(57)【要約】ガスタービンの排ガスを利用してガスタービン吸気を冷却することが可能であり、且つ、簡素な構成の吸気排気装置等を提供する。【課題】ガスタービン２への空気の供給、及び排気を行う吸気排気装置において、吸気部３は、外部の空気を空気圧縮機へ供給し、排出流路４はガスタービン２から排気される排ガスの排出を行う。熱音響機関５は、作動ガスが封入された管路５０１、５０２に、その一端側よりも他端側を高い温度に加熱することにより、差動ガスに振動を発生させるための第１のスタック５１と、前記振動の伝搬方向の下流側に配置され、一端側よりも他端側の温度が低い低温部を形成するための第２のスタック５２とを備える。第１のスタック５１の他端側は、排出流路４を流れる排ガスを利用して加熱され、吸気部３から取り込まれた空気は、第２のスタック５２の他端側の低温部を利用して冷却される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンから排気される排ガスを利用して、前記ガスタービンに設けられた空気圧縮機へ供給される空気を冷却する吸気排気装置であって、
外部の空気を取り込んで前記空気圧縮機へ供給するための吸気部と、
前記ガスタービンから排気される排ガスを排出するための排出流路と、
作動ガスが封入された管路に、前記管路よりも細い複数の流路の集合体であるスタックであって、その一端側よりも他端側を高い温度に加熱することにより、前記差動ガスに振動を発生させるための第１のスタックと、前記第１のスタック発生した振動の伝搬方向の下流側に設けられ、当該振動の伝搬方向に沿って、その一端側よりも他端側の温度が低い低温部を形成するための第２のスタックとが設けられた熱音響機関と、を備え、
前記第１のスタックの他端側は、前記排出流路を流れる排ガスを利用して加熱され、前記吸気部に取り込まれた空気は、前記第２のスタックの他端側の低温部を利用して冷却されることを特徴とする吸気排気装置。
【請求項２】
前記第１のスタックの他端側には、前記排出流路を流れる排ガスと、前記管路内の作動ガスとの熱交換を行うための高温熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項３】
前記第２のスタックの他端側には、前記吸気部に取り込まれた空気と、前記低温部との熱交換を行うための低温熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項４】
前記排出流路には、前記排ガスとの熱交換により熱媒を加熱するための熱媒加熱部が設けられ、前記第１のスタックの他端側には、前記熱媒加熱部にて加熱された熱媒と、前記管路内の作動ガスとの熱交換を行うための高温熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項５】
前記第２のスタックの他端側には、前記低温部との熱交換により冷媒を冷却するための低温熱交換部が設けられ、前記吸気部には、前記低温熱交換部にて冷却された冷媒との熱交換により、当該吸気部に取り込まれた空気を冷却する空気冷却部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項６】
前記排ガスを利用した前記第１のスタックの他端側の加熱に係る前記排出流路である第１の排出流路と、
前記第１のスタックの他端側の加熱を行わずに前記排ガスを排出するための第２の排出流路と、
前記ガスタービンから排気される排ガスの排出先を、前記第１の排出流路と第２の排出流路との間で切り替える切替機構と、を備え、
前記切替機構は、前記ガスタービンの出力が、予め設定された吸気冷却出力以上である場合には前記排ガスの排気先を第１の排出流路とし、前記ガスタービンの出力が前記吸気冷却出力よりも小さい場合には、前記排ガスの排出先を第２の排出流路とするように、排出流路の切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項７】
前記吸気冷却出力は、前記ガスタービンの定格出力の５０％以上、１００％未満の範囲内の値に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の吸気排気装置。
【請求項８】
前記排ガスを利用した前記第１のスタックの他端側の加熱に係る前記排出流路である第１の排出流路と、
前記第１のスタックの他端側を加熱するための位置よりも上流側にて前記第１の排出流路から分岐し、前記排ガスにより熱流体を加熱するための排熱回収部が設けられた第２の排出流路と、
前記ガスタービンから排気された排ガスを、前記第１の排出流路と第２の排出流路とに振り分ける流量調節を行う流量調節機構と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項９】
前記排熱回収部から流出した加熱後の熱流体が流れる熱流体流路と、
前記熱流体流路を流れる熱流体の温度を測定する熱流体温度測定部と、を備え、
前記流量調節機構は、前記熱流体温度測定部にて測定された熱流体の温度が、予め定めた目標温度に近づくように、前記ガスタービンから排気された排ガスの一部を前記第２の排出流路へ流す流量調節を行い、残りの排ガスを前記第１の排出流路へ振り分けることを特徴とする請求項８に記載の吸気排気装置。
【請求項１０】
前記吸気部に取り込まれ、前記低温部を利用して冷却された空気の温度を測定する吸気温度測定部を備え、
前記流量調節機構は、前記吸気温度測定部にて測定された冷却後の空気の温度が、予め設定された下限温度を下回った場合には、前記冷却後の空気の温度が前記下限温度以上となるように前記第１の排出流路に振り分けられる排ガスを減少させ、前記排ガスを前記第２の排出流路側へ流す排ガスの流量を、前記第１の排出流路の減少分だけ増加させることを特徴とする請求項８に記載の吸気排気装置。
【請求項１１】
前記ガスタービンは、天然ガスの液化、または天然ガス中の成分の分離・回収を行う天然ガス処理設備に設けられ、天然ガスを冷却する天然ガス処理用の冷媒を圧縮する冷媒圧縮機を駆動するためのものであることを特徴とする請求項１に記載の吸気排気装置。
【請求項１２】
天然ガスの液化、または天然ガス中の成分の分離・回収を行う天然ガス処理設備において、
天然ガスを冷却する天然ガス処理用の冷媒を圧縮する冷媒圧縮機と、
前記冷媒圧縮機を駆動するガスタービンと、
請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の吸気排気装置と、を備えたことを特徴とする天然ガス処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに燃料ガス燃焼用の空気を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス（ＮＧ：Natural Gas）の液化やコンデンセートの分離、回収などを行うＮＧ処理設備には、ＮＧを冷却する冷媒を圧縮する冷媒圧縮機や、ＮＧ処理設備内で使用する電力を発電する発電機を駆動するガスタービンが設けられる場合がある。  
燃料ガスを燃焼させてタービンの駆動力を得るガスタービンからは、高熱の排ガスが排出されるため、この排ガスを利用して、蒸気やホットオイルなどの高温の熱流体を発生させることができる。得られた熱流体は、ＮＧ処理設備内に設けられている各種の加熱機器を用いた操作（例えば、ＮＧの前処理を行う吸収液や吸着剤の再生、ＮＧから液体重質分を分離する精留など）に利用される。【０００３】
一方でガスタービンにおいては、燃焼用の空気を圧縮する空気圧縮機に取り込まれる空気の温度が上昇すると出力が低下する特性を有するため、ガスタービンに取り込まれる空気を冷却するシステムを備えているものもある。
例えば特許文献１には、ＮＧ処理設備に設けられたガスタービンに対し、吸収液としてアンモニアや臭化リチウムを用い、冷媒として水を用いた吸収式冷凍機を設け、冷媒によるガスタービン吸気の冷却と、ガスタービンの排ガスを利用した吸収液の再生とを行う技術が記載されている。【０００４】
しかしながら、吸収式冷凍機は、吸収液や冷媒の送液に用いるポンプなどの動力機の設置が必要であり装置構成が大掛かりとなるため、設備コストやメンテナンス性の観点で課題がある。  
なお特許文献２には、熱音響機関を用いて高炉の冷却排熱を回収し、モーター駆動の空気圧縮機の吸気を冷却する技術が記載されているが、ガスタービン吸気を冷却する技術の記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】オーストラリア特許出願公開公報：ＡＵ２０１３２０３０８２Ａ１
【特許文献２】特開２０１４−２２２１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、ガスタービンの排ガスを利用してガスタービン吸気を冷却することが可能であり、且つ、簡素な構成の吸気排気装置、及びこの吸気排気装置を備えた天然ガス処理設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の吸気排気装置は、ガスタービンから排気される排ガスを利用して、前記ガスタービンに設けられた空気圧縮機へ供給される空気を冷却する吸気排気装置であって、
外部の空気を取り込んで前記空気圧縮機へ供給するための吸気部と、
前記ガスタービンから排気される排ガスを排出するための排出流路と、
作動ガスが封入された管路に、前記管路よりも細い複数の流路の集合体であるスタックであって、その一端側よりも他端側を高い温度に加熱することにより、前記差動ガスに振動を発生させるための第１のスタックと、前記第１のスタック発生した振動の伝搬方向の下流側に設けられ、当該振動の伝搬方向に沿って、その一端側よりも他端側の温度が低い低温部を形成するための第２のスタックとが設けられた熱音響機関と、を備え、
前記第１のスタックの他端側は、前記排出流路を流れる排ガスを利用して加熱され、前記吸気部に取り込まれた空気は、前記第２のスタックの他端側の低温部を利用して冷却されることを特徴とする。【０００８】
前記吸気排気装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記第１のスタックの他端側には、前記排出流路を流れる排ガスと、前記管路内の作動ガスとの熱交換を行うための高温熱交換部が設けられていること。また、前記第２のスタックの他端側には、前記吸気部に取り込まれた空気と、前記低温部との熱交換を行うための低温熱交換部が設けられていること。  
（ｂ）前記排出流路には、前記排ガスとの熱交換により熱媒を加熱するための熱媒加熱部が設けられ、前記第１のスタックの他端側には、前記熱媒加熱部にて加熱された熱媒と、前記管路内の作動ガスとの熱交換を行うための高温熱交換部が設けられていること。また、前記第２のスタックの他端側には、前記低温部との熱交換により冷媒を冷却するための低温熱交換部が設けられ、前記吸気部には、前記低温熱交換部にて冷却された冷媒との熱交換により、当該吸気部に取り込まれた空気を冷却する空気冷却部が設けられていること。  
（ｃ）前記排ガスを利用した前記第１のスタックの他端側の加熱に係る前記排出流路である第１の排出流路と、
前記第１のスタックの他端側の加熱を行わずに前記排ガスを排出するための第２の排出流路と、
前記ガスタービンから排気される排ガスの排出先を、前記第１の排出流路と第２の排出流路との間で切り替える切替機構と、を備え、前記切替機構は、前記ガスタービンの出力が、予め設定された吸気冷却出力以上である場合には前記排ガスの排気先を第１の排出流路とし、前記ガスタービンの出力が前記吸気冷却出力よりも小さい場合には、前記排ガスの排出先を第２の排出流路とするように、排出流路の切り替えを行うこと。このとき、前記吸気冷却出力は、前記ガスタービンの定格出力の５０％以上、１００％未満の範囲内の値に設定されていること。【０００９】
（ｄ）前記排ガスを利用した前記第１のスタックの他端側の加熱に係る前記排出流路である第１の排出流路と、前記第１のスタックの他端側を加熱するための位置よりも上流側にて前記第１の排出流路から分岐し、前記排ガスにより熱流体を加熱するための排熱回収部が設けられた第２の排出流路と、前記ガスタービンから排気された排ガスを、前記第１の排出流路と第２の排出流路とに振り分ける流量調節を行う流量調節機構と、を備えたこと。
（ｅ）（ｄ）において、前記排熱回収部から流出した加熱後の熱流体が流れる熱流体流路と、前記熱流体流路を流れる熱流体の温度を測定する熱流体温度測定部と、を備え、前記流量調節機構は、前記熱流体温度測定部にて測定された熱流体の温度が、予め定めた目標温度に近づくように、前記ガスタービンから排気された排ガスの一部を前記第２の排出流路へ流す流量調節を行い、残りの排ガスを前記第１の排出流路へ振り分けること。  
（ｆ）（ｄ）において、前記吸気部に取り込まれ、前記低温部を利用して冷却された空気の温度を測定する吸気温度測定部を備え、
前記流量調節機構は、前記吸気温度測定部にて測定された冷却後の空気の温度が、予め設定された下限温度を下回った場合には、前記冷却後の空気の温度が前記下限温度以上となるように前記第１の排出流路に振り分けられる排ガスを減少させ、前記排ガスを前記第２の排出流路側へ流す排ガスの流量を、前記第１の排出流路の減少分だけ増加させること。  
（ｇ）前記ガスタービンは、天然ガスの液化、または天然ガス中の成分の分離・回収を行う天然ガス処理設備に設けられ、天然ガスを冷却する天然ガス処理用の冷媒を圧縮する冷媒圧縮機を駆動するためのものであること。【００１０】
また、他の発明に係る天然ガス処理設備は、天然ガスの液化、または天然ガス中の成分の分離・回収を行う天然ガス処理設備において、天然ガスを冷却する天然ガス処理用の冷媒を圧縮する冷媒圧縮機と、前記冷媒圧縮機を駆動するガスタービンと、上述の吸気排気装置と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、構成が簡素な熱音響機関を利用してガスタービンの排熱回収、及び吸気冷却を行うので、低コストでメンテナンス性の良好な排熱回収／吸気冷却機構を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る吸気排気装置を備えたガスタービンが設けられるＮＧ液化設備の説明図である。
【図２】前記吸気排気装置を備えたガスタービンの構成図である。
【図３】前記吸気排気装置の構成図である。
【図４】他の実施形態に係る吸気排気装置の構成図である。
【図５】ガスタービンの負荷に応じて排ガスの排出流路を切り替える切替機構の第１の動作説明図である。
【図６】前記切替機構の第２の動作説明図である。
【図７】ガスタービンの吸気温度に応じて排ガスの排出流量を振り分ける流量調節機構の構成図である。
【図８】前記流量調節機構に係る動作の流れを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、実施の形態に係る吸気排気装置を備えたガスタービン２が設けられるＮＧ液化設備（天然ガス処理設備）の構成例を示している。  
ＮＧ液化設備は、前処理により不純物が除去されたＮＧを予冷熱交換器１１にて予冷却し、スクラブカラム１２にて気液分離した後、極低温主熱交換器（ＭＣＨＥ：Main Cryogenic Heat Exchanger）１３にて液化、過冷却してＬＮＧを得る。また、スクラブカラム１２にて気液分離された液体は、複数の精留塔を備えた精留部１４にて、プロパンやブタンなどの軽質成分と、常温で液体のコンデンセートとに分離され、軽質成分はＭＣＨＥ１３へ戻される。
【００１４】
当該ＮＧ液化設備には、予冷熱交換器１１用のＣ３冷媒の圧縮を行うＣ３圧縮機１５や、ＭＣＨＥ１３にて用いられる混合冷媒（ＭＲ：Mixed Refrigerant）の圧縮を行うＭＲ圧縮機１６が設けられている。以下の説明では、Ｃ３圧縮機１５やＭＲ圧縮機１６をまとめて「冷媒圧縮機１０」とも呼ぶ。
【００１５】
本例のＮＧ液化設備は、冷媒圧縮機１０を駆動する動力原としてガスタービン２を備えている。図２に示すように、ガスタービン２は、燃焼用の空気を圧縮する空気圧縮機２１と、圧縮空気中に供給された燃料ガスの燃焼によって回転し、冷媒圧縮機１０及び空気圧縮機２１の駆動力を得るタービン２２とを備える。  
ガスタービン２は、例えば８０ＭＷ以上の定格出力を有する大型の産業形ガスタービンにより構成してもよいし、定格出力が２５ＭＷ〜６０ＭＷ程度の比較的小型の航空機転用形ガスタービンにより構成してもよい。
【００１６】
上述の構成を備えるガスタービン２は、外部から取り込んだ空気を空気圧縮機２１に供給するための吸気部３と、タービン２２から排気された燃焼後の排ガスを、不図示の煙突などを介して外部へ排出するための排出流路４とを備える。吸気部３や排出流路４は、本例の吸気排気装置を構成している。
ＮＧ液化設備に複数台のガスタービン２が設けられる場合には、これら複数のガスタービン２の全てに本例の吸気排気装置を設けてもよいし、複数台のガスタービン２の一部に当該吸気排気装置を設けてもよい。
【００１７】
吸気部３は、例えば下面側が開口した傾斜屋根形状のフード３０１を上下方向に並べて配置した空気の取り込み面を備え、内部に粉じんを除去するフィルターや、消音用のサイレンサ（いずれも不図示）を収容した吸気ダクト３０２として構成されている。吸気ダクト３０２の下流側の端部は、ガスタービン２の空気圧縮機２１に接続されている。
【００１８】
ガスタービン２のタービン２２の出口側には、燃焼排ガスを排出するための排出流路４が接続されている。タービン２２の出口位置における排ガスの温度は、３５０〜６００℃程度の高い温度を有している。ＮＧ液化設備には、この排ガスを利用して蒸気やホットオイルなどの高温の熱流体を得る排熱回収部（ＷＨＲＵ：Waste Heat Recovery Unit）が設けられている場合がある。
【００１９】
本例の排出流路４は、タービン２２の出口に接続された排ガスの流路を分岐させ、排ガスの一部をＷＨＲＵに流して熱流体を得る一方、残りの排ガスを本例の排出流路４に流してもよい（例えば後述の図７参照）。また例えば、タービン２２の出口側にＷＨＲＵを設けて熱流体の加熱を行い、既述の３５０〜６００℃程度の温度よりも温度が低下した排熱回収後の排ガスが流れるＷＨＲＵ出口に本例の排出流路４を設けてもよい。この他、タービン２２の出口側にＷＨＲＵを設けず、排ガスの全量を排出流路４に流してもよい。
【００２０】
そして、ＮＧ液化設備に複数台のガスタービン２が設けられる場合には、各ガスタービン２に排出流路４を設けてもよいし、これらの排出流路４から排出された排ガスが流れる流路を合流させ、複数のガスタービン２共通の排出流路４を設けてもよい。複数のガスタービン２に対して共通の排出流路４を設ける場合には、各ガスタービン２に対して個別に設けられた吸気部３と、共通化された排出流路４とによって各吸気排気装置が構成される。
【００２１】
上述の構成を備える本例の吸気排気装置は、排出流路４内を流れる排ガスを利用して、吸気部３に取り込まれた空気を冷却する熱音響機関５を備えている。熱音響機関５は、熱音響現象を利用し、排出流路４を流れる排ガスが持つ熱エネルギーを振動に変換し、当該振動を管路（加熱側ループ管路５０１−連結管路５０３−冷却側ループ管路５０２）内で伝搬させた後、振動が持つエネルギーを利用して低温部を形成し、空気の冷却を行う。
【００２２】
詳細には熱音響機関５は、排出流路４を流れる排ガスを利用して振動を発生させる第１のスタック５１が設けられた加熱側ループ管路５０１と、加熱側ループ管路５０１側から伝搬した振動を用いて低温部を形成する第２のスタック５２が設けられた冷却側ループ管路５０２とを備える。これら加熱側ループ管路５０１と冷却側ループ管路５０２とは、連結管路５０３を介して接続されている。
【００２３】
加熱側ループ管路５０１、冷却側ループ管路５０２、連結管路５０３は、各々、直径が数十センチメートル〜数メートル程度の配管により構成され、その内部には空気やアルゴン、ヘリウムなどの作動ガスが封入されている。
例えば加熱側ループ管路５０１は、一辺が数十センチメートル〜数メートル程度の角環状のループにより構成され、その一辺には、加熱側ループ管路５０１よりも細い流路の集合体（スタック）である第１のスタック５１が介設されている。第１のスタック５１は、例えば直径が数センチメートル〜数十センチメートル程度の細管を束ねた構造としてもよいし、柱状の部材の一端側から他端側へ向けて、左記の直径を有する多数の流路を形成したハニカム構造としてもよい。
【００２４】
第１のスタック５１の一端側には、温度調節用の流体、例えば定温の水との熱交換により、当該第１のスタック５１の一端部を例えば４〜２０℃の範囲内の所定の温度に保つ定温熱交換部５１１が設けられている。複数の細管を束ねた第１のスタック５１が設けられている場合には、定温熱交換部５１１はこれらの細管の一端部が挿入されたシェル内に、水を流すシェルアンドチューブ構造を採用する場合を例示することができる。また、ハニカム構造の第１のスタック５１が設けられている場合には、流路が形成された部材の一端の外周面を、水が流れるジャケットで覆う、ジャケット構造を採用する場合を例示することができる。
【００２５】
定温熱交換部５１１にて用いる温度調節用の水は、ＮＧ液化設備の工場内で用いられている一般的な工業用水を用いることができる。このとき、工業用水ヘッダーの圧力を利用して必要量の工業用水を供給することが可能な場合には、定温熱交換部５１１へ工業用水を供給するための独自のポンプ（動力機）は設けなくてもよい。なお、必要に応じて、定温熱交換部５１１に工業用水を供給する小型のポンプを設ける実施形態を否定するものではない。また、季節変化などに起因する長期的な周期の温度変化が発生した場合でも、第１のスタック５１の一端部の温度を所定の温度に保つことが可能なように、工業用水の供給流量を増減する流量調節弁などを設けてもよい。
【００２６】
また、第１のスタック５１の他端側には、排出流路４を流れる排ガスにより、当該他端側の温度を、前記定温熱交換部５１１によって一定温度に保たれた一端側の温度よりも高い温度に加熱する高温熱交換部５１２が設けられている。
【００２７】
高温熱交換部５１２の構成としては、シェルアンドチューブ構造の熱交換器を用いる場合を例示することができる。詳細には、排出流路４の本体によって、排ガスの流れ方向の上流側及び下流側から挟まれる位置に、高温熱交換部５１２の本体を成す筐体部（シェル）を設け、前記排ガスの流れ方向と交差する向きに対向して配置された当該筐体部の一面を第１のスタック５１に接続すると共に、他面を加熱側ループ管路５０１に接続する。そして、排ガスの流れ方向に沿って、前記上流側から下流側に向けて筐体部内を貫通するように排ガスが流れる熱交換用の多数本の細管（チューブ）を配置する態様を例示することができる。
【００２８】
冷却側ループ管路５０２は、加熱側ループ管路５０１と同様に、一辺が数十センチメートル〜数メートル程度の角環状のループにより構成され、その一辺には第２のスタック５２が介設されている。第２のスタック５２は、第１のスタック５１とほぼ同様の構成を備えるので詳細な説明を省略するが、複数の細管を束ねた構造やハニカム構造のものを用いることができる。
【００２９】
第２のスタック５２の一端側には、温度調節用の流体、工業用水などの定温の水との熱交換により、当該第２のスタック５２の一端部を例えば４〜２０℃の範囲内の所定の温度に保つ定温熱交換部５２１が設けられている。定温熱交換部５２１の構成や、工業用水の供給機構については、加熱側ループ管路５０１側の定温熱交換部５１１の例と同様なので、再度の説明を省略する。
【００３０】
第２のスタック５２の他端側には、当該他端部に形成される低温部との熱交換により、吸気部３に取り込まれた空気を冷却する低温熱交換部５２２が設けられている。  
低温熱交換部５２２の構成例としては、例えば吸気部３を構成する吸気ダクト３０２の入口部に、高温熱交換部５１２と同様にシェルアンドチューブ構造の熱交換器を設ける例を挙げることができる。この例では、低温熱交換部５２２のシェルを成す筐体部が第２のスタック５２の低温部に位置するように吸気ダクト３０２内に配置され、吸気ダクト３０２内の空気の流れ方向に沿って筐体部内を貫通する熱交換用の多数本の細管（チューブ）と設けて、細管内を流れる空気を冷却する。
【００３１】
連結管路５０３は、排出流路４側に設けられた加熱側ループ管路５０１と、吸気部３側に設けられた冷却側ループ管路５０２とを接続し、第１のスタック５１にて発生した振動を冷却側ループ管路５０２へ伝搬させる。
【００３２】
上述の構成を備えた熱音響機関５において、ガスタービン２が稼働し、タービン２２から排出流路４へ高温の排ガスが排気されると、定温熱交換部５１１により定温に保たれた第１のスタック５１の一端側と、高温熱交換部５１２により加熱された第１のスタック５１の他端側との間に温度差が生じる。このとき第１のスタック５１内の作動ガスには、熱音響現象により振動が発生し、この振動が第１のスタック５１の他端側から加熱側ループ管路５０１内に封入された作動ガスへと伝搬する。
【００３３】
伝搬する振動の一部は、加熱側ループ管路５０１内を循環して振動を発生させるエネルギーを増幅させる。また、当該振動の一部は、連結管路５０３を介して冷却側ループ管路５０２側へ伝搬する。冷却側ループ管路５０２に導入された振動は、定温熱交換部５２１により定温に保たれた第２のスタック５２の一端側に導入される、第２のスタック５２を構成する流路内では、前記振動の伝搬に伴って作動ガスの放熱と収縮を繰り返し、次第に温度が低下して、低温部が形成される。この低温部に低温熱交換部５２２を設けることにより、吸気部３に取り込まれた空気を冷却することができる。
【００３４】
吸気部３に取り込まれた空気が低温熱交換部５２２にて冷却されることにより、ガスタービン２の稼働効率（例えば、燃料ガスの単位消費量あたりの出力）を向上させることができる。  
低温熱交換部５２２を通過した振動は、連結管路５０３側から伝搬した振動と合流し、冷却側ループ管路５０２内を循環して再び第２のスタック５２に導入される。
【００３５】
本実施の形態に係る吸気排気装置によれば以下の効果がある。基本構成として動力機の設置を必須とせず、構成が簡素な熱音響機関５を利用してガスタービン２の排熱回収、及び吸気冷却を行うので、低コストでメンテナンス性の良好な排熱回収／吸気冷却機構を構成することができる。
【００３６】
ここで図３には、排出流路４に高温熱交換部５１２を直接組み込んで排熱の回収を行い、また吸気部３に低温熱交換部５２２を直接組み込んで空気の冷却を行う例を示した。
但し、高温熱交換部５１２にて第１のスタック５１の他端側を加熱する手法や、第２のスタック５２の他端側に形成された低温部を用いて吸気部３に取り込まれた空気を冷却する手法は、図３に例示した直接方式の熱交換に限定されない。
【００３７】
例えば図４には、排出流路４に設けた熱媒加熱部４１に熱媒を通流させ、温度上昇した熱媒を、熱媒流路４１１を介して高温熱交換部５１２に供給することにより、第１のスタック５１の他端側を加熱する、間接方式の加熱を採用した熱音響機関５ａの例を示している。熱媒としては、蒸気やホットオイルなどが用いられる。
【００３８】
さらに図４に示す熱音響機関５ａは、低温熱交換部５２２に冷媒を通流させ、温度低下した冷媒を、吸気部３に設けられた空気冷却部３１へと、冷媒流路３１１を介して供給することにより空気の冷却を行う、間接方式の冷却を採用した例を示している。熱媒としては、工業用水などが用いられる。  
また、図３、４に示したように、排出流路４からの排熱回収と、吸気部３に取り込んだ空気の冷却とは、直接方式、または間接方式に揃えることも必須ではなく、高温熱交換部５１２、定温熱交換部５２１のいずれか一方を直接方式、他方を間接方式としてもよい。
【００３９】
次に図５、６を用い、ガスタービン２の負荷に応じ、図３に示す高温熱交換部５１２や図４に示す熱媒加熱部４１をオンライン状態として、熱音響機関５、５ａを利用した吸気冷却を行う状態と、高温熱交換部５１２や熱媒加熱部４１をオフライン状態として吸気冷却を停止する状態とを切り替える実施形態について説明する。
【００４０】
ガスタービン２は、定格出力で稼働している場合に最も稼働効率が高くなるように設計されている。このため、ＮＧ液化設備におけるＮＧの処理量の低下などの理由で、冷媒圧縮機１０の負荷が低下すると、冷媒圧縮機１０の負荷低下に合わせてガスタービン２の出力が低下し（ターンダウン運転ともいう）、効率的な稼働を実現できない。
この状態において、熱音響機関５、５ａを用いて吸気部３から取り込まれる空気を冷却すると、ガスタービン２の出力をさらに低下させ、稼働効率を悪化させることとなってしまう。
【００４１】
そこで図５、６に示す吸気排気装置は、高温熱交換部５１２（または熱媒加熱部４１。以下、図５、６の説明において同じ。）の上流側の位置にて排出流路４から分岐し、ガスタービン２（タービン２２）から排気された排気ガスを、高温熱交換部５１２を通過させずに外部へと排出するためのバイパス流路（第２の排出流路）４ａを備えている。
【００４２】
排出流路４には、高温熱交換部５１２側への排ガスの流れを停止し、例えばギロチンダンパにより構成される熱音響機関側ダンパ４２と、バイパス流路４ａ側にガスを流す際に開かれ、例えば折り畳み式のダンパにより構成されるバイパス流路側ダンパ４３とを備えている。熱音響機関側ダンパ４２、バイパス流路側ダンパ４３は不図示の駆動機構を備え、例えばＮＧ液化設備全体を制御するＤＣＳ（Distributed Control System、分散型制御システム）などによって構成される制御部６かららの制御信号に基づいて自動的に開閉動作が実行される。熱音響機関側ダンパ４２、バイパス流路側ダンパ４３は、ガスタービン２から排気された排ガスの排出先を、既述の排出流路４、バイパス流路４ａ間で切り替える切替機構を構成している。
【００４３】
さらに制御部６は、ガスタービン２の出力を検出し、ガスタービン２の出力が、定格出力の５０％以上、１００％未満、より好適には５０％以上、９８％以下の予め設定された出力（「吸気冷却出力」という）以上である場合には排ガスの排気先を排出流路４とし、熱音響機関５、５ａを作動させる制御を行う。
【００４４】
一方、ガスタービン２の出力が前記吸気冷却出力よりも小さいターンダウン運転の状態の場合には、排ガスの排気先をバイパス流路４ａに切り替える制御を行う。この結果、熱音響機関５、５ａが作動を停止し、空気圧縮機２１に供給される空気の温度が上昇することにより、ガスタービン２の稼働効率を向上させ、燃焼ガスの消費量を低減することなどができる。  
また、頻繁な切替動作の発生を抑制するため、熱音響機関５ａ側に切り替えられた排ガスを熱音響機関５に戻す際には、吸気冷却出力に所定のオフセット値を加算し、ガスタービン２の出力がオフセットを加算した吸気冷却出力を上回った場合に、切替機構を作動させてもよい。
【００４５】
なお、図５、６に示す実施形態では、制御部６からの制御信号に基づき、排ガスの排気先を排出流路４、バイパス流路４ａ間で自動的に切り替える例を説明したが、切替機構の自動制御は必須の要件ではない。例えばガスタービン２の出力が吸気冷却出力以下の状態で安定した場合に、オペレーターが手動で熱音響機関側ダンパ４２、バイパス流路側ダンパ４３を操作し、排出流路４、バイパス流路４ａの切り替えを行ってもよい。
【００４６】
次いで、図７、８を参照しながら、熱音響機関５とＷＨＲＵ４６との間で排ガスの流量を振り分ける実施形態について説明する。  
図７に示す吸気排気装置は、高温熱交換部５１２の上流側の位置にて排出流路４（第１の排出流路）から分岐した排熱回収流路（第２の排出流路）４ｂを備える。この排熱回収流路４ｂには、ガスタービン２（タービン２２）から排気された排気ガスの排熱を利用して、熱流体であるホットオイルの加熱を行うＷＨＲＵ（排熱回収部）４６が設けられている。
【００４７】
また、排出流路４の高温熱交換部５１２の下流側の位置には、排出流路４側に流れる排ガスの流量を調節する熱音響機関側流量調節ダンパ４４が設けられている。他方、排熱回収流路４ｂのバイパス流路側ダンパ４３の下流側の位置には、排熱回収流路４ｂ側に流れる排ガスの流量を調節するＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５が設けられている。
【００４８】
さらに、ＷＨＲＵ４６から流出した加熱後のホットオイルが流れる流路（熱流体流路）には、ホットオイルの温度を測定する熱流体温度測定部であるホットオイル温度計４６１が設けられている。また、吸気部３には、外部から取り込まれ、低温熱交換部５２２にて冷却された後の空気の温度を測定する吸気温度測定部である吸気温度計３２が設けられている。
【００４９】
本実施形態において、熱音響機関側流量調節ダンパ４４、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５は、ホットオイル温度計４６１にて測定した加熱後のホットオイルの温度、及び吸気温度計３２にて測定した冷却後の空気の温度（吸気温度）に応じて出力される制御部６からの制御信号に基づいて開閉動作（排出流路４及び排熱回収流路４ｂへ流れる排ガスの流量調節動作）が実行される。
【００５０】
ここでＷＨＲＵ４６にて加熱されるホットオイルは、ＮＧ液化設備に設けられている各種の加熱機器にて利用されるところ、温度変動が少なく、所定の温度に安定的に加熱されていることが要求される。そこで、制御部６は、ホットオイル温度計４６１にて測定されたホットオイルの温度が予め設定された目標温度に近づくように熱音響機関側流量調節ダンパ４４、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５の開閉動作を実行する。
【００５１】
また、吸気部３に取り込まれ、低温熱交換部５２２にて冷却された空気の温度は、熱音響機関側流量調節ダンパ４４、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５の開閉動作の影響を受けて変化するばかりでなく、外気温度に応じても変化する。このとき、ガスタービン２の空気圧縮機２１に供給される空気の温度が過剰に低下すると、機器の損傷を引き起こす要因ともなる。例えば、空気圧縮機２１の入口側に設けられているインレットガイドベーン（不図示）における水分の氷結発生防止の観点からは、インレットガイドベーンに供給される空気の温度は例えば８℃以上であることが要求されている。
【００５２】
制御部６は、このような機器保護の観点で、吸気温度計３２にて測定された冷却後の空気の温度が、予め設定された下限温度（例えば機器制約の温度に所定のマージンを加算した温度）を下回った場合に、当該冷却後の空気の温度が下限温度以上となるように熱音響機関側流量調節ダンパ４４、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５の開閉動作を実行する。  
以下、図８を参照しながら制御部６による排出流路４、排熱回収流路４ｂへの排ガスの流量の調節動作について説明する。
【００５３】
始めに、ガスタービン２が稼働し、熱音響機関側流量調節ダンパ４４及びＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５が各々、所定の開度に調節され、排出流路４及び排熱回収流路４ｂに排ガスが所定流量ずつ振り分けられた状態となっているとする（スタート）。  
制御部６は、吸気温度計３２から取得した吸気温度が下限温度以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ１０１）。
【００５４】
吸気温度が下限温度以上となっている場合には（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、ホットオイル温度計４６１から取得したホットオイルの温度が、予め設定された目標温度の範囲（温度設定範囲）内であるか否かの判断を行う（ステップＳ１０２）。  
ホットオイルの温度が温度設定範囲内である場合には（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、所定の時間間隔で吸気温度の確認（ステップＳ１０１）とホットオイルの温度の確認（ステップＳ１０２）とが繰り返される。
【００５５】
ホットオイルの温度が温度設定範囲から外れていた場合には（ステップＳ１０２；ＮＯ）、当該温度がホットオイルの上限値以上であるか、下限値以下であるかの確認を行う(ステップＳ１０３)。
【００５６】
ホットオイルの温度が上限値以上となっている場合には（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５を所定量だけ閉じる方向に調節を行う。また、減少分の排ガスが排出流路４側に流れるように熱音響機関側流量調節ダンパ４４を所定量だけ開く調節を行う（ステップＳ１０５）。
【００５７】
この結果、ＷＨＲＵ４６を通過する排ガスの流量が減少してホットオイルの温度が低下する。一方で、高温熱交換部５１２を通過する排ガスの流量が増加し、熱音響機関５の作用により、吸気温度が低下する。  
しかる調節が行われた後、ステップＳ１０１以降の動作を繰り返す。
【００５８】
一方、ステップＳ１０３において、ホットオイルの温度が下限値以下となっている場合には（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５を所定量だけ開く方向に調節を行う。また、増加分の排ガスが排出流路４側から振り替えられるように熱音響機関側流量調節ダンパ４４を所定量だけ閉じる調節を行う（ステップＳ１０４）。
【００５９】
この結果、ＷＨＲＵ４６を通過する排ガスの流量が増加してホットオイルの温度が上昇する。一方で、高温熱交換部５１２を通過する排ガスの流量が減少し、熱音響機関５を介して冷却される空気の温度（吸気温度）が上昇する。  
しかる調節が行われた後、ステップＳ１０１以降の動作を繰り返す。
【００６０】
また、吸気温度計３２から取得した吸気温度が下限温度未満となっている場合には（ステップＳ１０１；ＮＯ）、ホットオイルの温度が温度設定範囲内であるか否かに係らず、熱音響機関側流量調節ダンパ４４を所定量だけ閉じる調節を行い、排出流路４に振り分けられる排ガスを減少させる（ステップＳ１０４）。この結果、高温熱交換部５１２を通過する排ガスの流量が減少するため、吸気温度が上昇する。また、排出流路４の減少分だけ排熱回収流路４ｂ側に排ガスが流れるようにＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５を開く調節を行う（ステップＳ１０４）。
【００６１】
このように、吸気温度が下限温度未満となっている場合には、ホットオイル側の温度制御を目的とした排ガスの流量調節に優先して吸気温度を低下させることにより、機器を保護することができる。なおこの場合は、ＷＨＲＵ４６を通過する排ガスの流量が増加してホットオイルの温度が上昇し、温度上限値を超えるおそれもある。そこで、ＷＨＲＵ４６から流出したホットオイルの流路の下流側にトリムクーラーを設け、温度上限値を超えたホットオイルについては、トリムクーラーを稼働させて目標温度まで冷却してから各機器に供給してもよい。
【００６２】
図７、８を用いて説明した実施形態は、排出流路４、吸気部３に、各々、高温熱交換部５１２、低温熱交換部５２２を直接組み込んだ直接方式の加熱、冷却を行う熱音響機関５への適用に限定さるものではない。例えば図４に示す間接方式の加熱、冷却を行う熱音響機関５ａについても当該技術は適用することができる。
【００６３】
また、図８を用いて説明した例では、熱音響機関側流量調節ダンパ４４、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５の頻繁な開閉動作の発生を避けるため、ホットオイルの温度の目標温度の範囲設定を行った例を示した。但し、ホットオイルの温度調節の手法はこの例に限定されるものではなく、例えば目標温度の値に近づくように、ＷＨＲＵ側流量調節ダンパ４５の開閉を行うＰＩＤ制御を行ってもよい。
さらに、ＷＨＲＵ４６にて発生させる熱流体はホットオイルに限定されるものではなく蒸気であってもよい。
【００６４】
この他、熱音響機関５、５ａの構成については、図３、４に示した形状に限定されない。第１のスタック５１における振動の発生、第２のスタック５２における低温部の形成が可能であれば、加熱側ループ管路５０１や冷却側ループ管路５０２に替えて、直管路に第１のスタック５１や第２のスタック５２を設けてもよい。
【００６５】
そして、熱音響機関５、５ａを用いて吸気冷却が行われるガスタービン２は、ＮＧ液化設備に設けられる場合に限定されない。例えば、ＮＧに含まれるコンデンセートなどの成分を分離し、回収する天然ガス処理設備にて用いられる冷媒を冷却する冷媒圧縮機１０を駆動するガスタービン２や、発電機を駆動するガスタービン２に対して、上述の吸気排気装置を設けてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０        冷媒圧縮機
２          ガスタービン
２１        空気圧縮機
２２        タービン
３          吸気部
４          排出流路
５０１      加熱側ループ管路
５０２      冷却側ループ管路
５０３      連結管路
５１        第１のスタック
５１１      定温熱交換部
５１２      高温熱交換部
５２        第２のスタック
５２１      定温熱交換部
５２２      低温熱交換部
６          制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018163419.tif 000010
【国際調査報告】
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2018163419.tif 000012
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