JP4167989B2 - ガスタービン設備及びガスタービン用加湿設備 - Google Patents

Description

本発明は、高湿分空気を燃焼用空気として利用するガスタービン設備及びガスタービン用加湿設備に関する。

圧縮機を出た高温空気に水を供給し、高温空気と水を直接接触させることにより水を蒸発させ、水の蒸発潜熱により圧縮機出口空気温度を低下させて、ガスタービンの高温排ガスを用いた再生器による熱回収量を増加させるとともに、蒸発した蒸気流量により空気流量を増加させるようにした高湿分空気利用のガスタービンが特許文献１〜３に開示されている。

国際公開番号ＷＯ００／２５００９ 特開２００１−２５４６３２号公報 特開２００３−３５１６４号公報

高湿分空気を燃焼用空気として利用するガスタービンでは、高温空気と水とを直接接触させることで蒸気を発生させ、高湿分空気を作る加湿設備を必要とする。圧縮機出口空気を加湿する加湿設備には、圧縮機出口空気に、高圧圧縮水を噴霧し、蒸発した水蒸気を混合させる方法，加湿塔により圧縮機出口空気と水を接触させる方法，圧縮機出口空気に直接圧縮水を噴霧する方法等がある。ガスタービン排ガスからの熱回収量を増加させるには、加湿量をできるだけ増加させ混合気（空気＋蒸気）の流量を増加させることが望ましく、混合気（空気＋蒸気）の流量の増加に伴いガスタービン出力が増加する。

一方、加湿量を増加させると、混合気（空気＋蒸気）が飽和条件に近づき、高湿分空気中の未蒸発の水滴が増加し、これが高湿分空気中に飛沫同伴して再生器に流入し、再生器内部で蒸発することになり、再生器内部の伝熱面に水滴中のスケールが析出し、熱伝達率の低下，圧力損失の増加を生じることなる。

特許文献１や特許文献２に記載の従来技術では、加湿設備で未蒸発の水滴が発生し、これが再生器に流入し、再生器伝熱面で蒸発し、スケール（水に溶融している不純析出物）が伝熱面に固着する不具合に対する配慮がなされていない。このため、運転時間の経過に伴い、再生器高湿分空気流路においてスケール堆積による熱伝達率の低下および圧力損失の増加を生じる可能性がある。

特許文献３では、前記再生熱交換器を、伝熱面構造が異なる複数の熱交換器を直列に接続して構成することにより、水滴によるエロージョンやスケール生成を抑制することが記載されている。しかしながら、特許文献３では、再生熱交換器自体を特殊なものとする必要があり、また、前段の再生熱交換器におけるスケール生成については防ぐことはできないと思われる。

本発明の目的は、再生器自体を特別な構造としないでも、また、加湿設備への給水量を変化させなくても、加湿設備出口における未蒸発水滴の発生を抑制し、再生器内でスケールが発生することを抑制することが可能なガスタービン設備及びガスタービン用加湿設備を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、加湿設備から出た高湿分空気中に未蒸発水滴の発生を防止するように、加湿設備に供給する水の温度調節をするようにしたものである。特に、本発明は、加湿設備入口の空気圧力および温度から加湿設備出口の高湿分空気の飽和条件を予測し、加湿設備に供給する供給水温度を調整することを特徴とする。

本発明によれば、再生器自体を特別な構造としないでも、加湿設備出口の混合気（空気＋蒸気）に含まれる未蒸発水滴を抑制若しくはなくすことができるため再生器における水蒸発に伴うスケール発生を抑制することが可能となる。

特に、好適な例で説明すれば、次のような作用でスケール発生を抑制することができる。即ち、加湿設備内で、高温空気に供給水を噴射すると高温空気の顕熱により供給水が蒸発すると同時に、その蒸発潜熱により空気と蒸気の混合気温度は低下する。空気に対して噴射水量を増加させると蒸発量が増加し、蒸発量に比例し混合気温度は低下するが、蒸発した蒸気の分圧が混合気温度の飽和蒸気圧に達すると蒸発は停止し、余剰となった供給水は水滴のままとなる。このとき、供給水の温度を増加させると供給水の顕熱が増加した分、混合気の温度低下が減少し、蒸発量を増加させることができる。これにより加湿設備出口の未蒸発水滴をなくし、再生器内でスケールが発生することを抑制できる効果がある。

以下本発明による第１の実施例を図１に示すガスタービンシステム系統図に基づいて説明する。

ガスタービン装置は、圧縮機１，燃焼器２，ガスタービン３，再生器４から構成される。圧縮機１入口には圧縮機入口配管２０が接続され、圧縮機１出口には圧縮機出口配管
２１が設置され加湿装置５に接続される。ガスタービン３出口には再生器入口燃焼ガス配管２６が再生器４まで接続される。再生器４には、加湿装置５より再生器入口空気配管
２２が接続され、再生器伝熱管１３を通り燃焼器入口空気配管２３に接続される。燃焼器入口空気配管２３は燃焼器２に接続される。燃焼器２には燃料配管２４が接続され燃焼器２とガスタービン３は燃焼器ガスタービン接続部２５にて接続される。再生器４と給水加熱器６は再生器出口燃焼ガス配管２７で接続され、給水加熱器６には排気ガス排出配管
２８が接続される。

給水ポンプ８入口には給水ポンプ入口配管２９が接続され、給水ポンプ８出口と加湿装置噴射水供給管３２間は給水配管３１で接続される。給水配管３１から給水加熱器分岐配管３０を分岐し給水加熱器６を経由して加湿装置５入口の加湿装置噴射水供給管３２に接続され、給水加熱器分岐配管３０には温水制御弁７が設置されている。

圧縮機出口配管２１には、加湿装置入口圧力計９および加湿装置入口温度計１０が、給水配管３１と給水加熱器分岐配管３０とが合流した加湿装置噴射水供給管３２には噴射水温度計１２が、加湿装置５出口部には加湿装置出口温度計１１が設置されている。

圧縮機入口配管２０を通り圧縮機１に入った空気は、圧縮機１にて圧縮され、高圧，高温となり圧縮機出口配管２１を通り加湿装置５に供給される。加湿装置５では、給水ポンプ入口配管２９を通り給水ポンプ８に供給された給水が給水ポンプ８にて高圧化され給水配管３１，加湿装置噴射水供給管３２を通って供給され、加湿装置５内部に噴霧される。噴霧はノズルにより行われるが、一般的に、流量の調節はノズル数により行われるため、連続的な調節は困難な場合が多い。このため、供給水温度を調節することが重要となる。

加湿装置５内部では、高温空気と水とを直接接触させることにより水を蒸発させ、水の蒸発潜熱により空気温度を低下させると同時に蒸発した蒸気流量分空気流量が増加することになる。加湿装置５で、低温となり、流量が増加した高湿分空気は再生器入口空気配管２２を通り再生器４の再生器伝熱管１３に供給される。ガスタービン３を出て再生器入口燃焼ガス配管２６を通り再生器４に供給された高温燃焼排ガスにより再生器伝熱管１３内を流れる高湿分空気が加熱される。再生器４にてガスタービン３出口の燃焼排ガスより熱を回収した高湿分空気は燃焼器２に供給され燃料配管２４から供給された燃料を燃焼させる。燃焼器２で発生した高温燃焼排ガスは燃焼器ガスタービン接続部２５を通りガスタービン３に供給され、ガスタービン３は動力を発生し、圧縮機１および発電機１４を駆動し、発電機１４にて発電を行う。

再生器４を出た燃焼排ガスは再生器出口燃焼ガス配管２７を通り給水加熱器６に供給され、給水加熱器６出口の排気ガス排出配管２８を通って外部に排出される。給水加熱器６では、給水ポンプ８出口の給水配管３１から分岐され給水加熱器分岐配管３０を通る給水を燃焼排ガスにより加熱する。加熱された給水は温水制御弁７にて流量を調整され加湿装置５入口部にて加湿装置噴射水供給管３２と合流し加湿装置５に供給される。

加湿装置５に供給された空気と蒸気の関係例を図２に示す。図２の例は加湿装置５に圧力０.８１０６ＭＰａ(abs) ，温度２９２.９℃の空気を供給し、供給水を増加させ、供給水が全量蒸発した場合の混合気（空気＋蒸気）の温度変化を示している。混合気（空気＋蒸気）に許容される蒸気／空気重量比は、混合気（空気＋蒸気）温度に対応する飽和蒸気圧力と混合気（空気＋蒸気）圧力により決まるため、混合気温度を飽和温度とする飽和温度線を計算することができる。供給する水の温度が２０℃の場合、水を供給しない場合
（蒸気／空気重量比＝０％）では、混合気の温度は２９２.９℃(Ｘ点) で、Ｘ点より供給水量を増加させると蒸発量が増加し、蒸発潜熱の増加により混合気の温度は減少することになる。蒸発量が飽和温度線との交わるＡ点に達すると空気中の蒸気が飽和圧力に達するため供給水量を増加しても蒸発は行われず、供給された余剰の水分は未蒸発水滴となり温度はほとんど変化しない（Ａ点→Ｃ点）。

供給する水の温度を２０℃から１００℃に増加させると、水の顕熱増加により供給水量を増加させた場合の混合気温度の低下は緩やかになるため、飽和温度線とは、２０℃の場合より蒸気／空気重量比が大きな点で交差する。したがって、供給水温度２０℃で計画して運転されている場合、運転点が飽和温度線との交点Ａ点に近づいた場合には給水温度を増加させることにより飽和温度線より運転点Ｂ点へ運転状態を移行させることができ、これにより未蒸発水滴が発生することを防止できる。

図１の実施例では、図２の例で示す飽和温度線を加湿装置入口圧力計９で計測される圧力と飽和蒸気圧から計算する。Ｘ点は加湿装置入口温度計１０で計測される温度となり、噴射水温度計１２で計測される給水温度が明らかになると飽和温度線との交点Ａ点は予測できるため、運転条件がＡ点に近づいた場合には温水制御弁７を制御して給水加熱器分岐配管３０を通る給水量を増加させ、給水を給水加熱器６で加熱し給水配管３１を通ってきた給水と合流させ加湿装置噴射水供給管３２から加湿装置５に供給する。加湿装置５に供給される温度は噴射水温度計１２で計測され、飽和温度線より離れたＢ点を新たな運転点とすることができる。

一般には、圧縮機１出口の空気量は大気温度，圧縮機入口案内翼開度等から予測でき、加湿装置噴射水供給管３２から供給される給水流量は、噴射ノズル面積，給水流量制御弁特性等から予測できるため図２の例で示す（蒸気／空気）重量比を予め計算でき、飽和温度線との交点Ａ点の予測することが可能である。したがって、加湿装置５に設置した加湿装置出口温度計１１の温度がＡ点に近づいた場合に温水制御弁７を操作して給水の温度を増加させることにより、Ｂ点のように飽和温度線より離れた点で運転することができる。

本実施例では、給水量を変化させずに混合気に含まれる未蒸発の水滴を完全に蒸発させることができ、加湿装置出口の混合気（空気＋蒸気）流量および（蒸気／空気）重量比も変化しないので、燃焼器における燃焼性能への影響を最小にでき、ガスタービン出力の変動も最小にできる効果がある。

次に、本発明の参考例を図３に基づいて説明する。本参考例が図１に示す実施例と異なるのは、加湿装置５の内部構造として加湿装置外筒４０内に加湿装置内筒４１を設置し、加湿装置内筒４１には内筒主空気入口４２および内筒空気混合孔４５を設け、給水配管３１から接続される内筒噴射水ノズル４３を加湿装置内筒４１内部に設置している点である。加湿装置外筒４０と加湿装置内筒４１間には外筒内筒間空気流路４４が形成されている。給水ポンプ８からの給水配管３１は分岐せずに内筒噴射水ノズル４３に接続され、再生器４排気ガス後流には図１に示す給水加熱器６は設置していない。

圧縮機１から出た高温，高圧の空気は、圧縮機出口配管２１を通り加湿装置外筒４０に流入する。加湿装置外筒４０に入った空気は、内筒主空気入口４２を通り加湿装置内筒
４１内部に流入する。内筒主空気入口４２から加湿装置内筒４１内に入った高温，高圧の空気には、給水ポンプ８で圧縮された給水が給水配管３１を通り内筒噴射水ノズル４３から噴霧され、内筒内で給水は蒸発し、顕熱により（空気＋蒸気）混合気の温度は低下する。

加湿装置外筒４０および加湿装置内筒４１に流入する空気の温度，流速分布により、内筒噴射水ノズル４３から噴射される水には濃度分布があるため、一般には蒸発を均一に行うことはできないため、未蒸発の水滴が発生する。加湿装置外筒４０に入った空気の一部は、加湿装置外筒４０と加湿装置内筒４１で形成される外筒内筒間空気流路４４を高温のまま流れ、加湿装置内筒４１の内筒噴射水ノズル４３の後流に設けられた内筒空気混合孔４５から加湿装置内筒４１に入り混合気と混合する。この混合により、内筒空気混合孔
４５から流入する高温空気の顕熱を用いて未蒸発の水滴を蒸発させることができる。最終的には、加湿装置内筒４１後流加湿装置加湿空気出口部４６で、加湿装置外筒４０に供給された高温，高圧の空気と給水は完全に混合するため、未蒸発の水滴を含まない（空気＋蒸気）混合気を再生器入口空気配管２２を通して再生器４に供給することができる。

本参考例では、内筒主空気入口４２および内筒空気混合孔４５の面積，形状により混合する高温空気の量，速度を調整でき、（空気＋蒸気）混合気の（高温空気の混合による加熱，未蒸発水滴の蒸発による温度低下）を段階的に行えるため混合気に分布がある場合でも未蒸発の水滴を完全に蒸発させることができる効果がある。

次に、本発明の参考例を図４に基づいて説明する。図４では図３とは異なる加湿装置が用いられ、他の構成は図３の参考例と同一であるため図示が省略されている。図３では高温空気内に水を噴射する方式の加湿装置であったのに対して図４では下流から供給される高温空気に対し、上流から水を流す反応塔形式での加湿装置を採用している。加湿装置外筒Ｂ５０内には加湿装置内筒Ｂ５２が設置され、加湿装置内筒Ｂ５２内には充填層５１が設置される。加湿装置外筒Ｂ５０内壁と加湿装置内筒Ｂ５２外壁間には加湿装置空気バイパス部５５が形成される。圧縮機出口配管２１は加湿装置外筒Ｂ５０の下部にある加湿装置空気入口部５４に接続され、加湿装置外筒Ｂ５０上部と再生器４間には再生器入口空気配管２２が接続される。加湿装置内筒Ｂ５２上部には噴射水ヘッダ５３が設置され、給水ポンプ８からの給水配管３１が接続されている。また、加湿装置外筒Ｂ５０低部には、水排出口５７が設置されている。

給水ポンプ８で加圧された給水は給水配管３１を通って加湿装置外筒Ｂ５０内に入り、加湿装置内筒Ｂ５２上部の噴射水ヘッダ５３から、噴射水ヘッダ５３下部に設置された充填層５１に噴射される。充填層５１には、下方から上方に流れる空気と、上方から下方に流れる水との十分な接触が行われるように充填物を設置してある。

圧縮機１で圧縮され高圧，高温となった空気は圧縮機出口配管２１を通り加湿装置外筒Ｂ５０の加湿装置空気入口部５４に入り、加湿装置内筒Ｂ５２の充填層５１に入る。一部の高温空気は高温のまま加湿装置空気バイパス部５５を通り上方に流れる。充填層５１では、下方から上方に流れる高温空気と、上方から下方に流れる噴射水との接触により水が蒸発し、蒸発潜熱により混合気の温度は低下する。充填層５１内で蒸発しきれなかった余剰の噴射水は、加湿装置外筒Ｂ５０底部に貯まり水排出口５７より外部に排出される。

噴射水ヘッダ５３からの噴射水量が十分に多い場合、充填層５１最上部の空気に含まれる水蒸気は、その温度の飽和に達していると考えられる。噴射水ヘッダ５３より噴射された噴射水には粒径の分布が生じるため、噴射水ヘッダ５３を通り上方に流れる飽和（空気＋蒸気）混合気の流速に対応した微小な水粒子は飛沫同伴する。しかしながら、加湿装置空気混合部５６で加湿装置空気バイパス部５５を通った高温の空気と混合されることにより、飛沫同伴された水粒子を高温空気の顕熱により完全に蒸発させることができる。

図４では反応塔形式の加湿装置外筒Ｂ５０として加湿装置内筒Ｂ５２内部に充填層を設けた参考例を示したが、充填層に替えて棚段形式を採用した場合でも本参考例と同じ効果が得られる。

本参考例によれば、反応筒形式の加湿装置において混合気（空気＋蒸気）に飛沫同伴する水滴を蒸発させる効果がある。

上述の実施例及び参考例によれば、加湿設備出口の未蒸発水滴をなくし、再生器内でスケールが発生することを抑制するガスタービン加湿設備を最小の変更で、性能を低下させず実現できる。

本発明の一実施例であるガスタービン用加湿設備を示す図。 ガスタービン用加湿設備の状態の説明図。 本発明の参考例であるガスタービン用加湿設備を示す図。 加湿装置の他の構成を示す図。

符号の説明

４…再生器、５…加湿装置、７…温水制御弁、９…加湿装置入口圧力計、１０…加湿装置入口温度計、１１…加湿装置出口温度計、１２…噴射水温度計、１３…再生器伝熱管、２１…圧縮機出口配管、２２…再生器入口空気配管、３０…給水加熱器分岐配管、３１…給水配管、３２…加湿装置噴射水供給管、４０…加湿装置外筒、４１…加湿装置内筒、
４２…内筒主空気入口、４４…外筒内筒間空気流路、４５…内筒空気混合孔、５０…加湿装置外筒Ｂ、５１…充填層、５２…加湿装置内筒Ｂ、５３…噴射水ヘッダ、５５…加湿装置空気バイパス部、５６…加湿装置空気混合部。

Claims (5)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を出た圧縮空気を加湿する加湿設備と、燃料と前記加湿された圧縮空気とが供給される燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、前記加湿設備で加湿された圧縮空気を前記ガスタービンからの排ガスにより加熱する再生器を有し、
   前記加湿設備で加湿される前の圧縮空気の圧力と飽和蒸気圧から求めた飽和温度線と、前記加湿設備への供給水を増加させたときの供給水による蒸気と圧縮空気の混合気の温度変化を示す線の交点により示される前記加湿設備出口の飽和条件を、前記加湿設備で加湿される前の圧縮空気の温度と前記加湿設備で用いられる加湿用の水の温度から予測し、該予測された飽和条件を超えないように前記加湿設備で用いられる加湿用の水の温度を調節するようにしたことを特徴とするガスタービン設備。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を出た空気と燃料とが供給される燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを有するガスタービン設備に用いられ、前記圧縮機から出た圧縮空気に水を直接接触させ、圧縮空気の顕熱により水を蒸発させることにより高湿分空気を発生させるガスタービン用加湿設備であって、
   該加湿設備で加湿される前の圧縮空気の圧力と飽和蒸気圧から求めた飽和温度線と、該加湿設備への供給水を増加させたときの供給水による蒸気と圧縮空気の混合気の温度変化を示す線の交点により示される該加湿設備出口の飽和条件を、該加湿設備で加湿される前の圧縮空気の温度と該加湿設備で用いられる加湿用の水の温度から予測し、該予測された飽和条件を超えないように、該加湿設備に供給する水の温度調節をするようにしたことを特徴とするガスタービン用加湿設備。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を出た空気と燃料とが供給される燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを有するガスタービン設備に用いられ、前記圧縮機から出た圧縮空気に水を直接接触させ、圧縮空気の顕熱により水を蒸発させることにより高湿分空気を発生させるガスタービン用加湿設備であって、
   前記加湿設備に供給される圧縮空気の空気量と加湿用の水の給水流量から求められた前記加湿用の水による蒸気と圧縮空気の重量比と、前記加湿設備で加湿される前の圧縮空気の圧力と飽和蒸気圧から求めた飽和温度線とに基づいて、前記加湿設備出口の飽和条件を予測し、前記加湿設備出口に設けた温度計の温度が、前記飽和条件の飽和温度から離れるように、前記加湿設備に供給する水の温度を上昇させるようにしたことを特徴とするガスタービン用加湿設備。
4. 請求項２又は３において、前記加湿設備に水を供給する給水配管を備え、前記水の温度調節をする手段として、前記給水配管に接続された配管と、該配管を流れる水の加熱装置と、該加熱装置で加熱され前記給水配管に供給される水の流量を調節する流量調節弁を有することを特徴とするガスタービン加湿設備。
5. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を出た空気と燃料とが供給される燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンとを有するガスタービン設備に用いられ、前記圧縮機から出た圧縮空気に水を直接接触させ、圧縮空気の顕熱により水を蒸発させることにより高湿分空気を発生させるガスタービン用加湿設備における加湿方法であって、
   該加湿設備で圧縮空気への供給水量を設定した後、該加湿設備で加湿される前の圧縮空気の圧力と飽和蒸気圧から求めた飽和温度線と、該加湿設備への供給水を増加させたときの供給水による蒸気と圧縮空気の混合気の温度変化を示す線の交点により示される該加湿設備出口の飽和条件を、該加湿設備で加湿される前の圧縮空気の温度と前記加湿設備で用いられる加湿用の水の温度から予測し、該予測された飽和条件を超えないように、該加湿設備に供給する水の温度を調整するようにしたことを特徴とするガスタービン用加湿設備における加湿方法。

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