JP3976085B2 - ガスタービンの吸気冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置、動力装置、コジェネレーションシステム、運搬装置、多段過給機を備えたエンジンなどに用いるガスタービンの吸気冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンでは、夏場などのように外気温度が高くなると、吸気温度が高くなって空気密度が低下するために吸気質量が減少し、それに見合う燃料の量が減少してタービン出力が低下する問題がある。
このような問題を解決するものとして、従来、例えば、特開平９−２３６０２４号公報に開示されているものがあった。
【０００３】
上記従来例によれば、圧縮機に空気を供給する吸気路に液滴噴霧装置を設け、圧縮機に供給される空気に液滴を噴霧し、吸気温度を低下してタービン出力を向上できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、噴霧された液滴が圧縮機に導入されるまでの間と圧縮機内を流れる間とで気化されることが必要である。例えば、従来例において、35℃で相対湿度が50％の空気を流速3m/sで導入し、その空気に液滴を噴霧し、飽和状態になるまで気化させようとした場合、約7m必要であり、このように、従来例では、気化のために長い距離が必要で装置が大型化する欠点があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、適量の水滴を空気に供給できるようにして、合理的な構成により、装置を大型化せずに吸気温度を低下してタービン出力を向上できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のガスタービンの吸気冷却装置は、上述のような目的を達成するために、
吸気路からの空気を吸引圧縮して吐出する圧縮機と、
前記圧縮機に接続されて吐出空気に燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器に接続されて燃焼ガスによって駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、
前記吸気路に介装されて前記圧縮機に吸引される空気中に水分を気化供給する加湿器と、
前記加湿器と前記圧縮機との間で前記吸気路に介装されて前記加湿器を経た空気中にザウター平均粒径が15μｍ以下の水滴を噴霧供給するノズルと、
前記ノズルに接続された給水管に設けられて前記ノズルに供給する高圧水の流量を調整する流量調整弁と、
加湿器を経て前記ノズルに供給される前の空気の相対湿度を検出する相対湿度計と、
前記加湿器を経て前記ノズルに供給される前の空気の温度を検出する温度計と、
前記相対湿度計で検出された相対湿度と前記温度計で検出された温度とタービンの要求負荷とに基づいて、燃焼器に供給される空気が飽和状態あるいはやや過飽和の状態の湿度に達するのに必要な水量を算出する水量算出手段と、
前記水量算出手段で算出された水量に対応する前記流量調整弁の開度を算出する弁開度算出手段と、
前記弁開度算出手段で算出された開度になるように前記流量調整弁を開閉する制御手段と、
を備えて構成する。
【０００７】
また、請求項２に係る発明のガスタービンの吸気冷却装置は、上述のような目的を達成するために、
請求項１に記載のガスタービンの吸気冷却装置において、
水量算出手段で算出する水滴供給量ＦＬを次式に基づいて算出するように構成する。
ＦＬ＝ 0.622 × (0.046 ×ｔ 2 − 0.895 ×ｔ＋ 17.211 ）×（１−ψ／ 100 ）／［ 760 − (0.046 ×ｔ 2 − 0.895 ×ｔ＋ 17.211 ）×（１−ψ／ 100 ）］×ｆ（Ｗ）× 1.293 ／ 3600
ここで、ｆ（Ｗ）は要求負荷によって求まる燃焼器への吸い込み空気量、ψは相対湿度計で検出された相対湿度、ｔは温度計で検出された温度である。
【０００８】
【作用】
請求項１に係る発明のガスタービンの吸気冷却装置の構成によれば、加湿器により、圧縮機に吸引される空気中に自然蒸発によって水分を気化供給して相対湿度を高くし、その水分の蒸発に伴う気化熱により空気を冷却し、空気の温度を低下させる。次いで、ノズルからザウター平均粒径が15μｍ以下の水滴を噴霧供給し、その水滴の気化に伴って空気の温度を更に低下させ、燃焼器に供給する空気の温度を低下して吸気質量を増加し、それに伴って燃焼器に供給する燃料の量を増加してタービン出力を向上できる。
しかも、水量算出手段により、加湿器を経てノズルに供給される前の空気の相対湿度と温度とタービンの要求負荷とに基づき、燃焼器に供給される空気が、飽和状態あるいはやや過飽和の状態の湿度に達するのに必要な、ノズルから供給すべき水量を算出する。
上記算出の結果に基づき、その水量が得られるように流量調整弁の開度を調整し、必要以上に多量の水滴を供給することがないようにノズルから水滴を供給し、燃焼器に供給する空気の温度を低下して吸気質量を増加し、それに伴い、燃焼器に供給する燃料の量を増加してタービン出力を向上できる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明のガスタービンの吸気冷却装置の構成によれば、水量算出手段で算出する水滴供給量ＦＬを、要求負荷によって求まる燃焼器への吸い込み空気量ｆ（Ｗ）、相対湿度計で検出された相対湿度ψ、温度計で検出された温度ｔそれぞれを所定の式に代入することによって算出する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実施例を用いたガスタービン発電装置を示す一部破断全体側面図、図２は全体平面図、図３は全体概略構成図であり、発電部Ａの上部側に吸気冷却装置Ｂを設けるとともに、それらの側方に排熱回収部Ｃを設けてガスタービン発電装置が構成されている。
【００１１】
吸気路Ｒからの空気を吸引圧縮して吐出する圧縮機１とタービン２とが出力軸３に一体的に取り付けられるとともに、圧縮機１からの吐出空気に燃料を混合して燃焼する燃焼器４を介装した燃料供給路５を介して、圧縮機１とタービン２とが接続され、更に出力軸３に発電機６が連動連結されて発電部Ａが構成されている。
【００１２】
また、タービン２からの燃焼排ガスを消音処理する消音器７と燃焼排ガスの熱を回収する排熱ボイラー８と熱交換器９とが設けられ、排熱回収部Ｃが構成されている。
【００１３】
吸気冷却装置Ｂは、吸気口１０に吸気グリル１１を設けるとともに、一次フィルター１２と加湿器１３と二次フィルター１４とをその順に設け、更に、二次フィルター１４から圧縮機１に至る吸気路Ｒの下向き部分の途中箇所に、ザウター平均粒径が５μｍ以上で15μｍ以下の水滴を噴霧供給するノズル１５を設けて構成されている。
【００１４】
加湿器１３は、図示しないが、ガラス繊維製のフェルトで多数の通気路が形成されるようにハニカム状に形成され、かつ、加湿器１３に給水管１６が接続され、フェルトが膨潤状態となって表面から水分が自然蒸発し、吸気路Ｒにおいて圧縮機１に吸引される空気中に水分を気化供給するように構成されている。この加湿器１３への給水量は、例えば、0.03kg/sなど一定に固定される。
【００１５】
ノズル１５にも給水管１６が接続されるとともに、その加湿器１３への分岐箇所との間に流量調整弁１７が接続され、ノズル１５から噴霧供給する水滴の供給量を発電機６の要求出力などに応じて調整できるように構成されており、次に説明する。
【００１６】
二次フィルター１４とノズル１５との間に、ノズル１５に供給される前の空気の相対湿度を検出する相対湿度計１８と、温度を検出する温度計１９とが付設されている。
【００１７】
相対湿度計１８および温度計１９がコントローラ２０に接続されるとともにコントローラ２０と流量調整弁１７とが接続され、かつ、コントローラ２０に発電機６の要求出力が入力されるように構成されている。
【００１８】
コントローラ２０には、図４のブロック図に示すように、水量算出手段２１、弁開度算出手段２２ならびに制御手段２３が備えられている。
【００１９】
水量算出手段２１では、相対湿度計１８で検出された相対湿度と温度計１９で検出された温度とタービン２の要求出力とに基づいて、燃焼器４に供給される空気が飽和状態あるいはやや過飽和の状態の湿度に達するのに必要な水量を算出するようになっている。
【００２０】
弁開度算出手段２２では、水量算出手段２１で算出された水量に対応する流量調整弁１７の開度を算出するようになっている。
そして、制御手段２３では、弁開度算出手段２２で算出された開度になるように流量調整弁１７を開閉操作するようになっている。
【００２１】
以上の構成により、過飽和によるドレンの発生やそれに伴う腐食の発生を防止できながら、全体として短い長さで燃焼器４に供給される空気の温度を低下させ、吸気質量を増加してタービン２の出力を向上できる。
【００２２】
次に、水量算出手段２１による水量の算出について説明する。
燃焼器４への吸い込み空気量Ｆａ＝ｆ（Ｗ）（Ｎｍ³ ／ｈ）は、タービン２の要求出力によって求まる。
空気比重γ（ｋｇ／Ｎｍ³ ）＝ 1.293であるから、吸い込み乾き空気質量Ｆｇ（ｋｇ' ／ｓ）は、
Ｆｇ＝ｆ（Ｗ）× 1.293／3600 ……（１）
となる。
【００２３】
相対湿度計１８で検出された相対湿度をψ（ＲＨ％）、温度計１９で検出された温度をｔ（℃）とすると、飽和水蒸気圧Ｐｓ（ｔ）をｔの２次式で近似させた場合、
Ｐｓ（ｔ）＝0.046 ×ｔ² −0.895 ×ｔ＋17.211 ……（２）
であり、
また、飽和までに必要な蒸気分圧Ｐ' （ｔ、ψ）は、
Ｐ'(ｔ、ψ）＝Ｐｓ（ｔ）×（１−ψ／100 ） ……（３）
であり、
更に、飽和までに必要な絶対湿度差Ｘ' （ｔ、ψ）は、
Ｘ'(ｔ、ψ）＝0.622 ×Ｐ'(ｔ、ψ）／［ 760−Ｐ'(ｔ、ψ）］……（４）
である。
飽和湿度に達するまでに必要なノズル１５からの水滴供給量ＦＬ（ｋｇ／ｓ）は、
ＦＬ＝Ｘ'(ｔ、ψ）×Ｆｇ ……（５）
である。
【００２４】
（５）式に、（１）、（２）、（３）および（４）式をそれぞれ代入すると、
ＦＬ＝0.622 ×(0.046×ｔ² −0.895 ×ｔ＋17.211）×（１−ψ／100 ）／［ 760−(0.046×ｔ² −0.895 ×ｔ＋17.211）×（１−ψ／100 ）］×ｆ（Ｗ）× 1.293／3600 ……（６）
となる。
このようにして、飽和湿度に達するまでに必要なノズル１５からの水滴供給量ＦＬ（ｋｇ／ｓ）を、要求出力によって求まる燃焼器４への吸い込み空気量ｆ（Ｗ）（Ｎｍ³ ／ｈ）と、相対湿度計１８で検出された相対湿度ψ（ＲＨ％）と、温度計１９で検出された温度ｔ（℃）とを（６）式に代入することによって求めることができる。
【００２５】
結露を生じない程度にやや過飽和に水滴を供給しようとする場合には、水滴供給量ＦＬ' を、
ＦＬ' ＝ＦＬ×（１＋Ｙ） 但し、Ｙは実験により求めた値（Ｙ＞０）
と補正すれば良い。
【００２６】
また、加湿器１３に必要な供給水量につき、2000kWガスタービンを例にして説明すれば、下記の通りである。
2000kWガスタービンの27.5℃の吸い込み空気量Ｆａは、25,000（Ｎｍ³ ／ｈ）、空気比重γ（ｋｇ／Ｎｍ³ ）は 1.293であるから、吸い込み乾き空気質量Ｆｇ（ｋｇ' ／ｓ）は、
Ｆｇ＝25,000× 1.293／3600≒9.0
となる。
加湿器１３によって相対湿度を50％から90％まで加湿する場合を考えれば、加湿後の湿り空気の絶対湿度Ｘ90＝0.0217（ｋｇ／ｋｇ' ）と加湿前の湿り空気の絶対湿度Ｘ50＝0.0188（ｋｇ／ｋｇ' ）との差から、加湿に必要な水量ＦＬ（ｋｇ／ｓ）は下記のようにして求められる。
ＦＬ＝（0.0217−0.0188）×9.0 ＝0.026 ≒0.03（ｋｇ／ｓ）
となる。
【００２７】
したがって、夏場などにおいて、１日のうちの最高の外気温度と最低の相対湿度を想定することにより、加湿器１３に必要な供給水量は、予め計算して求めた固定値にしておけば良い。
なお、一次フィルター１２に供給される外気温度と相対湿度とを検出し、その検出結果に基づいて、加湿後の湿り空気の絶対湿度が90％になるように加湿器１３に供給する水量を自動的に調節することも可能である。
【００２８】
上記構成により、一次フィルター１２→加湿器１３→二次フィルター１４→ノズル１５と流動させるに伴い、図５のグラフに示すように、吸気質量を増大していくことができる。
このグラフにおいて、Ａは一次フィルター１２を通る箇所を、Ｃは二次フィルター１４からノズル１５に至る箇所を、そして、Ｄはノズル１５を経た箇所をそれぞれ示している（図３参照）。
上記Ａ、ＣおよびＤそれぞれでの空気の状態値（温度，相対湿度）をＴ１、Ｔ２、Ｔ３として、2000kWガスタービンの場合の一例を示せば、Ｔ１（35℃，50％）、Ｔ２（27.4℃，90％）、Ｔ３（26℃以下， 100％以上）となる。
【００２９】
次に、上記実施例の装置を用いて行った実験例について説明する。
温度35℃、相対湿度50％の空気を30cm角のダクトにより流速2m／sec で加湿器１３に流し、温度28℃、相対湿度90％まで加湿冷却した。
更に、50cm角のダクトを用い、流速2m／sec で流すとともに、そこにノズル１５からザウター平均粒径が 6μｍの水滴を噴霧供給し、温度25〜26℃のやや過飽和な空気を作成し、過給機に約1600ｍ³/h 流した。その結果、過給機の出口温度が低下するデータが得られ、タービン出力を向上できることが明らかであった。
【００３０】
上記実施例では、発電機６を駆動するように構成しているが、発電機６に代えて動力装置や運搬装置などにおけるポンプやモータを駆動するなど、各種の構成を採用できる。動力装置や運搬装置などでは、水量の算出のために水量算出手段２１に入力されるのは要求負荷になり、特許請求の範囲では、上述実施例の発電機６からの要求出力をも含めて要求負荷と総称する。
【００３１】
ノズル１５から噴霧供給する水滴の粒径としては、気化の面からザウター平均粒径が15μｍ以下であれば良いが、好ましくは５〜10μｍである。５μｍ未満では、圧縮機１の羽に水滴とともにゴミが付着しやすくなってメンテナンスに手間がかかり、一方、10μｍを越えると気化しにくくなるからである。
【００３２】
本発明としては、圧縮機１を多段に設けても良く、その場合、各圧縮機１で吸い込み空気温度を低下でき、タービン２の出力を一層向上できる利点がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明のガスタービンの吸気冷却装置によれば、加湿器の特性とノズルからの水滴供給構成の特性それぞれに着目し、加湿器とノズルを設けるという合理的な構成により、装置を大型化せずに吸気温度を低下してタービン出力を向上できるようになった。
すなわち、図６のグラフに示すように、例えば、相対湿度が60％の空気をノズルからの水滴供給構成だけで飽和湿度(100％) まで上昇させようとすると、８ｍ以上の気化距離を必要とする。また、加湿器の場合、自然蒸発によるため、相対湿度90％程度までは、約15cm程度と極めて短い通気距離で急激に上昇できるものの、90％を越えさせようと通気距離を長くすると圧力損失が増大し、通気量自体が減少して実用性が低い。
本発明者らは、通気距離が短くても相対湿度90％程度までは急激に上昇できるという加湿器の特性に着目し、加湿器により相対湿度90％程度まで上昇させて空気を冷却し、相対湿度90％以上の部分の上昇をノズルからの水滴供給構成に担わせ、気化距離が短くて済むようにし、相対湿度を上昇させるのに必要な全体としての長さを大幅に減少できるようにしたのである。
しかも、飽和状態あるいはやや過飽和の状態の湿度を越えることなく、タービンの要求負荷に応じた適量の水滴を自動的に空気に供給するから、過飽和に起因する結露により多量のドレンを発生させたり、そのドレンに伴って腐食を生じるといったことを良好に防止してタービン出力を一層良好に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンの吸気冷却装置の実施例を用いたガスタービン発電装置を示す一部破断全体側面図である。
【図２】全体平面図である。
【図３】全体概略構成図である。
【図４】ブロック図である。
【図５】吸気質量と空気温度および相対湿度の関係を示すグラフである。
【図６】相対湿度と距離の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…タービン
４…燃焼器
１３…加湿器
１５…ノズル
１６…給水管
１７…流量調整弁
１８…相対湿度計
１９…温度計
２１…水量算出手段
２２…弁開算出手段
２３…制御手段
Ｒ…吸気路

Claims (2)

1. 吸気路からの空気を吸引圧縮して吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機に接続されて吐出空気に燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器に接続されて燃焼ガスによって駆動するタービンとを備えたガスタービンにおいて、
   前記吸気路に介装されて前記圧縮機に吸引される空気中に水分を気化供給する加湿器と、
   前記加湿器と前記圧縮機との間で前記吸気路に介装されて前記加湿器を経た空気中にザウター平均粒径が15μｍ以下の水滴を噴霧供給するノズルと、
   前記ノズルに接続された給水管に設けられて前記ノズルに供給する高圧水の流量を調整する流量調整弁と、
   加湿器を経て前記ノズルに供給される前の空気の相対湿度を検出する相対湿度計と、
   前記加湿器を経て前記ノズルに供給される前の空気の温度を検出する温度計と、
   前記相対湿度計で検出された相対湿度と前記温度計で検出された温度とタービンの要求負荷とに基づいて、燃焼器に供給される空気が飽和状態あるいはやや過飽和の状態の湿度に達するのに必要な水量を算出する水量算出手段と、
   前記水量算出手段で算出された水量に対応する前記流量調整弁の開度を算出する弁開度算出手段と、
   前記弁開度算出手段で算出された開度になるように前記流量調整弁を開閉する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
2. 請求項１に記載のガスタービンの吸気冷却装置において、
   水量算出手段で算出する水滴供給量ＦＬを次式に基づいて算出するものであるガスタービンの吸気冷却装置。
   ＦＬ＝0.622 ×(0.046×ｔ2 −0.895 ×ｔ＋17.211）×（１−ψ／100 ）／［ 760−(0.046×ｔ2 −0.895 ×ｔ＋17.211）×（１−ψ／100 ）］×ｆ（Ｗ）× 1.293／3600
   ここで、ｆ（Ｗ）は要求負荷によって求まる燃焼器への吸い込み空気量、ψは相対湿度計で検出された相対湿度、ｔは温度計で検出された温度である。

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