ガスタービンの仕組み｜夏に出力が落ちる理由まで運転員が解説
ガスタービンはジェットエンジンと同じようなもの、と聞いたことはありませんか？
それだけでは、なぜ発電できるのか、蒸気タービンと何が違うのかまでは分かりにくいと思います
俺は汽力とGTCCの両方を経験しました
初めてガスタービンを扱った時、一番驚いたのは並列までの速さです
汽力ではボイラで蒸気を作り、配管やタービンを少しずつ温めながら起動します
ガスタービンは点火さえ通れば、そこから先は自動で一気に進んでいく感覚でした
この記事では、ガスタービンの仕組みを圧縮機・燃焼器・タービンの3要素に分けて解説します
さらに、現場で感じた点火の難しさ、通常運転がほぼ自動で動く理由、夏になると出力が下がる理屈までまとめます
磁力マル空気を縮めて、燃料を燃やして、その勢いで回す機械でち！まずはこの流れをつかむでち！
目次
ガスタービンの仕組みは圧縮・燃焼・膨張の3段階
結論から書くと、ガスタービンは次の流れで発電します
- 圧縮機で大量の空気を吸い込み、圧縮する
- 燃焼器で圧縮空気と燃料を混ぜ、連続燃焼させる
- 高温高圧の燃焼ガスをタービンで膨張させ、発電機を回す
三菱重工や米国エネルギー省も、発電用ガスタービンの基本構造を圧縮機・燃焼器・タービンの3要素で説明しています
空気はこの3要素を一方向に流れ続けます
ガソリンエンジンのように、1つのシリンダーで吸気・圧縮・燃焼・排気を繰り返すのではありません
圧縮機｜大量の空気を吸い込んで圧縮する
最初の主役は圧縮機です
発電用の大型ガスタービンでは、回転する動翼と固定された静翼を何段も並べた軸流圧縮機が使われます
空気が段を通るたびに圧力が上がり、燃焼器へ送られます
ここで大事なのは、圧縮機を回しているのも後段のタービンという点です
タービンが生み出した回転力は、すべて発電機へ送られるわけではありません
一部は同じ軸につながった圧縮機を回すために使われ、残った分が発電出力になります
磁力マルタービンは発電機だけでなく、自分が使う空気を作る圧縮機まで回しているでち！
燃焼器｜圧縮空気に燃料を混ぜて連続燃焼させる
圧縮された空気は燃焼器へ入ります
ここで天然ガスなどの燃料を混ぜて点火し、高温高圧の燃焼ガスを作ります
一度安定して火がつけば、空気と燃料を供給し続けることで連続燃焼します
燃焼器の仕事は、ただ高い温度を作ることだけではありません
- 火炎を安定させる
- 燃焼温度の偏りを抑える
- 燃焼振動を抑える
- NOxやCOなどの排出を基準内に保つ
- 後段のタービン部品を過熱から守る
高効率と安定燃焼、低い排出量を同時に成立させる必要があります
ガスタービンの中でも、燃焼器は特に調整が難しい部分です
電力ニキ燃焼器は一度きれいに火がそろえば安定しますが、起動直後は温度のばらつきを特に注意して見ています
タービンと発電機｜燃焼ガスの膨張を回転力に変える
燃焼器を出た高温高圧ガスは、タービンへ流れ込みます
タービンでは固定された静翼でガスの向きを整え、回転する動翼でエネルギーを受け取ります
ガスが段階的に膨張する力でローターが回り、同じ軸につながった圧縮機と発電機を駆動します
汽力発電との最大の違いはここです
- 汽力発電は、燃料の熱で水を蒸気に変えてから蒸気タービンを回す
- ガスタービン発電は、燃料を燃やした燃焼ガスで直接タービンを回す
途中で水を蒸気に変える工程がないため、設備をコンパクトにしやすく、起動も速くできます
磁力マル蒸気を作る工程がないから、点火後の立ち上がりが速いんでち！
発電方式全体の違いは発電所の種類と仕事で整理しています
あわせて読みたい
発電所の種類と仕事｜火力・水力・原子力と5職種を運転員が解説
発電所にいろんな種類があるのは何となく知っています、でもそこで人が何をしているかまでは想像できますか？ 未経験の人から見て、発電所の何が一番わかりにくいんだろ…
起動は速いが、最初の点火が難所
ガスタービンは起動が速い発電方式です
ただし、運転員としての俺の印象は簡単に起動する機械ではなく、点火を越えれば速いです
起動から並列までの流れ
設備によって細かい手順は違いますが、一般的な流れは次のとおりです
- 起動装置でローターを回し始める
- 内部を空気で換気し、残った燃料を追い出す(プレパージ)
- 所定の回転数で燃料を入れて点火する
- 安定した燃焼を確認しながら定格回転数まで昇速する
- 発電機の電圧・周波数・位相を系統に合わせる
- 遮断器を入れて電力系統へ並列する
パージとは、点火前に内部を十分な空気で換気する工程です
燃料が残った状態で点火しないための重要な安全処理です
並列とは、発電機を電力系統へ接続して電気を送り始めることです
電圧だけでなく、周波数と波のタイミングまで合わせてから接続します
電力ニキ項目は多く見えますが、操作の大半は自動です 運転員は次の工程へ正しく進んだかを画面で追います
運転員が最も見るのは点火できたか
起動で一番気になるのは、最初の点火がきれいに完了するかです
俺が経験した設備では、すべての燃焼器に毎回きれいに火が入るとは限りませんでした
燃焼温度に偏りが出たり、一部で火炎が成立せず失火としてトリップしたりする場面がありました
トリップとは、機器を守るために保護装置がガスタービンを緊急停止させることです
トリップ後に何を見て原因を切り分けるかはAIを使った警報対応で解説しています
あわせて読みたい
【現役解説】ロジック資料×AIで警報対応が爆速になる方法
警報が鳴った瞬間、頭が真っ白になる そんな経験、現役運転員なら一度はあるはずだ 特に新人時代、分厚いロジック資料を必死に追って、それでも時間内に判断できない焦…
点火が成立したかは、火炎検出器や排気温度の分布など複数の情報で監視します
メーカー資料でも、機体温度・外気条件・燃料性状などによって起動シーケンスが初回で完了しない場合があると説明されています
一方で、一度きれいに点火して昇速へ入れば、その後は大概安定して進みます
電力ニキ起動ボタンを押してから一番緊張するのは点火です そこを越えると、あとは自動シーケンスが次々と進んでいく感覚があります
蒸気タービンより並列までが速い理由
蒸気タービンを起動するには、まずボイラで大量の水を蒸気に変える必要があります
配管やタービンには厚い金属部品が多く、急激に温度を上げると熱応力が大きくなります
温度差を見ながら少しずつ暖め(ウォーミング)、蒸気条件を整えてからタービンへ送らなければなりません
ガスタービンは燃焼ガスが直接タービンを回すため、この蒸気を作る待ち時間がありません
起動シーケンスも自動化されており、運転員が順番に行う操作の手数も少なくなります
ただし、ガスタービン単体が並列するまでの時間と、排熱回収ボイラや蒸気タービンを含むGTCC全体が立ち上がる時間は別です
起動時間も機種や停止時間によって変わるため、すべての設備が同じ分数で起動するわけではありません
汽力とGTCCの系統差はコンバインドサイクル用語集で詳しく解説しています
あわせて読みたい
コンバインドサイクルとは｜汽力との差分11語で覚えるGTCC用語集
汽力からGTCCへ移る、あるいはGTCCプラントへの配属が決まった 系統図を開いたら、FDFがない AHもない 覚え直しかと不安になっていませんか？ 俺は汽力からGTCCへ転職…
通常運転はほぼ自動、例外は燃焼調整
ガスタービンは、人が燃料弁を少しずつ動かしながら運転する機械ではありません
起動・昇速・並列・負荷上昇の多くは、自動シーケンスと制御ロジックが進めます
通常運転中の燃料量、空気量、温度、回転数、出力の調整も自動が中心です
運転員の役割は、細かく手を動かすことよりも、シーケンスが正しく進んでいるか、温度や振動に偏りがないかを監視することです
これは秒単位の出力調整も同じです
ガバナフリーやLFCなどの自動制御が担い、人が画面を見ながら毎秒操作するわけではありません
DCSと自動制御の関係はDCSとは？でまとめています
あわせて読みたい
DCSとは？発電所で毎日使う運転員が仕組み・PLCとの違いを解説
「配属先で『DCS』って言葉が飛び交ってるけど、正直よくわからない」 「PLCと何が違うの？と聞かれて答えられなかった」 こんな状態のまま、なんとなく毎日を過ごして…
磁力マル自動運転は人が見なくてよいという意味ではないでち！操作より監視が中心になるんでち！
燃焼チューニングは時々必要
ほとんどが自動でも、調整が不要になるわけではありません
燃焼状態は外気温・湿度・燃料性状・部品の経年変化などで少しずつ変わります
そこで必要になるのが燃焼チューニングです
燃焼チューニングでは、燃料と空気の比率や燃料配分などを調整し、次のバランスを取ります
- 出力と効率
- NOxやCOなどの排出
- 火炎の安定性
- 燃焼振動
- 部品の寿命と信頼性
メーカーによっては、このチューニング自体も自動化しています
それでも、データを見て調整が必要か判断し、整備後や燃焼状態が変化した時に条件を合わせ込む仕事は残ります
通常当直で運転員が頻繁に介入するのではなく、必要なタイミングで技術・保守側も含めて燃焼状態を整えるイメージです
電力ニキ通常運転で頻繁に手を出すことはありません ただ、燃焼の傾向が変わればチューニングが必要になります
夏にガスタービンの出力が落ちる理由
俺がガスタービンを覚える中で、理屈を理解しにくかったのが夏の出力低下でした
気温が上がっただけで、なぜ同じ機械の最大出力が下がるのか
結論は暖かい空気は密度が低く、同じ体積でも軽いからです
暖かい空気は同じ体積でも軽い
圧縮機は大量の空気を吸い込みます
同じ大きさの箱に空気を入れたと考えてください
冷たい空気は分子が詰まっているため重く、暖かい空気は分子が広がるため軽くなります
圧縮機が同じ体積の空気を吸い込んでも、夏は中に入る空気の質量が少なくなります
これを吸込空気の質量流量が減る、と表現します
酸素が減ると燃やせる燃料も減る
空気の質量が減れば、燃焼に使える酸素の量も減ります
燃料だけを増やすと適正な燃空比を外れ、燃焼温度や排出、機器保護の制限にかかります
そのため、取り込める空気量に合わせて燃料量も制限されます
燃やせる燃料が減れば、タービンへ入る燃焼ガスのエネルギーも減り、最大出力が下がります
さらに、暖かい空気を圧縮する時は圧縮機が必要とする仕事も増えるため、効率にも不利です
流れを一列にするとこうなります
気温上昇→空気密度低下→吸込質量流量低下→酸素量低下→燃料量が制限→出力低下
磁力マル夏バテしているのはタービンではなく、入口の空気が薄くなっているからでち！
吸気を冷やして出力低下を抑える方法もある
夏季の出力低下を抑えるため、圧縮機へ入る前の空気を冷やす吸気冷却設備があります
吸気を冷やせば空気密度が上がり、圧縮機へ入る質量流量を増やせます
ただし、冷却方式、外気の温度と湿度、補機が使う電力によって効果は変わります
吸気を冷やせば必ず同じだけ出力が戻る、と単純には言い切れません
ガスタービンと蒸気タービンの違い
名前はどちらもタービンですが、回している流体と起動の考え方が違います
スクロールできます
| 比較項目 | ガスタービン | 蒸気タービン |
|---|---|---|
| タービンを回す流体 | 燃焼ガス | ボイラで作った蒸気 |
| 熱から回転力まで | 燃焼ガスで直接回す | 水を蒸気にしてから回す |
| 起動 | 速い | 暖機に時間が必要 |
| 運転員の手数 | 自動シーケンス中心で少ない | 蒸気条件や暖機の確認が多い |
| 夏の外気温 | 出力へ直接影響しやすい | ガスタービンほど直接的ではない |
| 排気・排熱 | 高温排気を再利用できる | 復水器で蒸気を水へ戻す |
どちらが上という話ではありません
ガスタービンは速く立ち上がり、高温の排気が残ります
蒸気タービンは、その排熱から作った蒸気でも発電できます
両方を組み合わせたものがGTCCです
ガスタービンで1回発電し、その排ガスを排熱回収ボイラへ送り、作った蒸気で蒸気タービンを回してもう1回発電します
蒸気側の機器を先に理解したい方は汽力発電の主幹系統用語集をどうぞ
あわせて読みたい
汽力発電の主幹系統｜新人が最初に叩き込まれる用語を運転員が解説
前職の汽力発電所で新人だった頃、机上教育で最初に叩き込まれたのが主幹系統の用語でした 先輩から渡された資料は略語だらけで、正直、教科書と現場で言い方がずれる場…
現場で感じたガスタービンの特徴
汽力からGTCCへ移った俺が感じた違いを、最後に3つまとめます
並列までがとにかく速い
一番驚いたのは、やはり並列までの速さです
汽力の長い起動を知っていると、点火後に自動シーケンスが進み、短い時間で系統へつながる感覚は別の乗り物に見えます
点火は手こずるが、一度起動すれば安定する
俺の経験では、最初の点火で燃焼がきれいにそろわず、トリップする場面は珍しくありませんでした
一方で、点火が成立して無事に起動できれば、その後はなかなかトリップしません
起動の入口に難所が集中している印象です
蒸気タービンより起動時の手数が少ない
蒸気温度、金属温度、ドレン、暖機などを順番に見ていく汽力と比べると、ガスタービンは運転員が行う手数が少なく、とにかく楽です
楽というのは、設備が単純で保護が要らないという意味ではありません
複雑な制御と保護を自動化し、機械側が多くの仕事を引き受けているから、運転員の操作が少なく見えるということです
電力ニキ汽力から移った時は、起動時に触る場所の少なさに驚きました その分、制御が何をしているかを理解することが大切です
汽力からGTCCへ移った経緯は転職体験記にまとめています
あわせて読みたい
【体験記】汽力火力からGTCCへ転職した話
はじめに 俺は、汽力発電所で運転員として長年経験を積んだ後、GTCC（ガスタービン・コンバインドサイクル）発電所への軸足の移し変えを経験してきた、現役の発電所運転…
よくある質問
ガスタービンのガスは天然ガスのこと？
名前のガスは、タービンを回す高温の気体を指します
天然ガスが代表的な燃料ですが、液体燃料などを使うガスタービンもあります
燃料がガスだからという理由だけで、ガスタービンと呼ぶわけではありません
ジェットエンジンと何が違う？
圧縮機で空気を圧縮し、燃焼器で燃やし、タービンでエネルギーを取り出す基本原理は共通です
発電用ガスタービンは回転力で発電機を回すことが目的です
ジェットエンジンは高速の排気から推進力を得ることが主な目的です
ガスタービンだけでも発電できる？
できます
ガスタービンと発電機だけで発電する方式をシンプルサイクルと呼びます
さらに排熱回収ボイラと蒸気タービンを組み合わせた方式がコンバインドサイクルです
夏でも起動できる？
起動できます
ただし吸気温度が高いほど空気密度が下がるため、最大出力と効率は低下します
どの程度下がるかは機種・設備・気象条件で変わります
まとめ｜空気を圧縮して燃やし、そのガスで直接回す
最後に要点をまとめます
- ガスタービンは圧縮機・燃焼器・タービンの3要素で構成される
- タービンの回転力は圧縮機と発電機の両方を駆動する
- 起動の難所は最初の点火で、点火後は自動シーケンス中心で速い
- 通常運転はほぼ自動だが、燃焼チューニングは時々必要になる
- 夏は空気密度と吸込質量流量が下がり、燃やせる燃料量が制限されるため出力が落ちる
- ガスタービンの排熱を蒸気タービンで再利用する方式がGTCC
ガスタービンは、仕組みだけなら圧縮・燃焼・膨張の3段階です
現場で見ると、速さを支える自動制御と、最初の点火に安定燃焼の難しさが詰まっています
点火を越えれば速い 夏の出力は入口の空気で決まる
発電所で働くことに興味がある方は、未経験からの入口をまとめた発電所で働くためのスタートガイドもどうぞ
あわせて読みたい
発電所で働くには？新卒・未経験・中途の入り方を現役運転員が解説
「電気科卒や電験三種の資格がないと、発電所では働けない？」 「未経験可の求人は見つかるけど、本当に自分も応募できる？」 「そもそも、どんな職種名で探せばいい？…
