吸気ガイドベーンの変更による水素・アンモニア混焼重負荷ガスタービンの熱力学的性能
Thermodynamic Performance of Heavy-Duty Gas Turbines with Hydrogen–Ammonia Co-Fuel by Inlet Guide Vane Variations
中国・杭州の発電所にある255.6MWの重負荷ガスタービンを基に、水素・アンモニア混焼時の運転範囲拡大と熱力学的性能向上のため、吸気ガイドベーン(IGV)の角度変更戦略を用いたシミュレーションモデルが構築された。異なる水素・アンモニア混合比率下での熱力学的性能、タービン段超音速流速、流量整合特性が研究された。結果として、モデルは定格出力254.59MW、効率36.33%を精度良く予測し、設計値との誤差はそれぞれ-0.4%、-1.54%であった。水素・アンモニア混焼燃料を使用すると、第2・第3段タービン静翼の出口マッハ数が安全限界の1を超えたが、IGV角度の低減により安全性が向上したものの、ガスタービン効率はわずかに低下した。アンモニア体積分率の増加に伴い、ガスタービン出力は増加するが効率はわずかに低下し、タービン静翼出口圧力は減少し、出口温度は増加した。IGV調整後、燃焼器出口圧力、ガスタービン出力、効率はいずれも増加した。固定IGV開度条件下では、アンモニア体積分率の増加とともにガスタービン効率は徐々に低下した。非設計燃料流量条件下では、相対燃料流量の増加は燃焼器出口圧力と温度を上昇させたが、アンモニア体積分率の増加はこれらのパラメータをわずかに低下させた。本研究は、水素・アンモニア混焼燃料を使用するガスタービンの最適設計と運転に理論的支援を提供する。
- 中国・杭州の発電所にある255.6MW重負荷ガスタービンを対象に、水素・アンモニア混焼時の熱力学的性能をシミュレーションモデルで解析
- モデルは定格出力254.59MW、効率36.33%を予測し、設計値との誤差はそれぞれ-0.4%、-1.54%
- 水素・アンモニア混焼時に第2・第3段タービン静翼出口マッハ数が安全限界の1を超えることが判明し、IGV角度の低減で安全性が向上する一方効率はわずかに低下
- アンモニア体積分率の増加に伴い、ガスタービン出力は増加するが効率はわずかに低下
水素・アンモニア混焼ガスタービンの実運用データに基づく性能検証は、脱炭素火力発電の商用化に向けた重要な技術進展である。255.6MW級の実機をモデル化し、IGV調整による安全性と性能のトレードオフを定量化した点は、燃料転換投資の技術的裏付けとなる。ただし、学術的なシミュレーション研究であり、即時の商用インパクトは限定的。水素・アンモニア混焼関連のガスタービン機器メーカーや燃料サプライチェーン企業への波及を注視すべき。