JP2004132297A - 吸気冷却装置及び吸気冷却方法及びガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、揮発性液体を用いて吸気冷却を行う吸気冷却装置及び吸気冷却方法を提供することを目的とする。
【解決手段】吸気フィルタ室１に吸気された空気を冷却するために、揮発性液体を噴霧器１０によって噴霧する。このとき、噴霧器１０からの噴霧量は、空気への混入量が揮発性液体の爆発限界の下限未満となるように制御される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラント及び複合サイクルプラントにおける吸気冷却装置及び吸気冷却方法に関する。又、燃料電池や蒸気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を備えたガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラント及び複合サイクルプラントでは、ガスタービンと共に回転する圧縮機によって、外部より空気を吸気して圧縮する。このようにして吸気して得られた圧縮空気をガスタービンに供給し、燃焼器における燃焼に用いることでガスタービンを回転し、その動力を得ることができる。又、このガスタービンの動力は、圧縮機が圧縮した空気の質量に応じて決定する。そのため、夏期など外気温度が高いとき、外気の空気密度が低下するため、圧縮機により圧縮される空気の容積は常に等しいことより、吸気した空気の質量が減少する。このことから、外気温度が高いとき、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。
【０００３】
よって、従来より、外気から吸気する空気温度を下げるための様々な吸気冷却方法が提供されている。この吸気冷却方法の一つとして、冷凍機を設けるものがあるが、吸気した空気温度を冷却するための蒸発器に与える冷媒の蒸発温度を低いものとするための設備が必要であり、その設備が大きくなってしまう。又、液化天然ガスを用いて冷却を行う燃料ガス気化方式を用いるものがあるが、液化天然ガスを利用する施設の近くにプラントを建設する必要があり、プラントの設置場所が限定される。更に、液体空気の気化熱を利用して冷却を行う方法があるが、液体空気を生成するための設備が必要となり、その設備が大きくなってしまうとともに、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。
【０００４】
これらの吸気冷却方法以外に、液体（水）を噴霧することによって、噴霧された液体（水）の気化熱を利用して吸気冷却を行う方法が提供されている。このような従来の吸気冷却方法の一つとして、吸気の減湿処理後に水に接触させて冷却する吸気冷却方法が提案されている（特許文献１参照）。又、粒子径の小さい噴霧器を吸気入口側に設置するとともに粒子径の大きい噴霧器を圧縮機側に設置して、外気温度が高いときに、両方の噴霧器から水を噴霧させることによって圧縮機の内外で吸気した空気を冷却する方法が提案されている（特許文献２参照）。更に、吸気室内のサイレンサの下流側に設置された噴霧装置より液滴を噴霧して吸気冷却を行う方法が提案されている（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２４３３３６号公報
【特許文献２】
特開平１１−３０３６５０号公報
【特許文献３】
特許第２８７７０９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献１〜３で提案されている冷却方法においては、噴霧される液滴として水が含まれることが条件となっている。よって、このような水を噴霧して利用する場合、水に含まれる不純物によりガスタービンや圧縮機などにおいて腐食や金属堆積が発生する可能性があるため、特許文献２にあるように、不純物を取り除いて純水化する必要があり、純水化するための設備が必要となる。
【０００７】
又、特許文献３において、水とアルコールの両方を噴霧するものについても提案されているが、アルコールは引火性があるため、その爆発限界を考慮する必要がある。しかしながら、特許文献３においては、この爆発限界を考慮する点については言及していない。更に、特許文献１〜特許文献３それぞれにおいて提案される方法では、水を利用するため、吸気ダクトにおいて凝結することがあり、吸気ダクトに凝結した水を排出するためのドレンが必要となる。
【０００８】
このような問題を鑑みて、本発明は、揮発性液体を用いて吸気冷却を行う吸気冷却装置及び吸気冷却方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の吸気冷却装置は、外気から空気を吸気すると共に粉塵を除去する吸気フィルタを備えた吸気室を備えた吸気冷却装置において、前記吸気室内に設けられるとともに、揮発性液体を気化することによって吸気された空気を冷却する液体気化部と、前記揮発性液体を貯蔵するタンクと、該タンクから前記液体気化部へ供給する前記揮発性液体の流量を制御するポンプと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この吸気冷却装置によると、ポンプによってタンクから液体気化部へ揮発性液体を供給し、吸気された空気内に揮発性液体を気化することによって、この揮発性液体の気化熱を利用することで、吸気された空気を冷却する。このように冷却した空気を、圧縮機で圧縮した後、ガスタービンの燃焼器などに供給すると、気化して混入した揮発性液体が可燃性を有する時は、燃料と共に燃焼する。
【００１１】
又、請求項２に記載するように、前記液体気化部を、前記吸気室の断面の縦横それぞれに等間隔に配置された噴霧ノズルを備えるとともに噴霧ノズルより前記揮発性液体を噴霧する噴霧器としても構わない。又、請求項３に記載するように、前記液体気化部を、前記吸気室の断面全面に前記揮発性液体を流して気化することによって前記揮発性液体の流れの間を通過する空気を冷却する蒸発冷却器としても構わない。
【００１２】
上述の各吸気冷却装置において、請求項４に記載するように、記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体の爆発限界の下限よりも少なくすることによって、例えば、吸気室に吸気した空気をガスタービンプラントの圧縮機に供給したとき、吸気された空気の圧縮機内で、万一摩擦もしくは静電気による点火源があっても、前記揮発性液体が爆発、燃焼することはない。
【００１３】
又、請求項５に記載するように、記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体の燃焼範囲の下限よりも少なくすることによって、例えば、吸気室に吸気した空気をガスタービンプラントの圧縮機に供給したとき、吸気された空気の圧縮機内での前記揮発性液体の燃焼を防ぐことができる。
【００１４】
又、請求項６に記載するように、記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体が気化した後再び凝結することのない量とすることによって、気化した前記揮発性液体が再度凝結して液体ととなることを防ぐことができるとともに、凝結した前記揮発性液体の排出するための手段を除くことができる。更に、上述した揮発性液体は、常温で液体となるものである。
【００１５】
又、請求項７に記載するように、前記揮発性液体を炭化水素系の液体とする。このとき、揮発性液体がアルコール類である場合、その吸気された空気への混入量が３重量％以下となるようにしても構わない。又、揮発性液体がエーテル類である場合、その吸気された空気への混入量が１重量％以下となるようにしても構わない。又、吸気された空気に混入された揮発性液体による気体が燃焼されたとき、炭化水素によって構成されるため、有害物質を排出することを防ぐことができる。
【００１６】
請求項８に記載の吸気冷却方法は、外気から空気を吸気すると共に粉塵を除去する吸気フィルタを備えた吸気室に吸気された空気を冷却する吸気冷却方法において、前記吸気室内で揮発性液体を気化することによって、前記吸気室に吸気された空気を冷却することを特徴とする。
【００１７】
このような吸気冷却方法において、請求項９に記載するように、気化される前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体の爆発限界の下限よりも少なくする。又、請求項１０に記載するように、気化される前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体の燃焼範囲の下限よりも少なくする。又、請求項１１に記載するように、気化される前記揮発性液体の吸気された空気への混入量を、前記揮発性液体が気化した後再び凝結することのない量とする。更に、請求項１２に記載するように、前記揮発性液体を炭化水素系の液体とする。
【００１８】
又、請求項１３に記載のガスタービンプラントは、外部からの空気を吸気する吸気室と、該吸気室に吸気された空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気により燃料を燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するガスタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の吸気冷却装置を備えることを特徴とする。
【００１９】
このとき、外気の温度が高いとき、液体気化部で揮発性液体を気化することによって吸気室に吸気された空気を冷却する。よって、圧縮機で圧縮された空気の質量を外気の温度が低いときと同等とすることができる。又、吸気室に吸気された空気を圧縮機で圧縮した後に、燃焼器で燃料を燃焼するために用いるとき、空気内に混入された揮発性液体による気体は可燃性とすることで、燃料と共に燃焼させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１のガスタービンプラントは、粉塵を除去するための吸気フィルタ７を吸気入口に備えた吸気フィルタ室１と、吸気フィルタ室１で吸気された空気を圧縮機にまで供給させるための吸気ダクト２と、吸気ダクト２より供給される空気を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３からの空気を用いて燃料を燃焼する燃焼器４と、燃焼器４からの燃焼ガスが供給されて回転するガスタービン５と、ガスタービン５の回転により発電を行う発電機６とを備える。又、吸気ダクト２内には、音を含む振動を抑制するためのサイレンサ８が設けられる。更に、圧縮機３の１段静翼は、開度を変更することができるＩＧＶとされる。
【００２２】
このような構成のガスタービンプラントにおいて、アルコールやエーテルなどの可燃性の揮発性液体を貯蔵するタンク９と、揮発性液体を噴霧する複数の噴霧ノズルを備えた噴霧器１０と、タンク９から噴霧器１０への揮発性液体の供給路１３に設けられたポンプ１１と、タンク９への揮発性液体の供給路１４に設けられた供給弁１２とによって、吸気冷却装置が構成される。噴霧器１０は、吸気された空気の流れる方向に向かって垂直な面に設けられ、この面の縦方向及び横方向それぞれに対して等間隔に噴霧ノズルが設けられる。又、揮発性溶液は、常温で液体であるものである。
【００２３】
この吸気冷却装置を備えたガスタービンプラントは、供給路１４よりタンク９に揮発性液体が供給され、タンク９に揮発性液体が貯蔵される。そして、このタンク９に貯蔵された揮発性液体がポンプ１１により供給路１３を通して噴霧器１０に送られる。又、吸気フィルタ室１の入口から外気から空気が吸気されるとき、吸気フィルタ７を通過することによって粉塵が除去された後、噴霧器１０を通過する。この吸気された空気が噴霧器１０を通過するとき、この空気に対して噴霧器１０から揮発性液体が噴霧される。
【００２４】
このようにして、吸気された空気に揮発性液体が噴霧されるとき、外気温度が高いほど、噴霧器１０からの噴霧量が多くなるように、外気温度に応じてポンプ１１による供給量が制御される。又、このポンプ１１からの供給量に応じて、供給弁１２の開度が制御される。即ち、噴霧器１０から噴霧量に応じてタンク９から減少した貯蔵量を補充するために、ポンプ１１による供給量が多くなると、供給弁１２の開度を開いてタンク９への供給量が多くなるように制御される。
【００２５】
噴霧器１０から噴霧される揮発性液体は、揮発性液体の飽和蒸気圧が水よりも高く、又、水と異なり、吸気された空気の湿度に影響されることがないので、噴霧されるとすぐに気化して、その気化熱により吸気された空気を冷却する。そして、揮発性液体に冷却された空気は、噴霧されて気化した揮発性液体とともに、吸気ダクト２を通過して圧縮機３に供給される。圧縮機３で揮発性液体を含む空気が圧縮されると、燃焼器４に供給される。このとき、揮発性液体は可燃性のものとすることで、燃焼器４で燃焼され、燃焼器４での燃焼を補助する役割を果たす。
【００２６】
揮発性液体として用いられるメタノール、エタノール、ジメチルエーテルそれぞれの爆発限界となる混入量はそれぞれ、７．３〜３６重量％、４．３〜１９重量％、３．４〜１８重量％である。よって、燃焼器４に供給されるまでに爆発を起こすことなく安全に圧縮機３内を通すには、メタノールが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が７．３重量％未満となるように、エタノールが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が４．３重量％未満となるように、ジメチルエーテルが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が３．４重量％未満となるように、それぞれ噴霧器１０への供給量を制御する。
【００２７】
又、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルそれぞれの燃焼範囲となる混入量はそれぞれ、６．０〜３６重量％、３．３〜１９重量％、１．９〜３６重量％であるので、メタノールが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が６．０重量％未満となるように、エタノールが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が３．３重量％未満となるように、ジメチルエーテルが噴霧される場合は吸気された空気中の混入量が１．９重量％未満となるように、それぞれ噴霧器１０への供給量を制御することが更に望ましい。
【００２８】
又、揮発性液体としてアルコール類を用いたとき、空気への混入量を３重量％以下とすることが好ましい。又、揮発性液体としてエーテル類を用いたとき、空気への混入量を１重量％以下とすることが好ましい。このようにすることで、気化した揮発性液体が再び凝結して液体に戻ることを防ぐことができる。又、揮発性液体としてアルコール類を用いたとき、その混入量が１重量％となるように噴霧すると、圧縮機入り口空気温度は約１０℃低下しその結果、ガスタービン５の出力が７％増加する。
【００２９】
更に、メタノール及びエタノールの発火点がそれぞれ４６４℃及び４２３℃であり、４００℃より高いため、メタノール及びエタノールを圧縮機４の出口において４００℃となるガスタービンプラントに用いても、燃焼器内に流入するまで燃焼を開始することはない。又、エタノールについては、不純物の除去が容易であるために、不純物を除去するための設備が簡便なものとなり、設備が大きくなることを避けることができる。
【００３０】
このように、本実施形態によると、噴霧器１０より飽和蒸気圧が高い揮発性液体を爆発限界となる混入量未満になるように噴霧することによって、湿度が高い場合でも、吸気フィルタ室１に吸気された空気を十分に冷却することができる。又、揮発性液体を爆発限界となる混入量未満になるように噴霧するので、圧縮機３出口まで発火することを防ぐとともに、可燃性を有するために燃焼器４での燃焼を補助することができる。又、水を噴霧する場合のように、吸気フィルタ室１及び吸気ダクト２などで凝結することがないので、吸気ダクト２にドレインを設けて凝結した液体を排出する必要がない。更に、不純物の除去が容易にできるため、不純物を除去するための施設を簡便なものとすることができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図２は、本実施形態におけるガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。尚、図２のガスタービンプラントにおいて、図１のガスタービンプラントと同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３２】
図２のガスタービンプラントでは、吸気冷却装置を、噴霧器１０（図１）で構成する変わりに、蒸発冷却器２０で構成する。即ち、図２のガスタービンプラントにおいて、タンク９と、ポンプ１１と、供給弁１２と、タンク９から供給される可燃性を有する揮発性液体が流れる蒸発冷却器２０と、タンク９へ揮発性液体を排出する排出弁２１とによって、吸気冷却装置が構成される。この蒸発冷却器２０は、吸気フィルタ室１の断面全体を覆うように設けられ、その全面に揮発性液体が上側から流れる構成とされる。又、蒸発冷却器２０の下流側には、吸気空気中に霧状となった揮発性液体を除去するための不図示のミストエリミネータが設けられる。
【００３３】
このように構成されるとき、蒸発冷却器２０は、図３の概略断面図（図２におけるＡ−Ａ断面図）のように、複数の仕切板３０が設けられ、この仕切板３０に沿って上側から下側にポンプ１１によってタンク９から供給される揮発性液体が流れる。そして、この蒸発冷却器２０の仕切板３０に沿って流れた揮発性液体は、蒸発冷却器２０の下側に設けられるパン３１に回収された後、排出弁２１を備えた回収路３２を通じてタンク９に回収される。尚、仕切板３０は、より大きな冷却効果を得るために、浪板状の構成にする。
【００３４】
このような蒸発冷却器２０において、仕切板３０を沿って流れる揮発性液体の間を、吸気フィルタ７より吸気された空気が通過する。このとき、仕切板３０を沿って流れる揮発性液体が気化し、その気化熱によって吸気された空気が冷却される。このように、揮発性液体が気化することによって、タンク９に回収される揮発性液体が蒸発冷却器２０に供給したときの量よりも減少するため、供給路１４を通じてタンク９に揮発性液体が供給される。
【００３５】
又、本実施形態において、第１の実施形態と同様、蒸発冷却器２０への供給量をポンプ１１における流量制御を行うことによって制御し、蒸発冷却器２０で気化する揮発性液体の空気への混入量が、爆発限界となる範囲よりも少なくなるようにする。又、この揮発性液体の空気への混入量が燃焼範囲よりも少なくなるようにすることが更に好ましい。このようにして蒸発冷却器２０への供給量がポンプ１１で制御されるとき、タンク９に回収される揮発性液体の量によりタンク９に補充する揮発性液体の量を確認し、供給弁１２の開度を制御してタンク９での揮発性液体の貯蔵量が一定となるように制御する。
【００３６】
本実施形態において、上述のような構成とすることによって、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３７】
尚、第１及び第２の実施形態において、噴霧器１０又は蒸発冷却器２０をサイレンサ８の上流側に設けるものとしたが、サイレンサ８の下流側に設けるものとしても構わない。又、サイレンサ８を構成から省くものとしても構わない。又、揮発性溶液として炭化水素系のものを用いることによって、燃焼器４での燃焼後の有害物質の発生を避けることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によると、水と異なる揮発性液体を気化することによって冷却を行うため、湿度に関係なく気化させることができる。又、揮発性であるために、気化する量が水に比べて多いため、十分な冷却効果を得ることができる。更に、この揮発性液体を可燃性とすることによって、ガスタービンプラントなどで利用されるとき、燃料と共に燃焼させることができ、その燃焼を補助することができる。又、空気への混入量を、再び凝結しない量とすることによって、ガスタービンプラントなどにおいて燃焼に用いられるまでに凝結することを防ぐことができる。よって、水を用いたときのように、凝結した液体を外部に排出する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態におけるガスタービンプラントの構成を示すブロック図。
【図２】第２の実施形態におけるガスタービンプラントの構成を示すブロック図。
【図３】蒸発冷却器の構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
１　吸気フィルタ室
２　吸気ダクト
３　圧縮機
４　燃焼器
５　ガスタービン
６　発電機
７　吸気フィルタ
８　サイレンサ
９　セレーション成型部
１０　タンク
１１　ポンプ
１２　供給弁

Claims (13)

1. 外気から空気を吸気すると共に粉塵を除去する吸気フィルタを備えた吸気室を備えた吸気冷却装置において、
   前記吸気室内に設けられるとともに、揮発性液体を気化することによって吸気された空気を冷却する液体気化部と、
   前記揮発性液体を貯蔵するタンクと、
   該タンクから前記液体気化部へ供給する前記揮発性液体の流量を制御するポンプと、
   を備えることを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記液体気化部が、前記吸気室の断面の縦横それぞれに等間隔に配置された噴霧ノズルを備えるとともに噴霧ノズルより前記揮発性液体を噴霧する噴霧器であることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
3. 前記液体気化部が、前記吸気室の断面全面に前記揮発性液体を流して気化することによって前記揮発性液体の流れの間を通過する空気を冷却する蒸発冷却器であることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却装置。
4. 前記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体の爆発限界の下限よりも少ないことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の吸気冷却装置。
5. 前記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体の燃焼範囲の下限よりも少ないことを特徴とする請求項４に記載の吸気冷却装置。
6. 前記液体気化部によって気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体が気化した後再び凝結することのない量であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の吸気冷却装置。
7. 前記揮発性液体を炭化水素系の液体とすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の吸気冷却装置。
8. 外気から空気を吸気すると共に粉塵を除去する吸気フィルタを備えた吸気室に吸気された空気を冷却する吸気冷却方法において、
   前記吸気室内で揮発性液体を気化することによって、前記吸気室に吸気された空気を冷却することを特徴とする吸気冷却方法。
9. 気化される前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体の爆発限界の下限よりも少ないことを特徴とする請求項８に記載の吸気冷却方法。
10. 気化される前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体の燃焼範囲の下限よりも少ないことを特徴とする請求項９に記載の吸気冷却方法。
11. 気化する前記揮発性液体の吸気された空気への混入量が、前記揮発性液体が気化した後再び凝結することのない量であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の吸気冷却方法。
12. 前記揮発性液体を炭化水素系の液体とすることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の吸気冷却方法。
13. 外部からの空気を吸気する吸気室と、該吸気室に吸気された空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気により燃料を燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動するガスタービンとを備えたガスタービンプラントにおいて、
    請求項１〜請求項７のいずれかに記載の吸気冷却装置を備えることを特徴とするガスタービンプラント。

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