(57)【要約】  本発明の実施形態は、ガスタービンコンプレッサに入る浮遊微粒子の捕捉／除去のための、筒内ディスクタイプの「湿式」または「乾式」のＥＳＰ（電気集塵）技術の適用に関する。これにより、従来のろ過技術に伴う非効率性を有することなく微粒子除去の効率的な方法をもたらす。革新的なアプローチの実施形態はまた、従来のフィルタの入口空気流遮断効果を排除し、これにより、その使用及び動作を、清浄な流入空気流を必要とする異なる作動環境及びプロセス（工業的製造プロセス、発電機、タービンと流体の複合回収、加熱及び冷却に使用するためのタービン及び流体回収の複合システムなどを含む）に適用可能にする。【選択図】図５
2019503840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に平行な管状要素である第１のアレイであって、各管状要素は、各管状要素の壁に形成された実質的に中央の第１の電極及び第２の電極を含み、前記第１のアレイは、空気流が前記第１のアレイの第１の端部に入って、前記第１のアレイの第２の端部を出ることが可能なように配置された、第１のアレイと、
各管状要素の前記第１の電極及び前記第２の電極にわたって電位差を印加することによって、前記第１のアレイの各管状要素内に電場を生成するように動作可能なエネルギ源であって、各管状要素内で生成される前記電場の勾配は、実質的に９８４．３ｋＶ／ｍ（２５ｋＶ／ｉｎｃｈ）以上である、エネルギ源と、
空気流が管状要素の前記第１のアレイの前記第２の端部を出た後に、前記空気流を受けように配置されたガスタービンであって、前記空気流のためのコンプレッサ、燃料燃焼室、及びタービンを含む、ガスタービンと
を備えた、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、各管状要素の前記中央の第１の電極は、前記空気流の方向に実質的に平行に配向された実質的に剛性を有する支柱であって、前記支柱の前記長さに沿って間隔を開けて前記空気流の前記方向に対して実質的に垂直に向けて配置された１つまたは複数の同心円盤を有する、支柱である、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、管状要素の前記アレイの前記第１の端部に前記空気流が入る前に、前記空気流に冷却プロセスを実行するように構成された空気流冷却要素をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、前記空気流冷却要素は冷却液を使用し、前記冷却液は水である、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、前記水は、１つまたは複数のスプレーノズルを用いて前記空気流に加えられた、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記管状要素の１つまたは複数の前記外部に沿ってまたは横切って流れるように用意された冷却液をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記冷却液は水である、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、熱回収蒸気発生器をさらに備え、前記熱回収蒸気発生器は、前記タービンからの排熱を蒸気源に変換するように動作可能である、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、各管状要素の前記中央の第１の電極は、前記空気流の方向に実質的に平行に配向された実質的に剛性を有する支柱であって、前記支柱の前記長さに沿って間隔を開けて前記空気流の前記方向に対して実質的に垂直に向けて配向された複数の同心円盤のアレイを有する、支柱である、システム。
【請求項１０】
請求項８に記載のシステムにおいて、蒸気タービンをさらに備え、前記蒸気タービンは、前記熱回収蒸気発生器によって生成された前記蒸気源から動力を生成するように動作可能である、システム。
【請求項１１】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記蒸気源を冷却液に変換するように動作可能な吸収式冷凍機をさらに備え、前記冷却液は、１つまたは複数の前記管状要素の外部に沿ってまたは１つまたは複数の前記管状要素の前記外部を横切って流れるように構成された、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、吸収式冷凍機は、１つまたは複数の前記管状要素の前記外側に沿ってまたは横切って流れた後に前記冷却液を入力として受け取り、入力された前記冷却液の冷却されたものを出力するように配置され、前記冷却されたものは、１つまたは複数の前記管状要素の前記外部に沿ってまたは横切って流れるように用意された、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、実質的に平行な管状要素の第２のアレイをさらに備え、各管状要素は、各管状要素の前記壁に形成された実質的に中央の第１の電極及び第２の電極を含み、前記第２のアレイは、前記空気流が前記第１のアレイの前記第２の端部を出た後に前記第２のアレイの第１の端部で前記空気流を受け取り、前記空気流が前記ガスタービンに入る前に前記第２のアレイの第２の端部で前記空気流を供給するように配置され、さらに、前記エネルギ源は、各管状要素の前記第１の電極及び前記第２の電極にわたって電位差を印加することによって前記第２のアレイの各管状要素内の電場を生成するように動作可能であり、さらに、各管状要素内で生成される前記電場の勾配が実質的に９８４．３ｋＶ／ｍ（２５ｋＶ／ｉｎｃｈ）以上である、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムにおいて、管状要素の前記第１のアレイと前記第２のアレイとの間に配置された粒子保持チャンバをさらに備えた、システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極は、負の極性で動作する、システム。
【請求項１６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１の電極及び前記第２の電極は、正の極性で動作する、システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムにおいて、管状要素の前記第１のアレイに入る前記空気流の前に前記空気流に配置されたフィルタリング要素をさらに備えた、システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、前記フィルタリング要素は、前記粒子状物質の前記経路を遮ることによって前記空気流から粒子状物質を除去する、システム。
【請求項１９】
請求項１３に記載のシステムにおいて、管状要素の前記第１のアレイにおける空気流の前記方向は、管状要素の前記第２のアレイ内の前記空気流の方向と実質的に反対である、システム。
【請求項２０】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記第２のアレイの各管状要素の前記第１の電極及び前記第２の電極は、負の極性で動作する、システム。
【請求項２１】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記第２のアレイの各管状要素の前記第１の電極及び前記第２の電極は、正の極性で動作する、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］この出願は、２０１５年１２月２日に出願された米国仮出願第６２／２６１，９８７号「電気集塵を用いて空気流から粒子状物質を除去することによりタービンの動作を改善するためのシステム、装置、及び方法」の利益を主張し、その内容の全体が参照により本明細書に援用される（付属書類を含む）。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］理想ガスタービンでは、ガスは、等エントロピー圧縮、等圧（定圧）燃焼、及び等エントロピー膨張の３つの熱力学的プロセスを経る。これらは合わさってブレイトンサイクルを構成し、その一例が図１（Ａ）に示されている。ブレイトンサイクルとして知られる熱力学的プロセスは、機械の入力と出力との間の作動流体の温度差を増加させることによって効率が最大化されるカルノーサイクルに類似しており、ブレイトンサイクルでは、機械全体（すなわち、吸気流と出力流との間）の圧力差を増加させることによって効率が最大化される。
【０００３】
［０００３］典型的なガスタービンは、（図１（Ａ）−１に示すように）コンプレッサ、燃焼器、及びタービンの３つの主要構成要素からなる。作動流体または流れ、空気はコンプレッサ内で（熱の増加または損失の無い、断熱圧縮プロセスにより）圧縮され、次いで燃料と混合され、燃焼室内で一定圧力条件下（すなわち、図１（Ａ）−２に示すように、熱を加えて一定圧力の状態）で燃焼器によって燃焼される。得られたより高温のガスは、図１（Ａ）−３に示すように、タービンを通って膨張して（断熱膨張の過程を経て）仕事を行う。タービン内で生成される動力の大部分はコンプレッサを動作させるために使用され、残りは補機を動作させて有用な仕事をするために利用される。示されたシステムは、空気が再利用されないので「開放」システムであるため、作動流体を冷却するブレイトンサイクルの第４のステップは省略される。
【０００４】
［０００４］実用的なガスタービンシステムでは、機械的エネルギは、内部摩擦及び乱流により、ガスが（遠心コンプレッサまたは軸流コンプレッサのいずれかで）圧縮されると不可逆的に熱に変換される。熱が加えられ、ガスの比容積が増加する燃焼室を通過すると、わずかな圧力損失を伴う。タービンのステータブレード及びロータブレードの中での膨張中に、不可逆的なエネルギ変換が再び生じる。
【０００５】
［０００５］装置が産業発電機またはターボプロップのようにシャフトに動力を供給するように設計されている場合、ガスの出口圧力は可能な限り入口圧力に近づく。しかしながら、実際には、排出ガスを完全に排出するために出口にいくらかの圧力が残ることが必要である。ジェットエンジンの場合、コンプレッサ及び他の構成要素を駆動するのに十分な圧力及びエネルギのみが流れから抽出される。残りの高圧ガスは、例えば、航空機を推進するために使用され得るジェット排気流を提供するように加速される。
【０００６】
［０００６］上述したように、ガスタービンエンジンは、燃焼室で燃料を燃焼させ、蒸気タービンを駆動するのに高速で流れる蒸気を使用するのとほぼ同じように、高速燃焼ガスを使用してタービンを駆動することにより動力を得る。しかし、１つの違いは、ガスタービンが、同じシャフトに取り付けられた空気コンプレッサとして働く第２のタービンを有することである。空気タービン（コンプレッサ）は、空気を吸入し、圧縮し、高圧で燃焼室に供給し、燃焼プロセスの強度を高める。これは積極的なフィードバックメカニズムを形成し、ガスタービンの速度が上昇するにつれて、コンプレッサの速度も上昇させ、それにより、より多くの空気が燃焼室を通過させられる。これにより、燃料の燃焼速度を増加させ、より高圧の高温ガスをガスタービンに送り、その速度をさらに増加させる。制御されていない熱暴走は、タービンに供給される燃料の量を制限する燃料供給ラインの制御によって防止されて、その速度を制限する。
【０００７】
［０００７］発電用途では、電力出力を供給する同期発電機を駆動するためにタービンが使用される。タービンは通常、１２，０００ｒｐｍ以上の非常に高い回転速度で動作するため、発電機は電力網の交流周波数に応じて１，０００ｒｐｍまたは１，２００ｒｐｍの速度で動作するため、通常は高比率減速機を介して発電機に接続する必要がある。
【０００８】
［０００８］上述したように、タービン発電機は、推進及び／または発電の目的のためにロータ／ファンを駆動するためにガスの圧縮、燃焼、及び膨張を利用することによって作動する。最適な運転は、燃焼を促進するのに空気流（すなわち、吸気ガス）が使用され、圧縮及び膨張にさらされて、タービンブレードの損傷を防止し、燃焼プロセスの効率を低下させないように（この懸念はタービンコンプレッサにも当てはまることに留意されたい）、粒子状物質が可能な限り存在しないことを必要とする。従来、吸気流または吸気流フィルタリングは、吸気流の一部または全体に配置されたファブリックベースフィルタのような粒子状物質の物理的トラップまたは障壁を使用して達成されてきた。このタイプのフィルタでは、粒子は、空気が流れることのできる障壁との交差によって空気流から除去される（少なくともフィルタが比較的清浄であるときにわずかな障害を伴って流れる）。
【０００９】
［０００９］粒子状物質を除去するこのアプローチは、いくつかの使用例で効果的であるかもしれないが、いくつかの欠点があり、いくつかの動作環境には最適ではないことがある。これらの欠点には、限定されないが、（ａ）吸気と流出との間の圧力差が減少し、それによってタービンの動作効率に悪影響を及ぼし、（ｂ）粒子状物質の吸い込みにより、空気流フィルタリングの有効性が低下し、時間の経過とともに圧力差が増大する、及び（ｃ）要求される定期的なフィルタの清掃または交換に関連するコスト及びタービンシステムのダウンタイム、を含む。
【００１０】
［００１０］一般的に、電気集塵（ＥＳＰ）は、公害防止や工業プロセスの出力の浄化などの用途における微粒子の捕捉／除去のための障壁ベースのろ過の許容可能な代替物と考えられている。電気集塵は、粒子の帯電を誘発させた後に、電場によって粒子に付与された力を用いて、流れる気体から埃や煙等の粒子を除去するろ過装置の一種である。しかし、従来の経験とその機能の制限された理解は、他のユースケースまたは環境への適用を制限していた。例えば、乾式電気集塵器の従来の使用は、２８３２０ｌ／ｍｉｎ（リットル毎分）当たり１８．６から５５．７ｍ２（２００から６００ｆｔ２／１０００ａｃｆｍ（「特定の収集面積」またはＳＣＡ））の収集面積対流速比で０．９から１．２ｍ／ｓ（３から４ｆｔ／ｓｅｃｏｎｄ）の速度範囲で動作する。湿式電気集塵器（空気流が増加した湿度レベルを発生するように処理される）は、３．０ｍ／ｓ（１０フィート毎秒）までのやや高い速度、２８３２０ｌ／ｍｉｎ（リットル毎分）当たり１８．６から５５．７ｍ２（１００〜３００ｆｔ２／１０００ａｃｆｍ）の多少低いＳＣＡで動作する。
【００１１】
［００１１］これらの経験に基づく要因は、（少なくとも理論的には）タービン入口空気を浄化するための電気集塵器の設計に使用することができるが、本発明者によって認識されるように、そのような設計はいくつかの重大な欠点を有する。これらは、そのような設計は、（１）所望の動作環境に対して非実用的に大きく、（２）（電力は、大部分が電機集塵器の大きさに比例するため）多くの用途において電力が過剰に消費されることを含む。
【００１２】
［００１２］このように、従来使用されているような、従来の障壁ろ過または静電ろ過は、タービンの吸気流またはタービンが発電に使用されるシステムから粒子状物質を除去するのに最適ではない。本発明の実施形態は、これらの問題及び他の問題を個別及び集合的に解決することを目的としている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［００１３］本明細書で使用する「発明」、「その発明」、「この発明」、及び「本発明」という用語は、この文書及び特許請求の範囲に記載された主題のすべてを広く参照することを意図している。これらの用語を含む文は、本明細書に記載された主題を限定するものでもなく、請求項の意味または範囲を限定するものでもないと理解すべきである。この課題を解決するための手段の記載に含まれる本発明の実施形態は、記載によってではなく、特許請求の範囲によって規定される。この課題を解決するための手段の記載は、本発明の様々な態様の概要を概説したものであり、以下の発明の詳細な説明の項でさらに説明するいくつかの概念を紹介している。この課題を解決するための手段の記載は、主張された主題の、重要な、望まれた、または必須の特徴を特定することを意図したものではなく、主題の特許請求の範囲を決定するために単独で使用されることも意図されていない。主題は、この発明の明細書全体の適切な部分、任意のまたはすべての図面、及び各請求項を参照することによって理解されるべきである。
【００１４】
［００１４］本発明の実施形態は、タービン発電機またはタービンコンプレッサ（本明細書ではいずれも用語「タービン」と称する）に入る浮遊微小粒子の捕捉／除去のためのディスク・イン・チューブタイプの「湿式」または「乾式」のＥＳＰ（電気集塵）技術を適用することに関する。本発明者によって認識されるように、これは、従来のろ過技術（例えば、流入空気をフィルタに通して移動させるのに必要な圧力の増加及びこれに対応する総空気流の損失）の非効率性を伴わない粒子除去の効果的な方法を提供する。革新的なアプローチの実施形態はまた、従来のフィルタの入口空気流遮断効果を排除し、したがって、その使用及び動作を、清浄な入口空気流（工業的製造プロセス、発電機、加熱及び冷却に用いるタービン、及び流体再回収の複合システム等を含む）を必要とする異なる動作環境及びプロセスに適用する。
【００１５】
［００１５］一実施形態では、本発明は、電気集塵を使用してタービンに入る空気流中の望ましくない粒子状物質を除去するためのシステム及び関連する方法に関する。
［００１６］別の実施形態では、本発明は、電気集塵を用いてタービンに流入する空気流中の望ましくない粒子状物質を除去するためのシステム及び関連する方法に関し、このとき電気集塵器の入口にて霧ノズルまたは別の形態の気化冷却スプレーを用いて空気流を予め冷却する。
【００１６】
［００１７］別の実施形態では、本発明はチューブ型の電気集塵器を用いてタービンに入る空気流中の望ましくない粒子状物質を除去するためのシステム及び関連方法に関し、集塵器の集合管またはチャネルの外側を循環する冷却流体の使用を介した空気流の間接的な冷却を提供する。
【００１７】
［００１８］別の実施形態では、本発明は、チューブ型の電機集塵器（ＥＳＰ）を用いてタービンに入る空気流中の望ましくない粒子状物質を除去するためのシステム及び関連方法に関し、そのような集塵器の１つまたは複数のステージは、空気流を捕まえるように配置されている。収集または捕集チャンバが空気流から除去された粒子状物質を捕捉するために、ステージの１つ以上の対の間に配置されていてもよい。これらのステージは、同じまたは異なる電圧または電圧パルスで動作されていてもよく、さらに、いくつかの実施形態では、ＥＳＰステージの１つまたは複数の動作パラメータは、各ステージに関連付けられたセンサによって収集されたデータによって決定されてもよい。１つまたは複数のステージを動作させるために使用される電圧または電圧パルスは、センサによって収集されたデータを処理することに依存してもよい。
【００１８】
［００１９］別の実施形態では、本発明は、コンバインドサイクルプロセスの実施を含むより大きなシステムの一部としてチューブ型の電気集塵器を使用してタービンに入る空気流中の望ましくない粒子状物質を除去するための方法及び装置に向けられており、（例えば、熱回収蒸気発生器によって動力を供給される蒸気タービンによって出力されるような）低位蒸気は、上述したように、流体が集塵器集合管またはチャネルの外側に沿わせることにより、空気流を冷却するための冷却液を生成する「吸収冷却器」によって利用されることができる。
【００１９】
［００２０］一実施形態では、本発明は、システムにおいて、
実質的に平行な管状要素である第１のアレイであって、各管状要素は、実質的に中央の第１の電極と各管状要素の壁に形成された第２の電極とを含み、空気流が第１のアレイの第１の端部に入り、第１のアレイの第２の端部を出るように配置された、第１のアレイと、
各管状要素の第１及び第２の電極間に電位差を印加することによって、第１のアレイの各管状要素内に電場を生成するように動作可能なエネルギ源であって、各管状要素内で生成される電場勾配は、実質的に９８４．３ｋＶ／ｍ（２５ｋＶ／ｉｎｃｈ）以上である、エネルギ源と、
管状要素の第１のアレイの第２の端部から出た後の空気流を受け取るように配置されたガスタービンであって、空気流のためのコンプレッサと、燃料燃焼室と、タービンとを含む、ガスタービンを含む。
【００２０】
［００２１］本発明の他の目的及び利点は、発明の詳細な説明及び添付の図面を検討することにより、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
［００２２］本開示による本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【図１（Ａ）】［００２３］図１（Ａ）は、ブレイトンサイクルの一例を示す図であり、特定のタービンシステムの動作の態様を説明するために使用することができる。
【図１（Ｂ）】［００２４］図１（Ｂ）は、単一サイクルタービンシステムの一部としてのＥＳＰ装置の本発明による使用を示す図である。
【図２】［００２５］図２（Ａ）〜（Ｄ）は、このような要素のアレイの単一の管状要素、及び本発明の実施形態に係るタービンシステムで使用されるＥＳＰフィルタリング装置において、空気流から粒子状物質を除去するプロセスの一部として管状要素をどのように使用することができるかを示す図である。
【図３】［００２６］  ＥＳＰろ過装置または装置において使用され得るチューブ型の電極のアレイの上部（図３（Ａ））及び底面図（図３（Ｂ））の画像を示す図である。
【図４】［００２７］図４は、ディスク・イン・ラウンドチューブ（図４（Ａ））及びディスク・イン・ヘックスチューブ（図４（Ｂ））の電極配置に関するスカラー電位場（勾配が電場線である）の等電位レベルのコンピュータシミュレーションの図であり、このような電極配置が本発明のシステム及び装置の実施形態を実施する際に使用され得る。
【図５】［００２８］図５は、本明細書で説明されたタイプのＥＳＰ装置を利用し、本発明の概念の実施形態に従って実施され得る電力を生成するために使用されるコンバインドサイクルシステムを示す図である。
【００２２】
［００２９］開示及び図面を通して、同じ符号が同様の構成要素及び特徴を参照するために使用されることに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［００３０］本発明の実施形態の主題は、法定要件を満たすためにここでは具体的に説明されているが、この説明は必ずしも特許請求の範囲を限定するものではない。請求された主題は、他の方法で具現化されてもよく、異なる要素またはステップを含んでもよく、他の既存または将来の技術と共に使用されてもよい。この説明は、個々のステップの順序または要素の配置が明示的に記載されている場合を除いて、様々なステップまたは要素にかけてまたは間に特定の順序または配置を暗示するものとして解釈されるべきではない。
【００２４】
［００３１］本発明の実施形態は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる例示的な実施形態を例示として示す添付の図面を参照して、以下により完全に記載される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が法定要件を満たし、本発明の範囲を当業者に伝えるように提供される。
【００２５】
［００３２］本発明の実施形態は、タービンに入る浮遊微小粒子の捕捉／除去のためのディスク・イン・チューブ型ＥＳＰ（電気集塵器）技術の適用を含む。これは、従来のろ過方法に伴う欠点（タービンの運転効率への悪影響など）なしに粒子状物質の除去のための機構を提供する。微粒子除去のための機構としてＥＳＰを使用することにより、本発明のシステム及び装置の実施形態は、流入空気流の断面の実質的に一部である断面を有するバリアフィルタまたは粒子トラップによって典型的に引き起こされる寄生的な圧力の低減がない効果的なろ過機構をもたらす。
【００２６】
［００３３］前述したように、従来のタービンベースのシステム（及び他のタイプのシステム）は、繊維ベースのろ過装置を使用して、望ましくない粒子状物質を流入空気流から除去する。これは、空気中の粒子が侵食され、腐食し、タービンブレード上に堆積し、それによってユニットの効率を低下させるため、重要なプロセスである。ファブリックフィルタは、望ましくない粒子を除去するために作動することができるが、清浄であっても、タービンに寄生する負荷である固有の圧力降下の源である（それによって全体の効率に影響を及ぼす）。また、ファブリックフィルタは、粒子が蓄積するにつれて時間の経過と共に詰まり、タービンの寄生負荷を増加させる。これは、十分な減圧後にトリガされるクリーニング機構を含むシステムであっても、フィルタの清掃または交換のまでの間にタービン効率への悪影響が増大することを意味する。最後に、ファブリックフィルタは最終的に変更される必要があり、これにはタービンのダウンタイム、及びメンテナンスの出費の継続を必要とする。
【００２７】
［００３４］本発明のシステム及び方法のいくつかの実施形態では、ファブリックフィルタまたは障壁は、高速ディスク・イン・チューブ型の電気集塵（ＥＳＰ）ユニットまたはモジュール（典型的にはディスク・イン・チューブ型の集塵器のアレイとして形成される）によって置き換えられる（または共に使用される）。このアプローチは、ＥＳＰのチューブ型のチャネルが入ってくる空気の流れを物理的なフィルタまたは障壁と同程度にブロックしないため、より低い初期圧力降下をもたらし、微粒子による目詰まり（ひいてはタービン効率のさらなる低下）の可能性を実質的に排除する。
【００２８】
［００３５］図２（Ａ）乃至２（Ｄ）は、このような要素のアレイの単一管状要素の一例、及びタービンシステムに使用される本発明のＥＳＰフィルタリング装置の実施形態において、空気流から粒子状物質を除去するプロセスの一部としてどのように管状要素を使用することができるかを示す図である。図面によって示されているように、各管、管状要素またはチャネル２０２は、中心電極２０４を含み、それに沿って間隔を置いて配置された円板２０６がある。電位差が中心電極２０４と管２０８の内壁との間に生成される。（吸気流等である）気体または流体２１０がチューブに入り、気体または流体は、ガスまたは流体がさらに使用される前に除去されることが望ましい粒子状物質２１２を含むことができる。
【００２９】
［００３６］気体または流体及び粒子状物質は管状要素に入り、電極間に加えられた電位差によって生成される電離電場にさらされる（図には電源または電源と電極との間の接続が示されていないことに留意されたい）。（図２（Ｂ）に示すように、正または負の電荷を有する）得られた荷電粒子は、管状要素の内側の電場によって荷電粒子に加えられる力にさらされる。これにより、荷電粒子が加速され、管状要素（２０８）の内壁に衝突し、図２（Ｃ）に示すように、荷電粒子が「収集」される。必要に応じて、管状要素の内部は、図２（Ｄ）に示すように、典型的には水である洗浄液２１４の使用によって洗浄することができる。
【００３０】
［００３７］管状要素２０２のアレイまたは他の形態の配列は、個々の要素２０２の複数から形成され、清浄または浄化することが望まれる空気流または他の形態の気体または流体と衝突するように配置され得ることに留意されたい。さらに、管状要素の１つの態様は、気体または流体が構造体との最小限の衝突または相互作用で流れることができるチャネルを提供することであり、これは流入する流れへの影響を最小にし、タービンのような後続の装置の動作に必要な（または最適な）流れの特性を低下させることなく有効な粒子除去機構を提供することに留意されたい。
【００３１】
［００３８］図３は、ＥＳＰフィルタリングデバイスまたは装置において使用され得るチューブ型の電極のアレイの上面図（図３（Ａ））及び底面図（図３（Ｂ））の画像を示す図である。図２及び図３に示すように、チューブ型のＥＳＰは、空気が、電離電場を生成する２つの電極（例えば、管の中心電極及び内壁）によって画定されるチャネルを通って導かれ、電離された粒子は、電場によって加えられる力の作用によって空気流から除去される開放流装置である。本発明の装置及び方法の使用は、ファブリックタイプのフィルタをクリーニングするために使用されるフィルタ交換または追加の構成要素の必要性を排除する利点を有し、したがって、タービンシステムのダウンタイム及びフィルタの交換コストを節約する。これは、本発明のシステムが、フィルタの目詰まりまたは詰まりの可能性を実質的に排除し、そうでなければ、清浄空気流を入力として使用しているタービン、またはろ過されている空気流（または流体流）に寄与している工業的プロセスを即座に停止させることを余儀なくされ得る。
【００３２】
［００３９］いくつかの実施形態では、ＥＳＰフィルタの使用は、ファブリックベースの障壁ろ過よりも本質的により低い全体的な圧力降下をもたらし、経時的に変化しない降下を提供し得る（織物ベースのフィルタ上の微粒子蓄積によって生じる圧力降下もそうである）。上述したように、空気が流れる管のアレイからなるＥＳＰベースのろ過機構は、吸気空気流がチャネルを通って流れ、物理的フィルタによってほとんど妨げられることのない状況を提供し、これにより空気流を横切って配置されたファブリックフィルタと比較して、粒子蓄積のための減少した横断面及び結果としての空気流の減少を提供する。
【００３３】
［００４０］タービンを備えたこのタイプのろ過機構の動作に関して、いくつかの実施形態では、その動作をタービン自体の動作とは独立させることができる。例えば、ろ過装置自体をタービンの動作と一体化させる必要はなく、したがって、電極に電力を供給する高電圧電源がオフにされたり、失効されたり、有効性が低下させられたりすると、ＥＳＰ管状部品を通る空気の流れのためタービン自体が依然として動作可能であり、これは微粒子の蓄積による空気流の十分な量をブロックして、タービンを停止させる必要を生じさせるフィルタなどの障壁によって著しく妨げられる空気流とは対照的である。
【００３４】
［００４１］この利点の１つの理由は、ＥＳＰベースの装置が微粒子の経路と交差して気流から除去できる必要がないことです。電離された粒子に方向性の力を加えることができる電場を生成しながら粒子状物質を電離するＥＳＰ装置の動作により、粒子は、物理的な障壁にぶつかる（及び空気が流れるフィルタ開口部よりも大きい）代わりに電場力の作用によって空気流から迅速に除去される。
【００３５】
［００４２］背景として、及びＥＳＰの従来の用途が本明細書に記載されているように使用され得ることを示唆しない理由を理解するのを助けるために、ディスク・イン・チューブ電気集塵器は１９８０年にＪａｍｅｓ  Ｓｃｈｗａｂ及びＤａｖｉｄ  Ｇｏｏｄｓｏｎによって最初に特許（米国特許第４，１９４，８８８）されたことを留意されたい。
【００３６】
［００４３］本発明者によって認識されるように、この設計は、従来のワイヤ・イン・チューブまたはプレート・アンド・フレームのＥＳＰよりもはるかに高い電場強度で動作する可能性を提供する点で独特である。例えば、本発明者による実験室及び初期の試験は、達成可能な電場が２．５４ｃｍ（１インチ）当たり３２キロボルト（すなわち、２．５４ｃｍ（１インチ）の距離にわたって３２，０００ボルトの電位差）を超えることができることを示唆している。これは、ＥＳＰベースのフィルタの従来の実装よりも大幅に改善されており、以下の理由の１つまたは複数において重要である。
【００３７】
・この電場強度は、空気流中の粒子をより迅速かつ効率的に電離させるのを助け、
・この電場強度は、電離された粒子状物質に十分な力を加えて粒子流速を生成し、吸気空気流からの粒子除去を迅速かつ効率的に行い、タービン動作への負の影響及びタービン要素の損傷を最小限に抑え、
・この磁界強度は、タービン運転で遭遇する、十分に効率的なタービン運転に必要とされる吸気空気流の種類（すなわち、粒子濃度及び速度／速度に関して）から粒子状物質を効果的に除去することができる、及び
・この電場強度は、ＥＳＰに基づくろ過機構の他の用途と比較して、電離された微粒子を吸入空気流から比較的短い距離で分離することを可能にし、それによってある望ましい環境及び使用事例で使用するのに十分に小さいろ過装置を可能にする。
【００３８】
［００４４］このように、ＥＳＰ装置は、汚染制御または工業プロセスクリーニングの場合にガス流から微粒子を除去するのに有効であると認識されているが、ＥＳＰベースの装置は、タービンの動作環境に影響を与えられない、または与えないと従来は信じられていた。このような誤解の理由の多くは、主に以下に関する。
【００３９】
・いずれの場合も、通常、このようなシステムの設計の基礎として使用される電場強度が比較的低いため、従来の乾燥ＥＳＰまたは湿式ＥＳＰ装置は実用には大きすぎる。したがって、タービンの入口空気ろ過の要求に予測されるサイズは、非常に低い処理速度及び非常に高い滞留時間に依存しなければならず、機械を非実用的に大きくする必要がある。本発明者によって認識されるように、比較的高い電場強度のみが、実用的であるのに十分に小型でコンパクトな機械の設計を可能にし、
・その結果、タービンの運転のセッティングまたは環境において粒子を効果的に除去するのに必要な電場強度は、従来のＥＳＰ装置を用いて達成することができないと信じられており、これは、部分的には、高い流速、（ＥＳＰフィルタリングが最もよく理解されている環境である）エミッション制御を使用したケースとは対照的に、比較的高い速度の空気流でタービンを動作させたことによる結果であり、そのような高速の空気流を必要とするため、このような高速空気流は、（多くのセッティングでは実用的ではない）大きな装置の必要性を避けるために、必要に応じて粒子を比較的迅速に除去されなければならない。
【００４０】
［００４５］提案したように、本発明のシステム及び装置の実施形態によって達成され得る比較的強い電場の１つの意味は、電気集塵要素のサイズが、従来の（動作可能な）設計と比較して物理的サイズが比較的小さくてもよく、これらは、２．５４ｃｍ（１インチ）当たり１５キロボルト（ｋＶ／ｉｎｃｈ）の最大電場強度値でのみ動作可能である。エミッション制御用途（タービンのための吸気空気流の処理のためにチューブ型装置を使用することの望ましくないことの信念に寄与する）で使用されるときの、ＥＳＰベースのろ過機構によって達成される電解強度のこの限界は、２つ主な要因で生じる：
１．高濃度の粒子状物質。典型的には、エミッション制御または工業プロセスの清浄における電気集塵の適用で除去／回収される粒子の数は比較的多い。このため、ＥＳＰの収集電極は、その表面上に固体の急速な蓄積を経験する。この蓄積は、ＥＳＰチューブ／チャネルのアノード表面上に厚い（すなわち、＞＞１ｍｍ）及び不均一な付加物を形成する。そのような厚い不均一な付着物は、電場をアノードに集中させ、アノードの表面で電離を引き起こす傾向がある。このような電離がアノードで発生すると、カソードでの隣接する電離によって電圧限界を規定するスパークが生じ、その制限はタービンで使用の場合の効果的な動作のために必要な（または望ましい）よりも低い。発明者が理解するように、タービンの場合にろ過される空気流は、典型的には、大気汚染制御設定よりも小さな大きさの程度の粒子密度を有し、及び
２．液滴キャリー・オーバー。運搬湿式ＥＳＰ装置または方法では、このプロセスの第１段階は、ガス流をその断熱飽和温度、すなわち湿球温度まで急冷することである。これは、少なくとも２つの異なる方法で達成することができる。
【００４１】
（１）静電気ゾーンに入る前に蒸発していない水を気体の流れに残さずに、飽和プロセスを完了するために必要な正確な量の水を本質的に使用する。このアプローチは、各液滴の完全な蒸発を確実にするために、非常に微細なスプレー液滴（霧）を生成する特別なノズルを必然的に必要とする。正確な量の水のみを使用しても、ＥＳＰのチューブ／チャネル表面に厄介な付着をもたらす静電気ゾーンの上流のダクト及びプレナ（ｐｌｅｎａ）の十分な洗浄／清浄を提供しないので、このアプローチは空気エミッションの用途において広く受け入れられていない。粒子状物質の重い負荷を伴う典型的な空気エミッションの用途では、そのような付加物の形成は、少なくとも部分的には比較的重く、システムの性能の重大な低下を防ぐために道管の進入及び手動による除去を必要とするため許容できず、タービンの空気流をろ過するためにチューブ型ＥＳＰ装置を使用することの望ましくないことの認識に寄与する、または
（２）飽和を達成するために必要なものよりもはるかに大きな液体の流速を用いる。これにより、上流の液体スプレーが気体の流れを飽和させ、入口面をして、厄介な付着物を形成する可能性のある物質を洗い流すことができる。しかし、大抵の状況では、このようなアプローチは、汚れた空気／ガス流と接触するときに急冷水が汚染物質を捕捉するため、十分な新鮮な（すなわち比較的清浄な）水の利用可能性に頼ることができず、代わりに重要な廃水処理要件を作り出す。したがって、この場合、水はリサイクルされなければならない。汚れた水をリサイクルするには、大量の大きな液滴及び微細液滴を生成する粗いスプレー（すなわち、大きなオリフィスノズル）の使用を必要とする。静電領域に入る前に、浮遊微小粒子を運ぶ液滴のバルクは、通常、クロスフローミストエリミネータ、サイクロンセパレータ、または場合によっては沈殿チャンバを用いて除去される。この液滴除去段階は、静電区域を貫通する大量の液滴が電場を大きく妨げ、比較的低い電圧でスパークを引き起こすため、必要であり、これは電気集塵器の有効性を損なう。さらに、用いられるミスト除去技術にかかわらず、必然的に静電領域を貫通する液滴がいくつか存在する、すなわち、ミスト除去技術は１００％効率的ではない。これらの貫通する液滴はまた、上述の程度ではないが、電場障害を引き起こすことによって最大動作電圧を低下させる傾向がある。適切な清浄水源の必要性はまた、タービン空気流をろ過するためのチューブ型ＥＳＰ装置を使用する望ましくないことの認識に寄与する
［００４６］発明者によって認識されるように、これらの２つの効果のために、エミッション制御用途に使用される電気集塵には基本的な限界がある。前述したように、動作電場強度の実際的な限界は、従来のＥＳＰ設計では約１５ｋＶ／インチであり、前述の’８８８（Ｇｏｏｄｓｏｎ／Ｓｃｈｗａｂ）特許に記載されたディスク・イン・チューブ設計では２０ｋＶ／インチまでである。前述したようにＥＳＰサイズに対する動作電場強度の関係を考えると、エミッション制御ＥＳＰは必然的に物理的に大きな装置である。チューブタイプの構成のＥＳＰでは、これにより、長い放電電極を有する多くの比較的大きな直径のチューブが得られる。最後に、機械が物理的に大きいので、極端な電場強度での動作を可能にするのに必要な緊密なアライメント公差を達成することは困難であり、達成可能な電場強度を制限する追加の要因である。
【００４２】
［００４７］これらの要因のうちの１つまたは複数が、ＥＳＰ装置（ディスク・イン・チューブ設計を含む）の使用が、タービンまたはコンプレッサの流入として用いられる空気流から微粒子を取り除く方法として実現不可能及び／または実用的ではなかったという従来の「知恵」に寄与してきた。
【００４３】
［００４８］しかしながら、本発明者によって認識されるように、（空気汚染の排出とは対照的に）タービンの前の周囲空気を処理する場合、収集される物質の量は大気汚染制御または工業プロセスの適用よりもはるかに少なく、例えば、典型的には２から３桁小さい。したがって、収集管／チャネルは、より小さくすることができ、はるかに高い電圧で動作することができ、そうすることで、実験室で達成される１２５９．８ｋＶ／ｍ（３２ｋＶ／ｉｎ）のレベルに近づく。これらの要因の１つまたは組合せの１つの結果は、より大きなエミッション制御及び工業プロセスクリーニング装置に存在する電圧制限要因、すなわち材料の蓄積、液滴の持ち越し、不十分な許容誤差、及び機械的振動が存在しないか発明に係るシステム及び装置でほとんどが除去され、したがってより高い電場勾配を生成するレベルでの動作が可能になる。
【００４４】
［００４９］さらに、「湿式ＥＳＰ」装置のモードで動作させる場合、汚いリサイクル水の代わりに新鮮な「脱塩」水を使用して非常に細かいミスト（霧）を生成するよく制御された噴霧ノズルを使用して粗い液滴の問題をほとんど排除することができる。最後に、ＥＳＰ−タービンシステムで使用される本発明に係るＥＳＰ装置は、比較的小さくてもよいので、より大型の空気エミッション制御または工業プロセス処理タイプの装置よりもはるかに厳しい機械公差で製造することができる。
【００４５】
［００５０］上述したように、一実施形態では、電気集塵器は、流入空気を冷却するために上流の噴霧ノズルを使用することによって「湿式」電気集塵器として使用することができ、これはタービン駆動発電ユニットの発電効率を高めることができる。管タイプのＥＳＰ集塵器はまた、ミストエリミネータとしても働き、それにより下流の高速タービンブレードに影響を及ぼす水滴の問題を回避する。また、適切に実施されれば、収集された水は、管型集塵器の収集面をきれいに保つように作用し、これにより堆積及び粒子収集効率を低下させる可能性を防ぐ。１つの例示的な実施形態では、タイマまたはＰＬＣ型制御（プログラマブル論理制御装置）によって所定の期間及び間隔で作動されるオーバーヘッドスプレーノズルのアレイを介して実施することができる。使用済みの水洗水は貯蔵タンクに送られ、再使用することができる。
【００４６】
［００５１］図１（Ｂ）は、タービンシステム（ガス焚きタービン発電機など）の一部としてのＥＳＰの本発明による使用を示す図である。図に示すように、一実施形態では、ＥＳＰチューブまたはチャネルのセット１０２が設けられ、周囲の流入する空気流１０４がそれを通って導かれる。各管は２つの電極を含み、１つめは中央の支柱（ｍａｓｔ）で表され、２つめはチューブの内壁で表されている。電極間に適切な電位差を印加すると、電場が管内に確立される。電位差は、適切な電源１０６（図中では「ＨＶ電源」として示されている）によって供給される。電場は、気体を電離し、流入空気流中の実質的に全ての粒子状物質を静電気的に帯電させるのに十分である。次いで、電離された粒子は、電場によって引き起こされた力によって管の壁に押し込まれ、したがって空気流から除去される。水の供給源１０８を用いて管を流し、粒子の蓄積を減少させ、水または他の流体は、使用済みの洗浄水出口または配管１０９を介して除去される。この図に示されているような「濡れたＥＳＰ」装置は、空気流の妨害を最小限に抑えて空気流から粒子状物質を除去するように動作する。これにより、空気流は、慣習による方法で（すなわち、コンプレッサ１１２によって圧縮され、燃焼室１１４内の燃料１１３と混合された後の）タービン１１０の全体的な動作の一部として使用される。得られた燃焼がタービン１１０を動作させるために使用された後、タービン軸１１５は（モータなどの）発電機１１６を動作させて電力を生成するために使用される。
【００４７】
［００５２］発明者によって認識されるように、この設計の独特な性能特性のために、このユースケースのためのチューブ型ＥＳＰの設計の適応は特に有益である。例えば、１９７８年６月６日に発行された米国特許第４，０９３，４３０号、１９７８年８月２９日に発行された米国特許第４，１１０，０８６号、及び１９８０年３月２５日に発行された米国特許第４，１９４，８８８号は、強い電場を発生させるためのディスク・イン・チューブタイプの電極配置の態様をそれぞれ示している。また、発明者によって認識されるように、ディスク・イン・チューブ構成は、非常に高い電場強度で高電圧コロナの開発を可能にする。これは、アノードに非常に拡散し均一な電場を有するカソードに高度に集束された電場を可能にするため、これにより非常に高い電場強度に達するまで弧絡を防止する。
【００４８】
［００５３］例えば、発明者による実験室での運用では、１２５９．８ｋＶ／ｍ（３２ｋＶ／ｉｎｃｈ）を超える電場値が達成されている。この比較的高い電場強度は、ＥＳＰの性能が以下のドイツ式（Ｄｅｕｔｓｃｈ  Ｅｑｕａｔｉｏｎ）に記載されているように、電場強度の２乗に直接関係するため、特に重要である。
【００４９】
効率＝１−ｅ-ＡＷ／Ｑ、ここで、
Ａ＝集塵器捕集収集領域（ｍ２（ｆｔ２））
Ｑ＝気体流量（ｍ３／ｍｉｎ（ｆｔ３／ｍｉｎ））
Ｗ＝有効な移動速度（ｍ／ｍｉｎ（ｆｔ／ｍｉｎ））、及び
ＷαＥ２、ここで、
Ｅ＝電場強度（ｋＶ／ｍ（ｋＶ／ｉｎｃｈ））、これにより
効率＝１−ｅ−Ａ（Ｅ×Ｅ）／Ｑ
この関係が与えられると、電場強度を倍増させることにより、集塵器の面積を４分の１に減少させることができると判断することができる。
【００５０】
［００５４］前述したように、現在、ＥＳＰ技術は、ガスタービンエンジン及び発電機における空気流ろ過を提供する用途を見いだされていない。発明者が認識したように、これには以下のものが含まれるが、これに限定されない。
【００５１】
・従来の考えでは、タービンにセッティングされた実用的なＥＳＰろ過装置に要求される電圧勾配が達成できず、
・従来の考えでは、ＥＳＰろ過装置を組み込んだシステムでは、タービン運転及びタービン運転環境にとって望ましい空気流または空気流速が高すぎた、
・従来の考え方は、バリアろ過法が電気集塵法より優れているということであるが、発明者によって実現されるように、これはこの動作環境及び使用事例に関して必ずしも真実ではなく、そして、
・従来の考えでは、湿ったまたは乾燥したＥＳＰ装置は、所望の動作環境及び使用事例において実用的には大きすぎるため、実現不可能である。
【００５２】
［００５５］しかしながら、発明者によって認識され、本明細書に記載されているように、ディスク・イン・チューブタイプの設計は、この使用事例のための電気集塵装置の他の形態よりも優れた装置構成を可能にし、これらの他の形態は、正方形及び／または六角形のチューブを使用するクロスフロー、プレート型の設計、及び垂直フローの設計を含む。一例として、１９７８年にワシントン州ベリングハムのパルプ工場で大気汚染システム（当初のディスク・イン・チューブの特許の譲受人）によって実施された試験は、粒子移動速度（前の式では「Ｗ」）が２２．９ｍ／ｍｉｎ（７５フィート／ｍｉｎ）であり、他のＥＳＰ設計用に公開されたデータには、この値の２５％以下の移動速度データが記述されています。
【００５３】
［００５６］さらに、理論は、発明者及び他者の経験的観察を支持する。等価なディスク・イン・ヘックス（ｄｉｓｋ−ｉｎ−ｈｅｘ）管配列のスカラー電位場分布と比較して、ディスク・イン・ラウンド管配列のスカラー電位場（電場線である勾配）の等電位レベルを示すコンピュータモデルは、より一層均一な電位場と、ディスク・イン・ラウンド管電極構成のためのアノードにおける不連続性が少なくなる。これは、ディスク・イン・ラウンドチューブ（図４（Ａ））及びディスク・イン・ヘックスチューブ（図４（Ｂ））の電極配置のスカラーポテンシャル場の等電位レベルのコンピュータシミュレーションの図である、図４の画像によって示唆されており、このような電極配置は、本発明のシステム及び装置の実施形態を実施する際に使用されてもよい。上述したように、アノード表面における電場の不均一性は、電圧制限スパーク／アークを生じさせる。したがって、アノード表面での不均一性の減少または除去は、より高いアーク過電圧及びより良い性能を可能にする。電場（及び結果として、荷電粒子の力）はスカラーポテンシャル場の勾配から導かれるので、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、電気力分布が六角形形状のバージョンの電極で不規則であることを示しており、これは電圧制限アークを動作させる可能性を高め、ディスク・イン・ラウンドチューブ電極構成を使用することを支援する。
【００５４】
［００５７］タービン入口空気清浄用途向けに設計された場合、ディスク・イン・チューブ構成は、１９９．６ｋＶ／ｍ（２０ｋＶ／ｉｎｃｈ）の工業的達成ではなく、実験室で達成された１２５９．８〜１２９９．２ｋＶ／ｍ（３２〜３３ｋＶ／ｉｎｃｈ）のレベルにより近い電場強度を達成することが期待される。これは、発明者によって認識されているように、タービン環境において、電極は、工業プロセスガスよりも数桁クリーンな周囲空気で動作するからであり、また、提案された設計は、より大型で精度の低い工業用バージョンよりもはるかに小さくより隙間無く配列された装置だからである。
【００５５】
［００５８］一般的な概念として、粒子移動速度（すなわち、気体流れ方向に垂直な速度ベクトル）が電場強度の二乗として増加するので、より高い達成可能な電場強度が重要であることに留意されたい。したがって、１２５９．８〜１２９９．２ｋＶ／ｍ（３２〜３３ｋＶ／ｉｎｃｈ）での移動速度は、１９９．６ｋＶ／ｍ（２０ｋＶ／ｉｎｃｈ）のでの移動速度の約２．７倍である。この因子はまた、１９９．６ｋＶ／ｍ（２０ｋＶ／ｉｎｃｈ）の（相対的な大きさ＝１／２．２５＝３７％）で動作するものよりも、より高い電場強度で動作する集塵器がこの係数より小さくなるように、集塵器の大きさにも適用され、これらの結果は、前述のＤｅｕｔｓｃｈ方程式の適用によって得られる。これらの態様は、より高い電場勾配がより効果的な空気流ろ過の利点を提供する一方で、本発明の装置をタービン動作環境及びシステムで使用することをより実現可能にするので、タービン用途における本発明のシステムの使用をサポートする。一般に、減少した大きさと増加した電場勾配との組み合わせは、特定の使用事例または動作環境において、より良い性能とより大きな実現可能性の両方を提供する。
【００５６】
［００５９］図５は、本明細書に記載されたタイプのＥＳＰ装置を利用し、本発明の概念の実施形態に従って実施され得る電力を生成するために使用されるコンバインドサイクルシステムを示す図である。この図では、湿式のＥＳＰ装置は、図１を参照して説明したように動作する。一実施形態では、一組の管／チャネル５０２が設けられ、それを通って周囲の流入空気流５０４が導かれる。各管／チャネルは２つの電極を含み、１つは中央の支柱で表され、もう１つはチューブの内壁で表されます。電極間に適切な電位差を印加すると、電場が管内に確立される。電位差は、適切な電源５０６（図中「ＨＶ電源」として示されている）によって供給される。
【００５７】
［００６０］電場は、空気流ガスを電離し、流入空気流中の実質的に全ての粒子状物質から荷電イオンを生成するのに十分である。電離された粒子は、電場によって生成された力によって管／チャネルの壁に押し付けられ、したがって空気流から除去される。一実施形態では、水の供給源５０８を使用して管を洗い流し、粒子の蓄積を減少させ、水または他の流体は、使用済みの洗浄水出口または配管５０９を通して除去される。図に配置された「湿式ＥＳＰ」装置は、空気流の妨害を最小限に抑えて空気流から粒子状物質を除去するように動作する。これにより、空気流は、慣習による方法で（すなわち、コンプレッサ５１２による圧縮に供され、燃焼室５１４内の燃料５１３と混合された後の）タービン５１０の全体的な動作の一部として使用される。得られた燃焼がタービン５１０を運転するために使用された後、タービンシャフト５１５は発電機５１６（モータなど）を作動させて電力を生成するために使用される。
【００５８】
［００６１］コンバインドサイクルの使用の場合、またはインプリメンテーションでは、ＥＳＰ装置を使用して、タービンへの入口空気を浄化するとともに、統合コンバインドサイクルシステムの一部として使用します。ここでは、一次タービン５１０からの低品位熱排気５２０（典型的には約７００°Ｆ）が、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５２２に蒸気を発生させるために使用される。ＨＲＳＧ５２２からの出力蒸気５２３は、第２のタービンである蒸気タービン５２４を動作させるための入力として使用することができ、これは、タービンシャフト５２５及びジェネレータ５２６（モータなど）によって発電するために使用することができる。それに加えて、またはその代わりに、タービン５２４は、他の加熱用途（「熱と電力の組み合わせ」または「ＣＨＰ」と呼ばれる）に使用することができる。
【００５９】
［００６２］一実施形態では、ＨＲＳＧ５２２からの出力蒸気の一部または全部は、（図中の点線５３０によって示唆されるように）吸収式冷凍機５２８への入力として供給することができ、（後述するように）別の実施形態では、ＨＲＳＧ５２２によって生成される蒸気は、冷凍機への入力として提供される排気／残留蒸気を生成する蒸気タービンへの入力として提供される。
【００６０】
［００６３］上述したように、蒸気タービン５２４によって出力される二次排気／残留蒸気５２７は、入力排気蒸気（及び／またはＨＲＳＧ５２２によって直接生成された蒸気）を冷水に変換するように動作する吸収式冷凍機５２８への入力として提供されてもよい。このような冷凍機の主な利点は、湿度が冷却能力に影響を与えないことであり、その結果、これらの装置を使用することにより、周囲空気を湿球温度以下に冷却することが可能となる。この冷水（または他の形態の冷却液）は、ＥＳＰ集合管５０２の外側で（冷却器５２８からの水５２９の流れによって示唆されるように）吸入空気の冷却を引き起こすために使用され、副作用として、チューブの内部に結露が発生する。この凝縮は、より低い入口空気流温度がより高い運転効率をもたらすので、（ａ）収集を促進して微粒子除去を助ける、及び（ｂ）タービン５１０の効率を改善するという利点を有する。冷水または他の形態の冷却液は、管または管状要素の外側に沿って、または横切って流れるように配置され得ることに留意されたい。
【００６１】
本発明のシステムまたは装置の実施例
［００６４］以下の設計パラメータは、本明細書に記載される発明者の概念に基づいており、発電システムの一部として湿式ＥＳＰを組み込む構成の一例を表す。
【００６２】
約７０８，０００ｌ／ｍｉｎ（リットル毎分）（約２５，０００ｃｆｍ）の空気を処理し、９９％の粒子除去効率を処理する５ＭＷのガス焚きタービンの場合、必要とされる集塵器の収集面積は約１８５．８ｍ２（約２０００ｆｔ２）であろう。直径１０．２ｃｍ（４インチ）、長さ１２１．９ｃｍ（４フィート）の収集チューブ／チャネルを使用すると、合計３７５本のチューブが必要になる。これらのチューブは、７．５’×７．５’×４’のサイズを有するチューブ束に入れ子にすることができる。電極を有するこのチューブ束は、３０ｋＶ、３００ｍＡの高電圧電源によって供給される。これは、（３０ｋＶ×３００ｍＡ＝９ｋＷ；９ｋＷ／５０００ｋＷ＝０．１８％からわかるように）タービンの電力出力の約０．１８％に相当する。この計算は現実的な例を提供するためのものであり、環境や運用上の要因によって異なる場合がある。
【００６３】
［００６５］比較のために、ファブリックフィルタまたは物理的障壁によって生じる２．５４ｃｍ（１インチ）の圧力低下ごとに、タービン出力の約０．５％が失われ、燃料要求量は０．２％増加する。対照的に、本明細書に開示された本発明の少なくともいくつかの実施形態は、１段あたり約１．２７水中センチメートル（約０．５水中インチ）未満の圧力低下を有すると予想される。物理的な障壁ろ過装置が典型的には、クリーニング時に１段あたり２．５４水中センチメートル（１水柱インチ）より大きな圧力低下を有し、汚れているときにはより高いため、本発明の実施形態によって達成されるより低い圧力降下は、動作に必要な静電力の量が考慮されても、エネルギ消費に有益な影響を及ぼすことが期待される。
【００６４】
［００６６］一実施形態では、ＥＳＰ装置は、１つまたは複数の管、管のアンサンブル、またはＥＳＰろ過装置全体を通過する空気流の速度を決定するための１つまたは複数のセンサの導入によって（例えば、ＥＳＰろ過装置または構造体の前及び後の空気の流速を測定すること等により）増強されてもよい。１つまたは複数のセンサを用いて、特徴的な１つまたは複数の管内の電場を測定し、その場の強度または均一性を変化させることもできる。センサの信号は、動作効率の決定、（粒子の影響または粒子の蓄積による劣化による）最適な電極動作の検出、及び恐らくＥＳＰ装置の運転パラメータを変更するための適応フィードバック制御ループの一部として使用することができる。これは、湿度、粒子タイプ、または濃度等の様々な条件下で性能を最適化するために、特定の運転パラメータ（電極にわたる電圧ポテンシャル、入口での相対的な空気流速等）を動的に変化させる能力を提供することができる。いくつかの実施形態では、センサデータをタービン運転データと組み合わせて、ＥＳＰ装置及びタービン自体のいずれかまたは両方の運転パラメータに対する可能な変化を決定することができる。
【００６５】
［００６７］別の実施形態では、ＥＳＰ装置は、物体がタービンに入るのを防止するために、ＥＳＰ装置の前に配置されたフィルタまたは物理的バリア（例えば、ファブリックベースのフィルタ）と組み合わせて使用されてもよい。フィルタは比較的粗く、ＥＳＰフィルタの性能を損なうことなく、または空気流（または適用可能であれば流体の流れ）を大幅に減少させることなく、岩石、砂、機械部品等がタービンに入るのを防止するように設計されている。
【００６６】
［００６８］この二段階ろ過プロセスの一例では、粒子の比重及び表面積に基づいて、より小さい粒子を除去するための障壁を使用することができる。この設計の１つの形態では、捕集／沈殿チャンバ（または保持チャンバ）は、第１のろ過プロセス（バリアによって提供される）に続いて配置されてもよく、上流空気流速が特定の種類の粒子の沈殿速度よりも遅い。これは、タービンに入る大きな粒子を保護し、いくつかの環境及び使用事例において微小粒子を捕捉する。
【００６７】
［００６９］他の実施形態では、２つ以上のＥＳＰろ過装置を使用して、２つ以上のＥＳＰフィルタを空気流内に配置することができる。ＥＳＰフィルタは、空気流から特定のサイズまたはタイプの粒子を最も効率的に除去するために、同一または異なる電圧差で動作させることができる。いくつかの実施形態では、第１のアレイに関する空気流の方向は、第２のアレイに関する空気流の方向と実質的に反対であり得る。
【００６８】
［００７０］本発明のろ過システム及び装置の実施形態をタービンでの使用に関して説明したが、ＥＳＰろ過装置または機構は、他の装置またはプロセスの一部である空気流または流体流から望ましくない粒子状物質を除去するのに使用してもよい。例えば、本発明のシステムの一実施形態は、比較的クリーンな周囲空気を必要とする工業的プロセスからの粒子状物質（重金属、塩分、デブリ等）を除去するために使用されてもよく、そのような工業的プロセスには、半導体の製造及び加工、天然ガスパイプライン、化学組成物の製造、流体蒸留等を、これらに限定されないが、含んでいてもよい。
【００６９】
［００７１］言及したように、本発明の濾過システム及び装置の実施形態は、タービンを、コンバインドサイクルで使用されるような熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の排出からのエネルギの再捕捉と組み合わせたより大きなシステムの一部として使用されてもよいタービンシステム。この実施形態では、ＨＲＳＧ５２２からの排出蒸気５２３は、蒸気タービン５２４の運転に使用される。蒸気タービン５２４からの排気／残留蒸気５２７は、吸収式冷凍機５２８を動作させる（またはその動作の一部として）ために使用されてもよい。ＨＲＳＧからの排出蒸気は、部分的にまたは全体的に、冷凍機への入力として使用することもできる。冷凍機５２８は、例えば、それを収集チューブの外側（または横切って）に沿って導くことによって、間接冷却液として使用することができる冷たい液体（図では「冷却水」５２９と示される）を生成する。この間接的な冷却は、タービンの効率を増加させる。本発明のシステム及び方法の独特の態様は、チューブタイプのＥＳＰが、同じセットの装置及びプロセスを使用して、入口空気清浄及び冷却の両方を行うことであることに留意されたい（この実施形態または使用例は、図５を参照してここに示されている）。
【００７０】
［００７２］一般に、本発明のシステム及び方法は、ガスタービンの使用例または動作環境の以下の要因または特性を本発明者が認識した結果の少なくとも一部である。
・検討されている使用例（タービン前方の空気流入）は、従来の汚染制御用途と比較して粒子状物質の量が大幅に減少しているケースである。
【００７１】
・粒子状物質の量は、ＥＳＰ技術の汚染制御用途に比べて非常に少なく、ディスク・イン・チューブ設計の独特な特性のため、本発明は従来よりも著しく高い電場強度を達成することができる。
【００７２】
・電場強度が高いほど、粒子の有効な移動速度が高くなる。及び、
・より高い有効な移動速度は、ＥＳＰ装置がはるかに小さくなる可能性があることを意味する。
【００７３】
［００７３］本明細書で引用した刊行物、特許出願、及び特許を含むすべての参考文献は、各参考文献が参照により組み込まれ、及び／または本明細書に完全に個別具体的に記載されているように、同程度で参照により本明細書に組み込まれる。
【００７４】
［００７４］本明細書及び添付の特許請求の範囲における用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」及び類似の指示対象の使用は、本明細書中で別段の指示がない限り、または文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数及び複数の両方を包含すると解釈されるべきである。本明細書及び添付の特許請求の範囲における「有する」、「含む」、「内包する」及び類似の指示対象との用語は、特に明記しない限り、制限のない用語（例えば、「含むがこれに限定されない」を意味する）。本明細書中の値の範囲の列挙は、本明細書中に別段の指示がない限り、範囲内に包括的に含まれる各別個の値を個別に指す簡略な方法として機能するようインデントされているだけであり、個別の値の各々は、個別に記載れているかのように本実施形態に組み込まれている。本明細書中に記載される全ての方法は、本明細書中に別段の指示がない限り、又は文脈と明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実施することができる。本明細書で提供される任意の及びすべての例、または例示的な用語（例えば、「〜など」）の使用は、本発明の実施形態をよりよく示すことを意図しており、特に断らない限り、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書中のいかなる言葉も、本発明の各実施形態に不可欠であると主張されていない要素を示すものとして解釈されるべきではない。
【００７５】
［００７５］記載されていない、または図示されていない構成要素及びステップだけでなく、図面に記載されている、または上述された構成要素の異なる構成も可能である。同様に、いくつかの構造及びサブコンビネーションは有用であり、他の構造及びサブコンビネーションを参照することなく使用することができる。本発明の実施形態は、例示的であって制限的な目的で記載されておらず、代替実施形態は、この特許の読者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、上述のまたは図面に示された実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態及び修正を行うことができる。
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
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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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【国際調査報告】
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