JP2005282392A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
ガスタービンシステムに用いる管加湿器の圧力損失と混合効果を両立させる。
【解決手段】
入口部がなだらかな曲面のオリフィス３０を採用して低圧損化を図り、そのオリフィス３０裏面に旋回羽３５を設置して配管２８内の圧縮空気流の一部に旋回力を与えて噴霧水滴と圧縮空気との混合を促進する。水量の異なる噴霧ノズル５００を多数設置し、噴霧及び停止、また、噴霧圧力調整を弁３９，４１の操作で制御し、噴霧水量を調節し、加湿負荷変更時の負荷変動を小さくする。オリフィス３０の下流側の影になる位置で管中央部付近まで噴霧ノズル５００を挿入する。これに、噴霧ノズル５００の水没と圧縮空気流に直接曝されることを防止して噴霧ノズル５００の破損を回避する。この噴霧ノズル５００は最大径が約９mmで、噴霧水量が約１Ｌ／min のノズルで噴霧水滴径が２０μｍ以下、また、噴霧水量が約２〜３Ｌ／minのノズルで噴霧水滴径が３０μｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに係わり、特にガスタービン発電システムに湿分を添加し、増出力及び高効率を達成するシステム構成に関する。

ガスタービンシステムの圧縮機からの高温空気に噴霧ノズルで水分を添加し加湿する方法に関する従来技術として、圧縮機と再生熱交換器（以後、再生器と称す）を繋ぐ配管途中に、高温水をノズルで噴霧し、蒸発させる空洞加湿器を保有するガスタービンシステム構成と、その空洞加湿器での未蒸発水を回収して、その水を再利用する噴霧システム構成の記載がある（例えば特許文献１参照）。

更に、ガスタービンシステムの圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を設置し、噴霧水を高温として縦置空洞加湿器に多数のノズルから温水を噴霧し、対向流状態で熱交換する構造の記載がある（例えば、特許文献２参照）。

ガスタービンシステムの圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を、また、ガスタービン排ガスで噴霧水を加熱する熱交換器を設置し、噴霧水を高温として充填物がある大型増湿塔に温水を噴霧し、圧縮機からの高温空気に加湿する構造が記載されている（例えば、特許文献３参照）。

上記ガスタービンシステムにおいて、加湿システムを構成するためには１流体で大量の微細水滴（ＳＭＤ：３０μｍ以下）を噴霧するノズルが必要となるが、大量の微細水滴を噴霧できる市販ノズルはない。国内では共立合金製の「もやノズル」があるが、その性能は、噴霧圧力７ＭＰａで、噴霧水滴径が算術平均で１６μｍ(ＳＭＤで約２５μｍに相当)で、水量が０.１２５Ｌ／minと少ない（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、［ＳＭＤ］とは、レーザでの水滴径計測で用いられる噴霧水滴径を表す指標でザウター平均粒径（Sauter mean diameter）である。

特開２０００−２８２８９４号公報 特開２００２−１３８８５２号公報 特開２００３−３８６１号公報 (株)共立合金製作所の製品カタログ、「モヤスプレーノズルＭ19」

ガスタービンシステムの圧縮機からの高温空気に噴霧ノズルで水分を添加し加湿する方法に関する従来技術として、空洞加湿器では、高温空気と噴霧水滴の強制的な混合が行われないため、熱交換効率が低く、効率的な蒸発が得られない。噴霧した水滴を完全蒸発させるためには、管径を大きくするか、または、管長を長くして滞留時間を長くする必要がある。したがって、大型化，コスト高となる。また、空洞加湿器では、効率的な蒸発が得られないことから、未蒸発水が発生する。この未蒸発水への熱移動により空洞加湿器がガスタービン発電システムに採用された際には発電効率低下が発生する。

空洞加湿器の欠点である低熱交換効率を上げるものとして、充填物を保有する増湿搭があるが、大型化，コスト高となる。また、重点物を入れることで、熱容量が大きくなることから、放熱量が増え高温空気の熱エネルギーの有効利用が減少する欠点が新たに発生する。

上記した空洞加湿器及び充填物を保有する増湿搭では、容量が大きくなることから、負荷変更時の応答が遅くなる。したがって、負荷変更時の加湿制御に時間を要することから、ガスタービンの運転制御に支障をきたすことがある。

圧縮機と再生熱交換器を繋ぐ配管途中に設置する管加湿器では、大量の噴霧水滴を噴霧する高性能なノズルが必要となる。ノズルの条件は、管加湿器となる部分のスペースが少ないこと、また、大量の水量を注入することから、小型大流量のノズルが必要となる。また、噴霧水滴を瞬時に蒸発させることから、微細水滴噴霧ノズルであることが必要となる。さらに、高温・高圧空気の高流速場に設置することから、頑丈な構造を有するノズルである必要がある。国内で市販されているノズルとしては、前記した「もやノズル」があるが、水量が０.１２５Ｌ／minと少なく、小型の３ＭＷ級ガスタービンシステムを例にとると、定格噴霧水量が４２Ｌ／min で、ノズル個数は３３６個となり、コスト面及び構造的に取り付けが不可能である。さらに、このノズルはピンターゲットノズルであり、高温・高圧空気の高流速場に設置するには構造・強度的な課題を解消して使用しなければならない。

本発明の目的は、ガスタービンシステムの圧縮機と再生熱交換器を繋ぐ圧縮空気の流路途中に設置する加湿手段を、コンパクト，高性能にすることである。

本発明は、燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す第１の管路と、前記第１の管路内に液体を噴霧する噴霧ノズルを有する加湿手段と、前記噴霧ノズルの位置よりも上流側に設けられたオリフィス又は圧縮空気を旋回させる旋回羽と、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を含む前記圧縮空気を前記燃焼ガスで加熱する再生熱交換器と、前記再生熱交換器で加熱された前記圧縮空気を前記燃焼器に導く第２の管路とを有するガスタービンシステムである。

本発明によれば、ガスタービンシステムの圧縮機と再生熱交換器を繋ぐ管路途中に設置する管加湿手段で、ガスタービンのコンパクト，高性能を達成することができる。

ガスタービンシステムの圧縮機と再生熱交換器を繋ぐ空気流路（配管）途中に、その空気流路内へ液体（水）を噴霧する多数の噴霧ノズルを取り付け、その上流に混合用のオリフィスを設けてオリフィスの下流でオリフィスで縮流された圧縮空気と噴霧水滴との混合作用を効率よく得るようにした。そのため、大形の加湿手段を管路途中に介在しなくともよく、タービンシステムをコンパクト且つ高性能に仕上げれる。管加湿器は噴霧ノズルとオリフィスと縮流された圧縮空気の周りを囲む管路から構成される。

このような管加湿器でも整理すると以下の課題（１）〜（４）が存在している。
（１）オリフィスの圧力損失とオリフィスによる混合効果は、トレードオフの関係にあり、オリフィス径を小さくして大きな混合効果を得る場合は、圧力損失が大きい。
（２）複数のノズルをヘッダーに取り付け同時噴霧する構造とした場合、同時噴霧水量が多く、加湿負荷変更時の負荷変動が大きい。
（３）管内での噴霧ノズル先端位置が管壁に近いと、オリフィス板裏側の下部に溜まる水に没する。
（４）国内で市販されているノズルでは、管加湿器には不向きである。

本発明の管加湿器構造の実施例では、前記（１）〜（４）の課題を解消する手段が含まれている。

即ち、課題（１）を解決する管加湿器構造としては、混合用オリフィスとして入口部を４０Ｒ程度のなだらかな曲面（断面表示ではなだらかな曲線）を描く縁取りと成る形状を採用してオリフィスの低圧損化を図り、さらに、オリフィス裏面に圧損がさほど増えないように、オリフィス流路に突き出す形で４枚の旋回羽を３０°傾けて設置し、空気流の一部に旋回力を与え、その旋回力をオリフィス単体でも発生する旋回流に加えることで大きな混合効果を得る。これによって、圧損と混合効果のトレードオフ関係を打破する。

課題（２）を解決する管加湿器構造としては、設置ノズル全数で定格噴霧水量を賄うように水量の異なるノズルを単独系統で多数設置し、個々のノズルからの噴霧水は弁の開閉で注入し、また、噴霧圧力を噴霧水滴径が安定する５ＭＰａ〜９ＭＰａの間で制御することで水量を微調整する。これによって、部分負荷運転制御及び加湿負荷変動時の素早い対応を行う。これによって、システム全体の安定制御が確保できる。

課題（３）を解決する管加湿器構造としては、オリフィス板の影になる位置で、減圧域内管中央部付近までノズルを挿入する。これによって、ノズルの水没を回避でき、また、オリフィス板の影になる位置とすることで、空気流に直接曝されることがなく流動振動での破損を回避できる。

課題（４）を解決する管加湿器構造としては、その管加湿器で使用する大量の微細水滴（ＳＭＤ：３０μｍ以下）を噴霧するノズルとして、この発明の発明者の一部が発明して特願２００２−３１９４４３号で出願した霧化ノズルが採用される。このような霧化ノズル（特願２００２−３１９４４３）は最大径が約９mmと小型で、頑丈で熱影響も無い構造であり、管加湿器内への設置に向いている。その性能は、噴霧水量が約１Ｌ／min のノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ以下である。また、噴霧水量が約２〜３Ｌ／min のノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下である。これらのノズルを用いて３ＭＷ級ガスタービンシステムで必要になる噴霧水量を賄うノズル数は、１４個で、設置スペースも狭くて良く、管加湿用ノズルとして有効である。なお、前記した「もやノズル」と比較すると、約１／２１の個数となる。

本発明の高湿分ガスタービン発電用管加湿器構造について、図示の実施形態により詳細に説明する。ここで、図１は本発明の管加湿器を設置した高湿分ガスタービンシステムの全体構成図、図２は本発明の管加湿器の構造図及び流動状況模式図、図２（ｃ）は管加湿器内の減圧域の圧力指示図、図３は管加湿器に用いる本発明のオリフィス形状図、図４は本発明のオリフィスに設置する旋回羽の取付け詳細図、図５は本発明のノズル取付方法の詳細図、図６は本発明の管加湿器に使用するノズル構造の詳細図、図７は本発明で使用するノズルの水量をパラメータとした場合の水滴径分布図、図８は本発明で使用するノズルの流量特性図、図９は４種類のオリフィスの圧力損失指示図、図１０は（Ａ），（Ｂ）オリフィスの流路形状図、図１１は４種類のオリフィスによる限界加湿割合指示図、図１２は（Ｂ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図、図１２（ｃ）は（Ｂ）オリフィスの流路形状図、図１３は（Ｄ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図、図１３（ｃ）は（Ｄ）オリフィスの流路形状図、図１４は（Ａ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図、図１４（ｃ）は（Ａ）オリフィスの流路形状図、図１５は（Ｃ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図、図１６は噴霧系統制御による全体加湿割合指示図である。

まず、図１に示す本発明の管加湿器を設置した高湿分ガスタービンシステムの全体構成を説明する。

通常ガスタービンの基本構成は、空気室１，圧縮機２，燃焼器３，ガスタービン４，発電機５，発電端６、及び燃料供給系１００で構成され、空気室１を通じて吸い込んだ空気は圧縮機２で昇温昇圧されて圧縮空気として図１の白抜き矢印の方向に送られて再生器
１１でガスタービンの排熱を利用して圧縮空気の温度を上昇させてから燃焼器３へ供給される。燃焼器３ではその圧縮空気と燃料供給系１００から供給された燃料が混合されて燃焼し、燃焼器３の燃焼ガスが排ガスとして再生器１１と給水加熱器１４の熱供給源として通過して排出される。湿分を添加するガスタービンシステムでは、加湿システムとして、圧縮機２から吐出する高温高圧空気を加湿して加湿空気２１とする管加湿システム２００を有する。その管加湿システム２００の管加湿器４００部分は、圧縮機２から再生器１１の再生器上流ヘッダ−２２へ圧縮空気を送る配管２８の途中に設けられる。その配管２８はその圧縮空気の流路とされる。このような管加湿システム２００を有するガスタービンシステムは高湿分ガスタービンシステムと称せられる。

管加湿器４００を有する高湿分ガスタービンシステムでは、圧縮機２から吐出する高温高圧な圧縮空気を加湿して加湿空気２１とする管加湿システム２００で高湿分を添加できる構成となっている。この管加湿システムへの噴霧水の供給は、噴霧水供給タンク７，高圧ポンプ８，水処理装置９で構成される共通設備３００から供給される。この共通設備
３００では、高圧ポンプ８からの吐出圧力（Ｐ０）をバイパス弁１０で規定の圧力に制御される。

以下、本発明による管加湿システムを説明する。

図１に示すように圧縮機２と再生器１１を繋ぐ配管２８内に噴霧し、圧縮機２からの高温高圧吐出空気１２に加湿する管加湿システム２００は、共通設備３００から噴霧水の供給を受け、分岐点１３で二手に別れ、一方は給水加熱器１４を経由して三方弁１５に入る。もう一方は、分岐点１３から直接三方弁１５に入る。この三方弁１５で混合され温度調節された水は、フィルター１６，流量計１７，噴霧系統選択弁１８を経由して、管加湿器４００にある噴霧ノズル５００から微細水滴となり噴霧される。この三方弁１５では、温度が違う２流体の混合を行い、下流の温度計１９（Ｔ１），流量計１７（Ｆ１）の信号により温度，流量が調整される。この混合された流体の温度は１５０℃程度に調整され、圧力は圧力計２０（Ｐ１）で監視される。管加湿器４００で加湿された加湿空気２１は再生器上流ヘッダー２２を経由して再生器１１に注入され、ガスタービン４の排ガス２３により温度回復がなされ、再生器下流ヘッダー２４を経由して燃焼器３に流入する。この管加湿器４００に過剰水を噴霧した場合には蒸発できない水量が発生する。この蒸発できない水量は、計量タンク２５に流入し、レベル計２６で計測する。計量タンク２５に溜まった水は弁２７で外部に排出され、水処理されて再利用される。

本発明による管加湿器４００の詳細について図２を用いて説明する。この図には、管加湿器の構成と流動状況を示している。また、上部の図２の（ｃ）には、オリフィス下流で発生する減圧域２９の圧力分布を示している。

ここでは、まず圧縮機２からの高温高圧吐出空気１２の流れについて説明する。高温高圧吐出空気１２は左の矢印のように流れ、入口部をなだらかな曲面（断面で見ると曲線）としたオリフィス板３０の流路に流入し、縮流３１となりオリフィス３０下流に噴出される。この噴出空気はオリフィス３０近傍ではオリフィス３０流路径と同等の径で噴出するが、オリフィス３０から離れるにしたがい広がり管内圧力分布が均等となる。この縮流
３１が形成される所の管壁部では、図２の（ｃ）に示すような減圧域２９が形成される。この減圧効果で一部の空気が戻り流３２となりオリフィス３０側に戻され、管壁沿った旋回流３３を形成し混合状態となる。

オリフィス３０径が小さい場合、圧損が大きく、オリフィス３０からの噴出流の全圧も大きくなることから、減圧域２９の圧力が大きく低下し、戻り流３２が多く、旋回流３３の旋回力も大きくなり、混合が促進されることになる。

また、オリフィス３０径が大きい場合、圧損が小さく、オリフィス３０からの噴出流の全圧も小さくなることから、減圧域２９の圧力がさほど低下しなくなり、混合が促進されないことになる。つまり、オリフィス３０の圧損と混合効果はトレードオフの関係にあり、圧損を小さくすると混合も促進されないことになる。

ガスタービンシステムでの要求仕様は、圧力損失が大きくなると効率が低下することから、圧損が小さく（１０ＫＰａ以下）て混合蒸発が効率よくできる管加湿器である。したがって、このトレードオフ関係を打破する必要がある。本発明では、このトレードオフ関係を打破する策として、オリフィス３０裏側に一部の空気流に旋回流３４を与える旋回羽３５を設置し、減圧効果で発生する旋回流３３を補助することで混合を促進することにした。

ここに記したオリフィス３０と旋回羽３５を一体構造とした低圧損混合促進オリフィスの詳細を図３，図４に示す。ここで、旋回羽３５はオリフィス３０から噴出する空気流の一部に旋回力を与えるもので、旋回羽３５の寸法は以下のようにした。

Ｈ＝１.２５Ｌ１ …（１）
Ｌ１＝０.１４３Ｄ …（２）
Ｌ２＝１.２５Ｌ１ …（３）
θ１＝３０°，θ２＝２０°
また、オリフィスのＲは４０Ｒとした。

次に、図２に戻り微細水滴噴霧系について説明する。噴霧した水を瞬時に蒸発させ、空気に湿分を添加するためには、微細水滴３６を噴霧する系統が必要となる。本発明による噴霧水３７は、給水加熱器１４を経由して三方弁１５に入り、混合温度調節され、ヘッダー３８に入り、個々の噴霧ノズル５００に開閉弁３９，フィルター４０を経由して供給される。噴霧水３７の供給圧力は、圧力計（Ｐ１）２０で計測され、逃がし弁４１を制御してコントロールされる。

図５には、管加湿器４００へのノズル取付部のＢ部詳細を示す。噴霧ノズル５００への配管は、中間フランジ４２にスウェージロック４３で固定され、その中間フランジ４２を締付けフランジ４４で挟みボルト・ナット４５で固定する。このような構造とすることで、噴霧ノズル５００のメンテナンスが容易にできることになる。

図６に噴霧ノズル５００の構造の詳細を示す。このノズルは、先に開発した霧化ノズル（特願２００２−３１９４４３）である。ノズル５００は、高圧水導入管５０１，噴出口５０２と傾斜ターゲット５０３を有するノズル先端部品５０４及びカバー５０５から構成され、高圧水５０６を噴出させ、前方の傾斜ターゲット５０３に衝突させることで微細水滴３６を得るものである。このような構造とすることで、以下の特徴がある。
（１）複数個の噴出口５０２を設けることで小流量から大流量まで自由な流量範囲を設定できる。
（２）噴出口５０２から高圧水を噴出し、傾斜ターゲット５０３に衝突させることで微細水滴３６を得ることができる。
（３）噴出口５０２から高圧水を噴出し、個々の傾斜ターゲット５０３に衝突させる構造とすることで噴霧水滴間に隙間５０７ができ、噴霧水滴中央部への外気の流通が形成されることから、噴霧水滴中央部での減圧が回避され高温・高圧雰囲気で噴霧範囲が縮小する現象（コーンコラップス現象）が発生しない。
（４）このような構造とすることで、ノズルの小型化が達成できる。実製作では、ノズル最大径が９mmである。

ノズル５００はこのような特徴があることから、高湿分ガスタービンシステムの湿分添加ノズルとして有効なノズルである。

図７，図８にノズル５００の噴霧特性を示す。図７は噴霧水量が１，２，３Ｌ／min のノズル５００による噴霧水滴径分布を示すものである。ここで、各ノズルの噴出圧力は７ＭＰａである。これから、このノズルの特徴は、従来技術に示した「もやノズル」より約１０倍の噴出水量となる１Ｌ／min ノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が２０μｍ以下であること、２，３Ｌ／min ノズルで噴霧水滴径［ＳＭＤ］が３０μｍ以下であることが分かる。これらの噴霧水滴径は、いずれのものも管加湿器用として使用した場合瞬時蒸発が可能なものである。なお、これらの特性を得る噴霧圧力は、５ＭＰａ以上である。

図８は、噴霧圧力−流量特性を示すものである。ここで、記号（１）に示すノズルは通称３Ｌ／minノズルで、（２）は通称２Ｌ／minノズルで、（３）は通称１Ｌ／min ノズルである。本発明に使用する高圧ポンプ８は、市販ポンプで吐出圧力が最大１０ＭＰａとし、噴霧圧力は圧力損失を考慮して、９ＭＰａまでとした。これによって、微細水滴がえられる使用範囲は噴出圧力が５〜９ＭＰａで、水量変化は７ＭＰａを定格とした場合±１５％であることがわかる。このことは、噴霧量を定格で設定してノズル数を決定すると、噴霧圧力制御で±１５％の流量を制御できることを意味している。また、上記した３種類のノズルを組合わせることで、幅広い流量範囲に対応できる。なお、これらのノズルは、従来技術に示す「もやノズル」と比較して、水量は１０〜３０倍となる。

以上、上記には、図２をベースに本発明の管加湿器構造を示したが、以後においては、本発明の管加湿器に採用したオリフィス３０と旋回羽３５を一体構造とした低圧損混合促進オリフィスの性能について記する。

管加湿器において、最も重要な課題は、トレードオフ関係にある圧力損失と混合力である。まず、圧力損失について、以下に記する。

図９に３種類のオリフィスについての圧力損失を示す。ここで、（Ａ）はオリフィスエッジ形状が図１０に示すもので、配管２８とオリフィス開口部の面積比（開口面積比）が０.２３での圧力損失を、（Ｂ）は（Ａ）同様のオリフィスエッジ形状で開口面積比が
０.３６での圧力損失を、（Ｄ）はオリフィスエッジ形状になだらかな曲面（断面表示ではなだらかな曲線（４０Ｒ））とした開口面積比が０.３１ での圧力損失を、（Ｃ）はオリフィスエッジ形状を（Ｄ）と同じになだらかな曲面（断面表示ではなだらかな曲線
（４０Ｒ））を採用し、オリフィス裏面に旋回羽３５を取り付けた本発明による低圧損混合促進オリフィス（図３，図４参照）で、開口面積比が０.３１ での圧力損失を示す。この図で示すαは、圧力損失係数で以下の式で与えられる。

α＝ΔＰ／(ρＶ²／２ｇ) …（４）
ここで、ΔＰ：オリフィスの圧力損失，ρ：空気密度，Ｖ：空気流速，ｇ：重力の加速度
これらから、図１０に示すエッジ形状で、圧力損失の上限（１０ＫＰａ：システム効率を考慮した下限値）以下になるのは、開口面積比が０.３６のもので圧力損失係数αが
１.２１であることが分かる。また、同じ開口面積比を持ち、なだらかな曲面（断面表示ではなだらかな曲線（４０Ｒ））とした（Ｃ），（Ｄ）では、圧力損失の上限を両者とも下回り、開口面積比が０.３６と大きい(Ｂ)より圧力損失は小さくなる。これは、４５°カットオリフィスよりなだらかな曲面（断面表示ではなだらかな曲線（４０Ｒ））としたほうが同口径においては圧力損失が小さくなることを意味している。旋回羽３５を設けた本発明による低圧損混合促進オリフィス（Ｃ）は、旋回羽３５の設置分若干ではあるが圧力損失が大きくなる。しかし、圧力損失の上限値を下回っており問題はない。

次に、上記(Ａ) ,（Ｂ）,（Ｃ）,（Ｄ）のオリフィスを用いた管加湿器の加湿性能について記する。図１１に、上記(Ａ) ,（Ｂ）,（Ｃ）,（Ｄ）のオリフィスを設置した場合とオリフィスが無い場合の管加湿性能を示す。ここで、加湿割合（空気重量流量と加湿水重量流の比）の目標値は７Ｗｔ％である。

これから、最も圧力損失が少ないオリフィスなしの条件では、管内定格流速の限界加湿割合は目標値を大きく下回っており、何らかの策を講じなければならないことが分かる。

加湿部での混合を促進するオリフィスとして、（Ｂ），（Ｄ）に示す圧力損失が小さく開口面積比が０.３６，０.３１で大口径のものを設置した場合は、管内定格流速の限界加湿割合はオリフィスなしの場合と比較して増加しているが目標値に到達していないことが分かる。これは、高温空気と噴霧水滴の混合がさほど行われていないためと考えられる。

図１２，図１３に（Ｂ），（Ｄ）のオリフィスを用いた場合で、定格流速での管加湿器内流動状況の観察結果を示す。ここで、図１２の（ｃ），図１３の（ｃ）にはオリフィスの流路形状を示している。これから、圧力損失が小さく開口面積比が大きい（Ｂ），(Ｄ)のオリフィス３０を設置した場合では、オリフィス３０の流路形状が異なっても同様な観察結果が得られている。即ち、口径が大きく、同等の小さな圧力損失となるオリフィス
３０では、オリフィス流路通過空気流の全圧も低く、減圧域２９の圧力もさほど減圧されないことから、戻り流３２の勢いが小さく、管壁沿った旋回流３３の力も小さくなり、オリフィス３０裏面下部に溜まる水４６を排出できなくなる現象が発生する。この現象が発生すると、瞬時に蒸発させるための微細水滴噴霧効果が減少し、さらに、オリフィス３０裏面下部に溜まった水４６は水のまま管下部をつたわり下流に流され、蒸発されないことになる。したがって、限界蒸発に近い目標値はクリアできないことになる。また、このような現象が発生すると、噴霧ノズル５００先端位置の最適化が必要となる。つまり、管下部に設置するノズル５００は、管壁に近い位置で設置すると溜り水４６に水没することになり有効な微細水滴噴霧ができなくなることから、ノズル位置を管中央部まで挿入するなどの最適化が必要となる。ノズル５００設置位置の最適化としては、空気流による流動振動の影響を受けずに、溜り水４６に水没しない位置となるが、これらを考慮すると、オリフィス板流路内ではなく、その流路径より大きい位置で、管下部の水溜り４６水面より上の間となる。

前記、図１１で目標加湿割合をクリアでき、混合に優れた（Ａ），（Ｃ）のオリフィスを用いた管加湿器について次に説明する。

（Ａ）のオリフィスは、開口面積比が０.２３ でかなり絞ったオリフィスであり、圧力損失係数も１.５８ と大きい。したがって、前記（Ｂ），（Ｄ）のオリフィスより混合力が大きく作用し、目標加湿割合をクリアできる。しかし、前記図９に示したように、圧力損失が（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のオリフィスと比較して約３倍も大きくなる。

図１４に（Ａ）のオリフィスを用いた場合の定格流速での管加湿器内流動状況の観察結果を示す。ここで、図１４の（ｃ）にはオリフィスの流路形状を示している。これから、圧力損失が大きく、開口面積比が小さい（Ａ）のオリフィス３０を設置した場合は、前記した（Ｂ），（Ｄ）のオリフィスを用いた流動状況とは異なることが分かる。即ち、口径が小さく、大きな圧力損失となるオリフィス３０では、オリフィス流路通過空気流の全圧も高く、減圧域２９の圧力も大きく減圧されることから、戻り流３２の勢いが大きく、管壁沿った旋回流３３の力も大きくなり、オリフィス３０裏面下部の溜まる水４６を排出する現象が発生する。この現象が発生すると、噴霧ノズル５００が水没することは無く、噴霧した微細水滴が瞬時に蒸発する。したがって、限界蒸発に近い目標値をクリアできることになる。このように（Ａ）のオリフィスを用いた場合は、目標加湿割合をクリアできるが、圧力損失が（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のオリフィスと比較して約３倍も大きくなる課題がある。

３ＭＷ級の加湿ガスタービンシステムの圧力損失の評価では、（Ａ）オリフィスを使用した場合の発電効率は、オリフィスを使用しない場合と比較して約０.９％ 低下するとの結果を得ている。この圧力損失による効率低下をできるだけ抑え、混合が促進される管加湿器構造が必要となる。

上記（Ａ）と同様な加湿割合を得る管加湿器のオリフィス構造として、本発明の図３，図４に示す（Ｃ）のオリフィスがある。このオリフィスは、（Ｄ）の４０Ｒオリフィスの下流側裏面に旋回流３４を与える旋回羽３５を設けたもので、圧力損失は小さく、混合力を大きくしたものである。

図１５に本発明による（Ｃ）のオリフィスを用いた場合の定格流速での管加湿器内流動状況の観察結果を示す。これから、前記図１４に示す（Ａ）のオリフィスを用いた場合と同様の管加湿器内流動状況となり、混合が促進されることが分かる。即ち、口径が大きく、小さな圧力損失となる（Ｄ）のオリフィス３０と旋回羽３５を組合せたオリフィス構造（図３，図４参照）とすることで、旋回流３３に旋回羽により発生する旋回流３４が添加され大きな旋回力となり混合が促進されることになる。したがって、圧力損失が大きい
（Ａ）のオリフィス同様に、オリフィス３０裏面下部の溜まる水４６を排出する現象が発生する。この現象が発生すると、噴霧ノズル５００が水没することは無く、噴霧した微細水滴が瞬時に蒸発する。したがって、限界蒸発に近い目標値をクリアできることになる。このように（Ｃ）のオリフィスを用いた場合は、目標加湿割合をクリアでき、かつ、圧力損失を（Ａ）のオリフィスの１／３以下にすることができる。

３ＭＷ級の加湿ガスタービンシステムの圧力損失の評価では、（Ｃ）オリフィスを使用した場合の発電効率は、オリフィスを使用しない場合と比較して約０.２％ 程度の低下で、（Ａ）のオリフィスを用いた管加湿器の効率低下分（０.９％）より０.７％の改善ができる。

以上、ここでは、本発明による低圧損混合促進オリフィスを用いた管加湿器構造について述べたが、圧力損失は発電効率の大きく作用することから、加湿割合は低下しても圧力損失はできるだけ小さくしたいとの要望もある。最も圧力損失が小さいものは、オリフィスを使用しないで、管内に構造物を有しない体系であるが、この体系よりも加湿割合を増やし、圧力損失を本発明による低圧損混合促進オリフィスを用いたものより小さくしたい場合は、旋回力を利用する方法が有効な手立てとなることから、旋回羽３５だけを管内側に溶接により設置した構造とする。この構造とすることで、水滴を含む空気流が回転をして下流へ運ばれることから、水滴と高温空気の熱交換距離が長くなるため、限られた管長さ内での蒸発量が増えることになる。

次に、本発明による管加湿器へ微細水滴を噴霧する系統の加湿制御について説明する。本発明での噴霧系統では、設置ノズルを個々の独立系統で構成しており、噴霧量の制御は、個数制御と、噴霧圧力制御で行うことになる。

図１６には、３ＭＷ高湿分ガスタービンシステムで、１０％おきに階段状に部分負荷運転を行う場合の加湿制御について示す。ここで、加湿条件は、定格時の加湿割合が７wt％、空気流量が１０kg／ｓである。これから、定格時の噴霧水量は、４２Ｌ／min である。この図の縦軸は、定格時の加湿割合である７ｗｔ％を１００％と置き換え表示している。下表にはそれぞれの部分負荷運転でのノズルの組合わせ及び個数を表示している。ここで、記号（１）は通称３Ｌ／minノズル、（２）は通称２Ｌ／minノズル、（３）は通称１Ｌ／min ノズルで、前記図８に示す３種類の特性を有するノズルを表している。これから、３ＭＷ高湿分ガスタービンシステムで、定格時に７ｗｔ％の加湿割合を賄い、１０％ずつ運転を行うことのできる最小のノズル数は１４個で、種類は、(１) の通称３Ｌ／minノズルが１２個、（２）の通称２Ｌ／minノズルが１個、（３）の通称１Ｌ／minノズルが１個である。本発明では、設置ノズルを個々の独立系統で構成しており、個数制御の他に噴霧圧力制御で噴霧量の調節ができることから、細かな制御ができること、さらに、負荷変動に対する対応が素早くできる特徴がある。したがって、システム全体の安定制御が可能となる。

このような管加湿システムをガスタービンシステムに組込むことにより高効率な高湿分ガスタービンシステムを提供することができる。

本発明は、ガスタービンシステムに用途がある。

本発明の管加湿器を設置した高湿分ガスタービンシステムの全体構成図である。 本発明の管加湿器の構造図及び流動状況模式図であり、（ａ）図は図１の管加湿器の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図の右側面図、（ｃ）図は管加湿器内の減圧域の圧力指示図である。 本発明の管加湿器に用いるオリフィス形状図であり、（ａ）図は旋回羽のオリフィスに対する取り付け角度θ１を表した断面図、（ｂ）図はオリフィスの圧縮空気入口部分の断面と旋回羽との取り付け部との関係を表した断面図である。 本発明のオリフィスに設置する旋回羽の取付け詳細図であり、（ａ）図はオリフィスの縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図の右側面図である。 図２（ａ）図中Ｂ部の噴霧ノズルの取付部の断面図である。 本発明の管加湿器に使用する噴霧ノズル構造の詳細図である。 本発明で使用する噴霧ノズルの水量をパラメータとした場合の水滴径分布図である。 本発明で使用する噴霧ノズルの流量特性図である。 ４種類のオリフィスの圧力損失指示図である。 （Ａ），（Ｂ）オリフィスの圧縮空気入口の縁取りの形状図である。 ４種類のオリフィスによる限界加湿割合指示図である。 （Ｂ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図であり、(ａ)図は管加湿器の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は（ａ）図のＥの拡大図である。 （Ｄ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図であり、(ａ)図は管加湿器の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は（ａ）図のＦの拡大図である。 （Ａ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図であり、(ａ)図は管加湿器の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は（ａ）図のＤの拡大図である。 （Ｃ）オリフィスを用いた場合の管加湿器内流動状況模式図であり、(ａ)図は管加湿器の縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。 本発明の噴霧系統制御による全体加湿割合指示図である。

符号の説明

１…空気室、２…圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…発電機、６…発電端、７…噴霧水供給タンク、８…高圧ポンプ、９…水処理装置、１０…バイパス弁、１１…再生器、１２…高温高圧吐出空気、１３…分岐点、１４…給水加熱器、１５…三方弁、１６，４０…フィルター、１７…流量計、１８…噴霧系統選択弁、１９…温度計、２０…圧力計、２１…加湿空気、２２…再生器上流ヘッダー、２３…排ガス、２４…再生器下流ヘッダー、２５…計量タンク、２６…レベル計、２７…弁、２８…配管、２９…減圧域、３０…オリフィス、３１…縮流、３２…戻り流、３３，３４…旋回流、３５…旋回羽、３６…微細水滴、３７…噴霧水、３８…ヘッダー、３９…開閉弁、４１…逃がし弁、４２…中間フランジ、４３…スウェージロック、４４…締付けフランジ、４５…ボルト・ナット、
１００…燃料供給系、２００…管加湿システム、３００…共通設備、４００…管加湿器、５００…ノズル（噴霧ノズル）、５０１…高圧水導入管、５０２…噴出口、５０３…傾斜ターゲット、５０４…ノズル先端部品、５０６…高圧水、５０７…隙間。

Claims (7)

1. 燃料を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
   空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す第１の管路と、
   前記第１の管路内に液体を噴霧する噴霧ノズルを有する加湿手段と、
   前記噴霧ノズルの位置よりも上流側に設けられたオリフィスと、
   前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を含む前記圧縮空気を前記燃焼ガスで加熱する再生熱交換器と、
   前記再生熱交換器で加熱された前記圧縮空気を前記燃焼器に導く第２の管路と、
   を有するガスタービンシステム。
2. 請求項１において、
   前記オリフィスに形成された前記圧縮空気が通過する流路は、上流側から下流側にかけて曲面によって縮小されているガスタービンシステム。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記第１の管路内であって、前記オリフィスの位置よりも下流側で且つ前記噴霧ノズルの位置よりも上流側の位置に、前記圧縮空気に旋回流を形成する旋回羽を有するガスタービンシステム。
4. 燃料を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
   空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す第１の管路と、
   前記第１の管路内に液体を噴霧する噴霧ノズルを有する加湿手段と、
   前記噴霧ノズルの位置よりも上流側の前記第１の管路内に設けられて、前記圧縮空気に旋回流を形成する旋回羽と、
   前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を含む前記圧縮空気を前記燃焼ガスで加熱する再生熱交換器と、
   前記再生熱交換器で加熱された前記圧縮空気を前記燃焼器に導く第２の管路と、
   を有するガスタービンシステム。
5. 請求項１において、
   前記オリフィスを通過した前記圧縮空気の気流の影響下で形成される減圧域内であって、且つ前記第１の管路内に溜まる水の水面より上方に前記噴霧ノズルの噴出口が位置せられるガスタービンシステム。
6. 請求項１において、
   前記噴霧ノズルを複数備え、
   前記複数の各噴霧ノズル毎に、その噴霧ノズルに供給する液体の流路に設けたフィルタ及び弁とを有するガスタービンシステム。
7. 請求項１において、
   前記噴霧ノズルを複数備え、
   前記複数の各噴霧ノズル毎に、その噴霧ノズルに供給する液体の流路に設けた弁と、
   前記噴霧ノズルへの噴霧水の圧力を調整する他の弁と、
   を有するガスタービンシステム。

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