JP2005127650A - プレートフィン式再生熱交換器およびガスタービン発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
圧縮空気が湿分と液滴を多量に含む場合にも、液相水の流動に伴う流路の閉塞を抑制したプレートフィン式再生熱交換器を提供する。
【解決手段】
液滴を含む圧縮空気を加熱するコルゲションフィン流路５３と、液滴を含まない圧縮空気が供給されるコルゲションフィン流路５４に区分されたプレートフィン式熱交換器を用い、コルゲションフィン流路５３のフィン部材のピッチをラプラス長さに設定して、フィン間で液滴のブリッジ生成を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱を利用して湿分を含む圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、この再生熱交換器を利用したガスタービン発電システムに関する。

ガスタービンの燃焼用空気に湿分を加えることにより、発電効率を増大させる方法が知られている。加湿方法の一つとして、再生熱交換器の内部に液相水を注入する方法が、特開２００３−３５１６４号公報に示されている。同文献では、再生熱交換器の伝熱面での水滴の蒸発に伴うエロージョンの発生や、スケール（水に溶解している不純物の析出物）の生成への対策として、再生熱交換器を二つの領域に分割することが提案されている。詳細には、液相水の蒸発に対応した二相式再生熱交換器と、液相水が蒸発したあとの圧縮空気を加熱する単相式再生熱交換器の二種類に分割し、二相式再生熱交換器の圧縮空気側の流路断面積を、単相式再生熱交換器のものより大きくすることにより、水滴によるエロージョン発生やスケール生成を抑制し、コンパクトで高効率，高出力なガスタービン設備とすることが開示されている。

特開２００３−３５１６４号公報（図１）

高湿分利用ガスタービン発電システムにおいて発電効率を高めるためには、相当量の湿分を添加する必要があり、その場合、前記特許文献１に記載されているように、再生熱交換器内部での水滴によるエロージョンや、スケールの伝熱面固着に対する配慮が必要である。

前記特許文献１では、液滴が蒸発する領域には、流路断面積が相対的に大きな伝熱面を配置することが述べられており、熱交換器の方式については、プレートフィン式熱交換器でも構成可能であると記載されている。しかしながら、この領域にプレートフィン式熱交換器を用いた場合、水滴の影響を避けるために、フィンのピッチをどれだけ大きく取るべきか定量的な検討はなされていない。このため、局所的に液滴が集中する領域が発生した場合にはフィン間でブリッジが生成し、流路を閉塞してしまう可能性がある。

本発明の目的は、湿分を多量に含む圧縮空気を加熱する再生熱交換器において、液相水の流動に伴う流路の閉塞を抑制したプレートフィン式再生熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のプレートフィン式再生熱交換器は、燃焼排ガスにより液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するプレートフィン式再生熱交換器において、前記圧縮空気の流路を形成するフィン部材のピッチをラプラス長さに設定したことを特徴とする。

また、再生熱交換器を、液相水を含む湿り圧縮空気を加熱する第１の領域と、該第１の領域で前記液相水が蒸発した湿り圧縮空気を加熱する第２の領域によって構成し、前記第１の領域に設置するフィン部材のピッチをラプラス長さに設定する。

或いは、前記圧縮空気の流路を形成するフィン部材のピッチ及びフィン部材の高さを、前記圧縮空気に含まれる液相水が隣接するフィン間あるいはチューブプレート間で表面張力により架橋状態を形成しない間隔に設定する。

本発明によれば、フィン間で液滴がブリッジしないフィンピッチとしたことにより、液相水の流動に伴う流路の閉塞を抑制したプレートフィン式再生熱交換器を提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図２に、本発明の一実施例であるプレートフィン式再生熱交換器を備えた、高湿分利用ガスタービン発電システムを示す。本実施例の主要な構成要素は、空気を圧縮して吐出する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮して得た圧縮空気と燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器１２と、燃焼器１２で生成された前記燃焼ガスにより駆動されるタービン１４と、タービン１４から排出された排気ガスの熱を利用して圧縮機１０から燃焼器１２へ供給される前記圧縮空気の全部または一部を加熱するプレートフィン式再生熱交換器６０，プレートフィン式再生熱交換器６０から排出された排気ガスの熱により、後述する補給水を加熱するエコノマイザ４９、エコノマイザ４９から排出された排気ガスを導き、大気に排出するスタック８２である。ガスタービンの出力軸から得られる動力は、発電機１６によって電力に変換され、図示していない送電系統に接続される。また、プレートフィン式再生熱交換器６０の内部の圧縮空気側の流路は、加水装置４４で液滴を噴霧された圧縮空気を加熱するコルゲションフィン流路５３と、噴霧された液滴が全て蒸発した状態の湿り圧縮空気を加熱するコルゲションフィン流路５４に区分されている。

さらに、本実施例の特徴的な構成要素としては、圧縮機１０の上流側で吸気された空気に微細な水滴を噴霧して加湿する加水装置４０、図示しない純水製造装置から供給される補給水を導入する補給水供給管４８、該補給水を加圧し、前記加水装置４０および後述する加水装置４２，４４へ送出する補給水ポンプ８０、該補給水ポンプから供給される補給水を導き、エコノマイザ４９で加熱された補給水を図示しない噴霧ノズルで圧縮空気の配管内部に噴霧する加水装置４２，４４、補給水ポンプ８０から供給される補給水を導き、圧縮機１０に供給する空気に図示しない噴霧ノズルで噴霧して加湿する加水装置４０、コルゲションフィン流路５３の下流に設置され、コルゲションフィン流路５３で蒸発せずに通過した液滴を捕集する液滴分離器８４、コルゲションフィン流路５３の下流に設置され、コルゲションフィン流路５３で蒸発せずに通過した液滴をプレートフィン式再生熱交換器６０外部に排出するドレン配管８３、ドレン配管８３から排出されたドレン水を加圧し、補給水ポンプ８０で供給されるラインに再び循環させる循環ポンプ８１がある。

加水装置４０，４２，４４としては、例えば、特開２００２−３５５５８３号公報に記載された霧化装置を用いることができる。この公報に記載の霧化装置によると、霧化に必要な空気量を従来技術の半分に削減でき、噴霧した液滴径も従来技術と同等の１６μｍ以下であるため、液滴が気流に乗って搬送され、配管内や吸気ダクト内に衝突することなく蒸発が促進される。なお、該公知例によると、霧化に必要な空気は圧縮機１０からの抽気を使用しているが、流量が少ないため本実施例では特に図示しない。

圧縮空気の配管内に設置された加水装置４２は、加水装置４４よりも上流側に設置されており、配管内で噴霧された液滴が、高温の圧縮空気から蒸発に必要な潜熱を奪い、蒸発するために必要な時間を確保できる位置に設置される。本実施例の場合は、加水装置４２と加水装置４４の距離は、約３メートルとした。この距離は、配管内の流速や圧縮空気の温度などの条件を入力として、液滴の蒸発挙動計算により導いたものである。

図１に、プレートフィン式再生熱交換器６０の流路構成の水平断面図を示す。図１(Ａ)は、圧縮空気の流路となる被加熱流体流路９５を示し、図１（Ｂ）は、排ガスの流路となる加熱流体流路９６を示す。プレートフィン式熱交換器とは、図４（Ａ）に示すように、加熱流体流路９６と被加熱流体流路９５が、チューブプレート９０で区画され、交互に積層されたものである。交互に積層された加熱流体流路９６および被加熱流体流路９５の端部には、図１１のプレートフィン式再生熱交換器６０の鳥瞰図で示すように、スペーサーバー３２と呼ばれる部材が配置してあり、熱交換流体の流路を区画している。例えば、図１１では、排ガスが流入する紙面左下の端面には、加熱流体流路９６はそのまま開口しているが、被加熱流体流路９５の段には、スペーサーバー３２ｂが配置してあり、排ガスは被加熱流体流路９５には混入しない。また、図１１で熱交換器コアの上面および下面には、サイドプレート３０が配置されており、熱交換器コアの形状を保持するとともに、熱交換流体と外部との隔離の役目を持つ。なお、図１１には、加水装置４４は図示していないが、圧縮空気入口部６６の配管に設置する。

図１の加熱流体流路９６と被加熱流体流路９５には、伝熱表面積を増加させる目的と、流れを攪拌して熱伝達を促進する目的により、図４（Ａ）に示されるセレートフィン９１や、図４（Ｂ）に示されるプレーンフィン９２、図４（Ｃ）に示されるヘリンボーンフィン９３などが設置される。それぞれのフィン形状には、圧力損失と伝熱促進の性能で特徴があり、用途に応じて適切なフィン形状が選択されて用いられる。本実施例では、排ガスの流路であるコルゲションフィン流路５６と、圧縮空気の流路のうちコルゲションフィン流路５４には、図４（Ａ）に示されるセレートフィン９１を使用し、コルゲションフィン流路５３と分配用フィン流路５１および５２には、図４（Ｂ）に示されるプレーンフィン９２を使用する。

フィン形式をこのように選定した理由を、以下に示す。コルゲションフィン流路５３は、液滴が流入するので、液滴の蒸発に伴うスケール生成を考慮し、伝熱面の洗浄が容易なプレーンフィン９２を選定した。また、液滴の分配不良などにより、ある部分に局所的に液滴が集中した場合にも、フィンピッチが大きければ、液滴のブリッジ（架橋）生成を防ぐことができ、流路の閉塞を防ぐことができる。もしセレートフィン９１を利用した場合、フィンを１／２ピッチずらして配置してあるので、最小通過面積はフィンピッチの１／２となり、液滴のブリッジ（架橋）生成が起こりやすい。分配用フィン流路５１および
５２をプレーンフィン９２で構成した理由は、圧力損失が小さいほうが、本来の目的である分配機能に優れるためである。分配用フィン流路の形状は三角形であるため、行程の短い流路部分と行程の長い流路部分との圧力損失の差が大きくなると、偏流が発生する。これら以外の伝熱面部分は、伝熱特性に優れ、入手しやすいことから、セレートフィン９１を選定した。

プレートフィン式再生熱交換器６０の構造について、図１を用いて詳細に説明する。圧縮空気入口部６６の配管には、加水装置４４が設置され、加水装置４４の先端に設置された噴霧ノズル８５から、配管内部に微細な液滴を噴霧可能となっている。微細な液滴を噴霧された圧縮空気は、第１の熱交換セクションであるコルゲションフィン流路５３に導かれる。このコルゲション流路は、前記した理由で、図４（Ｂ）に示されるプレーンフィン９２で構成される。同図に記号Ｐｆで示されるフィンピッチは、３mmとし、Ｈｆで示されるフィン高さは、４mmとし、Ｔｆで示されるフィン厚さは０.４mm とした。フィンピッチを３mmとした理由は、液滴の流量分配の不均一などにより、局所的に液滴が集中する領域が発生した場合にも、液滴のブリッジ生成を防ぐためである。液滴のブリッジを防ぐための指標として、数式（数１）で示される毛管長さを目安とした。毛管長さは、ラプラス長さとも呼ばれ、気液界面を有する細管中で表面張力により液相流動が支配的になる流路幅に対応する。

同式で、σは表面張力、ｇは重力加速度、Δρは気液の密度差である。本実施例では、コルゲションフィン流路５３内で、１５０℃程度の液滴が噴霧されるが、噴霧された液滴は蒸発潜熱を奪われるため、液滴平衡温度と呼ばれる定常温度に近づきながら、最終的にはフィン部材と衝突して、液膜になる。液滴平衡温度は、本実施例の条件では１００℃前後であり、その時の空気に接する水の表面張力σと、空気と液滴の密度差を数式（数１）に代入すると、毛管長さＬｐは約２.５mm となる。フィン間でブリッジしないために必要なフィンピッチＰｆとしては、毛管長さにフィンの厚さを加算し、３mmとした。

フィン高さは、液滴がブリッジしない条件から、下限が決まるが、高さを高くすると流路の等価直径が大きくなり、伝熱性能が低下する傾向がある。そこで本実施例ではフィン高さは、４mmとした。また、通常は、フィン厚さの下限は、チューブプレート面にかかる流体の全圧によって決まり、フィン厚さの上限は、材料増加による経済性や、フィンを成型する加工機械の性能によって決まる。本実施例では、液滴によるフィン材料のエロージョンなどを考慮し、一般的に入手できる材質としてはほぼ上限の０.４mm とした。

コルゲションフィン流路５３の配置上の特徴として、圧縮空気の流路が巨視的に曲がり部分を持たない直線形状に構成されている点がある。後述するコルゲションフィン流路
５４に設置されたような分配用フィン流路５１や５２を用いて流路を直角に曲げる場合、気体分子と液滴では運動量が異なるため、流れに同伴される液滴が、曲がり角の正面のフィンに衝突し、曲がり角で液膜が集中して発生すると考えられる。その場合、熱交換器全体での均等な蒸発が阻害され、必要な交換熱量が得られなくなる可能性がある。そのため、コルゲションフィン流路５３は、排ガス流れに対して直角に構成する直交流方式とした。

コルゲションフィン流路５３の下流側には、各プレート段の圧縮空気の流れをまとめるヘッダ８６が設けられ、ヘッダ８６の下部には、コルゲションフィン流路５３で蒸発し切れなかった液滴や液膜を排出するドレン配管８３が設置されている。さらに、ヘッダ８６には、圧縮空気に同伴して流動する微細な液滴を分離して捕集する液滴分離器８４が設置されており、ここで捕集された液滴は、重力により前記ドレン配管８３に導かれる構造となっている。ヘッダ８６の形状は、図１１に示されるように、コルゲションフィン流路
５３の出口部分と、分配用フィン流路５１の入口部分を含む蒲鉾型形状である。また、液滴分離器８４は、ヘッダ８６の中心部分に予め組み込まれて設置されている。

液滴分離器８４の下流側は、液相水を含まない湿り圧縮空気を加熱する熱交換セクションとなっており、分配用フィン流路５１，コルゲションフィン流路５４，分配用フィン流路５２の順序で連続して配置されている。図１の例では、第２の熱交換セクションのフィンの流路構成は、分配用フィン流路５１，コルゲションフィン流路５４，分配用フィン流路５２によってＺ型としている。分配用フィン流路５１および５２は、前記したように、圧力損失の小さいプレーンフィン９２を使用するが、同じ理由でフィンピッチは広いほうが良い。但し、チューブプレート９０に掛かる圧力を支えるため、フィンピッチは４mmとした。一方、コルゲションフィン流路５４は、液相水を含まない湿り圧縮空気を加熱する主要部分であり、全体の交換熱量としては、液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するコルゲションフィン流路５３よりも数倍以上大きいため、伝熱性能が良いものを要求される。フィン形式として伝熱性能が良いセレートフィン９１を利用することは前述したが、フィンピッチも小さく取り、大きな伝熱面積を確保する必要がある。そこで、本実施例では、フィンピッチとして２mm、フィン厚さとして０.３mm を選択した。コルゲションフィン流路５３と共通のチューブプレート面に設置するため、フィン高さは同一値である。

このようにコルゲションフィン流路５３と５４は、水分の相状態が異なることに対応して、コルゲションフィン流路５３のフィンピッチは、コルゲションフィン流路５４のフィンピッチよりも大きくした。実際に、図２のシステムにプレートフィン式再生熱交換器
６０を設置する際には、図３に示すように、必要な数の熱交換モジュールを並べて配置する。図３はプレートフィン式再生熱交換器６０を左右対称に配置した例であるが、プレートフィンを垂直方向に積層する段数は、必要な交換熱量に応じて決定する。但し、単一のブロックで積層できる段数は、製造設備の仕様で決まるため、必要な段数を得られない場合は、垂直方向に複数の熱交換モジュールを並べて配置する。

次に、図１から図４を用いて、本実施例におけるプレートフィン式再生熱交換器を備えた、高湿分利用ガスタービン発電システムの動作を説明する。

図示しない吸気室に吸い込まれた空気は、図示しない吸気フィルタによって煤塵などを除去されたあと、加水装置４０により、空気の質量流量の１％程度の微細な液滴を噴霧する。この程度の流量の液滴は、圧縮機１０へ入るまでの吸気室内の空間で、吸気から蒸発潜熱を奪い、吸気の温度を低下させながら、ほぼ全て蒸発する。仮に、大気条件と噴霧条件の不適合などにより気化し切れない液滴があった場合でも、残りの液滴は、圧縮機内部で空気が昇温されるに伴い、圧縮機内部で全て蒸発する。このように、加水装置４０で吸気に噴霧して、圧縮される空気の温度を低下させることができるので、圧縮機動力を低減することが可能となり、ガスタービンの出力を増加させることができる。

次に、圧縮機１０で圧縮された空気は、加水装置４２により再度微細な液滴を噴霧される。加水装置４２および後述する加水装置４４で噴霧される水は、エコノマイザ４９によって排ガスの熱により１５０℃以上の高温に加熱してあり、蒸発の際に奪われる熱量を低減し、システム熱効率の向上に寄与している。加水装置４２の下流側の配管は、前記したように蒸発に必要な距離を確保してあるので、配管の途中で全ての液滴が蒸発し、圧縮機１０で約３００℃まで高温となった圧縮空気は、約１５０℃まで減温されつつ、湿分は空気質量流量の１０％に近づく。さらに、圧縮空気は、プレートフィン式再生熱交換器６０のコルゲションフィン流路５３に到達する前に、加水装置４４によって、三度目の微細な液滴を噴霧される。この噴霧の結果、合計の湿分は、空気質量流量の１０％を超える値となる。三度目の噴霧では、噴霧した位置における温度での飽和水蒸気圧を超える湿分が噴霧されるので、全量が蒸発することは出来ず、一部は液滴状態のまま、コルゲションフィン流路５３に流入することになる。

本実施例では、コルゲションフィン流路５３のフィン形状はプレーンフィン９２なので、微細な液滴はフィン壁面と衝突することなく気流と同伴して流れる。その過程で、圧縮空気が伝熱面との強制対流熱伝達により加熱され、飽和水蒸気圧が大きくなっていく。その結果、気流と同伴して流れている液滴も徐々に蒸発し、ヘッダ８６に到達する時点では、ほぼ全部の液滴が蒸発する。コルゲションフィン流路５３で蒸発しなかった液滴や、液滴がフィン面に衝突して生成した液膜は、ヘッダ８６の内壁面に衝突し、重力により落下して、ヘッダ８６の下部に設置されたドレン配管８３から排出され、循環ポンプ８１によって再度エコノマイザ４９で加熱される。また、図示していないが、加水装置４２あるいは４４の下流で発生したドレン水も、ドレン配管８３と同様の配管により、再度エコノマイザ４９に供給して再利用する。

ヘッダ８６内の圧縮空気には、気流に乗って下流側に向かおうとする微細な液滴が残っている可能性があるが、液滴分離器８４により液滴を分離除去してから、気相の湿り圧縮空気のみが分配用フィン流路５１に供給される。三角形の分配用フィン流路５１を経た湿り圧縮空気は、フィンピッチが小さく伝熱面積が大きなコルゲションフィン流路５４で高温の排ガスと熱交換し、約６００℃まで昇温されて、分配用フィン流路５２で向きを変え、側面の圧縮空気出口部６８から取り出される。加水装置４２と４４で多量の水分を添加した理由は、タービン１４で仕事をする作動媒体の質量流量と熱容量を増加させ、より多くのタービン出力を得るためである。添加すべき水分の上限は、排ガスから回収できる熱量によって決定される。あまり多く入れすぎると、プレートフィン式再生熱交換器で加熱した後の湿り空気の温度が低温となり、燃焼器１２に投入する燃料の消費量が増えるため、システム効率は増加しない。そのような検討の結果、本実施例では、空気の質量流量に対して合計１２％程度の加湿を想定している。

また、加水装置４２と４４で分割して加湿する理由を以下に述べる。仮にこれらを分割せずに一箇所で大量の噴霧をした場合、液滴と空気の混合状況により、低温高湿度の部分と高温低湿度の部分に分離する可能性がある。その場合、プレートフィン式再生熱交換器６０の内部で、被加熱流体である圧縮空気と加熱流体である排ガスの温度差が小さくなり、本来の熱交換作用を得られない。そこで本実施例では、加水装置４２による加湿で、流れ全体を低温で高湿度の状態としてから、加水装置４４でさらに加湿することにより、必ず低温で高湿度の、液滴を含んだ湿り空気が生成でき、プレートフィン式再生熱交換器
６０の内部で必要な熱交換が得られるのである。

プレートフィン式再生熱交換器６０の圧縮空気出口部６８から取り出した湿り圧縮空気は、燃焼器１２に供給され、燃料５０とともに燃焼し、１１００℃を超える高温の燃焼ガスとなる。このとき必要な燃料５０の流量は、圧縮空気がプレートフィン式再生熱交換器６０で加熱されているため、再生熱交換器が無い場合よりも大幅に節約でき、プラント熱効率が向上する。この高温の燃焼ガスは、タービン１４に供給され、図示しない静翼と動翼とを通過することにより、ブレイトンサイクルの膨張過程を経て、熱エネルギーが回転運動エネルギーに変換される。回転運動エネルギーは、同じ軸に連結された発電機１６を駆動し、電気エネルギーとして取り出される。膨張過程を経てタービン１４から排出される燃焼排ガスは、６５０℃以上の高温であり、プレートフィン式再生熱交換器６０の排ガス流路に供給され、前記した湿り圧縮空気の加熱に利用される。さらに、プレートフィン式再生熱交換器６０から排出された排ガスは、２００℃以上の高温であり、エコノマイザ
４９へ供給され、補給水を加熱するために利用される。エコノマイザ４９から排出された排ガスは、スタック８２に導かれ、大気中に放出される。

このように、再生サイクルガスタービンに対して、適切な量の湿分を、適切な位置に、適切な方法により注入することにより、システム全体として無駄の少ない排熱の利用が可能であり、熱出力、熱効率が向上できる。このとき、液相水の蒸発を伴う再生熱交換器の実現方法に課題があったが、プレートフィン式熱交換器を利用し、さらに、液相水の有無により伝熱面領域を区分して設置することにより、必要容積を可及的に小さくし、液相水の流動に伴う圧力損失の増加や閉塞を抑制し、液相水の蒸発に伴い発生するスケールの影響を緩和し、また蒸発せずに通過する液相水の排出手段を提供でき、伝熱面の腐食を抑制可能な再生熱交換器を提供できる。

本実施例のヘッダ８６の構造は、図１１に示すような一体の蒲鉾型であったが、図１２に示すように、コルゲションフィン流路５３の出口部分と、分配用フィン流路５１の入口部分について、それぞれ別のヘッダ８６ａ，８６ｂを設け、これらを配管で連結しても良い。その場合、液滴分離器８４は、配管の途中に設けたフランジ８７によって着脱可能とすることが可能であり、機器の保守性に優れる利点がある。一方、図１２のようにヘッダ８６ａ，８６ｂを配管で連結する場合、配管の直径によっては流体の圧力損失が大きくなる傾向があるので、システム熱効率の観点からは図１１に示す一体の蒲鉾型が有利である。

また、本実施例では、プレートフィン式再生熱交換器６０として、図１に示される構造のものを用いたが、例えば、図５に示すように、コルゲションフィン流路５３，５４を、同時にコルゲションフィン流路５６ａ，５６ｂを、それぞれ分割可能に製作しても良い。その場合は、図１３に示した鳥瞰図のように、熱交換器コアの側面部分となるサイドプレート３０やスペーサーバー３２の面に、フランジ８８を設置し、コア全体がコルゲションフィン流路５３，５４の境界部分で分割できるように製作する。フランジ８８を、図示しないボルトとナットなどで締め付けることにより、必要に応じてコルゲションフィン流路５３，５４の熱交換器コアを一体化したり、分割したりを容易にできる。被加熱流体流路である圧縮空気の流路も、図１３で示したフランジ８７により、容易に着脱可能とする。その他の構造，動作は前記図１を用いて説明したものと同様である。

図５に示すように分割可能に製作することにより、万一、コルゲションフィン流路５３がエロージョンなどにより破損した場合、比較的容易に熱交換器の交換ができ、保守費用を低減することが可能となる。一方、フランジ８７，８８を設けることが必要であるため、設備コストが高価になる傾向があり、また、これらフランジから作動流体が漏洩する潜在的可能性も内包する。

また本実施例では、コルゲションフィン流路５３が１パスだけ設けてあったが、図６に示すように、コルゲションフィン流路５３を２パスで構成してもよい。図６では、上流からコルゲションフィン流路５３ａ，５３ｂが直列に連結されており、加水装置４４ａ，
４４ｂは、それぞれ５３ａ，５３ｂの上流に設置されている。また、ドレン配管８３ａ，８３ｂは、コルゲションフィン流路５３ａ，５３ｂの下流にそれぞれ設置されている。その他の構造は、前記図１を用いて説明したものと同様である。

図１を用いて説明した実施例では、前記したように流路を直線形状だけで構成する目的から、圧縮空気が排ガスに対して直交流で熱交換するよう設置されており、熱交換流体同士が逆向きに対向する向流熱交換と比べて温度効率は低くなる。そこで図６で示す実施例では、コルゲションフィン流路５３を５３ａと５３ｂの２パスとし、液相水の蒸発に必要な熱量を容易に得られるようにした。

図６に示した構成によれば、加水装置による加湿も二段階に分かれており、上流側のコルゲションフィン流路５３ａで加熱された後に二度目の加湿がなされるため、飽和水蒸気圧が高いことから、より多量の湿分を加えることができる。また、少量ずつ段階的に加湿するため、湿度や温度の分布が均一になりやすく、過剰なドレン水の発生を抑制できる。また、図６に示した構成は、コルゲションフィン流路５３を２パスとしてあるが、さらに多くのパス数を設けることにより、さらに大量の湿分が安定して加えられることは言うまでもない。但し、複数のパス数を設けることにより、熱交換器が大型化し易く、加水装置，ドレン配管なども複数必要となり、設備コストが高価になる傾向がある。

次に、図７を用いて、本発明の別の実施例によるプレートフィン式再生熱交換器を備えた、高湿分利用ガスタービン発電システムの一実施例を示す。

本実施例のプレートフィン式再生熱交換器が、前述した図１から図６を用いて説明した実施例と異なる点は、液滴水のドレン配管８３を設けていない点と、圧縮空気と排ガスが直交流ではなく向流で熱交換する点である。

図７（Ａ）は、プレートフィン式再生熱交換器６０を左右対称に組み合わせた場合の水平断面図であり、被加熱流体流路９５の流路構成が示してある。図７（Ｂ）は、１ユニット分の加熱流体流路９６の流路構成を示す水平断面図である。被加熱流体流路９５と加熱流体流路９６は、前記実施例と同様に、チューブプレートで区画され、垂直方向に交互に積層されている。

圧縮空気入口部６６の配管に加水装置４４が設置され、分配用フィン流路５１，コルゲションフィン流路５３，コルゲションフィン流路５４，分配用フィン流路５２と順番にフィン流路が配置され、圧縮空気出口部に導かれる構成となっている。排ガス流路である加熱流体流路９６は、排ガス入口部６２から巨視的には直線形状であるコルゲションフィン流路５６を経て、排ガス出口部６４に連絡している。これら流路のフィンの仕様を表１に示す。

本実施例では、圧縮空気のコルゲションフィン流路５３，５４と、排ガスのコルゲションフィン流路５６には図４（Ａ）に示されるセレートフィン９１を使用し、分配用フィン流路５１および５２には、図４（Ｂ）に示されるプレーンフィン９２を使用する。

フィン形式をこのように選定した理由を、以下に示す。本実施例では、コルゲションフィン流路５３の下流側にドレン配管８３が存在しないため、コルゲションフィン流路５３で液滴が完全蒸発することが要求される。フィン形状がプレーンフィンの場合、液滴は気流に同伴して直進するため、液滴の噴霧状況によっては、蒸発せずにコルゲションフィン流路５３を通過する可能性がある。一方、フィン形状として、図４（Ｃ）のヘリンボーンフィンのように畝形状が蛇行したもの、あるいは図４（Ａ）のように畝の位置を半ピッチずらして連続配置したセレートフィンを用いれば、流れの向きに連続的な変化を与えることができる。その他、流れの向きに連続的な変化を与えることができるフィン形状としては、図示していないが、ルーバーフィンなどがある。

空気の流れの向きが連続的に変化する際、曲がり角では気体分子と、液滴の運動量の違いから、液滴の回転半径は大きくなり、液滴のフィン部材への衝突が促進される。フィン部材に衝突した液滴は、気流からせん断力を受けて液膜として流動する。この際、フィン部材は、加熱流体である排ガスからの熱を受け、圧縮空気の温度よりも高温である。その結果、液膜の温度は液滴の温度よりも高温となり、表面の水蒸気圧が大きくなるので、圧縮空気との蒸気圧の差が大きくなり、物質拡散量が増えることから、蒸発が促進される。発明者らは、この状況を数値シミュレーションによって検討し、定量的に確認した。数値シミュレーションの際に想定したフィンなどの条件は、前記表１に記載したものであり、噴霧する液滴の直径は、３０μｍとした。温度や流量の条件は、本実施例の高湿分利用ガスタービン発電システムのものを使用した。

図９（Ａ）は、噴霧した液滴がどこにも衝突せず、最後まで液滴として蒸発する場合の、コルゲションフィン流路５３内部での、圧縮空気温度２２，液滴温度２４，液滴流量
２０の局所的分布図である。同図の横軸は、コルゲションフィン流路５３内の位置を示しており、右端が圧縮空気の入口、左端が出口に対応する。同図の左側の縦軸は温度を示し、右側の縦軸は、全ての加水装置４０，４２，４４による加湿量を基準とした液滴の流量を相対値で示してある。図によると、液滴は、図の右の位置から左に向かって流動し、圧縮空気と液滴表面の水蒸気圧の差を拡散現象の駆動力として、圧縮空気から潜熱を奪いながら蒸発する。液滴温度２４は、圧縮空気の湿度や、物質伝達と熱伝達の比で決まる平衡液滴温度に近づく。本実施例の条件では、液滴平衡温度は１１０℃前後であり、圧縮空気の温度よりも低温となる。熱交換が進み圧縮空気温度２２が上昇するにつれ、飽和蒸気圧が大きくなるので、液滴の蒸発が続き、液滴流量２０は、コルゲションフィン流路５３の出口直前で完全に零になる。

図９（Ｂ）は、噴霧した液滴がコルゲションフィン流路５３に流入した瞬間からフィンに衝突し、液膜として下流に向かうと想定した場合の、コルゲションフィン流路５３内部での、圧縮空気温度２２，フィン温度２３，液膜温度２５，液膜流量２１の局所的分布図である。同図の縦軸と横軸の意味は、図９（Ａ）と同様であり、右の縦軸の液滴流量は、液膜流量と読み替える。液膜温度２５は、液膜表面での相変化による潜熱と、液膜と圧縮空気との強制対流伝熱の釣り合いから決まる。同図によると、液膜温度２５はフィン温度２３と、圧縮空気温度２２の間の温度となり、図９（Ａ）の液滴温度２４よりも高温であるため、液膜表面の水蒸気圧が大きくなる。蒸発現象は、湿り圧縮空気と液膜表面の水蒸気圧の差を拡散の駆動力として起こるため、図９（Ａ）の液滴蒸発と比較して蒸発速度が速く、液膜は、コルゲションフィン流路５３のほぼ中央付近で完全に蒸発する。

本実施例では、前記した数値シミュレーションの結果を鑑み、コルゲションフィン流路５３，５４には、液滴の蒸発を促進させる目的で、液滴をフィンに衝突させて液膜状態とするために、空気の流れの向きに連続的に変化を与える形状のフィンを選択した。排ガスのコルゲションフィン流路５６にセレートフィン９１を使用した理由と、分配用フィン流路５１，５２にプレーンフィン９２を使用した理由は、前記実施例と同様である。

コルゲションフィン流路５３のフィンピッチを大きくした理由は、前記実施例と同様、液滴のブリッジ生成を防ぐためである。セレートフィンは、隣接するフィン列を１／２ピッチずつずらして配置するため、その部分が最も狭隘となり、その狭隘部分の幅が前記実施例で求めた毛管長さ程度になることを考慮して、フィンピッチを毛管長さの約２倍の５mmとしてある。また、この部分のフィン厚さは、耐エロージョン性を考慮して厚くするほうが望ましいが、前記実施例と異なり複雑な形状のセレートフィンであるため、プレス加工の容易さを考慮して０.３mmとした。

また、コルゲションフィン流路５３と５４を区分する分割温度であるが、本実施例の条件では、約２２０℃とした。この温度条件は、ガスタービンシステムの圧力比，圧縮空気への湿分の注入割合などにより異なるので、決定根拠を以下に示す。ガスタービンシステムなどの仕様が本実施例と異なる場合でも、以下の方法で最適な分割温度を決定できる。

まず、コルゲションフィン流路５３の流れ方向長さを、例えば１０通り仮定する。次に、それぞれの仮定した長さに対し、コルゲションフィン流路５４の長さをいくらにすれば全体として必要な交換熱量が得られるかを計算する。それぞれの場合について、コルゲションフィン流路５３と５４の境界での湿り圧縮空気の温度を求め、さらに、同境界でコルゲションフィン流路５３からコルゲションフィン流路５４へ流出する液滴の流量を求める。その数値の関係を示したものが図１０（Ａ）である。図１０（Ａ）によると、分割温度を約２２０℃にすれば、コルゲションフィン流路５３から液滴は流出しないことが判る。また、図１０（Ｂ）は、分割位置での温度と、必要な交換熱量を得るためのコルゲションフィン流路５３，流路５４の長さと、全体の長さの関係を示している。分割する境界の温度が高い場合、フィンピッチの大きいコルゲションフィン流路５３が長くなり、フィンピッチの小さいコルゲションフィン流路５４の流路が減るため、全体としては長くなることが判る。このため、なるべく全体を小さくするためには、分割温度は、２２０℃を大きく超えない温度が望ましい。

一方で図１０（Ｂ）は、分割温度を高くしても、全体サイズの増加は比較的緩やかであるという知見も与える。そのようになる理由を、以下に示す。流体の密度が大きい圧縮空気の熱伝導度は、排ガスの熱伝導度よりも大きい。そのため、排ガスから圧縮空気までの伝熱経路全体に着目すると、排ガス側の強制対流熱伝達率よりも、圧縮空気側の強制対流熱伝達率が大きくなる傾向がある。その結果、全体の熱抵抗のうち主要な部分を占めるのは、排ガス側の熱抵抗となる。その状況では、全体に占める割合が小さな圧縮空気側の熱抵抗を変化させても、全体の熱抵抗に及ぼす影響は小さい。即ち、圧縮空気側のフィンのピッチを大きくしても、全体の伝熱性能に及ぼす影響は小さいのである。従って、分割温度を高くして、全部のフィンを、フィンピッチの大きい流路で構成しても、本実施例の効果は殆ど失われずに実施可能である。これは、コルゲションフィン流路５３とコルゲションフィン流路５４の両方をフィンピッチの大きい流路で構成した場合と等価である。

従って、コルゲションフィン流路５３のフィンピッチが前述した「液相水の架橋しない条件」を満たしていれば、コルゲションフィン流路５４のピッチとコルゲションフィン流路５３のピッチの大小関係は、必ずしも第１の領域に設置されたフィン部材のピッチを第２の領域のものより大きくするという関係を満たす必要は無いのである。また、コルゲションフィン流路５３，５４の区分は、液相水の有無で決まる機能上の区分であるので、構造上はこれらが全く同一形状，同一寸法，同一材料のフィンで構成されても良い。コルゲションフィン流路５４のピッチをコルゲションフィン流路５３と同一にした場合の利点は、熱交換器の製造時に、領域ごとに異なる仕様のフィンの製作と組み立てが不要であり、製造が単純化され、低コスト化できる可能性があることである。また、コルゲションフィン流路５４のピッチが大きい場合、流れ方向の温度勾配が緩やかになるので、熱交換器コアに作用する熱応力の面では有利になる。

また、この図１０（Ａ）の計算は液滴の蒸発だけを考慮しているが、途中で液膜に移行した場合はさらに蒸発完了位置が手前側になるので、分割温度を２２０℃以上にすれば、コルゲションフィン流路５４に液膜が流出することは無い。

その他の部分の仕様決定方針は前記実施例と同様である。このプレートフィン式再生熱交換器６０を利用した、高湿分利用ガスタービン発電システムの構成は、ドレン配管８３が省かれることにより循環ポンプ８１が省かれることを除いて、前記実施例と同様である。

次に、図７を用いて、本実施例におけるプレートフィン式再生熱交換器６０の動作を説明する。

圧縮空気入口部６６から供給される圧縮空気は、加水装置４４によって、微細な液滴を噴霧される。この噴霧では、噴霧した位置における温度での飽和水蒸気圧を超える湿分が噴霧されるので、全量が蒸発することは出来ず、一部は液滴状態のまま、分配用フィン流路５１に流入する。分配用フィン流路５１の途中で、圧縮空気は加熱され、飽和水蒸気圧が大きくなるとともに、液滴は圧縮空気から熱を奪って表面から蒸発し、液滴径が小さくなり、一部は完全蒸発する。完全蒸発しない液滴は、分配用フィン流路５１の出口で、コルゲションフィン流路５３に向かって、直角に流れの向きが変えられる。この時、曲がり角付近のコルゲションフィン流路５３では、液滴の一部はフィンに衝突し、液膜となる。液膜は、圧縮空気流れのせん弾力を受けて流動し、圧縮空気が伝熱面との強制対流熱伝達により加熱され、飽和水蒸気圧が大きくなるにつれ、液膜表面から徐々に蒸発し、最終的にはコルゲションフィン流路５３の内部で完全蒸発する。液膜にならなかった微細な液滴は、圧縮空気と同伴して流動し、加熱により圧縮空気の飽和水蒸気圧が大きくなるにつれ圧縮空気から熱を奪って液滴表面から蒸発し、液滴径が小さくなり、最終的にはコルゲションフィン流路５３の内部で完全蒸発する。

コルゲションフィン流路５３で加熱され、液相水が完全蒸発した湿り圧縮空気は、フィンピッチが小さく伝熱面積が大きなコルゲションフィン流路５４で高温の排ガスと熱交換し、約６００℃まで昇温されて、分配用フィン流路５２で直角に向きを変え、側面の圧縮空気出口部６８から取り出される。これ以降の、高湿分利用ガスタービン発電システムの動作は、前記実施例と同様である。

本実施例の特徴として、圧縮空気と排ガスが向流で熱交換できる点がある。これは前記実施例のコルゲションフィン流路５３が直交流であるのと比較して、温度効率が向上する利点がある。また、途中にドレン配管８３が不要であり、全体の形状が通常のプレートフィン熱交換器と類似しているため、製造上の課題が少ないのが利点である。

一方、図７のプレートフィン式再生熱交換器６０を用いた場合には、コルゲションフィン流路５３に導かれる前に分配用フィン流路５１を経由するため、曲がり角付近に液膜が多く発生し、コルゲションフィン流路５３の温度分布が不均一になる可能性を述べた。これに対処するためには、設計の際に、余裕を持った伝熱面積を計画するなどの配慮が必要である。

本実施例では、図７のプレートフィン式再生熱交換器６０の替わりに、図８のプレートフィン式再生熱交換器６０を構成しても良い。図８（Ａ）は、プレートフィン式再生熱交換器６０のブロックを左右対称に組み合わせた場合の水平断面図であり、被加熱流体流路の流路構成が示してある。図８（Ｂ）は、１ユニット分の加熱流体流路９６の流路構成を示す水平断面図である。これらの流路が交互に積層されて構成される点は、図７の場合と同様であるが、図７の場合と異なる点は、図８（Ａ）に示すように、圧縮空気入口部６６から供給される圧縮空気が、分配用フィンを経由せずに、ほぼ直線的にコルゲションフィン流路５３に流入するよう構成されている点である。一方、排ガス側の流路に関しては、図８（Ｂ）に示すように、排ガス入口部６２から排ガスを導入するコルゲションフィン流路５６の下流側に、分配用フィン流路５７が設置され、流れの向きを変えることにより、熱交換器ブロックの側面に開口した排ガス出口部６４から排ガスを取り出す構成となっている。排ガス出口部６４は、閉止部材９８とダクト９７によって形成された空間に接続され、この空間は、図８には示されないエコノマイザ４９の排ガス導入部へと接続される。

図８の場合の動作が、図７の場合の動作と異なる点は、液滴を含む湿り空気が、分配用フィンを経由せずに直線的にコルゲションフィン流路５３に流入するので、流路の幅方向に関して、温度分布と、液滴あるいは液膜の分布が均一となり、流れ方向のほぼ同じ位置で液相水の完全蒸発が達成される点である。また、排ガス流路に関しては、コルゲションフィン流路５６の下流側に設置した分配用フィン流路５７により、流れの向きが直角に変えられる。そのため、排ガス側の圧力損失は、図７の場合よりも大きくなる。

前記した２つの実施例では、補給水は外部から調達することを前提としたが、湿分を多量に含む排ガスから湿分を回収し、再利用する形態でもよい。その場合は、水資源に制約がある場所にも本実施例の高湿分利用ガスタービン発電システムを設置できるという利点がある。但し、水回収設備の設備コストが掛かる点と、水回収に必要な動力と熱エネルギーのため、発電効率が低下する点は避けられない。

また、本発明の実施例では、空気への加水方法として、全ての加水装置４０，４２，
４４において、微細な水滴を空気中に噴霧する方式を想定したが、加水装置４０に関しては、濡らした加湿材表面から水分を蒸発させて加湿する方式，超音波振動子により加湿する方式などが可能である。加水装置４２に関しては、充填物表面を流下する液膜による加湿や、排熱で生成した水蒸気の注入による加湿方式などが可能である。但し、充填物表面を流下する液膜による加湿は、充填物を格納する圧力容器が必要となり、水蒸気の注入は、熱エネルギーを消費するため、発電効率の低下につながる。

また、加水装置４０または加水装置４２の一方が無い場合にも、本発明は適用可能である。ただし、加水装置４０が無い場合、圧縮機１０が吸入する空気を冷却することができないため、圧縮機の動力削減が出来ず、発電効率を向上させる効果が減少する。また、加水装置４２が無い場合、加水装置４４で注入する湿分の比率が大きくなり、液相水をコルゲションフィン流路５３に均一に分配するための条件が、より厳しくなる。理由は、加水装置４２が無い場合には、圧縮空気入口部６６に供給される圧縮空気の温度は排ガス温度よりも高温であり、液滴の分配不均一により加湿されない領域の圧縮空気は高温のままコルゲションフィン流路５３に流入して、熱交換に寄与しない領域が発生するためである。

以上説明したプレートフィン式再生熱交換器により、湿分を多量に含む圧縮空気を加熱するために必要な熱交換器の機器コストを安価とし、熱交換器の容積を可及的に小さくできる。液相水の流動に伴う圧力損失の増加や閉塞を抑制し、液相水の蒸発に伴い発生するスケールの影響を緩和し、また液滴の蒸発を促進し、蒸発せずに通過する液相水の排出手段を提供することにより、伝熱面の腐食を抑制可能な再生熱交換器を提供することができる。このプレートフィン式再生熱交換器を利用することにより、発電効率が高い高湿分利用ガスタービン発電システムを提供することができる。

本発明の一実施例であるプレートフィン式再生熱交換器の水平断面図。 高湿分利用ガスタービン発電システムの概略図。 プレートフィン式再生熱交換器の組み合わせ水平断面図。 プレートフィン式熱交換器の概略図。 プレートフィン式再生熱交換器の水平断面図。 プレートフィン式再生熱交換器の水平断面図。 プレートフィン式再生熱交換器の組み合わせ水平断面図。 プレートフィン式再生熱交換器の組み合わせ水平断面図。 プレートフィン式再生熱交換器内部の温度および液相水分布の計算結果。 プレートフィン式再生熱交換器の分割温度と液滴排出量の関係。 プレートフィン式再生熱交換器の鳥瞰図。 プレートフィン式再生熱交換器の鳥瞰図。 プレートフィン式再生熱交換器の鳥瞰図。

符号の説明

１０…圧縮機、１２…燃焼器、１４…タービン、１６…発電機、２０…液滴流量、２１…液膜流量、２２…圧縮空気温度、２３…フィン温度、２４…液滴温度、２５…液膜温度、３０…サイドプレート、３２…スペーサーバー、３６…二相式再生熱交換器、３８…単相式再生熱交換器、４０，４２，４４…加水装置、４８…補給水供給管、４９…エコノマイザ、５０…燃料、５１，５２，５７…分配用フィン流路、５３，５４，５６…コルゲションフィン流路、６０…プレートフィン式再生熱交換器、６２…排ガス入口部、６４…排ガス出口部、６６…圧縮空気入口部、６８…圧縮空気出口部、７０…集合配管、７２…空気配管、８０…補給水ポンプ、８１…循環ポンプ、８２…スタック、８３…ドレン配管、８４…液滴分離器、８５…噴霧ノズル、８６…ヘッダ、８７，８８…フランジ、９０…チューブプレート、９１…セレートフィン、９２…プレーンフィン、９３…ヘリンボーンフィン、９５…被加熱流体流路、９６…加熱流体流路、９７…ダクト、９８…閉止部材。

Claims (10)

1. 燃焼排ガスにより液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するプレートフィン式再生熱交換器において、前記圧縮空気の流路を形成するフィン部材のピッチをラプラス長さに設定したことを特徴とするプレートフィン式再生熱交換器。
2. 燃焼排ガス流路と圧縮空気流路をチュ−ブプレートで区画し、前記燃焼排ガスにより液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するプレートフィン式再生熱交換器において、前記圧縮空気の流路を形成するフィン部材のピッチ及びフィン部材の高さを、前記圧縮空気に含まれる液相水が隣接するフィン間あるいはチューブプレート間で表面張力により架橋状態を形成しない間隔に設定したことを特徴とするプレートフィン式再生熱交換器。
3. 燃焼排ガスにより液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するプレートフィン式再生熱交換器において、
   前記再生熱交換器を、液相水を含む湿り圧縮空気を加熱する第１の領域と、該第１の領域で前記液相水が蒸発した湿り圧縮空気を加熱する第２の領域によって構成し、前記第１の領域に設置するフィン部材のピッチをラプラス長さに設定したことを特徴とするプレートフィン式再生熱交換器。
4. 熱交換器コアの上面及び下面に設けられるサイドプレート部材および圧縮空気流路と燃焼排ガス流路の端部に設けられるスペーサー部材、或いは熱交換器コアを内包するカバー部材は、熱交換器コアを前記第１の領域と第２の領域の境界で切り離し可能な継手を備えていることを特徴とする請求項３に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
5. 前記プレートフィン式再生熱交換器を流通する圧縮空気の流路は、前記第１の領域における流路を巨視的に曲がり部を持たないことを特徴とする請求項３に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
6. 前記プレートフィン式再生熱交換器を流通する圧縮空気の流路は、前記第１の領域の下流側のいずれかの部分に、圧縮空気に同伴された液相水を熱交換器の外部へ導く配管流路を備えること特徴とする請求項３に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
7. 前記プレートフィン式再生熱交換器を流通する圧縮空気の流路は、前記第１の領域の下流側のいずれかの部分に、圧縮空気に同伴された液相水を捕集して分離する分離装置を備えること特徴とする請求項３に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
8. 前記第１の領域に配置される圧縮空気流路のフィン部材は、流れの向きに連続的な変化を与えて、圧縮空気に同伴される液滴がフィン部材へ衝突することを促進させる形状としてことを特徴とする請求項３に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
9. 前記フィン部材は、畝形状が蛇行した形状、または畝の位置を半ピッチずらしたフィンを連続配置したものであることを特徴とする請求項８に記載のプレートフィン式再生熱交換器。
10. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で生成する燃焼ガスにより駆動されるタービンと、該タービンから排出された排気ガスと前記圧縮機から燃焼器に供給される圧縮空気と熱交換する再生熱交換器と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気に液相水を供給する加水装置とを備えたガスタービン発電システムにおいて、
    前記再生熱交換器は燃焼排ガスにより液相水を含む湿り圧縮空気を加熱するプレートフィン式再生熱交換器であって、前記圧縮空気の流路を形成するフィン部材のピッチをラプラス長さに設定したことを特徴とするガスタービン発電システム。
    

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