JP2016217272A

JP2016217272A - ガスタービン吸気装置

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Publication number: JP2016217272A
Application number: JP2015103773A
Authority: JP
Inventors: 雅志菅野; Masashi Kanno; 誠野津; Makoto Nozu
Original assignee: TOWA NETSUGAKU CO Ltd
Current assignee: TOWA NETSUGAKU CO Ltd
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】ガスタービンの吸込空気を効率的且つ均一に加熱するガスタービン吸気装置を提供することを目的とする。【解決手段】ガスタービン吸気装置は、ガスタービンに供給される吸込空気を蒸気で加熱する二重管式蒸気コイル１０を備えている。二重管式蒸気コイル１０は、蒸気を流す内管１１ａ及び内管１１ａに外挿されてドレインを流す外管１１ｂから成るチューブ１１と、チューブ１１の一方端に接続されたヘッダ１３と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに供給される吸込空気を加熱するガスタービン吸気装置に関し、特に、吸込空気を加熱する熱交換器を備えたガスタービン吸気装置に関するものである。

ガスタービン発電プラントやコンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンが用いられる。このようなガスタービンは、大気中の空気を圧縮した圧縮空気と燃料で燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスをタービンで膨張させ、タービンの回転トルクで発電機を起動して出力を得る。

ガスタービンは、吸込空気の温度によって増減する体積によって出力が変化する。吸込空気の温度が高ければ、比重量が減少するため、吸込空気の流量が減少し、ガスタービンの出力は減少する。

特許文献１では、吸込空気を加熱・冷却する熱交換器を設けたガスタービン吸気装置が開示されている。図５に示すように、ガスタービン吸気装置２０は、圧縮機２１に供給される吸込空気の温度を、冷却水供給装置２２から供給される冷却水又は加熱水供給装置２３から供給される加熱水によって熱交換器２４で調整する。これにより、夏季又は冬季の吸込空気の温度を再現し、夏季又は冬季における燃焼器２５で生成される燃焼ガスからタービン２６を回転させ、発電機２７の出力を試験する。

特開平１０−２４６１２６号公報

ところで、電力消費量が少ない時期や時間帯では、ガスタービンの出力を抑制するためにガスタービンを低負荷で運転させることがある。この場合、圧縮空気の一部を還流させたり、吸込空気の温度を上昇させる等して対応している。

しかしながら、圧縮空気の一部を還流させてガスタービンを低負荷運転するためには複雑な機構を導入する必要があるため、吸込空気の温度を制御して低負荷運転に対応することがある。

吸込空気の温度を上昇させる場合には、大風量の吸込空気を均一に加熱しなければならず、圧縮機入口において吸込空気に温度ムラが存在すると、ガスタービンの運転に支障をきたしたり、圧縮機内で不均一に熱応力が作用して短期で補修しなければならない。

特許文献１記載のガスタービン吸気装置２０では、熱交換器２４は、加熱水の顕熱のみで吸込空気を加熱するため、大風量の吸込空気を効率的に加熱できないという問題があった。また、熱交換器２４内を流れる加熱水は、加熱速度が遅く吸込空気を均一に加熱することが難しいという問題があった。

そこで、ガスタービンの吸込空気を効率的且つ均一に加熱するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ガスタービンに供給される吸込空気を加熱するガスタービン吸気装置において、前記吸込空気を蒸気で加熱する蒸気加熱器を備えているガスタービン吸気装置を提供する。

この構成によれば、蒸気加熱器は蒸気がドレインに相変化する際の潜熱で吸込空気を加熱するため、大風量の吸込空気を効率的に加熱できる。また、蒸気加熱器内に拡散した状態で蒸気が相変化することで、吸込空気を均一に加熱することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスタービン吸気装置の構成に加えて、前記蒸気加熱器は、前記蒸気を所定方向に流す内管と、該内管に外挿されてドレインを前記所定方向とは逆向きに流す外管と、を備えている二重管式蒸気コイルであるガスタービン吸気装置を提供する。

この構成によれば、二重管式蒸気コイル内を流れる蒸気とドレインとが、互いに逆向きに流れることにより、二重管式蒸気コイル内での温度ムラの発生が抑制されるため、吸込空気を均一に加熱することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のガスタービン吸気装置の構成に加えて、前記二重管式蒸気コイルは、前記内管の周面に形成されて前記ドレインを外管に噴霧するオリフィスを備えているガスタービン吸気装置を提供する。

この構成によれば、内管内を流れる蒸気がオリフィスを介して外管に噴霧されることにより、二重管式蒸気コイル内での温度ムラの発生が更に抑制されるため、吸込空気を均一に加熱することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のガスタービン吸気装置の構成に加えて、前記二重管式蒸気コイルは、該二重管式蒸気コイルの側面に配置されて前記内管に接続された往ヘッダと、該往ヘッダが設けられた前記二重管式蒸気コイルの同じ側面に配置されて前記外管に接続された環ヘッダと、を備えているガスタービン吸気装置を提供する。

この構成によれば、二重管式蒸気コイルに供給される蒸気及び二重管式蒸気コイルから排水されるドレインを流す配管が二重管式蒸気コイルの一側面に集約されるため、二重管式蒸気コイルの伝熱面積を大きく確保でき、大量の吸込空気を均一に加熱することができる。

本発明は、蒸気加熱器は蒸気がドレインに相変化する際の潜熱で吸込空気を加熱するため、大風量の吸込空気を効率的に加熱できる。また、蒸気加熱器内に拡散した状態で蒸気が相変化することで、吸込空気を均一に加熱することができる。

本発明の一実施例に係るガスタービン吸気装置を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は右側面図である。図１の二重管式蒸気コイルを示す一部省略縦断面図。二重管式蒸気コイルの要部拡大図。本発明の変形例に係るガスタービン吸気装置を示す図であり、（ａ）は左側面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は正面図である。従来のガスタービン吸気装置を用いたガスタービンを示す模式図。

本発明に係るガスタービン吸気装置は、ガスタービンの吸込空気を効率的且つ均一に加熱するという目的を達成するために、ガスタービンに供給される吸込空気を加熱するガスタービン吸気装置において、前記吸込空気を蒸気で加熱する蒸気加熱器を備えていることで実現した。

以下、本発明の一実施例に係るガスタービン吸気装置１について、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例において、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

なお、以下において、「上流側」、「下流側」の語は、ガスタービンに流入する吸込空気の空気流路における上流側、下流側に対応するものとする。

図１（ａ）はガスタービン吸気装置１の平面図である。図１（ｂ）はガスタービン吸気装置１の正面図である。図１（ｃ）はガスタービン吸気装置１の右側面図である。なお、図１（ａ）ではガスタービンＡの一部を省略している。ガスタービン吸気装置１は、ガスタービンＡの圧縮機入口Ｂを覆うように設けられたフィルターハウスである。ガスタービンＡは、公知の構成であり、圧縮機、燃焼器タービン、発電機等で構成されている。ガスタービン吸気装置１とガスタービンＡとは、サイレンサーＣを介して接続されている。

ガスタービン吸気装置１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、左右対称な構造であり、外部からガスタービン吸気装置１内に流入した吸込空気は左右から中央に向かって流れるようになっている。以下、ガスタービン吸気装置１について、中央から右側の構造について説明し、中央から左側の構造で共通するものについては同一の符号を付して重複する説明を省略する。

ガスタービン吸気装置１は、吸込空気を加熱する蒸気加熱器を備えている。蒸気加熱器は、二重管式蒸気コイル１０である。二重管式蒸気コイル１０は、圧縮器の入口で空気温度が所定範囲内に収まるように吸込空気を加熱する。所定範囲は、ガスタービンＡが正常運転可能な範囲、例えば±６℃に設定される。二重管式蒸気コイル１０は、図１（ｃ）の紙面左右方向に一致する水平方向Ｈに２台配置されている。二重管式蒸気コイル１０は、蒸気配管１０ａを介して図示しない蒸気供給源と接続されている。また、二重管式蒸気コイル１０は、排水配管１０ｂを介して図示しないドレインタンクに接続されている。二重管式蒸気コイル１０の具体的な構成については、後述する。

二重管式蒸気コイル１０の上流側には、フード２と防塵手段３とが配設されている。フード２は、下方に開口部２ａを有しており、吸込空気はフード２の開口部２ａからガスタービン吸気装置１内に流入する。防塵手段３は、プレフィルター３ａと、プレフィルター３ａより下流側に配設されたメインフィルター３ｂと、で構成されている。プレフィルター３ａは、メインフィルター３ｂよりメッシュが大きく設定されている。したがって、大きな塵はプレフィルター３ａで吸込空気から分離され、小さな塵はメインフィルター３ｂで吸込空気から分離される。

二重管式蒸気コイル１０の下流側には、チラーとしての冷水コイル４とエリミネーター５とが配設されている。冷水コイル４は、冷水配管４ａを介して図示しない冷水供給源に接続されており、内部に冷水を流して吸込空気を冷却する。二重管式蒸気コイル１０とチラー４とがそれぞれ独立して設けられていることにより、同一のコイルで吸込空気を加熱、冷却する熱交換器と比較して、コイル内の熱媒の置き換えに要する時間を省略して、短時間で熱交換器の運転切換を行うことができる。

次に、二重管式蒸気コイル１０の構成について図面に基づいて説明する。図２は、二重管式蒸気コイル１０の一部省略縦断面図である。図３は、二重管式蒸気コイル１０のチューブ１１の閉端部を示す要部拡大図である。

二重管式蒸気コイル１０は、水平方向Ｈに延伸されて鉛直方向Ｖに複数並設されたチューブ１１と、チューブ１１の開端部付近と閉端部とを支持するケーシング１２と、チューブ１１の開端部に接続されたヘッダ１３と、を備えている。

チューブ１１は、内管１１ａと、内管１１ａに外挿された外管１１ｂと、チューブ１１の外周に配置された多数のフィン１１ｃと、で構成されている。内管１１ａは、水平方向Ｈの両端が開口した筒状に形成されている。外管１１ｂは、水平方向Ｈの一方端のみが開口する有底筒状に形成されている。

内管１１ａの周面には、図３に示すように、水平方向Ｈに亘って多数のオリフィス１１ｄが穿設されている。内管１１ａ内の蒸気は、オリフィス１１ｄを介して外管１１ｂに噴霧されるようになっている。外管１１ｂ内のドレインは、オリフィス１１ｄ及び内管１１の端部から流入した蒸気の圧力で排水される。

ヘッダ１３は、往ヘッダ１３ａと、環ヘッダ１３ｂと、で構成されている。往ヘッダ１３ａは、蒸気配管１０ａに接続されると共に内管１１ａの端部に接続されている。環ヘッダ１３ｂは、外管１１ｂの端部に接続されると共に排水配管１０ｂに接続されている。往ヘッダ１３ａと環ヘッダ１３ｂとは、二重管式蒸気コイル１０の水平方向Ｈの一方側面にまとめて設けられており、二重管式蒸気コイル１０の伝熱面積が大きく確保されている。また、往ヘッダ１３ａと環ヘッダ１３ｂとが一体に形成されていることにより、二重管式蒸気コイル１０の伝熱面積が更に大きく確保されている。さらに、往ヘッダ１３ａと環ヘッダ１３ｂとが二重管式蒸気コイル１０の一方側面に集約されていることにより、蒸気配管１０ａ及び排水配管１０ｂのレイアウトの自由度が増す。

二重管式蒸気コイル１０では、蒸気は往ヘッダ１３ａを介して内管１１ａの一方端部に流入して、内管１１ａ内を図２の紙面右向きに流れ、オリフィス１１ｄ又は内管１１ａの他方端部から外管１１ｂに流れる。往ヘッダ１３ａから内管１１ａに流入した蒸気は、吸込空気に潜熱を供給することで凝縮してドレインになる。ドレインは、吸込空気に顕熱を供給しながら、蒸気の圧力で外管１１ｂ内を図２の紙面左向きに流れて外管１１ｂから環ヘッダ１３ｂに戻る。このように、熱媒（蒸気、ドレイン）が、二重管式蒸気コイル１０内で互いに逆向きに流れることにより、二重管式蒸気コイル１０の水平方向Ｈでの熱媒温度が均一化されている。また、蒸気の潜熱を用いることにより、従来のような温水で吸込空気を加熱するもの比較して、効率的に吸込空気を加熱することができる。

次に、上述したガスタービン吸気装置１の変形例を図４に示す。図４は、本発明の変形例に係るガスタービン吸気装置１を示す図であり、（ａ）は左側面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は正面図である。なお、上述した実施例と本変形例とで共通する構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本変形例に係るガスタービン吸気装置１には、フード２、防塵手段３、冷水コイル４、エリミネーター５及び二重管蒸気コイル１０が１つずつ設けられている。吸込空気の空気流路は、本変形例に係るガスタービン吸気装置１では１本である。吸込空気の空気流路が１本に集約されていることにより、吸込空気を熱交換する際の伝熱面積を大きく確保すると共に、大風量の吸込空気を均一に加熱する必要があるが、二重管蒸気コイル１０内の蒸気は、大型化された二重管蒸気コイル１０内を速やかに拡散するため、大風量の吸込空気を均一に加熱することができる。

このようにして、本発明に係るガスタービン吸気装置１は、二重管式蒸気コイル１０は蒸気がドレインに相変化する際の潜熱で吸込空気を加熱するため、大風量の吸込空気を効率的に加熱できる。また、二重管式蒸気コイル１０内に拡散した状態で蒸気が相変化することで、吸込空気を均一に加熱することができる。

また、二重管式蒸気コイル１０内を流れる蒸気とドレインとが互いに逆向きに流れることにより、二重管式蒸気コイル１０内での温度ムラの発生が抑制されるため、吸込空気を均一に加熱することができる。

また、内管１１ａ内を流れる蒸気がオリフィス１１ｄを介して外管に噴霧されることにより、二重管式蒸気コイル１０内での温度ムラの発生が更に抑制されるため、吸込空気を均一に加熱することができる。

さらに、往ヘッダ１３ａと環ヘッダ１３ｂとが、二重管式蒸気コイル１０の一側面に集約されて、二重管式蒸気コイル１０の伝熱面積が大きく確保されることにより、大量の吸込空気を均一に加熱することができる。

本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなることができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１・・・ガスタービン吸気装置
２・・・フード
２ａ・・・開口部
３・・・防塵手段
３ａ・・・プレフィルター
３ｂ・・・メインフィルター
４・・・冷水コイル
５・・・エリミネーター
１０・・・二重管蒸気コイル（蒸気加熱器）
１１・・・チューブ
１１ａ・・・内管
１１ｂ・・・外管
１１ｃ・・・フィン
１１ｄ・・・オリフィス
１２・・・ケーシング
１３・・・ヘッダ
１３ａ・・・往ヘッダ
１３ｂ・・・環ヘッダ
Ａ・・・ガスタービン
Ｂ・・・圧縮機入口
Ｃ・・・サイレンサー

Claims

ガスタービンに供給される吸込空気を加熱するガスタービン吸気装置において、
前記吸込空気を蒸気で加熱する蒸気加熱器を備えていることを特徴とするガスタービン吸気装置。
前記蒸気加熱器は、前記蒸気を所定方向に流す内管と、該内管に外挿されてドレインを前記所定方向とは逆向きに流す外管と、を備えている二重管式蒸気コイルであることを特徴とする請求項１記載のガスタービン吸気装置。
前記二重管式蒸気コイルは、前記内管の周面に形成されて前記ドレインを外管に噴霧するオリフィスを備えていることを特徴とする請求項２記載のガスタービン吸気装置。
前記二重管式蒸気コイルは、該二重管式蒸気コイルの側面に配置されて前記内管に接続された往ヘッダと、該往ヘッダが設けられた前記二重管式蒸気コイルの同じ側面に配置されて前記外管に接続された環ヘッダと、を備えていることを特徴とする請求項２又は３記載のガスタービン吸気装置。