(57)【要約】【課題】ガスタービンに供給される燃焼空気を効果的かつ均一に冷却できるようなミスト噴霧ノズルを備えたガスタービン吸気塔及び該噴霧ノズルの最適配置方法を提供する。【解決手段】吸気塔１０は、大気中からガスタービン燃焼用空気を取り込む空気取入口１１ａが設けられた吸気口部１１と、空気を浄化する吸気フィルタ１４を収納する吸気フィルタ室１３と、吸気口部１１と吸気フィルタ室１３とを連結して吸気通路を形成するダクト部１２と、吸気通路内に複数のミスト噴霧ノズル２１と、を備える。ミスト噴霧ノズル２１は吸気口部１１又はダクト部１２の吸気通路内に配置される。ミスト噴霧ノズル２１の個数は吸気通路内の風速に比例して調整して、噴霧されたミスト濃度が吸気フィルタ前面１４ａにおいて均一になるようにミスト噴霧ノズルが最適に配置されている。【選択図】図１
2010249043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中からガスタービン燃焼用空気を取り込む空気取入口が設けられた吸気口部と、
前記空気を浄化する吸気フィルタを収納する吸気フィルタ室と、
前記吸気口部と前記吸気フィルタ室とを連結して吸気通路を形成するダクト部と、
前記吸気通路内に複数のミスト噴霧ノズルと、を備え、
前記ミスト噴霧ノズルの配置位置は前記吸気口部又は前記ダクト部の吸気通路内とし、
前記ミスト噴霧ノズルの個数は前記吸気通路内の風速に比例して調整して、
噴霧されたミスト濃度が前記吸気フィルタ前面において均一になるように前記ミスト噴霧ノズルが最適配置されていることを特徴とするガスタービン吸気塔。
【請求項２】
吸気通路と吸気フィルタを有するガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法であって、
前記吸気通路内の風速分布を計算するステップと、
前記風速分布に基づいてミスト噴霧ノズル配置位置を選択するステップと、
前記配置位置の流路断面に複数の前記ミスト噴霧ノズルを配置し、さらにノズル系統に区分するステップと、
前記ノズル系統のうち一系統に属する前記ミスト噴霧ノズルだけがミスト噴霧された場合の前記吸気フィルタ前面の濃度分布を前記ノズル系統毎に計算するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果を用いて、複数のノズル系統に属する前記ミスト噴霧ノズルからミストが噴霧された場合に前記吸気フィルタ前面の濃度が最も均一になるように前記ノズル系統毎にノズル個数を調整するステップと、
を含むことを特徴とするガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法。
【請求項３】
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果により、前記ノズル系統相互の相関関数を求めて前記ノズル系統をグループに分けるステップと、
同一の前記グループの間で前記ミスト噴霧ノズルを再配置するステップと、をさらに含んだ請求項２に記載の最適配置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば火力発電所等に使用されるガスタービンの吸気塔及びガスタービン吸気塔にミスト噴霧する方法に関し、詳細には、ガスタービン吸気塔の吸気通路内に設けられたミスト噴霧ノズルを用いて吸気された空気を効果的にかつ均一に冷却してガスタービン出力を飛躍的に増大しようとするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンに供給される燃焼用空気は、大気中から吸気通路を経てガスタービンの空気圧縮機に取り込まれる。通常、ガスタービンが定格出力で運転する場合には、燃焼用空気の体積流量は、空気圧縮機の回転数が一定であることから常に同一であるが、その重量流量は、大気温度が低く空気密度が高いときは大きく、大気温度が高く空気密度の低いときは小さくなる。
【０００３】
また、ガスタービンの出力は、燃焼ガスの重量流量と燃焼ガス温度とに比例するが、通常、ガスタービンは、燃焼ガス温度を一定とするように運転されることから、例えば夏場のように大気温度が高くなると燃焼ガスの重量流量が減少し、ガスタービン出力が減少することになる。なお、ガスタービンを定格出力ではない状態で運転（部分負荷運転）する場合も同様に、重量流量の減少に伴いガスタービン出力が減少する傾向がある。
【０００４】
このため、従来より、吸気通路内で水などの冷媒を加圧してノズルより噴霧し、吸気に混入させ、冷媒が蒸発する際の気化熱で吸気を直接冷却する装置が知られている。例えば、本願の出願人は、特許文献１に開示するように、吸気塔１０の吸気口部の上流側にあたる空気取入口１１ａの縁部に沿って配設され内部に圧力水が注入されるパイプ２２０と、このパイプ２２０に取り付けられ圧力水を霧状に外部に放出する複数のスプレーノズル２１０とを備えた水噴霧手段２００（以下、「既存水噴霧装置」と呼ぶ。）を開発して上記問題の解決にあたっている（図１６を参照）。
【０００５】
この既存水噴霧装置２００は、例えば、吸気塔１０の空気取入口１１ａに１８４個のスプレーノズル２１０を一定間隔で設置し、２ｋｇ／ｃｍ２の圧力で噴霧粒径１６５μｍの水を噴霧させた場合、燃焼用空気温度が２．１℃低下し、ガスタービン出力が１．９ＭＷ増加できるといった実績を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１８１０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、既存水噴霧装置２００のような従来技術では、噴霧された水粒子の粒径が比較的大きいため、水粒子がスプレーノズル２１０から取入口に設置されたフィルタに到達するまでに十分に気化しきれずにフィルタにおいて目詰まりを起こしてしまう場合がある。また、フィルタ目詰まりの発生は、フィルタを通過する空気の圧力損失の増大を招き、ガスタービンに供給する空気量が低減してしまう。
【０００８】
さらに、この気化しきれない水粒子がフィルタを通過しガスタービンに流入すると、水滴のまま空気圧縮機の動静翼に直接衝突し、翼のエロージョンの発生要因となってしまう。このように、噴霧した水粒子をいかに効率良く気化させるかが課題であった。
【０００９】
また、既存水噴霧装置２００は、吸気口部の外側に配置されていたため、燃焼用空気を冷却すべき噴霧水が全て吸気塔１０の内部に流入せず、一部落下して吸気口部付近の屋上面３０が水浸しになることもあった。このように水噴霧を行うスプレーノズル２１０の最適な配置位置、配置数、噴霧量を求めることも同様に解決すべき課題であった。
【００１０】
加えて、既存水噴霧装置２００で達成している燃焼用空気温度低減効果（２．１℃）やガスタービン出力向上（１．９ＭＷ出力増加）にさらなる改善の要望があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、吸気塔から吸入されガスタービンに供給される燃焼空気を効果的かつ均一に冷却できるようなミスト噴霧ノズルを備えたガスタービン吸気塔及び該噴霧ノズルの最適配置方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係るガスタービン吸気塔は、
大気中からガスタービン燃焼用空気を取り込む空気取入口が設けられた吸気口部と、
前記空気を浄化する吸気フィルタを収納する吸気フィルタ室と、
前記吸気口部と前記吸気フィルタ室とを連結して吸気通路を形成するダクト部と、
前記吸気通路内に複数のミスト噴霧ノズルと、を備え、
前記ミスト噴霧ノズルの配置位置は前記吸気口部又は前記ダクト部の吸気通路内とし、
前記ミスト噴霧ノズルの個数は前記吸気通路内の風速に比例して調整して、
噴霧されたミスト濃度が前記吸気フィルタ前面において均一になるように前記ミスト噴霧ノズルが最適配置されていることを特徴とするように構成したものである。
【００１３】
上記課題を解決するために、さらに、本発明に係るミスト噴霧ノズルの最適配置方法は以下の構成を含むように構成したものである。すなわち、吸気通路と吸気フィルタを有するガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法は、
前記吸気通路内の風速分布を計算するステップと、
前記風速分布に基づいてミスト噴霧ノズル配置位置を選択するステップと、
前記配置位置の流路断面に複数の前記ミスト噴霧ノズルを配置し、さらにノズル系統に区分するステップと、
前記ノズル系統のうち一系統に属する前記ミスト噴霧ノズルだけがミスト噴霧された場合の前記吸気フィルタ前面の濃度分布を前記ノズル系統毎に計算するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果を用いて、複数のノズル系統に属する前記ミスト噴霧ノズルからミストが噴霧された場合に前記吸気フィルタ前面の濃度が最も均一になるように前記ノズル系統毎にノズル個数を調整するステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係るミスト噴霧ノズルの最適配置方法は、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果により、前記ノズル系統相互の相関関数を求めて前記ノズル系統をグループに分けるステップと、
同一の前記グループの間で前記ミスト噴霧ノズルを再配置するステップと、をさらに含むように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記のような構成によれば、ノズルから噴霧されたミストが、空気が吸気フィルタに流入するまでに効率的に気化できるようになり、吸気フィルタから流入しガスタービンに供給される空気は均一に冷却される。これにより、燃焼空気の重量流量を増加させ、ガスタービン出力を飛躍的に増加させることができる。特に、夏場などの大気温度上昇によるガスタービン出力の減少の課題を簡易に解決することができる。
【００１６】
また、上記のような構成によれば、ノズルから噴霧されたミストが、空気が吸気フィルタに流入するまでに効率的に気化できるようになり、従来の技術によって発生しうる不具合であるフィルタ目詰まりの問題を排除することができる。また、タービン翼のエロージョンが発生するおそれもない。
【００１７】
また、従来の水噴霧装置では、空気冷却に効果のない箇所にも多数のノズルが配置されていたが、本発明の方法によれば、必要な配置位置に必要な数だけノズルを配置することができ、また、障害物の存在により所望の数だけノズルを配置できない場合が生じても、同様の濃度拡散効果を奏する別の代替位置にノズルを配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る吸気塔の吸気通路を示した断面図である。
【図２】本発明に係る吸気塔の吸気通路内の空気の流れを示した透視斜視図である。
【図３】ミストノズル最適配置方法を説明したフローチャートである。（実施例１）
【図４】実施例１の数値解析モデル（気流解析用計算メッシュ）を示した図である。
【図５】実施例１の数値解析結果（気流分布）を示した図である。
【図６】実施例１の数値解析結果（濃度分布、ノズル候補位置Ａ）を示した図である。
【図７】実施例１の数値解析結果（濃度分布、ノズル候補位置Ｂ）を示した図である。
【図８】実施例１の数値解析結果（濃度分布、ノズル候補位置Ｃ）を示した図である。
【図９】ミストノズル最適配置方法を説明したフローチャートである。（実施例２）
【図１０】ミストノズルの配置と系統区分の一例を示した図である。
【図１１】実施例２の濃度解析ステップでのミスト噴霧条件を説明した図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は隣り合うノズル系統相互の濃度結果の相関関係を示し、（ｃ）は、相関関係から求められたノズル系統のグループ分けを示した図である。
【図１３】実施例２の最適配置方法により得られた系統毎のミスト噴霧量（ａ）と、ミストノズル配置数（ｂ）とを示した図である。
【図１４】実施例２の数値解析結果（濃度分布、ノズル配置位置Ａ）を示した図である。
【図１５】ガスタービン出力の経時変化の実測値を示した図である。
【図１６】既存水噴霧装置を示した図である。（従来技術）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。
【００２０】
図１及び図２は、本実施形態で説明する火力発電所設備の一部である吸気塔１０の断面図及び透視斜視図を示している。吸気塔１０は、吸気口部１１と、ダクト部１２と、吸気フィルタ室１３と、を備える。吸気口部１１とダクト部１２と吸気フィルタ室１３とは夫々、空洞状の矩形断面を有する。なお、吸気塔１０は、火力発電所設備の屋上３０を挟んで複数個（図示の場合、左右対称となるように２個）設けられている。また、火力発電所設備は仕切り板４０によって縦方向に分割されており、図示の吸気塔１０と同様な構成をした複数の吸気塔（図示せず）が配置されている。なお、本実施形態では、ダクト部１２の壁と吸気フィルタ室１３の壁との一部が仕切り板４０をなす。
【００２１】
吸気口部１１には、大気中に開口された空気取入口１１ａが設けられ、ガスタービン燃焼用空気はこの空気取入口１１ａを通して吸気塔１０に吸引される。ダクト部１２は、吸気口部１１と、後述する吸気フィルタ室１３と、を連結し、吸気塔１０内の吸気通路を形成する。吸気フィルタ室１３には、吸気塔１０に流入した空気を浄化する複数（図示の場合、吸気フィルタ室１３の排出側壁に４層）の吸気フィルタ１４が収納されており、吸気フィルタ室１３の排出側壁の開口部はこの吸気フィルタ１４の数に応じて区分されている。従って、吸気口部１１からダクト部１２を通して吸気フィルタ室１３を流入した空気は、複数の吸気フィルタ１４のいずれかを通過し、浄化されて合流チャンバ１５に排出される。
【００２２】
ここで、吸気フィルタ１４には、図示しないが、入口側（図示の前面１４ａの付近）にウェザールーバーが設けられ、合流チャンバ１５に近い出口側にＨＥＰＡ（Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ａｉｒ  Ｆｉｌｔｅｒ）フィルタが設けられている。
【００２３】
合流チャンバ１５では、左右両側の吸気塔１０から吸気された空気が集められる。合流チャンバ１５に一旦集められた空気は、図１及び図２に示すように、合流チャンバ１５の側壁に突設されたチャンバダクト１６を通って、吸気塔１０の下部に載置されたガスタービン５０に燃焼用空気として供給される。
【００２４】
なお、図２に示すように、吸気口部１１をダクト部１２の側面に突設し、その空気取入口１１ａをこの吸気口部１１の底面に設置したのは、冬場の雪の吹き込みを防ぐためである。このような構成のため、吸気口部１１とダクト部１２と吸気フィルタ室１３とによって形成された吸気通路は、コの字（Ｃ字）状の曲がり部を有した通路となっている。しかしながら、本発明の吸気塔１０における吸気通路の構成はこれに限定されるものではない。
【００２５】
ここで、本発明に係る吸気塔１０は、例えば、吸気口部１１又はダクト部１２の吸気通路断面に複数のミスト噴霧ノズル（以下、単に「ノズル」と呼ぶ）２１が設けられたミスト噴霧装置２０を備える。ノズル２１から噴霧されるミストは、１０〜３０μｍ程度の粒径を有した霧状の液滴（例えば、水滴）であり、既存水噴霧装置２００に比べて、発生するミストの粒径がはるかに小さいことから気化熱を効率良く利用できる。
【００２６】
なお、上述した既存水噴霧装置２００は吸気口部１１の下方に空気取入口１１ａの縁部に沿って設置されている。一方、本発明のミスト噴霧装置２０は、好ましくは吸気塔１０の吸気通路内部に設けられるが、既存水噴霧装置２００と同様に空気取入口１１ａの下方に設置してもよい。
【００２７】
ミスト噴霧装置２０は、既存水噴霧装置２００の場合と同様に、その配置方法によっては、噴霧ミストの不十分な気化による不具合を発生させることになるため、ノズル２１の配置位置、配置数、噴霧量等の設計パラメータを慎重かつ適切に決定する必要がある。そこで、本願の発明者は、以下に詳述するノズル最適配置方法を見出し、この方法に基づいてノズル２１の設計パラメータの最適値を導いている。
【実施例１】
【００２８】
図３に本発明に係るノズル最適配置方法のフローチャートの一例（実施例１）を示す。まず、吸気塔１０内の吸気通路の流れ場を解析する流体解析モデルを構築し、その流れ場を数値解析する（ステップＳ１）。
【００２９】
次に、流れ場の解析結果をもとにミスト噴霧装置２０を配置するための候補位置を選択し、この候補位置の流路断面に均等（格子状）に複数のノズル２１を追加した濃度解析モデルを構築する（ステップＳ２）。さらに、候補位置毎に構築された濃度解析モデルについて湿度濃度分布の数値解析を行う（ステップＳ３）。ここで、濃度解析にあたっては、上述のように均等に配置された全てのノズル２１から同一量のミストが噴霧されていると仮定する。
【００３０】
次に、吸気フィルタ１４の前面１４ａでの濃度分布のバラツキが最も小さくなる候補位置をノズル配置位置に設定する（ステップＳ４）。
【００３１】
次に、図４〜図８を用いて、実施例１の各ステップＳ１〜Ｓ４を詳細に説明する。ステップＳ１の数値解析（気流解析）を行うに当たっては、汎用の数値流体解析ソフトウェアを用いて実行してもよく、また、Ｃ言語などのプログラム言語により独自に作成された計算プログラムを用いて実行してもよい。
【００３２】
〔数値解析ソフトウェア〕
以下に汎用数値解析ソフトウェアとして、構造格子系汎用三次元熱流体解析システムであるＳＴＲＥＡＭ  Ｖｅｒ．７（ソフトウェアクレイドル社製）を用いて、上記ステップＳ１〜Ｓ４を実行した一例を示す。なお、ＳＴＲＥＡＭは、流れと熱のみならず、物質拡散、結露・蒸発、化学反応、粒子追跡、自由表面なども解析対象として扱うことが可能である。従って、本実施例に示す気流解析（ステップＳ１）及び濃度解析（ステップＳ２，Ｓ３）は、この熱流体解析システムＳＴＲＥＡＭのみを利用して解析を実行している。
【００３３】
〔数値解析を実行するための計算条件〕
次に、ステップＳ１〜Ｓ３の数値解析（気流解析及び濃度解析）を実行する際の計算条件を以下の表１に示す。
【００３４】
【表１】
2010249043.tif 000003
【００３５】
表１に示すように、ステップＳ１の気流解析条件の乱流モデルには標準ｋ−εモデル（等温条件）を用いている。また、気流解析モデルの境界条件として、吸気通路を構成する吸気口部１１、ダクト部１２、及び吸気フィルタ室１３の壁面での風速には、一般化対数則を用いている。また、空気が流入する吸気口部１１の空気取入口１１ａでは自由流入条件を設定している。吸気フィルタ１４内のウェザールーバー部分は開口率３５％のパネルで構成され、吸気フィルタ１４内のＨＥＰＡフィルタは、以下の数式で示されたＰ−Ｑ特性（Ｐは静圧、Ｑは風量を意味）を有すると想定した。
【００３６】
【数１】
2010249043.tif 000004
【００３７】
ここで、Ｐは圧力（Ｐａ）、Ｌはフィルタ厚（ｍ）、ρはフィルタを通過する空気密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｖはフィルタ内の風速（ｍ／ｓ）である。また、ダクト部１２上流の風量を１５６４０ｍ３／ｍｉｎに設定している。
【００３８】
〔数値解析モデル〕
図４にステップＳ１の数値解析モデルの解析モデル（計算格子つまりメッシュ）の一例を示す。この図４は、吸気塔１０の奥行方向の中央断面に沿った解析メッシュである。また、吸気塔１は図１及び２に示すように左右の吸気通路構造が対称であるため、本実施例の数値解析では、片側（図４では左側）の吸気通路だけを解析モデルとして利用し、計算時間の軽減を図っている。
【００３９】
以上のような計算条件及び解析モデルの下で、本発明では、吸気塔１０の吸気通路内を流れる定常状態の流れ場（風速分布）を計算する（ステップＳ１）。
【００４０】
〔湿度分布（濃度分布）の数値解析〕
次に、ステップＳ１の気流解析結果（風速分布結果）より、本実施例では、図４に示すように、ノズル配置用の候補位置をダクト部下流位置Ａ、ダクト部中央位置Ｂ、ダクト部上流位置Ｃの三箇所に決定し、いずれかのノズル配置候補位置の流路断面に複数のノズル２１を追加した濃度解析モデルを構築し（ステップＳ２）、吸気塔１０内の濃度分布を解析する（ステップＳ３）。ステップＳ２及びＳ３に関して、本実施例では上述の通りノズル配置候補位置を三箇所挙げたため、３つの濃度解析モデルが構築され、それぞれの濃度解析モデルについて濃度分布が計算されることになる。
【００４１】
ここで、いずれのノズル配置候補位置の流路断面において、合計３５０個（＝５×７０）のノズル２１がこの流路断面に均等（格子状）に配置された状態でミスト噴霧されることを想定してステップＳ３の濃度解析を行っている。
【００４２】
また、各ノズル２１では同一水量（基準化した１ｇ／ｓ）のガス状のミストを噴射させ、全てのノズルで合計３５０ｇ／ｓの水量が噴射されていると仮定している。従って、平均の湿度濃度は、この合計噴射量を空気風量で除算することにより、１．３４ｇ／ｍ３（＝（３５０ｇ／ｓ）÷（１５６４０ｍ３／ｍｉｎ））となる。
【００４３】
本実施例のステップＳ２及びＳ３では、上述したように、ステップＳ１の気流解析で利用した数値解析ソフトウェア（ＳＴＲＥＡＭ）を使用して濃度解析モデルの構築及び濃度分布の計算を行っている。なお、表１に示すように、ステップＳ３の計算負荷軽減のために、ステップＳ１で求められた風速分布を利用してミストの拡散解析のみを行って湿度分布を計算している。また、拡散解析を行うにあたっては、移流状態（乱流拡散のみを考慮）に設定し、ミストの粒子径やミスト粒子の重力沈降を考慮していない（表１参照）。
【００４４】
〔数値解析結果（実施例１）〕
図５にステップＳ１により解析された数値解析結果（風速分布）の一例を示す。図５は、具体的には、吸気塔１０の奥行方向中心断面における風速分布を示す。吸気口部１１では、ダクト部１２に近づく程、風速が増加する傾向がある。ダクト部１２では、壁側の風速が比較的に高い傾向があり、吸気フィルタ側に風速の低い循環流が形成される部分が認められる。この気流解析結果により、吸気塔１０内の気流は仕切り板４０に沿って吸気フィルタ室１３の下部へ流れ、いずれかの吸気フィルタ１４に吸い込まれる流れ場となっていることがわかる。
【００４５】
図６は、ダクト部下流位置Ａにノズル２１を均一に配置した場合の吸気塔１０内部の濃度分布を示す。この場合、ダクト部１２内で発生する風速の低い循環流によりノズル２１２１から噴霧されたミストがダクト部上流位置Ｃにまで巻き上げられ、この循環流発生部分およびその後流部分（吸気フィルタ室１３の一部）に比較的高濃度のミストが生じていることがわかる。一方、吸気フィルタ室１３の壁側部分では風速が高いため、ミスト濃度は低い。さらに、吸気フィルタ前面１４ａでは濃度分布のバラツキが大きく、上層部・蒸気タービン側で高濃度のミストが生じる傾向がある。
【００４６】
図７は、ダクト部中央位置Ｂにノズル２１を均一に配置した場合の吸気塔１０内部の濃度分布を示す。この場合の濃度分布は、上述したダクト部下流位置Ａでの濃度分布と略同様の傾向を示しているが、相対的に濃度のバラツキは小さくなっていることがわかる。
【００４７】
図８は、ダクト部上流位置Ｃにノズル２１を均一に配置した場合の吸気塔１０内部の濃度分布を示す。この図８に示すように、ノズル２１下流にあたるダクト部１２の上流領域でのミスト濃度は、比較的高い。さらに、ダクト部１２の下流領域や吸気フィルタ室１３では、水ミストがよく混合され、全体的に濃度が低いことがわかる。さらに、吸気フィルタ前面１４ａでのミスト濃度のバラツキも非常に小さく、該フィルタ前面１４ａの４層のいずれの層のどの位置においてもほぼ平均濃度（約１．３４ｇ／ｍ３）になっていることがわかる。
【００４８】
以上の解析結果より、吸気フィルタ前面１４ａでの濃度分布のバラツキが最も小さくなるダクト部上流位置Ｃをノズル配置位置に設定することが最適であるということになる。従って、この最適ノズル配置位置の流路断面に複数個のノズル２１を均等に配置すればよいことになる。
【実施例２】
【００４９】
図９に本発明に係るノズル最適配置方法のフローチャートの別の実施例（実施例２）を示す。実施例２では、まず、実施例１の場合と同様に、吸気塔１０の吸気通路の気流解析モデルを構築し、その流れ場を数値解析する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１は、上述した実施例１のステップＳ１と同様であるため、解析メッシュ、計算条件等の説明など、詳細な説明は省略する。
【００５０】
〔ノズル配置位置〕
次に、ステップＳ１１での流れ場の解析結果をもとにノズル配置位置を決定し、この配置位置の流路断面に均等（格子状）に複数のノズル２１を追加した濃度解析モデルを構築する（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１２では、実施例１で説明したようなノズル配置用の候補位置を複数用意する必要は無い。
【００５１】
また、ノズル配置位置の決定にあたっては、実機（火力発電所設備に実際に配置されている吸気塔）の取付可能条件を考慮して決定しても良い。例えば、実施例１では、ステップＳ１の気流解析結果によって３つの候補位置Ａ，Ｂ，Ｃが挙げられたが、ミスト噴霧装置２０を実機の吸気通路内に取り付けるにあたっては、梁や配管などの障害物の存在によって候補位置ＢやＣには取付困難な場合がある。
【００５２】
しかしながら、上述のように実際的にミスト噴霧装置２０を配置できる場所が制約され（例えば、ノズル配置可能な位置が前記候補位置Ａ（図４参照）のみに限られ）、ステップＳ１１の気流解析結果からはミスト噴霧装置２１の配置位置Ａが必ずしも最適ではない場合であっても、実施例２のノズル最適配置方法を用いれば、その配置位置Ａの流路断面でのノズル２１の最適な配置位置、配置数、噴射量を求めること（つまり、流路断面内でのノズル配置の重み付けを行うこと）ができ、これに従ってノズル２１を配置すれば、吸気フィルタ２１を通過する空気の湿度濃度（及び吸気温度）を均一にし、ひいてはガスタービン５０の出力を増加させることができる。
【００５３】
〔ノズルの系統区分〕
次に、ステップＳ１２で構築された濃度解析モデルの複数のノズル２１を系統に区分し、各系統のノズル２１が吸気フィルタ前面１４ａに与える濃度分布を数値解析する（ステップＳ１３）。
【００５４】
なお、ステップＳ１３及び該ステップ以降のステップの説明で用いる「系統」（又は、「ノズル系統」）とは、吸気塔１０の吸気通路断面（流路断面）に配置された複数のノズル２１のうち、隣接しあう複数（所望の数、例えば５個）のノズル２１をまとめた一つの集合を意味する。このようにノズル２１を系統区分した理由は、ステップＳ１３以降の後述する濃度解析、相関解析、グループ分け、及び最適配置分析をこの系統毎に行うことになるが、ノズル２１を系統区分せずに一つ一つの単独のノズル２１についてステップＳ１３以降のステップを実行するよりも解析（計算）負荷の軽減を図ることができるとともに、流路断面におけるミスト噴霧の局所的な影響を適切な程度に（つまり系統区分された領域レベルで）把握できるからである。
【００５５】
ここで、図１０にノズル２１の配置と系統区分の一例を示す。図１０に示すように３５０個のノズル２１がダクト部下流位置Ａ（図４参照）の流路断面に均等に配置される。具体的には、流路断面の奥行方向（図示では、ガスタービン側〜蒸気タービン側）に７０個のノズル２１が、流路断面の厚さ方向（図示では壁側〜吸気フィルタ側）に５列（図示では、Ａ〜Ｅ）並んでいる。この奥行方向に配置された７０個のノズル２１を５個をひとまとまりとして系統区分すると、一列あたり１４系統に区分され、５列で合計７０系統に区分されることになる。この系統区分に従えば、例えば、最上列（Ａ列）の最も左側に存在する５個のノズル２１は、Ａ−０１系統に配置されるノズルと命名されることになる。
【００５６】
ここで、図１１を参照しながら、実施例２の濃度解析（ステップＳ１３）を実行するためのミスト噴霧条件を説明する。ステップＳ１３では、ノズル系統のうち一系統に属するノズル２１だけがミスト噴霧されるように条件設定し、このミスト噴霧条件の下で濃度解析を行う（特に、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布を計算する）。上述したように、図示の例では系統が７０系統存在し、このうちの一系統毎にミスト噴霧した場合の濃度解析を行うため、ステップ１３の数値計算は７０回（７０パターン分）実行され、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布結果（前面１４ａでは４０点の濃度結果が計算）が７０個得られることになる。なお、７０パターンの前記濃度分布を計算するために必要な風速分布は、実施例１と同様にステップＳ１１の解析結果を利用しており、いずれパターンの計算にあっても同一の風速分布が入力される。
【００５７】
なお、ステップＳ１３の濃度解析を実行する際の計算条件は、上記ミスト噴霧条件を一系統のみで噴霧する点を除いては、実施例１と同様である。（例えば、ステップＳ１２及びＳ１３で用いた解析ソフトウェアや計算条件は実施例１の場合（表１参照）と同様である。）
【００５８】
なお、吸気フィルタ前面１４ａは、上述の通り、上下方向に４層に分かれている。ステップＳ１３では、各層をさらに均等の幅で１０個の領域に分割して（４層合計で４０個の領域に分割して）、領域毎のミスト濃度を計算している。
【００５９】
次に、図９及び図１１に示すように、ステップＳ１３によって求められた系統毎の濃度分布結果より、ノズル系統相互の相関関係を求め、ノズル系統をグループ分けする（ステップＳ１４）。以下に、ステップＳ１４でまず実行するノズル系統相互の相関解析を詳述し、次に得られた相関関係を利用したノズル系統のグループ分けについて詳述する。
【００６０】
〔ノズル系統相互の相関関係〕
図１２（ａ）及び（ｂ）は、隣り合う系統相互の濃度結果の相関関係を示したものであり、詳しくは、（ａ）はＡ−０１系統とＡ−０２系統の相関関係を示し、（ｂ）はＡ−０１系統とＢ−０１系統の相関関係を示している。具体的には、図１２（ａ）では、Ａ−０１系統に配置されたノズル２１だけをミスト噴霧した場合の吸気フィルタ前面１４ａの濃度結果（吸気フィルタ前面１４ａを４０領域に分けているので４０点の濃度）を横軸にとり、Ａ−０２系統に配置されたノズルだけをミスト噴霧した場合の吸気フィルタ前面１４ａの濃度結果（同様に４０点の濃度）を縦軸にとって、４０点についての相関関係を示したものである。もし仮に、Ａ−０１系統の吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布（４０領域の各値）とＡ−０２系統の吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布（４０領域の各値）とが全て一致していた場合には、図示の黒丸印の点は全て直線上にのることになる。
【００６１】
この図１２（ａ）によりＡ−０１系統とＡ−０２系統とでは、吸気フィルタ前面の濃度分布の相関が高く（Ｒ２＝０．９８、ここでＲ２は決定係数）、濃度分布が類似していることがわかる。一方、図１２（ｂ）により、Ａ−０１系統とＢ−０１系統とは、上述のＡ−０１系統とＡ−０２系統と同様に隣り合う系統であるが、吸気フィルタ前面１４ａでの濃度分布の相関は低く（Ｒ２＝０．７４）、濃度分布が相違していることがわかる。従って、隣り合う系統であっても、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布に与える影響が類似するものと、異なるものとがあることがわかる。
【００６２】
〔ノズル系統のグループ分け〕
上述のように、吸気フィルタ前面１４ａの濃度に関して系統相互の相関関係が導かれ、相関係数が高い系統の組（例えば、Ｒ２が０．９以上となる組）を拾い出し、クラスター分析により、これらの組を同一のグループとするノズル系統のグループ分けを行う（ステップＳ１４）。
【００６３】
図１２（ｃ）にノズル系統のグループ分けの一例を示す。図示のように、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布に与える影響が類似する系統は、それぞれア〜コのグループに分けられている。例えば、グループ「ア」は、Ａ−０１系統、Ａ−０２系統、Ａ−０３系統、Ａ−０４系統、及びＡ−０５系統を含むグループであり、Ａ−０１系統のノズルから噴霧した際の吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布と、グループ「ア」内の他の系統（例えば、Ａ−０２系統）のノズルから噴霧した際の吸気フィルタ前面の濃度分布とがほぼ同じ状況であることを意味する。また、ア〜コのグループ分けがなされていない系統（図示では白抜き部分、例えば、Ｂ−０５系統）は、他の系統との相関関係が低く、吸気フィルタ前面の濃度分布に関して独自性の高い系統であることを意味する。
【００６４】
障害物の存在を考慮して同じグループの中でノズルの再配置を行う（ステップＳ１５）。上述のように、火力発電所設備に実際に設けられた吸気塔１０にノズル２１の配置を計画する場合には、梁や室内照明機器などの障害物の存在により、一部のノズル２１が配置流路断面の所望の局所領域に配置できないことがあることが予想される。しがしながら、上記のようなグループ分けを行うことにより、ある系統で配置できなかったノズル２１を同じグループに属する別の系統位置（障害物のない領域）に置き換えても同等の濃度拡散効果が得られることになるため、設計の自由度が格段に向上することになる。
【００６５】
さらに、ノズル最適配置分析を行い、各系統のノズル２１の配置個数又は噴霧量を決定する（ステップＳ１６）。このステップ１６は、ステップＳ１３によって得られた系統毎の吸気フィルタ前面１４ａでの濃度解析結果を用いて、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布のばらつき（分散）を最小とするような各系統でのノズル２１の個数や噴霧量を計算するものである。上記の例では、系統の数ｊはｊ＝１〜７０、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布の分割面ｉはｉ＝１〜４０面であることから、４０個からなる濃度解析結果が７０系統分を利用されることになる。
【００６６】
ステップＳ１６の最適配置分析は、下記の数式（数１及び数２）に示すように、系統ｊに対してステップＳ１３で解析された吸気フィルタ前面１４ａの分割面ｉでの濃度結果Ｃ（ｉ）（系統毎のノズル配置個数は５個で解析）をもと、ノズル個数Ｎ（ｊ）を０〜１５個に変化させた場合の分割面ｉでの濃度Ｒ（ｉ，ｊ）を系統毎（ｊ＝１〜７０）に計算し、吸気フィルタ前面１４ａの濃度のばらつきＥ（基準濃度Ｃｏからの濃度差の二乗和）が最小になるときの各系統ｊのノズル個数Ｎ（ｊ）を算出する。なお、上記ばらつきＥの代わりに、Ｅを吸気フィルタ前面１４ａの分割面ｉの総数で除した分散（標本分散）や、該分散の平方根である標準偏差を用いて上記最適配置分析を行うようにしてもよい。
【００６７】
【数２】
2010249043.tif 000005
【００６８】
【数３】
2010249043.tif 000006
【００６９】
なお、ステップ１６の上記最適配置分析に必要な計算は、例えば、マイクロソフト社製のマイクロソフトエクセル（登録商標）に付属の数式ソルバーを用いて簡単に実行することができる。
【００７０】
以上の最適配置分析により、吸気フィルタ前面１４ａでの濃度分布が最小となるような、各系統位置のノズル配置個数やノズルミスト噴霧量を決定することが可能となる。
【００７１】
図１３（ａ）は、ノズル２１の合計配置数（総数）の調整を行わずに、吸気フィルタ前面１４ａでの濃度分布を最小とする各系統位置でのミスト噴霧量を示す。また、図１３（ｂ）は、噴霧量が同一のノズル２１の総数を３５０個に限定した場合の各系統位置でのノズル２１の最適配置数を示す。この図１３（ｂ）より、特定の系統位置においてはノズル２１を全く配置する必要がないことがわかる。
【００７２】
また、図１３（ａ）及び（ｂ）から、Ａ列及びＢ列のいずれの系統（Ａ−０１乃至Ａ−０１４、及び、Ｂ−０１乃至Ｂ−０１４）においてもノズル配置数又はミスト噴霧量を大きく設定すべきであることがわかる。さらに、Ａ列とＢ列とを相対的に比較すると、Ａ列の系統に属するノズル配置数又はミスト噴霧量をより大きく設定すべきであることがわかる。このＡ列は、吸気塔１０の吸気通路構造において最も仕切り板４０に近い流路断面領域に相当し、ステップＳ１１で得られた気流解析の結果（図５参照）から最も風速が高い領域に相当する。従って、上記濃度解析及び気流解析の結果から、ノズル２１の個数や噴霧量は吸気通路内の風速に比例して調整されるべきであることが明らかになった。
【００７３】
なお、ステップＳ１１〜Ｓ１６によって決定されたノズル配置及びノズル個数をもとに、濃度解析を行うための吸気通路モデルを構築し、濃度解析を行い、吸気フィルタ前面１４ａの濃度分布を確認した。
【００７４】
〔数値解析結果（実施例２）〕
図１４は、上記実施例２のノズル最適配置方法によりダクト部下流位置Ａ（図４参照）にミスト噴霧装置２０を配置し、その流路断面にノズル２１を系統毎に最適に配置した場合の吸気塔１０の濃度分布（数値解析結果）を示す。図１４に示すように、吸気フィルタ室１３およびその下流側の吸気フィルタ前面１４ａでは、各点の濃度が平均濃度（１．３４ｇ／ｍ３）とほぼ同等であり、均一な濃度分布が得られている。この効果は、ダクト部下流位置Ａの流路断面にノズル２１を均等（格子状）に配置した場合の濃度分布（図６に示す数値解析結果）と比較すれば明らかである。
【００７５】
なお、本発明のミスト噴霧装置２０を実際の吸気塔１０に配置して効果確認を行った。すなわち、約３５０個のノズル２１をそれぞれ左右の吸気塔１０のダクト部下流位置Ａ（図４参照）に配置して（合計約７００個のノズル２１）、ガスタービン５０の出力変化を実測した。本効果確認においては、ダクト部下流位置Ａでの流路断面にノズル２１を取付可能な範囲で均等（格子状）に配置・噴霧させて実験を行った（なお、上記実施例２に示したようなノズルを最適に配置させた状態での実験を行っていない。）
【００７６】
図１５は、ガスタービン出力の経時変化の一例を示す。大気温度が２８〜３０℃、大気湿度が約４６％の下で最大出力運転中のガスタービン５０に、午前１０時頃からミスト噴霧を開始し、１１時頃から最大水量で噴霧した。この図１５の結果より、噴霧の前後で、約７，５℃の吸気温度が低減し、タービン出力が約１３ＭＷ増加（約６％の出力増加）するという非常に良好な結果が得られた。
【００７７】
図１５の効果確認の実験結果を考察する。（１）この効果確認のおける実機での実験条件が、上述とおり、実施例２で示したような最適なノズル配置となっていないこと、及び、（２）同一のノズル配置位置Ａ（図４参照）においてノズル２１をその流路断面に最適に配置させた場合の数値解析結果（図１４参照）が、ノズル２１をその流路断面に均等に配置させた場合の数値解析結果（図６参照）よりも大幅にミスト拡散効果が高いこと、などの点を鑑みると、ノズル２１を実施例２に示したように最適なノズル配置で実機の吸気塔１０に取り付け、ミスト噴霧させれば、さらなるタービン出力の増加が得られることが見込まれる。
【００７８】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を奏する。
【００７９】
上記のような構成によれば、ノズルから噴霧されたミストが、空気が吸気フィルタに流入するまでに効率的に気化できるようになり、吸気フィルタから流入しガスタービンに供給される空気は均一に冷却される。これにより、燃焼空気の重量流量を増加させ、ガスタービン出力を飛躍的に増加させることができる。特に、夏場などの大気温度上昇によるガスタービン出力の減少の課題を簡易に解決することができる。
【００８０】
また、上記のような構成によれば、ノズルから噴霧されたミストが、空気が吸気フィルタに流入するまでに効率的に気化できるようになり、従来の技術によって発生しうる不具合であるフィルタ目詰まりの問題を排除することができる。また、タービン翼のエロージョンが発生するおそれもない。
【００８１】
また、従来の水噴霧装置では、空気冷却に効果のない箇所にも多数のノズルが配置されていたが、本発明の方法によれば、必要な配置位置に必要な数だけノズルを配置することができ、また、障害物の存在により所望の数だけノズルを配置できない場合が生じても、同様の濃度拡散効果を奏する別の代替位置にノズルを配置することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、ガスタービンの出力を飛躍的に増加させる大変有望な技術であり、産業上利用可能である。
【００８３】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８４】
１０    吸気塔
１１    吸気口部
１１ａ    空気取入口
１２    ダクト部
１３    吸気フィルタ室
１４    吸気フィルタ
１４ａ    吸気フィルタ前面
１５    合流チャンバ
１６    チャンバダクト
２０    ミスト噴霧装置
２１    ミスト噴霧ノズル
３０    火力発電所設備の屋上
４０    仕切り板
５０    ガスタービン
【図１】
2010249043.tif 000007
【図２】
2010249043.tif 000008
【図３】
2010249043.tif 000009
【図９】
2010249043.tif 000010
【図１５】
2010249043.tif 000011
【図１６】
2010249043.tif 000012
【図４】
2010249043.tif 000013
【図５】
2010249043.tif 000014
【図６】
2010249043.tif 000015
【図７】
2010249043.tif 000016
【図８】
2010249043.tif 000017
【図１０】
2010249043.tif 000018
【図１１】
2010249043.tif 000019
【図１２】
2010249043.tif 000020
【図１３】
2010249043.tif 000021
【図１４】
2010249043.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月2日(2010.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路と吸気フィルタを有するガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法であって、
前記吸気通路内の風速分布を計算するステップと、
前記風速分布に基づいてミスト噴霧ノズル配置位置を選択するステップと、
前記配置位置の流路断面に複数の前記ミスト噴霧ノズルを配置し、さらにノズル系統に区分するステップと、
前記ノズル系統のうち一系統に属する前記ミスト噴霧ノズルだけがミスト噴霧された場合の前記吸気フィルタ前面の濃度分布を前記ノズル系統毎に計算するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果を用いて、複数のノズル系統に属する前記ミスト噴霧ノズルからミストが噴霧された場合に前記吸気フィルタ前面の濃度が最も均一になるように前記ノズル系統毎にノズル個数を調整するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果により、前記ノズル系統相互の相関関数を求めて前記ノズル系統をグループに分けるステップと、
同一の前記グループの間で前記ミスト噴霧ノズルを再配置するステップと、
を含むことを特徴とするガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明に係るミスト噴霧ノズルの最適配置方法は以下の構成を含むように構成したものである。すなわち、吸気通路と吸気フィルタを有するガスタービン吸気塔にミスト噴霧ノズルを最適に配置する最適配置方法は、
前記吸気通路内の風速分布を計算するステップと、
前記風速分布に基づいてミスト噴霧ノズル配置位置を選択するステップと、
前記配置位置の流路断面に複数の前記ミスト噴霧ノズルを配置し、さらにノズル系統に区分するステップと、
前記ノズル系統のうち一系統に属する前記ミスト噴霧ノズルだけがミスト噴霧された場合の前記吸気フィルタ前面の濃度分布を前記ノズル系統毎に計算するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果を用いて、複数のノズル系統に属する前記ミスト噴霧ノズルからミストが噴霧された場合に前記吸気フィルタ前面の濃度が最も均一になるように前記ノズル系統毎にノズル個数を調整するステップと、
前記ノズル系統毎にミスト噴霧された場合の前記濃度分布結果により、前記ノズル系統相互の相関関数を求めて前記ノズル系統をグループに分けるステップと、
同一の前記グループの間で前記ミスト噴霧ノズルを再配置するステップと、
を含むことを特徴とする。