JP3801232B2

JP3801232B2 - ガスタービンの吸気冷却装置

Info

Publication number: JP3801232B2
Application number: JP12238095A
Authority: JP
Inventors: 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1995-05-22
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JPH08312374A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービンの圧縮機、その他の主として多段軸流式圧縮機への吸気を冷却するための吸気冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン用圧縮機等の多段軸流圧縮機のように、途中段に空気の冷却装置を設けないものにあっては、吸気温度はこれが低い程高圧力比に設計できることから、通常吸気温度を下げるため、ガスタービンへの吸入路中に吸気冷却装置を設けている。
【０００３】
図４１〜図４２に上記ガスタービンの吸気冷却装置の従来の例を示す。図４１〜図４２において１１は吸気室、１５はガスタービンである。
【０００４】
図４１のものにおいては、吸気室１１から吸気された空気に給水管１３Ａに連通される水スプレー装置１３により水をスプレーし、水の蒸発の潜熱を利用して吸気を冷却している。
【０００５】
また図４２のものにおいては、吸気室１１から冷却室１２に流入した空気と、同冷却室１２内に設けられた熱交換器１４の伝熱管内を流れる０℃程度の冷水あるいは、０℃以下の冷却媒体とを熱交換することにより空気を冷却している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のガスタービン吸気冷却装置にあっては次のような問題点がある。
【０００７】
（１）図４１のように水スプレー装置１３を用いるものにおいては、空気の冷却を水の蒸発の潜熱によっているため、湿度が飽和状態になると、それ以上の冷却が不可能となり、従って減温幅が小さく充分な冷却効果が得られない。
【０００８】
（２）また、図４２のように冷却熱交換器１４による場合は、これの伝熱管表面が湿度飽和（水分凝縮）となる一方、主流の空気側はまだ乾き状態であることから、伝熱管面での冷却が空気の全量に及ばない。
【０００９】
また０℃以下の冷却媒体を用いるときは、伝熱管上への着氷により伝熱特性の低下及び空気通路の狹隘化が発生して吸気の圧損が増大するとともに、冷却用の設備も大型化せざるを得なくなる。
【００１０】
本発明の目的はガスタービン吸気の圧損の増加を伴うことなく、かつ冷却設備の大型化を伴うことなく吸気の冷却度を増大せしめて、ガスタービン出力の上昇を実現することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決するため、吸気室とガスタービンとを接続する吸気通路にて吸気を冷却するように構成したガスタービンプラントにおいて、次の４つの手段を備えたことを要旨としている。
【００１２】
即ち第１の手段によれば、上記吸気通路に、水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、同冷却室内に傾斜した側壁用のフィンを設け、上記冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成する。
【００１３】
上記冷却室に冷凍装置から送給される低温流体が収容される冷却装置を附設することも、この手段の実施態様の１つである。
【００１４】
また、第２の手段によれば、上記吸気通路に水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、同冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成するとともに、上記冷却室とガスタービン入口との間の吸気通路の壁部に同吸気通路内の吸気を冷却する上記冷却室に収容される冷媒とは別の冷媒が循環する冷却手段を設ける。
【００１５】
上記冷却手段は、吸気通路壁の外側に形成され冷凍装置からの冷却流体が循環する冷却ダクトからなることも第２の手段の実施態様の１つである。
【００１６】
また第３の手段によれば、上記吸気通路に水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、同冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成するとともに、上記冷却室の外部に、同冷却室内の水を降温せしめて氷を生成する液体空気が収容される液体空気室を設ける。
【００１８】
【作用】
本発明は上記のように構成されているので、吸気室で除塵された吸気は氷あるいは、シャーベット状に氷と水とが混合した氷混合水の冷媒の表面に衝突し、その衝突及び吸気が冷却室の内面に沿って流れる間における冷媒との伝熱により冷却される。このように吸気と冷媒との衝突伝熱を利用するため伝熱管は不要となり、また熱交換エレメントの着氷による伝熱特性の悪化や吸気の圧力損失の増加等の発生が阻止される。そして、傾斜したフィンを設けることにより冷却室中の氷混合水の量が減少してフィンが気流中に露出しても気流の抵抗を小さく保持される。
【００１９】
また、上記のように吸気と冷媒との衝突による冷却であるので０℃あるいは、０℃以下に冷却された冷媒を使用でき、吸気を０℃近傍の低温まで冷却することが可能となる。また吸気内に含まれる水分は、冷却時に氷結され、除湿（空気中の湿分の凝縮除去）が行なえる。
【００２０】
さらに、気流中に残存する湿分は微小氷粒となり、固体としての衝突力を有するとともに、液体としての洗浄力を有しており、これがガスタービンの圧縮機内に流入して翼等、圧縮機内部のクリーニングの作用をなす。
【００２１】
また第２の手段によれば、吸気通路の上流からガスタービン入口までの壁部に冷却用冷媒が分布されることとなり、吸気通路内が万遍なく冷却される。
【００２２】
また第３の手段によれば、液体空気により吸気は確実に０℃近くの低温まで冷却され、吸気の重量流量が増加し、ガスタービンの出力が上昇する。
【００２４】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１には本発明の第１実施例に係るガスタービンの吸気冷却装置の構成図が示されている。図１において７はガスタービン、１は吸気室、８は冷却装置、３は同冷却装置８の内部に設けられた冷却室、２は上記吸気室１と冷却室３とを接続する吸気ダクト、９は冷却室３とガスタービン７の圧縮機とを接続するタービン入口側の吸気ダクトである。
【００２５】
上記冷却室３内には後述する冷熱装置４と冷却装置８とにより生成されるシャーベット状の氷と水との混合体即ち氷混合水５が収容されている。
【００２６】
４は冷凍機、液体燃料気化器、空気液化設備等の冷熱装置であり、同冷熱装置４にて生成された冷媒が供給管４１及び戻り管４２を介して冷熱装置４と冷却装置８との間を循環するようになっている。
【００２７】
上記冷却装置８内の冷媒により冷却室３内の氷は降温せしめられ、氷混合水５となって、同冷却室３内に溜まる。
【００２８】
上記冷却室３の内面形状は、図１においては、単純な立方体であるが、冷却及び氷結用に適する形状に適宜選定してもよい。
【００２９】
上記冷熱装置４から冷却装置８へ供給管４１を介して供給される冷却流体ｘａは、顕熱を利用する冷水や冷媒等の他、蒸発潜熱を利用する液体空気（窒素、酸素等）、液体燃料（ＬＮＧ，Ｌ−Ｈ₂等）、フロン等が用いられる。冷水・冷媒・フロン（アンモニア他）は上記冷熱装置４に戻り流体ｘｂとして再循環させる。
【００３０】
一方、冷却流体ｘａが液体空気・液体燃料の場合は、冷却室３での空気の冷却度、液体空気は冷却装置出口の空気ｃを更に冷却するために利用し、気化天然ガスはガスタービン７の燃料として用いるため、冷却装置８から抽気管４３にて抽気する。このようにして冷却装置８にて冷却された吸気ｃは吸気ダクト９を介してガスタービン７の圧縮機に導かれる。
【００３１】
尚、上記液体空気によに冷却の詳細については後述する。
【００３２】
６は上記吸気ダクト２に往復動可能に嵌合されたスリーブである。同スリーブ６は、図２〔Ｂ〕に示されるように、吸気ダクト２の内側に嵌合される内スリーブ方式でも、同吸気ダクト２の外側に嵌合される外スリーブ方式でもよく、使用条件によって適宜選定する。
【００３３】
４４は冷却室３内に温水を散布するための温水ノズル、４５は冷却室３内の氷混合水を加熱するための加熱器、４６は冷却室３からの流体の排出管である。
【００３４】
３２１は上記スリーブ６を往復駆動するためのスリーブ駆動装置、３２は吸気ダクト９内のガスタービン７吸入空気の圧力Ｐ₂を検出する吸気圧力検出器、３１は吸気圧力検出器３２から吸気ダクト９内の圧力Ｐ₂が入力され、これをベースに上記スリーブ駆動装置３２１にスリーブ６の操作信号を出力するコントローラである。
【００３５】
上記冷却室３の内部構造が図３及び図４に示されている。図から明らかなように、冷却室３内には側壁用のフィン３１２及び底壁用のフィン３２２が多数設けられている。同フィンのうち側壁用のフィン３１２は空気（吸気）の下流側へ向けて角度αだけ傾斜して設けられ、また底壁用のフィン３２２は底面に垂直に立設される。このように構成することにより冷却室３中の氷混合水５の量が減少してフィン３１２又は３２２が気流中に露出しても気流の抵抗を小さく保持できる。
【００３６】
図６〜図９に上記冷却装置８の外壁部構造を示す。
【００３７】
▲１▼ 図６に示されるものは、冷媒の潜熱および顕熱を氷点下で利用するため、冷却装置８の冷媒ｘａを液槽８１内に収容し、冷却室３の内壁面と直接接触せしめて吸気との伝熱を行う。上記内壁面が過冷となるときには、断熱材８２を液槽８１の壁内に設置する。
【００３８】
▲２▼ 冷却伝熱を上記▲１▼よりも緩和するときは、図７に示すように、外壁内に伝熱管８３を配設し、冷却装置８内に滞留する冷媒ｘａの容積を小さくする。さらに、上記伝熱管群８３を傾斜させて入口ヘッダ及び出口ヘッダにまとめ、冷媒ｘａがｘｃとなって排出されるパネルとして構成し、必要な面数を冷却室３の周囲に配置する。
【００３９】
▲３▼ 図８に示すように、上記液槽８１の中に仕切板８４を配し、槽８１の強度を高めるとともに冷却室３の内壁面との伝熱をフィン効果により高め、更には冷媒の蒸発潜熱を利用する際において、蒸発気体の整然とした上昇を得る。
【００４０】
▲４▼ 図７に示される伝熱管式において、図９のように伝熱管８３を垂直に配列するとともに、気液分離を均等に行わせるためヘッダ８３ａ，８３ｂを設ける。
【００４１】
上記のように構成されたガスタービンの吸気冷却装置において、吸気圧力検出器３２は吸気ダクト９中の吸気圧力Ｐ₂を検出してコントローラ３１に入力する。同コントローラ３１は、上記吸気圧力Ｐ₂の検出値と、別途入力され記憶されている吸気圧力の目標値Ｐ₀とを比較してその偏差を算出し、さらにこの偏差に相当するスリーブ６の駆動量を算出してその駆動信号をスリーブ駆動装置３２１に出力する。
【００４２】
上記スリーブ６には、吸気室１から導入された圧力Ｐ₁温度Ｔ₁の空気（吸気）が存在しており、スリーブ駆動装置３２１は、この入口吸気圧力Ｐ₁に上記偏差を加えてガスタービン入口の吸気圧力Ｐ₂が上記目標値Ｐ₀になるようにスリーブ６を往復動せしめて設定する。
【００４３】
尚、上記吸気圧力Ｐ₂が目標値Ｐ₀に収束するように制御するのに代えて、出入口吸気差圧ΔＰ＝Ｐ₂−Ｐ₁が所定の目標値ΔＰ₀になるように制御してもよい。
【００４４】
上記のようにして、スリーブ６は、図２に示されるように、これを冷却室３内の氷混合水５の表面との間に所要の間隙Ｌが保持されるよう吸気ダクト２内を往復微動せしめられる。
【００４５】
尚、スリーブ６は図２〜（Ａ）（Ｂ）に示されるように、内スリーブ（図２〔Ｂ〕）、外スリーブ（図２〔Ａ〕）何れでもよいが、内スリーブの方がシール性の面から好適である。
【００４６】
上記スリーブ駆動装置３２１は、スリーブ６を往復動せしめ得る機能を有すれば足り、例えばエレベータのようなロープ懸吊式の懸吊機械が適用できる。
【００４７】
上記操作により、吸気ａは、冷却室３の内面に図１に示されるように、コップ状に貯溜された氷混合水（シャーベット状の氷と水）５に向かって衝突してｂ矢のように流れ、この衝突冷却と衝突後氷混合水５の表面に沿って流れる際の冷却で温度Ｔ₂℃に減温され、低温の吸気ｃとなってガスタービン７の圧縮機に流入する。
【００４８】
上記冷熱装置４から冷却室３へ供給される冷媒としては、

上記冷却室３内の氷を融解させて、凍結解除を行う際には、加熱器４５にて冷却室３内を加熱するかあるいは、温水ノズル４４から温水を噴出せしめて加熱するか、輻射加熱器（図示せず）で加熱する。冷却室３内で融解した水は排出管４６から外部に排出される。
【００４９】
図４〔Ａ〕において、冷却室３内の氷ｉは気流ｂからの伝熱量Ｑによって水あるいはシャーベットＳとなるが、冷却室３の底壁及びフィン３２２からの冷却により再び氷に戻る。また、図４〔Ｂ〕のように水層Ｓが重力で流下するときは気流ｂは水層Ｓとの接触ならびにフィン３１２のポケットで十分に冷却される。
【００５０】
吸気と氷の冷却・伝熱機構を図５に示す。図５において、
【００５１】
【数１】

【００５２】
のメインの循環サイクルに参入するものとして、吸気からの凝縮水の他、吸気中に散布するスプレイ水があり、サイクルから散逸するものとして気流中への氷滴ｄｓがある。氷滴ｄｓは気流と接触すれば熱量ｑが奪熱される冷却効果をなす。水そのものにはマイナス数℃まで過冷却しても流動性を持つ特別な条件が存在する。
【００５３】
図３において、フィン３１２の先端を気流ｂ中に露出すべく氷層ｉ及び水層ｓの深さを調整するか、あるいは水層ｓを過冷却域に保持すれば、気流ｂを０℃以下のマイナス温度に仕上げることが可能である。
【００５４】
後述するように、液体空気を気流中に直接噴射するときは容易にマイナス温度の空気に仕上げることができる。
【００５５】
図１０に本発明の第２実施例が示されている。この実施例においては、吸気（空気）中の湿分の凝縮や水の投入に対処するため、冷却室３の下部に貯水槽３００を設置している。５１は上記貯水槽３００の水位を設定するための水位設定装置、５２は貯水槽３００の排水用の開閉弁、５３は供給用の開閉弁、３１は上記水位設定装置５１及び開閉弁５２及び５３を制御するコントローラである。
【００５６】
図１０において吸気ａは、氷混合水５の表面で方向転換し、気流ｂとなって下流側へと流れる。上記氷混合水５は氷あるいはシャーベット状（氷＋水）の状態にあるのが好ましい。吸気ダクト９は図１のように無冷却でも良いが必要があれば吸気通路内面全面（あるいは必要箇所）に氷５２を保持するように、吸気ダクト９の外周にも冷却装置８を設ける。これは吸気を温度Ｔ₁からＴ₂まで冷却しても、冷却度が不足する際に、この氷５２により更に所要温度Ｔ₃まで冷却することを目標としている。
【００５７】
吸気圧力検出器３２にて検出される吸気圧力Ｐ₂が目標圧力Ｐ₀と異なるときは、コントローラ３１により水位設定装置５１、排水用の開閉弁５２及び供給用開閉弁５３を制御して吸気ダクト２の下面と氷混合水の水面との間隙Ｌを調整し、上記吸気圧力Ｐ₂を目標圧力Ｐ₀に合致せしめる。
【００５８】
この実施例の場合は液面制御であるので図１に示される第１実施例のようなスリーブ６及び同スリーブ６を駆動するためのスリーブ駆動装置３２１が不要となり、装置が簡単化するとともに制御性能が向上する。
【００５９】
図１１には、本発明の第３実施例が示されている。図11において６１は吸気ダクト９の吸気温度を検出する温度検出器、６２，６３は吸気温度制御弁、６４は液位制御装置、６５は液位制御弁、６６は液体空気を生成する空気液化装置、６７は液体空気タンク６８は液体空気の移送ポンプである。
【００６０】
また、４４１，４４２は吸気中に液体空気タンク６７から送給される液体空気を散布する液体空気ノズルである。
【００６１】
この実施例においては、ガスタービン７入口の吸気温度Ｔ₃は、ガスタービン発電出力信号Ｍを指標として、運用モードに見合った各弁即ち吸気温度制御弁６２，６３、液位制御弁６５の弁操作信号に置きかえてコントローラ３１から発信され、所定の温度に保持される。
【００６２】
図１１の実施例において吸気温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃の設定値は、氷の付着量、制御応答性の程度によって決める。氷混合水5 は第１，第２実施例と同様にベース冷却専用とし、液体空気タンク６７からの液体空気Ｘａｌは制御の応答が速いので、吸気温度Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃の微調整用（ならびに冷却ベース）に使用する。かかる温度調整の１例を図１２に示す。
【００６３】
上記吸気ダクト２内に噴射される液体空気Ｘｃｌ，Ｘａｌにより生じる凝縮水、及び氷は冷却室３の底面及び壁面に分布する氷混合水５で捕集される。吸気温度制御弁６３を介し吸気ダクト２〜冷却室３間通路へ液体空気を噴射することにより吸気温度の最終調整を行う。
【００６４】
上記冷却装置８内には、ベース冷却に見合う氷混合水５中の氷が保持されているがそのために液体空気Ｘａｌの液位レベルを液体制御装置６４で検知し、この液位が所要液位となるようにまた移送ポンプ６８の吐出側から必要に応じて液体空気Ｘｂｌを液体空気タンク６７へ戻すことにより、移送ポンプ６８、液位制御弁６５ならびに吸気温度制御弁６３の作動を良好に保持する。
【００６５】
図１３，１４には本発明の第４実施例が示されている。図において、吸気ダクト２内、冷却室３内及び吸気ダクト９内には液体空気又は低温気体を噴射するノズル７４，７３，７５が設けられ、吸気ダクト９内を流れる吸気をさらに冷却している。
【００６６】
７１は冷却装置８内の液位を制御する液位制御装置であり、また図１４において、７６は上記ノズル７３，７４，７５への液体空気Ｘａｌの流量を制御する液体空気制御弁、７７は上記ノズル７３，７４，７５への低温気体の流量を制御する気体流量制御弁である。
【００６７】
上記各流量制御弁７６，７７はタービン出力Ｍ及び吸気温度Ｔ₄の検出信号が入力されるコントローラ３１からの制御信号により、タービン出力Ｍ及び吸気温度Ｔ₄が目標値になるように、その開度即ちノズル７３，７４，７５の噴射量を制御されている。
【００６８】
図１５，１６には本発明の第５実施例が示されている。この実施例においては、上記冷却室３ならびに吸気ダクト９の壁面に安定的に氷を保持するため、図１５に示すような流路内の仕切板８１，８２を設ける。同仕切板８１，８２は気流の方向に氷が平行に並ぶように配列するとともに、同仕切板８１，８２に対向する吸気ダクト９の上面には氷を形成させないようにして自由通路ＵＬを確保しておき、吸気通路の完全閉塞を防止する。
【００６９】
吸気通路が狭くなって圧力損失が増加すると、吸気ダクト９の上部に設けた温水ノズル８３から温水を噴出せしめてこれを防止する。噴出後の水は冷却室３の下部に溜る。
【００７０】
図１８には、吸気ダクト壁面の冷却を制御する制御システムが示されている。図１８に示される制御方式においては、ガスタービン７の運転状態、吸気ダクト９内の冷却度の変化に対応して吸気ダクトを複数ブロック９１，９２，９３に区分し、各ブロックの室内が所要の温度になるように室内への冷却媒体の量及び液面を制御する。
【００７１】
即ち、ガスタービン７の出力信号Ｍ及び液面信号が入力されるコントローラ３１は、これらの入力信号に基づき各ブロック９１，９２，９３への冷却媒体の量を調整する流量制御弁９４，９５，９６に制御信号を送り、各ブロック室内の冷却度を目標温度になるように制御する。
【００７２】
これにより、吸気ダクト９内の温度をきめ細かく制御することができる。
【００７３】
図１９〜図２０には、吸気ダクト９内に複数列の液体空気の噴射ノズル１０１を設けて、吸気冷却を制御する制御システムが示されている。図１９，２０において、吸気ダクト９内には複数列のノズル１０１（ＮＡ₁〜ＮＡ_i）が設けられるとともに、これら各ノズルへの液体空気の量を調整する流量制御弁１０３が各ノズル列に対応して設けられ、同流量制御弁１０３の開度をガスタービン７の出力Ｍ及び吸気温度の検出信号が入力されるコントローラ３１により制御する。
【００７４】
即ち、吸気ダクト９内に配設した複数（１〜ｉ）のノズル列１０１（ＮＡ₁〜ＮＡ_i）により吸気温度がＴ₁→Ｔ₂→Ｔ_i+1に段階的下降するように冷却する。そして、最終の吸気温度Ｔ_i+1を温度検出器６１で検出し、この検出値が例えば、ガスタービン出力Ｍの目標値に対応する温度からずれる場合には、上記温度Ｔ₂〜Ｔ_iをコントローラ３１で判定し、各流量制御弁１０３に制御信号を発信し、開度を調整する。
【００７５】
図２０には上記制御特性が示されている。図２０において、制御▲１▼（図２０〔Ａ〕）：ΔＴ（各ノズル間温度差）を所定割合（例えば均等）になるように制御する。破線のようにＴ₁，Ｔ_i+1が変化したときも、その間を所定割合で制御する。
【００７６】
制御▲２▼（図２０〔Ｂ〕）：大気温度差に対してΔＴ₁のみ対応させ、また出力変化に対してはΔＴ_iを制御し、Ｔ₂〜Ｔ_iを一定温度とするように制御する（一定温度と制御変更の範囲は自由にとり決める。図示したのは、高温側・仕上り側ともに１分割素制御）。
【００７７】
図２１には吸気冷却の制御態様が示されている。
【００７８】
▲１▼ Ｍｏｄｅ１（出力一定運用）は、例えば、「冷却装置が発揮できる最大冷却を夏季に行うとして、その出力で常時一定運用する」場合がこれにあたる（図２１（Ａ），（Ｂ））。この場合制御後の吸気温度ｔは年間を通じて図２１（Ｃ）に示すように常にｔ₀に一定とする。
【００７９】
▲２▼ Ｍｏｄｅ２（任意出力運用）は例えば図２１（Ｂ）のように大気温度がｔ₁→ｔ₂→ｔ₃→ｔ₄に変化したときの発電出力がＰ₁→Ｐ₂→Ｐ₃→Ｐ₄となるが、要求値との差をピークカットしなければならないときにこれを適用できる。発電電力の差Ｌ₂→Ｌ₃→Ｌ₄を発揮するため、冷却は図２１（Ａ）のようにｃｔ₂→ｃｔ₃→ｃｔ₄とする制御を行う。この場合図２１（Ｃ）のように、無対策の吸気温度に対してｃｔ₂ｃｔ₃ｃｔ₄が分散する。
【００８０】
▲３▼ コントローラでの制御は、「吸気温度に対する発電出力（マップ）とｔ_iで判定する無冷却出力Ｐ_i」と目標値との差Ｌ_i（図２１（Ａ））を指標にｃｔ_iをとり決め、そのｃｔ_iとなるように温度制御弁ｃｖ_iを操作する。次にｃｔ_iとなっても所定の目標値に対し過不足があるときは、出力〜目標値の差〜０とする微調整を調整弁に重畳させる。
【００８１】
図２２〜図２７には液体空気の噴射システムが示されている。ガスタービン７への吸気Ｃの気流中に液体空気（あるいはその気化物）を噴射し、直接吸気と混合する際においては、吸気中の湿分が液体空気の噴射口に氷結するのを防止する機構を設けることが不可欠である。
【００８２】
図２２には、混合冷却機構（上流噴射）を示す。ノズル先端ＮＧやホルダＨＬに設けた孔Ｈから気化空気ＸＣを放出し、周囲に層Ｚ₁，Ｚ₂を安定して形成する。気化空気Ｃ中の湿分は層Ｚ₁・Ｚ₂との境界（混合部）で氷となるが後流に流され、ノズル先端ＮＧやノズルホルダＨＬに氷結することはない。
【００８３】
図２３は、混合冷却機構（下流噴射）を示す。吸気主流Ｃの下流に向かって気化空気ｍｇ，液体空気ｍｄを噴射するときは層ＳＺ，Ｚ２の形成がノズル後流となるため孔Ｈで作る層Ｚ₁で氷結防止を行う。
【００８４】
図２４〔Ｂ〕に圧力霧化方式を示す。圧力霧化ノズルＮＬに加圧した液体空気Ｘａｌを供給する場合は、吸気Ｃとの伝熱で噴霧領域に気化空気が形成される。ノズルＮＬと吸気Ｃとの直接接触を避けるために、図２２の如く、ノズルホルダＮＧの中にノズルＮＬを内蔵するのが好ましい。気化空気ｍｇ，噴霧ＳＺともに吸気Ｃの上流向きとするとＺ２領域を大きく確保できる。
【００８５】
図２５に二流体噴霧方式を示す。霧化用流体を別途使用するノズルは微粒を得やすく又粒径も設計しやすい。霧化用流体は空気が水蒸気を用いることが多いが、この場合はノズルＮＬ１自体が結氷するので、水分を含まない流体（気化窒素、気化空気、ＣＯ₂、除湿後空気他各種Ｄｒｙ流体）を用いる。ノズル外輪を０℃以上の気体とすればノズルＮＬ２周囲への氷結は防止できるが、図２２のような保護措置と併用することにより、氷結の不具合発生を根本的に解消できる。
【００８６】
他方、ノズルやノズルホルダを必要に応じて塗装、コーティング（例えばフッ素等の樹脂他）を施しておけば、仮に氷結しても剥落させてノズル特性を維持することも可能である。
【００８７】
図２６に噴流安定化手法を示す。層Ｚ２の安定付着のためにバッフル（リング、円錘リング他）やスワラ等の安定機構を適宜用いる。これらは燃料ノズルに使用実績があるが、図２６（Ｖ４）（Ｖ５）は特殊な二重バッフルであり、噴流の安定化に有効である。
【００８８】
主流Ｃと噴流ｍｇの大小関係が変動するときは、バッフル板ＢＦ１，ＢＦ２の間に常に滞留域の存在する二重バッフルが有効である。前記Ｚ₁・Ｚ₂層の活用は、図のように流速・静圧の影響を敏感に受けるため、図２７〔Ａ〕あるいは図２７〔Ｃ〕のように断熱材ＴＩを併用する。但し、コンパクトさを念頭に置くときは、図２７〔Ｃ〕のようにホルダ部のみを断熱材ＴＩを使用する。
【００８９】
本発明に係るガスタービン吸気冷却装置が適用された液体空気プラント、発電プラントの複合システムを図２８に示す。液化時の圧縮熱はＡＣ・ＩＣで高温水Ｗに熱回収し、蒸気Ｓ₂又は高温水Ｗにすることにより、ＨＲＳＧ〜ＳＴ系の蒸気増強を図ることができる。この場合ＳＴ出力が増加するので、トータルシステムで評価すると圧縮動力はＳＴ出力増分だけ軽減・節約できる。従って、液体空気プラントは夜間電力を使用する運用（電力シフト・夜→昼の電力貯蔵）だけでなく昼間運転での増出力運用が可能となる。
【００９０】
本発明に係るガスタービン吸気冷却装置が適用された電動ターボプラント・発電プラントの複合システムを図２９に示す。ターボ冷凍機の冷媒ｒ，冷却水Ｗ′をもって両プラントを複合する。吸気冷却は８′の冷媒蒸発方式とする。冷却塔動力節約のためあるいは冷却塔削除のためにＣＯＮＤ復水Ｗ′をＨＸｒへ供給し、温熱回収ののちＨＲＳＧへ循環させる。回収温熱に見合ってＨＲＳＧ発生蒸気が増加し、その結果ＳＴ出力を増やすことができる。ＴＲプラントの駆動をＳＴ（背圧Ｔ、復水Ｔ等）とすれば両者の複合をより徹底することができる。
（例えばＴＲのＣ−Ｍ／Ｇ（発電・電動機）−ＳＴあるいはＣＯＮＤの共用等）
本発明に係るガスタービン吸気冷却装置を備えたハイブリッドプラントを図３０に示す。これは吸気冷却装置を（８＋８′）のハイブリッドつまり、（ＬＡ＋ＴＲ＋発電プラント）の複合を行うものである。ハイブリッド方式では、主冷却と副冷却（仕上り温度微調整）の組合せを次のようにして用いる。
【００９１】
【表１】

【００９２】
表１において、「液体空気の温度制御応答の良さ」と「冷熱生成動力が少なくて済むターボ冷凍機」を複合し、性能・経済性の両面を改善している。
【００９３】
本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置が適用された他のハイブリッドプラントを図３１に示す。基本構成（ＬＡ＋ＴＲ＋発電プラント）は図３０と同一であるが、ＴＲプラントの冷媒冷却にＨＸｒ２と液体空気を用いる点（ＬＡとＴＲを複合する点）を加味し改善している。この場合は冷媒の凝縮性能が良好となる。
【００９４】
本発明に係るガスタービン空気冷却装置が適用された冷熱源統合システムを図３２に示す。冷却装置８の冷却流体を第３の不凍液体（ブライン等）に一本化し、冷熱源の多様化を図り、冷却装置８の構造は共通にすることにより、吸冷側システムの操作性をシンプル化、改善する。冷却装置８へはＢＴ₁から所定温度のｂｒ₁を流し、冷却装置８で昇温したｂｒ₂はＢＴ₂へ回収する。
【００９５】
ＢＴ₂から払出すｂｒ₃は、液体空気・ＬＮＧ・ターボ冷媒で主冷却を行い、微小な温度調節はｂｒ₁から分岐するラインでｂｒ₅をＢＴ₁へ返すことにより行う。分岐弁Ｖ₁はポンプ吐出圧調整とＢＴ₁内温度調整の両方を行わせる。冷熱源〜不凍液体の熱交換はバイパス制御温度調整により行う。冷熱源の各流体は流量の硬直性の高いものから順次使用する。
【００９６】
ベース冷熱；ＬＮＧ気化−ガスタービンへの投入量から規定される。
【００９７】
↓
調整冷熱；液体空気，冷媒（フロン・アンモニア他）等
本発明に係るガスタービン吸気冷却装置が適用されるＣＡＥＳプラント複合システムを図３３に示す。液体空気を所定圧力に昇圧し、ＧＴ吸気冷却その他熱源にて所定温度を得て、膨張タービンＴで発電を行う。タービン出口空気ｅａを次のガスタービンの圧縮機入口温度（所定の低温）として、ガスタービンプラントの出力上昇を図る。
【００９８】
このガスタービンは吸気室１及び冷却装置８により大気を吸込むことができ、その際は冷却装置８にて冷却する。吸入空気ａと出口空気ｅａの割合はダンパＤＭ１，ＤＭ２で調整し、片側１００％での運用も可能である。液体空気の払出しはポンプＰ₁，Ｐ₂の２段昇圧とし、ポンプＰ₁の圧力では最下位ＧＴの吸冷、ポンプＰ₂の吐出圧では最上位ＧＴの吸冷とＣＡＥＳ送気に対応させる。液体空気生成（ＬＡ）プラントの冷却器ＩＣ，ＡＣで回収する冷却熱は熱交換器ＨＸ２で空気ａｐの加熱や排熱回収ボイラＨＲＳＧ蒸気増加に用いる。Ｃ／Ｃプラントのコンデンサ（ＣＯＮＤ）循環水も空気ａｐの予熱に活用し、温排水の軽減を図る。
【００９９】
ＧＴプラント・ＣＣプラントでのＧＴ−ＣＯＭＰ．吸気への冷熱供給法を図３４〜図３５に示す。複数台のＧＴをもつ大型プラントへの冷熱供給は、図３４に示すような、共通の方式を併列に用いるものと、図３５に示すような液体空気の深冷冷熱を順次シリーズに活用するものの２通りとする。図３４〜図３５下流に位置するＧＴはノズルＮＡによる直接噴射のみとしてよい。上流のＧＴは熱交換による吸冷を主体とするが温度微調整の少量ｘｃは噴射しても良い。
【０１００】
クローズドサイクルプラントと本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置との複合システムを図３６〜図３８に示す。閉サイクルは、ガスタービン吸気を大気（空気）から別の気体に変更してタービン排気を処理して再び圧縮機に投入するものである。このサイクルでは吸気を冷却することで圧縮機動力の削減が上記と同様に行え、プラント性能（出力・効率）を高めることができる。
【０１０１】
以下に循環気体としてＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ，Ｎ₂を用いた場合を例示する。（燃料の種類で気体が規定される．）かかる機能等を図３９にまとめて対比する。
▲１▼ ＣＯ₂循環（図３６）、Ｈ₂Ｏ循環（図３７）では液体空気（以下ＬＡという）以外にＴＲプラントを併用してＬＡの容量を低減することができる。
▲２▼ Ｎ₂循環（図３８）ではＬＡとの複合とする。抽気ｎｓ１，ｎｓ２をＬＡに再循環することにより、トータルシステムとしてマスバランスを成立させることができるが、ｎｓ１，ｎｓ２を放出しても良い。
【０１０２】
図４０に、Ｈ₂Ｏ循環を例にとった本発明と従来技術との性能向上の比較を示す。その他のシステムも同様の性能改善が得られる。性能向上のポイントは次のとおりである。
▲１▼ タービン出口背圧を低くして膨張比を高める。
▲２▼ そのためにコンデンシングクーラを用いて復水真空を得る。
▲３▼ コンデンシングクーラでＣ入口温度を下げて圧縮機動力を節約する。（但し、入口圧力そのものは低下しており圧縮動力は増加している）
▲４▼ 上記▲２▼▲３▼によってタービン排気の保有熱は
蒸気発生（有効利用）
吸気冷却（別途冷却媒体の使用）／ロス
に変換される。
▲５▼ ▲４▼の状況にはあるが、ｉ−ｓ線図で示すとおり面積１・２・３・４・５・１より大きな面積▲１▼・２・３・▲４▼▲６▼▲７▼▲１▼を確保して出力・効率の向上を図る。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービンへの吸気を冷却する手段を備えたガスタービンプラントにおいて、吸気通路に、水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、同冷却室内に傾斜した側壁用のフィンを設け、上記冷却室内において、吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成したので、吸気の冷却と冷媒との衝突伝熱を利用するため伝熱管は不要であり、構造が簡単かつ低コストの装置でガスタービンの吸気冷却を行うことができるとともに、従来の伝熱管式のように熱交換エレメントの着氷による伝熱特性の悪化や吸気の圧力損失の増加等の不具合の発生が防止され、高効率の吸気冷却が実現できる。そして、傾斜したフィンを設けることにより冷却室中の氷混合水の量が減少してフィンが気流中に露出しても気流の抵抗を小さく保持できる。
【０１０４】
また、上記のような衝突冷却であるので、吸気が０℃近傍の低温まで冷却可能となり、吸気中の水分の氷結による除湿を冷却と同時に行うことができる。
【０１０５】
さらに気流中に発生する微小氷粒をガスタービンの圧縮機に流すことにより、翼等の圧縮機内の部材のクリーニングを行うことが可能となる。
【０１０６】
また請求項２の発明によれば、吸気通路内を万遍なく冷却することができ、上記低温冷却の効果がさらに向上する。
【０１０７】
また請求項３の発明によれば、液体空気による吸気冷却であるので、吸気の低温化が確実になされ、吸気の重量流量の増加によるガスタービンの出力上昇が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るガスタービン吸気冷却装置の構成図。
【図２】上記第１実施例におけるスリーブの構造図。
【図３】上記第１実施例における冷却室の構造図。
【図４】上記第１実施例における冷却室の構造図。
【図５】上記第１実施例における冷却プロセスの系統図。
【図６】上記第１実施例における冷却装置の製造図。
【図７】上記第１実施例における冷却装置の製造図。
【図８】上記第１実施例における冷却装置の製造図。
【図９】上記第１実施例における冷却装置の製造図。
【図１０】本発明の第２実施例を示す図１応当図。
【図１１】本発明の第３実施例を示す図１応当図。
【図１２】上記第３実施例における冷却システム線図。
【図１３】本発明の第４実施例を示す図１応当図。
【図１４】上記第４実施例におけるノズル部拡大図。
【図１５】本発明の第５実施例を示す図１応当図。
【図１６】上記第５実施例における冷却室の構造図。
【図１７】上記第５実施例における冷却室の構造図。
【図１８】吸気ダクト壁面冷却制御の説明図。
【図１９】液体空気による冷却制御の説明図。
【図２０】液体空気による冷却制御の説明図。
【図２１】吸気冷却の制御態様の説明図。
【図２２】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２３】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２４】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２５】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２６】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２７】液体空気の噴射システムの説明図。
【図２８】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図２９】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３０】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３１】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３２】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３３】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３４】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３５】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３６】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３７】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３８】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実機システムへの適用例を示す構成図。
【図３９】本発明のガスタービン冷却装置が適用されるクローズドサイクル吸気冷却システムの機能比較図。
【図４０】Ｈ₂Ｏ循環式クローズドサイクル吸気冷却システムの従来例との比較図。
【図４１】従来のガスタービン吸気冷却装置を示す系統図。
【図４２】従来のガスタービン吸気冷却装置を示す系統図。
【符号の説明】
１吸気室
２吸気ダクト
３冷却室
４冷熱装置
５氷混合水
６スリーブ
７ガスタービン
８冷却装置
９吸気ダクト
３１コントローラ
３２吸気圧力検出器
３２１スリーブ駆動装置
３００貯水槽
６６空気液化装置
６７液体空気タンク
７３，７４，７５ノズル
８３温水ノズル

Claims

吸気室とガスタービンとを接続する吸気通路に吸気を冷却する手段を備えたガスタービンプラントにおいて、
上記吸気通路に水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、
同冷却室内に傾斜した側壁用のフィンを設け、
上記冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成されたことを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
吸気室とガスタービンとを接続する吸気通路に吸気を冷却する手段を備えたガスタービンプラントにおいて、
上記吸気通路に水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、
同冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成するとともに、
上記冷却室とガスタービン入口との間の吸気通路の壁部に同吸気通路内の吸気を冷却する上記冷却室に収容される冷媒とは別の冷媒が循環する冷却手段を設けたことを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
吸気室とガスタービンとを接続する吸気通路に吸気を冷却する手段を備えたガスタービンプラントにおいて、
上記吸気通路に水、氷混合水等の冷媒が収容される冷却室を設け、
同冷却室内において吸気と冷媒とを直接接触せしめて吸気を冷却するように構成するとともに、
上記冷却室の外部に、同冷却室内の水を降温せしめて氷を生成する液体空気が収容される液体空気室を設けたことを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。