トップガス回収タービンユニットの改造

目次

1. TRTユニットの概要

2. TRTユニットの現在の運用分析

3. TRTフローパスの最適化と変換のための先進技術と設計方法

4. TRTフローパスの最適化結果

5. オンライン高炉ガスタービンのエネルギー効率および寿命分析管理インテリジェンスシステム

6. TRTフローパスの最適化と変換範囲および標準への適合

6.1　TRT流路改造に準拠する規格

6.2　TRT流路改造および供給範囲

7. TRT変換作業プロセスとサイクル

8. 葉の寿命を延ばすための措置とそのメリット

9. 品質保証および性能適合保証

10. アフターサービス

10.1　TRT改造現場サービス

10.2　長期TRT保守サービス

10.3　ブレードなどの消耗部品の長期供給

11. 関連付録

1. TRTユニット概要

* * * * * * * * * * * 会社（以下「* * * * * * スチール」という）の1250m3高炉は乾式バッグ式集塵装置を採用しており、それに組み合わされた高炉ガスタービンTRTは高炉頂上ガスの残圧を利用して発電し、企業に大きな経済的利益をもたらしています。

TRT装置は、初期に三井物産およびスルツァー社の技術を導入した西安山古電力有限公司（Xi'an Shangu Power Co., Ltd.）が設計・製造したもので、型式はMPG9.2-280.6/180である。先進国における最新TRT技術と比較すると、国内TRT装置の性能指標、特に流路効率において依然として大きな差が存在する。国内装置の流路効率は現在も65～75％程度であり、国際的に先進的な水準である84～92％を大きく下回っている。このため、稼働中のTRT装置の流路を最適化することが必要である。

当社は、ドイツおよび日本から最先端のTRTタービン流路設計技術を導入し、中国国内で稼働中のTRT装置に適用しています。これにより、TRTの効率が大幅に向上します。すなわち、既存のガス流量・圧力・温度・組成などの運転条件を維持したまま、発電出力が10～20％増加し、より大きな経済効果を生み出すとともに、省エネルギーおよび排出削減にも貢献します。

プロジェクト	単位	運転点
		設計点	最大点
局地大気圧	KPa(A)	100
タービン速度	r/min	3000
タービン入口ガス流量	10,000 Nm³/h	245000	270000
タービン入口ガス圧力	KPa(G)	180	200
タービン入口ガス温度	℃	180	230
タービン出口におけるガス圧力	KPa(G)	10	10
タービンシリーズ	-	2	2
タービン出力	KW	7230	9200
表1 TRT元の設計パラメータ

2. TRTユニットの現在の運用分析

歴史的な運転記録によると、ある日のユニットの運転状況の分析（図1参照）では、入口流量の変動に伴い、ユニットの実際の運転効率値は60〜75%の間であることが示されています。

図1 ある日のTRTユニットの運転状態（効率と入口流量）

図2 ある日のTRTユニットの運転状態記録

このタイプのユニットの運転点における流量の分析は以下の通りです：

図3 このタイプのユニットの通過流れ修正前のマッハ数分布

図4 このタイプのユニットの通過流れ修正前の速度分布

三次元CFD流れ場の解析により、このタイプのユニットにおける静翼および動翼の空力設計は比較的遅れており、気流分布に多くの問題が存在することがわかります。速度分布や角度分布の不合理さ、分離流れや後退プロファイルなどが挙げられます。図4に示すように、第2段ローターブレードの停滞点は先端からずれ、圧力面の前端に位置しており、明らかな衝撃角損失が発生しています。吸込面の高速領域は流れ損失を増加させています。第1段および第2段ローターブレードの吸込面では、明らかな流れ分離現象が見られ、渦損失や不安定な内部流れ場が引き起こされています。これらすべてが低い流れ効率につながっており、流れ路の最適化が必要です。

3．TRT流路の最適化・改造のための先進技術および設計手法

4．TRT流路最適化の成果

流れの最適化設計は、前述の解析と設計プロセスに従います。まず、現在のユニットに対してマクロ（一次元、二次元）およびミクロ（三次元CFD）計算と評価を行い、現在のユニット設計における空力問題を分析します。その後、先進的な反応型タービンの空力設計概念と組み合わせて、流れ路の配置（一次元）、渦制御流れパターン（二次元）、ブレード形状および段階的なマッチングを段階的に深化させ、最適化し、最終的に信頼性のある空力設計案が形成されます。

図5 元の子午断面流れ設計

• 子午断面の高さと角度設計；

• -軸方向速度分布の最適化； -最適なブレードアスペクト比； -ギャップ損失の低減；

• ブレード間隔の最適化：

• -二次流損失と目覚め損失の低減；

• 径方向渦制御の再設計；

図6 一次元および二次元設計による最適化後の子午断面流れ設計とブレード配置

一次元および二次元設計を通じて、より合理的な流路断面設計が可能となり、気流分布が均一化されます。これにより、各段におけるエンタルピー降下の分布や反動度の設定が適切になります。また、翼型のアスペクト比や相対ピッチなど、空力特性に影響を与える主要な幾何学的パラメーターも、最適な範囲内に収まります。先進的な翼型設計技術と渦制御技術を組み合わせることで、従来の空力設計で生じていた多くの課題を克服できます。

上述の最適化手法および方法を使用して、以下の三次元

流れ場結果が同じ入口パラメータの下で得られました

図7 同種のユニットにおける流れ最適化後のマッハ数分布

上記の図からわかるように、最適化後は衝撃角損失が明確に低減され、滞留点の位置ずれも修正されています。ロータブレードにおける流れの剥離は発生しなくなり、第2段ステータブレード内の流れ分布も改善されています。全体として、最適化された設計により、軸方向および径方向の両方において流れ場の分布がより均一かつ合理的になり、流体の剥離、二次流損失、衝撃角損失、排気損失が低減され、全体効率が大幅に向上しています。

最適化された2段目のブレードは純粋な反応型で設計されており、負荷係数と反応度のマッチングが理想的な値に近く、残留速度損失を大幅に低減し、排気拡散管の効率を向上させています。

図8 同タイプユニットの流れ最適化後の速度分布

プロジェクト	単位	運転点
局地大気圧	KPa(A)	101.325
タービン速度	r/min	3000
タービン入口ガス流量	10,000 Nm³/h	24.5
タービン入口ガス圧力	KPa(G)	180
タービン入口ガス温度	℃	180
タービン出口におけるガス圧力	KPa(G)	10
タービンシリーズ	-	2
タービン流れ効率	%	86.0
タービン出力	KW	8122
表3 TRT流れ最適化結果

上記から、最適化後、流路内の内部効率は86.0％に達し、10％以上向上しました。同一の入口条件（流量、圧力、温度、組成など）において、単位出力は892kW増加し、設計値の7230kWを上回りました。産業平均電力価格が1kWhあたり0.65元、年間運転時間8000時間であることを前提とすると、年間発電量の増加分は731.6万kWh、発電による収益増加額は463.8万元となります。

変動運転条件（部分負荷およびピーク負荷）におけるTRTユニットの性能は大幅に向上し、効率曲線はより広い変動負荷範囲で元のものと比較して比較的平坦になり、全体としてTRTユニットが最適な高効率運転状態にあります。

TRTブレードの耐用年数が延び、大規模修理の間隔が延び、修理作業量が減少します。

ユニットの大型ブレード振動、高い推力タイル温度などの問題が解決され、ユニットの安全性と使いやすさが向上しました。

5．高炉タービンのオンラインエネルギー効率・寿命解析向けスマート管理システム

このソリューションには、「高炉ガスタービンのオンラインエネルギー効率・寿命管理のためのスマートシステム（TELM＋システム）」も含まれます。本システムは、ガスタービンのエネルギー効率指標をオンラインでリアルタイムに分析するだけでなく、運用に必要な大量のデータも生成します。システム内蔵のスマートアルゴリズムおよび独自のエキスパートシステムにより、運転最適化に関する提案が提供され、設備をより高い効率領域で運転できるよう支援します。また、ブレードへの粉塵付着やブレード摩耗・欠損といった課題に対しても、組み込み型のスマート予測モジュールを通じて、AIが粉塵付着の程度およびブレードの摩耗・欠損状態を評価し、対応策を講じるための科学的な判断根拠を提供します。

システムは機械学習の機能を持っています。運転データの蓄積に伴い、システムが自動生成するエネルギー効率分析と寿命予測レポートがより正確になり、これは運転と保守を大幅に容易にし、高炉ガスタービンの運転をより効率的かつ健全にし、運転率を向上させ、計画外のダウンタイムを削減します。

6．TRT流路最適化改造の範囲および適合基準

6.1　TRT流路改造に適用される基準

GBT 28246-2012 「高炉ガスエネルギー回収タービン膨張機」

GBT 26137-2010 「高炉ガスエネルギー回収タービン膨張機の熱性能試験」

JB/T4365 「潤滑、シールおよび調整油システム」

JB/T9631 「蒸気タービン用鋳鉄部品の技術条件」

JB/T9637 「タービン組立の技術条件」

GB/T7064 「タービン型同期モーターの技術要求」

GB6222 「国家ガス安全規程」

YBJ207「冶金機械設備インストール工事施工及び検収規範」油圧、気圧および潤滑システム。

上記作業は、最新の国家标准、国家技術標準および業界標準を実施します。

6.2　TRT流路改造および供給範囲

ユーザーのTRTユニットモデルおよび運転開始以来の実際の状況に基づき、流れ路の最適化および変換には次のものが含まれます：

a) 2段の静翼をすべて交換する。

定子羽根設計では特に入口縁Rに対して複数回の計算を行い、入口攻角の広い変動範囲に適合し、設計点前後で広範な動作条件において高効率を確保します。

b) ベアリングシリンダーを交換する。

シリンダベアリングの材質はQT400-15Aで、中心位置は構造的に調整可能であり、製造誤差を補正し、外殻の中心とロータの中心の一致を確保し、ブレードとシリンダ壁間のクリアランスが小さく均一であることを保証し、信頼性と効率を向上させます。

c) 2段の動翼をすべて交換する。

ブレードは優れた空力性能を持ち、粉塵の付着や詰まりが発生しにくい特長がある。構造的には強度および振動に関する要求仕様を確実に満たすよう設計されている。ローターブレードは高強度・耐熱性ステンレス鋼で製造されており、テンオン（ブレードの固定部）にはファーツリー形状の高強度構造を採用し、ブレードの疲労寿命を確保している。すべての動翼は周波数試験を実施し、保守時の参考となるよう記録される。

d) ローター（主軸）を交換する。

メインシャフトは、高強度合金鋼25CrNiMoVの一貫鍛造を採用し、材料の結晶構造、物理的および機械的特性がTRT運転の要件を完全に満たすようにし、ローターには動バランス試験が行われます。

e) 動翼および静翼のシール処理。

コンピュータソフトウェアを使用して作業環境をシミュレートし、必要な状態におけるブレードの歪みと変位を厳密に計算し、チップクリアランスとルートクリアランスを最適化し、空気漏れ損失を低減し、流れ効率を向上させます。

シリアル番号	氏名	型式／仕様	数量／単位	備考
1	第1段ステータ	材質 17-4PH	1セット
2	第1段ロータ	材質 2Cr13	1セット
3	第2段ステータ	材質 2Cr13	1セット
4	二次ロータ	材質 2Cr13	1セット
5	ロータ軸	25CrNiMoV	1セット	軸端シール
6	ベアリング筒（上下）および付属品ガイドリング	QT400-15A	1セット	駆動付属品を含む
7	BPRT／TRT オンラインエネルギー効率解析および寿命管理インテリジェントシステム	TELM+システム	1セット	ホストコンピュータ、ディスプレイ
MPG9.2-280.6/180 TRTユニット 流量最適化改造 工事範囲

7. TRT変換作業プロセスとサイクル

ユーザーとのTRT最適化改造契約締結後6か月以内にすべての改造工事を完了し、実際にTRTの運転に影響を与える現場での改造および設置作業は通常10日を超えないものとする。

8. ブレード寿命延長の対策と効果

高ダスト含有量でブレード寿命が短いTRTユニット使用者において、ブレード材質をアップグレード（17-4PH）し、表面にセラミックコーティングを噴霧することで、ブレード寿命を大幅に延長できる（耐用年数が2倍以上になる）、メンテナンスサイクル間隔を延ばし、メンテナンス作業量を削減できる。

17-4PH材（0Cr17Ni4Cu4Nb）は、銅およびニオブ／コロンビウムを含む析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼であり、高強度・高硬度および優れた耐食性を有します。熱処理後、製品の機械的特性がさらに向上し、引張強さは890～1030 N/mm²に達します。また、酸や塩に対する耐食性も良好で、2Cr13よりも優れた性能を発揮します。

	0Cr17Ni4Cu4Nb	2cr13
剛性	277~311HB	217~269HB
引張強度	900~970mpa	690mpa
降伏強さ	760~900mpa	490mpa
表3 ブレードの材料特性比較 17-4PH／2Cr13

TRTユニットのブレードは特殊な作業環境下で使用されるため、スプレー処理を適応的に改良し、プラズマスプレーによるセラミック被覆技術をTRTブレードの表面防食に適用しました。プラズマスプレーとは、プラズマにより高温で溶融させた材料を、高速ガスで部品表面に吹き付け、被膜を形成するプロセスです。セラミック被膜の厚さは0.35 mmです。この処理は、優れた気流効率およびブレード強度を確保しつつ、優れた耐熱衝撃性および剥離抵抗性も兼ね備えています。また、被膜表面の粗さは低く、処理後のセラミック表面粗さは0.7 μmに達し、非常に滑らかです。スケール防止剤と併用することで、ブレード寿命の延長効果が明確に確認されています。多くのTRTユーザーの実績から、本プロセスによるTRTブレードは優れた耐摩耗性および耐腐食性を有することが証明されています。

上記の寿命延長技術を採用することにより、ブレードの保守周期が従来の1.5～2倍に延長され、保守頻度の低減、保守コストの削減、および運転停止による省エネ効果の損失低減が期待されます。

9. 品質保証および性能基準保証

ボイラーガスタービン（TRT）の流路の最適化および変換技術が先進的で安全かつ信頼性があり、類似の応用性能を持つことを確保する；

供給する部品の品質を確保し、納入前にすべての部品について必要な検査および試験を実施し、設計および製造全体が関連規制の要求を満たすことを保証します。使用材料はすべて適合品であり、対応する材料品質証明書を提供できます。

設置およびデバッグ後、提供された部品は標準で要求される安全性と信頼性に達し、通過流量の変更に関する性能目標値を満たしています：

TRT流量の最適化および改造後、両者が合意した性能評価概要に基づき、契約で規定された運転条件パラメータにおいて、TRT発電出力の増加は892kWを超えることが保証されます。

10 アフターサービス

10.1 TRT改造工事における現地サービス

ユーザーに効率的かつ高品質なアフターサービスを提供する。資格と経験を有するサービスマネージャーを配置し、改修プロジェクトの実施状況を定期的に報告する。契約に基づき、改修に必要な部品を納入する。また、現地設置・据付・試運転などの技術サービスを担当する専門の現地技術サービス担当者／チームを手配する。改修後の装置が所定のスケジュールで据付・評価を完了した後、1年間の保証期間内において無償の技術サービスを提供する。

10.2 TRTの長期保守サービス

タービンエンジニアと専門家で構成される保守チームは通常、次のような保守サービスを提供します：

シリンダーを開けてロータを清掃する。動翼の修理または交換。ロータハブの摩耗部の修理。シャフト上のすべてのシール部品を交換する。ジャーナルの修理。

メインシャフトのジャーナル、推力板、およびブレードルートグローブには着色探傷検査を行います。

ベアリングシリンダーの錆取り、変形検査および摩耗部品の修理；

固定ブレードの修理または交換、固定ブレードベアリングおよびその他の部品の交換；

ロータが修理された後、3000 r/minの速度で高速動バランスを行います。

動翼と静翼のクリアランスをチェックする；

現場設置に必要なシリンダーベアリングのシールストリップおよび位置決めピン；

他の顧客が必要とするTRTサービス

10.3 ブレードなどの長期的なスペアパーツ供給

ブレードの生産・製造能力を持ち、ブレードの備品倉庫があります。通常のブレードは顧客の緊急ニーズに対応できます。

11. 関連付属書類

主要な加工・製造設備の一覧

装置の種類	モデル	能力	作業物の重量	数量	原産地
		XxYxZ	(kg)	(セット
水平加工センタ（四軸）	HM630	1000x800x850	1200	1	斗山、韓国
垂直加工センタ（五軸）	XHK800	1250 x400 x400	1000	1	中国で
垂直加工センタ（五軸）	HL5001A	φ800 x320	1000	1	中国で
高速垂直マシニングセンタ（四軸）	VF3SS／VF3／VF4	1016 x508 x635	800/1600	6	ハース、アメリカ
垂直マシニングセンタ（四軸）	VM1300A	1300 x650 x710	1500	2	中国で
垂直マシニングセンタ（四軸）	BV100	1050 x510 x560	700	2	中国で
レーザー溶接システム	RC-LCD-800W	固定式／可動式	1500/30000	1	中国で
ステライト溶接／高周波焼入れシステム	GGC-80-2	1500 x500 x500	500	1	中国で
ベルトサンダ研磨機	2M5430	φ200 x50	50	12	中国で

数値制御工作機械群

レーザー溶接システム

ステライト溶接／高周波焼入れシステム

ロータの設置およびメンテナンス装置

研磨帯研削および研磨機群

装置タイプ	モデル	測定範囲		数量	原産地
		XxYxZ		(台湾)
座標測定機<br>	X08107	800x1000x700		1	ウェンツェ、ドイツ
50倍プロジェクター	JT36-500	200 x100 x70		1	Xintian Optoelectronics
工具測定器	E238	φ280 x380		1	ELBO, イタリア
粗さ測定器	SJ-210			1	MITU、日本
周波数試験システム	FSA-C	200-1200		1	西安交通大学
ブリネル硬度計	HB-300B			1	北京時代
非破壊検査機	CJW-2000I	0-1500		1	江蘇三盛大
スペクトラムアナライザ	WX-5			1	天津進飛
座標測定機<br> ‍			50倍プロジェクター
工具測定器			粗さ測定器
磁粉探傷機			磁粉探傷機

11.1 顧客一覧

主タービンのサプライヤー

陝西鼓風機（グループ）有限公司

成都エンジン（グループ）有限公司

南京汽輪機電機（グループ）有限公司

ハルビン蒸気タービン工場有限公司

ドンファン蒸気タービン有限公司

北京北重トラックモーター有限公司

……

最終顧客

河北省鋼鉄集団有限公司

山東鉄鋼集団有限公司

江蘇沙鋼集団有限公司

連峰鋼鉄（張家港）有限公司

常州中天鋼鉄集団有限公司

甘肅酒鋼集団公司

中国大唐集団公司

チャイナ・リソース電力ホールディング有限公司

……

11.2 経験

中天鋼鐵の6番ロータ軸受鋼の分解と修理

中天鋼鉄公司第10号ロータのベアリング鋼の分解・組立による修理

中天鋼鉄の7番BPRTロータの分解とブレードの交換、ロータ軸受筒の修理

沙鋼グループ華盛製鉄の2番TRTロータの分解と全セットの動的・静的ブレードの交換、ロータ軸受筒のグランドレーザークラッディング

沙鋼グループ華盛製鉄の7番TRTロータの分解と全セットの動的・静的ブレードの交換

中国船舶重工集団のスライドオイルポンプ蒸気タービンの製造、組み立て、試運転

唐山瑞豊鋼鉄MPG9.7BPRTロータベアリングシリンダーの分解・オーバーホール

沙鋼第一焦化18MW産業用蒸気タービンのロータ組み立て

山東省桓台熱電 25MW 高温高圧蒸気タービンロータの分解および組立ブレード

济南鋼鉄 3200 ベスチグ炉のTRTロータの分解および修理

長強鋼鉄タービンの最終段ロータの分解および組立

酒泉鋼鉄 3#TRT ロータの分解およびブレード交換

本溪鋼鉄の「MANタービン」TRTロータの分解および組立用ブレードの作図と製造

大唐保定熱電 8#9#125MW 蒸気タービン低圧ロータの最適化

济宁金威 50MW コンバインドサイクル蒸気タービンの最適化

北安熱電廠 50MW コンバインドサイクル蒸気タービンの最適化

虎林河発電所 100MW 蒸気タービンの再構築

連峰鋼鉄 25MW 蒸気タービンロータブレードの最適化

蓮峰鋼鉄での3#BPRTローターブレードの最適化

蓮峰鉄鋼公司での6#TRTローターブレードの最適化

蓮峰鋼鉄での4#BPRTローターブレードの最適化

蓮峰鉄鋼公司での7#TRTローターブレードの最適化

11.3 関連写真