JP2013163993A - 吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を維持しながら、吸気冷却装置を小型化することを目的とする。
【解決手段】本発明の吸気冷却装置１０は、吸気から粉塵を除去する除塵フィルタ３０と、冷凍機の蒸発器１４から構成され、この上流もしくは下流で除塵される吸気を、冷却媒体Ｒ１により冷却する冷却部と、予め設定された温度域になると動作し、冷却部を加熱し冷却部への着氷を防ぐ熱交換部２２を、備えることを特徴とする。熱交換部２２として、例えば蒸発器１４を構成するチューブ１４ｔを内側に、熱交換部２２を構成するチューブ２２ｔを外側に配置した二重管構造が考えられる。
【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吸気冷却装置に関する。

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、このガスタービンの出力の効率は、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に提案されている。

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

ガスタービンの出力を向上するため、吸気冷却器を作動させるとき、外気温度が夏季のように極端に高くない場合、冷却コイルへの着霜が課題となる。このような着氷がガスタービンの吸気冷却装置で生じると、ガスタービンへの吸気量が著しく低下するため、最悪の場合、発電できない可能性がある。また、ガスタービンの吸気冷却装置に供給する冷却水を冷却するための冷凍機が、吸気冷却装置とは別に設けられているため、吸気冷却装置全体が大型化する点も課題となっている、
そこで本発明は、冷凍機の蒸発器を、ガスタービンの吸気冷却装置として用いることで、吸気冷却装置全体をコンパクト化するとともに、外気温度が夏季のように極端に高くない場合に想定される、冷却コイルへの着霜を防止できる吸気冷却装置を提供することを目的とする。

このような目的のもと、本発明の吸気冷却装置は、吸気から粉塵を除去する除塵フィルタと、冷凍機の蒸発器で構成され、吸気冷却装置は除塵フィルタで上流もしくは下流にて除塵された吸気を、循環される冷却媒体により冷却する冷却部と、予め設定された温度域になると動作し、冷却部を加熱することで冷却部への着氷を防ぐ着氷防止部と、を備えることを特徴とする。

本発明の吸気冷却装置において、例えば冷却部をなす第１チューブと着氷防止部をなす第２チューブが、第１チューブが内側、第２チューブが外側に配置される二重管構造が考えられる。

本発明では、冷凍機を構成する蒸発器により、ガスタービンの吸気を直接的に冷却する構成としているので、従来備えていた冷却水の循環経路が不要となり、その分だけ吸気冷却装置を小型化できる。しかし、冷凍機の蒸発器により、ガスタービンの吸気を直接冷却する吸気冷却装置構成の場合、外気温度が夏季のように極端に高くない時期に、蒸発器外面に着氷してガスタービンの吸気を阻害し、タービンが最悪運転不可となる課題があるところ、本発明はガスタービンの吸気冷却器温度を制御して着氷を抑制する機構を設け、蒸発器(吸気冷却器)への着氷を抑制する効果によって、最悪の場合に想定されるガスタービンの発電停止を抑制し、信頼性の高いガスタービンの運転を実現する。

第１実施形態における吸気冷却装置の構成を示す図である。 第１実施形態における吸気冷却装置の部分拡大断面図である。 第２実施形態おける吸気冷却装置の構成を示す図である。

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（第１実施形態）による吸気冷却装置１０（又は、冷凍サイクル）は、ガスタービンの吸気ダクト１に設けられるものである。除塵フィルタを備えた吸気冷却装置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、その他の吸気を行なう装置に本発明の冷却装置を適用することも可能である。

吸気冷却装置１０は、例えば蒸気圧縮冷凍機や吸収冷凍機、または吸着冷凍機やターボ冷凍機など冷凍機と組み合わされており、この冷凍機がターボ冷凍機の場合、遠心圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４とが、冷媒通路１５上に、冷却媒体Ｒ１の流れる向きにこの順で配置されている。蒸発器１４は、吸気ダクト１におけるガスタービン吸気の流路上に配置され、後述するようにガスタービン吸気を冷却する。冷却媒体R1として例えばフレオンなどが考えられる。
吸気冷却装置１０において、遠心圧縮機１１により圧縮された高温高圧の冷却媒体Ｒ１は凝縮器１２へ供給される。冷凍サイクル１０には、冷却塔１６が付設されており、大気と熱交換した例えば１５℃前後の冷却水Ｗが、循環ポンプ１７の作動により、冷水通路１９を介して凝縮器１２と併設される熱交換器に送られ、冷却媒体Ｒ１と熱交換して、冷媒を液化させる．ここで冷却水と記載しているが、凝固点を外気温度より低くするため、ブライン、不凍液などを用いても良い。
凝縮器１２で液化された冷却媒体Ｒ１は、膨張弁１３を経て断熱膨張され、例えば数℃レベルの低温低圧の液冷却媒体Ｒ１として蒸発器１４へ供給される。この液冷却冷媒Ｒ１が吸気冷却器(冷凍サイクルの蒸発器）で蒸発する際に、ガスタービン吸気から蒸発潜熱を奪うため、蒸発器１４を通過するガスタービン吸気は冷却される。

本実施形態の吸気冷却装置１０は、着氷防止部２０を備えている。着氷防止部２０は、外気温度が夏季のように極端に高くない時期に、吸気冷却器（冷凍サイクルの蒸発器）１４外面への着氷を抑制するために設けられる。
第１実施形態に示す着氷防止部２０は、ヒータ２１と、熱交換部２２と、循環ポンプ２３とが加熱媒体流路２４上に、加熱媒体Ｒ２の流れる向きに配置されている。熱交換部２２は、冷凍サイクルの蒸発器１４との間で熱交換ができるように設置されている。この具体例としては、例えば共通する多数のフィン材に、蒸発器１４を構成する配管と熱交換部２２を構成する配管を隣接して貫通する熱交換器などが考えられる。
ヒータ２１は、外部の電源から電力の供給を受けて、加熱媒体流路２４を流れる加熱媒体Ｒ２を加熱するために使用される。
循環ポンプ２３は、加熱媒体流路２４を加熱媒体Ｒ２が循環するように動作する。

着氷防止部２０は蒸発器１４への着氷の防止を目的とするものであるから、夏季のように外気温度が極端に高い時期に動作する必要はない。従って、外気温度を計測するための温度センサ２６を設け、測定された外気温度によって、着氷防止部２０の作動状態を制御する。例えば、外気温度が０℃以下であることを測定したならば、ヒータ２１に電力を供給することにより加熱媒体Ｒ２を温めるとともに、循環ポンプ２３を作動して、温められた加熱媒体Ｒ２を加熱媒体流路２４に循環させ、吸気冷却器（冷凍サイクルの蒸発器)１４への着氷を抑制する。
そのために、着氷防止部２０は、制御部２５を備える。制御部２５は、温度センサ２６で測定された外気温度データを用いて、例えば当該温度がある温度(例えば０℃)以上であればヒータ２１及び循環ポンプ２３を停止し、当該温度がある温度(例えば０℃以下)であればヒータ２１及び循環ポンプ２３を稼動させる。

吸気冷却装置１０には、蒸発器１４及び熱交換部２２よりも上流側に除塵フィルタ３０が設けられている。除塵フィルタ３０で除塵されたガスタービン吸気が、吸気冷却装置１０により冷却された後に、吸気ダクト１に供給される。

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、冷却媒体Ｒ１は、冷媒通路１５を通って遠心圧縮機１１に到達し、高温高圧のガス状の冷却媒体Ｒ１とされた後に、凝縮器１２へ供給される。凝縮器１２では、冷却塔１６から供給される冷却水Ｗと熱交換させることで、高圧の液冷却媒体Ｒ１とされてから膨張弁１３に送られる。膨張弁１３を通過することで低温低圧とされた液状の冷却媒体Ｒ１は蒸発器１４においてガスタービン吸気と熱交換することで吸気を冷却する。その後、蒸発器１４を出た冷却媒体Ｒ１は、遠心圧縮機１１に再び到達し、高温高圧のガス状の冷却媒体Ｒ１とされ、以上と同様のサイクルを繰り返す。

一方、制御部２５は、温度センサ２６から外気温度情報を取得し、例えば０℃以上であればヒータ２１及び循環ポンプ２３を停止する。ガスタービン吸気は蒸発器１４を流れる冷却媒体Ｒ１により冷却された後に、吸気ダクト１に供給される。
制御部２５は、温度センサ２６から外気温度が例えば０℃以下であればヒータ２１及び循環ポンプ２３を稼動する。このようにヒータ２１で温められた加熱媒体Ｒ２が加熱媒体流路２４を循環する。吸気冷却装置の熱交換部２２を流れる加熱媒体Ｒ２は、蒸発器１４を温めることにより、蒸発器１４に着氷するのを防止する。ただし、蒸発器１４を過熱すると、ガスタービン吸気冷却が困難となり、出力効率が低下するので、ヒータ２１による加熱媒体Ｒ２の加熱は、蒸発器１４への着氷を防止できる程度に制御される。

以上説明したように、本実施形態による吸気冷却装置１０は、冷凍サイクルを構成する蒸発器１４により、ガスタービン吸気を直接的に冷却する装置構成としているので、従来備えていた冷却水の循環経路が不要となり、その分だけ吸気冷却装置１０をコンパクト化でき、コストダウンが可能となる。
蒸発器１４により吸気を直接的に冷却する構成の場合、外気温度が夏季のように極端に高くない季節に、蒸発器１４に着氷し、最悪の場合ガスタービンでの発電が不可となる可能性がある。しかし本実施形態のように着氷防止機構２０を設けることで、吸気冷却装置（冷凍サイクルの蒸発器）１４への着氷が抑制されるため、最悪の場合に想定されるガスタービンの発電停止を抑制し、信頼性の高い運転を実現する。

なお、上記実施の形態では、吸気冷却装置１０としてターボ冷凍機の例を掲げたが、他の冷凍機、例えば吸収式冷凍機、蒸気圧縮冷凍機を適用することができる。
また、蒸発器１４と熱交換部２２を近接させた例として、図２に示すように、蒸発器１４を構成するチューブ１４ｔ（第１チューブ）を内側に、熱交換部２２を構成するチューブ２２ｔ（第２チューブ）を外側に配置した二重管構造にすることができる。これによって、吸気冷却装置（冷凍サイクルの蒸発器）１４を構成するチューブ１４ｔは外気に直接触れることがないため、着氷の防止に効果的である。もちろん、チューブ１４ｔを外側に、チューブ２２ｔを内側に配置した二重管構造としても、着氷の防止に有効であることはいうまでもない。

また、図３に示す第２実施形態による吸気冷却装置１１０のように、冷凍サイクルの蒸発器１４の加熱手段として、加熱された冷却水の代わりに、吸気冷却装置１１０を直接加熱する手段、例えば、蒸発器１４の周囲を取り囲む電気ヒータ２７からなる加熱手段を用いることができる。これによると、吸気冷却装置１１０を直接加熱するため、時間応答速度が速く、ガスタービン負荷変化などの追従性に優れるとともに、加熱媒体流路が不要となるので、コンパクト化やコストダウンが可能となる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択しても良いし、他の構成に適宜変更しても良い。

１ 吸気ダクト
２ 吸気口
３ 排気口
１０ 吸気冷却装置
１１ 遠心圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
１４ｔ チューブ
１５ 冷媒通路
１６ 冷却塔
１９ 冷水通路
２０ 着氷防止部
２１，２７ ヒータ
２２ 熱交換部
２２ｔ チューブ
２３ 循環ポンプ
２４ 加熱媒体流路
２５ 制御部
２６ 温度センサ
３０ 除塵フィルタ
Ｒ１ 冷却媒体
Ｒ２ 加熱媒体
Ｗ 冷却水

Claims (2)

1. 吸気から粉塵を除去する除塵フィルタと、
   冷凍機の蒸発器から構成され、前記除塵フィルタで上流もしくは下流にて除塵される前記吸気を、冷却媒体により冷却する冷却部と、
   予め設定された温度域になると動作し、前記冷却部を加熱することで前記冷却部への着氷を防ぐ、着氷防止部と、
   備えることを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記冷却部をなす第１チューブと前記着氷防止部をなす第２チューブが、
   前記第１チューブが内側、前記第２チューブが外側に配置される二重管構造をなす、
   請求項１に記載の吸気冷却装置。

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