JP2004150447A - ガスタービン吸気用高性能フィルタ及びこれを用いたガスタービン吸気用フィルタユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 発電出力を低下させない高効率な吸気用フィルタユニットで年１回義務づけられているガスタービンの定期点検時にフィルタ交換ができる長寿命のガスタービン吸気用フィルタユニットの提案する。
【解決手段】 気流方向の上流側より低効率濾材と高効率濾材を密接して重ね、これら各濾材の濾材面積が２５〜３５ｍ^２／台である濾材構成にし、気流方向に対して上流側の層には、粒径０．３μｍの粒子に対して１０〜７０％の濾過効率の濾材を配し、下流側の層には粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％の濾過効率の濾材を配したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンプラントの空気圧縮機等に対する大気塵の付着を軽減することにより、発電出力の低下を防止し、長時間に亘り空気圧縮機等の洗浄、フィルタの交換を不要とするガスタービン吸気用フィルタユニットに関し、更に詳しくは、フィルタユニットの設置スペースをコンパクト化できるガスタービン吸気用高性能フィルタとこれを用いたガスタービン吸気用フィルタユニットに関する。

図８に示す通り、ガスタービンａは運転時に外気ｂを吸入する。この外気ｂには微粉塵や雨水、ミスト、排気ガス中のカーボン微粒子、塩分粒子等の大気塵が浮遊しているので、このような大気塵がガスタービン内部の腐食、汚染の原因となると共に、特に空気圧縮機ｃに付着して空気圧縮機ｃの性能低下を生じさせ、発電出力を低下させるという問題がある。そこで大気塵の吸い込みを未然に防止するために、ガスタービンａの空気吸込口ｄには、空気から大気塵を機械的に分離除去して清浄化するための集塵装置（フィルタユニット）ｅが設置されている。このフィルタユニットｅは、特許文献１にも開示されるように、巻取式帯状ガラス繊維の濾材から成る粗フィルタｆと、イオン交換繊維フィルタを折込型とした中性能フィルタｇの２段式に構成されている。尚、図中ｈはガスタービンａのタービン部、ｉはガスタービンａによって駆動される発電機を示す。前記従来のガスタービン吸気用フィルタユニットは、充分に大気塵を除去できないためガスタービンの発電出力の低下を生じさせ、また、粉塵保持容量が小さいため年２〜３回の頻度でフィルタ交換が必要となる。このため、発電出力を低下させない高効率な吸気用フィルタユニットで年１回義務づけられているガスタービンの定期点検時にフィルタ交換ができる長寿命のガスタービン吸気用フィルタユニットの提案が望まれている。
特開平５−１０６４６４号公報

本発明者等は前記要望に応えるべく、パネル型デミスター、巻取帯状型あるいは吹流し型プレフィルタ、箱型中性能フィルタ、及び箱型高性能フィルタの４段式としたものを提案したが、吸気用フィルタユニットが大きくなり設置スペースと設備費が大となる問題があり、その対策が望まれている。そこで、低圧損、高効率、長寿命の観点から中性能フィルタと高性能フィルタを複合化すればよいという結論に到り、複合化に関する先行技術を参照したが各々に問題があった。まず、設置スペースを小さくする目的で、実開昭６２ー１３２７１５号公報に、ケーシング内を流れるガスの下流側に所定の能力を有する濾紙を、その上流側に前記濾紙よりも捕集能力の低い濾紙を多段に設けることが開示されているが、フィルタが小さくならず設置スペースを小さくする目的が達成できないという問題がある。また、塩分粒子を除去する目的で、実公平３−３５３７３号公報に、撥水性を有する２枚の濾材の間に空隙部を有する間隔保持体を挟み込むことが開示されているが、これは塩分粒子が水滴となっても上流側の濾材裏面に沿って液滴を落下させるためであり、濾材の厚みが大きくなり、８０００時間以上の寿命をもたせるために濾材面積を大きくとることができず、また、圧力損失も大きくなるという問題がある。また、濾過効率（０．１μｍＤＯＰ）が９９．９９％以上（いわゆるＵＬＰＡ）の高効率を得る目的で、特開昭５４ー９４１７６号公報に、濾材を２層で構成し、気流方向に対して下流側の層には粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％以上の濾過効率を有する濾材を配し、上流側の層には粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％未満７５％以上の濾過効率を有する濾材を配し、これら２層の濾材を密接に重ね合わせた状態でジグザグ状に折り畳むことが開示されているが、これは２段にするものに比べて寸法上の制約および作り易さの観点から濾材を２層にするとしているが、高効率が目的であり、寿命は考慮されておらずガスタービン用として使用した場合は、濾材の目詰まりが早くフィルタ交換を年２〜３回以上実施する必要があるという問題がある。

本発明のガスタービン吸気用高性能フィルタは、以上の課題を解決するために、気流方向の上流側より低効率濾材と高効率濾材を密接して重ね、これら各濾材の濾材面積が２５〜３５ｍ^２／台である濾材構成にし、気流方向に対して上流側の層には、粒径０．３μｍの粒子に対して１０〜７０％の濾過効率の濾材を配し、下流側の層には粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％の濾過効率の濾材を配したことを特徴とする。また、前記濾材は、気流方向に対して凹凸となるようにジグザグ状に折り畳まれ、その折り曲げ間隔部にシートを波形に屈折したセパレータを挿入し、該セパレータの屈折の波高さを挿入方向後端側の高さを挿入方向先端側の高さより大きくしてテーパー状にしたものが好ましい。また、本発明のガスタービン吸気用吸気用フィルタユニットは、防塵用フィルタを複数段設けて成るガスタービン吸気用フィルタユニットにおいて、前記防塵用フィルタが気流方向の上流側より、パネル型デミスター、巻取帯状型あるいは吹流し型プレフィルタ、前記本発明ガスタービン吸気用高性能フィルタの３段から成ることを特徴とする。尚、前記プレフィルタは吹流し型で濾材面積が２〜８ｍ^２／台であることが好ましい。

以上説明したように、本発明のガスタービン吸気用フィルタユニットによれば、例えば法令による年１回の定期点検時のみのフィルタ交換ですむため、フィルタ交換及び圧縮機の洗浄等のメンテナンス作業が軽減される。また、ＨＥＰＡフィルタ等の高性能フィルタを使用するため、大気塵の付着によるガスタービンの出力低下をおさえられる。また、吸気用フィルタユニットがコンパクトとなり省スペース化が図れ、更に、フィルタが４段式のものに比べて、３段と１段少なくてすむため、使用済みフィルタ等の廃棄物の容積を低減できる。

本発明のガスタービン吸気用フィルタユニットを構成する前記パネル型デミスターは、雨水の浸入を防止するためのものであり、従来種々公知のものがあるが、例えば、動植物性繊維および合成繊維をスプリング状にカール加工して多くの小さな弾性体をつくり、これを結合剤で被覆結合したものを板状にして金枠内に封入したものが知られている。このデミスターは、一般には、厚みが１０〜５０ｍｍ、風速２ｍ／ｓの時の濾過効率（ＪＩＳ８種，比色法）が１５〜６０％、圧力損失が１〜１０ｍｍＡｑである。前記デミスターは圧力損失が小さく、即ち、通気抵抗が小さく、水滴に対して濾過効率が高いことが特徴で、また、汚れた場合に枠から外して洗浄することで再使用できる。もちろん、前記パネル型デミスターとして雨水の浸入を屈折路で防ぐようにした屈折型の羽根式エリミネータ等も使用できる。

また、本発明のガスタービン吸気用フィルタユニットを構成する前記プレフィルタとしては巻取帯状型かあるいは吹流し型を用いるわけであるが、巻取帯状型は図２に示す通り、ガラス繊維製濾材から成る帯状濾材１０が吸気空気路１１を遮るように張設されており、濾材１０が巻き取られている送出用ロール１２が上部に設置される一方、その送出用ロール１２から取り出された濾材１０を巻き取る巻取用ロール１３が下部に設置されている。この巻取帯状型プレフィルタは、一般には、濾材材質がガラス繊維及びポリエステル繊維等を用いた不織布であり、濾材厚みが２０〜７０ｍｍ、平均繊維径が１５〜６０μｍで、風速２．５ｍ／ｓの時の圧力損失が４〜８ｍｍＡｑ、濾過効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が６０〜９０％、粉塵保持容量が５００〜１３００ｇ／ｍ^２である。ただし、巻取帯状型は濾材の巻取り用駆動装置の保守メンテナンスが必要となるため完全なメンテナンスフリーとするには、濾材面積を広くした下記吹流し型が好ましい。吹流し型は、図３乃至図５に示す通り、濾材２０を多数の袋体２１を連続させた形状とし、この濾材２０をその開口部２２に合わせて複数本の桟２３を備えたヘッド部２４を介して枠体２５に螺子２６で取り付けるものである。ただし形態はこれに限定されるものではなく濾材面積を所望のものにできる袋状のものであればよい。この吹流し型プレフィルタは、一般には、濾材は厚みが１０〜２５ｍｍ、材質がポリエステル、アクリル等の有機繊維の乾式不織布、平均繊維径が２０〜６０μｍ、目付が３００〜６００ｇ／ｍ^２、風速２．５ｍ／ｓの時の圧力損失が２〜８ｍｍＡｑ、効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が６０〜９０％で、この濾材を用いて濾材面積が２〜８ｍ^２／台、外形寸法がタテ５９２ｍｍ×ヨコ５９２ｍｍ×奥行き５００ｍｍの吹流し型プレフィルタとした。濾材面積が２ｍ^２／台未満の場合は所望のフィルタユニットの寿命が得られず、濾材面積が８ｍ^２／台を越える場合は、圧力損失が高くなり好ましくない。従って濾材面積は２〜８ｍ^２／台が好ましい。尚、このフィルタの性能は風量５０ｍ^３／分の時の圧力損失が２〜８ｍｍＡｑ、効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が６０〜９０％、粉塵保持容量が１０００〜４０００ｇ／台である。

本発明のガスタービン吸気用高性能フィルタは、高効率濾材と低効率濾材との組み合わせで得られるものであるが、高効率濾材としては、粒径０．３μｍの粒子に対して９０〜９９．９９％の濾過効率のものを用いるのが好ましい。これは、９０％未満では、ガスタービンの圧縮機の塵埃付着が防止できず、９９．９９％を越える場合は、塵埃付着防止には有効であるが圧力損失が増大し、寿命が短くなる問題を生ずるからである。また、低効率濾材としては、粒径０．３μｍの粒子に対して１０〜７０％の濾過効率のもを用いるのが好ましい。これは、１０％未満では下流側の高効率濾材の負担が大きくなり、７０％を越える場合は濾材の目詰まりが早くなる問題が生ずるからである。これら高効率濾材３０ａと低効率濾材３０ｂは、密接して重ね合わせられ、濾材面積を増加させるために吸気空気の流れ方向に対して凹凸となるようジグザグ状に折り畳んでおり、それを箱型の枠体３１にシール材３２を介して組み込み、その折り曲げ間隔部にシートを波形に屈折したセパレータ３３が挿入されている。尚、図示の様に、セパレータ３３の屈折の波高さを挿入方向後端側の高さＨ１を挿入方向先端側Ｈ２の高さより大きくしてテーパー状に形成したいわゆる傾斜型セパレータを用いることにより、通常のセパレータの様に屈折の波高さを全長に亘り均等にしたものに比べてフィルタを多風量で高性能にすることができる。この高性能フィルタは、一般には、各濾材の厚みが０．４〜２．０ｍｍ、目付が１００〜２００ｇ／ｍ^２、風速５．３ｃｍ／ｓの時の圧力損失が５〜４５ｍｍＡｑ、効率（０．３μｍＤＯＰ）が９０〜９９．９％で、セパレータは材質がアルミニウム、ステンレス等の金属箔、クラフト、合繊等の紙、ポリアリレート、ポリエチレンテレフタレート等の合成樹脂フィルムで、該濾材をジグザグに折り畳みセパレータを間挿して、濾材面積が２５〜３５ｍ^２／台、外形寸法がタテ６１０ｍｍ×ヨコ６１０ｍｍ×奥行き２９０ｍｍの高性能フィルタとした。濾材面積が２５ｍ^２／台未満では、圧力損失が高くなって寿命が短くなり、３５ｍ^２／台を越えると濾材と濾材の間隔保持ができないという問題がある。従って、濾材面積は２５〜３５ｍ^２／台が好ましい。尚、このフィルタの性能は風量５０ｍ^３／分の時の圧力損失が１５〜４５ｍｍＡｑ、効率（０．３μｍＤＯＰ）が９０〜９９．９９％、粉塵保持容量が１０００〜３０００ｇ／台である。
上流側の低効率濾材に下流側の高効率濾材の負荷を軽減するような濾材面積２５〜３５ｍ^２／台と通常（２１ｍ^２／台）に比べて大きいものを選択すると共に、例えば、粒径０．３μｍの粒子に対して１０〜７０％の濾過効率の濾材を選択し、下流側の高効率濾材に上流側の低効率濾材からの通過粉塵により圧力損失が増大しないように濾材面積２５〜３０ｍ^２／台と大きいものでかつ空気圧縮機の汚れを防止できる、例えば、粒径０．３μｍの粒子に対して９０〜９９．９９％の濾過効率の高効率濾材を選択して配するようにした。これら低効率濾材と高効率濾材同士を密接して重ね合わせることにより、厚みを増大させることなく、濾材面積をフィルタ枠内に多く折り込むことができる。
また、ガスタービンの使用開始時の圧力損失が高くなり、初期発電出力の低下がおこるものの、圧縮機が汚れないために１年間を通じてガスタービンの出力低下がおこらないことになる。これに対して、前記箱型高性能フィルタを最下流側に備えないものでは、使用開始時の圧力損失は低いために、初期に高いガスタービンの出力が得られるものの、１年間通して使用すると圧縮機が汚れるために発電出力が低下し始め、結果として前記した箱型高性能フィルタを備えたガスタービンの所定の出力を途中で下回ることになる。

以下、本発明の実施例を図面に付き説明する。図１は、本発明ガスタービン吸気用フィルタユニットの実施例を示すもので、図略のガスタービンの吸気用ダクトに連設したケーシング１内にガスタービンの連続運転にとって有害な塵埃等の有害物質を吸気空気中から除去するために、パネル型デミスター２、巻取帯状型あるいは吹流し型プレフィルタ３、更に本発明の高性能フィルタ４から成る３段式のフィルタユニット５を設けるようにした。

デミスターは、サラン繊維（サランロック，登録商標）を金枠内に封入固定したもので、定格風速が２．５ｍ／ｓ、圧力損失が３ｍｍＡｑ、濾過効率（ＪＩＳ８種，重量法）が２８％で、寸法がタテ６１０ｍｍ×ヨコ６１０ｍｍ×厚さ３５ｍｍのものを前記ケーシング１内に１６個（４列４段）設置するようにした。

プレフィルタとして巻取帯状型は、濾材は厚みが５０ｍｍ、材質がガラス繊維、平均繊維径が流入側３０μｍで流出側が２０μｍの密度勾配、効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が８０％で、この濾材を用いたフィルタの性能は風速２．５ｍ／ｓの時の圧力損失が６ｍｍＡｑ、粉塵保持容量が１０００ｇ／ｍ^２の自動巻取式で、外形寸法が１２００ｍｍのものを前記ケーシング１内に２台設置するようにした。また、吹流し型については、濾材は平均繊維径が３５μｍのポリエステル繊維を塩ビ系樹脂で結合して厚さ１５ｍｍ、目付を３００ｇ／ｍ^２とし、風速２．５ｍ／ｓの時の圧力損失が５ｍｍＡｑ、効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が８０％の濾材を６山折り畳み金枠で固定して、濾材面積が４ｍ^２／台、外形寸法がタテ５９２ｍｍ×ヨコ５９２ｍｍ×奥行き５００ｍｍのフィルタとした。このフィルタの性能は風量５０ｍ^３／分の時の圧力損失が５ｍｍＡｑ、効率（ＪＩＳ１５種，重量法）が８０％、粉塵保持容量が２８００ｇ／台で、前記ケーシング１内に１６個（４列４段）設置するようにした。

高性能フィルタは、低効率濾材（厚み０．３ｍｍ、目付６０ｇ／ｍ^２、濾過効率（０．３μｍＤＯＰ）１５％、圧力損失０．９ｍｍＡｑの平均繊維径２．０μｍのガラス繊維と有機繊維の混抄した湿式不織布）と高効率濾材（厚み０．４ｍｍ、目付７０ｇ／ｍ^２、濾過効率（０．３μｍＤＯＰ）９９．９７％、圧力損失２８ｍｍＡｑの平均繊維径０．８μｍのガラス繊維の湿式不織布）を密接して重ね合わせて折り込み、アルミニウム箔の傾斜型セパレータを挿入して、ジグザグ状折込型（箱型）としたもので、フィルタとして圧力損失３３ｍｍＡｑ、粉塵保持容量２０００ｇ／台、濾過効率（０．３μｍＤＯＰ）９９．９７％のものが得られる。この様にして得られた外径寸法がタテ６１０ｍｍ×ヨコ６１０ｍｍ×奥行き２９０ｍｍのものを前記ケーシング１内に１６個（４列４段）設置するようにした。尚、従来のごとく、高効率濾材と低効率濾材を別々に６１０ｍｍ×６１０ｍｍ×２９０ｍｍのフィルタとして２段に設置した場合には圧力損失が３８ｍｍＡｑと高くなるが、本発明のごとく高効率濾材と低効率濾材を密接して重ね合わせることにより構造上の抵抗が下がりフィルタユニットの圧力損失の低減にも寄与できる。

前記プレフィルタとして巻取帯状型を用いたものを実施例１、吹流し型を用いたものを実施例２とし、更に、前記デミスターを用いずに前記巻取帯状型プレフィルタと前記高性能フィルタの高効率濾材を取り除いて低効率濾材のみとした箱型中性能フィルタの２段式としたものを従来例１、実施例１の高性能フィルタを、低効率濾材と高効率濾材をそれぞれ単層にして箱型中性能フィルタと箱型高性能フィルタとして４段式としたものを比較例１として、それぞれガスタービン吸気用フィルタユニットとして構成し、これらガスタービン吸気用フィルタユニットに外気を連続的に流し続け、その期間中のガスタービンの出力低下を試験すると共に設置スペースの省スペース化について評価した。前記各吸気用フィルタユニットの構成を下記表１に、また試験結果を下記表２に示す。

前記表から明らかなように、特開平５−１０６４６４号公報に記載される様に、従来の巻取帯状型プレフィルタと箱型中性能フィルタの２段式では、長時間の使用においてはガスタービンの出力が１０％程度低下する。また、フィルタが目詰まりして寿命がくることにより年２〜３回フィルタ交換及び圧縮機の洗浄作業が必要となる。また、比較例１は、ガスタービンの出力低下については効率９９．９７％と高効率であるため圧縮機の塵埃付着を防止でき、フィルタ寿命の長期化も図れ、フィルタ交換も年１回ですむが、デミスター、プレフィルタ、中性能フィルタ、高性能フィルタと４段式となりフィルタの設置スペースが膨大となり、設備費もかさむことになる。これに対し、本発明の実施例１は、中性能フィルタと高性能フィルタの複合化が図れ、従来４段式では３３００ｍｍ長さのフィルタユニットが本発明では２３００ｍｍで約１０００ｍｍの省スペースが図れると共に濾過効率も比較例１同様に優れるため圧縮機の塵埃付着防止ができて、しかも比較例１よりも粉塵保持容量が低圧損化のため大きくなり結果としてフィルタの長寿命化が更にはかれる。但し、プレフィルタが巻取帯状型で自動であるため駆動装置の関係から駆動部の保守点検が必要となる。また、本発明の実施例２は、実施例１のプレフィルタを吹流し型とすることにより、ガスタービンの出力低下を防止でき、省スペース化が図れると共に８０００時間以上のメンテナンスフリーを達成できる。

本発明ガスタービン吸気用フィルタユニットの構成図 巻取帯状型プレフィルタの部分切断正面図 吹流し型プレフィルタの濾材の側面図 前記濾材のヘッド部の正面図 前記吹流し型プレフィルタの平面図 高性能フィルタの斜視図 前記高性能フィルタの部分切断平面図 従来のガスタービン吸気用フィルタユニットの構成図

符号の説明

１ ケーシング
２ パネル型デミスター
３ 巻取帯状型あるいは吹流し型プレフィルタ
４ 高性能フィルタ
５ ガスタービン吸気用フィルタユニット
３０ａ 高効率濾材
３０ｂ 低効率濾材
３１ 枠体
３２ シール材
３３ セパレータ

Claims (4)

1. 気流方向の上流側より低効率濾材と高効率濾材を密接して重ね、これら各濾材の濾材面積が２５〜３５ｍ^２／台である濾材構成にし、気流方向に対して上流側の層には、粒径０．３μｍの粒子に対して１０〜７０％の濾過効率の濾材を配し、下流側の層には粒径０．３μｍの粒子に対して９９．９７％の濾過効率の濾材を配したことを特徴とするガスタービン吸気用高性能フィルタ。
2. 前記濾材は気流方向に対して凹凸となるようにジグザグ状に折り畳まれ、その折り曲げ間隔部にシートを波形に屈折したセパレータを挿入し、該セパレータの屈折の波高さを挿入方向後端側の高さを挿入方向先端側の高さより大きくしてテーパー状にしたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン吸気用高性能フィルタ。
3. 防塵用フィルタを複数段設けて成るガスタービン吸気用フィルタユニットにおいて、前記防塵用フィルタが気流方向の上流側より、パネル型デミスター、巻取帯状型あるいは吹流し型プレフィルタ、請求項１記載のガスタービン吸気用高性能フィルタの３段から成ることを特徴とするガスタービン吸気用フィルタユニット。
4. 前記プレフィルタが吹流し型で濾材面積が２〜８ｍ^２／台であることを特徴とする請求項３記載のガスタービン吸気用フィルタユニット。
   

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