(57)【要約】【課題】  ガスタービンシステム内への加湿割合を高める。【解決手段】  空気室１から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機２と、前記圧縮機２から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器３と、前記燃焼器３の燃焼ガスにより駆動されるガスタービン４と、前記ガスタービン４によって駆動される発電機５と、前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器７と、前記圧縮空気を再生熱交換器７の伝熱流路に分配する上流側ヘッダー３４と、前記空気室１内に液体を噴霧する吸気噴霧加湿システム２００と、前記空気流路内に液体を噴霧する管内噴霧加湿システム３００と、前記上流側ヘッダー３４内に液体を噴霧する再生器加湿システム４００とを有するガスタービンシステム。【選択図】図１
2005164081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、
を有するガスタービンシステム。
【請求項２】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配すると共に、前記伝熱流路の最下段の伝熱流路よりも下方に下部が延長されている上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段、又は前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段、又は前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段の内の少なくとも一つの噴霧手段を有し、
前記少なくとも一つの噴霧手段は、噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／min 以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルを有するガスタービンシステム。
【請求項３】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／min以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルを有して前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、
前記第２噴霧手段による噴霧位置よりも上流側で前記空気流路内に装備され、前記空気流路の流路面積よりも狭い開口面積を有するオリフィスと、
を有するガスタービンシステム。
【請求項４】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／min 以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルを有して前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、
前記上流側ヘッダー内で、前記第３噴霧手段の噴霧位置よりも上流側に装備されて前記噴霧位置に向う圧縮空気を整流する整流手段と、
を有するガスタービンシステム。
【請求項５】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第１噴霧手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第２噴霧手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第３噴霧手段と、
を有するガスタービンシステム。
【請求項６】
空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段と、
前記第１噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第１流量計と、
前記空気室内からの前記液体のドレーン液を計量する第１計量手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、
前記第２噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第２流量計と、
前記空気流路内からの前記液体のドレーン液を計量する第２計量手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、
前記第３噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第３流量計と、
前記上流側ヘッダー内からの前記液体のドレーン液を計量する第３計量手段と、
を有するガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン発電システムに湿分を添加し、そのシステムの増出力及び高効率を達成する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
噴霧ノズルで水分を添加した加湿空気を用いるガスタービンシステムに関する従来技術として、圧縮機と再生熱交換器（以後、再生器と称す）を繋ぐ空気流路としての配管に高温水をノズルで噴霧する加湿器構造が記載され、また、加湿器での未蒸発水を回収して、その水を再利用する噴霧システム構成が記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
更に、圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を設置し、噴霧水を高温として縦置加湿器に温水を噴霧する構造が記載され、また、圧縮機の吸気に常温水を噴霧する構造も記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を、また、ガスタービン排ガスで噴霧水を加熱する熱交換器を設置し、噴霧水を高温として大型増湿塔に温水を噴霧し、加湿空気を生成する構造が記載されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
水分を添加した加湿空気を用いるために、ガスタービン排熱を利用した再生器の途中に水又は蒸気を注入する方法が記載されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
圧縮機と再生器を繋ぐ配管に高温水を噴霧ノズルで噴霧する加湿器と加湿器下流に設けた熱交換器とを多数設け、加湿器出口温度の違いで再生器との接続位置を変える構造が記載されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００７】
上記した加湿システムを構成するためには微細水滴を霧化して噴霧する噴霧ノズルが必要となるが、市販ノズルとしては、国内では株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルＭ１９」と称するものがあり、その性能は、噴霧圧力７ＭＰａで、水量が０.１２５Ｌ／min で、噴霧水滴径が算術平均で１６μｍ（ＳＭＤで約２５μｍに相当）である（例えば、非特許文献１参照）。ＳＭＤとは、レーザでの水滴径計測で用いられる噴霧水滴径を表す指標でザウター平均粒径（Sauter mean diameter）である。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２８２８９４号公報
【特許文献２】特開２００２−１３８８５２号公報
【特許文献３】特開２００３−３８６１号公報
【特許文献４】特開平１１−３２４７１０号公報
【特許文献５】特開２００１−１３２４７３号公報
【非特許文献１】株式会社共立合金製作所の製品カタログ、ＣＡＴ.ＮＯ.９８０２−９９０１「モヤスプレーノズルＭ１９」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガスタービン発電システムにおける圧縮機と再生器を繋ぐ空気流路としての配管途中に設置する加湿器構成の従来技術で共通していることは、構成機器が多く高コスト，大型となっている点にある。また、これらの従来技術では、加湿器構成として微細水滴を噴霧する噴霧ノズルを用いるが、狭いエリアで高温空気に噴霧して瞬時に蒸発させ高湿分の空気を生成するためには、微細水滴を大量に噴霧する噴霧ノズルが必要となる。
【００１０】
さらに、高湿分の空気を用いるガスタービンシステムでは、大量の水を添加して加湿空気とするが、圧縮機と再生器間での加湿だけでは、必要とする加湿割合を得ることができないことが考えられる。ガスタービン排熱を利用した再生器の途中に水又は蒸気を注入する方法があるが、再生器の伝熱管への水注入配分に起因する熱応力に問題がある。
【００１１】
また、従来の加湿構成では、高温空気と噴霧水の混合部が少ないため熱交換が十分に行えず加湿割合が少なく、加湿器出口温度が高くなることが考えられる。加湿器出口温度が高くなると、ガスタービン排熱の有効利用が損なわれ、効率が低下することか考えられる。
【００１２】
本発明の目的は、ガスタービンシステム内への加湿量を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の課題を解決するための第１手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段と、前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、を有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発により圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。
【００１４】
第２手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配すると共に、前記伝熱流路の最下段の伝熱流路よりも下方に下部が延長されている上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段、又は前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段、又は前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段の内の少なくとも一つの噴霧手段を有し、前記少なくとも一つの噴霧手段は、噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／
min 以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルとを有するガスタービンシステムであり、空気室内にザウター平均粒径が３０μｍ以下の霧化状態の液滴を１Ｌ／min 以上供給して、空気室内の空気に同伴して圧縮機内へ吸入されていく湿分を増量する。
【００１５】
第３手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／min 以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルを有して前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、前記第２噴霧手段による噴霧位置よりも上流側で前記空気流路内に装備され、前記空気流路の流路面積よりも狭い開口面積を有するオリフィスとを有するガスタービンシステムであり、圧縮機から吐出されてきた圧縮空気にザウター平均粒径が３０μｍ以下の霧化状態の液滴を１Ｌ／min 以上供給して、前記空気流路内の圧縮空気の湿分を増量する。
【００１６】
第４手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、噴霧圧力が４ＭＰａ以上，流量が１Ｌ／min 以上，ザウター平均粒径が３０μｍ以下の性能を有する噴霧ノズルを有して前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、前記上流側ヘッダー内で、前記第３噴霧手段の噴霧位置よりも上流側に装備されて前記噴霧位置に向う圧縮空気を整流する整流手段とを有するガスタービンシステムであり、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで前記上流側ヘッダーから最熱交換器の伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も極力均等に行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発による圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。
【００１７】
第５手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第１噴霧手段と、前記空気流路内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第２噴霧手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第３噴霧手段とを有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発による圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。更には、第１噴霧手段と、第２噴霧手段と、第３噴霧手段との各噴霧手段の液体噴霧と停止及び液体噴霧を行う噴霧手段に係る噴霧させる系統数の選択によって、タービンシステムへの加湿度合いの細かい制御を行って、タービンシステムの状況に応じた加湿制御が達成できる。
【００１８】
第６手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第１噴霧手段と、前記第１噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第１流量計と、前記空気室内からの前記液体のドレーン液を計量する第１計量手段と、前記空気流路内に液体を噴霧する第２噴霧手段と、前記第２噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第２流量計と、前記空気流路内からの前記液体のドレーン液を計量する第２計量手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第３噴霧手段と、前記第３噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第３流量計と、前記上流側ヘッダー内からの前記液体のドレーン液を計量する第３計量手段とを有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発による圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。更には、第１〜３の各流量計による計量総和と第１〜３の各計量手段による計量総和との差に基づいてタービンシステムの全体の加湿割合を把握することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ガスタービンシステム内の空気へ湿分を多量含ませることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施例では、次の（Ａ）〜（Ｅ）の５項目の課題を解消する手段が含まれている。（Ａ）ガスタービンシステム内に微細水滴を大量に噴霧するノズルがない。（Ｂ）ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間での加湿だけでは、必要とする加湿割合を得ることができない。（Ｃ）ガスタービンシステムの加湿器出口温度が高くなり、ガスタービン排熱の有効利用ができない。（Ｄ）ガスタービンシステムの再生器の伝熱管途中に水を注入する加湿方法では、伝熱管への水注入配分に起因する熱応力に問題がある。（Ｅ）ガスタービンシステムの必要加湿割合を得るための構成機器が多く、大型となり高コストである。
【００２１】
課題（Ａ）を解決する手段としては、ガスタービンシステムの加湿手段に採用される噴霧ノズルとして発明者等が先に開発し特願２００２−３１９４４３号で特許出願した高圧１流体霧化ノズルを使用する。このノズルは最大径が約９mmと小型で、その性能は、噴霧水量が約１Ｌ／min のノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ以下であり、また、噴霧水量が約２〜３Ｌ／min のノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下である。これらのノズルは、従来技術に示すモヤスプレーノズルと比較して、水量は１０〜３０倍となる。
【００２２】
課題（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間で最大限加湿し、さらに、再生器内でもガスタービン排熱を利用して加湿することで解決する。
【００２３】
ここで、ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間で最大限加湿する手段としては、圧縮機と再生器間の圧縮空気の流路である配管部に噴霧ノズルを設置して高温空気流に微細水滴を噴霧し、蒸発させて加湿するが、ただ噴霧するだけでは空気の流れに同伴され、熱交換が十分に行えないために加湿割合が小さくなり、加湿器出口温度も高くなるので、本発明では、噴霧ノズル設置位置より上流側に縮流を発生させるオリフィスを設置し、その下流で生成される減圧域を利用した混合域で高温空気と噴霧水滴の熱交換を十分行わせ瞬時に蒸発させる管加湿器構造を採用する。これによって、圧縮機と再生器間での加湿は最大限達成することができる。
【００２４】
ガスタービンシステムの圧縮空気、即ち作動流体に湿分を添加する高湿分ガスタービンシステムでは、添加する湿分が多いほど高効率を達成できるが、多量に水分を添加すると結露してドレーン水が発生することになり、その作動流体の流路内で悪影響を及ぼすことになる。したがって、ガスタービンシステムへの加湿量は、飽和空気状態の湿度より若干小さい状態が好ましい。
【００２５】
これらのことを考慮すると、システム全体での加湿量は、１４.１ｗｔ％ （吸気流量との重量比）となる。ここで、圧縮機上流での加湿、即ち吸気加湿では１.６ｗｔ％ で全体の約１１％、圧縮機から再生熱交換器間で圧縮空気に加湿する管加湿器では約７ｗｔ％で全体の約５０％であり、システム全体での加湿量１４.１ｗｔ％ からみると約３９％の加湿量が足りない。
【００２６】
この不足分をガスタービンシステムへ加湿する手段として、本発明の実施例では、ガスタービンシステムの排熱を利用する再生熱交換器（ガスタービン排熱と燃焼器へ供給される圧縮空気との熱交換器）の空気入口のヘッダー部に直接微細水滴を噴霧し、均等に再生熱交換器の伝熱流路に流入する構造とする。この場合も、特願２００２−３１９４４３号で特許出願した高圧１流体霧化ノズルを使用することが好ましい。
【００２７】
上記した管加湿器を通過した加湿後の圧縮空気温度は、ほぼ蒸気飽和温度となり、それ以上の水分を含めない状態となっているため、圧縮機と再生熱交換器間での新たな加湿は困難であることから、再生熱交換器を通過するガスタービンシステムの排熱を利用し、再生熱交換器内で蒸発させ加湿するものである。
【００２８】
課題（Ｅ）を解決する手段としては、上記した手段を用いて高湿分ガスタービンシステムを構築することで、構成機器が少ない小型でコンパクトなシステム構成とすることができ、低コスト化を図ることができる。
【００２９】
以下に本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムについて、図示の実施形態により詳細に説明する。図１は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムの全体構造図、図２は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムに用いる噴霧ノズルの形状図、図３は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムで使用する噴霧ノズルの水量をパラメータとした場合の水滴径分布図、図４は噴霧圧力をパラメータとした場合の水滴径分布図、図５は使用ノズルの噴霧圧力に対する噴霧水量の割合を示す図、図６は空気室での吸気噴霧ノズルの設置及び噴霧状況を示す詳細図、図７は吸気噴霧ノズル取付部の詳細図、図８は管内に構造物を設けない管加湿器構造図、図９は図８に示す体系で試験した結果で噴霧ノズル下流での各部温度を示す図、図１０は管内に構造物を設けない管加湿器構造での噴霧水滴流れの軸方向水滴濃淡図、図１１は図８に示す体系で完全蒸発条件での蒸発限界加湿割合の試験結果を示す図、図１２は噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した本発明による管加湿器構造で、高温空気管にフランジで挟み込むヘッダーに設置したノズルから微細水滴を噴霧した場合の模式図、図１３は本発明による管加湿器構造で高温空気管外部にヘッダーを設け、噴霧ノズルへの水供給管を接続する構造で、かつ、噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した体系で、設置ノズルから微細水滴を噴霧した場合の模式図、図１４は本発明である図１２及び図１３の体系で用いるオリフィスエッジの形状図、図１５は本発明である図１２に示す体系で試験した結果で噴霧ノズル下流での各部温度を示す図、図１６は本発明である図１２に示す管加湿器７００Ｂ構造と図８に示す管内に構造物を設けない管加湿器７００Ａ構造での試験結果の比較図、図１７は本発明による噴霧システムを導入した再生器の構造図、図１８は高湿分ガスタービンシステムにおける噴霧系統制御による全体加湿割合を示す図である。
【００３０】
図１に示す高湿分ガスタービンシステムの全体構造のように、通常ガスタービンシステムの基本構成は、空気室１，圧縮機２，燃焼器３，ガスタービン４，発電機５，発電端６、及び燃料供給系１００で構成され、空気室１を通じて吸い込んだ空気は圧縮機２で昇温昇圧されて圧縮空気として図１の白抜き矢印の方向に送られて燃焼器３へ供給される。高湿分ガスタービンシステムでは、加湿システムとして、空気室１に微細水滴１３を噴霧し加湿する吸気噴霧加湿システム２００，圧縮機２から吐出する高温高圧空気を加湿する管内噴霧加湿システム３００，ガスタービンの排熱を利用し燃焼器３に供給する空気の温度を上昇させる再生熱交換器７入口部で噴霧加湿する再生器加湿システム４００があり、高湿分を空気に添加できる構成となっている。
【００３１】
これらの各加湿システムへの噴霧水の供給は、噴霧水供給タンク８，高圧ポンプ９，水処理装置１０で構成される給水共通設備５００から供給される。この給水共通設備５００では、水が貯蔵された噴霧水供給タンク８から高圧ポンプ９で各加湿システム２００，
３００，４００へ水を噴霧水として供給する系統構成を有し、高圧ポンプ９からの吐出圧力（Ｐ０）をバイパス弁１１で規定の圧力に制御する制御系統が備わる。
【００３２】
このような各加湿システムで加湿された高温高圧な圧縮空気と燃料供給系１００から供給された燃料とが、共に燃焼器３に供給されて燃焼作用に供せられる。その燃料供給系
１００は、燃料タンクから燃料ポンプで燃焼器へ燃料を送る配管による燃料供給流路と、その配管に装備されたフィルタと流量調整弁と流量計と圧力計とを備え、指定の流量となるように流量計からの信号で流量調整弁を開度調整して、適切な量の燃料を燃焼器３に供給する。
【００３３】
燃焼器３での燃焼作用で生じた燃焼ガスによってガスタービン４の羽根が回転され、燃焼ガスはガスタービン排ガス３７となって再生熱交換器７の熱源として再生熱交換器内に入り、その排ガスはその後に再生熱交換器７からでて給水加熱器２３へ熱源として入り、その後にガスタービンシステム外に排気される。
【００３４】
ガスタービン４の羽根が燃焼ガスで回転駆動されることによって、その羽根が装備されたタービン軸と直列に連結されている圧縮機２と発電機５とが駆動されて、圧縮機２は新たな空気を空気室１から取り込んで圧縮して燃焼に供する圧縮空気をガスタービンシステム内に供給する。また、発電機５が駆動されることによって電力が発生して発電機５の発電端６に伝達され、その発電端６から電力が外部へ電線を通じて供給される。
【００３５】
次に、本発明の実施例に採用される第１噴霧手段としての吸気噴霧加湿システム２００を説明する。吸気１２中に微細水滴１３を噴霧する吸気噴霧加湿システム２００は、フィルター１４，流量調節弁１５，第１流量計としての流量計１６，圧力計１７，噴霧系統選択弁１８，噴霧ノズル６００を高圧ポンプ９の吐出側に接続した配管に装備して構成されている。その配管は噴霧系統選択弁１８の近くで２系統に分かれ、１系統ごとに一個の噴霧系統選択弁１８が備わる。その２系統に分かれた配管には噴霧ノズル６００が連通しているスプレーヘッダ１９が接続され噴霧水供給タンク８内の噴霧水を噴霧ノズル６００に供給できるようになっている。噴霧される微細水滴１３の水量の調整は、噴霧系統選択弁１８の開閉による噴霧系統の選択及び流量調節弁１５で調整されるが、噴霧させる系統の圧力は要求噴霧水滴径が保持できる圧力範囲で制御する。
【００３６】
この吸気噴霧加湿システム２００で使用される噴霧ノズル６００の要求性能は、吸気の流れに同伴される最大水滴径から噴霧水滴径が好ましくは２０μｍ［ＳＭＤ］以下で、噴霧水量はできるだけ多いものが必要となる。一般に市販されている１流体噴霧ノズルで噴霧水滴径の要求仕様をほぼ満足するものとして、前記従来技術にも示した株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルＭ１９」があるが、これらのノズルでの噴霧水量は約
０.１２５Ｌ／minで非常に少ない水量である。したがって、この吸気噴霧加湿システム
２００には、特願２００２−３１９４４３号で示され、先に開発した噴霧流量が大流量で要求噴霧水滴径を満足する高圧１流体霧化ノズルを使用する。
【００３７】
図２に高圧１流体霧化ノズルの形状を示す。高圧１流体霧化ノズル６００は、中空円筒状の高圧水導入管６０１，高圧水導入管６０１の端部に固定されて９０度の角度間隔で設けられた小孔の噴出口６０２と各噴出口６０２に対して傾斜部が対面する傾斜ターゲット６０３を有するノズル先端部品６０４及び高圧水導入管６０１に固定されてノズル先端部品６０４の円周囲を接触することなく覆う円筒状のカバー６０５から構成され、高圧水
６０６を各噴出口６０２から噴出させ、前方の傾斜ターゲット６０３の傾斜部に衝突させることで微細水滴１３を得るものである。傾斜ターゲット６０３は各噴出口６０２に対して傾斜部が対面する様に、微細水滴１３が吐出する方向から見ると図２の右図のように十字の形状を有する。このような構造とすることで、以下の（１）〜（４）の特徴がある。
（１）複数個（本実施例では４個）の噴出口６０２を設けることで小流量から大流量まで  自由な流量範囲を設定できる。
（２）噴出口６０２から高圧水を噴出し、傾斜ターゲット６０３に衝突させることで微細  水滴１３を得ることができる。
（３）噴出口６０２から高圧水を噴出し、個々の傾斜ターゲット６０３に衝突させる構造  とすることで噴霧水滴間に隙間６０７ができ、噴霧水滴中央部への外気の流通が形成さ  れることから、噴霧水滴中央部での減圧が回避され高温・高圧雰囲気で噴霧範囲が縮小  する現象（コーンコラップス現象）が発生しない。
（４）このような構造とすることで、ノズルの小型化が達成できる。実製作では、ノズル  最大径が９mmである。
【００３８】
高圧１流体霧化ノズル６００はこのような特徴があることから、高湿分ガスタービンシステムの湿分添加ノズルとして有効である。
【００３９】
図３，図４，図５に高圧１流体霧化ノズル６００の噴霧特性を示す。
【００４０】
図３は噴霧水量が１，２，３Ｌ／minの高圧１流体霧化ノズル６００による噴霧水滴径分布を示すものである。ここで、各ノズルの噴出圧力は７ＭＰａである。これから、このノズルの特徴は、従来技術に示したノズルより１０倍の噴出水量となる１Ｌ／min ノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ以下であること、２，３Ｌ／min ノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下であることが分かる。
【００４１】
図４は噴霧水量が１，２，３Ｌ／min の高圧１流体霧化ノズル６００の噴出圧力に伴う噴霧水滴径分布を示すものである。これから、噴出圧力が５ＭＰａ以上では、噴霧水滴径に差がなく４ＭＰａになると噴霧水滴径が大きくなることがわかる。したがって、このノズルによる使用範囲は、噴出圧力が５ＭＰａ以上の範囲となる。
【００４２】
図５は、噴霧水滴径が一定となる使用範囲（ここでは噴出圧力が５〜９ＭＰａとする）での流量特性を示すものである。これから、使用範囲である噴出圧力が５〜９ＭＰａでの水量変化は７ＭＰａを定格とした場合±１５％であることがわかる。
【００４３】
したがって、この高圧１流体霧化ノズル６００の特性としては、噴霧圧力が５〜９MPaで、噴霧水滴径が一定となる流量範囲は７ＭＰａを基準に±１５％となる。また、噴霧水滴径が２０μｍ以下を必要とする場合は水量が１Ｌ／min 以下のノズルを、霧水滴径が
３０μｍ以下を必要とする場合は水量が２〜３Ｌ／min ノズルを使用することになる。
【００４４】
吸気噴霧加湿システム２００では、吸気に同伴する水滴が必要となることから、好ましくは噴出圧力が５〜９ＭＰａで噴霧水滴径が２０μｍ以下で噴霧水量が１Ｌ／min の高圧１流体霧化ノズル６００を使用するが、好ましい噴霧水滴径が２０μｍ以下を超えても実施不可能ではないので、噴出圧力が４ＭＰａ以上で霧水滴径が３０μｍ以下で水量が２〜３Ｌ／min のノズルを使用することにしても良い。このような高圧で大容量で微細水滴の得られる噴霧ノズルを用いる。
【００４５】
吸気噴霧加湿システム２００は、夏期における吸気温度上昇に伴う出力低下の改善、圧縮機内での気化による圧縮機動力の低減及びガスタービン出力上昇を目的としており、吸気噴霧量は、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿量の約１１％(１.６ｗｔ％)を噴霧する。例えば、吸気流量が５kg／ｓの場合４.８Ｌ／minの水量を加湿することになる。
４.８Ｌ／minの水量を加湿する吸気噴霧では、前記した好ましい方の１Ｌ／min の高圧１流体霧化ノズル６００を使用し、５個で賄うことができるが、壁への付着等によるドレーン水として噴霧水の３０％を考慮しても６個（６Ｌ／min ）で良いことになる。噴霧量の制御の観点から複数系統を必要とする場合は、このノズル数を分割して設置することになる。なお、高圧１流体霧化ノズル６００から噴霧した微細水滴の空気室１の内壁への付着等によるドレーン水は、その壁伝いに空気室１内と配管で接続した計量タンク５０に流入し、計量タンク５０内の水量が計量タンク５０に装備したレベル計５１で計測される。このような計測手段が第１計測手段である。計量タンク５０に溜まった計量後の水は、計量タンク５０の下部に接続した配管に装備してある弁５２を開いて外部に排出し、排出した水は水処理されて再利用される。
【００４６】
図６，図７には、上記６個のノズルを２系統に分割して設置した例の吸気噴霧加湿システム２００の構造を示す。なお、ここで、図７は図６中のＡ部で示す詳細図である。６個のノズルを２系統に分割して設置する場合、噴霧する水を通す配管であるスプレーヘッダ１９のそれぞれに３個のノズルを等間隔で設置すれば良い。従来技術に示した「モヤスプレーノズルＭ１９」を使用し、ドレーン水を考慮した水量約６Ｌ／min とした場合、ノズル個数は６０個が必要となる。この両者を比較すると、本発明の実施例で既述した高圧１流体霧化ノズル（以後、噴霧ノズルと称す）６００を使用した本実施例の場合、取り付け個数が１／１０になることから、加工，製作，組込みコストでの有利性がある。さらに、図７に示すように、噴霧ノズル６００の取り付け方法として締め込み式のスウエジーロック２０を使用してスプレーヘッダ１９から分岐した短管に取り付けることで、ねじ込み式で取り付ける際に使用するシールテープ等の千切れ片によるノズルの詰まりを回避でき、メンテナンスが容易になる。
【００４７】
次に、本発明の実施例で第２噴霧手段として採用した管内噴霧加湿システム３００を説明する。図１に示すように圧縮機２の圧縮空気吐出側と再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４を連通する圧縮空気の空気流路としての配管内に噴霧し、圧縮機２からの高温高圧で吐出される高温高圧吐出空気２１、即ち圧縮空気に加湿するものが、管内噴霧加湿システム３００である。管内噴霧加湿システム３００は、給水共通設備５００から高圧ポンプ９で噴霧水供給タンク８内の噴霧水の供給を高圧ポンプ９の吐出側に接続した配管を通じて受ける。
【００４８】
その配管は分岐点２２で二手に分岐して別れ、一方はガスタービンシステムの高温排ガスの通る位置に設けた給水加熱器２３を経由して給水加熱器２３で排気ガスの熱で加熱されて三方弁２４に入る配管経路を有する。分岐点２２で二手に分岐して別れたもう一方は、分岐点２２から直接三方弁２４に入る配管経路を有する。
【００４９】
両方の配管経路を通じて三方弁２４内に流入した噴霧水はこの三方弁２４で混合され温度調節される。このように温度調整された噴霧水は、三方弁２４からフィルター２５，第２流量計２６，噴霧系統選択弁２７を有する配管を経由して、管加湿部７００にある噴霧ノズル６００から微細水滴となり噴霧される。三方弁２４から噴霧ノズル６００に至るその配管は、途中で三系統に分岐して、１系統ごとに一個の噴霧系統選択弁２７が備わる。このように三系統に分かれた各系統の配管には、水注入管７００Ａ４を介して噴霧ノズル６００が連通接続されて噴霧水供給タンク８内の噴霧水を噴霧ノズル６００に供給できるようになっている。噴霧水滴の水量の調整は、噴霧系統選択弁２７の開閉による噴霧系統の選択及び三方弁２４で調整されるが、噴霧させる系統の圧力は要求噴霧水滴径が保持できる圧力範囲で制御する。
【００５０】
この三方弁２４では、温度が違う２方向からの噴霧水の混合を行い、下流の温度計２８（Ｔ１），第２流量計２６（Ｆ１）の検出信号により温度，流量が調整される。この混合された噴霧水の温度は１５０℃程度に調整され、圧力は圧力計２９（Ｐ１）で監視される。管加湿部７００で加湿された加湿空気３０は再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４に注入されるが、過剰水を注入した場合には蒸発できない水量が発生する。この蒸発できない水量は、圧縮機の吐出側と上流側ヘッダー３４間を連通する配管に接続した計量タンク
３１に流入し、計量タンク３１に接続したレベル計３２で計量タンク３１内の水量が計測される。このような計量手段が第２計量手段である。計量タンク３１に溜まった水は計量後に計量タンク３１下部に連通接続した配管に装備した弁３３を開くことで外部に排出され、排出された水は水処理されて再利用される。
【００５１】
吸気噴霧加湿システム２００は、夏期における吸気温度上昇に伴う出力低下の改善、圧縮機内での気化による圧縮機動力の低減及びガスタービン出力上昇を目的としており、吸気噴霧量は、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿量(１４.１ｗｔ％：吸気流量との重量比）の約１１％(１.６ｗｔ％）と少ない。これに対して、管内噴霧加湿システム３００では、高出力，高効率を目的としているため、多量の加湿が必要となる。前記した吸気噴霧加湿システム２００と管内噴霧加湿システム３００で全加湿量を賄うとすると、管内噴霧加湿システム３００では約１２.５ｗｔ％（吸気５kg／ｓの場合での噴霧水量３７.５Ｌ／min）の加湿が必要となる。
【００５２】
このシステムで使用される噴霧ノズル６００の要求性能は、蒸発速度の関係から噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下で、設置スペースの関係から噴霧水量はできるだけ多いものが必要となる。一般に市販されている１流体噴霧ノズルとしては、前記従来技術にも示した株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルＭ１９」があるが、この噴霧ノズルでは噴霧水量が約０.１２５Ｌ／minで非常に少ないこと、また、このノズルは細いピン先端に水流を衝突させるタイプであり、高温条件下の管内で使用すると熱膨張により変形して規定性能が得られない可能性がある。さらに、流量が少ないため、全ノズル数が３００個と多くなるなどの問題がある。
【００５３】
管内噴霧加湿システムに１Ｌ／min流量の噴霧ノズル６００を使用した場合、全ノズル数が３７.５個(３８個) 必要となるが、３Ｌ／min流量のノズルを使用した場合、１２.５個（１３個）で良い。この３Ｌ／min ノズルを使用し、３系統の噴霧系統を構成すると１系統当たり４.３ 個のノズルで良く、非常に少ない数で加湿システムを構成することができる。噴霧ノズル６００は吸気噴霧加湿システム２００の説明の際に解説した噴出圧力が５〜９ＭＰａで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下で噴霧水量が３Ｌ／min の高圧１流体霧化ノズルである。もちろん、噴霧圧力４ＭＰａで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ以下で噴霧水量が１Ｌ／minの高圧１流体霧化ノズルであっても良い。
【００５４】
ここで示した管内噴霧加湿システムの前提は、管内噴霧加湿システムで必要とする加湿(１２.５ｗｔ％）が得られることであるが、実際には確認されていない。そこで、この管内噴霧加湿システムについて検証した結果を次に述べる。
【００５５】
図８は管内にオリフィスなどの構造物を設けない管加湿器７００Ａの試験体系を示す。
ここで、噴霧ノズル６００は、フランジ７００Ａ１の面に密着してボルト７００Ａ２で締め付け固定されたリングヘッダー７００Ａ３内側に管中央に向け設置され、ノズル先端は管内にわずか突き出した状態で固定されている。高圧ポンプ９で送られてきた噴霧水供給タンク８内の噴霧水が水注入管７００Ａ４を通ってから流入し、リングヘッダー700A3 ，噴霧ノズル６００を経由して圧縮機からの高温高圧吐出空気２１内に微細水滴１３として噴霧される。噴霧された微細水滴１３は高温高圧吐出空気２１と熱交換され加湿空気３０として下流、即ち再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４側に運ばれる。噴霧ノズル６００よりも下流の圧縮空気の流路である管７００Ａ５の径はφ２５０で長さは５.５ｍ とし、その管内に多数の温度計（図示せず）を設置し、温度分布を計測した。
【００５６】
図９は図８に示す体系で試験した結果で、噴霧ノズル下流での各部温度を示す。試験条件としては、圧縮空気である高温高圧吐出空気２１の流量が５kg／ｓで圧力が８ata で温度が２９０℃である。これは、吸気流量が５kg／ｓガスタービンシステムの定格条件であり、φ２５０の管では定格時の管内流速が１８.５ｍ／ｓ となる。また、水注入管700A4から流入する噴霧水は、温度が１５０℃で完全蒸発できる水量の１２.３Ｌ／min である。この場合の加湿割合は４ｗｔ％で、これ以上の水を注入するとドレーンが発生し、注入水の全量を蒸発させることができない。
【００５７】
使用した噴霧ノズル６００は、噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ 以下となる１Ｌ／min流量のノズルである。ここで、縦軸は加湿された空気の温度を示し、横軸は最下流のノズル位置からの距離を示している。ここに示す温度計の設置位置は、Ｔ１が管中心で、Ｔ２が半径方向の管中心寄りで、Ｔ３が半径方向の管壁寄りで、Ｔ４が管上部内壁で、Ｔ５が管下部内壁である。
【００５８】
この結果から、噴霧ノズル６００下流の管７００Ａ５内温度に大きなばらつきがあり混合がうまく行われていないこと、また、５.５ｍ 付近の温度を見ると、Ｔ５の温度以外はかなり高い温度となっていることがわかる。これから、管内半径方向の加湿濃度を予測すると、管半径方向の加湿濃度は管中心部から上部にかけて薄くなり、側壁近傍が中濃度で下部が濃い濃度となることが分かる。また、管内での噴霧水滴の完全蒸発距離が約４.５ｍ必要であることがわかる。さらに、図１０に示すように噴霧した微細水滴１３が圧縮機からの高温高圧吐出空気２１に流されるだけで混合が促進されないことが予測できる。
【００５９】
図１１には噴霧ノズル下流の管長さが５.５ｍ の上記試験体系で、管内で完全蒸発した場合の蒸発限界加湿割合の試験結果を示す。試験条件は高温高圧吐出空気２１の圧力が８ata で温度が２９０℃である。ここで、横軸は管内流速を表し、吸気流量が５kg／ｓのガスタービンシステムの定格流速は１８.５ｍ／ｓである。
【００６０】
この結果から、管内に構造物を設けない管加湿器７００Ａ体系では、定格流速での加湿割合は４ｗｔ％程度であることがわかる。これは、前記した管内噴霧加湿システムで賄う加湿割合(１２.５ｗｔ％）の３２％で非常に少ない。ただし、管径を太くして管内流速を７ｍ／ｓ程度にすると約７ｗｔ％の加湿が可能である。その場合でも必要加湿量の５６％であり、全体加湿量を賄うことはできない。
【００６１】
高湿分ガスタービンシステムでは、コスト削減の観点から、システム構成を簡素化すること及び設置スペースをできるだけ少なくすることが重要となる。したがって、管径を太くすることで、材料，加工コストがかかること、さらに、広い設置スペースが必要となる等の問題がある。そこで、管径をφ２５０で加湿量を多くする構造を考案した。
【００６２】
図１２には噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した本発明の実施例の一例としての管加湿器７００Ｂの構造を示す。この体系は、図８，図１０に示した管加湿器７００Ａの噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置したものである。その構成として、噴霧ノズル６００は、フランジ７００Ｂ１の面に密着してボルト７００Ｂ２で締め付け固定されたリングヘッダー７００Ｂ３内側に管中央に向け設置され、ノズル先端は管内にわずか突き出した状態で固定されている。噴霧水は水注入管７００Ｂ４から流入し、リングヘッダー７００Ｂ３，噴霧ノズル６００を経由して圧縮機からの高温高圧吐出空気２１内に微細水滴１３として噴霧される。噴霧ノズル６００の上流には流路を狭くするオリフィス７００Ｂ６が設けられており、そのオリフィス７００Ｂ６下流では、オリフィス部で発生する縮流により減圧部７００Ｂ７が形成される。
【００６３】
噴霧ノズル６００より噴霧された微細水滴１３は、この減圧部７００Ｂ７に噴霧され、減圧部７００Ｂ７で発生する渦７００Ｂ８により巻き込まれて管中央部に形成される混合域７００Ｂ９に運ばれ、瞬時に高温空気との熱交換が行われ、加湿空気３０となり下流に運ばれる。
【００６４】
この管加湿器７００Ｂの特徴は、オリフィス７００Ｂ６部で発生する縮流により形成される減圧部７００Ｂ７に水滴を噴霧し、減圧部７００Ｂ７で発生する渦７００Ｂ８に巻き込ませ、管中央部に形成される混合域７００Ｂ９で瞬時に高温高圧吐出空気２１との熱交換を行わせ加湿量の増加を図るものである。さらに構造的特徴として、噴霧ノズルを取り付けるリングヘッダー７００Ｂ３がフランジ７００Ｂ１内側に収納されコンパクト化が図られている。ただし、噴霧ノズルの取り付け，取り外し等のメンテナンス時は全体を外し分解した状態で作業を行う必要がある。
【００６５】
図１３は図１２に示した管加湿器７００Ｂと噴霧ノズル６００設置構造が異なる本発明の一例である管加湿器７００Ｃの構造を示す。その構成は、管外部に設置された注入系統７００Ｃ４が接続された管タイプリングヘッダー７００Ｃ３，リングヘッダー７００Ｃ３への接続用締め込み式継手７００Ｃ２，配管７００Ｃ１，噴霧ノズル６００の固定及び加湿空気３０シール用の締め込み式継手７００Ｃ１１，締め込み式継手７００Ｃ１１を固定する突起部７００Ｃ１０で構成される。このような構造とすることで、管加湿器内構成は前記７００Ｂと同じ構造とすることができる。また、この構造にすることで、新たな特徴として、噴霧ノズル６００を単体で取り外すことができることから、噴霧ノズル６００のメンテナンス及びノズル位置の調整が個々のノズルで可能となる。
【００６６】
噴霧ノズル位置を前記７００Ｂと同じにした場合は、管加湿器７００Ｃでも同様に、オリフィス７００Ｃ６部で発生する縮流により形成される減圧部７００Ｃ７に水滴を微細水滴１３し、減圧部７００Ｃ７で発生する渦７００Ｃ８に巻き込ませ、管中央部に形成される混合域７００Ｃ９で瞬時に高温高圧吐出空気２１との熱交換を行わせることができる。
【００６７】
図１４には、本発明の実施例である管加湿構造７００Ｂ，７００Ｃの体系で用いるオリフィスエッジの形状を示す。管内にオリフィス７００Ｂ６，７００Ｃ６を設置すると圧力損失が発生する。この圧力損失をできるだけ小さくする方法として、オリフィス上流側エッジの加工を施すが、その形状を図中（１），（２）に示す。ここで（１）は、オリフィス上流側エッジを鋭角に削除したもので、（２）はオリフィス上流側エッジに丸みを施したものである。これによって、オリフィス部で発生する圧力損失を格段に小さくすることができる。
【００６８】
図１５は本発明の実施例である管加湿器７００Ｂ構造でオリフィスエッジが図１４に示す（１）の構造を使用した結果で、噴霧ノズル下流での各部温度を示す。試験条件としては、高温高圧吐出空気２１の流量が５kg／ｓで圧力が８ata で温度が２９０℃である。これは、吸気流量が５kg／ｓのガスタービンシステムの定格条件であり、φ２５０の管では定格時の管内流速が１８.５ｍ／ｓ となる。また、水注入管７００Ｂ４から流入する噴霧水は、温度が１５０℃で完全蒸発できる水量の１９.８Ｌ／minである。この場合の加湿割合は６.６ｗｔ％ である。使用した噴霧ノズル６００は、噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０
μｍ以下となる３Ｌ／min流量のノズルである。ここで、縦軸は加湿空気温度を示し、横軸は最下流のノズル位置からの距離を示している。
【００６９】
ここに示す温度計の設置位置は、Ｔ１が管中心で、Ｔ２が半径方向の管中心寄りで、
Ｔ３が半径方向の管壁寄りで、Ｔ４が管上部内壁で、Ｔ５が管下部内壁である。この結果から、噴霧ノズル下流での各部の温度変化は、図９に示したオリフィスを設けない構造での管加湿器７００Ａと比較して、ばらつきが小さいこと、計測温度で最下流(５.５ｍ）の温度指示が全て完全蒸発温度に近い温度になっていること、さらに、注入水を１２.３Ｌ／minから１９.８Ｌ／minに６１％も増加させたにも拘わらず完全蒸発し、その蒸発距離も４.５ｍから２.５ｍに短くなっていることがわかる。
【００７０】
これから、オリフィスを設置したことによる効果で瞬時に混合が行われ、高温空気との熱交換が高効率で行われていることがわかる。なお、計測温度で最下流(５.５ｍ）の温度指示が、完全蒸発限界温度まで低下していないで若干余裕があるが、余剰熱量から、最大加湿割合は約７ｗｔ％程度が限界である。これらのことから、噴霧ノズル上流側にオリフィスを設置することは加湿割合を増加させる手段として有効であると考える。
【００７１】
図１６には、本発明の実施例である管加湿器７００Ｂ構造と７００Ａに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造での試験結果を比較して示す。試験条件は高温高圧吐出空気
２１圧力が８ata で温度が２９０℃である。ここで、横軸は管内流速を表し、縦軸は前記管加湿器体系での完全蒸発限界加湿割合を表している。
【００７２】
なお、ここには、吸気流量が５kg／ｓのガスタービンシステムの定格流速である18.5
ｍ／ｓを表記した。試験結果としては、７００Ａに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造（開口比：１）での完全蒸発限界加湿割合（Ａ）と管加湿器７００Ｂ構造に用いたオリフィス７００Ｂ６の開口比（面積比）が異なる２種類（Ｂ：開口比０.３６ ，Ｃ：開口比０.２３）の特性を表記した。
【００７３】
この結果から、管内（φ２５０）に構造物を設けない管加湿器７００Ａ体系では、定格流速での完全蒸発限界加湿割合は約４ｗｔ％であるが、オリフィス７００Ｂ６を設け、開口比を０.３６とした場合約５.２ｗｔ％で、開口比を０.２３ とした場合約７ｗｔ％であることが分かる。前記図１５でも説明したが、高温高圧吐出空気２１の熱量から蒸発加湿の限界は約７ｗｔ％であり、開口比を０.２３ では、限界加湿を得ることができるが、
７００Ａに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造でも管径を太くして流速を７ｍ／ｓ程度まで下げると蒸発加湿の限界である７ｗｔ％の加湿割合を得ることが分かる。ただし、広い設置エリアが必要となりコンパクト化には課題が残る。
【００７４】
ここでの管内噴霧加湿システムは、水注入系統が３系統の例について示したが、大容量型ガスタービンシステムとなると吸気量が増大するため、管加湿部７００及びその管加湿部７００に注水する水注入系統も複数必要となる。
【００７５】
以上、ここでは、本発明の実施例による管内噴霧加湿システム３００を示したが、上記結果から、限界加湿割合は約７ｗｔ％であり、前記した吸気噴霧加湿システムの加湿割合（１.６ｗｔ％）と合計して８.６ｗｔ％で、必要とする加湿割合１４.１ｗｔ％ にはまだ５.５ｗｔ％ たりない。このたりない分の加湿は、本発明では、ガスタービン４の排熱で管加湿器からの加湿空気を加熱して、必要な温度まで上昇させる再生熱交換器７を利用することにした。
【００７６】
次に、本発明の実施例による第３噴霧手段としての再生器加湿システム４００について説明する。ここでは、図１の高湿分ガスタービンシステム全体構成と図１７に示す噴霧システムを導入した再生熱交換器７構造を用いて説明する。なお、ここで示す再生熱交換器７の構造は一例として熱交換部が積層された構造（プレートフィン構造）のものを示した。
【００７７】
管加湿部７００で加湿飽和濃度近傍まで加湿され、低温（１３０℃程度）となった加湿空気３０は、再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４部に流入する。流入した加湿空気３０は、上流側ヘッダー３４に設置した整流板３５を通過し、再生熱交換器７内の積層された伝熱流路３６に流入し、再生熱交換器７内で高温のガスタービン排ガス３７と熱交換して再生熱交換器７の下流側ヘッダー３８を経由して燃焼器３に供給されるが、再生熱交換器７内では、前記したように、さらに水分を添加する必要がある。
【００７８】
再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４部に流入した加湿空気３０、即ち圧縮機で圧縮した空気に加湿した圧縮空気は、加湿飽和濃度となっているため、この加湿空気３０に微細水滴を噴霧しても加湿の増加は期待できない。したがって、本発明の実施例による再生器加湿システム４００では、上流側ヘッダー３４内に上流側ヘッダーに入ってきた加湿空気３０を整流する整流板３５を設け、その整流板３５よりも加湿空気３０流れの下流に噴霧ノズル６００を設置して、再生熱交換器７の伝熱流路３６入口に向けて微細水滴１３を噴霧することにした。
【００７９】
ここで、整流板３５の役割は、上流側ヘッダー３４内に流入した加湿空気３０を上流側ヘッダー３４内で均等に配分し、微細水滴１３を安定させるものである。これによって、伝熱流路３６に流入する微細水滴１３を均等に分配することができる。なお、構造物との衝突で液状化した水滴及び噴霧ノズル６００からの微細水滴も加湿空気３０に同伴され、再生熱交換器７の伝熱流路３６内に混入するが、再生熱交換器７に混入した大粒の水滴もガスタービンの排ガス３７(約６８０℃)により熱交換され、再生熱交換器７内で蒸発する。ガスタービンの排ガス３７は十分な熱量を有しており、混入水滴を蒸発させ、さらに昇温することができる。再生熱交換器７内で加湿，昇温された高温加湿空気３９（約６３０℃）は再生熱交換器７の下流側ヘッダー３８を経由して燃焼器３に供給される。
【００８０】
この再生器加湿システム４００への噴霧水の供給系は、給水共通設備５００から高圧ポンプ９で噴霧水供給タンク８内の噴霧水の供給を配管を通じて受け、その配管は分岐点
２２で二手に別れ、一方はタービンシステムの高温排ガスに接するように配置した給水加熱器２３を経由して三方弁４０に入る。もう一方は、分岐点２２から直接三方弁４０に入る。この三方弁４０で混合され、温度調節された噴霧水は、フィルター４１，第３流量計としての流量計４２，噴霧系統選択弁４３を備えた配管を経由して、再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４内部に設置した噴霧ノズル６００に供給されてから噴霧ノズル６００から微細水滴１３となり噴霧される。噴霧系統選択弁４３を備えた配管は、その噴霧系統選択弁４３より上流側において２系統に分岐し、各系統の配管ごとに噴霧系統選択弁４３が装備され、各系統ごとの配管に分散して噴霧ノズル６００が連通接続されている。この三方弁４０では、温度が違う噴霧水の２流体の混合を行い、下流の温度計４４（Ｔ２），流量計４２（Ｆ２）の信号により温度，流量が調整される。この混合された流体の温度は
１５０℃程度に調整され、圧力は圧力計４５（Ｐ２）で監視される。
【００８１】
前記、５kg／ｓの吸気量を有するガスタービンでの吸気噴霧加湿システム２００，管内噴霧加湿システム３００で、足りない加湿量（５.５ｗｔ％）は、噴霧水量として１６.５Ｌ／min であるが、この再生器加湿システム４００では噴霧した水滴が即蒸発するのではなく、再生熱交換器７の伝熱流路３６に流入したものが蒸発するが、再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４の内壁などに接した噴霧水はドレーン水とる。このドレーン水が最下部の伝熱流路３６に集中して流入することを回避するために、本発明の実施例では、再生熱交換器７の熱交換部高さ方向寸法(Ｈ）より上流側ヘッダー３４部を下方へ若干(Ｌ）長くした。
【００８２】
これによって、ドレーン水の最下部伝熱流路３６への流入集中を回避する。このドレーン水を考慮して、ここでは５０％増量した水量（２４.７５Ｌ／min）を噴霧することにする。２系統噴霧では、既述の１Ｌ／min の噴霧ノズル６００を用いた場合、１系統当たり１２個のノズルが、４系統では１系統当たり６個のノズルが必要となる。なお、再生熱交換器７の上流側ヘッダー３４で発生するドレーン水は、上流側ヘッダー３４の下部に連通した配管を経由して計量タンク４６に流入し、その計量タンク４６に装備したレベル計
４７でドレーン水の流量を計測する。このような第３計量手段で上流側ヘッダー３４で発生するドレーン水量を計量する。計量タンク４６に溜まった水は計量タンク４６の底部に連通した配管に装備されている弁４８を開くことで外部に排出され、排出されたドレーン水は水処理されて再利用される。
【００８３】
以上、ここには、高湿分ガスタービンシステムの加湿システムとして、吸気噴霧加湿システム２００，管内噴霧加湿システム３００，再生器加湿システム４００を示した。これらの加湿システムでの加湿割合は、全加湿を１００％とした場合、吸気噴霧加湿システム２００で最大１１％、管内噴霧加湿システム３００で最大５０％、再生器加湿システム
４００で最大３９％とした。この配分で管内噴霧加湿システム３００を多くして再生器加湿システム４００を少なくした理由は、再生熱交換器７での熱交換における温度差（排ガス温度６８０℃，噴霧水温度１５０℃で温度差５３０℃）が最も大きく、再生熱交換器７の構造物への熱応力も大きくなることから、再生熱交換器の健全性を考慮したものである。
【００８４】
ガスタービンシステムの加湿システムをこのように構成すると、コスト面では安価で、コンパクト化が図られ、さらに健全性が保たれ、必要加湿を得ることができる。
【００８５】
次に、上記した高湿分ガスタービンシステムの各加湿システム２００，３００，４００の噴霧系統制御について示す。ここでは、吸気噴霧加湿システム２００が２系統、管内噴霧加湿システム３００が３系統、再生器加湿システム４００が２系統で構成する噴霧加湿システムを一例として噴霧系統制御を説明する。吸気流量と加湿条件は、定格吸気流量が５kg／ｓ、定格加湿割合が１４.１ｗｔ％ とする。表１に、定格加湿時の各系統構成条件を示す。
【００８６】
【表１】
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【００８７】
ここで、吸気噴霧での実噴霧水量は空気室１の壁への付着によるドレーン水量（約３０％）を考慮した水量である。また、再生器加湿での実噴霧水量は伝熱流路３６入口部で発生する壁への付着によるドレーン水量（約５０％）を考慮した水量である。各加湿システムの１系統当たりの噴霧ノズル数は、吸気噴霧加湿システムで３個、再生器噴霧加湿システムで１２個であるが、管噴霧加湿システムでは、系統数に対するノズル数が均等化できないことから、２系統が２個で１系統が３個となる。噴霧ノズルの噴霧圧力は、図５に示すように５〜９ＭＰａとした。
【００８８】
図１８に吸気噴霧加湿システム２００が２系統、管内噴霧加湿システム３００が３系統、再生器加湿システム４００が２系統で構成する高湿分ガスタービンシステムの噴霧系統制御による全体加湿割合を示す。図１８の下部に記載の系統数は噴霧水を噴霧する系統数を表し、噴霧する系統数の選択は噴霧系統選択弁１８，２７，４３の開閉で行う。そして、その図１８の下部に記載の吸気加湿とは吸気噴霧加湿システム２００を、管加湿とは管内噴霧加湿システム３００を、再生器内噴霧とは再生器加湿システム４００を表す。
【００８９】
図１８で、縦軸は定格時の加湿割合(１４.１ｗｔ％）を１００％とした場合のシステム全体の加湿割合を示し、横軸は系統連携による運転系統を示している。なお、図１８に示す系統のうち、吸気噴霧については、圧縮機の吸気冷却及び動力低減効果があることから、必ず１系統は作動状態にあるものとした。これから、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿割合は連続的可変が可能であることが分かる。したがって、どのような部分負荷運転にも対応可能である。
【００９０】
このような各噴霧加湿システムをガスタービンシステム内に組込んでおくことで高効率な高湿分ガスタービンシステムを提供することができる。
（１）本発明の実施例によれば、簡単な構造でガスタービンの吸気に必要分の加湿ができ  、高湿分ガスタービンシステムの高効率が達成できる。
（２）本発明の実施例によれば、ガスタービンシステムの基本構成の大きさを変えずに必  要分の加湿ができることから、ガスタービンシステムのコンパクト化が可能である。
（３）特願２００２−３１９４４３号に示す大流量で微細水滴を噴霧できる噴霧ノズルを  直接加湿個所の配管等に設置することで、大掛かりな外付け加湿塔などが不要となるこ  とから低コスト化及び簡素化が可能である。
（４）本発明の実施例によれば、電力負荷需要に応じたガスタービンシステムの運転モー  ドに対応する加湿割合の連続的制御が可能であり、如何なる部分負荷運転にも対応でき  る。
（５）本発明の実施例によれば、ガスタービンシステムの夏期の吸気温度上昇に伴う出力  低下を回避できることから、季節に係わりなく高効率運転が可能となる。
（６）管内噴霧加湿システムで最大限の加湿をすることで、再生熱交換器の上流ヘッダー  内での噴霧量を少なくできること、さらに、上流ヘッダー内への噴霧系統を多くして均  等に微細水滴を流入させることから再生熱交換器内の伝熱流路の熱応力を少なくでき、  再生熱交換器の健全性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムの全体構造図である。
【図２】本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムに用いる噴霧ノズルの形状図であって、（ａ）図は断面図を、（ｂ）図は（ａ）図の右側面図を表している。
【図３】使用する噴霧ノズルの噴霧水量をパラメータとした場合の水滴径分布図である。
【図４】使用する噴霧ノズルの噴霧圧力をパラメータとした場合の水滴径分布図である。
【図５】使用ノズルの噴霧圧力に対する噴霧水量の割合を示す図である。
【図６】本発明の実施例による空気室での噴霧ノズルの設置及び噴霧状況を示す斜視図である。
【図７】図６のＡ部の一部断面表示による詳細図である。
【図８】本発明の実施例による管内噴霧加湿システムの噴霧部の断面図である。
【図９】図８に示す構成における試験した結果で、（ａ）図は噴霧ノズル下流での各部温度を示すグラフ図であり、（ｂ）図は温度計測位置を示す図である。
【図１０】管内に構造物を設けない管加湿器構造での噴霧水滴流れの軸方向水滴分布を示す図である。
【図１１】図８に示す構成で完全蒸発条件での蒸発限界加湿割合の試験結果を示すグラフ図である。
【図１２】噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した本発明の実施例による管加湿器構造で、高温空気管にフランジで挟み込むヘッダーに設置したノズルから微細水滴を噴霧した場合の状況を示した断面模式図である。
【図１３】本発明の実施例による管加湿器構造で高温空気管外部にヘッダーを設け、噴霧ノズルへの水供給管を接続する構造で、かつ、噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した体系で、設置ノズルから微細水滴を噴霧した場合の状況を示した断面模式図である。
【図１４】本発明の実施例である図１２及び図１３の構成で用いるオリフィスエッジの形状図である。
【図１５】本発明である図１２に示す構成で試験した結果で、（ａ）図は噴霧ノズル下流での各部温度を示すグラフ図であり、（ｂ）図は温度計測位置を示す図である。
【図１６】本発明の実施例である図１２に示す管加湿器７００Ｂ構造と図８に示す管内に構造物を設けない管加湿器７００Ａ構造での試験結果の比較を示すグラフ図である。
【図１７】本発明の実施例による再生器噴霧加湿システムを有する再生熱交換器部分の要部断面表示による斜視図である。
【図１８】本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムにおける噴霧系統制御による全体加湿割合を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００９２】
１…空気室、２…圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…発電機、６…発電端、７…再生熱交換器、８…噴霧水供給タンク、９…高圧ポンプ、１０…水処理装置、１１…バイパス弁、１２…吸気、１３…微細水滴、１４，２５，４１…フィルター、１５…流量調節弁、１６，２６，４２…流量計、１７…圧力計、１８，２７，４３…噴霧系統選択弁、１９…スプレーヘッダ、２０…スウエジーロック、２１…高温高圧吐出空気、２２…分岐点、２３…給水加熱器、２４，４０…三方弁、２８，４４…温度計、２９，４５…圧力計、３０…加湿空気、３１…計量タンク、３２，４７…レベル計、３３，４８…弁、３４…上流側ヘッダー、３５…整流板、３６…伝熱流路、３７…ガスタービン排ガス、３８…下流側ヘッダー、３９…高温加湿空気、４６…計量タンク、１００…燃料供給系、２００…吸気噴霧加湿システム、３００…管内噴霧加湿システム、４００…再生器加湿システム、５００…給水共通設備、６００…高圧１流体霧化ノズル（噴霧ノズル）、７００…管加湿部。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005164081.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2005164081.tif 000018
【図１６】
2005164081.tif 000019
【図１７】
2005164081.tif 000020
【図１８】
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