる。これは震災による原子力火力の停止に対する電力逼迫状態を補うに大きい効果があり、大停電等の国家的リスクを回避する有効な手段である。2020年における省エネルギー効果量は電力換算で約9千万kwh/年が期待される。
英文要約Since big earthquake on 3.11, one of the most important national policy is how we can get peak electric power in hot summer season. Inlet fogging system with the function of power augmentation can make it easier to modify current gas turbine machine due to minimize construction work, and it causes to prevent long-term economic stagnation by black out. Technical problem statement for inlet fogging system application is to evaluate the risk of compressor blade erosion attacked by mist from spray water of fogging system in upstream, and it is necessary to figure out this risk in concrete numerically.
  In this report, following technical approach have been done. First of all, scale model inlet duct is manufactured within water spray of inlet fogging system, and many testing was conducted on the condition of same level of actual velocity with inlet duct at site. As testing results, it is found out visually that once condensed mist adhere on the leading edge surface of IGV (Inlet Guide Vane), water stream is generated on the surface of airfoil and finally water film is formed on the surface of trailing edge and then finally separate to small droplets from the trailing edge. Just after separated from the trailing edge, droplet diameter is initially approximately 180μm as D32 Sauter Average Diameter, and droplet become atomizing soon due to shear of velocity difference between droplet and air around there, and droplet size finally reduce to SMD 80μm at 1st blade leading edge.
Mist Spin Test in next stage is that water spray adjusting actual attack to blade is provided to test piece of same material with actual compressor blade, and weigh is measured at every constant time period for getting averaged erosion depth, and then material analysis was conducted using SEM with detailed visual inspection. Parametric evaluation changing water droplet size and attack velocity was done. As a result, it is concluded that erosion at leading edge of 1st compressor blade is predicted to be approx 1.2mm at maximum per 10 years less than acceptable limit of depth, and it may have no need for maintenance of blade replacement and so on in 10 years.
As the result of material analysis, it is found out using SEM that erosion surface shape so many tiny and conical bump in stable erosion mode. Striation is observed with more zoomed up SEM picture and seems to have fatigue phenomena.
With above technical approach, it is concluded that erosion depth has no risk possibility for operation so power generation customer can adopt inlet fogging system positively with no concerns. If these systems are applied to power station all over domestically, built combined cycle plants will generate more 4% power with inlet fogger system. This means that total 340MW power augmentation will be possible in hot summer season on the assumption that 27 units will have fogger system application. This is very big effects to prevent risk of black out possibility due to nuclear power shutdown after Fukushima crisis coming from Tsunami disaster by 3.11 earth quake. It is predicted that saving energy leverage will be approx. 90,000,000kWh/year corresponding to electric power on 2020.
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