「評判を作るマシン」は本当に期待できます!我が国初のFクラス50MW大型ガスタービンの新たな進歩

制作：中国科学普及協会

著者: ヤオ・ユー (中国科学技術大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「鶏が鳴くと世界は白くなる。」 2023年3月8日、大きな機械音とともに、中国の「プライドマシン」が広東省清遠市で72+24時間の試験運用を経て正式に商用運用に入った。これは我が国が独自に開発した初のF級50MW大型ガスタービン発電機セットG50です。その誕生により、「0」から「1」への技術的ブレークスルーが完成し、中国は100％純国産の大型ガスタービンを保有することになった。

我が国初の独自開発Fクラス50MW大型ガスタービンが市販される

（写真提供：CCTV13 Morning News）

この「プライド追求マシン」は普通のものではありません。動作温度は1300℃を超え、火山のマグマの高温に近い温度です。作動圧力は18気圧に達し、これは海底180メートルの深さの水圧に相当します。このような過酷な高温高圧環境において、ガスタービンのタービンは毎分6000回転という高速で回転する必要があり、その線速度は大型旅客機の飛行速度の2倍以上になります。複合サイクルで稼働すると、1時間あたり7万キロワット時以上の電力を生成でき、7,000世帯の毎日の電力需要を満たすことができます。 G50大型ガスタービンは、同じ出力の火力発電機と比較して、年間50万トン以上の二酸化炭素排出量を削減できます。

重負荷ガスタービンはなぜ「プライドマシン」と呼ばれるのでしょうか？

蒸気機関が第一次産業革命の流行を引き起こしたのと同じように、ガスタービンは新時代における国家のエネルギー安全保障と防衛安全保障のための戦略的な装備です。国防、輸送、エネルギー、環境保護などさまざまな分野で広く使用されています。大型ガスタービンは、先進的な発電設備、航空設備、軍艦（空母、潜水艦）、その他主要な国家兵器の「心臓部」です。

Fクラス50MW大型ガスタービン

（写真提供：中国新聞社）

ガスタービンのエネルギー変換方法は蒸気エンジンと同じで、どちらも燃料の化学エネルギーを動力（電気）に変換します。違いは、蒸気エンジンは水を沸騰させ、水が蒸気に変わると体積が膨張し、それによってピストン（または蒸気タービンなどの他の動力機械）を駆動して仕事をするという点です。

蒸気機関の動作原理の概略図。火はボイラー内の水（青）を加熱し、水は蒸気（ピンク）に変わります。蒸気が膨張し、ピストンを往復運動させます。

画像出典: Wikipedia

ガスタービンは中間媒体として加熱された蒸気を必要とせず、代わりにガスを直接タービンに送り、膨張させて作業を行います。これには、ガスタービンのコンポーネントが長時間にわたって極度の高温、高圧、高速に耐え、機械全体の安全で安定した動作を確保できることが求められます。より高い動作パラメータにより、機器の作業能力も大幅に向上し、ガスタービンは高い単位出力、速い始動速度、強力な操縦性、高いエネルギー変換率などの特性を備えることができます。

ガスタービンが作動すると、大気中から空気を継続的に吸い込んで圧縮します。圧縮された空気は燃焼室に送られ、噴射された燃料と完全に混合され、燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなり、その後ガスタービンに送られてタービンインペラを回転させ、膨張させて仕事をします。出力電力は電力として使用したり、電気に変換したりできます。

ガスタービン構造図

(画像出典: http://www.timetoast.com/timelines/abel-project-tl)

ガスタービンは、機器製造業界の「最高傑作」として知られており、特に大型ガスタービンは、「世界で最も製造が難しい機械装置」の 1 つとして知られています。これらは数万点の部品で構成され、機械、冶金、材料、化学工業、エネルギー、電子工学、情報など多くの分野にまたがり、空気力学、工学熱力学、燃焼、構造力学、制御理論、材料科学、製造プロセスなどの基礎分野と工学技術の相互統合を網羅しています。研究開発は、国の科学技術レベルと総合的な国力を反映しています。

生産ラインのロボットが完成したブレードを配置する

（写真提供：中国新聞社）

大型ガスタービンの研究開発は、技術的難易度が高く、研究開発投資額が大きく、実装サイクルが長い複雑なシステムエンジニアリングプロジェクトです。 1939年に世界初の発電用大型ガスタービンが誕生して以来、大型ガスタービンは数々の技術革新と産業再編を経てきました。大型ガスタービンを独自に開発できる能力を持つのは、米国、日本、ドイツなどごく少数の国だけです。

大型ガスタービン G50 完全機械テストベンチ

（写真提供：東方蒸気タービン株式会社）

我が国は、国の主要な戦略に奉仕するために、「航空エンジンとガスタービン」国家科学技術重点プロジェクト（「2つのエンジンプロジェクト」）を設立しました。国家エネルギー局は、Fクラス50MW大型ガスタービンをエネルギー分野における最初の主要な技術設備実証プロジェクトとして挙げた。国の強力な支援を受けて、東方電気などの中央企業は大学や研究機関と力を合わせて科学研究チームを結成し、産業チェーンの上流、中流、下流の企業を調整して有利なリソースをプールし、独立した研究開発の努力の旅に乗り出しました。 2009年に研究開発が始まって以来、良いニュースが頻繁に入ってきています。 2016年に、中国で最初の一連のコンプレッサー、バーナー、タービン部品レベルのテストベンチが構築されました。 2018年にコンプレッサーとバーナーの開発に成功しました。 2019年には、すべての高温部品の100％独立製造を達成しました。機械全体の点火テストは一度に成功しました。 2020年には初めて100％負荷での運転も行われました。 2022年末には華電清遠で点火に成功し、2023年に正式に商業運転に入る予定だ。

大型ガスタービンの製造・組立工程

（写真提供：CCTV13 Morning News）

わが国の大型ガスタービンは、わずか13年で、基礎理論からユニット技術、部品試験、システム統合、総合検証、製品応用までの全プロセスを経て、西側諸国が数十年を要した開発の道のりを一気に完成させました。我が国は、大型ガスタービンの自主設計、製造、試験、商業運転の100％現地化能力を真に習得し、安全で制御可能で、自主的で信頼性の高いガスタービン産業チェーンを構築し、我が国の自主ガスタービン応用分野の空白を埋めました。

現在市販されているF級50MW大型ガスタービン発電機セットG50は、世界最先端のレベルからはまだ一定の距離がありますが、構築された独立した設計システム、習得されたコア方法、確立された独立した知的財産権、育成された高品質の人材チームは、ガスタービン分野と業界の協調的な発展を推進します。

国産初の高効率大型ガスタービンが生産ラインから出荷

（写真提供：CCTV13 Morning News）

さらに喜ばしいのは、国内初となるエネルギー効率最高レベルの空冷式大型ガスタービンが河北省秦皇島市で生産ラインから無事に出荷されたことだ。発電効率は64％を超え、現在のガスタービン発電業界における最先端の技術であり、世界で最も効率的な熱電変換装置となります。新世代ガスタービンは、我が国が「カーボンピークとカーボンニュートラル」を達成するための強力な武器となり、国家の安全を守る国家兵器にさらに強い心臓部を与えることになるでしょう。国産「評判製造機」の物語はまだまだ続きますので、お楽しみに！