JP3165604B2 - ガスタービン吸気除塵装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン用圧縮機
に吸入する大気中の粉塵を除去するためのガスタービン
吸気除塵装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスタービンでは、燃焼用等に供
給される空気中に含まれる粉塵による空気圧縮機翼の汚
れ防止、ならびに高温雰囲気中で作動するタービン翼に
設けられている冷却用空気通路の目詰り防止のため、燃
焼用等に高圧圧縮空気を供給する空気圧縮機の吸入口側
には、空気中の粉塵を除去するためのフィルターが設置
されている。

【０００３】すなわち、図７に示すように、空気圧縮機
翼を具え、タービン翼を設けたタービン０３で駆動され
る圧縮機０２で、その吸入口側から供給した空気０８を
圧縮し、この圧縮空気０２１と燃料０６を燃焼器０４で
混合し、燃焼させた燃焼ガスでタービン０３を作動さ
せ、発電機０５、および圧縮機０２を駆動し、発電を行
うガスタービン０１では、前述したように、空気０８中
に含まれる粉塵０１２を除去するために、圧縮機０２の
吸入口側にフィルター１０を設けている。

【０００４】このフィルター０１０は、図８に示すよう
に、圧縮機０２の吸入口側に供給される空気０８の流れ
に、ほぼ直交する除塵面を形成し、空気０８を通すため
の空隙を設けたフィルタエレメント０１１を具えてお
り、フィルタエレメント０１１により通過する空気０８
中に含まれる粉塵０１２を除去するようにしている。

【０００５】このように、従来のガスタービン吸気除塵
装置として使用されているフィルター０１０は、その除
塵がろ過方式に依っているため、フィルター０１０を空
気０８が通過する時の抵抗、つまり、空気圧縮機０２の
吸入口側の空気０８の流れに発生する圧力損失が大きく
なり、ガスタービン０１に供給される空気０８の量が低
減して、ガスタービン０１の出力を低下させてしまう不
具合がある。フィルター０１０を用いたガスタービン吸
気除塵装置で、かかる問題を解決する場合、圧力損失が
フィルター０１０を通過する空気０８の速度の概ね２乗
に比例することから、このフィルター通過速度を遅くす
ることが考えられるが、フィルター通過速度を遅くする
には、空気０８の通過面積を広くする必要があり、この
ためフィルター０１０通過断面積を大きくする必要があ
り、フィルター０１０の数が増え、また、設備が大きな
ものとなってしまい、設備費が増大して、不経済なもの
になると、同時に、設置スペースの問題も発生してくる
ことになる。

【０００６】また、できるだけ圧力損失の少ないフィル
ター０１０を用いるのも、上記問題解決の１手段である
が、圧力損失の少ないフィルター０１０は、一般的に空
気０８の通過する隙間が粗くされているため、その捕集
性（除塵性）が悪くなり、特に微細な粉塵０１２がフィ
ルター０１０の隙間をすり抜けていき、圧縮機０２へ流
入して空気圧縮機翼を汚し、その結果、ガスタービン０
１出力が低下するという問題を新たに引き起こしてしま
う。また同時に、微細粉塵０１２が、タービン翼の冷却
用空気中に入り、タービン翼に設けられている冷却空気
通路を目詰りさせ、高温雰囲気で作動するタービン翼の
冷却効果を低下させ、タービン翼の運転に支障をきたす
という問題も引き起こす。

【０００７】したがって、このような問題が生じないよ
うにガスタービン０１を停止させて、空気圧縮機翼を洗
浄したり、冷却空気通路を洗浄したりしなければなら
ず、ガスタービン０１の設置目的である電力供給に齟齬
を来すと同時に、清掃に係る、余分な費用の発生をもた
らすことになる。

【０００８】また逆に、空気圧縮機翼の汚れや、冷却空
気通路の目詰りを防止すべく、フィルター０１０の除塵
性能を向上させた場合、それは取りも直さずフィルター
０１０の空気の通過する隙間を細かくすることにほかな
らず、その結果、圧力損失を上昇させることになり、前
述したように、ガスタービン０１の出力低下を招く結果
となってしまう。

【０００９】さらに、フィルター０１０の場合は、図８
に示すように、粉塵０１２をフィルターエレメント０１
１の表面や内部で捕集するため、粉塵０１２が捕集され
ていくにつれ、すなわち通気時間を長くするにつれて、
フィルターエレメント０１１の表面や内部に粉塵０１２
が堆積していくため、目詰りを起こして圧力損失が上昇
していき、圧力損失が経時的に上昇する不具合がある。
すなわち、図９に示すように、通気を行う時間の経過と
ともに、フィルター０１０の圧力損失は増加し、ガスタ
ービン０１の出力もそれに伴い低下してくるという問題
が発生する。

【００１０】このため、従来はフィルター０１０の目詰
りが進行し、圧力損失が上昇して、フィルターの種類に
よって決った、ある値の限界圧損に達すると、フィルタ
ー０１０を新しいものに取り替えることが行われてい
る。ある事例では、その取り替えが１年間に５〜６回に
及ぶものもあり、フィルター０１０のメンテナンスに多
大な労力と費用をかける必要があった。また、場合によ
ってはフィルター０１０取り替えの際に、ガスタービン
０１を停止しなければならないものもある。

【００１１】以上のごとく、圧力損失に起因するガスタ
ービン０１出力の低下を防止しようと、低圧力損失のフ
ィルター０１０を使用した場合は、フィルター０１０の
除塵性能が悪くなり、圧縮機翼が汚れ、その要因により
出力低下を招き、また、タービン翼の冷却空気通路を塞
ぎ、タービン翼の寿命を縮め、逆に、圧縮機翼の汚れに
起因するガスタービン０１出力の低下を防止しようと、
高性能なフィルター０１０を使用した場合は、フィルタ
ー０１０の圧力損失が大きくなり、その要因でガスター
ビン０１出力の低下を招くことになる。また、フィルタ
ー０１０を使用する上での根本的な問題点は、経時的に
目詰りが増加するために、定期的に取り替えなければな
らないところにあり、いづれにせよ、フィルター０１０
を使用したガスタービン吸気除塵装置では、前述の問題
は避けれない状況にあった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のガス
タービン吸気除塵装置のかかる問題に鑑みてなされたも
ので、高除塵性能で、且つ、低圧力損失にでき、しか
も、経時的な性能劣化が生じず、取り替え等のメンテナ
ンスが不要である、ガスタービン吸気除塵装置を提供す
ることを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のガス
タービン吸気除塵装置は次の手段とした。 （１）圧縮機の吸入口側に荷電電極が空気の流れの方向
に平行に設置されると共に、荷電電極を挟み対向させた
接地電極が空気の流れの方向に平行で、且つ流速が小さ
くなる流路壁面上に設けられ、荷電装置から供給される
電力により、圧縮機に供給される空気に含まれる粉塵を
電気的に集塵して、供給空気が通過する流路の壁面上に
収集するようにした電気集塵装置を、圧縮機の吸入口側
に設けた。この電気集塵装置は、粉塵を電気的に帯電さ
せ、そのクーロン力により流路壁面上に吸着させ、収集
するようにしたものでも、さらには流路の中に電極を設
置して、電極と流路壁面との間に、電気イオン流れを発
生させて、空気の流れに流路壁面に向う流れを形成し
て、粉塵が流路壁面に効果的に収集されるようにしたも
のでも良い。 （２）電気集塵部である流路壁面上に電気集塵装置によ
り電気的に捕集されて堆積した粉塵を、エアー若しくは
水等からなる流体力を使って流路壁面上から払い落と
し、払い落された粉塵を回収したり搬送したりする粉塵
回収及び搬送装置で流路外に排出して、粉塵が捕集され
る流路壁面上を清掃する電極クリーニング装置を設け
た。

【００１４】

【作用】本発明のガスタービン吸気除塵装置は、電極板
を空気の流れ方向に設置すると共に接地電極を流速の小
さい流路壁面に設けるようにした上述の手段により、圧
縮機の吸入口側に供給される空気の流れをさえぎる抵抗
体とならず、また、流れに平行で流速が小さくなる面で
ある流路壁面で粉塵の収集が行われるため、除塵を行う
装置および除塵された粉塵による空気の流れの圧力損失
が大幅に小さくなる。実験結果によれば、フィルターに
よる除塵の場合に比較して、圧力損失が１／５〜１／８
程度になることがわかった。

【００１５】また、逆に圧力損失の大きさが現状のフィ
ルターによる圧力損失程度許容されるとした場合は、粉
塵を捕集する電気集塵装置を通過する空気の流速を上げ
ることができ、これにより、供給する空気の通過断面積
を小さくでき、コンパクト化が図れ設備費、並びに設置
スペースを低減することができる。

【００１６】また、収集した粉塵は大気の流れに平行な
流路壁面に堆積されるため、空気の流れの圧力損失は堆
積される粉塵量の増加と共に若干増加するが、電極クリ
ーニング装置により、流路壁面に収集された粉塵は払い
落されて流路外に排出されるので、堆積した粉塵が抵抗
体となり供給される空気の圧力損失を経時的に上昇させ
ることは少なくなる。これにより、従来から使用されて
いるフィルターのように定期的な取り替えをする必要が
なく、メンテナンスフリーで絶えず低圧力損失で運転で
きる。

【００１７】また、空気中に含まれて圧縮機に流入する
粉塵を電気的に帯電させて、電界内をクーロン力で電極
へ引きつけて捕集したり、または、電気イオンの流れに
よって粉塵を電極へ移動させたりすることにより捕集す
る電気集塵装置を採用したので、適切な集塵容量の装置
で、荷電量を適切に制御して印加することにより、どの
ような微細な粒子径の粉塵でも、高性能で捕集でき、空
気圧縮機翼を汚染し、圧縮機効率を低下させガスタービ
ン出力を低下させるようなこともなく、またタービン翼
の冷却空気通路を塞ぎ高温雰囲気で作動するタービン翼
の冷却効果を低下させ、タービン翼の運転に支障をきた
し、若しくはガスタービン寿命を短くすることもなくな
る。

【００１８】すなわち、図４に示すようにフィルター０
１０による集塵では、微細な粉塵、特に、粒子径２μｍ
以下の粉塵の除塵性能が急激に低下し、全体平均の除塵
率は９０％前後であるのに対し、本発明のガスタービン
吸気除塵装置９では、粒子径２μｍ以下の微細な粉塵で
も、集塵率はほとんど低下せず、高性能で捕集でき、全
体平均の除塵率を９９％近くまで高めることが可能であ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明のガスタービン吸気除塵装置の
実施例を、図面にもとづき説明する。図１は、本発明の
ガスタービン吸気除塵装置を適用した、ガスタービンの
一例を示す概略配置図である。

【００２０】図に示すように、発電機５を駆動して発電
を行うガスタービン１は、大気から供給された空気８
を、空気圧縮機翼により高圧の圧縮空気２１にする圧縮
機２、圧縮機２からの圧縮空気２１と外部から供給され
た燃料６を混合して高温、高圧の燃焼ガス２２を生成す
る燃焼器４、燃焼器４からの燃焼ガス２２の保有するエ
ネルギーによりタービン翼を作動させ、発電機５、およ
び圧縮機２と連結した駆動軸を回動させ、これらを駆動
するタービン３からなる。

【００２１】また、圧縮機２の吸入口側には、従来のフ
ィルターに換えて、本発明のガスタービン吸気除塵装置
としての電気集塵装置９を設置して、大気から圧縮機２
の吸入口へ供給される空気８中に含まれる粉塵を除去す
るようにしている。

【００２２】本実施例の電気集塵装置９は、供給される
空気８に含まれて電気集塵装置９に流入する粉塵を電気
的に帯電させたり、又は、電気イオン流れによって捕集
する機能を有する除塵装置を総称しているものであり、
例えば、静電式除塵装置、静電フィルターなどと呼称さ
れるものを全て含んでいるものである。また、電気集塵
による捕集機能のみを有する装置に限定されるものでは
なく、プレフィルター、仕上げ用フィルター、ウェザー
ルーバ、ダンパ、電極クリーニング装置など周辺の付属
設備を含んだ装置全体を示すものである。したがって、
電気集塵装置９の構成、構造などについては種々考えら
れるが、これらの電気集塵装置９の電気集塵部２０３の
第一実施例を図２に示す。

【００２３】本実施例は、荷電方式でしかも、粉塵の帯
電と集塵を同一空間にて実施するいわゆる一段式のもの
である。図に示すように、空気８が通過する空間には、
荷電装置１０５から電力を供給される荷電電極１０４が
空気８の流れ方向に設置されるとともに、荷電電極１０
４を挟み、対向させた接地電極１０３が空気８の流路壁
面に配設されている。

【００２４】図２の電気集塵部２０３の詳細を示す模式
図である、図３に示すように、電気集塵部２０３に流入
する空気８に含まれる大，小の粉塵１０１は、荷電電極
１０４からの放電により帯電する。帯電した粉塵１０１
は、クーロン力の作用により接地電極１０３に吸引さ
れ、接地電極１０３の表面に積層して収集される。こう
して、含まれる粉塵１０１が除去された空気８は、図１
に示す圧縮機２の吸入口側へ流れガスタービン１に使用
される。

【００２５】図４は、本実施例による電気集塵装置９を
使用したときの除塵率（％）と、粉塵１０１の粒子径
（μｍ）の関係を示す図である。この図から理解できる
ように、比較対象の、従来のフィルターを使用した場合
に比べて、粒子径の小さい粉塵１０１の除塵率を秀れた
ものにできる。特に、フィルター０１０による集塵で
は、粒子径２μｍ以下の微細な粉塵の除塵性能が急激に
低下し、全体平均の除塵率は９０％前後に留まるのに対
して、本実施例の電気集塵装置９では、粒子径２μｍ以
下の微細な粉塵でも集塵率はほとんど低下せず高性能で
捕集でき、全体平均の除塵率を９９％近くまで高めるこ
とができる。

【００２６】また、本実施例による集塵では、電気集塵
部２０３の空間を流れる空気８の流れに対し抵抗体とな
るものが、微細な断面積の流れの方向に配置された荷電
電極１０４だけであり、しかも、流れの方向に平行で、
流速が小さくなる壁面に設けられた接地電極１０３上
に、捕集された粉塵１０１が堆積して収集されるので、
収集された粉塵１０１が大きな抵抗体となることはな
く、圧力損失はフィルターの場合に比較して１／５〜１
／８程度の小さいものとなる。さらに、収集された粉塵
１０１の経時的な増加に伴う圧力損失も、上述した理由
により微小なものにできる。

【００２７】次に、図５は本発明のガスタービン吸気除
塵装置の第２実施例としての電気集塵装置９の電気集塵
部２０３を示す図で、本実施例は上流側に粉塵の帯電部
を、下流側に電気集塵部２０３を配置したいわゆる二段
式と呼ばれるものである。

【００２８】なお、図２に示す第１実施例と、図５に示
す第２実施例の荷電方式を組み合せた方式、すなわち荷
電は一段式であるが、電極を二段式、又は多段式な構造
としたものにすることも可能である。

【００２９】次に、図６は周辺付属設備を含めた電気集
塵装置９の構成例であり、空気８中の粉塵１０１を電気
的に除塵する、前述した電気集塵部２０３以外に、電気
集塵装置９の内部空間に、雨、雪などが入らないように
するウェザールーバ（又はガラリ）２０１、粗大粉塵１
０１などを予め捕集するプレフィルター２０２、電気集
塵部２０３から何らかの要因ですり抜けた粉塵１０１な
どを捕集する仕上げフィルター２０４、流れを遮断する
ことができるダンパ２０５、捕集した粉塵１０１を払い
落とし、電極を清掃する電極クリーニング装置２０６
（エアー洗浄、水洗浄等の流体洗浄装置）、捕集した粉
塵１０１を回収したり搬送する装置２０７などから成り
立っている。

【００３０】しかし、図に示す構成例は一例にすぎず、
電気集塵部２０３、電極クリーニング装置２０６以外の
付属設備は、装置の要求条件に応じて設備したり、しな
かったり、または配置を変えたりすることは可能なもの
である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガスター
ビン吸気除塵装置によれば、特許請求の範囲に示す構成
により、次の効果が得られる。

【００３２】（１）従来のフィルターによる除塵に比べ
て、除塵性能が向上し、特に、微細粉塵が高性能で捕集
できるようになるため、空気圧縮機翼の汚れが少なくな
り、その結果ガスタービンの出力低下が少なくなり、ま
た、タービン翼の冷却空気通路の目詰りが防止され、冷
却効果が低下することはなく、タービン翼を長寿命のも
のにでき、ガスタービンを安定して運転ならしめ、大き
な経済的効果が得られる。

【００３３】例えば、１５０ＭＷ級ガスタービンのコン
バインドサイクルプラントにおける、出力低下による経
済的効果に着目した場合、フィルターの全体平均の除塵
率を９０％前後、電気集塵装置のそれを９９％とした場
合、本発明のガスタービン吸気除塵装置の採用により、
プラントの効率を約０．５％向上させることができ、年
間の費用に換算すると、約５０００万円が改善されるこ
とになる。また、この経済的効果以外にも、タービン翼
の冷却空気通路の清掃、空気圧縮機翼の洗浄頻度が少な
くなり、洗浄のための運転停止も少なくしたりすること
ができ、さらに経済効果が加わるとともに、清掃、洗浄
に係る余分な費用の発生を抑えることができる。

【００３４】（２）集塵に伴う圧力損失を小さくできる
ことによる効果としては、まず、ガスタービンの出力低
下が少なくなり、経済的効果が得られることにある。前
述の１５０ＭＷ級ガスタービンコンバインドサイクルプ
ラントの場合において、フィルターの平均圧力損失を４
５mmAq，本発明のガスタービン吸気除塵装置の圧力損失
を１５mmAqとした場合、約０．１７％プラント効率も向
上させることができ、年間の費用に換算すると、約１５
００万円が改善されることになる。

【００３５】さらに観点を変えて、圧力損失を小さくで
きる特長を、粉塵を処理する空気の流速を上昇させて、
圧力損失をフィルター並みに上昇させることに代えた場
合を考えてみると、処理流速増大による空気の通過面積
を小さくでき、コンパクト化が図れ設備費を低減するこ
とができる。また、狭隘な場所への設置も可能となり設
置スペースの問題が解消すると同時に、プラント全体の
配置アレンジ上、ダクト等の設備の低減につなげること
もできる。

【００３６】（３）本発明のガスタービン吸気除塵装置
では、粉塵の目詰りによる除塵エレメントの定期的な取
り替えが不要であり、この効果もある。従来のフィルタ
ーによる装置では、前述の１５０ＭＷ級のガスタービン
コンバインドサイクルプラントの場合において、あるフ
ィルターを例にとると、年間６回程度の取り替えが必要
で、それに対する費用は、約３５００万円必要になる。
従って、本発明の装置では、この経済的効果が得られる
とともに、取り替え作業に要する労力も不必要になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン吸気除塵装置を具えた、
ガスタービンの一例を示す概略配置図。

【図２】本発明のガスタービン吸気除塵装置の第１実施
例としての電気集塵装置の電気集塵部を示す図。

【図３】図２に示す実施例の作用を示す模式図。

【図４】図２に示す実施例による粉塵粒子径と除塵率の
関係を示す図。

【図５】本発明の第２実施例としての電気集塵装置の電
気集塵部を示す図。

【図６】図２，図５に示す実施例の電気集塵部を具える
電気集塵装置を示す図。

【図７】従来のガスタービン吸気除塵装置を具えたガス
タービンの概略配置図。

【図８】図７に示す従来例の集塵部を示す模式図。

【図９】図７に示す従来例の経時的な圧力損失の状態を
示す図である。

【符号の説明】

１ ガスタービン ２ 空気圧縮機 ３ タービン ４ 燃焼器 ５ 発電機 ６ 燃料 ７ 排気ガス ８ 空気 ９ 電気集塵装置 １０１ 粉塵 １０３ 接地電極 １０４ 荷電電極 １０５ 荷電装置 ２０１ ウェザールーバ（又はガラリ） ２０２ プレフィルター ２０３ 電気集塵部 ２０４ 仕上げフィルター ２０５ ダンパ ２０６ 電極クリーニング装置 ２０７ 粉塵回収及び搬送装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片山 博幸 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 小嶋 勝久 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 平４−267914（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−70902（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−128240（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02C 7/05

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン用圧縮機に供給される空気
   に含まれる粉塵を除去するためのガスタービン吸気除塵
   装置において、前記圧縮機の吸入口側に荷電電極が空気
   の流れの方向平行に設置されるとともに、前記荷電電極
   を挟み対向させた接地電極が流れの方向に平行で且つ流
   速が小さくなる流路壁面に設けられ、荷電装置から供給
   される電力により、前記粉塵を電気的に集塵して、前記
   流路壁面上に収集する電気集塵装置と、前記流路壁面上
   に堆積した前記粉塵を流体力を使って払い落とし、払い
   落された前記粉塵を流路外に排出できるようにした電極
   クリーニング装置とを設けたことを特徴とするガスター
   ビン吸気除塵装置。