(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水噴霧器（１１６、１１７、１１８、１１９）と、外気を受け入れるための水噴霧器への入口（１０１）と、水を受け入れるための水噴霧器への入口（１０２）とを有する加湿装置（１００）を用いて、上記水噴霧器（１１６、１１７、１１８、１１９）から加湿空気をガスタービンエンジンの圧縮機（１０４）に供給するための方法であって、
（ａ）上記水噴霧器の上流の外気の乾球温度（１２８）を測定し、
（ｂ）上記水噴霧器の上流の外気の露点温度（１２７）、湿球温度又は相対湿度のいずれかを測定し、
（ｃ）上記水噴霧器に供給される水の温度（１２９）を測定し、
（ｄ）圧縮機への乾燥空気の流量を測定し、
（ｅ）上記（ａ）〜（ｄ）の測定値にしたがって圧縮機に供給される空気を所定の相対湿度に加湿するため、水流量制御装置（１２０）を用いて水噴霧器に供給される水の流量を制御する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記水噴霧器への入口（１０２）が、それぞれ異なる大きさの別個のポンプにより制御される複数の流れに分けられる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記水噴霧器の上流の外気の露点温度を測定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記水噴霧器の上流の外気の湿球温度を測定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記水噴霧器の上流の外気の相対湿度を測定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記水噴霧器（１１６、１１７、１１８、１１９）の下流で圧縮機に入る前の加湿空気中の流れ（１０３）から液体状態の水を収集する集水器（１３０）下流の流路（１０５）の水の流量を測定する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
流路（１０５）の水の流量の測定値にしたがって、水噴霧器に供給される水の流量を調節する、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン装置に関し、具体的には、上流の空気及び水の状態の測定値とタービンを通る既知の空気流量とを用いて、圧縮機に供給される空気を加湿するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンからの出力は、ガスタービン圧縮機入口の上流の空気中に細かい水滴の噴霧を吹き付けることにより増大させることができることは周知である。水は、圧縮機入口に供給される空気の温度を下げる作用を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮機入口の空気流に細かい水の噴霧を供給する装置を作り出す一般的な手法は、幾つかの同じ大きさの水ポンプを単独にまたは組み合わせて用いることである。水の流量は、個々のポンプの何れかの流量あるいは２つ又はそれ以上のポンプからの流量の総和に等しくなるように設定することができる。また、流量は制御装置及びバイパス弁により変えることが可能である。水流量制御は、通常、水噴射の下流位置における空気流の乾球温度の測定値を用いる。水噴射の下流に位置する何れの温度センサも、水滴による影響を受け、温度測定値が湿球温度の方にずれを生じる傾向があるので、この手法は信頼性がない。その上に、噴霧器への水の温度は、空気の湿球温度と同じであると仮定されており、すなわち蒸発プロセスは、空気の湿球温度で起こると仮定されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によると、噴霧器の下流の温度測定値を用いることなく、噴霧器への所望の水流量を制御するための装置が提供される。本発明では、噴霧器上流の入口空気及び入口水の温度を測定し、圧縮機入口へ供給される加湿空気の既知の流量値と、質量及び熱移動プロセスの解析とを共に用いて、噴霧器へ供給される水の流量を決定する。上述の従来技術のプロセスに固有の不正確さは、回避される。
【０００５】
具体的には、空気流に添加される水の量は、水の温度及び空気流量の既知の値と共に、測定された乾球温度と、噴霧器上流の外気の露点温度、相対湿度、または湿球温度のような湿度の測定値とを用いるこことにより決定される。この方法は、乾球温度及び露点温度から上流の外気流の絶対湿度（水蒸気の質量を乾燥空気の質量で除した値）を求めることを伴う。その方法はまた、所望の水が完全に気化した下流の状態での飽和空気の絶対湿度を求めることを伴う。上流空気の絶対湿度と下流の飽和空気の絶対湿度との間の差、あるいは何らかのユーザ設定率を加味したこの差の値を用いて、空気の単位流量当りの噴霧水の必要流量を算定する。これらの流量は、単位時間当りの質量として表わされる。結局、噴霧される水の総流量は、噴霧された既知の空気流量と、空気の単位流量当りの水の必要流量とから算定される。
【０００６】
より具体的には、操作員は、圧縮機に入る空気の相対湿度、例えば９９％相対湿度を特定する。下流空気に対して所望の状態を作り出すのに必要とされる距離及び水の流量は、熱及び質量移動プロセスの解析を伴い、それらはフィルム理論（薄層の理論）を用いてモデル化される。それらプロセスは相互依存するので、この計算は繰り返し解法を伴う。熱及び質量移動プロセスは、結果として定湿球プロセスに類似の空気流を冷却するプロセスになる。事実、熱及び質量移動プロセスは、水が空気の湿球温度で空気流に供給される場合、定湿球プロセスと同一である。しかしながら、本発明は、温度が同一であると仮定することなく、湿球温度よりも高いかまたは低い温度で水が空気に供給されることを可能にする。フィルム理論解は、水の流量、噴霧水の温度、水滴の直径分布、入口空気の湿度、入口空気の流量、入口空気の線速度及び入口空気の温度によって左右される。質量移動は、圧縮機に到達する前の水の蒸発をモデル化する。また、熱移動プロセスは断熱的であり、対応するエネルギー収支を生じる。エネルギー収支は、入口空気の流量、入口空気の湿度、入口空気の乾球温度、入口水の温度、入口水の流量、及び圧縮機に入る空気の湿度によって左右される。質量移動関係及びフィルム理論により得られるエネルギー収支を用いて、噴霧される水の流量及び完全な気化に必要とされる距離が、操作員により特定される相対湿度から求められる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態において、水は、各々が異なる大きさのポンプ系統を通して空気流に供給される。２番目に小さいポンプは、１番小さいポンプの流量の２倍で水を供給する。３番目に小さいポンプは、２番目に小さいポンプの流量の２倍で水を供給する。４番目に小さい、例えば最も大きいポンプは、流量を任意に変えられるように可変速度制御を備えている。このように、水の流量は、ポンプの最大容量とその半分の容量の間の如何なる値にも設定可能である。最大容量の半分より少ない流量は、個々のポンプを作動させることにより、最も小さいポンプの増分に設定可能である。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態において、圧縮機、空気を受け入れるための水噴霧器への入口及び水を受け入れるための水噴霧器への入口を有するガスタービンの水噴霧器の制御装置における、圧縮機に加湿空気を供給するための方法が提供され、該方法は、水噴霧器への空気入口内の空気の少なくとも１つの特性を感知することにより、圧縮機へ供給される空気を加湿するために水噴霧器へ供給される水の流量を、所定の相対湿度に決定する段階を含む。
【０００９】
本発明による別の好ましい実施形態において、圧縮機、空気を受け入れるための水噴霧器への入口及び水を受け入れるための水噴霧器への入口を有するガスタービンの水噴霧器の制御装置における、圧縮機に加湿空気を供給するための方法が提供され、該方法は、水噴霧器へ供給される空気の少なくとも１つの特性を感知する段階と、感知された特性に従って、圧縮機へ供給される空気を加湿するために水噴霧器へ供給される水の流量を、所定の相対湿度に制御する段階とを含む。
【００１０】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態において、ガスタービンの圧縮機へ加湿空気を供給するための装置が提供され、該装置は、水噴霧器、空気を受け入れるための水噴霧器への入口、水を受け入れるための水噴霧器への入口、水噴霧器への空気入口内の空気の温度及び湿度と水噴霧器への水入口内の水の温度とを測定するためのセンサ、並びに圧縮機へ加湿空気を供給するために、水噴霧器への入口内の空気及び水の感知された温度に従って、水噴霧器への流量を制御するための水流量制御装置を含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、圧縮機に入る入口空気の加湿を制御するための装置が、全体を１００で示される。加湿装置１００は、以下のプロセス入力、すなわち流路１０１による外気と流路１０２による水とを有する。プロセス出力は、圧縮機１０４の入口に流れる流路１０３を通る加湿空気と、もしあれば、加湿プロセスの後であって圧縮機１０４に入る前の蒸発していない流路１０５による過剰の水とである。また、タービン１０６及び発電機１０７が図示されている。ガスタービン１０６は、通常通り、発電機１０７を駆動し発電する。
【００１２】
流路１０２を通してプロセスに入る水は、複数の流れ、例えばそれぞれが別個のポンプにより制御される４つの流れに分けられる。従って、ポンプ１０８は流路１１２を介して水を圧送し、ポンプ１０９は流路１１３を介して水を圧送し、ポンプ１１０は流路１１４を介して水を圧送し、またポンプ１１１は流路１１５を介して水を圧送する。各ポンプは、異なる大きさであり、プロセスへの水の総流量は、それらに応じて制御され得る。例えば、ポンプ１０９はポンプ１０８の大きさの２倍の大きさに、ポンプ１１０はポンプ１０９の大きさの２倍の大きさに、またポンプ１１１はポンプ１１０の大きさの２倍の大きさにすることができる。その上に、最大のポンプ、例えばポンプ１１１は、可変速度ポンプにすることができる。ポンプ１０８、１０９及び１１０もまた、可変速度ポンプにすることができるが、本発明の好ましい実施形態では、ポンプの組合せを用いて、流路１０２内の水の総流量を制御し、従って、噴霧器すなわちノズル１１６〜１１９を通して供給される水の量、また圧縮機入口に供給される水の量を制御する。表１は、好ましい実施形態によるポンプの種々の組合せのを用いる相対的な流量単位を示す。
【００１３】
【表１】
0004160289.tif 000002
【００１４】
表１に示すように、各ポンプの組合せが独特の流量を生じるので、この装置は、水を２進法形式の計算方法を用いて総流量の１５分の１に等しい増分の流量で水を供給する。その上に、最大のポンプ、例えばポンプ１１０は、可変速度になっているので、流量を任意に変えることができる。このように、流路１０２内の水の流量は、ポンプの最大容量とその容量の半分の間の如何なる値にも設定可能である。最大容量の半分より少ない流量は、最小のポンプ、例えばポンプ１０８の増分に等しく設定可能である。
【００１５】
ポンプ１０８から、流路１１２を通る水は、噴霧器すなわち噴霧ノズル１１６に流れる。同様に、流路１１３を通る水はポンプ１０９から噴霧器すなわち噴霧ノズル１１７に流れ、流路１１４を通る水はポンプ１１０から噴霧器すなわち噴霧ノズル１１８に流れ、また流路１１５を通る水はポンプ１１１から噴霧器すなわち噴霧ノズル１１９に流れる。各噴霧ノズルは、細かい水の噴霧を生じ、流路１０１を通る外気がノズル１１６、１１７、１１８及び１１９からの水滴を同伴することを可能にする。流路１０３を通る加湿空気は、噴霧ノズルから集水器１３０を越えて流れるが、集水器１３０は流路１０５内の液体状態の水を収集する。これら水は、蒸発しなかったか蒸発した後に凝縮した水によるものである。集水器１３０は、液体状態の水が圧縮機１０４に入るのを防止する。流路１０５を通る水の流量を知ることで、流路１０３内に保持される水をより正確に計算することが可能になる。
【００１６】
流路１０３内の加湿空気の相対湿度は、流路１０２内の水の流量のみを用いて変えられる。操作員が流路１０３内の空気の所望の相対湿度を設定すると、水流量制御装置１２０は、その所望の流量を得るためにポンプ１０８、１０９、１１０及び１１１を作動させ、流路１０１内の空気に加えられる水の適当な流量を設定する。フィルム理論を用いることによりモデル化されている、熱及び質量移動プロセスが、解析される。多くの変数が用いられて、水の所望の合計流量を計算する。しかしながら、流路１０３内の加湿空気の温度測定値は全く用いられない。従って、熱及び質量移動プロセスに基づいて決定された水の流量は、従来技術のプロセスよりも正確である。
【００１７】
水流量制御装置は、加湿プロセスを制御する際に加湿空気流量及び温度の測定値を用いる。圧縮機１０４に供給される流路１０３を通る加湿空気の総流量は、外部要因、例えば発電装置の負荷、燃料空気比等により決定される。従って、水流量制御装置１２０は、流量センサ１２１のみを用いて、流路１０３を通る加湿空気流量を測定する。流量センサ１２２、１２３、１２４及び１２５により得られる測定値の合計は、流路１０２内の水の流量に等しい。流量センサ１２２、１２３、１２４及び１２５は、流路１１２、１１３、１１４及び１１５内の水の流量をそれぞれ測定する。代わりに、流路１０２内の単一の流量メータを用いることもできる。流量センサ１２６は、集水器１３０から流れる流路１０５内の水の流量を測定し、制御装置１２０に信号を与える。水流量制御装置１２０は、加湿空気が圧縮機入口に入る前に蒸発されなかったかあるいは凝縮された水の量に従って、流路１０２を通る水の流量を適切に減少させる。圧縮機１０４に到達する前に流路１０３の有効距離内で気化できる水の量は、多くの要因に左右され、それら要因には、流路１０２内の水流量、噴霧器すなわちノズル１１６、１１７、１１８及び１１９により生じる水滴の直径分布、流路１０１内の空気流量、流路１０１を介する空気速度、及び流路１０１内の空気の湿度が含まれる。水滴の直径分布は、噴霧器１１６、１１７、１１８及び１１９の汚損が全く起こらなければ、ある期間にわたって実質的に一定に保たれる。流路１０１内の空気速度は、流路１０１の横断面面積により空気の容量流量を除算することにより求めることができる。流路１０１内の空気の湿度は、流路１０１内の湿球及び乾球温度センサを用いて求められる。
【００１８】
露点センサ１２７は、流路１０１内の空気の露点温度を測定する。乾球温度計１２８は、流路１０１内の空気の乾球温度を測定する。ある大気の圧力での湿度線図を用いて、相対湿度及びエンタルピーのような他の特性のうちで、流路１０１内の空気の絶対湿度を求める。センサすなわち温度計１２９が、流路１０２内の水の温度を測定する。熱移動プロセスは、ほぼ断熱的である。従って、水の熱エネルギー及び流路１０１内の空気の熱エネルギーは、流路１１２、１１３、１１４及び１１５内の水を蒸発させるのに必要とされる熱エネルギーを供給する。流路１０１内のエネルギーは、流路１０１内の乾燥空気及び水蒸気のエンタルピーから分かるが、このエンタルピーは、湿度線図と流路１０１内の乾燥空気の流量及び絶対湿度とから求めることができる。流路１０１内の乾燥空気の流量は、流路１０３内の乾燥空気の測定された流量に等しい。気化された水の総流量は、流路１１２、１１３、１１４及び１１５内の水の流量と、流路１０５内の水の流量とを用いて求めることができる。流路１０２内の水の流量及び温度が分かるので、水の流路１０２内のエネルギーは分かる。流路１０２内の水の温度は、水のエンタルピーを決定し、また大気圧は、水の蒸発潜熱を決定する。水の気化が、流路１０１内の空気の熱エネルギーを消費するので、流路１０３内の加湿空気の温度は、流路１０１内の空気の温度よりも一般的に低い。流路１０３内の加湿空気が熱平衡状態になっている、すなわち空気中の水滴が蒸発してしまっていると仮定すると、流路１０２を通る適当な水の流量は、繰り返しプロセスを用いて求めることができる。
【００１９】
熱及び質量移動プロセスは相互依存するので、流路１０２を通る適当な水の流量は、繰り返し計算によって求められる。有効距離内で所定の相対湿度を得るために噴霧されるべき水の量は、噴霧器すなわちノズル１１６〜１１９を通る水の流量及び流路１０３内の加湿空気の温度のような質量移動パラメタに左右される。質量移動プロセスは、水の蒸気圧の結果として水の温度に左右される。流路１０３を介する空気が飽和している、すなわち１００％の相対湿度である場合には、流路１０２を通る水の流量を増加させても、空気の相対湿度を増大させることはできない。さらに、熱移動プロセスは、水の温度の結果として蒸発した水の流量に左右される。従って、熱移動プロセスは、質量移動プロセスを変えるし、またその逆もある。フィルム理論は、この２つのプロセスを結び付けるが、有効距離内で流路１０３内の所定の相対湿度を得るための流路１０２を通る適当な水の流量は、直接には得ることができない。従って、計算結果が、流路１０３を通る加湿空気の得られる相対湿度に対応する流路１０２を通る水の流量値に収束するまで、繰り返し計算が実行される。
【００２０】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施形態によるガスタービン発電装置の圧縮機入口に供給される空気を加湿するための制御装置の概略図。
【符号の説明】
１００  加湿制御装置
１０１  空気の流れ
１０２  水の流れ
１０３  加湿空気の流れ
１０４  圧縮機
１０６  ガスタービン
１０７  発電機
１０８、１０９、１１０、１１１  ポンプ
１１６、１１７、１１８、１１９  水噴霧器（噴霧ノズル）
１２０  水流量制御装置
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６  流量センサ
１２７  露点センサ
１２８  乾球温度計
１２９  温度計
１３０  集水器
【図１】
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