(57)【要約】【課題】燃焼タービン入口の氷結防止抵抗加熱システムを提供すること。【解決手段】入口エアフィルタハウス部品及び圧縮機の氷結を生じ易い燃焼タービン用の抵抗加熱システムは、実質的に平坦なアレイで配列され、タービンの入口エアフィルタハウス上に又は隣接して位置付けるように適合された複数の加熱パネル（バンドル）を含む。各加熱パネルは、１以上の電気抵抗加熱エレメントと、複数のヒータバンドルの各々の前記抵抗加熱エレメントを選択的に作動させるコントローラとを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口エアフィルタハウス部品及び圧縮機の氷結を生じ易い燃焼タービン用の抵抗加熱システムであって、
実質的に平坦なアレイで配列され、前記タービン入口エアフィルタハウス上に又は隣接して位置付けるように適合された複数のヒータバンドルを含み、
各ヒータバンドルが、１以上の電気抵抗加熱エレメントと、前記複数のヒータバンドルの各々の前記抵抗加熱エレメントを選択的に作動させるコントローラとを備える、抵抗加熱システム。
【請求項２】
前記電気抵抗加熱エレメントが電気熱トレーシングケーブルを含む、請求項１記載の抵抗加熱システム。
【請求項３】
前記タービン入口エアフィルタハウス部品が、バードスクリーン、湿分分離器、コアレッサフィルタ、及び空気濾過モジュールを含み、前記複数のヒータバンドルが、前記タービンへの入口エアフィルタハウスの上流側に配置される、請求項１記載の抵抗加熱システム。
【請求項４】
前記ヒータバンドルが、複数のセクションに細分化され、各セクションが、その上に支持される少なくとも１つの電気抵抗加熱エレメントを有し、前記コントローラが、前記電気抵抗加熱エレメントの何れか又は全てを選択的に作動させるように構成されている、請求項１記載の抵抗加熱システム。
【請求項５】
前記複数のセクションの各々に配置された温度センサを含む、請求項４記載の抵抗加熱システム。
【請求項６】
前記入口に近接して配置されたＩＢＨシステムと組み合わせた、請求項１記載の抵抗加熱システム。
【請求項７】
氷結防止加熱システムを組み込んだタービン入口フィルタハウスであって、
空気入口及び空気出口を有する入り口フィルタハウスと、
バードスクリーン及び／又は湿分分離器と、
前記バードスクリーン及び／又は湿分分離器の下流側にあるエアフィルタと
を備え、前記バードスクリーン及び／又は湿分分離器及び前記エアフィルタの１つが、その表面上に、前記バードスクリーン及び／又は湿分分離器及び前記エアフィルタの１つの表面温度を上昇させるような形状及び構成にされた少なくとも１つの電気抵抗加熱エレメントを備えている、タービン入口フィルタハウス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電気抵抗加熱エレメントが、電気抵抗熱トレーシングケーブルを含む、請求項７記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項９】
前記バードスクリーン及び／又は湿分分離器及び前記エアフィルタの１つが、少なくとも２つのゾーンに分割され、各ゾーンが前記電気抵抗加熱エレメントの１以上を備える、請求項７記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのゾーンの各々の表面温度が個別に制御される、請求項８記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１１】
前記少なくとも２つのゾーンの表面温度を監視するために前記バードスクリーン及び／又は湿分分離器及び前記エアフィルタの１つの上に複数の温度センサを更に備える、請求項１０記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１２】
前記入口に近接して配置されたＩＢＨシステムと組み合わせた、請求項１１記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１３】
前記複数の温度センサが、前記少なくとも２つのゾーンの各々の電気抵抗エレメントを選択的に作動させるよう適合された温度調節制御システムに温度信号を提供する、請求項１１記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１４】
氷結防止システムを組み込んだタービン入口フィルタハウスであって、
入口と出口を有し、前記入口又はその近傍に少なくとも１つのフィルタを支持する入口フィルタハウスと、
前記入口フィルタハウスの上流側に位置するヒータバンドル上に支持された細長の電気抵抗加熱エレメントと、
前記ヒータバンドル上に支持された少なくとも１つのセンサと、
前記少なくとも１つの温度センサによって求められた前記ヒータバンドルの表面温度に応じて前記電気抵抗加熱エレメントを作動させる制御システムと
を備える、タービン入口フィルタハウス。
【請求項１５】
前記ヒータバンドルが複数のセクションに細分化され、各セクションが、その上に支持される少なくとも１つの電気抵抗加熱エレメントを有し、前記制御システムが、前記電気抵抗加熱エレメントの何れか又は全てを選択的に作動させるように構成されている、請求項１４記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの温度センサが、熱電対又は熱抵抗デバイス（ＲＴＤ）を含む、請求項１４記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１７】
前記ヒータバンドルが、実質的に平坦なアレイで複数のバンドルを含む、請求項１４記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１８】
前記複数のバンドルの各々が、１以上の抵抗加熱エレメントを備える、請求項１７記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項１９】
前記複数のバンドル上の抵抗加熱エレメントが、個別に制御される、請求項１５記載のタービン入口フィルタハウス。
【請求項２０】
前記入口に近接して配置されたＩＢＨシステムと組み合わせた、請求項１９記載のタービン入口フィルタハウス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、燃焼タービンプラントに関し、より詳細には、燃焼タービン入口フィルタハウス用の氷結防止加熱システム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンは通常、流入空気を加圧する圧縮機と、燃料と加圧空気を混合し、燃料／空気混合気を点火して高温ガス流を形成する燃焼器と、高温ガス流により駆動されるタービンセクションとを含む。
【０００３】
燃焼タービンは、様々な気候条件の下で発電機又はポンプ及び圧縮機を作動させる機械的駆動装置として世界的に利用されている。低周囲温度及び高湿度条件での作動により、タービン入口フィルタハウス部品上に着氷を生じることが多い。一般的に、空気濾過エレメント（バードスクリーン、湿分分離器、コアレッサフィルタ、及び濾過モジュール）上のこの着氷は、空気流を遮り、フィルタハウスにわたる入口空気圧力低下を増大させ、従って、燃焼タービン性能損失又はシャットダウンを引き起こすのに十分に過酷なものである。凍結付近又は未満の温度（水気のある雪、氷雨、その他）で液体又は固体として水が吸い込まれたときの降雨性氷結形態は、ほとんどの露出面に付着し、着氷を引き起こす。また、氷結形成は、飽和冷却空気がより低温のフィルタハウス表面と接触したときに生じる。入口着氷を管理する一般的な手法は、ウェザーフードに設置された湿分分離器及びコアレッサフィルタを除去し、蒸気又は高温水／グリコール混合気の何れかにより供給される高温空気又は過熱コイルを用いてエアフィルタモジュールの上流側の周囲空気を加熱することである。
【０００４】
一部の利用可能な方法は、氷結防止用に熱を提供するため既存のタービンの吸入抽気加熱（ＩＢＨ）システムを使用する。環境条件及びフィルタハウス設計パラメータに基づくと、これは不十分であることが多い。このような場合、独立した氷結防止システムがフィルタハウスに後付けされる場合がある。コイル式システムでは、加熱コイルが入口フィルタの前方に設計されて配置され、エアフィルタ、内部フィルタハウス壁、並びに入口ガイドベーン及び圧縮機第一段ブレードなどの下流側ガスタービン部品上への氷形成を促進させる周囲条件の間の加熱を提供する。コイル式システムでは、コイルに対して高温の水／グリコール混合気又は低圧（ＬＰ）蒸気の形態で加熱が供給される。
【０００５】
これらの一般的に利用される解決策は、資本コストが高く、例えば、加熱コイルによって加えられる追加の空気流制限（圧力低下）に起因して運転経過年にわたって生産効率に悪影響を及ぼす。
【０００６】
従って、特に低温の湿潤環境で作動しているときの燃焼タービンプラントのフィルタハウスにおけるバードスクリーン及び／又は湿分分離器及びエアフィルタ上への着氷を防ぐための比較的簡単であるが効果的で低コストのシステムに対する必要性が依然としてある。
【発明の概要】
【０００７】
ある例示的で非限定的な実施形態では、本発明は、入口エアフィルタハウス部品及び圧縮機の氷結を生じ易い燃焼タービン用の抵抗加熱システムに関し、本システムは、実質的に平坦なアレイで配列され、タービン入口エアフィルタハウス上に又は隣接して位置付けるように適合された複数のヒータバンドルを含み、各ヒータバンドルが、１以上の電気抵抗加熱エレメントと、複数のヒータバンドルの各々上で抵抗加熱エレメントを選択的に作動させるコントローラとを備える。
【０００８】
別の例示的で非限定的な実施形態では、本発明は、空気入口及び空気出口を有する入り口フィルタハウスと、バードスクリーン及び／又は湿分分離器と、バードスクリーン及び／又は湿分分離器の下流側にあるエアフィルタとを備え、バードスクリーン及び／又は湿分分離器及びエアフィルタの１つが、その表面上にバードスクリーン及び／又は湿分分離器及びエアフィルタの１つの表面温度を上昇させるような形状及び構成にされた少なくとも１つの電気抵抗加熱エレメントを備えている、氷結防止加熱システムを組み込んだタービン入口フィルタハウスに関する。
【０００９】
更に別の例示的で非限定的な態様において、本発明は、入口と出口を有し、入口又はその近傍に少なくとも１つのフィルタを支持する入口フィルタハウスと、入口フィルタハウスの上流側に位置するヒータバンドル上に支持された細長の電気抵抗加熱エレメントと、ヒータバンドル上に支持された少なくとも１つのセンサと、少なくとも１つの温度センサによって求められたヒータバンドルの表面温度に応じて電気抵抗加熱エレメントを作動させる制御システムとを備える、氷結防止システムを組み込んだタービン入口フィルタハウスを提供する。
【００１０】
しかしながら、本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃焼タービン入口フィルタハウスの部分概略図。
【図２】本発明による、入口フィルタ又はバードスクリーン及び／又は湿分分離器に適用される例示的で非限定的な氷結防止抵抗加熱システムの概略図。
【図３】第２の例示的で非限定的な実施形態による、氷結防止抵抗加熱システムを組み込んだ燃焼タービン入口フィルタハウスの部分概略図。
【図４】従来の吸入抽気加熱（ＩＢＨ）システムと組み合わせた、例示的で非限定的な実施形態による抵抗加熱システムを示す簡易概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、空気入口１２、フィルタセクション１４、及び圧縮機（図示せず）につながる出口セクション１６を含む、典型的な高温燃焼タービンを簡易概略形式で示している。フィルタセクションは、以下で更に説明される垂直方向に向けられたスタックしたエアフィルタの１以上のアレイ（モジュール）を含むことができる。入口セクション１２は、垂直方向に配列されたウェザーフード２２を含むことができ、各々が、複数の水平方向に向けられたバードスクリーン及び／又は湿分分離器２４（本明細書では簡単に「スクリーン」と呼ばれることもある）を備え、これらはまた、以下で詳細に説明される。バードスクリーン及び／又は湿分分離器２４及び／又はエアフィルタ１８、２０により、濾過された空気だけがタービンの内部部品に到達するようにする。バードスクリーン及び／又は湿分分離器２４は、大気に露出され、特にタービンが低温及び高湿周囲条件で作動しているときに着氷に対して脆弱である。
【００１３】
図２は、図１に示すフィルタハウスと共に使用する抵抗加熱システムの例示的で非限定的な実施形態を示す。より具体的には、他の従来の単一のバードスクリーン及び／又は湿分分離器を基準として、抵抗加熱システムは、サブセクション又はゾーン２６、２８によって例示された複数の独立した加熱サブセクション又はゾーンを含めるように構成され、各バードスクリーン及び／又は湿分分離器又はエアフィルタに対し７以上のサブセクション又は加熱ゾーンの垂直方向に整列した２つの列が存在できることが分かる。他の構成も本発明の範囲内にあるが、異なる入口ハウス構成、寸法、その他はスクリーン及び／又はフィルタレイアウトの変形形態を必要とすることは理解されるであろう。各サブセクション又はゾーンは、スクリーン２４上に所定のパターンで配置された１以上の電気抵抗エレメント（熱トレーシングケーブル３０、３２）をそれぞれ含むことができる。同様の抵抗加熱エレメントは、フィルタハウスへの入口においてバードスクリーン及び／又は湿分分離器２４の各々上の指定加熱ゾーンに設けることができる点は理解されるであろう。また、ケーブルは、スクリーン濾過媒体（例えば、ワイヤロッド又はワイヤメッシュ、その他）に直接付加される点は理解されるであろう。
【００１４】
各加熱ゾーン内の抵抗熱トレーシングケーブル３０、３２（又は、他の好適な抵抗加熱エレメント）は、冗長電源３４によって電力供給され、表面温度調節システムによって自動的に制御することができる。例示的で非限定的な実施例において、熱電対３５を用いて、指定スクリーンセクション又はゾーン２６、２８内の表面温度センサ（又は他の熱抵抗デバイス（ＲＴＤ））を監視することができる。温度調節制御システム３６は、複数の位置（すなわち、種々の加熱ゾーン２６、２８、その他）での入口空気スクリーン表面温度を連続的に監視し、必要に応じて割り当てられたゾーンの抵抗熱トレーシングケーブル３０、３２に通電する。制御システム３６は、プラント管理センターからの制御能力を提供するよう発電プラント制御システム（図示せず）と連動する。代替として、別個に制御される熱トレーシングケーブル装置を個々のゾーン内に設置することができる。従って、抵抗加熱システムは、表面温度を自動又は手動で上昇又は降下させ、様々な形で指定されたゾーン又はこれらのゾーンの細分化された区域において周囲偏位を補正する能力によって温度調整制御される。
【００１５】
入口エアフィルタ１８及び／又は２０に関して同様の抵抗加熱装置を利用することができ、理解しやすくするために、図２のバードスクリーン及び／又は湿分分離器２４もまた、本明細書で説明される発明を理解する目的で入口フィルタ１８又は２０とみなすことができる点は理解されるであろう。加えて、バードスクリーン及び／又は湿分分離器が実際には粗いフィルタである点で、本明細書で使用される用語「フィルタ」は、フィルタ媒体に付加される抵抗加熱エレメントを備えた、タービン入口フィルタハウスで使用されるエアフィルタ及びバードスクリーン及び／又は湿分分離器の両方を広義に包含する。
【００１６】
例示的な実施形態では、抵抗加熱システムは、例えば、２０〜２２°Ｆから３２°Ｆ超まで入口ハウスでの周囲空気温度を上昇させることができるが、抵抗システムを作動及び非作動にする閾値温度も変化することができる。
【００１７】
図３は、第２の例示的で非限定的な実施形態を示す。ここでは、抵抗加熱システム３８は、フィルタハウス４２に対して入口４０の正面又は上流側にある別個の鋼構造体内に配置される。構造体は、要員及び運転上の両方の安全性のためフィルタハウスから電気的に絶縁されるのが好ましい。図示の特定の実施形態では、ヒータパネル４８の２つの水平な列４４、４６が上下に配置され、各列は同様に７つのヒータバンドルから構成される。列の数及び各列におけるヒータバンドルの数は、上述のように必要に応じて変わることができる点は理解されるであろう。
【００１８】
各ヒータバンドル４８は、ヒータバンドルの後方又は下流側のバードスクリーン及び／又は湿分分離器及びエアフィルタ上の着氷を実質的に排除又は阻止するのに十分な加熱を確保するため、同様にパネル上に所定パターンで配置された１以上の電気抵抗ヒータエレメント５０を含む。或いは、各バンドル４８は、複数の（例えば、９つの）独立して制御されるヒータセットを含むことができ、各々が（例えば、３つの）ヒータエレメント５０から構成される。各ヒータバンドルに対する電力は、電気パネル５６から供給される。例示的な実施形態では、各パネル５６は、高さ４８インチ×幅３６インチ×奥行き１０インチとすることができる。パネルは、−２０〜１２２°Ｆの作動及び保存温度範囲を保証するよう、ＵＬ又はＣＥ規格に適合し「環境制御」する必要がある。
【００１９】
各ヒータバンドルは、独立制御閉ループ温度コントローラを組み込み、燃焼タービン負荷及びフィルタハウスの物理的配置（対称又は非対称的）並びに空気速度プロフィールとは関係なく、圧縮機ベルマウスでの空気温度勾配を所要限度（例えば、±５°Ｆ）内に維持する。
【００２０】
各ヒータバンドルは、温度センサ（例えば、熱電対、１つが参照符号５２で示される）に同梱されており、それぞれのヒータバンドルの下流側の空気温度を測定する。図３に示すように、１４個のバンドルが、高架の入口フィルタハウスよりも下にある地上レベルに位置するパネル５６を制御するため、導管５４（１４×９の電気回路を内包）を介して電気的に接続される。各ヒータバンドルの例示的な電気定格要件は、２７５ｋＷ、４００Ｖ／３相である。制御パネル５６は、それぞれのヒータバンドル４８及びそのそれぞれの複数の加熱エレメントを制御する個別の温度制御モジュールを含む。制御パネルの厳密な位置は、特定の用途に応じて変わることができる。使用時には、温度センサ５２からの信号は、制御パネル５６に搭載された温度コントローラに送られる。コントローラは、予め指定されたシーケンスで電力をオンオフし、又は各ヒータエレメントセット５０への電源供給電圧を調整して、ヒータバンドルの下流側の出口空気温度を所望の設定点に維持し、空気の絶対湿度が各温度における予め指定された閾値未満であるのを確保するようにする。４〜２０ｍＡの出力信号がコントローラから利用可能であり、これを用いて、全容量率を単位として各ヒータバンドルの加熱速度を表示することができる。
【００２１】
各加熱エレメント５０はまた、空気流の存在しない状態における加熱エレメントの過熱を防ぐため、温度超過検出及び制御機構に同梱される。
【００２２】
上述の機能／実施は、最初に説明された図１及び２に示す実施形態にも適用される。また、バードスクリーン及び／又は湿分分離器の上流側に位置するヒータバンドル４８はまた、エアフィルタの上流側（且つバードスクリーン及び／又は湿分分離器の下流側）のフィルタハウス内に位置付けてもよい点は理解されるであろう。このようなシステムは、図４として図示され、ここでは本明細書で説明される抵抗加熱システム５８（図２のシステム又は図３のシステム）がフィルタハウス６２の入口部分６４に隣接して又はその内部に配置される。フィルタハウスの入口部分内には、タービンからの主配管ヘッダが高温の圧縮機空気を配管マニホルドに供給する従来のＩＢＨシステム６６がある。マニホルドは、入口内（又は隣接した）に位置する配管アレイに加熱空気を送り、これにより入口空気を加熱する。この場合、抵抗加熱システムコントローラ６０は、ＩＢＨシステムコントローラ６８と通信してシステムを統合し、要求又は必要に応じて入口加熱機能を分担するようにする。
【００２３】
他の応用もまた実施可能である。例えば、本明細書で説明される抵抗加熱システムは、備えられている場合には、抽気熱噴射システムのゾーン制御に利用することができる。
【００２４】
商業上の更なる利点には、既存のプラント制御システムに統合するのに必要な追加のシーケンスに対応するためにプロセスコントローラを付加する必要もなく、システムを設計し操作することができる点で簡単であること、並びに低コストであることが挙げられ、例えば、典型的な入口加熱コイルシステムの設置及び維持コストは、本明細書で説明される例示の抵抗加熱システムに必要とされるよりも遙かに超える、数百万ドルに及ぶ場合がある。加えて、現在使用されているコイルシステムは、フード及びバードスクリーン及び／又は湿分分離器の除去など、フィルタハウスの構造上の修正を必要とする場合が多い。本明細書で説明される抵抗加熱システムは、設置及び操作に必要な停止時間がより短くなる。加えて、本明細書に記載の本発明は、圧力低下が大きく及びターボ性能に悪影響を及ぼすコイルの性能低下の欠点を含まない。最後に、入口加熱コイルシステムの設置のサイクル時間は通常、約４５週間であるのに対し、本明細書で説明される抵抗加熱システムの場合は、設計から動作までの期間をわずか１０週間に短縮することができる。
【００２５】
更に、本明細書で説明される電気加熱システムは、低温気候での使用に限定されない点は理解されるであろう。また、エアフィルタに対する凝結作用につながる可能性がある温暖気候での曇りの除去装置として用いることもできる。
【００２６】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２７】
１０  フィルタハウス
１２  空気入口
１４  フィルタセクション
１６  出口ダクトセクション
１８，  ２０  空気フィルタ又は入口フィルタ
２２  ウェザーフード
２４  湿分分離器又は（バード）スクリーン
２６，２８  サブセクション又はゾーン
３０，３２  熱トレーシングケーブル
３４  電源
３６  温度調節制御システム
３８  抵抗加熱システム
４０  入口
４２  フィルタハウス
４４，４６  ヒータバンドルの水平列
４８  ヒータバンドル
５０  ヒータエレメント
５２  熱電対
５４  導管
５６  電気パネル又は制御パネル
５８  抵抗加熱システム
６０  加熱システムコントローラ
６２  フィルタハウス
６４  入口部分
６６  ＩＢＨシステム
６８  ＩＢＨシステムコントローラ
【図１】
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【図２】
2013155730.tif 000004
【図３】
2013155730.tif 000005
【図４】
2013155730.tif 000006
【外国語明細書】
2013155730000001.pdf