JP2011111944A - ガスタービン吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を効率よく気化させることができ、冷媒の供給系統を複数備えた場合であっても、構成を簡略化することができるガスタービン吸気冷却装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン設備１の圧縮機５に導かれる吸気を冷却する冷媒を供給する複数の供給系統２２を有する冷媒供給系２０と、各供給系統２２にそれぞれ接続され、吸気の通流方向にほぼ垂直な断面上に配置された複数の導水管３１と、各導水管３１に設けられ、冷媒を噴霧する噴霧ノズル３２とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンにおいて吸入される空気を冷却させて出力の増加を図るガスタービン吸気冷却装置に関する。

例えば、火力発電所に適用するガスタービン設備単体あるいはガスタービン設備に蒸気タービン設備および排熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクルプラントは、発電効率を増加させることが重要な課題となっている。

発電効率を増加させるための手段の一つとして、圧縮機に供給される吸気を冷却することで圧縮機の吸い込み流量を増加させる吸気冷却装置が知られている。この吸気冷却装置は、吸気に水を噴射することで、空気を吸込む吸気室内または圧縮機内で水を気化させて吸気を冷却させるものである。

従来、吸気に水を噴霧する際、液滴の粒径をより一層小さくして空気を確実に冷却させ、出力の増加と圧縮機の各翼への損傷防止とを図った吸気冷却装置が開示されている（特許文献１参照）。特に、特許文献１の吸気冷却装置は、複数の導水管およびノズルで構成された噴霧装置と、この噴霧装置に接続された複数の冷却水供給管とを備えることで、より多くの噴霧水で空気を確実に冷却させ、ガスタービンの出力を増大させるようになっている。

特開２００２−３２２９１６号公報

特許文献１の吸気冷却装置は、複数の冷却水供給系統を吸気室内に接続することで、冷却水のより均一な安定供給を図っている。

一方、吸気室内において上流側の系統に設けられたノズルから噴霧した冷却水が、下流側の系統の冷却水供給配管に衝突する場合がある。この衝突により、冷却水の粒径は大きくなり、冷却水が十分に気化しきれないという課題があった。また、複数の冷却水供給系統を設けたため、システム全体の構成が複雑化するという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、冷媒を効率よく気化させることができるガスタービン吸気冷却装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、冷媒の供給系統を複数備えた場合であっても、構成を簡略化することができるガスタービン吸気冷却装置を提供するにある。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置は、上述した課題を解決するために、ガスタービン設備の圧縮機に導かれる吸気を冷却する冷媒を供給する複数の供給系統を有する冷媒供給系と、各前記供給系統にそれぞれ接続され、前記吸気の通流方向にほぼ垂直な断面上に配置された複数の導水管と、各前記導水管に設けられ、前記冷媒を噴霧する噴霧ノズルとを備えたことを特徴とする。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置によれば、吸気室内に冷媒の供給系統を複数備えた場合であっても、冷媒を効率よく気化させ、かつ構成を簡素化することができる。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の一実施形態を示す概略系統図。 図１のII−II間の断面図。 図２のIII−III間の断面図。 図３の領域IVの拡大図であり、整流器の構成例を示す図。 湿り空気線図の一例を示す図。 本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置の噴霧流量の制御例を示す図。 比較例としてのガスタービン吸気冷却装置の噴霧流量の制御例を示す図。 本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の変形例を示す概略系統図。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の各実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の一実施形態を示す概略系統図である。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置を適用するガスタービン設備１は、流体の流れに沿って、主に吸気室３、圧縮機５、ガスタービン６および発電機７を備える。

吸気室３は、圧縮機５に連結されており、吸気入口４から取り込んだ吸い込み空気（吸気）を圧縮機５に供給する。なお、圧縮機５に供給する気体が空気である例を適用して説明するが、圧縮機５に供給する気体は、特に空気に限られることなく他の気体であってもよい。また、吸気室３内には、サイレンサ８とサイレンサ８の下流側に設けられた噴霧装置９とが設けられる。この噴霧装置９の詳細な説明については後述する。

圧縮機５は、吸気室３より供給された空気を圧縮し、燃焼器１０に吐出する。吐出された圧縮空気は、燃料１１とともに燃焼器１０に供給されて、燃焼ガスが生成される。ガスタービン６は、燃焼器１０にて生成された燃焼ガスにより駆動される。また、ガスタービン６から排出される排気１２は、大気中に排出される。発電機７は、ガスタービン６のタービン軸に連結されており、ガスタービン６の駆動に伴い電気を発生させる。

なお、ガスタービン設備１は、温度計、湿度計、空気流量検出器（いずれも図示せず）などの計器を所定の位置に備える。各計器で計測された値は、後述する制御装置２８の冷却水の噴霧量の制御などに用いられる。

一方、噴霧装置９の各導水管３１には、冷却水供給系２０が接続される。冷却水供給系２０は冷却水を貯溜する一のタンク２１と、このタンク２１に対して独立して接続された供給系統２２ａ、２２ｂ、２２ｃ（供給系統２２）とを備える。なお、本実施形態においては、３つの供給系統を有する例を適用して説明するが、系統は２系統または３より多い系統を備えてもよい。また、各供給系統２２に接続されるタンク２１は、複数設けてもよい。

供給系統２２ａ、２２ｂ、２２ｃには、それぞれポンプ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ（ポンプ２４）が配置される。なお、供給系統２２にはそれぞれ圧力調節弁やアキュムレータが適宜配置されるが、本実施形態においては説明を省略する。

タンク２１は、純水系統または用水系統（いずれも図示せず）から供給された冷媒としての冷却水２５を貯溜する。

供給系統２２のポンプ２４の吸込側を構成する、例えば鋼管からなる吸込側供給配管２６ａ、２６ｂ、２６ｃ（吸込側供給配管２６）は、タンク２１に対してそれぞれ独立して接続される。また、供給系統２２のポンプ２４の吐出側を構成する、例えば鋼管からなる吐出側供給配管２７ａ、２７ｂ、２７ｃ（吐出側供給配管２７）は、導水管３１にそれぞれ接続される。

ポンプ２４は、例えば、噴霧装置９より噴霧される液滴の粒径を小さくすべく、高圧で冷却水の噴射が可能な容積式ポンプが用いられる。ポンプ２４は、制御装置２８の制御に基づいて動作する。

制御装置２８は、大気条件（温度、湿度など）やガスタービン設備の運転状態を示す信号Ｓを各計器（図示せず）から取得し、この信号Ｓに基づいて冷却水の噴霧量を調節すべくポンプ２４をオン・オフして冷却水の供給を行う供給系統２２を制御する。

図２は、図１のII−II間の断面図である。図３は、図２のIII−III間の断面図である。

噴霧装置９は、複数の導水管３１ａ_１、３１ｂ_１、３１ｂ_２、３１ｃ_１、３１ｃ_２、３１ｃ_３、３１ｃ_４（導水管３１）および各導水管３１に設けられた噴霧ノズル３２ａ_１、３２ｂ_１、３２ｂ_２、３２ｃ_１、３２ｃ_２、３２ｃ_３、３２ｃ_４を有する。

導水管３１は、冷却水供給系２０の各供給系統２２の吐出側供給配管２７にそれぞれ接続されて冷却水の供給を受ける。導水管３１は、吸気室３内の吸気の通流方向にほぼ垂直な断面に沿ってそれぞれ配置される。導水管３１は、図２の例では、冷却水供給系２０の供給系統２２ａに接続された導水管３１ａ_１、供給系統２２ｂに接続された導水管３１ｂ_１、３１ｂ_２、供給系統２２ｃに接続された導水管３１ｃ_１、３１ｃ_２、３１ｃ_３、３１ｃ_４、の計七本で構成される。導水管３１の本数は、供給系統２２に設定された冷却水の供給流量に応じて決定される。

各導水管３１は、図２に示すようにそれぞれ通流方向断面の図示左右方向に伸び、図３に示すように同一平面上に図示上下方向に整列して配置される。また、同一の供給系統２２と接続された導水管３１が隣接せず、異なる供給系統２２に接続された導水管３１同士が隣接するように配置される。図２の例では、供給系統２２ｃに接続された導水管３１ｃ_１と導水管３１ｃ_２との間に、供給系統２２ｂに接続された導水管３１ｂ_１が、導水管３１ｃ_２と導水管３１ｃ_３との間に、供給系統２２ａに接続された導水管３１ａ_１が、導水管３１ｃ_３と導水管３１ｃ_４との間に、供給系統２２ｂに接続された導水管３１ｂ_２が配置される。

噴霧ノズル３２は、導水管３１に供給された冷却水を微粒化して噴霧する。図２の例では、噴霧ノズル３２は、各導水管３１に等間隔に同数ずつ設けられる。すなわち、各導水管３１の噴霧ノズル３２から噴霧される噴霧量は、ほぼ等しくなっている。

各導水管３１および噴霧ノズル３２には、吸気室３内において圧縮機５吸い込み空気の流れを乱さないよう、整流器が設けられる。

図４は、図３の領域IVの拡大図であり、整流器４０の構成例を示す図である。

整流器４０は、各導水管３１および噴霧ノズル３２に設けられ、吸気室３内を通流する吸気４１に対して整流形状を有する。このように各導水管３１および噴霧ノズル３２に整流器４０が設けられることにより、噴霧装置９の下流側におけるよどみの発生が抑制される。

次に、本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置としての冷却水供給系２０および噴霧装置９の作用について説明する。

吸気入口４より吸気室３に吸い込まれた空気には、噴霧装置９の各噴霧ノズル３２から噴霧される液滴が供給される。冷却水供給系２０は、タンク２１に貯溜された冷却水をポンプ２４で圧送し、吸気の冷媒として噴霧装置９に供給する。

冷却水供給系２０の制御装置２８は、噴霧装置９に供給する冷却水の流量を、例えば上述した計器より検出される大気条件（温度、湿度）やガスタービン設備１の運転状態を示す信号Ｓに基づいて、冷却水の供給量が最適となるように制御を行う。ここで、発電機７出力を可能な限り増大させるためには、適切な冷却水を噴霧して吸気を飽和させ、圧縮機５入口温度を低下させる必要がある。例えば図５に示す湿り空気線図を利用して、大気条件などから現在の運転点を求め、吸気が飽和する飽和ポイントに到達するまでの冷却水の噴霧量を決定する。図５においては、一例としての運転点と、その運転点に対する飽和ポイント、および吸気が飽和するために必要な冷却水噴霧量が示されている。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置は、冷却水供給系２０の供給系統２２の流量を異ならせ、各供給系統２２に接続された噴霧ノズル３２の個数（導水管３１の本数）をそれぞれ異ならせたことによって、噴霧量の調整をポンプ２４のオン、オフにより細かく調整可能としている。

図６は、本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置の噴霧流量の制御例を示す図である。

図６の例では、供給系統２２ａ（導水管３１ａ_１の噴霧ノズル３２ａ）の流量が１０Ｌ／ｍｉｎ、供給系統２２ｂ（導水管３１ｂ_１、３１ｂ_２の噴射ノズル３２ｂ_１、３２ｂ_２）の流量が２０Ｌ／ｍｉｎ、供給系統２２ｃ（導水管３１ｃ_１、３１ｃ_２、３１ｃ_３、３１ｃ_４の噴射ノズル３２ｃ_１、３２ｃ_２、３２ｃ_３、３２ｃ_４）の流量が４０Ｌ／ｍｉｎと設定した場合を適用して説明する。

噴霧系統パターン１を適用し、制御装置２８の制御に基づいて供給系統２２ａのポンプ２４ａのみを動作させることにより、噴霧ノズル３２ａ_１から１０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を噴霧することができる。また、噴霧系統パターン２を適用し、供給系統２２ｂのポンプ２４ｂのみを動作させることにより、噴霧ノズル３２ｂ_１、３２ｂ_２から２０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を噴霧することができる。さらに、噴霧系統パターン３を適用し、供給系統２２ａのポンプ２４ａおよび供給系統２２ｂのポンプ２４ｂを動作させることにより３０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を噴霧することができる。さらにまた、噴霧系統パターン４を適用し、給水系塔２２ｃのポンプ２４ｃのみを動作させることにより４０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を噴霧することができる。以下、図６に示す噴霧系統パターン５〜７を適用することにより、それぞれ５０〜７０Ｌ／ｍｉｎの冷却水をステップ状に噴霧することができる。

このように、供給系統２２の流量（導水管３１の噴霧ノズル３２の個数）を適当に設定し、ポンプ２４のオン、オフの組合せをパターン化して制御することにより、最小流量１０Ｌ／ｍｉｎから最大流量７０Ｌ／ｍｉｎまで１０Ｌ／ｍｉｎのピッチでステップ状に冷却水の噴霧量を制御することができる。

図７は、比較例としてのガスタービン吸気冷却装置の噴霧流量の制御例を示す図である。

本実施形態とは異なり、Ａ系統〜Ｇ系統の７つの各供給系統の流量を均一にした場合、例えば、Ａ系統〜Ｇ系統の流量を１０Ｌ／ｍｉｎずつにした場合、最小流量１０Ｌ／ｍｉｎから最大流量７０Ｌ／ｍｉｎまで１０Ｌ／ｍｉｎのピッチでステップ状に冷却水の噴霧量を制御しようとすると、７系統を用いた７つの制御パターンによってポンプをオン、オフする必要があり、システム構成が煩雑化してしまう。

これに対し、本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置のように、複数設けられた供給系統２２の流量を異ならせることにより、冷却水供給を行う系統の組合せに応じてステップ状に冷却水の噴霧量を制御することができる。

一方、吸気室３内の噴霧装置９は、導水管３１が吸い込み空気の流れ方向に対してほぼ垂直な断面であって同一平面上に配置された。これにより、噴霧ノズル３２から噴霧された液滴が他の供給系統と接続された導水管３１などに衝突することなく、噴霧された冷却水を好適に気化することができる。

また、導水管３１および噴霧ノズル３２は整流器４０を有するため、吸い込み空気のよどみの発生を抑制し、冷却水を十分に気化させることができる。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置は、導水管３１を吸い込み空気の流れ方向に対してほぼ垂直な断面である同一平面上に配置したため、噴霧ノズル３２から噴霧された液滴が他の供給系統と接続された導水管３１などに衝突することなく、好適に気化させることができる。

また、導水管３１に整流器４０を設けたことにより、噴霧された冷却水を均一に気化させ、圧縮機５の吸込の圧力損失を低減させることができるため、ガスタービン設備１の効率を向上させることができる。

さらに、供給系統２２の流量を冷却水の最大噴霧量および最小噴霧量に応じて異なる値に設定したため、動作させる供給系統２２の組合せに応じて、少ない供給系統２２で噴霧量を細かく制御することができる。その結果、系統数が削減できるため、ガスタービン吸気冷却装置のシステム全体を簡略化することができる。

さらにまた、吸気室３内の導水管３１および噴霧ノズル３２には、整流器４０を設けたため、導水管３１などの存在に起因する吸気のよどみの発生を抑制することができる。この結果、冷却水を十分に気化させることができ、発電機７の出力を増加させることができる。また、気化しきれない冷却水が圧縮機５動静翼に直接衝突することを回避し、圧縮機５動静翼の損傷を回避することができる。

なお、本実施形態における噴霧装置の同一平面上に配置された導水管３１および噴霧ノズル３２の配置は一例であって、他の構成を適用してもよい。

また、各供給系統２２の流量の設定は一例であって、最小流量および最大流量に応じて流量がステップ状に調整可能であれば流量を種々の値に設定してもよい。

ここで、上述したガスタービン吸気冷却装置は、噴霧装置９が吸気室３内に設けられた例を説明した。しかし、噴霧装置９は、吸気室３外であって吸気入口４近傍において吸気を冷却することもできる。

図８は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の変形例を示す概略系統図である。図１に示すガスタービン設備１と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図８に示すガスタービン吸気冷却装置の導水管５２は、吸気入口４近傍であって、吸気室３に導かれる吸気の通流方向にほぼ垂直な断面に沿ってそれぞれ配置される。また、導水管５２は、吸気入口４の側面から導かれる吸気も冷却可能なように、吸気入口４の側面にも配置される。これらの導水管５２には、それぞれ噴霧ノズル５３が設けられる。

噴霧装置５１を吸気室３外に設けて吸気を冷却することにより、噴霧装置５１を吸気室３内に設けるために必要な穴あけなどの工事を不要とすることができ、さらにはガスタービン冷却装置設置のための工期を短縮することができる。

１ ガスタービン設備
３ 吸気室
４ 吸気入口
５ 圧縮機
６ ガスタービン
７ 発電機
８ サイレンサ
９、５１ 噴霧装置
１０ 燃焼器
１１ 燃料
１２ 排気
２０ 冷却水供給系
２１ タンク
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ（２２） 供給系統
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ（２４） ポンプ
２５ 冷却水
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ（２６） 吸込側供給配管
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ（２７） 吐出側供給配管
２８ 制御装置
３１ａ_１、３１ｂ_１、３１ｂ_２、３１ｃ_１、３１ｃ_２、３１ｃ_３、３１ｃ_４（３１）、５２ 導水管
３２ａ_１、３２ｂ_１、３２ｂ_２、３２ｃ_１、３２ｃ_２、３２ｃ_３、３２ｃ_４（３２）、５３ 噴霧ノズル
４０ 整流器

Claims (5)

1. ガスタービン設備の圧縮機に導かれる吸気を冷却する冷媒を供給する複数の供給系統を有する冷媒供給系と、
   各前記供給系統にそれぞれ接続され、前記吸気の通流方向にほぼ垂直な断面上に配置された複数の導水管と、
   各前記導水管に設けられ、前記冷媒を噴霧する噴霧ノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
2. 前記冷媒の噴霧量は、前記冷媒の供給を行わせる前記供給系統の組合せにより調整される請求項１記載のガスタービン吸気冷却装置。
3. 各前記供給系統に設けられた複数のポンプをさらに備え、
   前記冷媒の供給は、前記ポンプのオンまたはオフにより制御される請求項２記載のガスタービン吸気冷却装置。
4. 各前記供給系統に設定された前記冷媒の流量はそれぞれ異なる値であり、
   前記供給系統に設定された前記流量は、全ての前記供給系統より前記冷媒が供給された場合、前記冷媒の最大噴霧量となり、最も流量の小さい前記供給系統から前記冷媒の供給が行われた場合、前記冷媒の最小噴霧量となり、前記最小噴霧量から前記最大噴霧量までは、前記冷媒の供給を行わせる前記供給系統の組合せによりステップ状に冷媒を供給可能とする値である請求項２または３記載のガスタービン吸気冷却装置。
5. 前記導水管および前記噴霧ノズルに設けられ、前記吸気に対して整流形状を有する整流器をさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービン吸気冷却装置。

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