JP2015090151A - ガスタービン入口空気を冷却するためのガスタービン入口システムおよび関連の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用の入口空気調整システムを提供すること。【解決手段】ガスタービン用の入口空気調整システムは、ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を備える入口ダクトと、空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、ウォーターチラーと、ウォーターチラーおよび蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプとを含む。チラーは、水が蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に水を冷やすように構成されている。発電プラントは、圧縮機、燃焼システム、およびタービンセクションを含むガスタービンと、負荷と、入口空気調整システムとを含む。【選択図】図１

Description

本明細書で開示されている主題は、一般に、ガスタービン用の入口空気調整システムに関し、詳細には、入口空気の冷却が改善された入口空気調整システムおよび方法に関する。

ガスタービンは、一般に、入口システムと、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。ガスタービンは、以下のように動作することが可能である。入口システムは、ガスタービンの大気環境から空気を受け入れ、圧縮機セクションは、入口空気を圧縮する。次いで、圧縮空気流は、燃焼セクションへ流れ、燃焼セクションにおいて、燃焼の前に、燃料混合が起こることが可能である。燃焼プロセスは、タービンセクションを駆動するガス状混合物を発生させ、タービンセクションは、ガス状混合物のエネルギーをトルクの形態の機械的なエネルギーに変換する。トルクは、通常、発電機、機械的駆動装置などを駆動するために使用される。

ガスタービン性能は、一般に、出力、熱効率、および／または熱消費率によって決定される。流入する空気流の温度および湿度は、ガスタービン性能に重要な影響を与える。一般的に、ガスタービンは、空気流の温度が上昇するにつれて、効率的でなくなる。

様々なシステムが、特により高い空気流温度および／または湿度を有する大気条件中に、入口空気流温度を低減させるために利用されている。これらのシステムは、圧縮機セクションに進入する前に空気流を調整することによって、この目標を実現しようとする。調整することは、空気流の少なくとも１つの物理的特性を調節するプロセスであると考えることが可能である。物理的特性は、湿球温度、乾球温度、湿度、および密度を含むことが可能であるが、それに限定されない。空気流の１つまたは複数の物理的特性を調節することによって、ガスタービンの性能を改善させることが可能である。

これらのシステムのいくつかの公知の例は、媒体タイプ蒸発冷却器、噴霧蒸発冷却器、機械式のウォーターチラー（ｃｈｉｌｌｅｒ）を備えるチラーコイル、または、熱エネルギーシステムを有する、または有していない吸収式ウォーターチラーなどを含む。しかし、ガスタービンに進入する空気流を調整するための公知のシステムに対する関心はほとんどない。

タービンエンジンのための関連の入口空気冷却システムでは、センシティブ（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）冷却および蒸発冷却システムの両方が使用されている。センシティブ冷却システムは、典型的には、入口空気流内に配設されているウォーターチラーおよび冷却コイルを用いる。これらのシステムは、非常に機能的であるが、作製および設置するために数百万ドルの費用がかかる可能性がある冷却コイルおよびウォーターチラープラントの高い費用に少なくとも部分的に起因して、しばしば実施するには高価過ぎると考えられる。蒸発冷却システムは、典型的には、作製および設置するのにそれほど高価でないが、高温乾燥環境において最適に働く。なぜなら、高温乾燥空気は、相対的に湿度の高い環境よりも大きい冷却能力を提供するからである。実際、蒸発冷却器は、高温乾燥環境でそれらを使用することに比べて性能が相対的に不十分であることにより、高湿環境で使用することについて完全に度外視されていた可能性がある。関連の蒸発冷却システムは、近くの水供給部（水供給部の温度は大気条件と関係している）からの水など、容易に利用可能な水に依拠していた。

米国特許第８，３６５，５３０号（‘５３０特許）は、センシティブ冷却および蒸発冷却の両方を含むシステムを開示している。‘５３０特許は、水が媒体表面の上にスプレーされるシステムを開示しており、水が冷却され得るか、または、水が大気条件で供給され得る。このアプローチは、媒体が異なり、水が送達される方式が異なる（従来の蒸発冷却はスプレーを用いていない）という点において、蒸発冷却とは部分的に異なる。

本開示に至る研究の前には、少なくとも効率に関して、また、蒸発冷却器とともに使用するために水をチリング（ｃｈｉｌｌｉｎｇ）することに対して、利益はないと当技術分野では認められていた。したがって、以下に論じる結果、すなわち蒸発冷却器の効率の改善がチルド（ｃｈｉｌｌｅｄ）水を蒸発冷却媒体に供給することによって実現されたことは、驚くべきものであり、相当なブレークスルーであった。実際、本開示によるデバイスは、関連の蒸発冷却器に関するこれまでの考え方とは対照的に、比較的高い大気湿度であっても、効果的な冷却を提供する。

本明細書で説明されている入口冷却システムの態様は、先行技術に関連する１つまたは複数の課題または不利益に対する解決策を提供する。

米国特許第８，３６５，５３０号公報

例示的であるが非限定的な１つの態様では、本開示は、ガスタービン用の入口空気調整システムに関する。システムは、ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む、ガスタービン用の入口ダクトと、空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、ウォーターチラーと、ウォーターチラーおよび蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプとを含む。チラーは、水が蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に水を冷やす（ｃｈｉｌｌ）ように構成されている。

例示的であるが非限定的な別の態様では、本開示は、発電プラントに関する。発電プラントは、圧縮機、燃焼システム、およびタービンセクションを含むガスタービンと、機械的な負荷または電気的な負荷と、ガスタービン用の入口システムとを含む。入口システムは、ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む、ガスタービン用の入口ダクトと、空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、ウォーターチラーと、ウォーターチラーおよび蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプとを含む。チラーは、水が蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に水を冷やすように構成されている。蒸発冷却媒体は、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを提供するように最適化されている。

例示的であるが非限定的な別の態様では、本開示は、発電プラントに関する。発電プラントは、圧縮機、燃焼システム、およびタービンセクションを含むガスタービンと、機械的な負荷または電気的な負荷と、ガスタービン用の入口システムとを含む。入口システムは、ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む、ガスタービン用の入口ダクトと、空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、ウォーターチラーと、ウォーターチラーおよび蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプとを含む。チラーは、水が蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に水を冷やすように構成されている。入口空気を調整するために蒸発冷却媒体に送達されるすべての水が冷やされる。

本開示の例示的であるが非限定的な態様による、概略的に示されている入口システムおよびガスタービンエンジンの簡単化された側面図である。 本開示の例示的であるが非限定的な態様による、入口空気冷却システムの概略図である。 本開示の蒸発冷却モジュールおよび関連の構造体の簡単化された表示である。 蒸発媒体、および、蒸発媒体の垂直方向にわたる冷却有効性の表示である。 例示的であるが非限定的な例を伴う簡単化された湿り空気線図である。

本開示の１つまたは複数の具体的な実施形態が、以下に説明されることになる。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実施のすべての特徴が、明細書内に説明されてはいない可能性がある。エンジニアリングまたは設計プロジェクトなど任意の実際の実施の開発において、システム関連の制約および／またはビジネス関連の制約（それは、実施ごとに変化する可能性がある）を順守するなど、特定の目標を実現するために、多数の実施時固有の決断がなされることが認識されるべきである。そのうえ、そのような努力は、複雑であり、時間がかかるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとって、設計、作製、製造の日常的業務であるいうことが認識されるべきである。

詳細な例示的な実施形態が、本明細書で開示されている。しかし、本明細書で開示されている特定の構造的なおよび機能的な詳細は、単に、例示的な実施形態を説明する目的のための代表的なものである。しかし、本開示の実施形態は、多くの代替的な形態で具現化することが可能であり、本明細書で述べられている実施形態だけに限定されるものとして解釈されるべきではない。

したがって、例示的な実施形態は、様々な修正例および代替的な形態とすることが可能であるが、その実施形態は、図内で例として図示されており、本明細書で詳細に説明されることになる。しかし、例示的な実施形態を開示されている特定の形態に限定する意図は存在しておらず、それとは対照的に、例示的な実施形態は、本開示の範囲内にあるすべての修正例、均等物、および代替例をカバーすることになることを理解されたい。

本明細書で使用されている専門用語は、特定の実施形態を説明するためだけのためのものであり、例示的な実施形態を限定することは意図していない。本明細書で使用されているように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別段文脈で明確に示されていない限り、複数形も含むことを意図している。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える、含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」、および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」の用語は、本明細書で使用されているときには、述べられている特徴、整数、ステップ、運転、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、運転、要素、コンポーネント、および／または、それらのグループの存在または付加を排除しない。

第１の、第２の、一次的な、二次的な、などの用語が、様々な要素を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、単に、１つの要素を別の要素から区別するために使用されているだけである。例えば、それに限定されないが、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と呼ぶことが可能であり、同様に、第２の要素は、第１の要素と呼ぶことが可能である。本明細書で使用されているように、「および／または」の用語は、関連のリストアップされた項目のうちの１つまたは複数のいずれかおよびすべての組み合わせを含む。

特定の専門用語は、読者の利便性のためだけに本明細書で使用される可能性があり、本発明の範囲の限定として捉えられるべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「前」、「後」、「上部」、「下部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流」、「下流」、「前方」、「後方」などの語句は、単に、図に示されている構成を説明しているだけである。実際、本開示の実施形態の１つまたは複数の要素は、任意の方向に配向される可能性があり、したがって、専門用語は、そうでないと特定されていなければ、そのような変形例を包含するものとして理解されるべきである。

明細書および特許請求の範囲を通して使用されているように、「実質的に」および「約」は、製造公差、運転公差、および／または検査公差内にある理想値または公称値からの偏差を少なくとも含む。

本開示は、それに限定されないが、高負荷ガスタービンまたは航空機転用形ガスタービンなど、取り込まれた空気を圧縮する様々なガスタービンエンジンに適用することが可能である。本開示の実施形態は、単一のガスタービンエンジン、または、複数のガスタービンエンジンのいずれかに適用することが可能である。本開示の実施形態は、単純サイクルまたはコンバインドサイクルで動作するガスタービンエンジンに適用することが可能である。

図１は、入口システム１２を備えるガスタービンエンジン１０を図示している。ガスタービンエンジン１０は、一般的に、圧縮機１４、燃焼室１６を有する少なくとも１つの燃焼器、およびタービンセクション１８を含む。陸用ガスタービンでは、タービンセクション１８が、典型的には、発電機２０を駆動する。圧縮機１４には、入口部が設けられており、入口部は、入口プレナム２２の下流に配置されている複数の入口ガイドベーン（図示せず）を含むことが可能である。タービンセクション１８は、排気ディフューザ（図示せず）に流体接続されている。

入口システム１２は、一般的に、入口部フィルターハウス２６の上流端部に装着されているウェザーフード２４を含む。ウェザーフード２４は、入口空気ダクト２８を介して入口プレナム２２に流体接続されている。入口空気ダクト２８は、中間部分３４を通って第２の端部部分３２へ延在する第１の端部部分３０を含む。

また、入口システム１２は、例示的な空気冷却システム３６を含む。空気冷却システムの詳細は、図２および図３に関して、以下に詳細に論じる。

図２は、空気冷却システム３６を概略的に図示しており、空気冷却システム３６は、一般的に、いくつかの並列のフロー分岐を備える再循環ループの形態をしている。冷却システム３６は、水の貯蔵のために水タンク３８を含む。本開示を通して水が参照されているが、液体冷却媒体が適当な蒸発特性を持っている限り、他の液体冷却媒体も使用することが可能である。水は、純水、または、様々な添加剤入りの水とすることが可能であり、添加剤は、自然に発生するか、または、システムの所望の化学的特性を維持するためにユーザによって加えられ得る。水タンク３８は、水供給部に接続されている入口部４０を含む。水供給部は、冷却システム３６を通って流れる水（それは、蒸発または他の損失に起因して失われる）の補給を可能にする。水タンク３８は、冷却システム３６を通して水を流すために、第１の出口部４２を含む。また、水タンク３８は、ブローダウンのための第２の出口部４６を含み、それにより、システムが任意の理由ために水を減少させることが可能になる。入口部４０および第２の出口部４６は、システム内の任意の都合の良い場所に位置付けすることが可能であり、それにより、システムへ水を追加および除去することが可能になる。また、２つの出口部４６は、好ましい場合には、単一の接続へ組み合わせることも可能である。

また、冷却システム３６は、ポンプモジュール４４を含む。図２では、２つのポンプが、モジュール内に概略的に図示されているが、システムの要求によって決められることになるように、任意の数のポンプを使用することが可能である。ポンプモジュール（または、簡単に「ポンプ」）４４は、タンク３８から水を引き出し、チラー４８に水を供給する。ポンプ４４は、水タンク３８とチラー４８との間に図示されているが、ポンプ４４は、システムに十分な性能を提供する任意の場所に位置付けすることが可能である。当業者によって認識されることになるように、チラー４８の上流にポンプ４４を位置付けすることは、チラー４８が、ポンプ４４によって水に追加される任意の熱を補償することを可能にすることになる。

チラー４８は、公知の冷却技法を使用して水を冷やし、機械式チラー、熱ポンプ、地下の水貯蔵タンク、融雪からの冷水流出（ｒｕｎｏｆｆ）、吸収式チラー、氷貯蔵システム、または、これらの技術または他の適切な技術の任意の組み合わせを含むことが可能であるが、それに限定されない。例示的であるが非限定的な例では、チラー４８は、大気湿球温度よりも低く水を冷却するように構成されている。温度は、大気湿球温度よりも低い任意の温度とすることが可能であり、ガスタービンエンジン１０から排出される寄生電力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐｏｗｅｒ）の、ガスタービンエンジン１０への入口空気を冷却することによる効率の上昇に対するトレードオフに基づいて最適化することが可能である。例えば、チラー４８は、華氏約１０〜４０度、または華氏１５〜２０度へ、大気湿球温度よりも低く、水を冷却することが可能である。

チラー４８を出た後に、水は、少なくとも１つの蒸発冷却モジュール５０（以下に詳細に議論される）へ流れる。冷却システム３６は、チラー４８を出た後に、複数の機能的に並列の流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃを含むことが可能である。機能的に並列の流路のうちの１つは、再循環ループ５４ａとすることが可能である。再循環ループ５４ａは、すべての蒸発冷却モジュール５０をバイパスさせる流路を提供している。そのような再循環ループ５４ａは、例えば、ピーク冷却要求の間に、余剰能力（流量および／またはチリング）が、蒸発冷却モジュール５０をバイパスし、後の使用のために追加的な冷却水を貯蔵することを可能にすることができる。再循環ループ５４ａは、１つまたは複数の蒸発冷却モジュール５０が、ポンプ４４が動作したままの状態で水フローを止めさせることを可能にすることができ、それにより、例えば、ポンプ４４を停止することなく、メンテナンスが蒸発冷却モジュール５０に実施されることが可能になる。再循環ループ５４ａは、水冷プロセスの最適化ために、チラー４８に進入する所望の水温を維持することが可能である。機能的に並列の流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、および再循環ループ５４ａのそれぞれは、例示的であるが非限定的な弁５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄとともに図示されている。任意の種類の制御要素または測定要素が含まれるか、または省略され、これらの流路の別々の制御および／または監視を容易にすることが可能である。例えば、弁５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのうちの１つまたはそれぞれは、オリフィスプレート、または、バイパスラインを備えるオリフィスプレートと交換することが可能である。随意的な伝導度センサー５７を任意のラインに追加することが可能である。再循環ループ５４ｂは、ライン５４ｂによって図示されているように、チラー４８をバイパスする。また、再循環ループ５４ｂは、三方弁５６ｅを含むことが可能であり、三方弁５６ｅは、再循環ループが水タンク３８に接続することを可能にし、または、ブローダウンを可能にする。再循環ループ５４ｂは、３方弁５６ｅがブローダウンラインを開放するかしないかにかかわらず、チラー４８を通る一定のフロー、および、蒸発冷却器モジュール５０ａ、５０ｂおよび５０ｃへのフローを維持する。

図２は、３つの垂直方向に積み重ねられた蒸発冷却モジュール５０（入口空気ダクト２８内に位置付けされている上部モジュール５０ａ、中間モジュール５０ｂ、および下部モジュール５０ｃ）を図示している。３つの蒸発冷却モジュール５０が、チラー４８に流体接続されており、水が、機能的に並列の様式で、３つの蒸発冷却モジュール５０へ流れるようになっている。したがって、図示されているように、冷却水は、３つの蒸発冷却モジュール５０に送達される前に、３つの並列分岐に分割され、また、３つの並列分岐は、再循環ループ５４ａにも機能的に並列である。垂直方向に積み重ねられた配置によって、チルド水は、複数の場所において、空気流に進入し、空気流と接触し、または、空気流と混合し、空気のより大きな部分がチルド水と相互作用し、チルド水の効果を増加させる。

３つの蒸発冷却モジュール５０が図示されているが、任意の数の蒸発冷却モジュールを設けることが可能である。３つの蒸発冷却モジュール５０は、説明の容易さのためだけに議論されており、限定しているとして考慮されるべきではない。複数の蒸発冷却モジュール５０（２つ以上）を含むことは、単一の蒸発冷却モジュール５０に勝る利点を提供することが可能である。より詳細に以下に論じられているように、複数の蒸発冷却モジュール５０は、蒸発冷却モジュール５０によって実現されるセンシティブ冷却の量の、全体システムのコストおよび／または複雑さに対する最適化を可能にする。

図３に移動すると、例示的であるが非限定的な３つの蒸発冷却モジュール５０が、入口空気ダクト２８内に配設されて図示されている。モジュール５０は、垂直方向に整合されるように図示されているが、それらは、空気が入口空気ダクト２８を通過するとき実質的にすべての空気がモジュール５０のうちの少なくとも１つを通って流れる任意の実質的に垂直方向に積み重ねられた配置とすることが可能である。例えば、モジュール５０は、（図示されているように）垂直方向に整合するか、またはわずかにオフセットすることが可能であり、空気フローを許容しないモジュール５０の任意の部分が、互いに重ね合わせられ、空気フロー障害を低減させるようになっている。水は、蒸発冷却モジュール５０内へ、供給マニホールド５８を介して、次いで、分配層６０へ流れる。分配層６０は、蒸発媒体６２への比較的均一な水の分配を確実にする。供給マニホールドおよび／または分配層６０は、蒸発媒体への水入口部としての役割を果たしている。水は、重力によって支援されて分配層６０に隣接する蒸発媒体６２の上部から分配層６０の下部に向かって流れ、コレクター６４内に収集される。また、空気は、水が流れる方向に対して概して垂直である蒸発媒体６２を通って、または横切って流れる。空気および水は、接触および／または混合することを許容され、水の蒸発、および、結果として起こる空気の蒸発冷却を生じさせる。随意的なミストエリミネーター６６は、蒸発媒体６２の下流に設けられ、空気流内に飛沫同伴されている水滴を除去することが可能である。

水が、大気湿球温度よりも低い温度で分配層６０を出ていく場合には、水は、所定の温度分布プロファイルを有することになり、所定の温度分布プロファイルは、蒸発媒体６２を下へ流れるにつれて温度が上昇し、蒸発媒体を通って流れる空気の湿球温度に近い点に最終的に到達することになる。たとえ、冷やされていない一部の水が、チルド水とともに蒸発冷却媒体６２に送達されたとしても、正味の効果は、蒸発冷却媒体６２に送達されるすべての水が混合によって冷やされることになる。蒸発媒体６２の上部に向かう比較的冷たい水は、冷却水と空気フローとの間の温度差に起因して、センシティブ冷却を支配的に提供する。蒸発媒体の下部（そこで、水が、空気フローの湿球温度に近い点に到達している）に向かって、センシティブ冷却を引き起こすよりも小さい温度差が存在するので、実質的に蒸発冷却が支配する。これは、蒸発冷却モジュール５０が、従来の蒸発冷却器に関する１００％よりも大きい蒸発冷却効率を有するという驚くべき効果をもたらすことが可能である。ここで、蒸発冷却器の従来の効率は、効率＝［（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｔ１−Ｔ３）］ｘ１００として定義され、ここで、Ｔ１＝進入する空気の乾球温度、Ｔ２＝離れていく空気の乾球温度、および、Ｔ３＝進入する空気の湿球温度である。したがって、冷却が、チルド水なしの蒸発冷却を使用して実現される冷却よりも大きいときに、すなわち、集合的なＴ２が、チルド水供給を伴うＴ３より低いときに、本開示による１００％よりも大きい効率が実現される。

チルド水を複数の場所に導入することによって、入口空気ダクト２８の上部部分に対応する蒸発媒体６２の一部分だけに冷却水が導入される場合よりも、冷水を伴う比較的多くの面積を、所与の高さにおいて実現することが可能である。これは、図３に示されているように、入口空気ダクト内で、複数の蒸発冷却モジュール５０を互いの上方に積み重ねることによって実現することが可能であり、これは、垂直方向に区別可能な蒸発媒体６２のセクションを実現するための、例示的であるが非限定的な方式である。

蒸発冷却器モジュールの高さは、特定の用途の条件に所望の効率に依存する。図４に図示されているように、全体有効性ηは、以下の公式：η＝［ｘ₁／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₁＋［ｘ₂／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₂＋［ｘ₃／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₃、ここで、η₃＜η₂＜η₁、および、η₃＜η＜η₁を使用して決定することが可能である。ｘ₁は、蒸発媒体６２を通過する空気が主にセンシティブ冷却によって冷却される場所の蒸発媒体６２の高さ（すなわち、垂直方向の長さ）のセクションである。ｘ₂は、蒸発媒体６２を通過する空気が蒸発冷却およびセンシティブ冷却の混合によって冷却される場所の蒸発媒体６２の高さのセクションである。ｘ₃は、蒸発媒体６２を通過する空気が主に蒸発冷却によって冷却される場所の蒸発媒体６２の高さのセクションである。ｘ₁、ｘ₂、およびｘ₃は、蒸発媒体６２の全体高さに基づいて決定されることになる。ｘ₁、ｘ₂、およびｘ₃は、それぞれ、η₁、η₂およびη₃に対応している。例では、ｘ₁＝ｘ₂であり、ｘ₃が蒸発媒体６２の高さの残りである。

図２および図３に戻ると、中間モジュール５０ｂは、下部モジュール５０ｃの上方に配設されており、上部モジュール５０ａは、中間モジュール５０ｂの上方に配設されている。この積み重ねられた構成は、入口システム１２内に、および／または、入口空気ダクト２８内に配設されており、積み重ねられた蒸発冷却モジュール５０が、蒸発冷却モジュール５０を通る並列の空気フローを有するようになっている。水が蒸発冷却モジュール５０のそれぞれを通って流れるときに、次いで、水は、統合され、戻りライン６８を介して水タンク３８へ戻される。

また、図２は、制御装置７０を図示しており、制御装置７０は、冷却システム３６を制御および操作するために必要な制御ロジックおよび他の制御を含む。制御装置７０は、スタンドアロンの制御装置とすることが可能であるか、または、発電プラントなど、より大きな全体システムのための全体制御システム内へ一体化することが可能である。図示されているように、制御装置７０は、ポンプ４４および弁５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのための制御を含み、蒸発冷却モジュール５０および再循環ループ５４ａを通るフローを制御する。代替的に、弁５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのうちの１つまたは複数は、設置の間に調節し、その後に固定することが可能であるか、または、それぞれの流量のバランスをとるための任意の他の適切なパッシブなまたはアクティブな方法を用いることが可能である。制御装置は、ポンプ４４のポンピング流量を制御することによって、および／または、再循環ループ５４ａと蒸発冷却モジュール５０との間の全体フロー分配を制御することによって、水の流量を制御することが可能である。制御装置は、適当なソフトウェア、および／または、専用のアナログ、デジタル、もしくは機械制御コンポーネントを備える汎用コンピューターの形態とすることが可能である。５７からの入力を通して、制御装置は、弁５６ｅおよび／または５６ｆを介してシステムからブローダウンする（水を除去する）ことが可能である。

図５（簡単化された湿り空気線図）は、本開示、純粋な蒸発冷却、およびセンシティブ冷却の間の相違を説明するためのものである。線図は、１００％蒸発冷却のための第１のライン７２を含み、それは、グラフの上の等エンタルピーラインに対応するラインをたどっている。第２のライン７４は、センシティブ冷却または１００％チリングを使用する冷却に対応しており、それは、所与の露点温度に対応する水平ラインをたどっている。このラインは、入口空気を冷却するために機械式チラーおよびチラーコイルを使用する従来のシステムを表示している。第３のライン７６（本開示に対応しており、チルド水蒸発冷却器のラベルを付されている）は、従来の蒸発冷却およびセンシティブ冷却の融合である。第３のライン７６は、第１のライン７２と第２のライン７４との間のどこかに収まっている。ラインのそれぞれがグラフの左上の曲線境界と交差する場所が、それぞれのタイプの冷却によって実現することが可能な乾球温度（グラフの下部縁部）に対応している。

点線によって示されているように、１００％蒸発冷却は、最も高い乾球温度を結果として生じさせ、１００％チリングは、最も低い乾球温度を結果として生じさせ、１０５％ＥＣは、その間に存在している。

典型的には、１００％蒸発冷却システムは、蒸発媒体６２の上部表面の面積（図３において、分配層６０に面する面積）の１平方フィート当たり毎分１から２ガロンの間（例えば、毎分約１．５ガロン）の冷却水の流量を有しており、水は、冷却されていなかった（すなわち、水は、容易に利用可能な温度で使用されていた）。典型的な１００％センシティブ冷却システムでは、冷却水の流量は、典型的には、媒体の上部表面の面積の１平方フィート当たり毎分約４．５ガロンであり、水は、華氏約４５度の温度に冷却されていた。認識されることになるように、１００％センシティブ冷却システムは、冷却のために必要なより大きな流量および追加的な電力に起因して、１００％蒸発システムよりも相当多くの寄生電力を必要とする。

本開示によって、蒸発媒体６２の上部表面の面積の１平方フィート当たり毎分約０．５から１０ガロンの間（例えば、毎分１から２ガロン、例えば、毎分約１．５ガロン）が供給される可能性があり、それは、大気湿球温度よりも低く冷やされている。水を冷やしてポンプ送りするための寄生電力は、１００％蒸発冷却システムのものに匹敵する。また、流量が低いため、および、水が所定の温度にまで低く冷やされる必要がないため、チリングのための寄生電力は、１００％センシティブ冷却システムに対して必要とされるものよりも低い。本開示による水を冷却するための温度は、効率向上−対−寄生電力消費に基づいて最適化することが可能である。例示的な温度は、大気湿球温度より低い華氏約１０〜４０度の間、例えば、大気湿球温度より低い華氏１５〜２０度とすることが可能であるが、設計考慮事項に応じて、より大きく、または、より小さくすることが可能である。例えば、冷却水は、大気湿球温度より低い少なくとも華氏１５度となるように冷却することが可能であるか、または、冷却水は、大気湿球温度より低い少なくとも華氏２０度となるように冷却することが可能である。

従来の蒸発冷却システムでは、大気湿度が上昇するにつれて、システムのタービン空気低下（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）は減少する。非常に驚くことには、本開示によって、高湿大気環境においても、蒸発冷却媒体およびチルド水を有するシステムは、依然として、効果的な冷却性能を実現することが可能である。これは、チルド水によって提供されるいくらかのセンシティブ冷却に少なくとも部分的に起因して実現されている。

当業者によって認識されることになるように、本開示は、いくつかの利益を提供する。従来の蒸発冷却システムよりも良い冷却効率を実現しながら、蒸発冷却だけを使用するシステムと同様に、比較的費用のかからないシステムを提供することが可能である。別の見方をすると、従来のセンシティブ冷却システム（チラーおよび冷却コイルを備えるシステム）が、比較的高価な冷却コイルを、比較的安価な蒸発冷却媒体と交換させることが可能である。

本発明は、最も実用的で好適な実施形態であると現在考えられるものに関連して説明されてきたが、本発明は、開示されている実施形態に限定されるべきではなく、それとは対照的に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正例および均等物構成体をカバーすることを意図していることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 入口システム
１４ 圧縮機
１６ 燃焼室
１８ タービンセクション
２０ 発電機
２２ 入口プレナム
２４ ウェザーフード
２６ 入口部フィルターハウス
２８ 入口空気ダクト
３０ 第１の端部部分
３２ 第２の端部部分
３４ 中間部分
３６ 冷却システム
３８ 水タンク
４０ 入口部
４２ 第１の出口部
４４ ポンプ
４６ 第２の出口部
４８ チラー
５０ 蒸発冷却モジュール
５０ａ 上部モジュール
５０ｂ 中間モジュール
５０ｃ 下部モジュール
５２ａ 機能的に平行である流路
５２ｂ 機能的に平行である流路
５２ｃ 機能的に平行である流路
５４ 再循環ループ
５６ａ 弁
５６ｂ 弁
５６ｃ 弁
５６ｄ 弁
５６ｅ 三方弁
５８ 供給マニホールド
６０ 分配層
６２ 蒸発媒体
６４ コレクター
６６ ミストエリミネーター
６８ 戻りライン
７０ 制御装置
７２ 第１のライン
７４ 第２のライン
７６ 第３のライン

Claims (20)

1. ガスタービン用の入口空気調整システムであって、
   前記ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む、前記ガスタービン用の入口ダクトと、
   前記空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、
   ウォーターチラーと、
   前記ウォーターチラーおよび前記蒸発冷却媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプと
   を含み、
   前記チラーは、前記水が前記蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に前記水を冷やすように構成されている、入口空気調整システム。
2. 前記蒸発冷却媒体が、複数の垂直方向に区別可能なセクションを含み、前記複数の垂直方向に区別可能なセクションが、前記複数の垂直方向に区別可能なセクションのそれぞれの上部に水入口部をそれぞれ備えており、前記水が、前記チラーから前記複数の垂直方向に区別可能なセクションの前記上部へ別々に供給される、請求項１記載の入口システム。
3. 前記複数の垂直方向に区別可能なセクションが、互に積み重ね合わされている、請求項２記載の入口システム。
4. 前記水入口部が、互いに機能的に並列である、請求項３記載の入口システム。
5. 前記蒸発冷却媒体の高さ、および、前記チラーを通して循環される前記水が、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを前記蒸発冷却媒体内に同時に提供するように最適化されている、請求項１記載の入口システム。
6. 前記チラーが、前記水を冷やし、その結果、前記水が前記大気湿球温度より低い華氏約１０〜約４０度の間で前記蒸発冷却に送達されるように構成されている、請求項１記載の入口システム。
7. 前記入口システムが、前記蒸発冷却媒体の前記上部の面積の１平方フィート当たり約０．５から１０ガロンの間の水を前記冷却媒体に送達するように構成されている、請求項１記載の入口システム。
8. 前記入口システムが、前記蒸発冷却媒体の前記上部の面積の１平方フィート当たり約１から２ガロンの間の水を前記冷却媒体に送達するように構成されている、請求項１記載の入口システム。
9. 前記入口システムが、水タンクおよび再循環ループをさらに含み、前記再循環ループが、前記ウォーターチラー、前記循環ポンプ、および前記水タンクを順番に接続している、請求項１記載の入口システム。
10. （１）前記蒸発冷却媒体から、および、（２）前記蒸発冷却媒体を通して流すことなく前記チラーから、前記水タンク内へ前記水を流すように構成されている、請求項９記載の入口システム。
11. 圧縮機、燃焼システム、およびタービンセクションを含むガスタービンと、
    機械的な負荷または電気的な負荷と、
    前記ガスタービン用の入口システムと
    を含む発電プラントであって、
    前記入口システムは、
    前記ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む入口ダクトと、
    前記空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、
    ウォーターチラーと、
    前記ウォーターチラーおよび前記蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプと
    を含み、
    前記チラーは、前記水が前記蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に前記水を冷やすように構成されており、
    前記蒸発冷却媒体は、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを提供するように最適化されている、発電プラント。
12. 前記蒸発冷却媒体が、複数の垂直方向に区別可能なセクションを含み、前記複数の垂直方向に区別可能なセクションが、前記複数の垂直方向に区別可能なセクションのそれぞれの上部に水入口部をそれぞれ備えており、前記水が、前記チラーから前記複数の垂直方向に区別可能なセクションの前記上部へ別々に供給される、請求項１１記載の発電プラント。
13. 前記複数の垂直方向に区別可能なセクションが、互に積み重ね合わされており、前記水入口部が、互いに機能的に並列である、請求項１２記載の発電プラント。
14. 蒸発冷却媒体が、所望の有効性ηに基づいて最適化されており、
    η＝［ｘ₁／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₁＋［ｘ₂／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₂＋［ｘ₃／（ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃）］η₃、
    η₃＜η₂＜η₁、および、η₃＜η＜η₁であり、
    ｘ₁は、前記蒸発冷却媒体を通過する空気が主にセンシティブ冷却によって冷却される場所の前記蒸発冷却媒体の高さのセクションであり、ｘ₁は、η₁に対応しており、
    ｘ₂は、前記蒸発冷却媒体を通過する空気が蒸発冷却およびセンシティブ冷却の混合によって冷却される場所の前記蒸発冷却媒体の高さのセクションであり、ｘ₂は、η₂に対応しており、
    ｘ₃は、前記蒸発冷却媒体を通過する空気が主に蒸発冷却によって冷却される場所の前記蒸発冷却媒体の高さのセクションであり、ｘ₃は、η₃に対応している、請求項１３記載の発電プラント。
15. 前記冷却媒体の高さが、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを提供するように最適化されている、請求項１１記載の発電プラント。
16. 圧縮機、燃焼システム、およびタービンセクションを含むガスタービンと、
    機械的な負荷または電気的な負荷と、
    前記ガスタービン用の入口システムと
    を含む発電プラントであって、
    前記入口システムは、
    前記ガスタービンに入口空気を提供するために空気流路を含む入口ダクトと、
    前記空気流路内に配設されている蒸発冷却媒体と、
    ウォーターチラーと、
    前記ウォーターチラーおよび前記蒸発媒体を順番に通して水を循環させる循環ポンプと
    を含み、
    前記チラーは、前記水が前記蒸発冷却媒体へ循環される前に、大気湿球温度未満に前記水を冷やすように構成されており、
    前記入口空気を調整するために前記蒸発冷却媒体に送達されるすべての水が冷やされる、発電プラント。
17. 前記蒸発冷却媒体の高さ、および、前記チラーを通して循環される前記水が、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを、前記蒸発冷却媒体内に同時に提供するように最適化されている、請求項１６記載の発電プラント。
18. 前記チラーが、前記水を冷やし、その結果、前記水が前記大気湿球温度より低い華氏約１０〜約４０度の間で前記蒸発冷却に送達されるように構成されている、請求項１６記載の発電プラント。
19. 前記入口システムが、前記蒸発冷却媒体の前記上部の面積の１平方フィート当たり約０．５から１０ガロンの間の水を前記冷却媒体に送達するように構成されている、請求項１６記載の発電プラント。
20. 前記冷却媒体の高さが、蒸発冷却およびセンシティブ冷却の組み合わせを提供するように最適化されている、請求項１６記載の発電プラント。