JP2013160160A - 流体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集塵フィルタと冷却コイルを備える吸気及びその他の流体を冷却する装置を小型化することを目的とする。
【解決手段】本発明による吸気冷却装置１０は、吸気から粉塵を除去する除塵フィルタ１５と、外部から導入された冷却媒体により除塵フィルタ１５で除塵された吸気を冷却する吸気冷却コイル１１と、を備える。
本発明の吸気冷却装置１０は、除塵フィルタ１５が、セグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃに区分されており、また、吸気冷却コイル１１がコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに区分されている。そして、セグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃが、各々、コイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃの周囲を取り囲むように設けられているとともに、吸気冷却コイル１１が、吸気の流れる向きに沿って流路が形成されるように蛇行していること特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力低下を抑えるためにガスタービンの吸気を冷却するのに好適な装置に関する。

ガスタービンプラントや複合サイクルプラント等の発電プラントでは、ガスタービンとともに回転する圧縮機によって、外部より空気を吸気して圧縮し、圧縮空気をガスタービンに供給して、燃焼器において燃料を燃焼させることでガスタービンを回転させて、この回転力をガスタービンに連結した発電機に伝え、発電機を運転することによって電気を得ている。また、このガスタービン出力の効率は、タービン入口における外気圧力と外気温度の影響を受ける。夏期のように外気温度が高いときには外気の空気密度が低下するが、空気の体積流量は一定であるので、吸気した空気の質量流量が減少する。その結果、外気温度が高いと、ガスタービンに供給する空気の質量流量が減少し、結果的に、ガスタービンの出力を低下させる。そこで、タービンの出力低下を抑制するために、外気温度が高い場合に吸気を冷却する装置がこれまで提案されている。

例えば、特許文献１は、吸気の流路に、熱媒体との熱交換によって吸気を冷却する第1熱交換器を設けるとともに、この第1熱交換器の吸気方向下流側に、熱媒体との熱交換によって第1熱交換器で冷却された吸気を加熱する第２熱交換器を設けることを提案している。特許文献１の提案によれば、第１熱交換器を通過し吸気方向下流側に運ばれた液適を第２熱交換器で蒸発させ減少させることができる。特許文献１は、熱交換の方式として、冷却コイルの内部に冷媒を供給し、吸気をこの冷却コイルに接触させることにより、吸気と冷媒との間で熱交換させる冷却コイル方式を提案している。

特開２０１１−１６３５９６号公報

「外気高温下における吸気冷却によるガスタービン複合発電プラントの出力アップ」 三菱重工技報 Vol.47 No.4(2010) 49-54頁

以上の吸気冷却装置は、吸気中に含まれる塵などの異物を除去するため集塵フィルタを備えている。集塵フィルタは、特許文献１に開示されるように冷却コイルよりも吸気方向下流側に設けることができるし、非特許文献１に開示されるように、冷却コイルよりも吸気方向上流側に設けることもできる。
集塵フィルタを冷却コイルよりも吸気方向上流側又は下流側のいずれに設ける場合であっても、集塵フィルタ及び冷却コイルが占めるスペースが大きく、吸気冷却装置が大型化する点が課題となっている。例えば、非特許文献１によると、集塵フィルタ（フィルタ室）とダクトの間の３ｍのスペースに冷却コイルを据え付けることが記載されているが、集塵フィルタのサイズをも含めると、集塵フィルタと冷却コイルの配列方向には１０ｍ程度のスペースが必要となり装置が大型化する点が課題である。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、集塵フィルタと冷却コイルを備える吸気及びその他の流体を冷却する装置を小型化することを目的とする。

これらの課題を解決するため、本発明では、吸気から粉塵を除去する除塵フィルタと、外部から導入された冷却媒体により除塵フィルタで除塵後の流体を冷却する冷却コイルを持つ流体冷却装置を提案する。
本発明の流体冷却装置は、除塵フィルタが、冷却コイルの周囲を取り囲むように設けられているとともに、冷却コイルが、流体の流れる向きに沿って流路を形成することを特徴とする。
本発明における冷却コイルには、厚さ方向に貫通するような通気路を持つ伝熱フィンが設けられることが好ましい。これは伝熱フィンにより熱交換効率を向上させつつ、伝熱フィンにおける吸気の圧力損失を低減するためである。

本発明の流体冷却装置は、冷却コイルの周囲を取り囲むように除塵フィルタが設けられているので、冷却コイルと除塵フィルタを上流側と下流側というように区分してそれぞれ別に設置する場合と比べて、コンパクト化される
また、除塵フィルタが冷却コイルに沿って設けられることになるので、除塵フィルタ内の空気の通過面積を大きくすることができる。したがって、除塵フィルタ通過時における吸気の流速が低下することで除塵フィルタの圧力損失が低下するため、ガスタービンの出力を向上できる。
さらに、吸気の流動方向に沿って冷却コイルの流路が形成されているので、冷却水と吸気が対向流を形成する部分が存在し、冷却コイルにおける熱交換効率を向上できる。したがって、その分だけ吸気冷却コイルを小型化することで、吸気冷却装置のコンパクト化に寄与できる。

本実施の形態における吸気冷却装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態における吸気冷却装置の主要部の変形例を示す図である。 本実施の形態における伝熱フィンの２つの構成例を示し、（ａ）は第１の構成例の部分正面図（左側）とI−I矢視断面図、（ｂ）は第２の構成例の部分正面図（左側）とII−II矢視断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示す本実施形態による吸気冷却装置１０は、図示を省略するガスタービンの吸気ダクト１に設けられるものである。吸気冷却装置１０で冷却及び除塵された空気（吸気）は吸気ダクト１の吸気口２から吸い込まれる一方、発電用ガスタービンを構成する圧縮機に向けて、排気口３から圧縮機に供給される。なお、本実施形態では吸気冷却装置１０を発電用ガスタービンに適用する場合を例にするが、空気、その他の流体を吸引して下流側に接続する装置へ供給するような他の装置に本発明の冷却装置を適用しても良い。

吸気冷却装置１０は、吸気ダクト１よりも上流側に設けられ、吸気冷却コイル１１と、除塵フィルタ１５と、を備えている。内部を冷却水Ｗ１が流れる吸気冷却コイル１１は、除塵フィルタ１５を通過することで除塵された空気（吸気）を冷却する。
吸気冷却コイル１１は、３つのコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに区分されている。３つのコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各々において吸気冷却コイル１１は蛇行して設けられている。吸気冷却コイル１１は、折返し部分を除いて、吸気の向き（白抜き矢印）に沿って、冷却水Ｗ１が内部を流れるように流路が形成されている。したがって、冷却水Ｗ１は、吸気冷却コイル１１の中を、符号Ｆを付けた流路では吸気の向きと同じ向きに流れ、符号Ａを付けた流路では吸気の向きと逆向きに流れる。符号Ａで示すような吸気の向きと逆向きに流れる冷却水Ｗ１の流動方向は、吸気の流動方向と対向流を形成する。

吸気冷却コイル１１には、吸気との伝熱効率を高めるために、複数枚の伝熱フィン１２が取り付けられている。伝熱フィン１２は、吸気の通過を容易にして圧力損失を低減するために、図３（ａ）に示す第１の構成例のように、伝熱フィン１２の厚さ方向に貫通する通気路１３を設けることが好ましい。また、単純に通気路１３を設けるのではなく、図３（ｂ）に示す第２の構成例のように、通気路１３にルーバ１４を設けることで、一般的に相反関係である伝熱効率の向上と、圧力損失の低減を両立できる。

除塵フィルタ１５は、吸気冷却コイル１１と同様に、３つのセグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃに区分され、各々がコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃを収容する。各々のセグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、吸気が吸気ダクト１に向けて排出される吸気出口の側（図中の右側端）を除いて、五つの面でコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃの周囲を取り囲んでいる。
吸気は、図中の上下方向から除塵フィルタ１５の内部に供給され、図中の右側に向けて排出される。除塵フィルタ間にはシールが設置される。

吸気冷却コイル１１には、冷却水Ｗ１が循環される冷却水循環路１６が、ヘッダ１７（１７ａ，１７ｂ）を介して接続されている。冷却水循環路１６には循環ポンプ１８が設けられており、循環ポンプ１８を作動させることで、冷却水Ｗ１は、吸気冷却コイル１１（コイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）と冷却水循環路１６で形成される流路を循環する。冷却水循環路１６には、吸気冷却コイル１１（コイルブロック１１ａ）よりも上流側に熱交換器１９（蒸発器２４）が設けられており、この熱交換器１９において、冷却水Ｗ１と後述するターボ冷凍機２０の冷却媒体Ｒとの間で熱交換され、冷却水Ｗ１が冷やされる。

本実施形態の吸気冷却装置１０は、冷却水Ｗ１を冷やすために、ターボ冷凍機２０を備えている。ただし、ターボ冷凍機２０はあくまで一例にすぎず、例えば蒸気圧縮冷凍機や吸収冷凍機、または吸着冷凍機などの他の冷凍機を用いることができることはいうまでもない。
ターボ冷凍機２０は、遠心圧縮機２１と、凝縮器２２と、膨張弁２３と、蒸発器２４とが、冷媒通路２５上に、冷却媒体Ｒの流れる向きにこの順で配置されている。
ターボ冷凍機２０において、遠心圧縮機２１により圧縮された冷却媒体Ｒが凝縮器２２へ供給される。ターボ冷凍機２０には、冷却塔２６が付設されており、大気と熱交換した例えば３０℃前後の冷却水Ｗ２は循環ポンプ２７により凝縮器２２に送られ、冷却媒体Ｒと熱交換して、冷媒を凝縮して液化させる．
凝縮器２２で液化された冷却媒体Ｒは、膨張弁２３を経て断熱膨張され、例えば数℃レベルの低圧の液冷却媒体Ｒとして蒸発器２４へ供給される。
蒸発器２４において、吸気冷却コイル１１からの例えば十数℃の戻り冷却水Ｗ１とこの低圧の冷却媒体Ｒを熱交換させ、冷却媒体Ｒを蒸発させてガス化する。この時に冷却水Ｗ１は例えば５℃程度に冷やされ、その後、ヘッダ１７ａを介して吸気冷却コイル１１に再び供給される。

次に、吸気冷却装置１０の動作、効果について説明する。
吸気冷却装置１０では、まず、ターボ冷凍機２０から吸気冷却コイル１１に対し、冷却水Ｗ１が供給される。そして、この冷却水Ｗ１は、吸気冷却コイル１１によって吸気との間で熱交換されることにより、その温度が上昇する。一方、除塵フィルタ１５（セグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）を通過した吸気は、吸気冷却コイル１１によって冷却されることにより、温度が低下した後に吸気ダクト１へ吸入される。
その後、吸気冷却コイル１１を出た冷却水Ｗ１は、冷却水循環路１６を通って蒸発器２４に流れ込む。この冷却水Ｗ１は、蒸発器２４において冷却されてから、再度、吸気冷却コイル１１へ供給される。

一方、ターボ冷凍機２０では、蒸発器２４において冷却水Ｗ１と熱交換された冷却媒体Ｒは、冷媒通路２５を通って遠心圧縮機２１に到達し、高温高圧のガス冷却媒体Ｒとされた後に、凝縮器２２へ供給される。凝縮器２２では、冷却塔２６から供給される冷却水Ｗ２と熱交換させることで、低温高圧の液冷却媒体Ｒとされてから膨張弁２３に送られる。膨張弁２３を通過することで低温低圧とされた液冷却媒体Ｒは蒸発器２４において、冷却水循環路１６を流れる冷却水Ｗ１を冷却する。

以上のような吸気冷却装置１０は、吸気冷却コイル１１（コイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）の周囲を取り囲むように除塵フィルタ１５（セグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が設けられているので、吸気冷却コイル１１を例えば下流側に、除塵フィルタ１５を例えば上流側にというように、それぞれ別に分けて設置する場合と比べて、コンパクトになる。
また、除塵フィルタ１５が吸気冷却コイル１１に沿って設けられるので、除塵フィルタ１５の流路面積を大きくできる。したがって、除塵フィルタ通過時の吸気流速が低下することで除塵フィルタ１５の圧力損失が低減され、ガスタービンの出力効率低下を抑制できる。
さらに、吸気の流れる向きに沿って吸気冷却コイル１１の伝熱管が設置されているので冷却水Ｗ１と吸気が対向流を形成する部分が存在し、吸気冷却コイル１１における熱交換効率が向上する。従って、吸気冷却コイル１１は小型化されるため、吸気冷却装置全体のコンパクト化が可能である。

なお、上に示した実施例の形態では、吸気冷却コイル１１を３つのコイルブロック１１ａ，１１ｂ，１１ｃに区分して、各々をセグメントフィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃで取り囲む例を説明したが、図２に示すように、吸気冷却コイル１１を区分することなく除塵フィルタ１５で取り囲むことも可能である。このように除塵フィルタを大型の一体物とすることで、除塵フィルタ交換作業を一度に行うことができるようになり、作業性が向上する。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上に示した実施例の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することも可能である。

１ 吸気ダクト
２ 吸気口
３ 排気口
１０ 吸気冷却装置
１１ 吸気冷却コイル
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 吸気冷却コイルブロック
１２ 伝熱フィン
１３ 通気路
１４ ルーバ
１５ 除塵フィルタ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ セグメントフィルタ
１６ 冷却水循環路
１７ａ，１７ｂ ヘッダ
１８ 循環ポンプ
１９ 熱交換器
２０ 冷凍機
２１ 遠心圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
２５ 冷媒通路
２６ 冷却塔
２７ 循環ポンプ

Claims (2)

1. 流体から粉塵を除去する除塵フィルタと、
   外部から導入された冷却媒体により前記除塵フィルタで除塵された前記流体を冷却する冷却コイルと、を備え、
   前記除塵フィルタは、前記冷却コイルの周囲を取り囲むように設けられ、
   前記冷却コイルは、前記流体の流れる向きに沿って流路を形成するように配置されている、
   ことを特徴とする流体冷却装置。
2. 前記冷却コイル内に、厚さ方向に貫通する通気路を形成する伝熱フィンが設けられた、
   請求項１に記載の流体冷却装置。

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