JP2017040261A - 発電システム及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電システムのための電子集塵システムを提供すること。【解決手段】発電システムは、直列流れ配列で結合された圧縮機１０２、燃焼器１０４、及びタービン１０６を有するガスタービン組立体１００を含む。圧縮機は、圧縮機入口１１４を有する。発電システムはまた、圧縮機入口から上流側でガスタービン組立体に結合された集塵システム１２４を含む。圧縮機は、電子集塵システムから排出された作動ガス１１２を受け取って、圧縮機入口に流入する作動ガスから同伴物質を除去できるように配向されている。【選択図】図１

Description

本開示の技術分野は、全体的に、発電システムに関し、より詳細には、発電システムのための電子集塵システムに関する。

一部の既知の発電システムは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するガスタービン組立体を含む。周囲空気のようなガスは、圧縮機に流入して圧縮される。次いで、圧縮ガスは、燃焼器に吐出され、ここで圧縮ガスが燃料と混合されて点火され、燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器からタービンを通って送られて、これによりタービンを駆動し、次いで、タービンに結合された発電機に動力供給することができる。

少なくとも一部の既知の発電システムは、湿分分離器と、ガスタービン組立体を通るガスに同伴された物質の除去を可能にする粒子状物質フィルタと、を含む。しかしながら、このような湿分分離器と粒子状物質フィルタとの組み合わせは、これらの有効性を限定的にする可能性があり、このため、動作環境に応じて改善することが有用となる。

米国特許第７，５２４，３５７号明細書

１つの態様において、発電システムが提供される。発電システムは、直列流れ配列で結合された圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するガスタービン組立体を含む。圧縮機は、圧縮機入口を有する。発電システムはまた、圧縮機入口から上流側でガスタービン組立体に結合された集塵システムを含む。圧縮機は、電子集塵システムから排出された作動ガスを受け取って、圧縮機入口に流入する作動ガスから同伴物質を除去できるように配向されている。

別の態様において、発電システムを組み立てる方法が提供される。本方法は、ガスタービン組立体内で流れ連通して圧縮機を燃焼器に結合するステップを含む。圧縮機は、圧縮機入口を有する。本方法はまた、電子集塵システムを圧縮機入口から上流側でガスタービン組立体に結合して、圧縮機が、電子集塵システムから排出される作動ガスを受け取って、圧縮機入口に流入する作動ガスから同伴物質を除去できるように配向されるようにするステップを含む。

別の態様において、発電システムのガスタービン組立体を通って流れるガスから同伴物質を除去するための電子集塵装置パネルが提供される。パネルは、流路を定めるフレームと、フレームに結合された少なくとも１つのブラケットと、少なくとも１つのブラケットに結合されて流路内に位置付けられるようにする複数の電気的に荷電可能なベーンと、を含む。

例示的な発電システムの概略図。 図１に示す発電システムで使用できる例示的な電子集塵システムの部分拡大図。 図２に示す集塵システムの例示的な電子集塵装置パネルの概略断面図。 図３に示すパネルの別の実施形態の概略断面図。 図３に示すパネルの別の実施形態の概略断面図。

以下の詳細な説明では、限定としてではなく例証として、発電システムで使用する電子集塵システムを例示している。本明細書は、電子集塵システムを当業者が実施し利用するのを可能にするものであり、また本明細書は、電子集塵システムを実施し利用する最良の形態であると現在思われるものを含む、電子集塵システムの幾つかの実施形態を記載している。電子集塵システムは、本明細書では発電システムのガスタービン組立体に結合されるものとして記述される。しかしながら、電子集塵システムは、発電システム以外の様々な分野における広範囲にわたるシステムに一般的に応用されることは企図される。

図１は、例示的な発電システム１０を示す。例示的な実施形態において、発電システム１０は、ケーシング１１０内で直列流れ配列で結合された、圧縮機１０２、燃焼器１０４及びタービン１０６を有するガスタービン組立体１００を含む。作動時には、作動ガス１１２（例えば、周囲空気）は、圧縮機入口１１４を介して圧縮機１０２に流入し、該作動ガス１１２が圧縮されるようになる。圧縮ガス１１６の少なくとも一部は、燃焼器１０４に送られ、燃料と混合されて点火され、燃焼ガス１１８を発生し、この燃焼ガスがタービン１０６に送られる。燃焼ガス１１８は、タービン１０６を駆動し、これによりタービン１０６に結合された発電機（図示せず）が駆動される。次いで、排気ガス１２０がタービン１０６からタービン出口１２２を介して周囲又は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（図示せず）に排出される。

例示的な実施形態において、発電システム１０はまた、ガスタービン組立体１００と流れ連通して結合されて、発電システム１０を流れるガスから液滴及び／又は固体粒子（総称して「同伴物質」）を除去するのを可能にする集塵システム１２４を含む。１つの実施形態において、集塵システム１２４は、圧縮機入口１１４から上流側で結合されて、作動ガス１１２が圧縮機入口１１４を介して圧縮機１０２に流入するより前に作動ガス１１２から同伴物質を除去するのを可能にすることができる。別の実施形態において、集塵システム１２４は、タービン出口１２２から下流側に結合されて、周囲又はＨＲＳＧに排出される排気ガス１２０から同伴物質を除去するのを可能にすることができる。他の実施形態において、集塵システム１２４は、圧縮機入口１１４とタービン出口１２２との間で流路１２６に沿って結合されて、そこに沿って流れるガス（例えば、圧縮ガス１１６、燃焼ガス１１８、その他）から同伴物質を除去するのを可能にすることができる。或いは、集塵システム１２４は、集塵システム１２４が本明細書で記載されるように機能することを可能にする他の何れかの好適な方式でガスタービン組立体１００に結合することができる。

図２は、発電システム１０（図１に示す）で用いることができる例示的な集塵システム２００の部分拡大図を示す。例示的な実施形態において、集塵システム２００は、圧縮機入口１１４から上流側にあり、圧縮機入口１１４を介して圧縮機１０２に流入する作動ガス１１２から同伴物質を除去するのを可能にする。集塵システム２００は、ハウジング２０２と、ハウジング入口２０６及びハウジング出口２０８間でハウジング２０２内に装着される少なくとも１つの電子集塵装置パネル２０４と、を含む。発電システム１０の作動中、作動ガス１１２は、ハウジング入口２０６を介してハウジング２０２に入り、パネル２０４を通って流れた後、ハウジング出口２０８を介して好適な導管（例えば、ダクト）ネットワークにわたって圧縮機入口１１４に吐出される。任意選択的に、繊維型フィルタ２１２が、パネル２０４から下流側で且つ圧縮機入口１１４の上流側に位置付けられ、作動ガス１１２から固定粒子を除去することを可能にすることができる。

図３は、集塵システム２００（図２に示す）で用いることができる例示的な電子集塵装置パネル３００の概略断面図を示す。例示的な実施形態において、パネル３００は、フレーム３０２と、該フレーム３０２に装着される複数の離間して配置されたベーン３０４とを含み、ベーン３０４は、流路軸線３１４に沿ってフレーム入口３１０からフレーム出口３１２までフレーム３０２を通って延びる流路３０８内に位置付けられる。例示的な実施形態において、パネル３００は、２つのブラケット３０６によって支持される３つのベーン３０４を含む。より具体的には、例示的な実施形態において、ベーン３０４は、第１のベーン３１６、第２のベーン３１８、及び第３のベーン３２０を含み、これらは第１のブラケット３２２及び第２のブラケット３２４によって離間した関係で全体的に支持される。他の実施形態では、パネル３００は、あらゆる好適な数のブラケット３０６によって支持されるあらゆる好適な数のベーン３０４を含むことができる。

各ブラケット３０６は、略ロッド形状であり、少なくとも一部は導電性材料（例えば、アルミニウム、銅、及び／又は鋼鉄材料）から製造され、この導電性材料は、任意選択的に、電気絶縁材料（例えば、プラスチック材料）に包まれることができ、各ブラケット３０６は、好適な電源（例えば、バッテリ、発電機、その他）を用いてその長さの少なくとも一部に沿って荷電することができるようにする。例示的な実施形態において、第１のブラケット３２２は、第１の電源に電気的に結合されて、第１のブラケット３２２を正が荷電し、第２のブラケット３２４は、第２の電源に電気的に結合されて、第２のブラケット３２４が負に荷電する。他の実施形態において、ブラケット３０６は、互いに対してあらゆる好適な方式で正又は負に荷電することができ、ブラケット３０６が本明細書で記載されるように機能することを可能にするような、あらゆる好適な形状を有することができ、及び／又はあらゆる好適な材料から製造することができる。

各ベーン３０４は、導電性材料（例えば、アルミニウム、銅、及び／又は鋼鉄材料）から製造され、少なくとも１つのブラケット３０６に好適な方式で結合される。例示的な実施形態において、各ベーン３０４は、略板状の本体３２６を有し、ここから少なくとも１つのフック３２８が延在する。本体３２６は、前端輪郭３３０、該前端輪郭３３０と反対側にある後端輪郭３３２、第１の側方輪郭３３４、及び該第１の側方輪郭３３４と反対側にある第２の側方輪郭３３６を含む断面プロファイルを有し、側方輪郭３３４，３３６が前端輪郭３３０から後端輪郭３３２まで延びている。このようにして、第１の流路チャンネル３３８は、第１のベーン３１６の第２の側方輪郭３３６と、第２のベーン３１８の第１の側方輪郭３３４との間に定められ、第２の流路チャンネル３４０は、第２のベーン３１８の第２の側方輪郭３３６と、第３のベーン３２０の第１の側方輪郭３３４との間に定められる。他の実施形態では、パネル３００は、あらゆる好適な数のベーン３０４の間に定められるあらゆる好適な数の流路チャンネルを含むことができる。

一部の実施形態において、ベーン３０４の側方輪郭３３４及び／又は３３６は、少なくとも１つの偏位セグメント３４２を含むことができ、該少なくとも１つの偏位セグメント３４２は、流路軸線３１４に対して傾斜した向きにされ、各偏位セグメント３４２がフレーム入口３１０に面して、フレーム３０２を通ってフレーム出口３１２までフレーム出口３１２に向けて流れる作動ガス１１２を偏位させるようになる。例えば、例示的な実施形態において、各ベーン３０４の各側方輪郭３３４及び／又は３３６は、それぞれの前端輪郭３３０からそれぞれの後端輪郭３３２まで波状となって偏位セグメント３４２のペアを定め（例えば、例示的な実施形態において、各例示的なベーン３０４は、４つの偏位セグメント３４２を含む）、少なくとも１つの偏位セグメント３４２の下流側端部から１つのフック３２８が延びる。しかしながら、他の実施形態において、偏位セグメント３４２に対するあらゆる好適な位置であらゆる好適な数のフック３２８が延びることができる。或いは、ベーン３０４は、パネル３００が本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる好適な形状を有することができる（例えば、各ベーン３０４は、フック３２８及び／又は偏位セグメント３４２を本体３２６の側方輪郭３３４及び／又は３３６上に見られないようにするなど、あらゆる好適な方式であらゆる好適な数の偏位セグメント３４２及び／又はあらゆる好適な数のフック３２８を配列させることができる）。

例示的な実施形態において、第１のベーン３１６は、第１のカップリング３４８にて第１のブラケット３２２に結合され、第２のカップリング３５０にて第２のブラケット３２４に結合される。第２のベーン３１８は、第２のカップリング３５０にて第１のブラケット３２２に結合され、第１のカップリング３４８にて第２のブラケット３２４に結合される。第３のベーン３２０は、第１のカップリング３４８にて第１のブラケット３２２に結合され、第２のカップリング３５０にて第２のブラケット３２４に結合される。特に、第１のカップリング３４８は、それぞれのベーン３０４及びブラケット３０６間に電気的接続を確立できるようにする導電性材料から少なくとも部分的には製造され、第２のカップリング３５０は、それぞれのベーン３０４及びブラケット３０６間の電気的接続を阻止するようにする電気絶縁材料から少なくとも部分的には製造される。

このようにして、好適な電源を用いて、第１のブラケット３２２が正に荷電され、第２のブラケット３２４が負に荷電される結果、第１のベーン３１６が正荷電になり（これにより集電電極として機能する）、第２のベーン３１８が負荷電になり（これにより放電電極として機能する）、第３のベーン３２０が正荷電になり（これにより集電電極として機能する）、従って、第１の流路チャンネル３３８において第１の電界を生じ、第２の流路チャンネル３４０において第２の電界を生じる。特に、各電界の強度は、限定ではないが、印加電圧、及び隣接するベーン３０４間の距離など、複数の要因によって決定付けられる。一部の実施形態において、各パネル３００は、約７００〜１０００Ｖの電圧を印加できるように隣接するベーン３０４の間に約０．１２５〜２インチのスペースを有することができることは企図される。

別の実施形態において、ブラケット３０６自体を荷電するのではなく、中空であって少なくとも１つの電線を通すことができるように電気絶縁材料から製造してもよい。このような実施形態において、電線は、上述の荷電をそれぞれにベーン３０４に誘起できるように第１のカップリング３４８と電気的に接続する。他の実施形態では、第２のカップリング３５０を利用して特定のベーン３０４を特定のブラケット３０６から電気的に絶縁するのではなく、それぞれのベーン３０４の関連のブラケットアパーチャを必要とされるよりも大きく形成して、それぞれのブラケット３０６とそれぞれにベーン３０４との間にエアギャップが定められ、かかる各ブラケット３０６をかかる各ベーン３０４から電気的に絶縁できるようにする。

作動ガス１２が発電システム１０の作動中にパネル３００を流れるときに、作動ガス１１２の少なくとも一部は、ベーン偏位セグメント３４２によって偏位される。その結果、作動ガス１１２内の同伴物質のより大きな一群（例えば、より大きな液滴３５２及び／又はより大きな固体物質３５４）の一部は、少なくとも１つには、それらの慣性及びそのために作動ガス１１２と連動して急激には方向転換できないことに起因して、偏位セグメント３４２に衝突する。特に、フック３２８は、各それぞれの偏位セグメント３４２に衝突する同伴物質を収容可能にする（すなわち、フック３２８は、偏位セグメント３４２に衝突する同伴物質が作動ガス１１２に再同伴されるのを防ぐことができる）。このようにして、パネル３００は、ガス１１２が圧縮機入口１１４に流入する前に同伴物質のより大きな一群を作動ガス１１２から機械的方式（又は慣性方式）で除去することを可能にする。しかしながら、同伴物質の小さな一群の一部（例えば、より小さい液滴３５６及び／又はより小さい固体粒子３５８）は、慣性が小さい場合があり、ガス１１２が偏位セグメント３４２によって偏位されたときに、作動ガス１１２と連動して急激に方向転換し、偏位セグメント３４２との衝突が回避される可能性がある。従って、機械的方式の除去方法は、同伴物質の小さな一群に対しては相対的に有効ではない。

このような同伴物質の小さな一群を除去できるようにするために、流路チャンネル３３８、３４０に入る同伴物質の小さな一群が誘起電界に送り込まれて負に荷電される。負に荷電された粒子は、負に荷電された第２のベーン３１８から離れ、正に荷電されたベーン３１６、３２０のうちの少なくとも一方に向けて移動されて収集される。このようにして、同伴物質の小さな一群（及び幾分大きな一群でも）は、作動ガス１１２が圧縮機入口１１４に流入する前にガス１１２から除去することができる。特に、第１のベーン３１６及び／又は第３のベーン３２０上に収集された液滴３５２、３５６は、好適なリザーバ（図示せず）に重力送りされ、収集された固体粒子３５４、３５８を幾らか自浄（又は自洗浄）の方式で洗浄してベーン３１６、３２０の汚れた表面から効果的に除去する。

図４及び５は、集塵システム２００（図２に示す）で使用する他の電子集塵装置パネルの実施形態の概略断面図である。図４及び５に例示される電子集塵装置パネルは、パネル３００とほぼ同じであり、同じ構成要素が同じ参照符号で示される。図４の実施形態に関して、詳細には、パネル４００は、２段型であり、離間したベーン３０４の第２のセット４０４の上流側に離間したベーン３０４の第１のセット４０２を有する。第１のセット４０２において、中間ベーン３０４は、負に荷電され、正に荷電されたベーン３０４のペア間に位置する。他方、第２のセット４０４において、中間ベーン３０４は、正に荷電され、負に荷電されたベーン３０４のペア間に位置する。図５の実施形態に関して、パネル５００は、離間したベーン５０４のセット５０２を有し、各ベーン５０４は、導電層のペア（すなわち、正に荷電された総５０８と負に荷電された層５１０）の間に挟まれた絶縁層５０８から作られ、これら導電層には、ブラケット３０６内に配置された配線５１２によってそれぞれの電荷が供給される。

より具体的には、本方法及びシステムは、機械的方式と電気的方式の除去方法の両方を利用して、ガスタービン発電システムを流れるガスから同伴物質（液体と固体の両方）をより効果的に除去可能にする。例えば、本方法及びシステムは、水分子が荷電されることにより、水分離効率を向上させる。従って、本方法及びシステムは、ガスタービン発電システムの製作及び維持に伴うコストを低減し、ガスタービン発電システムの運転効率を最適化する（ガスタービン発電システムにかかる圧力勾配を改善することによって）ことができる。本方法及びシステムは更に、ガスタービン発電システムの有効寿命を延ばすことができる（例えば、ガスタービン発電システムの内部構成要素に対する腐食を低減ことによって、及びガスタービン発電システムで使用される繊維型フィルタにおける閉塞を引き起こす可能性がある湿分を除去することによって）。

電子集塵システム及びその組み立て方法の例示的な実施形態について上記で詳細に説明された。本明細書で記載される方法及びシステムは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、本方法及びシステムの構成要素は、本明細書で記載される他の構成要素とは独立して別個に利用することができる。例えば、本明細書で記載される方法及びシステムは、本明細書で記載されるガスタービン発電システムと共に実施することに限定されず、他の用途に応用することができる。むしろ、本明細書で記載される方法及びシステムは、様々な他の産業に関連して実施及び利用することができる。

種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、請求項の技術的思想及び範囲内にある修正により本発明を実施することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。

１０ 発電システム
１００ ガスタービン組立体
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１１０ ケーシング
１１２ 作動ガス
１１４ 圧縮機入口
１１６ 圧縮ガス
１１８ 燃焼ガス
１２０ 排気ガス
１２２ タービン出口
１２４ 電子集塵システム
１２６ 流路
２００ 集塵システム
２０２ ハウジング
２０４ パネル
２０６ ハウジング入口
２０８ ハウジング出口
２１２ フィルタ
３００ パネル
３０２ フレーム
３０４ ベーン
３０６ ブラケット
３０８ 流路
３１０ フレーム入口
３１２ フレーム出口
３１４ 流路軸線
３１６ 第１のベーン
３１８ 第２のベーン
３２０ 第３のベーン
３２２ 第１のブラケット）
３２４ 第２のブラケット
３２６ 本体
３２８ フック
３３０ 前端輪郭
３３２ 後端輪郭
３３４ 第１の側方輪郭
３３６ 第２の側方輪郭
３３８ 第１の流路チャンネル
３４０ 第２の流路チャンネル
３４２ 偏位セグメント
３４４ 下流側端部
３４８ 第１のカップリング
３５０ 第２のカップリング
３５２ 大きな液滴
３５４ 大きな固体粒子
３５６ 小さな液滴
３５８ 小さな固体粒子
４００ パネル
４０２ 離間したベーンの第１のセット
４０４ 離間したベーンの第２のセット
５００ パネル
５０２ 離間したベーンのセット
５０４ ベーン
５０６ 絶縁層
５０８ 正に荷電された層
５１０ 負に荷電された層
５１２ 配線

Claims (10)

1. 発電システム（１０）であって、
   直列流れ配列で結合された、圧縮機入口（１１４）を有する圧縮機（１０２）、燃焼器（１０４）、及びタービン（１０６）を含むガスタービン組立体（１００）と、
   前記圧縮機入口から上流側で前記ガスタービン組立体に結合された集塵システム（１２４，２００）と、
   を備え、前記圧縮機が、前記電子集塵システムから排出された作動ガス（１１２）を受け取って、前記圧縮機入口に流入する前記作動ガスから同伴物質を除去できるように配向されている、発電システム（１０）。
2. 前記集塵システム（１２４，２００）が、前記作動ガス（１１２）のための流路（３０８）を定め、該流路に位置付けられた複数の電気的に荷電可能なベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）を含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
3. 前記ベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の少なくとも１つが、前記流路（３０８）に傾斜して配向された偏位セグメント（３４２）を含む、請求項１に記載の発電システム（１０）。
4. 前記各偏位セグメント（３４２）が下流側端部（３４４）を含み、前記ベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の少なくとも１つが、前記偏位セグメントの下流側端部に配置されたフック（３２８）を含む、請求項３に記載の発電システム（１０）。
5. 前記集塵システム（１２４，２００）が、前記流路（３０８）内で前記複数のベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の離間関係を維持するよう構成された少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）を含む、請求項２に記載の発電システム（１０）。
6. 前記複数のベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の少なくとも１つ及び前記少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）が、導電性材料から製造され、前記各ベーンが、前記少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）に結合されて、前記少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）を介して前記各ベーンを電気的に荷電可能にする、請求項５に記載の発電システム（１０）。
7. 前記複数のベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）が、導電性材料から製造され、前記少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）が、少なくとも１つの配線（５１２）を含み、前記複数のベーンが、前記少なくとも１つの配線に電気的に接続されて、前記少なくとも１つの配線を介して前記複数のベーンを電気的に荷電できるようにする、請求項５に記載の発電システム（１０）。
8. 発電システム（１０）のガスタービン組立体（１００）を通って流れるガス（１１２，１１６，１１８，１２０）から同伴物質を除去するための電子集塵装置パネル（２０４，３００，４００，５００）であって、
   前記パネルが、
   流路（３０８）を定めるフレーム（３０２）と、
   前記フレームに結合された少なくとも１つのブラケット（３０６，３２２，３２４）と、
   前記少なくとも１つのブラケットに結合されて前記流路内に位置付けられるようにする複数の電気的に荷電可能なベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）と、
   を備える、電子集塵装置パネル（２０４，３００，４００，５００）。
9. 前記ベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の少なくとも１つが、前記流路（３０８）に傾斜して配向された偏位セグメント（３４２）を含む、請求項８に記載の電子集塵装置パネル（２０４，３００，４００，５００）。
10. 前記偏位セグメント（３４２）が下流側端部（３４４）を含み、前記ベーン（３０４，３１６，３１８，３２０，４０２，４０４，５０２，５０４）の少なくとも１つが、前記偏位セグメントの下流側端部に配置されたフック（３２８）を含む、請求項９に記載の電子集塵装置パネル（２０４，３００，４００，５００）。