JP2015101965A - 水回収装置、および、ガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】プラント内で効率よく水を回収することが可能な水回収装置、および、ガスタービンプラントを提供する。
【解決手段】排気流路１６内に配されて内部に冷却水が循環される伝熱管１３と、伝熱管１３の出口から排出された冷却水を冷却して伝熱管１３の入口に供給する冷却機構１４と、を備え、冷却機構１４は、出口における冷却水の温度が、排気流路１６内における水蒸気の凝縮温度以下となるように冷却水を冷却する。
【選択図】図２

Description

この発明は、水回収装置、および、ガスタービンプラントに関する。

蒸気タービンやガスタービンなどを有する発電設備などのプラントにおいては、ボイラーやガスタービンなどから排出される排ガスの排熱を回収する排熱回収装置を備えたものが知られている。排熱回収装置としては、排気流路に熱交換器としての伝熱管を配したものがある。このように排気流路に伝熱管を配した場合、伝熱管の表面に凝縮水が生じる潜熱回収領域と、凝縮水が生じない顕熱回収領域とが生じる。そのため、下方に配された伝熱管へ凝縮水が滴下することで生じる乾湿交番による腐食や、凝縮水の厚い水膜による熱交換性能の低下が問題となっていた。
特許文献１には、排熱回収装置において、伝熱管表面の乾湿交番による腐食対策と、管表面の厚い水膜による熱交換性能の低下対策とのために、伝熱管の下方段である非凝縮部に対して散水を行うスプレーを設ける技術が記載されている。

特開２０１３−１０４６４３号公報

ところで、上述した発電設備などのプラントにおいては、ボイラーのブローなどによって水が失われる。そのため、失われた分だけ補給水が必要となる。しかしながら、水が貴重な地域においては、燃料が豊富にあっても補給水が不足することによりボイラーの運転が継続できなくなる可能性がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、プラント内で効率よく水を回収することが可能な水回収装置、および、ガスタービンプラントを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明に係る水回収装置は、排気流路内に配されて内部に冷却水が循環される伝熱管と、前記伝熱管の出口から排出された前記冷却水を冷却して前記伝熱管の入口に供給する冷却機構と、を備え、前記冷却機構は、前記出口における前記冷却水の温度が、前記排気流路内における水蒸気の凝縮温度以下となるように前記冷却水を冷却する。
このように構成することで、排気流路内に配される伝熱管の全域に渡って、排ガスに含まれる水蒸気（水分）を凝縮させることができるため、凝縮水の回収量を増大させることができる。また、例えば、ガスタービンの排ガスのように水分濃度が６％程度と低い場合であっても、十分に凝縮水を回収することができる。

さらに、この発明に係る水回収装置は、上記水回収装置における前記冷却機構が、外部から導入した空気中に前記冷却水を散水することで、前記冷却水の温度を低下させる開放循環式の冷却塔であり、前記冷却塔から排出される空気に含まれている水分を回収する回収機構を備えていてもよい。
このように構成することで、散水装置により散水された冷却水が潜熱により冷却される際に、開放循環式の冷却塔から排出される空気に含まれる水分を回収できるため、冷却塔用の補給水の量を低減できる。

さらに、この発明に係る水回収装置は、上記水回収装置における前記回収機構が、水蒸気を凝縮させる冷却コイルと水蒸気ミストを捕集するミスト分離機との少なくとも一方を備えていてもよい。
このように構成することで、凝縮と捕集との何れか一方によって、冷却塔から排出される水分を回収することができる。また、例えば、凝縮と捕集との両方を用いる場合には、水分の回収をより効率よく行うことができる。

さらに、この発明に係る水回収装置は、上記水回収装置における前記回収機構が、前記空気が排出される排気口を覆い、前記冷却コイルと前記ミスト分離機との少なくとも一方に前記空気を導く排気ダクトを備えていてもよい。
このように構成することで、冷却塔の排気口から排出される空気を、冷却コイルとミスト分離機との少なくとも一方に導くことができる。そのため、水分が回収されずに排気口から排出された空気が大気に放出されることを抑制できる。

さらに、この発明に係る水回収装置は、上記水回収装置において、前記排気流路内の温度を検出する排気流路温度検出部と、前記排気流路内の湿度を検出する排気流路湿度検出部と、前記排気流路温度検出部の検出結果および、前記排気流路湿度検出部の検出結果に基づいて前記冷却機構による冷却水の温度制御を行う冷却機構制御装置と、を備えていてもよい。
このように構成することで、流路内の温度および湿度の状態に応じて、伝熱管の表面温度を、水蒸気の凝縮温度以下にすることができる。

さらに、この発明に係る水回収装置は、上記水回収装置において、前記伝熱管の出口温度を検出する出口温度検出部を備え、前記冷却機構制御装置は、前記排気流路温度検出部および前記排気流路湿度検出部の検出結果に基づいて、前記伝熱管の出口温度目標値を算出する出口温度算出部と、前記出口温度検出部により検出された温度検出値と、前記出口温度算出部により算出された出口温度目標値との偏差に基づいて前記冷却機構の制御量を決定する制御量決定部と、を備えていてもよい。
このように構成することで、出口温度検出部により検出される実際の出口温度と、出口温度算出部により算出される出口温度の目標値とを比較して、実際の出口温度が出口温度の目標値となるように冷却機構を制御することができる。そのため、排気流路内における伝熱管の全域に渡って自動的に凝縮温度以下にすることができる。

さらに、この発明に係るガスタービンプラントは、上述した何れか一つの水回収装置を備えている。
このように構成することで、水回収装置によって、ガスタービンの排ガスから水を回収することができるため、プラント内で減少した分の水を排ガスから回収した水によって補うことができる。

さらに、この発明に係るガスタービンプラントは、前記ガスタービンの排ガスから排熱を回収する排熱回収設備を備え、前記排熱回収設備が、前記排熱を用いて蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、前記排熱回収ボイラーで発生させた蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出される蒸気を凝縮させる復水器と、前記復水器に冷却水を供給する開放循環式の復水器用冷却塔と、を備えていてもよい。さらに、前記復水器用冷却塔が、前記復水器用冷却塔の排出空気に含まれる水分を回収する冷却塔用回収機構を備えていてもよい。
このように構成することで、復水器用冷却塔で排出される水分を回収することができる。

さらに、この発明に係るガスタービンプラントは、前記冷却コイルの内部に、ガスタービンの燃料が流れるようにしてもよい。
このように構成することで、ガスタービンの低温の燃料と、冷却塔から排出される空気とを熱交換することができる。そのため、燃料を予熱前に温めることができるとともに、燃料により空気を冷却して水分を凝縮回収することができる。

この発明に係る水回収装置、および、ガスタービンプラントによれば、プラント内で効率よく水を回収することができる。

この発明の第一実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成図である。 この発明の水回収装置の概略構成図である。 縦軸を飽和蒸気圧（ｈＰａ）とし、横軸を空気温度（℃）としたグラフである。 縦軸を空気１ｍ^３当たりの水蒸気量（ｇ）とし、横軸を空気温度（℃）としたグラフである。 縦軸を排ガスおよび伝熱管の温度とし、横軸を排気流路の流れ方向における位置としたグラフである。 この発明の第二実施形態における蒸気タービンにより排熱を回収する設備の概略構成図である。 この発明の第二実施形態における復水器用冷却塔の概略構成図である。 この発明の第三実施形態における冷却塔用水回収装置の概略構成図である。 この発明の第四実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成図である。 この発明の第四実施形態における水回収装置の概略構成図である。 この発明の第五実施形態における水回収装置の概略構成図である。

次に、この発明の第一実施形態に係る水回収装置、および、ガスタービンプラントを図面に基づき説明する。
図１は、第一実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成図である。この実施形態におけるガスタービンプラント１は、ガスタービン２の出力により発電機３を駆動するとともに、ガスタービン２の排熱を回収して発電するコンバインドサイクルプラントである。

ガスタービンプラント１は、ガスタービン２と、圧縮機７と、燃焼器８と、排熱回収ボイラー１０と、蒸気タービン１１と、発電機３と、水回収装置６と、を主に備えている。
圧縮機７は、外気を取り込んで所定圧力まで圧縮した圧縮空気を燃焼器８へ供給する。
燃焼器８は、圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させる。燃焼器８は、燃焼させた高温高圧の燃焼ガスをガスタービン２へ供給する。
ガスタービン２は、燃焼器８より供給された燃焼ガスによって回転動力を得る。ガスタービン２の回転動力は、駆動軸９を介して圧縮機７および発電機３に伝達可能となっている。

排熱回収ボイラー１０は、ガスタービン２から排出される排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる。
蒸気タービン１１は、排熱回収ボイラー１０によって発生させた蒸気を用いて回転動力を得る。蒸気タービン１１で使用した蒸気は、復水器４により凝縮されて水に戻される。この復水器４により戻された水は、ポンプ５によって排熱回収ボイラー１０へと送られる。蒸気タービン１１の駆動軸は、発電機３および圧縮機７へ接続可能とされている。この発電機３により蒸気タービン１１の回転動力、および、ガスタービン２の回転動力が電気エネルギーに変換可能となっている。これら蒸気タービン１１、復水器４、ポンプ５、および、排熱回収ボイラー１０によって、この発明の排熱回収設備が構成されている。

図２は、この発明の第一実施形態における水回収装置の概略構成図である。
水回収装置６は、ガスタービン２から排出される排ガスから水（液体）を回収する装置である。
図２に示すように、水回収装置６は、伝熱管１３と、冷却塔１４と、ドレン回収部１５と、を備えている。

伝熱管１３は、排ガスを冷却することで排ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。伝熱管１３の内部には、冷却水が通水される。伝熱管１３は、排ガスが流れる排気流路１６内に設けられている。伝熱管１３は、排気流路１６内の排ガスの流れに対して交差する直線状の複数の交差部１７を備えている。伝熱管１３は、排気流路１６の外部に配される各交差部の両端部１８で折り返され、蛇行するように形成されている。複数の交差部１７は、それぞれ左右の一方から他方に向かって下るように傾斜している。また複数の交差部１７は、互いに平行に配置されている。伝熱管１３は、排気流路１６の下流側に伝熱管入口１９が配され、上流側に伝熱管出口２０が配されている。

冷却塔１４は、伝熱管１３に冷却水を供給する装置である。この冷却塔１４においては、伝熱管出口２０における冷却水の温度が、排気流路１６内における水蒸気の凝縮温度以下となるように冷却水の温度が設定される。ここで、この実施形態における冷却塔１４は、いわゆる開放循環式の冷却塔である。この冷却塔１４は、送風機２１と、散水装置２２と、冷却水ピット２３と、ポンプ２４と、を備えている。

送風機２１は、外部の空気を冷却塔１４の内部に導入する。送風機２１は、図示しない電動機により回転駆動される。この送風機２１は、電動機によりその回転数が可変とされている。つまり、冷却塔１４内に導入される空気は、送風機２１によってその流量が調整可能となっている。

散水装置２２は、送風機２１により導入された空気の流路中に冷却水を散水することで冷却水を冷却する装置である。この散水装置２２により散水された冷却水の一部は導入された空気と接して蒸発する。冷却水の一部が蒸発することで、散水された冷却水の温度が低下する。散水装置２２の下方には、充填材２５が配置されている。この充填材２５は、表面積が大きい波板状などの材料からなる。この充填材２５に冷却水の液滴を付着させることで、空気と冷却水との接触時間を長くすることが可能となっている。

冷却水ピット２３は、潜熱により温度が低下した冷却水を貯留する容器である。この冷却水ピット２３には、充填材２５などに付着した冷却水の液滴が自重により落ちて貯留される。この冷却水ピット２３に貯留された冷却水は、順次ポンプ２４を介して伝熱管入口１９に供給される。
ポンプ２４は、冷却水ピット２３に貯留されている冷却水を順次伝熱管入口１９に圧送する。このポンプ２４によって、伝熱管１３に流れる冷却水の流量が調整可能となっている。

ここで、上述した冷却塔１４から供給される冷却水の温度は、送風機２１により取り込まれる空気の流量や、ポンプ２４により循環される冷却水の流量を変化させることで調整可能となっている。

ドレン回収部１５は、伝熱管１３の表面で凝縮して、自重により伝熱管１３の表面や排気流路１６の内面を経由して下方に溜まった水を回収する。ドレン回収部１５に回収された水のうち、冷却塔１４における冷却水の蒸発分と同程度の量の水が補給水として冷却水ピット２３へ供給される。また、ドレン回収部１５に回収された残りの水は、濾過や脱塩等により不純物が除去された後、補給水として排熱回収ボイラー１０などに供給される。

図３は、縦軸を飽和蒸気圧（ｈＰａ）とし、横軸を空気の温度（℃）としたグラフである。図４は、縦軸を空気１ｍ^３当たりの水蒸気量とし、横軸を空気の温度（℃）としたグラフである。
図３、図４に示すように、空気の温度が低下すると飽和蒸気圧、および、空気１ｍ^３当たりの水蒸気量も低下する。つまり、空気の温度が低下して、温度低下前の空気よりも飽和蒸気圧、および、空気１ｍ^３当たりの水蒸気量の値が低下すれば、温度低下前の空気の飽和蒸気圧、および、空気１ｍ^３当たりの水蒸気量との差分だけ凝縮水が発生する。
例えば、ガスタービンコンバインドサイクル発電プラントなどのガスタービンプラントの場合、排ガス中の水分濃度は、重量比で約６％程度である。これは、体積比にすれば９．５％程度であり、水蒸気量としては、約１３８．３ｇ／ｍ^３である。図３のグラフより、このときの飽和水蒸気圧は約９６．５ｈＰａである。この場合、空気の温度が４５℃以下としなければ、排ガスに含まれる水蒸気の凝縮水は生じない。この場合の凝縮温度は、４５℃である。

図５は、縦軸を排ガスおよび伝熱管１３の温度とし、横軸を排気流路１６の流れ方向における位置としたグラフである。
図５に示すように、排ガス温度（図５中、実線で示す。）は、排気流路１６の上流側が最も温度が高い。また排ガス温度のグラフは、下流側に向かってその減少率が漸次低下する曲線となっている。
排ガスからの排熱回収を目的とした一般的な伝熱管（図５中、一点鎖線で示す）の場合、凝縮を積極的に行わないため、伝熱管温度は、排ガス温度の変化に応じて、排気流路１６の上流側ほど温度が高くなる。
一方で、この発明の第一実施形態における伝熱管（図５中、破線で示す）の場合、排気流路１６の上流側から下流側の何れの箇所においても、凝縮温度（図５中、一点鎖線の直線で示す）よりも低い伝熱管温度となるように伝熱管入口１９側における冷却水の温度が設定されている。これにより、伝熱管１３の外表面においては、何れの箇所においても排ガスが凝縮温度まで冷却されて、凝縮水が発生する。

したがって、上述した第一実施形態の水回収装置６によれば、伝熱管出口２０における冷却水の温度が排気流路１６内における水蒸気の凝縮温度以下にされることで、排気流路１６内に配される伝熱管１３の全域に渡って、排ガス中の水蒸気を凝縮させることができる。その結果、排ガスに含まれる水蒸気（水分）を効率よく凝縮を行うことができるため、凝縮水の回収量を増大させることができる。また、例えば、ガスタービン２の排ガスのように水分濃度が６％程度と低い場合であっても、十分に凝縮水を回収することができる。

次に、この発明の第二実施形態におけるガスタービンプラントについて図面に基づき説明する。ここで、この第二実施形態のガスタービンプラントは、第一実施形態の蒸気タービン１１の復水器４用の冷却塔が水を回収する冷却塔用の水回収機構を備えている。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。また、第一実施形態の説明と重複する説明は省略する。

ここで、水蒸気を利用して蒸気タービンを駆動する発電設備においては、復水器の冷却水として海水を用いる場合が多い。しかし、発電設備が海から遠い場合には、海水を利用できないため、河川水、湖沼水、または、地下水を補給水とする開放循環式の冷却塔が用いられる場合がある。開放循環式の冷却塔の場合、復水器での熱交換によって温度が上昇した冷却水を、蒸発させてその蒸発潜熱の放出により冷却して再循環させている。そのため、冷却水の蒸発により多量の水が失われる。蒸発潜熱により得られた熱は、復水器における凝縮に１００％近く用いられる。すなわち、開放循環式の冷却塔においては、復水器により凝縮される水と同等の水が蒸発により失われていることとなる。しかしながら、河川水、湖沼水、および、地下水は、降水量や貯留量の変動により、十分な補給水を確保できなくなる可能性がある。そのため、この第二実施形態においては、上述した第一実施形態による水の回収に加えて、開放循環式の冷却塔において失われていた水の回収を行っている。開放循環式の冷却塔は、密閉式の冷却塔と比較して構造が単純で小型であるため、設置スペースやコスト面で有利となる。

図６は、この発明の第二実施形態における排熱を回収する設備の概略構成図である。
排熱を回収する設備は、上述した第一実施形態と同様に、ガスタービン２の排ガスから排熱回収して発電を行う設備である。この排熱を回収する設備は、排熱回収ボイラー１０と、蒸気タービン１１１と、発電機３と、復水器４と、ポンプ５とを備えている。

排熱回収ボイラー１０は、排ガスの排熱を利用して高温高圧の蒸気を発生させる。排熱回収ボイラー１０により発生させた高温高圧の蒸気は、蒸気タービン１１１に供給される。
蒸気タービン１１１は、高温高圧の蒸気のエネルギーを回転エネルギーに変換する。蒸気タービン１１１から排出される蒸気は、復水器４へと供給される。この実施形態における蒸気タービン１１１は、発電機３に接続されている。この発電機３によって蒸気タービン１１１の回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。

復水器４は、蒸気タービン１１１から排出された蒸気を凝縮させる。復水器４は、蒸気を冷却するための冷却水を供給する復水器用冷却塔１１４に接続されている。
ポンプ５は、復水器４によって凝縮された凝縮水を排熱回収ボイラー１０に送水する。

図７は、この発明の第二実施形態における復水器用冷却塔１１４の概略構成図である。
図７に示すように、復水器用冷却塔１１４は、送風機１２１と、散水装置１２２と、冷却水ピット１２３と、冷却塔用水回収装置１０６を備えている。復水器用冷却塔１１４は、開放循環式の冷却塔である。ここで、送風機１２１、散水装置１２２、冷却水ピット１２３、および、充填材１２５については、上述した第一実施形態の冷却塔１４と同様の構成であるため、詳細説明を省略する。

冷却塔用水回収装置１０６は、送風機１２１を介して排出された空気に含まれる水分を回収する。冷却塔用水回収装置１０６は、ダクト３４と、回収部３５と、ドレンパン３６と、を備えている。

ダクト３４は、排出された空気を回収部３５へと導く流路Ｒを形成する。この実施形態におけるダクト３４は、復水器用冷却塔１１４の排気口３７の上方を覆うように設けられている。ダクト３４は、下方に凹となる断面弧状の屋根となっている。このダクト３４と、復水器用冷却塔１１４の上部との間に、空気を回収部３５へと導く流路Ｒが形成される。

第二の実施形態においては、ダクト３４を断面弧状に形成する場合について説明した。しかし、ダクト３４の形状は断面弧状に限られるものではない。また、ダクト３４を設けたことにより圧力損失が上昇することを抑制するために、例えば、ダクト３４に隙間を設けて空気の一部を外部に逃がしてもよい。また、ダクト３４内の空気の一部を逃がすために、ダクト３４を開閉可能としてもよい。

回収部３５は、復水器用冷却塔１１４から排出される空気に含まれる水分を回収する。この実施形態における回収部３５は、送風ファン３８と冷却コイル３９とミスト分離機４０とを備えている。回収部３５は、ダクト３４により形成される流路Ｒの最下流に配されている。

送風ファン３８は、ダクト３４により導かれた空気を冷却コイル３９およびミスト分離機４０に向かって送る。
冷却コイル３９は、ダクト３４により導かれた空気を冷却することでその表面に凝縮水を発生させる。ミスト分離機４０は、ダクト３４により導かれた空気に含まれるミスト状の水（水蒸気ミスト）を捕集する。この実施形態においては、冷却コイル３９によって冷却された空気がミスト分離機４０に供給される。ミスト分離機４０によりミスト状の水を捕集された空気は、外部に排出される。

ドレンパン３６は、回収部３５によって回収された水を一時的に貯留する。ドレンパン３６は、回収部３５の下方に配されている。このドレンパン３６には、冷却コイル３９により凝縮させた凝縮水が自重によって滴下するとともに、ミスト分離機４０によって捕集された水も順次自重により滴下される。ドレンパン３６に貯留された水は、散水装置１２２に供給される直前の冷却水に合流されるか、または、冷却水ピット１２３内に供給される。

次に、上述した冷却コイル３９により凝縮水を回収するための冷媒の温度設定の一例について説明する。
まず、大気の条件は、気温が２０（℃）、相対湿度が７２（％）、気圧が１（ａｔｍ）、絶対湿度が０．０１０５（ｋｇ／ｋｇ´）、空気エンタルピーが４６．８（ｋＪ／ｋｇ）とする。
また、復水器用冷却塔１１４の送風機１２１により外部に排出される空気の条件（以下、単に冷却塔出口条件と称する）は、温度が３５（℃）、相対湿度が１００（％）、気圧が１（ａｔｍ）、絶対湿度が０．０３６５３３２（ｋｇ／ｋｇ´）、空気エンタルピーが１２８．９（ｋＪ／ｋｇ）とする。
冷却コイル３９から排出される空気の条件（以下、単に冷却コイル出口条件と称する）は、冷却コイルの冷媒出口温度が１５（℃）、相対湿度が１００％、気圧が１（ａｔｍ）、絶対湿度が０．０１０６３８（ｋｇ／ｋｇ´）、空気エンタルピーが４２（ｋＪ／ｋｇ）とする。

上記条件の場合、冷却塔出口条件と冷却コイル出口条件との絶対湿度の差は、０．０２５８９５（ｋｇ／ｋｇ´）となる。さらに、冷却塔出口条件と冷却コイル出口条件との空気エンタルピーの差は８６．９（ｋＪ／ｋｇ）となる。
つまり、１ｋｇの凝縮水を冷却コイル３９で得ようとすると、８６．９／０．０２５８９５＝３３５５．８（ｋＪ）≒８００（ｋｃａｌ）が必要となる。冷却コイル３９中を流れる冷媒は、この熱量を取り去るように温度設定される。上述した各条件で運用するのであれば、冷却コイル３９の入口における冷媒温度を１０℃以下に設定すればよい。

したがって、上述した第二実施形態のガスタービンプラントによれば、排熱回収ボイラー１０における復水器４の冷却水を復水器用冷却塔１１４を用いて生成することで、失われる水の量を低減できる。さらに、冷却塔用水回収装置１０６により復水器用冷却塔１１４から排出される空気に含まれる水分を凝縮水として回収することができるため、プラント内で失われる水の量を更に低減することができる。

また、冷却塔用水回収装置１０６のダクト３４が断面弧状に形成されることで空気を円滑に回収部３５に導くことができる。そのため、流路抵抗を低減して、復水器用冷却塔１１４の消費エネルギーを低減できる。さらに、開放循環式の冷却塔を用いていることで、密閉循環式冷却水系を備える冷却塔や通風方式の冷却塔を用いる場合よりも設備を小型化して設置自由度を向上することができる。

次に、この発明の第三実施形態におけるガスタービンプラントを図面に基づき説明する。ここで、この第三実施形態におけるガスタービンプラントは、上述した第一実施形態の冷却塔１４に対して、第二実施形態の冷却塔用水回収装置１０６を設けたものである。そのため、第一実施形態、および、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図８は、この発明の第三実施形態における水回収装置２０６の概略構成図である。
第三実施形態における水回収装置２０６は、ガスタービン２から排出された排ガスに含まれる水分を回収する装置である。
図８に示すように、水回収装置２０６は、伝熱管１３と、冷却塔２１４と、ドレン回収部１５と、を備えている。冷却塔２１４は、送風機２１と、散水装置２２と、冷却水ピット２３と、冷却塔用水回収装置１０６と、を備えている。冷却塔用水回収装置１０６は、ダクト３４と、回収部３５と、ドレンパン３６と、を備えている。

したがって、上述した第三実施形態のガスタービンプラントによれば、水回収装置２０６の冷却塔２１４から排出される空気からも冷却塔用水回収装置１０６によって水分を回収することができる。その結果、ガスタービンプラントで失われる水の量を更に低減することができる。

次に、この発明の第四実施形態におけるガスタービンプラントを図面に基づき説明する。ここで、この第四実施形態におけるガスタービンプラントは、上述した第三実施形態における冷却塔用水回収装置１０６により燃料ガスを予熱する点でのみ異なっている。そのため、第三実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図９は、この発明の第四実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成図である。図１０は、この発明の第四実施形態における水回収装置の概略構成図である。
図９に示すように、第四実施形態におけるガスタービンプラント３０１は、ガスタービン２と、圧縮機７と、燃焼器８と、排熱回収ボイラー１０と、蒸気タービン１１と、発電機３と、ガスタービン２と、水回収装置３０６とを備えている。
水回収装置３０６は、伝熱管１３と、冷却塔２１４と、ドレン回収部１５と、を備えている。冷却塔２１４は、第三実施形態の冷却塔２１４と同様の構成であり、送風機２１と、散水装置２２と、冷却水ピット２３と、冷却塔用水回収装置２０６を備えている。

冷却塔用水回収装置２０６は、送風機２１を介して排出された空気から水分を回収する。冷却塔用水回収装置２０６は、ダクト３４と、回収部３５と、ドレンパン３６と、を備えている。

回収部３５は、冷却塔２１４から排出される空気に含まれた水分を回収する。この実施形態における回収部３５は、送風ファン３８と冷却コイル３９とミスト分離機４０とを備えている。回収部３５は、ダクト３４により形成される流路Ｒの最下流に配されている。送風ファン３８は、ダクト３４により導かれた空気を冷却コイル３９およびミスト分離機４０に向かって送る。なお、回収部３５において、ミスト分離機４０は、省略しても良い。

冷却コイル３９は、空気を冷却することでその表面に凝縮水を発生させる。冷却コイル３９は、その冷媒としてガスタービン２の燃料ガスが用いられる。ガスタービン２の燃料ガスは、通常、貯蔵の都合上、低温状態（５〜１０℃程度）とされている。この低温状態とされたガスタービン２の燃料ガスは、ダクト３４により導かれた空気の凝縮温度以下で冷却コイル３９内を通過する。つまり、ガスタービン２の燃料ガスは、冷却コイル３９を通過する際に、ダクト３４により導かれた空気と熱交換して温められるとともに、冷却コイル３９の表面に凝縮水を生じさせる。

したがって、上述した第四実施形態のガスタービンプラント３０１によれば、冷却コイル３９により凝縮水を得る際の専用の冷熱源を用意する必要が無い。そのため、部品点数を低減してプラントの小型化を図ることができる。また、ガスタービン２の燃料ガスを予熱前に温めることができるため、ガスタービン２の燃料ガスを予熱するエネルギーを低減することができる。また、冷却塔２１４から排出される空気に含まれる水分を凝縮させる専用の冷熱源を設ける場合と比較して、部品点数を低減してプラント全体を小型化することができる。

次に、この発明の第五実施形態におけるガスタービンプラントを図面に基づき説明する。ここで、この第五実施形態におけるガスタービンプラントは、上述した第１実施形態のガスタービンプラントの水回収装置における冷却水温度をフィードバック制御する点で異なる。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。

図１１は、この発明の第五実施形態における水回収装置４０６の概略構成図である。
図１１に示すように、この実施形態における水回収装置４０６は、伝熱管１３と、冷却塔１４と、ドレン回収部１５と、排ガス温度センサー４１と、排ガス湿度センサー４２と、出口温度センサー４３と、冷却機構制御装置４４とを備えている。

排ガス温度センサー４１は、排気流路１６の入口側における排ガスの温度を検出する。
排ガス湿度センサー４２は、排気流路１６の入口側における排ガスの湿度（例えば、相対湿度）を検出する。言い換えれば、排ガス温度センサー４１と排ガス湿度センサー４２とは、伝熱管１３よりも上流側の排ガスの温度および湿度を検出している。これら排ガス温度センサー４１と、排ガス湿度センサー４２とによる検出結果は、それぞれ冷却機構制御装置４４へ入力される。
出口温度センサー４３は、伝熱管１３の出口温度を検出する。この出口温度センサー４３による検出結果は、冷却機構制御装置４４へ入力される。

冷却機構制御装置４４は、少なくとも排ガス温度センサー４１と排ガス湿度センサー４２との各検出結果に基づいて冷却塔１４を駆動制御する。より具体的には、冷却機構制御装置４４は、少なくとも排ガス温度センサー４１と排ガス湿度センサー４２との各検出結果に基づいて、伝熱管１３の出口温度が凝縮温度以下となるように、冷却塔１４における冷却水の温度制御を行う。冷却機構制御装置４４は、出口温度算出部４５と、減算器４６と、制御量決定部４７とを備えている。

出口温度算出部４５は、排ガス温度センサー４１と排ガス湿度センサー４２との検出結果に基づいて、伝熱管１３の出口温度の目標値を算出する。すなわち、伝熱管１３の出口温度が排気ガス中の蒸気の凝縮温度以下となり、且つ、凝縮温度にできるだけ近い値となるような出口温度の目標値を算出する。出口温度算出部４５による算出結果は、減算器４６に入力される。

減算器４６は、出口温度センサー４３により検出された出口温度の検出値と、出口温度算出部４５により算出された出口温度の目標値との偏差を求める。つまり、減算器４６は、出口温度の目標値と検出値との間に生じている現在のずれを算出している。この減算器４６によって算出された偏差は、制御量決定部４７に入力される。

制御量決定部４７は、出口温度センサー４３により検出された温度検出値と、出口温度算出部４５により算出された出口温度目標値との偏差に基づいて冷却塔１４の制御量を決定する。より具体的には、制御量決定部４７は、冷却塔１４における冷却水のポンプ２４と、送風機２１との少なくとも一方の制御量を決定する。ここで、ポンプ２４および送風機２１の制御量は、減算器４６から入力される偏差と、例えば、ポンプ２４や送風機２１を駆動する電動機への通電量との関係を予め求めたマップ、テーブル、数式などに基づいて決定することができる。制御量決定部４７は、決定した制御量だけ現在の状態から変化させる制御指令を冷却塔１４に対して出力する。

したがって、上述した第五実施形態における水回収装置４０６によれば、排気流路１６内の温度および湿度の状態に応じて、伝熱管１３の表面温度を、水蒸気の凝縮温度以下にすることができる。そのため、より効率よく凝縮水を回収することができる。
さらに、出口温度センサー４３により検出される実際の出口温度と、出口温度算出部４５により算出される出口温度の目標値とを比較して、実際の出口温度が出口温度の目標値となるように冷却塔１４を制御することができる。そのため、排気流路１６内における伝熱管１３の全域に渡って凝縮温度以下にして、効率よく凝縮水を発生させることができる。また、排気流路１６内における排ガスの温度や湿度が変化した場合であっても、冷却塔１４の冷却水の温度を自動的に効率よく凝縮水を発生できる温度条件にすることが可能となる。その結果、効率よく凝縮水を回収しつつ、プラント管理者の負担軽減を図ることができる。

なお、この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した各実施形態においては、伝熱管１３を傾斜させる場合を一例に説明した。しかし、伝熱管１３の構成は、上述した実施形態の構成に限られるものではない。例えば、伝熱管１３を曲線状に形成したり傾斜させないようしたりしても良い。

また、上述した第二実施形態においては、回収部３５について、冷却コイル３９とミスト分離機４０との両方を備える場合について説明した。しかし、回収部３５は、水分を回収可能であれば上記構成に限られない。例えば、回収部３５には、冷却コイル３９とミスト分離機４０との何れか一方のみを設けるようにしても良い。

１ ガスタービンプラント
２ ガスタービン
３ 発電機
４ 復水器
５ ポンプ
６ 水回収装置
７ 圧縮機
８ 燃焼器
９ 駆動軸
１０ 排熱回収ボイラー
１１ 蒸気タービン
１３ 伝熱管
１４ 冷却塔（冷却機構）
１５ ドレン回収部
１６ 排気流路
１７ 交差部
１８ 端部
１９ 伝熱管入口
２０ 伝熱管出口
２１ 送風機
２２ 散水装置
２３ 冷却水ピット
２４ ポンプ
２５ 充填材
３４ ダクト（排気ダクト）
３５ 回収部
３６ ドレンパン
３７ 排気口
３８ 送風ファン
３９ 冷却コイル
４０ ミスト分離機
４１ 排ガス温度センサー（排気流路温度検出部）
４２ 排ガス湿度センサー（排気流路湿度検出部）
４３ 出口温度センサー（出口温度検出部）
４４ 冷却機構制御装置
４５ 出口温度算出部
４６ 減算器
４７ 制御量決定部
１０６ 冷却塔用水回収装置
１１１ 蒸気タービン
１１４ 復水器用冷却塔
１２１ 送風機
１２２ 散水装置
１２３ 冷却水ピット
１２４ ポンプ
１２５ 充填材
２０６ 水回収装置
２１４ 冷却塔
３０１ ガスタービンプラント
３０６ 水回収装置
４０６ 水回収装置

Claims (9)

1. 排気流路内に配されて内部に冷却水が循環される伝熱管と、
   前記伝熱管の出口から排出された前記冷却水を冷却して前記伝熱管の入口に供給する冷却機構と、を備え、
   前記冷却機構は、前記出口における前記冷却水の温度が、前記排気流路内における水蒸気の凝縮温度以下となるように前記冷却水を冷却する水回収装置。
2. 前記冷却機構は、
   外部から導入した空気の中に前記冷却水を散水することで、前記冷却水の温度を低下させる開放循環式の冷却塔であり、前記冷却塔から排出される空気に含まれている水分を回収する回収機構を備える請求項１に記載の水回収装置。
3. 前記回収機構は、
   水蒸気を凝縮させる冷却コイルと水蒸気ミストを捕集するミスト分離機との少なくとも一方を備える請求項２に記載の水回収装置。
4. 前記回収機構は、
   前記空気が排出される排気口を覆い、前記冷却コイルと前記ミスト分離機との少なくとも一方に前記空気を導く排気ダクトを備える請求項３に記載の水回収装置。
5. 前記排気流路内の温度を検出する排気流路温度検出部と、
   前記排気流路内の湿度を検出する排気流路湿度検出部と、
   前記排気流路温度検出部の検出結果および、前記排気流路湿度検出部の検出結果に基づいて前記冷却機構による冷却水の温度制御を行う冷却機構制御装置と、を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載の水回収装置。
6. 前記伝熱管の出口温度を検出する出口温度検出部を備え、
   前記冷却機構制御装置は、
   前記排気流路温度検出部および前記排気流路湿度検出部の検出結果に基づいて、前記伝熱管の出口温度目標値を算出する出口温度算出部と、
   前記出口温度検出部により検出された温度検出値と、前記出口温度算出部により算出された出口温度目標値との偏差に基づいて前記冷却機構の制御量を決定する制御量決定部と、を備える請求項５に記載の水回収装置。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載の水回収装置を備えるガスタービンプラント。
8. ガスタービンの排ガスから排熱を回収する排熱回収設備を備え、
   前記排熱回収設備は、
   前記排熱を用いて蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、
   前記排熱回収ボイラーで発生させた蒸気により駆動する蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンから排出される蒸気を凝縮させる復水器と、
   前記復水器に冷却水を供給する開放循環式の復水器用冷却塔と、を備え、
   前記復水器用冷却塔は、前記復水器用冷却塔の排出空気に含まれる水分を回収する冷却塔用回収機構を備える請求項７に記載のガスタービンプラント。
9. 請求項３又は請求項４に記載の水回収装置を備えたガスタービンプラントであって、前記冷却コイルの内部には、ガスタービンの燃料が流れるガスタービンプラント。

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