JP2010043645A - 吸入空気調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施形態は、ガスタービン用の吸入システム（１００）の上流に設置された空気調整システム（１１５）を提供する。
【解決手段】本空気調整システム（１１５）は、空気ストリームの温度を調整するようになった少なくとも１つの調整モジュール（１４５）を含むことができる。少なくとも１つの調整モジュール（１４５）は、以下のシステム、すなわちチラー、蒸発クーラ、スプレイクーラ又はそれらの組合せの少なくとも１つを含む複数の形態を有することができる。少なくとも１つの調整モジュール（１４５）の特定の形態は、その一部はガスタービンの構成によって決定することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械の効率を高めるためのシステムに関する。

それに限定されないがガスタービンのような幾つかのターボ機械は一般的に、直列流れ配置で、周囲空気ストリームを受けかつ送るようになった吸入システムと、その空気ストリームを受けかつ加圧する圧縮機と、燃料及び加圧空気ストリームを混合し、その混合気を点火燃焼させかつその気体副生成物をタービンセクションに流して該タービンセクションが気体副生成物から出力にエネルギーを移送するのを可能にする燃焼システムとを含むことができる。その中では、ガスタービンのその他の構成要素を用いることもできる。

ガスタービンの出力は、圧縮機から流出する加圧空気ストリームの質量流量に正比例しかつ該加圧空気ストリームの質量流量によって制限される。圧縮機は、該圧縮機の所定の回転速度での空気ストリームの体積流量の固定処理能力を有する。空気温度が上昇すると空気密度が低下するので、空気ストリームの質量流量は、周囲温度の上昇に伴って減少する。従って、ガスタービンの効率及び出力は、ＩＳＯ条件以上に周囲温度が上昇した場合には、ＩＳＯ条件における定格能力以下に低下する。

既存のガスタービンにより付加的出力を発生させるために、吸入空気調整システムが一般的に用いられる。空気調整システムは、空気ストリームの温度を低下させることによって、該空気ストリームの密度を増加させる。これが、圧縮機に流入する空気の質量流量を増加させて、ガスタービンの効率及び出力を高めることになる。空気調整システムは、それに限定されないが例えば、ガスタービンの吸入システム内で吸入フィルタハウジングの下流に設置されたチラー、蒸発クーラ、スプレイクーラ又はそれらの組合せを含むことができる。しかしながら、幾つかの空気調整システムは、圧縮機に流入する空気ストリームに対して抵抗を加える。この抵抗は、吸入システム内における圧力低下と定義され、水柱のインチで計測することができる。ガスタービンの効率及び出力は、吸入システムの圧力低下の一次関数である。

吸入システムの圧力低下が大きくなればなるほど、タービンの効率及び出力は低くなる。発電用のガスタービン吸入システムにおける一般的な圧力低下値は、約２〜約５水柱インチ（約５〜約１２．７水柱センチメートル）の範囲で変化する。これは、約０．５〜約１．５水柱インチ（約１．２７〜約３．８水柱センチメートル）の範囲で変化する空気調整システムにおける圧力低下を含む。ガスタービンフレームの寸法に応じて、この圧力低下の値は、定格ＩＳＯ条件において概して約１〜約５メガワットの範囲でガスタービンの出力に影響する。このことは次に、約０．０１〜約０．３％の範囲でタービン効率に影響する可能性がある。しかしながら、効率及び出力の全てのポイントは、競合発電ビジネス又は様々なその他の機械駆動ガスタービン用途において絶対不可欠である。

空気調整システムを有しない既存のガスタービンのオペレータは、これらシステムが提供する付加的な出力及び効率の増大を所望する可能性がある。しかしながら、これらオペレータは、運転休止時間及び建設費用を含む幾つかの理由でガスタービンの改造に抵抗する可能性がある。ガスタービンのオペレータは、関連する収益損失の故に、機械を停止するのを何としても回避する。また、吸入システムを改造する費用は、途方もなく高額である可能性がある。

１つの改造方法は、吸入フィルタハウジングの下流に空気調整システムを挿入することを含む。この方法は、移行部品から吸入フィルタハウジングを分離することを含む高額な改造を必要とする。次に、吸入フィルタハウジングを前方に移動さて、移行部品と吸入フィルタハウジングとの間に空気調整システムを挿入するようにする。別の改造方法は、既存の吸入フィルタハウジングを、その中に空気調整システム１１５を有する新規な吸入フィルタハウジングと交換することを含む。運転休止時間、収益損失及び建築費用が、オペレータが空気調整システムを付加することを妨げる。

米国特許出願公開第２００５／００５６０２３ Ａ１号公報 欧州特許出願第１４８４４８９ Ａ２号公報 欧州特許出願第１４８４４８９ Ａ３号公報

前述の理由により、運転しているガスタービンを改造するための空気調整システムに対する必要性が存在する。据付け後において、本システムは、作動中でない時に吸入システム圧力低下を最小にしなければならない。本システムの構成要素は、吸入システム全体を拡張する必要なしに据付けられなければならない。本システムは、ガスタービン運転の中断を最小にして据付けることが可能でなければならない。

本発明の実施形態では、吸入システム及び圧縮機を含むターボ機械の効率を高めるためのシステムを提供し、本システムは、吸入システムの上流に配置されかつ該吸入システムに向かって空気ストリームを送るように構成されたハウジングと、空気ストリームの温度を調整するように構成された少なくとも１つの調整モジュールとを含み、空気ストリームは、第１の温度で調整モジュールに流入しかつ第２の温度で該調整モジュールから流出する。

本発明の別の実施形態では、空気ストリームの温度を調整するためのシステムを提供し、本システムは、吸入フィルタハウジング、移行部品及び吸入ダクトを含む吸入システムと、吸入システムの上流に配置されかつ該吸入システムに向かって空気ストリームを送るように構成されたハウジングと、以下のシステム、すなわちチラー、蒸発クーラ、スプレイクーラ又はそれらの組合せの少なくとも１つを含みかつ空気ストリームの温度を調整するように構成された少なくとも１つの調整モジュールとを含み、空気ストリームは、第１の温度で調整モジュールに流入しかつ第２の温度で該調整モジュールから流出する。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表わしている添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。

本発明の実施形態が作動することができる環境を示す概略図。 本発明の実施形態による空気調整システムを示す概略図。 図３Ｂと共に図３を構成する、本発明の別の実施形態による空気調整システムを示す概略図。 図３Ａと共に図３を構成する、本発明の別の実施形態による空気調整システムを示す概略図。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を示す添付図面を参照している。異なる構造及び作動を有するその他の実施形態も、本発明の技術的範囲から逸脱するものではない。

本明細書では、専ら読者の便宜のために特定の用語を使用しており、本発明の技術的範囲に対する限定として捉えるべきではない。例えば、「上部」、「下部」、「左側」、「右側」、「前方」、「後方」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流側」、「下流側」、「前部」、「後部」及び同様のもののような用語は、図に示す構成を単に説明しているに過ぎない。実際に、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、特に明記しない限り、この用語は、種々の変形形態を含むものとして理解されたい。

本発明は、ガスタービン用の吸入システムの上流に配置された空気調整システムを提供する。空気調整システムは、空気ストリームの温度を調整するようになった少なくとも１つの調整モジュールを含むことができる。少なくとも１つの調整モジュールは、以下のシステム、すなわちチラー、蒸発クーラ、スプレイクーラ又はそれらの組合せの少なくとも１つを含む複数の形態を有することができる。少なくとも１つの調整モジュールの特定の形態は、その一部はガスタービンの構成によって決定することができる。

本発明の実施形態では、空気調整システムは、ガスタービンの吸入システムに流入する空気ストリームの温度を低下させて効率及び出力を増大させることができる。それに代えて、空気調整システムは、ガスタービンの吸入システムに流入する空気ストリームの温度を上昇させて圧縮機ブレードへの氷結の発生可能性を減少させることができる。

本発明の別の実施形態では、空気調整システムを、バイパスと統合することができる。バイパスは、作動してない空気調整システムにより生じる圧力低下を減少させることができる。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態が作動することができる環境を示す概略図である。図１は、ガスタービン圧縮機（図示せず）と統合することができる吸入システム１００を示す。以下の説明は、吸入システム１００の典型的構成の概要を示しているが、本発明は、吸入システム１００の図示していないその他の構成と統合することもできる。さらに、本発明の実施形態は、ガスタービンと関連しない吸入システム１００、又はその他のターボ機械と統合することができる。

吸入システム１００は、圧縮機が吸い込む空気ストリーム（吸入システム１００に向かって尖った矢印によって表す）を送る。空気ストリームは、ターボ機械が作動する環境から直接的に又は間接的に引き込むことができる。最初に、空気ストリームは、雨、雪などのような気象要素が圧縮機に流入するのを防止することができるウェザフード１０５の周りを流れる。ウェザフード１０５は、空気ストリーム内の液体含有量を減少させるようになった複数のドリフトエリミネータ及び／又はコアレッサパッド１０７を含むことができる。空気ストリームは次に、一般的に該空気ストリームから異物及びデブリを除去する吸入フィルタハウジング１１０を通って流れることができる。次に、空気ストリームは、空気調整システム１１５を通って流れることができる。次に、空気ストリームは、移行部品１２０及び吸入ダクト１２５を通って流れることができ、これらの構成要素は、空気ストリームの速度及び圧力を調整することができる。次に、空気ストリームは、消音器セクション１３０を通って流れることができる。次に、空気ストリームは、一般的に圧縮機に流入するのに先立って空気ストリームの温度を上昇させる吸入ブリード加熱システム１３５を通って流れることができる。

図２は、本発明の実施形態による空気調整システム１１５を示す概略図である。図２は、吸入システム１００の実施形態及び空気調整システム１１５の実施形態を示している。本発明のこの実施形態では、空気調整システム１１５は、ハウジング１４０内に配置された少なくとも１つの調整モジュール１４５を含む。

先に述べたように、オペレータは、発電損失及び建設費用の故に空気調整システム１１５を有するようにガスタービンを改造することを控える可能性がある。本発明の実施形態は、空気調整システム１１５を吸入システム１００の上流に設置することによって、発電損失及び建設費用を大幅に減少させることができる。この改造は、ガスタービンが運転しておりかつ吸入システム１００が空気ストリームを受けている状態で、実施することができる。本発明の実施形態では、空気調整システム１１５は、吸入システム１００の前部に対してボルト止めして、空気ストリームが吸入システム１００を通って流れ続けるのを可能にすることができる。

ハウジング１４０は、少なくとも１つの調整モジュール１４５の一部分又は全てを収納することができる。図２に示すように、ハウジング１４０は、吸入フィルタハウジング１１０と同様の形状を有するか又は吸入システム１００との構造的統合を可能にするその他のあらゆる形状を有することができる。吸入フィルタハウジング１１０とハウジング１４０との統合により、ほぼ均一な空気ストリームの流れが空気調整システム１１５に流入しかつ次に吸入フィルタハウジング１１０に流れるのを可能にすることができる。ハウジング１４０は、それに限定されないが、溶接、ボルト止め、その他の締結方法又はそれらの組合せのような複数の連結手段を介して、吸入システム１００に接合することができる。ハウジング１４０は、少なくとも１つの調整モジュール１４５を支持しかつ吸入システム１００との統合を可能にすることができるあらゆる材料で形成することができる。この材料は、それに限定されないが、例えば金属、合金又はその他の構造材料とすることができる。

図２に示すように、本発明の実施形態の空気調整システム１１５は、設置位置「Ｘ」として表す動作距離に据付けることができる。動作距離は、ハウジング１４０内で少なくとも１つの調整モジュール１４５へのアクセスを可能にすることができる。動作距離「Ｘ」は、少なくとも１つの調整モジュール１４５を保守するのを助けることができる。動作距離「Ｘ」はまた、少なくとも１つの調整モジュール１４５からの流体小滴及び／又は凝縮物が吸入フィルタハウジング１１０内のフィルタの一部分を濡らすのを防止することができる。動作距離「Ｘ」はまた、空気調整システム１１５が作動していない時における圧力低下を減少させることができる。設置位置Ｘは、少なくとも１つの調整モジュール１４５の下流端部からウェザフード１０５の上流端部までとすることができる。動作距離は、約１メートル〜約３メートルの範囲を含むことができる。

少なくとも１つの調整モジュール１４５は、以下のシステム、以下のシステム、すなわちチラー、蒸発クーラ、スプレイクーラ又はそれらの組合せの少なくとも１つの形態を有することができる。少なくとも１つの調整モジュール１４５はまた、該少なくとも１つの調整モジュール１４５の上流に、デブリ及び異物を防ぐ前置フィルタ（図示せず）を含むことができる。少なくとも１つの調整モジュール１４５は、空気ストリームの温度を調整するように構成することができる。少なくとも１つの調整モジュール１４５は、空気ストリームの温度を低下させることができる。この場合、ガスタービンは、周囲空気がＩＳＯ条件以上であるような期間に作動して、出力及び効率を低減させることができる。少なくとも１つの調整モジュール１４５はまた、空気ストリームの温度を上昇させることができる。この場合、ガスタービンは、周囲空気条件が圧縮機ブレード上への氷の形成を引き起こす可能性があるような期間に運転させることができる。

使用中、本発明のこの第１の例示的な実施形態は、ガスタービンの運転の中断はほとんどない状態で据付けることができる。ガスタービンのオペレータは、空気調整システム１１５を吸入システム１００の前部に連結することができる。据付けの間に、空気ストリームは、少なくとも１つの調整モジュール１４５の周りをかつ／又は該少なくとも１つの調整モジュール１４５を通って流れることができる。さらに、据付けの間に、吸入システム１００は、空気調整システム１１５と統合するように実質的に修正する必要がないものとすることができる。据付けの後に、ガスタービンのオペレータは、効率及び出力の大幅な増大を経験することができる。それに限定されないが例えば、約９０°Ｆの周囲空気ストリーム温度及び約５０％の相対湿度で運転している大型のフレーム９型のガスタービンの場合に、空気調整システム１１５は、空気ストリームを約５９°Ｆまで低下させることができる。これにより、最大１５％までの出力増大及び最大１．０％までの効率増大を得ることができる。

まとまって共に図３を構成する図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の別の実施形態による空気調整システム１１５を示す概略図である。以下の説明は、この別の実施形態と前の実施形態との間の相違点に限定する。

図３は、バイパス１５０を有する吸入システム１００と統合された空気調整システム１１５を示す。バイパス１５０は、空気調整システム１１５が作動していない間における圧力低下を減少させることができる。バイパス１５０は、ガスタービンの全体の効率及び出力を増大させることができる。バイパス１５０は、少なくとも１つの調整モジュール１４５と吸入フィルタハウジング１１０との間に配置された少なくとも１つのダンパドア１５５を含むことができる。空気調整システム１１５が作動していない時に、少なくとも１つのダンパドア１５５は、空気ストリームが吸入システム１００内に直接流れるのを可能にするように開放することができる。これは、圧力低下の減少を可能にすることができる。少なくとも１つのダンパドア１５５は、所望の位置に摺動することができる。それに代えて、少なくとも１つのダンパドア１５５は、所望の位置への移動を可能にするようにヒンジ連結することができる。バイパス１５０は、吸入システム１００及び空気調整システム１１５の作動環境に耐えることができるあらゆる材料で形成することができる。

図３に示すように、本発明の別の実施形態の空気調整システム１１５は、設置位置「Ｙ」で表すバイパス距離に据付けることができる。バイパス距離は、ハウジング１４０内で少なくとも１つの調整モジュール１４５へのアクセスを可能とすることができる。設置位置Ｙはまた、空気調整システム１１５が作動していない時における圧力低下を減少させることができる。設置位置Ｙは、少なくとも１つの調整モジュール１４５の下流端部からウェザフード１０５の上流端部までの範囲とすることができる。バイパス動作距離は、約１メートル〜約５．５メートルの範囲を含むことができる。

本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、文脈が明らかにそうでないことを示していない限り、数詞のない形態の表現は、複数の形態も同様に含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合に、「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、整数値、ステップ、作動、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、整数値、ステップ、作動、要素、構成要素及び／又はその群の存在又は追加を排除するものではないことを理解されたい。

本発明はその幾つかの例示的な実施形態のみに関してかなり詳細に図示しかつ説明してきたが、本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、特に前述の教示に照らして、開示した実施形態に対して様々な変更、省略及び付加を行うことができるので、本発明をそれらの実施形態に限定することを意図するものではないことを当業者には理解されたい。従って、提出した特許請求の範囲で定まる本発明の技術思想及び技術的範囲内に含むことができる全てのそのような変更、省略、付加及び均等物を保護することを意図している。

１００ 吸入システム
１０５ ウェザフード
１０７ ドリフトエリミネータ／コアレッサパッド
１１０ 吸入フィルタハウジング
１１５ 空気調整システム
１２０ 移行部品
１２５ 吸入ダクト
１３０ 消音器セクション
１３５ 吸入ブリード加熱
１４０ ハウジング
１４５ 調整モジュール
１５０ バイパス
１５５ ダンパドア

Claims (10)

1. 吸入システム（１００）及び圧縮機を含むターボ機械の効率を高めるためのシステムであって、
   空気調整システム（１１５）を含み、前記空気調整システム（１１５）が、
   前記吸入システム（１００）の上流に配置されかつ該吸入システム（１００）に向かって空気ストリームを送るように構成されたハウジング（１４０）と、
   前記空気ストリームの温度を調整するように構成された少なくとも１つの調整モジュール（１４５）と、を含み、
   前記空気ストリームが、第１の温度で前記調整モジュール（１４５）に流入しかつ第２の温度で該調整モジュール（１４５）から流出する、
   システム。
2. その一部分が前記ハウジング（１４０）内に配置されかつ前記空気ストリームが前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）を避けて流れるのを可能にするようになったバイパス（１５０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記バイパス（１５０）が、少なくとも１つのダンパドア（１５５）を含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つのダンパドア（１５５）が、前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）が作動している時に閉鎖される、請求項３記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）が、前記空気ストリームの温度を低下させる、請求項１乃至４のいずれか1項記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）が、前記空気ストリームの温度を上昇させる、請求項１乃至４のいずれか1項記載のシステム。
7. 前記空気調整システム（１１５）が、前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）へのアクセスを可能にする動作距離に設置される、請求項１乃至６のいずれか1項記載のシステム。
8. 前記動作距離が、約１メートル〜約３メートルの範囲を含む、請求項７記載のシステム。
9. 前記空気調整システム（１１５）が、前記少なくとも１つの調整モジュール（１４５）と前記吸入システム（１００）との間の圧力低下を減少させるバイパス距離に設置される、請求項２記載のシステム。
10. 前記バイパス距離が、約１メートル〜約５．５メートルの範囲を含む、請求項９記載のシステム。

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