JP2019167887A - 吸気冷却装置および吸気冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して効率的に冷却することができる吸気冷却装置を提供する。【解決手段】ガスタービンの吸気側に設置され、内部に噴霧ノズル７が設けられた吸気ダクト２を有する吸気冷却装置１であって、吸気ダクト２は、フィルタ４が設置された吸気口３を有するとともに、フィルタ４よりも下流側にサイレンサ６が設置されており、噴霧ノズル７はフィルタ４よりも下流側かつサイレンサ６よりも上流側に設けられ、噴霧ノズル７の設置位置における吸気ダクト２の断面積が、吸気口３のフィルタ設置部５の断面積の７５％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は吸気冷却装置と吸気冷却方法に関するものであり、詳細には、ガスタービン発電所の吸気側に設置される、噴霧ノズルによる吸気冷却装置と吸気冷却方法に関するものである。

ガスタービンでは、大気中から燃焼用空気を取り込んで圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃焼させることにより、タービンを回転させて発電させる。この際、圧縮機に供給される空気の温度が高くなると、空気の密度が低下して、タービンの出力が低下する。特に大気温度が高い夏季には、このようなタービンの出力低下が起こりやすくなる。そこで、ガスタービンに供給される空気を冷却する方法として、ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して冷却する方法が知られている。例えば、特許文献１には、ガスタービンの吸気側に設置される吸気ダクトの入口（吸気口）にノズルを設置して水を噴霧する吸気冷却装置が開示され、特許文献２には、ガスタービンの吸気ダクト内に吸気旋回手段を設け、その下流側にノズルを設置して水を噴霧する吸気冷却装置が開示され、特許文献３には、ガスタービンの吸気ダクト内に設置したサイレンサの上流側にノズルを設置して水を噴霧する吸気冷却装置が開示されている。

特開２０１４−２２７９４５号公報 特開２０１２−２６３９７号公報 特開２００２−３２２９１６号公報

ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して冷却する場合、噴霧した水ができるだけ速やかに蒸発することが好ましく、これにより効率的な冷却が実現できる。本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して効率的に冷却することができる吸気冷却装置および吸気冷却方法を提供することにある。

上記課題を解決することができた本発明の吸気冷却装置とは、ガスタービンの吸気側に設置され、内部に噴霧ノズルが設けられた吸気ダクトを有する吸気冷却装置であって、吸気ダクトは、フィルタが設置された吸気口を有するとともに、フィルタよりも下流側にサイレンサが設置されており、噴霧ノズルは、フィルタよりも下流側かつサイレンサよりも上流側に設けられ、噴霧ノズルの設置位置における吸気ダクトの断面積が、吸気口のフィルタ設置部の断面積の７５％以下であるところに特徴を有する。

本発明の吸気冷却装置によれば、吸気口のフィルタ設置部は断面積が広く形成されているため、そこを通過する空気の流速は遅く、フィルタでの圧損を低減して、吸気ダクトへの取り込み空気量を増加させることができる。一方、フィルタよりも下流側では、吸気ダクトの断面積を低減させ、断面積の狭くなった部分に噴霧ノズルを設置しているため、より速い流速で空気が流れる箇所で水を噴霧することができ、このような箇所で水を噴霧することにより、水が微細化されて、速やかな水の蒸発が実現できる。そのため、本発明の吸気冷却装置によれば、吸気ダクトを流れる空気の効率的な冷却が実現できる。

噴霧ノズルは、水の微細化が効果的に促進されるようにする点から、流速が８ｍ／ｓ以上となる位置に設置されていることが好ましい。また、噴霧ノズルは、平均粒子径が３０μｍ以下の水滴を噴霧するノズルであることが好ましい。このようなノズルを用いれば、噴霧した水が速やかに蒸発しやすくなる。

噴霧ノズルは一流体ノズルであることが好ましく、これにより、吸気ダクト内でのノズル設置位置での圧力損失を低く抑えることができ、またノズル設置に係るコストを安価に抑えることができる。

噴霧ノズルは、サイレンサよりも上流側に３ｍ以上の位置に設置されていることが好ましい。このような位置に噴霧ノズルを設置することにより、噴霧した水が吸気ダクト内で蒸発するのに十分な時間を確保しやすくなる。そのため、サイレンサに至るまでに一定以上の粒子径の水滴を減らすことができる。また同様の観点から、噴霧ノズルは、フィルタからの距離が、フィルタとサイレンサの間の距離の１／２以下の位置に設置されていることが好ましい。

吸気ダクトには、サイレンサよりも下流側にさらに第２の噴霧ノズルが設けられていてもよい。このように第２の噴霧ノズルを設けて水を噴霧することにより、サイレンサでの水の凝縮を抑制しつつ、ガスタービンの燃焼器に導入する空気の高密度化を図ることができる。

フィルタよりも下流側かつサイレンサよりも上流側に設けられた噴霧ノズルを第１の噴霧ノズルとしたとき、第２の噴霧ノズルの設置位置における吸気ダクトの断面積は、第１の噴霧ノズルの設置位置における吸気ダクトの断面積よりも小さいことが好ましい。これにより第２の噴霧ノズルから噴霧した水のさらなる微細化を実現できる。

本発明はまた、ガスタービンの吸気冷却方法も提供する。本発明の吸気冷却方法は、ガスタービンの吸気側に設置された吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却する吸気冷却方法であって、吸気ダクトは、フィルタが設置された吸気口を有するとともに、フィルタよりも下流側にサイレンサが設置されており、フィルタよりも下流側かつサイレンサよりも上流側に設けられたノズルから水が噴霧され、ノズルの設置位置における吸気ダクトの断面積が吸気口のフィルタ設置部の断面積の７５％以下であるものである。

本発明の吸気冷却装置および吸気冷却方法によれば、吸気ダクトの断面積が狭くなった部分に噴霧ノズルを設置しているため、より速い流速で空気が流れる箇所で水が噴霧される。そのため、噴霧された水が微細化されて蒸発が促進され、吸気ダクトを流れる空気の効率的な冷却が実現できる。

本発明の吸気冷却装置の構成例を表す。

本発明は、ガスタービンの燃焼用空気の吸気側に設置され、当該燃焼用空気を冷却するための吸気冷却装置に関するものである。本発明の吸気冷却装置は、ガスタービンの吸気ダクト内に噴霧ノズルが設けられたものであり、この噴霧ノズルから水を噴霧することによって、水の蒸発潜熱により吸気空気が冷却され、空気密度が高められる。このように冷却された空気をガスタービンに供給し、燃焼器内で燃焼することにより、ガスタービンの出力を向上させることができる。

水の噴霧によって吸気空気を冷却する場合、噴霧した水が速やかに蒸発することが好ましく、また噴霧した水の凝縮量ができるだけ少なくなることが好ましい。これにより、効率的な空気の冷却が実現できるとともに、水使用量も削減することができる。吸気ダクトで水を噴霧する場合には、ダクト内でのスケールの発生や機器の腐食・損傷等を防ぐために純水等の高純度の水を使用することが一般的であることから、水使用量の削減によって、用役費の削減効果も期待できる。本発明は、吸気ダクト内で水を噴霧することによって吸気空気を冷却する際に、噴霧した水の効率的な蒸発を実現するものである。以下、本発明の吸気冷却装置について図面を参照して説明するが、本発明は図面に示した実施態様に限定されるものではない。

図１には、本発明の吸気冷却装置の構成例を示した。吸気冷却装置１は、ガスタービンの吸気側に設置された吸気ダクト２を有する。吸気ダクト２は、内部を通過する空気の流れ方向に対して上流側と下流側が定められる。吸気ダクト２は、上流側にダクト内に空気を取り込む吸気口３が設けられ、吸気ダクト２の下流側はガスタービン入口１０に接続し、吸気ダクト２を通過した空気がガスタービンの圧縮機に導入される。

吸気口３にはフィルタ４が設置されている。吸気口３から取り込まれた空気はフィルタ４を通過することによって細かい異物が取り除かれ、これによりガスタービンの損傷が防止される。吸気口３は、１つのみ設けられていてもよく、２つ以上設けられていてもよい。吸気口３が複数設けられる場合、各吸気口にフィルタが設けられる。吸気口３は、多方向から空気を取り込むように設けられてもよい。なお、吸気ダクト２において、吸気口３は、フィルタ４を含んでそれより上流側の部分に相当する。

吸気ダクト２には、フィルタ４よりも下流側にサイレンサ６が設置されている。サイレンサ６によって、ガスタービンから発生し吸気ダクト２を通って外部に洩れる音が低減される。サイレンサ６は、例えば、吸音板、または吸音材を貼った仕切板でダクト２の内部を区切ることにより形成することができ、ダクト２の延在方向に対する垂直断面で見て、ダクト２を所定の一方向に分割したスプリッター型サイレンサや、ダクト２を縦横に分割したセル型サイレンサなどを用いることができる。図１では、吸気ダクト２は、フィルタ４の下流側かつサイレンサ６の上流側で略水平方向に延び、サイレンサ６の下流側かつガスタービン入口１０の上流側で略鉛直下方に延びるように形成されている。

吸気ダクト２の内部には噴霧ノズル７が設けられている。噴霧ノズル７から水を噴霧することによって、吸気ダクト２を通る空気が冷却される。このようにダクト２内を流れる空気に水を噴霧して冷却する場合、冷却効率を高めるためには、噴霧した水ができるだけ小粒径となることが好ましく、これにより速やかな水の蒸発が実現できる。また、ダクト２内で水が蒸発するのに十分な時間が確保されるように、噴霧ノズル７を適切な位置に設置することが重要となる。

そこで本発明では、フィルタ４よりも下流側かつサイレンサ６よりも上流側であって、吸気ダクト２の断面積が狭くなった部分、具体的には、吸気ダクト２の断面積が、吸気口３のフィルタ４が設置された箇所（フィルタ設置部５）の断面積の７５％以下となる部分に、噴霧ノズル７を設置している。本発明者らがダクト内で水を噴霧することにより効率的に冷却する方法を検討したところ、より速い流速で空気が流れる箇所で水を噴霧することにより、噴霧した水が微細化することが明らかになった。ガスタービンでは、ガスタービンの仕様や運転条件によって吸気空気量がある程度決まるため、吸気ダクト内の流速を高めるためには、吸気ダクトの断面積を狭くすることが有効となる。そのため本発明では、吸気ダクト２において、吸気口３のフィルタ設置部５よりも断面積を狭めた部分に噴霧ノズル７を設置することにより、ノズル７から噴霧した水を微細化でき、速やかな水の蒸発が実現できる。また、フィルタ４とサイレンサ６の間に噴霧ノズル７を設置することにより、噴霧した水が吸気ダクト２内で蒸発するのに十分な時間を確保しやすくなる。さらに、吸気口３のフィルタ設置部５は断面積が広くなっているため、そこを通過する空気の流速が遅くなってフィルタ４での圧損を減らすことができ、吸気ダクト２への取り込み空気量を増やすことが容易になる。

ガス流速とノズルから噴霧した水の粒子径との関係について、本発明者らが調べた結果を表１に示す。表１には、ダクト内に設置したノズルから水を噴霧したときの、ダクト内のガス流速と噴霧した水の平均粒子径（ザウター平均粒子径）との関係を示した。ノズルは、旋回型ノズル（株式会社いけうち製「涼霧ノズルＩＩ（０６３）」）または衝突型ノズル（株式会社いけうち製「ＰＩＮＪｅｔ」）の２種類の一流体ノズルを用いた。各ノズルにおいて、噴霧条件はガス流速以外は全て同じであり、旋回型ノズルを用いた場合は、噴霧圧力６．０ＭＰａ、噴霧量５．２Ｌ／ｈｒで噴霧し、衝突型ノズルを用いた場合は、噴霧圧力１２．８ＭＰａ、噴霧量１１Ｌ／ｈｒで噴霧した。水の平均粒子径は位相ドップラー法に基づき測定し、具体的には、Ａｒｔｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製の位相ドップラー粒子分析計ＰＰＩ−２００ｍＤを用い、ノズルの先端から３０ｃｍ先の地点での水の平均粒子径を測定した。

表１に示した結果から分かるように、ダクト内のガス流速が速くなるほど、ノズルから噴霧した水の平均粒子径が小さくなることが分かる。基準としているガス流速２ｍ／ｓは、フィルタ設置部における一般的なガス流速である。例えば、ガス流速８ｍ／ｓのときの平均粒子径はガス流速２ｍ／ｓのときの平均粒子径の８８％〜９０％となっているが、体積換算では、ガス流速８ｍ／ｓのときの水粒子１つの体積は、ガス流速２ｍ／ｓのときの水粒子１つの体積の６８％〜７４％まで低減する。水粒子の総表面積を比較すると、ガス流速８ｍ／ｓのときの総表面積はガス流速２ｍ／ｓのときの総表面積に対して１０％〜１４％増える計算となる。このように、吸気ダクト内のガス流速を高めることにより、ノズルから噴霧した水が微細化されるとともに水粒子の総表面積が増え、速やかな水の蒸発が実現できる。

上記に説明したように、本発明では、吸気ダクト２内の噴霧ノズル７を、吸気口３のフィルタ設置部５の断面積の７５％以下となる部分に設置しているが、噴霧した水をより微細化する観点から、噴霧ノズル７は、フィルタ設置部５の断面積の６５％以下となる部分に設置することが好ましく、５５％以下がさらに好ましく、４５％以下がさらにより好ましい。一方、吸気ダクト２の噴霧ノズル７の設置位置の断面積の下限は特に限定されないが、ノズル７から噴霧した水の吸気ダクト２内での蒸発時間が十分に確保され、かつ吸気ダクト２の長さが過剰に長くならないことが好ましいことから、噴霧ノズル７の設置位置は、フィルタ設置部５の断面積の２５％以上となる部分が好ましく、３０％以上がより好ましく、３５％以上がさらに好ましい。なお、吸気口３のフィルタ設置部５の断面積は、吸気口３においてフィルタ４が設置された箇所（区間）の断面積を意味し、基本的には、吸気口３から取り込まれる空気の流れに対して垂直方向の断面積となる。フィルタ設置部５が複数存在する場合は、各断面積の総和を、吸気口３のフィルタ設置部５の断面積とする。吸気ダクト２の断面積は、吸気ダクト２の延在方向に対する垂直断面積を意味する。

吸気ダクト２は、噴霧ノズル７が設置された位置からサイレンサ６が設置された位置に至る範囲の全体が、上記の断面積で形成されていることが好ましい。すなわち、噴霧ノズル７の設置位置からサイレンサ６の設置位置に至る吸気ダクト２の断面積の全体が、吸気口３のフィルタ設置部５の断面積の７５％以下となることが好ましく、６５％以下がより好ましく、５５％以下がさらに好ましく、４５％以下がさらにより好ましく、また２５％以上が好ましく、３０％以上がより好ましく、３５％以上がさらに好ましい。また、吸気ダクト２の断面積は、噴霧ノズル７の設置位置からサイレンサ６の設置位置まで大きく変化しないように形成されていることが好ましく、当該範囲における吸気ダクト２の断面積の最小値と最大値の比が１．３以下であることが好ましく、１．２以下がより好ましく、１．１以下がさらに好ましい。なお、前記範囲における吸気ダクト２の断面積が一定の場合は、その最小値と最大値の比は１．０となる。

吸気ダクト２は、噴霧ノズル７の設置位置からサイレンサ６の設置位置（サイレンサ６に至る直前の位置）まで直線状に延びるように形成されていることが好ましい。このように吸気ダクト２が形成されていれば、ノズル７から噴霧した水がサイレンサ６に至るまでに凝縮しにくくなる。

噴霧ノズル７は、吸気ダクト２内の流速が８ｍ／ｓ以上となる位置に設置されていることが好ましい。このようなガス流速となる箇所で水を噴霧することによって、噴霧した水の微細化が効果的に促進される。なお、水を噴霧した後にガス流速を高めても水の微細化への寄与は小さく、あくまで水を噴霧する箇所のガス流速が重要となる。噴霧ノズル７を設置する位置のガス流速は、より好ましくは１０ｍ／ｓ以上であり、さらに好ましくは１２ｍ／ｓ以上である。当該ガス流速の上限は特に限定されず、例えば５０ｍ／ｓ以下であってもよく、３０ｍ／ｓ以下であってもよく、２０ｍ／ｓ以下であってもよい。

噴霧ノズル７は、サイレンサ６よりも上流側に３ｍ以上離れた位置に設置されていることが好ましく、６ｍ以上がより好ましく、８ｍ以上がさらに好ましい。このような位置に噴霧ノズル７を設置することにより、サイレンサ６に至るまでに一定以上の粒子径の水滴を減らすことができ、ノズル７から噴霧した水がサイレンサ６に至るまでに十分に蒸発しやすくなる。例えば、吸気ダクト２内の所定のガス流速条件下で、噴霧ノズル７の直後の水滴の粒子径分布と噴霧ノズル７から３ｍ以上下流側の水滴の粒子径分布を測定すると、後者の方が体積基準累積９０％粒子径ｄ₉₀の値が小さくなる傾向を示す。水の蒸発量は吸気口３から取り込む空気の相対湿度やノズル７からの噴霧量によっても変化するため、ノズル７から噴霧した水のほぼ全量がサイレンサ６に至るまでに蒸発する場合もあれば、一部が凝縮する場合もあるが、ノズル７をサイレンサ６よりも上流側に３ｍ以上離して設置し、ノズル７からの噴霧量を適切に設定することにより、細かな粒子径の水粒子が蒸発しやすくなるとともに、大きな粒子径の水粒子が未蒸発の場合でも、サイレンサ６での凝縮量を減らしてドレン量を低減することができ、サイレンサ６の腐食を抑えることもできる。この点で、サイレンサ６の直前（例えば、サイレンサ６から上流側に３０ｃｍ以内の領域）における吸気ダクト２内の相対湿度は１００％を超えないことが好ましく（すなわち飽和冷却または不飽和冷却が好ましく）、例えば当該相対湿度は９０％以上１００％以下が好ましい。なお、吸気ダクト２の長さが過剰に長くならずに設備をコンパクトにする点から、噴霧ノズル７は、サイレンサ６よりも上流側に２５ｍ以内の位置に設置されていることが好ましく、２０ｍ以内がより好ましく、１５ｍ以内がさらに好ましい。

噴霧ノズル７は、サイレンサ６よりもフィルタ４の近くに設置されていることが好ましい。すなわち、噴霧ノズル７は、フィルタ４からの距離が、フィルタ４とサイレンサ６の間の距離の１／２以下の位置に設置されていることが好ましい。このように噴霧ノズル７を設置することにより、ノズル７から噴霧した水をできるだけ蒸発させるようにしつつ、吸気ダクト２の長さを全体的にコンパクトに形成することができる。また、全体の設置スペースが限られている場合でも、断面積が大きいフィルタ４から噴霧ノズル７に至る部分の吸気ダクト２の長さを短くし、断面積を縮小した流路の比率を多く確保することにより、限られたスペースの中で蒸発距離を稼ぐことができる。さらに、例えばフィルタ４の直後であって、吸気ダクト２の断面積がフィルタ設置部５における断面積と変わらない位置に噴霧ノズルを設置する場合と比較して、吸気ダクト２のより上流側で噴霧した水の蒸発を実質的に完了させることも可能となる。噴霧ノズル７は、フィルタ４からの距離が、フィルタ４とサイレンサ６の間の距離の１／３以下の位置に設置されることがより好ましく、１／４以下となる位置に設置されることがさらに好ましい。

吸気ダクト２は、フィルタ４より下流側で噴霧ノズル７の設置位置に至るまでの範囲で、吸気ダクト２の側面の少なくとも一部が傾斜状に形成されていることが好ましい。本明細書では、このようにダクト２の延在方向に対して傾斜状に形成された吸気ダクト２の側面を「傾斜壁部」と称する。あるいは、吸気ダクト２は、フィルタ４より下流側の噴霧ノズル７の設置位置に至るまでの範囲に、断面積が下流側に向かって漸次縮小する縮小領域が形成されていることが好ましい。この際、噴霧ノズル７は、縮小領域から下流側に１ｍ以内の領域に設置されていることが好ましい。図１では、フィルタ４より下流側で噴霧ノズル７の設置位置に至るまでの範囲で吸気ダクト２の上側面が傾斜壁部８として形成されており、この傾斜壁部８が設けられたダクト２の区間が縮小領域となる。このように傾斜壁部８を設けることにより、吸気ダクト２において、フィルタ４より下流側で噴霧ノズル７の設置位置に至るまでの範囲で、スムーズに空気が流れやすくなり、噴霧ノズル７から水を噴霧したときに好適に微細化することができる。このとき、噴霧ノズル７の設置位置よりも上流側にある傾斜壁部８は、噴霧ノズル７の設置位置よりも下流側の吸気ダクト２の側面よりも、ダクト２の延在方向に対する傾斜角度が大きくなるように形成されていることが好ましい。吸気ダクト２の延在方向に対する傾斜壁部８あるいは縮小領域の長さは、例えば、吸気ダクト２の噴霧ノズル７の設置位置における断面積の平方根の０．２倍以上となることが好ましく、０．３倍以上がより好ましく、０．４倍以上がさらに好ましく、また２．０倍以下が好ましく、１．５倍以下がより好ましく、１．０倍以下がさらに好ましい。

噴霧ノズル７は、吸気ダクト２内の下流側に向かって水が噴射されるように設置されていることが好ましい。この場合、ノズル７の噴射口が吸気ダクト２の延在方向と略平行に向くように設置されてもよく、吸気ダクト２の延在方向に対して斜め方向に向くように設置されてもよいが、好ましくは前者の態様でノズル７が設けられる。すなわち、ダクト内の空気の流れに沿うようにノズル７から水が噴射されることが好ましい。なお、ノズル７からは、ある程度の噴射角度で水が噴霧されることが好ましく、例えばノズル７の先端を頂点とした円錐状に噴霧されることが好ましい。噴射角度（円錐の頂点の角度）は、例えば１５°以上が好ましく、２０°以上がより好ましく、また６０°以下が好ましく、４５°以下がより好ましい。

吸気ダクト２内には複数の噴霧ノズル７が設けられることが好ましく、より好ましくは吸気ダクト２の延在方向に対する垂直断面において複数の噴霧ノズル７が設けられる。ダクト２内に複数の噴霧ノズル７を設けることにより、ダクト２の断面でより均一に水を噴霧することが可能となる。噴霧ノズル７は、例えばダクト断面積１ｍ²当たり４個〜１００個設置することが好ましく、８個〜５０個がより好ましい。

噴霧ノズル７を複数設置する場合の各噴霧ノズル７からの水の供給量は同一であっても異なっていてもよい。なお、吸気ダクト２の側面の傾斜角度が大きく形成された部分（図１における傾斜壁部８）では、その下流側で、吸気ダクト２の延在方向の垂直断面で見て、当該部分から離れる方向に空気が流れやすくなる。図１に示した吸気ダクト２では、フィルタ４より下流側で噴霧ノズル７の設置位置に至る範囲で吸気ダクト２の上側面が傾斜状に形成されており、それ以外の側面は、フィルタ４より下流側でサイレンサ６に至るまでの範囲でダクト延在方向と略平行に延びるように形成されていることから、噴霧ノズル７から下流側では、吸気ダクト２の斜め下方に向かう空気の流れが多く形成される。このような場合、空気の流れが疎となる部分への水の供給量を増やすことが好ましく、これにより、吸気ダクト２の延在方向の垂直断面において、噴霧した水がより均一に存在しやすくなる。例えば、吸気ダクト２の延在方向の垂直断面で見て、傾斜角度が最も大きいダクト側面（傾斜壁部８）の近傍に設けられた噴霧ノズル７は、それ以外の部分に設けられた噴霧ノズル７よりも、ノズル７からの水の供給量を増やすことが好ましい。図１に示した吸気ダクト２では、吸気ダクト２の例えば上部１／４における単位断面積当たりの水の供給量が、それ以外の部分における単位断面積当たりの水の供給量よりも多くなることが好ましい。

噴霧ノズル７は、平均粒子径が３０μｍ以下の水滴を噴霧するものであることが好ましい。このようなノズルを用いれば、噴霧した水が速やかに蒸発しやすくなる。なお、ここで説明した水滴の平均粒子径は、吸気ダクト内で空気が実質的に流れていない状態でノズルから噴霧された水に対して、Ａｒｔｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製の位相ドップラー粒子分析計ＰＰＩ−２００ｍＤを用い、ノズルの先端から３０ｃｍ先の地点での水滴の粒子径分布を測定したときのザウター平均粒子径を意味する。また測定の際の雰囲気条件は、温度２０〜２５℃、湿度３５〜６０％ＲＨとする。噴霧ノズル７から噴霧される水滴の平均粒子径は２５μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以下がさらに好ましい。当該水滴の平均粒子径の下限値は特に限定されないが、例えば１μｍ以上であってもよく、５μｍ以上であってもよく、８μｍ以上であってもよい。

上記のように、平均粒子径が３０μｍ以下であり、できるだけ小さい水滴を噴霧するノズルとしては、水のみ（高圧水）を噴射する一流体ノズルや、水と空気を噴射する二流体ノズルを用いることができる。なお、二流体ノズルを用いて、例えば平均粒子径２０μｍ以下の水滴を噴霧する場合は、圧縮空気を用いることが一般的であるところ、圧縮空気を利用するためにはコンプレッサーが必要となり、大規模な追加設備が必要となる。また、二流体ノズルは、ノズルサイズが大きく、配管も二重化して、吸気ダクト内の圧力損失増加の原因ともなり得る。そのため、噴霧ノズル７としては、一流体ノズルを用いることが好ましく、一流体ノズルを用いて平均粒子径２０μｍ以下の水滴を噴霧することがより好ましい。好ましく使用できる一流体ノズルとしては、衝突型ノズルおよび旋回型ノズルが挙げられる。

衝突型ノズルは、ノズル本体の先端部から出た直進棒流を、ノズル本体の先端部の延長線上に設けられた衝突ピンに衝突させて、微粒化するノズルである。衝突型ノズルとしては、例えば、特開平９−９４４８７号公報や米国特許第７３２０４４３号明細書等に開示されるノズルを用いることができる。

旋回型ノズルは、筒状のノズル本体の先端側に噴射孔を有するノズルチップを備え、当該ノズルチップのノズル本体内面側に噴射孔から放射状に延びる複数の溝が形成されたノズルである。ノズルチップに形成された溝は、貫通溝ではなく底を有するものであり、噴射孔から直線状に延びていてもよく、弧状に延びていてもよい。ノズル本体の噴射孔から出る流体は、ノズル本体の先端側でノズルチップの溝を通り旋回流に形成され、噴射孔から霧状に噴射される。旋回型ノズルとしては、例えば、特開２００８−１０４９２９号公報や特開２００９−３６３１６号公報に開示されるノズルを用いることができる。

噴霧ノズル７としては、衝突型ノズルを用いることが特に好ましい。衝突型ノズルを用いれば、ノズル１個当たりの噴霧量を多くすることが容易となる。具体的には、噴射孔を大きくし、噴霧量を多くしても、微細な粒子径の霧を発生させることが可能となる。そのため、吸気ダクト２内の限られたスペース、特にダクト断面積の狭くなった部分に噴霧ノズル７を設ける本発明においては、衝突型ノズルが特に好ましく用いられる。

吸気ダクト２には、サイレンサ６よりも下流側にさらに第２の噴霧ノズル９が設けられていてもよい。上記に説明したフィルタ４よりも下流側かつサイレンサ６よりも上流側に設けられた噴霧ノズル７（以下、「第１の噴霧ノズル」と称する場合がある）は、吸気ダクト２内を流通する空気の相対湿度が１００％を超えないように水を噴霧することが好ましいが、サイレンサ６よりも下流側に設ける第２の噴霧ノズル９は、吸気ダクト２内を流通する空気の相対湿度が１００％を超えるように水を噴霧してもよい（過飽和冷却）。このように水を噴霧することにより、サイレンサ６での水の凝縮を抑制しつつ、ガスタービンの燃焼器に導入する空気の高密度化を図ることができる。

第２の噴霧ノズル９の設置位置における吸気ダクト２の断面積は、第１の噴霧ノズル７の設置位置における吸気ダクト２の断面積よりも小さいことが好ましく、これにより第２の噴霧ノズル９から噴霧した水のさらなる微細化を実現できる。第２の噴霧ノズル９の設置位置における吸気ダクト２の断面積は、例えば、第１の噴霧ノズル７の設置位置における吸気ダクト２の断面積の７５％以下が好ましく、７０％以下がより好ましく、６５％以下がさらに好ましく、また２５％以上が好ましく、３５％以上がより好ましく、４５％以上がさらに好ましい。第２の噴霧ノズル９は、吸気ダクト２の断面積が下流側に向かって漸次縮小する縮小領域に設置したり、縮小領域の直後（例えば、縮小領域から下流側に１ｍ以内の領域）に設置することが好ましい。

第２の噴霧ノズル９は、吸気ダクト２内の下流側に向かって水が噴射されるように設置されていることが好ましい。また、吸気ダクト２内には複数の噴霧ノズル９が設けられることが好ましい。第２の噴霧ノズル９の好適態様（例えば、噴射角度、設置密度、噴霧した水の平均粒子径、ノズル種類等）は、上記の第１の噴霧ノズル７の説明が参照される。

本発明はまた、ガスタービンの吸気側に設置された吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却する吸気冷却方法も提供する。本発明の吸気冷却方法において、吸気ダクトは、フィルタが設置された吸気口を有するとともに、フィルタよりも下流側にサイレンサが設置されており、フィルタよりも下流側かつサイレンサよりも上流側に設けられたノズルから水を噴霧して、吸気ダクト内を流通する空気を冷却する。そして、ノズルの設置位置における吸気ダクトの断面積が、吸気口のフィルタ設置部の断面積の７５％以下となる。吸気ダクト、吸気口、フィルタ、サイレンサ、ノズルに関する詳細は、上記の説明が参照される。また、サイレンサよりも下流側に設けられた第２のノズルからさらに水を噴霧するものであってもよい。

１： 吸気冷却装置
２： 吸気ダクト
３： 吸気口
４： フィルタ
５： フィルタ設置部
６： サイレンサ
７： （第１の）噴霧ノズル
８： 傾斜壁部
９： 第２の噴霧ノズル
１０： ガスタービン入口

Claims (9)

1. ガスタービンの吸気側に設置され、内部に噴霧ノズルが設けられた吸気ダクトを有する吸気冷却装置であって、
   前記吸気ダクトは、フィルタが設置された吸気口を有するとともに、前記フィルタよりも下流側にサイレンサが設置されており、
   前記噴霧ノズルは、前記フィルタよりも下流側かつ前記サイレンサよりも上流側に設けられ、
   前記噴霧ノズルの設置位置における前記吸気ダクトの断面積が、前記吸気口のフィルタ設置部の断面積の７５％以下であることを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記噴霧ノズルは、流速が８ｍ／ｓ以上となる位置に設置されている請求項１に記載の吸気冷却装置。
3. 前記噴霧ノズルは、平均粒子径が３０μｍ以下の水滴を噴霧するノズルである請求項１または２に記載の吸気冷却装置。
4. 前記噴霧ノズルは、一流体ノズルである請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
5. 前記噴霧ノズルは、前記サイレンサよりも上流側に３ｍ以上の位置に設置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
6. 前記噴霧ノズルは、前記フィルタからの距離が、前記フィルタと前記サイレンサの間の距離の１／２以下の位置に設置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
7. 前記吸気ダクトには、前記サイレンサよりも下流側にさらに第２の噴霧ノズルが設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
8. 前記フィルタよりも下流側かつ前記サイレンサよりも上流側に設けられた前記噴霧ノズルを第１の噴霧ノズルとしたとき、
   前記第２の噴霧ノズルの設置位置における前記吸気ダクトの断面積が、前記第１の噴霧ノズルの設置位置における前記吸気ダクトの断面積よりも小さい請求項７に記載の吸気冷却装置。
9. ガスタービンの吸気側に設置された吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却する吸気冷却方法であって、
   前記吸気ダクトは、フィルタが設置された吸気口を有するとともに、前記フィルタよりも下流側にサイレンサが設置されており、
   前記フィルタよりも下流側かつ前記サイレンサよりも上流側に設けられたノズルから前記水が噴霧され、
   前記ノズルの設置位置における前記吸気ダクトの断面積が、前記吸気口のフィルタ設置部の断面積の７５％以下であることを特徴とする吸気冷却方法。

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