小型、低コスト、高効率のガスタービンは、多くの利点と潜在的なアプリケーションを特徴とする第4世代のテクノロジーを公益事業産業に提供します。 たとえば、孤立したコミュニティ、商業センター、および産業への安定した電力供給、追加負荷の増分コストを削減するための公益事業システムのピークカット、需要料金を削減するための大規模な商業および産業施設のピークカット、さらにスタンバイ、緊急電力、無停電電源（UPS）などがあります。 この記事で取り上げた発電機は、International Power and Light社がAllison Engine Co.と共同で開発しているものです。 (Rolls Royce plcの一部門)、General Electric Co. アリソンはタービン発電機を開発し、ゼネラル・エレクトリックは制御装置とインバータを設計し、ユニットの現場エンジニアリング、設置、現場保守を担当する。
小型ガスタービンエンジンは、当初1960年代にアリソンによって地上輸送用に開発された。 最初の大規模な実地試験は、1971年にグレイハウンド社のバス6台にアリソンGT404タービンエンジンを搭載して始まりました。 310bhpのタービンエンジンは、ツインリジェネレータシステムにより、ガス経路から熱を再利用して吸入空気を予熱し、排気を500〜600F以下に冷却する2段式と説明された。 1978年までに、これら6台のテストベッド・バスは100万マイル以上を走行し、グレイハウンド社の経営陣はタービン・エンジンを都市間バス輸送の技術的なブレークスルーと見なしていた1。
1976年、アリソンはGT 404タービンを搭載した発電機の開発を開始し、米軍のパトリオット・ミサイル・システムのレーダー・セットと交戦管制ステーションに電力を供給するようになりました。 このプログラムの主な目的は、100%のバックアップを提供する150kWの発電機セットを2台、陸軍の5トントラックに積めるように1つのコンテナに入れることでした。 その他の目標としては、ツインで回転するセラミックディスク再生器の使用による燃料消費の最小化や、調整なしで信頼性の高いマルチ燃料能力の開発などがありました。 1978年、アリソンは実地試験用の軍用仕様のタービン発電機セット5台の設計、開発、製造を開始しました。 完成した発電機セットは、アバディーン、ベルボア、エルジン、ホワイトサンズの各施設でテストされ、以下の結果を得ました。
z 従来の発電機と比較して、燃料消費量を1時間当たり48ガロンから16ガロンに削減。
z マイナス50Fでのフリーシャフト始動はヒーターなしで達成されました。
z ディーゼル、JP、ガソリンでのマルチ燃料能力が実証されました。 湾岸戦争で採用されたパトリオットシステム用に、現在までに2,000台以上の発電機セットを納入しています。 2
マイクロタービンの特長
発電機、エアコンプレッサ、タービンがエアベアリングに取り付けられた1本の回転軸のため、潤滑が不要です。 発電機は空冷式で、発電機を冷却するために吸気口から空気を取り込みます。 空気は圧縮された後、再生器を通って燃焼室に導かれる。 再生器はセラミック製の円盤で、排気口と燃焼室の入口の前でゆっくりと回転する。 ディスクは高温の排気ガスで加熱され、圧縮された吸入空気の温度を上昇させ、燃費をさらに向上させる。 軸回転数は約80,000rpmで、発電機から高周波の交流が供給される。 設置されたパワーエレクトロニクスは交流を直流に変換し、直流インバータは480V、三相、60Hzまたは230/400V、三相、50Hzを供給する。
表1に示すガスタービン発電機は小型・軽量なので、電力会社はほとんどどんな場所にも設置できる。 また、メンテナンスや修理が必要な場合は、発電所で交換し、中央の工場に持ち込むことが可能で、250kWのものでもピックアップトラックで輸送することができる。 比較のため、典型的な50kWと250kWのディーゼル・ユニットの寸法と重量を表1に示す。 表2は、これらのタイプのプラントについて、1kWあたりの購入費と設置費の概算を示したものである。 また、双方向通信により中央のオペレーションセンターから派遣することも、ローカルで監視・制御することも可能で、運用もシンプルです。 メンテナンスおよびオーバーホールの費用が低く、1 kWh あたり 0.005 ドル以下 (30,000 時間ごとまたは約 3 ～ 4 年ごとのオーバーホールを含む) であることも、マイクロタービン発電所の特徴です。 ケース1は250kWの負荷に50kWの発電機6台を使用した場合、ケース2は750kWの負荷に250kWの発電機4台を使用した場合である。 それぞれのケースで、年間負荷率は52%と100%です。 推定される年間コストと1kWhあたりのコストは表3にまとめられている。 天然ガスを燃料とする複数の集合発電機による1kWhあたり5セント以下の固定電力は、従来の送配電設備を介して供給される中央局発電機によるほとんどの電力と明らかに競合しています。 ディーゼル燃料が1ガロン当たり0.85ドルで、これは多くの地域でまだ競争力がある。
固定電力のみを供給する小型ガスタービンの効率は30%に近づいている。 この効率は、排熱を給湯、吸収式冷凍または冷却、空間加熱および産業処理に使用することにより、コージェネレーション・プロジェクトとして75％まで高めることができる。 コージェネレーション用途として、ディーゼルなどの高価な燃料でも経済的に実現可能である。
小型ガスタービン発電機は、電力会社が経済的にピークを削り、同時に緊急時のための容量を提供することができる。 これは、システム全体の効率を高め、従来の発電、バルク送電、配電設備への投資を削減することができる。 また、シェービングにより、変電所や配電フィーダーの容量が不足している地域でも、電力会社は負荷の増加分に対応することができます。 表 4 の例は、250 kW のタービン発電機を設置し、毎日 3 時間運転するための燃料とメンテナンスを提供するための年間コストの見積もりである
このコストは、需要側管理 (DSM) と比較することが可能である。 北東部の大手電力会社が給湯器、エアコン、暖房を制御するDSMシステムを導入・運用した場合の年間コスト経験を表5にまとめ、ガスタービンのピークカット費用と比較した。3
小型タービンはDSMの費用の30～50%でピークカットができ、顧客の家電製品の制御に関する問題も解消できる。 さらに、ロードセンターの近くにある小型発電機は、非常用電源も提供できる。 分散型発電によるピークカットがシステム運用に与える実際の影響については、電力会社が調査する必要がある。
顧客に関する考察
すべての公益事業会社は、主要な商業および工業顧客に対して需要料金を設定している。 小型タービン発電機は、これらの顧客によって、または顧客のために適用され、需要料金を削減することができる。 表6は、ピーク負荷250kWの顧客に対して、2種類のデマンドチャージでのコストを示したものである。 小型ガスタービン発電機は、イニシャルコストが低く、メンテナンスが最小限で済み、信頼性が高いため、UPSや非常用待機電力として理想的な選択肢である。
スタンバイサービスに使用する場合、小型タービン発電所を配電回路に接続して、病院の手術室、重症患者用施設、非常灯、通信、冷蔵庫、冷凍庫、エレベーター、セキュリティシステム、レジなどの緊急負荷に対応することができる。 発電所の電子制御は、主電源から供給されるサービスを常に監視しています。
サービスが中断されると、制御は二次回路を主電源から切り離し、発電所に接続させるようにします。 z
Author:
Walter G. Scott, P.E. は、アリゾナ大学で電気工学の理学士号と理学修士号を取得しました。 米国電気電子学会（IEEE）上級会員、全米専門技術者協会会員、アリゾナ州、ミシガン州、ミズーリ州、オハイオ州の登録専門技術者です。 この論文は、1997年4月20日〜22日にミネアポリスで開催されたIEEE Rural Electric Conferenceで発表されたものです。
1 R. Rose, “Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: 7229>
2 S.C. Laux, Allison Gas Turbine Division & R.N. Ware, U.S. Army, “Application of a Vehicular Designed, Heavy-Duty Gas Turbine Engine to a Military Generator Set,” Paper 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, March 18-21, 1985.
3 H. L. Hacker, Allison Gas Turbine Dimonstration,” “自動車推進システムにおけるシンポジウム、Dearborn, Mich.October, 1980.3.25” “Gas Turbine Transit Bus,” “自動車用ガスタービンのアップグレードと商用化” “自動車推進システムにおけるシンポジウム、” “Development”． 李ウィリス、ラクリフ、G.B.、「統合資源T&D計画入門」、ABB Power T&D Co.発行。 1984.7229>
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Micro-size gas turbines create market opportunities
By Walter G. Scott, International Power and Light
25～250 kWサイズの発電所により、電力会社、IPP、ESCOはさまざまな用途で経済的な電力を提供できるようになる
小型再生サイクルタービンエンジンは当初1960年代にアリソンエンジンが地上輸送用途に開発したものでした。 現在では、International Power社やGeneral Electric社と共同で、50kWと250kWの発電用ガスタービンを開発している。 写真は、40kWクラスの自動車用派生型ガスタービンエンジンを手に、アリソン社副プロジェクトマネージャーのドン・フレージャー氏（左）とショップフォアマンのデュアン・パーソンズ氏（右）です。
