(57)【要約】【課題】既設のガスタービンに大きな改造を行うことなく、吸気される空気を冷却できるガスタービンの吸気冷却装置を提供する。【解決手段】吸気口２５から取り込まれ、圧縮機７に送られる空気を清浄化する吸気フィルタ２１を有する吸気フィルタ室１７の外側に、間隔を空けて吸気口２５の略全面をカバーするように設置され、空気が通過する開口部が形成されているメディア２９と、メディア２９の上部からメディア２９の略全幅に亘って水を供給する給水装置３１と、を備え、メディア２９は、上端部から下端部に向けて順次吸気口２５に近くなるように傾斜されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの吸気フィルタ室の前面にある吸気口の全面をカバーするように設置され、前記ガスタービンの吸気が通過する開口部が形成されているメディアと、
該メディアの上部から該メディアに水を供給する給水装置と、を備え、
前記メディアは、上端部から下端部に向けて順次前記吸気口に近くなるように傾斜されていることを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項２】
前記メディアの周囲と前記吸気口の周囲とで形成される空間の開放部分を閉鎖する閉鎖部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項３】
前記メディアは、上下方向で複数に分割された分割メディアによって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項４】
前記給水装置は、前記メディアの上端部に沿って略全幅に亘って設けられ、長手方向に間隔を空けて複数の穴を有する給水管を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項５】
前記給水装置は、前記メディアの上端部に沿って略全幅に亘って設けられた堰部を有する水貯留部を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項６】
前記給水装置には、給水量が蒸発量を考慮した適切な量となるように制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載されたガスタービンの吸気冷却装置。
【請求項７】
ガスタービンの吸気冷却装置の制御方法であって、
大気温度および相対湿度を測定するステップと、
その測定結果と前記圧縮機への空気供給量とによって所要の給水量を算出するステップと、
算出された所要の給水量を請求項１から請求項５のいずれかに記載のガスタービンの吸気冷却装置に供給するステップと、
を含むことを特徴とする吸気冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンを用いて出力を得るガスタービンプラントに係り、特にガスタービンの吸気冷却装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンプラントは、ガスタービンの出力を利用して発電機等の被駆動体を駆動させることにより、電力等を得るための設備である。ガスタービンは圧縮機、燃焼器、タービンより構成される。
【０００３】
圧縮機は、燃焼用の空気を吸入して圧縮するものであり、後述するタービンで発生する出力の一部を利用して駆動される。圧縮機に吸入される空気（以後「吸気」と呼ぶ）は、吸気口より吸い込まれ、吸気フィルタ室に設けられたフィルタで異物が除去された後、吸気ダクトを介して圧縮機に供給される。圧縮機を通過して圧縮された吸気は、燃焼用空気として燃焼器に供給される。燃焼器で燃料を燃焼させて発生した高温高圧の燃焼ガスは、タービンに供給され、同タービン内で膨張する際にタービンを回転させて軸出力を発生させる。この出力は、同軸上で連結された発電機を駆動するために使用され、さらに、同軸の前記圧縮機の駆動源としても使用される。
【０００４】
ガスタービンプラントにおいては、出力を向上させるため、吸気の密度を高くして吸気量を増大させる吸気冷却が行われている。このような吸気冷却の従来技術としては、たとえば特許文献１の図９に示す吸気冷却装置が挙げられる。これは吸気フィルタの後流に、吸気と水を接触させる手段を設け、通過する吸気を水の蒸発潜熱を利用して冷却するものである。このような吸気冷却技術は、電力需要が高いうえに大気温度が上昇してガスタービン出力が低下する夏場において、特に有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４９６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
建設当初に吸気冷却装置を設置していない既設のガスタービンプラントでは、前記吸気冷却装置を新たに適用しようとした場合、吸気フィルタ室あるいは吸気ダクトを大きく改造する必要があり、プラントの建屋や敷地面積との関係で適用が不可能な場合があった。また改造によるコストが高い点も課題であった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、既設のガスタービンプラントに大きな改造を行うことなく設置することのできる、ガスタービンの吸気冷却装置およびその制御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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の第１態様は、ガスタービンの吸気フィルタ室の前面にある吸気口の全面をカバーするように設置され、前記ガスタービンの吸気が通過する開口部が形成されているメディアと、該メディアの上部から該メディアに水を供給する給水装置と、を備え、前記メディアは、上端部から下端部に向けて順次前記吸気口に近くなるように傾斜されているガスタービンの吸気冷却装置である。
【０００９】
本態様によれば、給水装置から水をメディア上部に供給すると、水はメディアに沿って下方に流れる。メディアが有する開口部を吸気が通過する際、吸気はメディアに沿って流れる水を蒸発させる。これにより吸気から水の蒸発潜熱分の熱が奪われ、吸気が冷却される。
【００１０】
本態様によれば、メディアは吸気フィルタの前面に設置されるので、設置にあたっては吸気フィルタ室あるいは吸気ダクトの大幅な改造を行う必要がなく、簡易な改造ですむ。そのため、プラントの建屋や敷地面積に余裕のない既設のガスタービンプラントに対して新たに吸気冷却装置を適用することが可能になるうえ、設置コストも大幅に低減することができる。
【００１１】
前述のとおり、吸気に混合した水滴は吸気フィルタによって捕捉されるが、大量の水がメディアより飛散することは好ましくない。これは、大量の水が吸気フィルタに付着すると、吸気フィルタの微細な隙間が水により閉塞されて吸気圧損が増大し、これによりガスタービンの出力低下を招くからである。本態様によれば、メディアは上端部から下端部に向けて順次吸気口に近くなるように傾斜されている。このため、メディアが垂直に設置された場合と比較すると、水のメディアへの付着性が良好である。ゆえに吸気がメディアを通過する際、吸気の流れによって水が水滴状に飛散する量を低減することが可能である。
【００１２】
上記態様では、前記メディアの周囲と前記吸気口の周囲とで形成される空間の開放部分を閉鎖する閉鎖部材を備えていてもよい。
このようにすると、閉鎖部材がメディアの周囲と吸気口の周囲とを結ぶ面を閉鎖するので、メディアを通過しない空気が吸気口に流入するのを抑制することができる。これにより吸気の全量がメディアを通過することとなるため、冷却効率を向上させることができる。
【００１３】
上記態様では、前記メディアは、上下方向で複数に分割された分割メディアによって形成されていてもよい。
このようにすると、分割メディアを上下方向に重なるように設置することができる。したがって、１個のメディアと同じ傾き、言い換えると、必要な傾きを保持した状態で、１個のメディアに比べて設置面積を低減させることができる。これにより、吸気フィルタ室の周囲に余裕スペースのない既設のガスタービンプラントに吸気冷却装置を適用することができる。
【００１４】
前記給水装置としては、メディアの上端部に、長手方向に適宜間隔で複数の穴が設けられた給水管を備えてもよいし、堰部を有する水貯留部を備えてもよい。これらの構成を用いることで、メディアの全幅に亘って均一な量の水を供給することができ、メディアの全面にわたって偏ることなく吸気の冷却を行うことができる。
【００１５】
前記給水装置には、給水量が蒸発量を考慮した適切な量となるように制御する制御部を備えていてもよい。この構成を用いることで、吸気冷却装置に供給される給水量が蒸発量を考慮した適切な量となるように制御されるので、水の無駄を抑制することができる。
【００１６】
本発明では、下記に示す方法によってガスタービンの吸気冷却装置を制御してもよい。すなわち、大気温度および相対湿度を測定するステップと、その測定結果と前記圧縮機への空気供給量とによって所要の給水量を算出するステップと、算出された所要の給水量を前記吸気冷却装置に供給するステップと、を含む方法である。
この方法によれば、吸気冷却装置に供給される給水量が蒸発量を考慮した適切な量となるように制御されるので、水の無駄を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の吸気冷却装置を適用したガスタービンの概略構成を示す側面模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる吸気冷却装置を吸気フィルタ室側から見た正面図である。
【図３】図２のＡ部を拡大して示す部分拡大正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかるメディアの別の実施態様を示す図３と同じ部分を示す部分拡大正面図である。
【図５】図２のＢ部を拡大して示す部分斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる給水装置の別の実施態様を示す図５と同じ部分を示す部分斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態の吸気冷却装置を適用したガスタービンの部分的な概略構成を示す側面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における吸気冷却装置を適用したガスタービンの概略構成を示す側面模式図である。
ガスタービン１には、図１に示すように、吸気冷却装置３と、吸気装置５と、圧縮機７と、燃焼器９と、タービン１１と、が備えられている。
【００２０】
吸気は、吸気冷却装置３、吸気装置５を通過した後、圧縮機７に供給される。圧縮機７を通過して圧縮された吸気は、燃焼用空気として燃焼器９に供給される。燃焼器９で燃料を燃焼させて発生した高温高圧の燃焼ガスは、タービン１１に供給され、同タービン１１内で膨張する際にタービン１１を回転させて軸出力が発生する。この出力は、主として同軸上で連結された発電機１５を駆動するために使用され、さらに、同軸の圧縮機７の駆動源としても使用される。
【００２１】
吸気装置５には、ウェザールーバ２７、吸気フィルタ室１７、吸気フィルタ２１、吸気ダクト１９、吸気サイレンサ２３、が備えられている。
ウェザールーバ２７は、吸気口２５の前面に取り付けられ、大気中から雨または雪が直接吸気口２５に侵入するのを防止する。
吸気口２５は、吸気フィルタ室１７の空気進行方向上流（これを「前面」と呼ぶ）側に開口し、たとえば１０ｍ×１０ｍの大きさとされている。
【００２２】
吸気フィルタ室１７内には、吸気口２５から取り込まれる大気中の粉塵等を捕集して除去する吸気フィルタ２１が収容設置される。
吸気フィルタ２１は、不織布やグラスファイバ製マットなどにより構成され、吸気フィルタ室１７に吸い込まれた空気流に対して、順次目が細かくなるように複数個にわたり設置されている。
【００２３】
吸気ダクト１９は、吸気フィルタ室１７の下流端と圧縮機７とを接続する空気流路を形成する。
吸気ダクト１９には、その中途位置に吸気音を低減させる吸気サイレンサ２３が設置されている。
【００２４】
吸気冷却装置３には、メディア２９と、メディア２９の上部からその全幅に亘って水を供給する給水装置３１と、が備えられている。
【００２５】
本実施態様におけるメディア２９は、吸気口２５の略全面をカバーするのに十分な強度を有する必要がある。またメディア２９は、水を付着させることができ、かつ吸気の流れの妨げとならないために適度な開口部を有する必要がある。このような要求を満たすものとして、たとえば合成樹脂製の網などをメディアとして用いるのが好適である。
【００２６】
図２は、吸気冷却装置３を吸気フィルタ室１７側から見た正面図である。図３は、図２のＡ部を拡大して示す部分拡大正面図である。
メディア２９は、図２に示されるように、たとえば鉄パイプを用いて矩形状に形成された外枠３３および外枠３３の内側を縦横に区切るように取り付けられた支持枠３５に、粗いメッシュの網を取り付けて構成される。
【００２７】
メディア２９に用いられる網は、図３に示されるように、たとえば径２〜５ｍｍの網糸３７で網目が形成され、開口部３９が形成されている。
網糸３７の材料としては、前述のとおり合成樹脂製の網などを用いるのが好適であるが、これらに限定されるものではなく、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等を用いてもよい。
【００２８】
開口部３９の一辺は、たとえば１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲、より好ましくは２５ｍｍとすることが望ましい。開口部３９が小さすぎると、水の表面張力によって開口部が水に覆われた状態となる。これによりメディアの圧力損失が増加してしまい、吸気がメディアを通過せずに吸気口に吸い込まれる割合が増加してしまうために、吸気の冷却効果が小さくなる。逆に開口部３９が大きすぎても、通過する空気が水に接触する割合が小さくなるので、吸気の冷却効果が小さくなる。
【００２９】
また、本実施形態では、メディア２９として正方形の開口部を持つ網を用いているが、図４に示されるように立て簾６５状として上下方向に長い開口部６７を幅方向に並べるようにしてもよい。この場合も、開口部６７の幅は、１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲とするのが好適である。さらに、メディア２９は網状や簾状のものに限定されるものではなく、目の粗い不織布等を用いてもよい。
【００３０】
メディア２９は、図１に示されるように、吸気フィルタ室１７の前面に配置され、吸気口２５に対向しその全面をカバーするように設置されている。
メディア２９は、上端部から下端部に向けて順次吸気口２５に近くなるように直線状に傾斜されている。
【００３１】
メディア２９の傾斜角αは、たとえば、１０°〜２０°の範囲、より好ましくは１５°とすることが望ましい。
傾斜角αが小さくなると、メディア２９の設置面積を小さくできるが、一方で水のメディア２９への付着性が小さくなるので、通過する空気によって水が飛散しやすくなる。逆に傾斜角αが大きくなると、メディアの前面側に水滴が落下し易くなるうえ、吸気進行方向の設置面積が大きくなる。
実際の設置にあたっては、ガスタービン１の設置条件や利用可能な素材などの要因を勘案して、前述の範囲を超える構成とすることも可能である。またメディア２９の傾斜は、直線状に限定されるものではない。設置場所の条件等によっては、曲線状であってもよいし、曲線と直線の組み合わせであってもよい。さらに傾斜角αの違うものを組み合わせてもよい。
【００３２】
なお、メディア２９の周囲と吸気口２５の周囲とで形成される空間の開放部分を閉鎖する閉鎖部材７１を備えていてもよい。
このようにすると、閉鎖部材７１がメディア２９の周囲と吸気口２５の周囲とを結ぶ面を閉鎖するので、メディア２９を通過しない空気が吸気口２５に流入するのを抑制することができる。したがって、冷却効率を向上させることができる。
【００３３】
給水装置３１には、メディア２９の上端部に幅方向に延在するように設置された給水管（給水部）４１と、水タンク４３と、水タンク４３の水を給水管４１へ供給するポンプ４５と、ポンプ４５の動作を制御する制御部４７と、が備えられている。
【００３４】
給水管４１は、図５に示されるように長手方向に略均等な間隔で複数の穴４２があけられた管により構成される。
水タンク４３からの水がポンプ４５を介してこの給水管４１の端部に供給されると、各穴４２から水が噴出する。給水管４１は、噴出した水がメディア２９上端に正しく供給されるようにその位置および穴４２の方向を調整したうえで設置される。
【００３５】
なお、給水部の構成は本実施形態に限定されるものではなく、適宜別の構成を用いることができる。
たとえば、図６に示すように水を貯留する樋（水貯蔵部）４９を設け、ポンプ４５からの水を樋４９に供給する構成としてもよい。この樋４９の一方の壁（堰部）５１に均一に水を滴下するため切欠き５３を設けることもできる。
【００３６】
制御部４７には、大気の温度を測定する温度計６１と、大気の湿度を測定する湿度計６３が接続されている。
【００３７】
制御部４７は、温度計６１が測定した大気温度、湿度計６３が測定した大気湿度を受信する。これらの情報に基づき制御部４７は、水の蒸発量を推算し、給水管４１に所要量の給水がなされるようにポンプ４５の動作を制御する。
【００３８】
次に、上記のとおり構成されたガスタービン１の作用・効果について説明する。
ガスタービン１において、圧縮機７が回転駆動されることにより、吸気は吸気冷却装置３および吸気装置５を通して吸入される。より具体的には、吸気は、メディア２９の開口部３９、ウェザールーバ２７の間隙および吸気口２５を通って吸気フィルタ室１７に取り込まれる。そののち吸気は、吸気フィルタ２１によって大気粉塵等が除去された後、吸気ダクト１９を通り、吸気サイレンサ２３によって静音化されて、圧縮機７に供給される。
【００３９】
吸気冷却装置３には、メディア２９と、メディア２９の上部に水を供給する給水装置３１と、が備えられており、必要に応じ給水装置３１よりメディア２９の上部に水が供給される。メディア２９の上部に供給された水は、メディア２９の全面にわたり網糸３７に沿って流下する。メディア２９の下端部に至った水は、樋６９に貯留され、水タンク４３に戻される。水タンク４３には、水源(図示せず)より使用量に見合った量の水が給水されている。
【００４０】
ガスタービン１の作動により吸気が吸気口２５に吸い込まれるとき、吸気はメディア２９の開口部３９を通過する。その際、吸気は開口部３９の周囲の網糸３７に沿って流れる水を蒸発させるため、水により蒸発潜熱を奪われることで冷却される。
【００４１】
このように吸気冷却装置３によって圧縮機７に吸入される空気の温度を低減させることができるので、ガスタービン１の出力、効率を向上させることができる。一例として、大型のガスタービン１では、吸気温度を１℃低下させることで、出力を０．６％、熱効率を０．１〜０．２％向上させることができる。
【００４２】
メディア２９は、吸気フィルタ室１７の前面に設置されているので、設置にあたっては吸気フィルタ室あるいは吸気ダクトの大幅な改造を行う必要がなく、簡易な改造ですむ。そのため、プラントの建屋や敷地面積に余裕のない既設のガスタービンプラントに対して新たに吸気冷却装置を適用することが可能になるうえ、設置コストも大幅に低減することができる。
またメディア２９を通過した吸気は、ウェザールーバ２７および吸気フィルタ２１を通過してから圧縮機７に吸い込まれる。そのため、メディア２９を通過する際に吸気に水滴が混合したとしても、後流に位置するウェザールーバ２７および吸気フィルタ２１によってそれらの水滴は除去される。そのため本実施形態にかかる吸気冷却装置３を適用するにあたり、吸気に含まれる水滴が圧縮機に吸い込まれないよう除去する装置（デミスター）を吸気装置５に追設するなどの大きな改造も不要である。
【００４３】
さらなる効果として、吸気冷却装置３に用いる水として純水を用いなくてもよいため運用コストが下がるという利点もある。
すなわち、従来の吸気冷却装置は吸気フィルタ後流に設置されるため、給水として不純物を含む水を使用した場合、その不純物がそのまま圧縮機７に吸い込まれ、圧縮機翼の磨耗を引き起こす。これを防止するために、従来の吸気冷却装置では給水に純水を用いる必要があった。
本実施形態では、給水に多少の不純物が含まれていたとしても、吸気冷却装置３の後流に位置する吸気フィルタ２１によりこの不純物が捕捉される。そのため給水として純水を用いる必要がなく、運用コストの低減が可能である。
【００４４】
メディア２９は上端部から下端部に向けて順次吸気口２５に近くなるように傾斜されているので、垂直にされているものに比べて水のメディア２９への付着性が良好である。このため、吸気が通過する際、その気流によって水が水滴状となって飛散する量を低減することができる。これにより、多量に飛散した水による吸気フィルタ２１の目詰まりを防止することができ、これによる吸気圧損の増大と、これに伴うガスタービン１の出力低下を防ぐことができる。
【００４５】
制御部４７は、温度計６１が測定した大気温度、湿度計６３が測定した大気湿度を受信し、これらの情報に基づき水の蒸発量を推算し、これに見合った給水量となるようにポンプ４５の作動を制御する。これにより、水の無駄を抑制することができるとともに、たとえば、略使いきりの給水量を供給することで、樋６９を廃止した構成とすることもできる。
【００４６】
より簡便な制御の態様としては、制御部４７に温度計６１のみを接続する構成とすることもできる。本構成では、夏季に大気温度が上昇した際、温度計６１で測定された空気の温度が所定温度以上になると、制御部４７がポンプ４５を作動させるように吸気冷却装置３の動作を制御することもできる。
【００４７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる吸気冷却装置について、図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の吸気冷却装置を適用したガスタービンの部分的な概略構成を示す側面模式図である。
本実施形態のガスタービン１の基本構成は、第１実施形態と同様であるが、第１実施形態とは、吸気冷却装置３の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、吸気冷却装置３について主として説明し、その他の構成要素については重複した説明を省略する。
【００４８】
本実施形態の吸気冷却装置３では、第１実施形態のメディア２９に相当するものが上下方向で３個に分割された分割メディア７３，７５，７７で形成されている。
分割メディア７３，７５，７７は、略同じ大きさと傾斜をもち、上下方向に重なるように配置されている。
【００４９】
給水は、給水管４１から上段に位置する分割メディア７３の上部に供給され、順次、中段に位置する分割メディア７５、下段に位置する分割メディア７７を通るように構成されている。
【００５０】
より具体的には、給水管４１は上段に位置する分割メディア７３の上部に水を供給するように構成されている。上段に位置する分割メディア７３の直下には、流下してきた水を受けて貯留する樋８５が設置されている。
樋８５に貯留された水は中段に位置する分割メディア７５の上部に供給されるように構成されている。中段に位置する分割メディア７５の直下には、流下してきた水を受けて貯留する樋８７が設置されている。
樋８７に貯留された水は下段に位置する分割メディア７７の上部に供給されるように構成されている。下段に位置する分割メディア７７の直下には、流下してきた水を受けて貯留する樋８９が設置されている。樋８９に貯留された水は水タンク４３に戻されるように構成されている。
【００５１】
このように構成された吸気冷却装置３では、図７に示す分割メディア７３、７５、７７と、第１実施形態のメディア２９の傾斜角αが同じとした場合、空気進行方向における分割メディア７３，７５，７７の長さＬ２は、メディア２９の長さＬ１の三分の一となる。すなわち、メディアを上下方向に分割することにより、必要な傾きを保持した状態で、メディアの設置に必要な敷地面積を低減させることができる。そのため、吸気フィルタ室１７の周囲の面積に余裕のない既設ガスタービンプラントに本実施形態に係る吸気冷却装置３を適用することができる。
【００５２】
本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者には、本発明が特許請求の範囲の技術思想および技術的範囲内の変形形態で実施され得ることが明らかであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１  ガスタービン
３  吸気冷却装置
７  圧縮機
２１  吸気フィルタ
２５  吸気口
２９  メディア
３１  給水装置
３９，６７  開口部
４１  給水管
４２  穴
４７  制御部
４９  樋
５１  壁
７１  閉鎖部材
７３，７５，７７  分割メディア
【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】
2011012655.tif 000007
【図６】
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【図７】
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