(57)【要約】【課題】比較的安価な水を用い、設備を大型化することなく、しかも圧縮機のエロージョンを防止できる吸気冷却装置を提供すること。【解決手段】外気から導入した空気を冷却して圧縮機に供給するための吸気冷却装置において、空気を圧縮機に供給する吸気流路に無孔質透湿性材料により形成される加湿装置３０を設けた。【選択図】図１
2009127605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気から導入した空気を冷却して圧縮機に供給するための吸気冷却装置において、
前記空気を圧縮機に供給する吸気流路に無孔質透湿性材料により形成される加湿装置を設けたことを特徴とする吸気冷却装置。
【請求項２】
前記加湿装置が、無孔質透湿性材料を成形してなる扁平チューブの集合体とされ、前記扁平チューブは、各々が下端部をヘッダに拘束された上端フリーの状態で支持板の孔を貫通して支持されていることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
【請求項３】
前記支持板が上下方向に間隔を設けて複数用いられ、各支持板の孔を上下方向で位置ずれさせたことを特徴とする請求項２に記載の吸気冷却装置。
【請求項４】
前記加湿装置が、網状部材の開口に挿入されて両面交互に通る無孔質透湿性材料を成形してなるチューブの集合体とされ、前記チューブは、各々が下端部をヘッダに拘束された上端フリーの状態で前記開口を通って支持されていることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
【請求項５】
前記加湿装置は、前記扁平チューブまたは前記チューブを複数並べた加湿モジュールを形成するとともに、該加湿モジュールを複数並べて構成されるモジュール集合体毎に独立した給排水系統を備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の吸気冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンプラントや複合サイクルプラント等に適用される吸気冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
夏場のように外気温度が高い運転環境では、ガスタービンに吸気する外気の空気密度が低下する。しかし、圧縮機により圧縮される空気の容積は常に等しいので、高外気温時に吸気した空気の質量は空気密度の低下分だけ減少することとなる。従って、高外気温時にはガスタービンに供給される空気の質量が減少し、結果的にガスタービンの動力を低下させることになるので、外気から吸気する空気温度を下げることが求められる。
【０００３】
従来、上述した高外気温時の吸気温度問題に対し、下記のような方式により吸気冷却が行われている。
１）吸気した空気温度を冷却する蒸発器に蒸発温度の低い冷媒を供給するための冷凍機を設ける方式（冷凍機方式）
２）液化天然ガスを用いて吸気の冷却を行う燃料ガス気化方式
３）液体空気の気化熱を利用する方式（液体空気方式）
４）揮発性液体の気化熱を利用する方式（揮発性液体方式）
５）吸気供給路に水等の液滴噴霧装置を設けておき、噴霧された液滴の気化熱を利用する方式（液滴噴霧方式）
【０００４】
また、ガスタービンの吸気冷却装置については、装置を大型化することなく吸気温度を低下してタービン出力を向上させるため、圧縮機に吸引される空気中に水分を気化供給する加湿器を吸気路に設け、さらに、加湿器を経た空気中に水滴を供給するノズルを設けることで、タービンに供給される空気の温度を低下して吸気質量を増加することが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２０００−３３７１６９号公報（段落番号〔００１４〕参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した吸気冷却の従来方式には、それぞれ下記のような問題点が指摘されている。
冷凍機方式の場合、蒸発器に与える冷媒の蒸発温度を低下させる冷凍機や発生するミストを除去するための気液分離装置が必要となり、設備が大きくなるという問題がある。
また、燃料ガス気化方式の場合、液化天然ガスを用いて冷却を行うものであるから、近くに液化天然ガスを利用する施設があることが必須条件となり、プラントの設置場所が限定されるという問題がある。
【０００６】
また、液体空気方式の場合、液体空気を生成するための設備が必要となるので、設備が大きくなるという問題がある。さらに、プラント全体で考えた場合、液体空気の生成という工程が増え、結果的に効率が悪くなるという問題も指摘されている。
また、揮発性液体方式の場合、揮発性液体を貯蔵するタンク等により設備が大型化するという問題がある。さらに、常に揮発性液体を供給するためには、揮発性液体を製造するプラントを建設する必要があるので、プラントの設置場所が限定されてしまうという問題もある。
【０００７】
また、噴霧された水の気化熱を利用する液滴噴霧方式の場合、噴霧された液滴を圧縮機に導入される前に気化させることが必要であり、従って、気化を完了させるためには長い吸気供給路が必要となり、装置を大型化するという問題がある。さらに、冷却能力を増すため液滴の噴霧量を増加すると、吸入空気が過飽和となって結露による多量のドレンを発生させたり、このドレンに伴って腐食を発生するという問題が生じてくる。なお、液滴が気化されないまま圧縮機に吸入されると、圧縮機のエロージョンが発生するという問題もある。
【０００８】
このような背景から、比較的安価な水を用い、設備を大型化することなく、しかも圧縮機のエロージョンを防止した吸気冷却装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、比較的安価な水を用い、設備を大型化することなく、しかも圧縮機のエロージョンを防止できる吸気冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る吸気冷却装置は、外気から導入した空気を冷却して圧縮機に供給するための吸気冷却装置において、前記空気を圧縮機に供給する吸気流路に無孔質透湿性材料により形成される加湿装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
このような吸気冷却装置によれば、空気を圧縮機に供給する吸気流路に無孔質透湿性材料により形成される加湿装置を設けたので、水分を気化した水蒸気の状態で放出して加湿することができる。また、無孔質透湿性材料は孔のない構造であるため、不純物等が孔に詰まって加湿性能を低下させることはない。
【００１１】
上記の発明において、加湿装置は、無孔質透湿性材料を成形してなる扁平チューブの集合体とされ、前記扁平チューブは、各々が下端部をヘッダに拘束された上端フリーの状態で支持板の孔を貫通して支持されていることが好ましく、これにより、吸気流路の空気流は、扁平チューブ間に形成された隙間を通って加湿されるので、加湿時の圧力損失を抑制することができる。
【００１２】
上記の発明において、支持板が上下方向に間隔を設けて複数用いられ、各支持板の孔を上下方向で位置ずれさせることが好ましく、これにより、扁平チューブが波状になって空気流と接触する表面積を増すことができ、加湿性能が向上する。
【００１３】
上記の発明において、加湿装置は、網状部材の開口に挿入されて両面交互に通る無孔質透湿性材料を成形してなるチューブの集合体とされ、前記チューブは、各々が下端部をヘッダに拘束された上端フリーの状態で前記開口を通って支持されていることが好ましく、これにより、たとえば円形チューブを１本ずつ独立して設置可能となり、チューブ交換等のメンテナンスもチューブ毎に実施できる。
【００１４】
上記の発明において、加湿装置は、扁平チューブまたはチューブを複数並べた加湿モジュールを形成するとともに、該加湿モジュールを複数並べて構成されるモジュール集合体毎に独立した給排水系統を備えていることが好ましく、これにより、モジュール集合体単位で組立、運搬、設置、取り外し等を実施できる。
【発明の効果】
【００１５】
上述した本発明によれば、比較的安価な水を用い、設備を大型化することなく、しかも圧縮機のエロージョンを防止した吸気冷却装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る吸気冷却装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示すガスタービンプラント１は、吸気流路１０から導入した外気（吸気）を圧縮機２で圧縮して燃焼器３に供給する。燃焼器３は、圧縮機２から供給される圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスはガスタービン４へ供給され、タービンを回転させるエネルギーとして使用される。なお、このガスタービンプラント１では、ガスタービン４の出力が発電機５の駆動源として用いられて発電が行われる。
【００１７】
吸気流路１０は、入口に吸気フィルタ１１を備えた吸気フィルタ室１２と、吸気フィルタ室１２と圧縮機２の吸入側との間を接続する吸気ダクト１３とにより構成されている。吸気フィルタ１１は、外気から導入する吸気に含まれている粉塵を除去するための装置である。
そして、吸気流路１０内には、外気から導入した空気（吸気）を冷却して圧縮機２に供給するため、吸気冷却装置２０が設けられている。図示のガスタービンプラント１では、吸気冷却装置２０が吸気フィルタ１１の下流に設置され、吸気中の塵芥が除去された吸気の冷却を行うようになっている。
【００１８】
吸気冷却装置２０は、吸気流路１０内に設置された無孔質透湿性材料よりなる気化式の加湿装置３０を備えている。すなわち、本実施形態の吸気冷却装置２０における吸気冷却は、加湿装置３０により行われる。この加湿装置３０は、たとえば図１（ａ）に示すように、無孔質透湿性材料を成形してなる扁平チューブ３１が、上下方向に立てた状態で多数配設されている集合体である。
この扁平チューブ３１は、たとえば図１（ｂ）に示すように、複数（図示の例では１５本）の流路３１ａが並んで形成された押し出し成形部材である。扁平チューブ３１の外側を吸気が流れ、内部に形成された流路３１ａには水が満たされるようになっている。扁平チューブ３１の表面からは、流路３１ａ内の水が気化した水蒸気の状態で放出され、吸気を加湿冷却する。
【００１９】
無孔質透湿性材料は、たとえば、イソシアネート成分と、鎖延長剤ジオール成分と、ポリオール成分とが少なくとも原料として用いられ、これら原料を反応させて得られる透湿性ポリウレタン樹脂である。この透湿性ポリウレタン樹脂は、水を含むことにより膨潤して寸法が大きくなる。また、無孔質透湿性材料として、フッ素系樹脂やシリコーン系樹脂やポリアミノ酸などを使用しても良い。これら無孔質透湿性材料も、水を含むことにより膨潤して寸法が大きくなる。そこで、扁平チューブ３１の集合体である加湿装置３０は、扁平チューブ３１の下端部がヘッダ３２に固定されるとともに、途中を支持板３３に支持されて上端フリーの状態となっている。
【００２０】
すなわち、扁平チューブ３１は、下端部がヘッダ３２の挿入口（不図示）に挿入されて接着等により固定され、さらに、中間部分が上下方向に所定のピッチで設けられた支持板３３の貫通孔を通り抜けることで支持されているが、周囲を遮風カバー３４に囲まれた上端部については、膨潤による長さ方向の伸び（約２０％）を逃がすため、支持のないフリー状態とされる。従って、下端部を固定された扁平チューブ３１は、上下方向に複数配設した支持板３３に保持されているので、上端フリーの状態でも膨潤により倒れることはない。
扁平チューブ３１は、図１に示すように、扁平の長手方向と吸気の流れ方向とが略一致するように配列されている。また、扁平チューブ３１は、チューブ幅Ｗを狭くして多列に配列することが望ましい。これは、扁平チューブ３１の下端部がヘッダ３１に固定されているので、膨潤によりチューブ幅方向に皺ができることを抑制するためである。
【００２１】
上述した加湿装置３０は、別置きの給水タンク３５より給水配管３６を介してヘッダ３２に水の供給を受ける。給水タンク３５の水位Ｈは、たとえば図５に示すように、給水配管２１に設けた給水ポンプ２２により貯水タンク２３から給水を受けることで、常に一定水位に保たれている。この場合の水位Ｈは、扁平チューブ３１が吸気の流れと接する範囲をカバーすればよく、従って、遮風カバー３４の下端部よりもやや高い位置に設定されている。この結果、扁平チューブ３１は、水位Ｈと略同じ高さまで給水されて膨潤することとなる。
また、貯水タンク２３は、図示しない外部の給水源と給水配管２４を介して接続され、
必要に応じて開閉制御弁２５を開いて水の補給を受けることができるようになっている。なお、吸気冷却装置２０として機能する加湿装置３０との間についても、必要に応じて開閉制御弁２６を備えた排水配管２７で接続し、ドレン水等を貯水タンク２３へ戻すようにしてもよい。
【００２２】
このように構成された加湿装置３０は、無孔質透湿性材料の扁平チューブ３１に給水して吸気を加湿するので、次のような利点を有している。
第１の利点は、無孔質透過性材料である扁平チューブ３１の表面からは、流路３１ａ内の水が気化した水蒸気の状態で放出され、水滴の飛散がないことである。すなわち、加湿材の上部から給水して水分を浸透させ、これに空気を通過させる滴下浸透式のような加湿方式では、水と空気とが直接接触する。このため、空気の流速が早い場合、加湿材表面の水が、気流に乗って水滴となって飛散する。しかし、無孔質透湿性材料を用いた扁平チューブ３１は水蒸気の状態で放出されるので、このような水滴飛散の問題は生じない。    
【００２３】
第２の利点は、無孔質透過性材料を使用した扁平チューブ３１は、長期間使用しても加湿性能が低下することはない。すなわち、多孔質透湿性材料の場合、長期間使用すると、水分を通す多数の孔に水に含まれる不純物が詰まり、加湿性能が低下するという問題を有している。しかし、孔のない無孔質透過性材料は、もともと孔がないものであるから、詰まりによる加湿性能低下の問題は生じない。
【００２４】
また、扁平チューブ３１の集合体である加湿装置３０は、吸気を水平に流すのに適した構造であるから、吸気流路１０内において吸気フィルタ１１の直後に設置することが可能である。すなわち、加湿装置３０は、扁平チューブ３１を上下方向に立てた状態にして多数配設した集合体であり、しかも、扁平チューブ３１は、扁平の長手方向と吸気の流れ方向とが略一致するように配列されているので、隣接する扁平チューブ３１の間には、圧力損失の小さい水平方向の吸気流路が形成されている。
【００２５】
このように、上述した加湿装置３０を採用した吸気冷却装置２０は、加湿された水分が気化した状態で吸気中に付与されるため、加湿装置３０と圧縮機２との間を連結する吸気流路１０を短くすることができる。すなわち、水噴霧式のように、水滴を気化させるために必要となる距離が不要となり、吸気流路１０を構成する吸気ダクト１３の長さを短くすることが可能である。
また、空気の温度、湿度及び風量によって加湿量が自己調整されるので、吸入空気は必ず飽和以下となる。従って、過飽和となって加湿装置３０から圧縮機２の入口に至る吸気流路１３内で結露しないため、気液分離装置を用いることなく、圧縮機２のエロージョンを防止することができる。
さらに、余分なセンサ等による制御機構も不要となり、信頼性やコスト面でも有利になる。なお、水噴霧式を採用する場合には、温度や湿度を監視して噴霧量を調整する必要がある。
【００２６】
また、水噴霧式の場合、多湿環境の地域に設置すると噴霧直後のドレン化が著しく使用困難であり、主として乾燥地域に限定されている。しかし、上述した加湿装置３０は、いかなる環境下にも適用可能であり、これまで吸気冷却装置２０を導入できなかった地域への提供も可能になる。
また、上述した加湿装置３０は、気化する水分は全て空気に付加されるため、必要最小限の給水使用量でよい。
また、ミストを吹き込むことがないため、加湿装置３０自身に圧力変動がなく、安定した運転が可能となる。
【００２７】
さて、上述した加湿装置３０は、たとえば図２から図４に示すように、扁平チューブ３１を複数並べた加湿モジュールＭを形成し、この加湿モジュールＭを複数並べて構成されるモジュール集合体４０毎に独立した給排水系統を備えている。
加湿モジュールＭは、たとえば図１に示した加湿装置３０から給水タンク３５を取り除いた構成とされる。そして、モジュール集合体４０は、加湿ジュールＭを前後左右に複数並べて配列するとともに、各加湿モジュールＭとの間を給水配管４１で連結された共通の給水タンク４２を備えている。図２に示すモジュール集合体４０は、加湿モジュールＭが上下２段に重ねられているので、同一水位を維持する加湿モジュールＭ毎に共通の給水タンク４２を備えている。すなわち、上段及び下段の加湿モジュールＭ毎に、各々専用の給水タンク４２が設けられている。
【００２８】
また、モジュール集合体４０は、下部に共通の水受け４３を備え、チューブ破損時等の漏水を受けて排水管より排出できるようになっている。なお、たとえば外気温が低い冬場のように、吸気の加湿冷却が不要となった場合には、排水弁４４を開いて給水タンク４２内および扁平チューブ内の水を排水して空にすればよい。
また、上述したモジュール集合体４０は、たとえば図３に示すように、吸気フィルタ１１と略同じ大きさに設定することが望ましい。すなわち、吸気フィルタ１１と同様に、メンテナンススペース内を容易に移動でき、しかも、人力で搬送可能な重量とすることが望ましい。換言すれば、モジュール集合体４０を一単位として、組立、運搬、設置、取り外し等を実施できることが望ましく、さらに、モジュール集合体４０は、吸気フィルタ１１と略同じ大きさにすることが好ましい。  
【００２９】
すなわち、たとえば図４に示すように、複数の吸気フィルタユニット１１ａにより構成される吸気フィルタ１１と同様に、吸気フィルタ１１の吸気下流側に設置される加湿装置３０Ａも複数のモジュール集合体４０を組み合わせて構成され、吸気フィルタユニット１１ａとモジュール集合体４０とが略同じ大きさになっている。
このような構成の加湿装置３０Ａは、モジュール集合体４０毎の組立て、運搬、設置及び取り外しが可能になるので、設置やメンテナンスの作業が容易になる。また、モジュール集合体４０のひとつに水漏れ等のトラブルが生じても、加湿装置３０Ａの全体を停止する必要はなく、従って、吸気冷却の機能を維持することができる。なお、トラブルが生じたモジュール集合体４０を検知すれば、メンテナンス時等に不良モジュールのみ交換すればよい。
【００３０】
ところで、上述した実施形態では、支持板３３に支持された扁平チューブ３１は、直線状に真っ直ぐな状態となる。すなわち、同一位置に貫通孔を設けた支持板３３を用いて扁平チューブ３１を支持しているが、図６に示す第１変形例のように、上下方向に間隔を設けて複数用いられている支持板３３Ａにおいて、扁平チューブ３１を通す貫通孔３１ａの位置を上下方向で位置ずれさせてもよい。このような支持板３３Ａを用いることにより、扁平チューブ３１が波状になって空気流と接触する表面積を増すことができ、加湿性能が向上する。
【００３１】
また、図７に示す第２変形例では、無孔質透湿性材料のチューブ３１Ａが、エキスパンドメタル（網状部材）５０の開口５１に挿入され、両面を交互に通るチューブ３１Ａの集合体とされる。このチューブ３１Ａは、各々が下端部をヘッダ３２に拘束された上端フリーの状態で網状部材５０の開口５１を通って支持されている。この場合のチューブ３１Ａは、上述した扁平チューブ３１に代えて、たとえば円形断面を採用することができる。なお、開口５１を交互に通すピッチについては、チューブ３１Ａが折れ曲がらないよう配慮する必要がある。
【００３２】
このような第２変形例を採用すれば、チューブ３１Ａを一本ずつ独立して設置することができ、チューブ交換のメンテナンスもチューブ毎に実施可能である。
また、膨潤によるチューブ３１Ａの伸びは、交互に配置したピッチで吸収するので、すなわち、交互に配置したピッチ間に形成されるチューブ３１Ａの湾曲により吸収することができるので、チューブ３１Ａの伸びを考慮して設けられる遮風カバー３４を小さくすることができる。この結果、吸気の通過面積が増加し、吸気冷却による圧力損失を低減することができる。
【００３３】
上述した本発明の吸気冷却装置は、実施形態で説明したガスタービンプラントのみに限定されることはなく、燃料電池や蒸気ガスタービンを備えた複合サイクルプラントを含む吸気冷却装置にも適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る吸気冷却装置の一実施形態を示す図で、（ａ）は加湿装置の構成例を示す斜視図、（ｂ）は扁平チューブの断面図である。
【図２】モジュール集合体の構成例を示す斜視図である。
【図３】モジュール集合体を組み合わせた冷却装置及び吸気フィルタの分解組立図である。
【図４】吸気フィルタの概要を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る吸気冷却装置を備えたガスタービンプラントの構成例を示す図である。
【図６】第１変形例に係る扁平チューブ及び支持板を示す図である。
【図７】第２変形例に係る図で、（ａ）は網状部材にチューブを支持させた状態を示す図、（ｂ）は網状部材の正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ガスタービンプラント
２    圧縮機
３    燃焼器
４    ガスタービン
１０    吸気流路
１１    吸気フィルタ
１２    吸気フィルタ室
１３    吸気ダクト
２０    吸気冷却装置
３０，３０Ａ    加湿装置
３１    扁平チューブ
３１Ａ    チューブ
３２    ヘッダ
３３，３３Ａ    支持板
３４    遮風カバー
３５    給水タンク
４０    モジュール集合体
５０    エキスパンドメタル（網状部材）
Ｍ    加湿モジュール
【図１】
2009127605.tif 000003
【図２】
2009127605.tif 000004
【図３】
2009127605.tif 000005
【図４】
2009127605.tif 000006
【図５】
2009127605.tif 000007
【図６】
2009127605.tif 000008
【図７】
2009127605.tif 000009