JP4427526B2 - ガスタービン吸気装置の運転方法 - Google Patents
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一般に、大気中には、0.1μm〜10μmの範囲の粒子径分布を有する大気粉塵が混在している。このような大気粉塵が、ガスタービン設備内に取り込まれて圧縮機の動翼に付着すると、流体抵抗が増加して出力ロスが発生し、結果として発電出力の低下をまねくこととなる。
この吸気フィルタは、通常、粒子径が1μmの粉塵を30%程度除去できるプレフィルタと、その下流側に設置され、粒子径が1μm程度である粉塵を70%程度除去できる中性能フィルタと、この中性能フィルタの下流側に設置され、主に0.3μm近傍の粒径を有する粉塵を99.97%以上除去できるHEPAフィルタとから構成されるか、あるいは上記中性能フィルタとHEPAフィルタとを一体化して構成された複合HEPAフィルタ(以下、HEPAフィルタおよび複合HEPAフィルタを総称して「高性能フィルタ」という。)をプレフィルタの下流側に設置した構成とされている。
一般に、ガスタービン設備では、フィルタを交換せずに少なくとも1年間連続運転(運転時間として約8760時間)できることが望まれている。また、昨今では、この期間をさらに引き延ばしたいとの要望も出されている。
これは、降雨時のような多湿環境下では、フィルタに付着している粉塵が吸湿して膨潤し、フィルタの通気抵抗を増すためと考えられる。このように多湿環境下でも、フィルタ差圧が上昇し、圧縮機の吸入圧力を低下させることとなる。圧縮機は、吸入圧力が下がると、吐出圧力を一定に維持しようとして動力が増加されるため、これがガスタービンの有効出力を低下させることとなる。
従って、フィルタ交換後に運転時間が大分経過し、かつ粉塵の付着量が多くなっている状況下では、多湿環境となったとき、粉塵が吸湿して膨潤し、フィルタの通気抵抗が大きくなってフィルタ差圧が急上昇する事態が想定される。従来では、このような事態によるプラント運転の異常を避けるため、予めプラント負荷を下げたり、吸気フィルタを早めに交換したりする等により対応しているが、これは出力低下やフィルタ交換頻度を高めることに伴う損失を被ることを意味し、好ましいことではなかった。
すなわち、本発明にかかるガスタービン吸気装置の運転方法は、圧縮機入口側の吸気室内に吸気フィルタが設置され、該吸気フィルタの上流側に、吸入空気の湿度を低下させる湿度低下装置が設けられているガスタービン吸気装置の運転方法であって、前記吸気フィルタを構成する高性能フィルタによって捕集される粉塵の付着量と、湿度によるフィルタ上昇差圧との関係から前記湿度低下装置を作動させる粉塵付着限界量Wcを求めるとともに、下記(1)式より粉塵付着限界量Wcに到達するまでのガスタービン吸気装置の運転時間tcを求め、この運転時間tcが経過後、大気の相対湿度が設定湿度以上となったとき、前記湿度低下装置を作動させ、前記吸気フィルタに流入する空気の相対湿度を低下させることを特徴とする。
(1)式
Wc=0.001×C×Q×60×tc×(1−η1/100)×(η2/100)
ここに、
Wc:粉塵付着限界量(g)
C:大気粉塵濃度(mg/m 3 )
Q:吸込み風量(m 3 /min)
tc:ガスタービン吸気装置運転時間(h)
η1:プレフィルタ粉塵捕集効率(%)
η2:高性能フィルタ粉塵捕集効率(%)≒100%
また、ガスタービン吸気装置の運転初期段階から運転時間がtc時間を経過するまでの期間は、例え高湿度環境となっても、吸気フィルタへの粉塵付着量も少なく、湿度によるフィルタ差圧上昇も微小である。このため、フィルタ差圧は許容範囲内でプラント運転に影響を及ぼすことがなく、大気の相対湿度が設定湿度以上の場合でも、湿度低下装置を停止状態のままとすることができる。従って、湿度低下装置を作動させることによる吸気効率の低下(吸入空気を加熱して相対湿度を低下させる場合の微小な吸気効率の低下)等を防止することができる。
なお、本発明におけるガスタービン吸気装置の運転時間tcとは、新しい吸気フィルタ4が装着されて以降のトータル運転時間である。
本発明によれば、設定湿度が90%とされているので、大気の相対湿度が90%以上の高湿度環境となると、湿度低下装置が作動され、吸気フィルタに流入する空気の相対湿度を低下させることができる。従って、吸気フィルタの高湿度環境下でのフィルタ差圧上昇を確実に抑制することができる。
本発明によれば、設定湿度が95%とされているので、大気の相対湿度が95%以上の高湿度環境となると、湿度低下装置が作動され、吸気フィルタに流入する空気の相対湿度を低下させることができる。従って、高湿度環境下でのフィルタ差圧の上昇を着実に抑制することができる。
図1には、本発明の一実施形態に係るガスタービン吸気装置の運転方法に用いるガスタービン吸気装置1の概略構成図が示されている。
ガスタービン吸気装置1は、図示省略の圧縮機の空気入口側に吸気ダクトを介して接続される吸気室2を備えている。
吸気フィルタ4は、吸気室2に吸い込まれた空気流に対して、上流側に設置されるプレフィルタ4Aと、その下流側に設置される高性能フィルタ4Bとから構成される。
この湿度低下装置5は、大気の相対湿度を湿度計6により検出し、その相対湿度が第1の設定湿度以上のときに作動され、吸気フィルタ4に流入する空気の相対湿度を低下させるよう構成される。また、上記湿度低下装置5は、大気の相対湿度が第1の設定湿度よりも低い第2の設定湿度以下に低下したとき、停止されるように構成される。
なお、湿度低下装置5は、後述する第2ないし第6の湿度低下装置が採用されるほか、公知のヒートポンプ式除湿機が適用可能である。本実施形態では、これら除湿機を用いて吸入空気を直接除湿する方式が想定されている。
図2には、ガスタービン吸気装置1の運転時間経過(約1年間)と吸気フィルタ4のフィルタ差圧との関係が示されている。同図から明らかなように、運転初期の領域Aにおいては、湿度高によるフィルタ差圧の上昇はほとんど認められない。これは、吸気フィルタ4により捕集され、吸気フィルタ4に付着している粉塵の量が少ないことによるものと考えられる。
なお、湿度高によるフィルタ差圧の上昇は、主に高性能フィルタ4Bによるものであり、プレフィルタ4Aによる影響はほとんどないと考えられる。
なお、図4のデータは、高性能フィルタ4Bに流入される空気に加熱空気を吹き込んで該空気を加熱し、その相対湿度を低下させた場合のものであるが、湿度低下装置5の除湿効果によって、湿度のみを低減させた場合でも同様にフィルタ差圧の上昇を抑制できることは云うまでもなく、むしろ吸気効率の面から温度上昇を伴わない方が望ましい。
また、湿度低下装置5を停止させる第2の設定湿度は、図3に示すように、フィルタ差圧がヒステリシスをもって低下することを考慮して、湿度計6により検出される大気の相対湿度が、上記第1の設定湿度よりも低い、例えば80%に設定される。
高湿度環境下であっても、湿度低下装置5により吸気フィルタ4に流入する空気の相対湿度を低下させることにより、高性能フィルタ4Bのフィルタ差圧上昇を抑制することができる。これにより、高湿度環境下でも、湿度によるフィルタ差圧上昇を抑制し、プラントを定常どおり定格運転させることができ、出力低下およびそれによる損失等を防止することができる。
また、高湿度環境下でのフィルタ差圧上昇を抑制することにより、フィルタ交換差圧に達するまでのプラント運転時間(フィルタ交換期間)を引き延ばすことができるため、フィルタの交換頻度を下げることができる。また、これによって、メンテナンスフィーを節減することができる。
この第2の湿度低下装置5は、ウェザールーバ3と吸気フィルタ4との間に設置された電気ヒータ等の空気加熱装置15Aと、この空気加熱装置15Aに電気を供給する空気加熱装置用電源15Bと、大気の相対湿度を検出する湿度計6とから構成される。
また、この第2の湿度低下装置5を採用した場合、吸気室2内に電気ヒータ等の空気加熱装置15Bを設置し、それに対して電源15Bから電気の供給を制御できる構成とすればよく、湿度低下装置5をシンプルで簡素な構成とすることができる。また、湿度低下装置5を追設するためのコストを抑えることができる。
この第3の湿度低下装置5は、ウェザールーバ3と吸気フィルタ4との間に設置された加熱空気供給ノズル25Aを備えている。この加熱空気供給ノズル25Aに対して吸気室2の外部で生成された加熱空気を供給し、この加熱空気により吸気室2内に吸い込まれた空気の相対湿度を低下させ、吸気フィルタ4に流入させるようにしている。
この第4の湿度低下装置5は、ウェザールーバ3と吸気フィルタ4との間に設置された除湿空気供給ノズル35Aを備えている。この除湿空気供給ノズル35Aに対して吸気室2の外部で生成された除湿空気を供給し、この除湿空気により吸気室2内に吸い込まれた空気の相対湿度を低下させ、吸気フィルタ4に流入させるようにしている。
この第5の湿度低下装置5は、高性能フィルタ4Bの上流面に設置された遠赤外線電熱ヒータ等の電熱ヒータ装置45Aと、この電熱ヒータ装置45Aに電気を供給する電熱ヒータ用電源45Bと、湿度計6とから構成される。
上記電熱ヒータ装置45Aは、図10に示されるように、フィルタケース4C内にジグザグ状に収容されたフィルタエレメント4Dの上流側空間部にその長さ方向(紙面直角方向)に沿って配設される。
この第6の湿度低下装置5は、プラントの排ガス再循環ラインまたは熱回収ライン55Aから高温ガスの一部を抽気し、この高温ガスをウェザールーバ3と吸気フィルタ4との間に設置された高温ガス供給ノズル55Bより吸気フィルタ4の上流側に供給する構成とされている。また、高温ガス供給ノズル55Bと共に、またはこれに代えて、上記の高温ガスを高性能フィルタ4Bの上流面に設置された高温ガス供給ノズル55Cより高性能フィルタ4Bの上流面に供給する構成とされている。
なお、高温ガス供給ノズル55Cは、図10に示す電熱ヒータ装置45Aと同様の位置に配設される。
また、この第6の湿度低下装置5を採用したガスタービン吸気装置1では、プラント側の高温ガス抽気源が排ガス再循環ラインまたは熱回収ライン55Aであるので、十分な高温ガス量を確保することができるとともに、高温ガスを既存のガス源を利用して簡便に供給することができる。従って、湿度低下装置5を新たな補器等を設けることなく、最小限の器材追加で安価に作製することができる。
本実施形態にかかるガスタービン吸気装置の運転方法は、上述した各々のガスタービン吸気装置1のすべての運転に適用できるものである。
本実施形態にかかるガスタービン吸気装置の運転方法は、吸気フィルタ4に対する粉塵付着量が少ない運転初期の段階では、湿度がフィルタ差圧上昇にほとんど影響を及ぼさないことから、高湿度環境となって湿度計6が設定湿度を検出しても、湿度低下装置5を作動させず停止状態のままとする。そして、運転時間が経過して吸気フィルタ4に対する粉塵付着量が多くなり、高湿度がフィルタ差圧上昇に影響を及ぼす状況下においてのみ、湿度低下装置5を作動させようとするものである。
一方、高性能フィルタ4Bの粉塵付着限界量Wc(g)は、下記(1)式により表すことができる。
Wc=0.001×C×Q×60×tc×(1−η1/100)×(η2/100)
ここに、
Wc:粉塵付着限界量(g)
C:大気粉塵濃度(mg/m3)
Q:吸込み風量(m3/min)
tc:ガスタービン吸気装置運転時間(h)
η1:プレフィルタ粉塵捕集効率(%)
η2:高性能フィルタ粉塵捕集効率(%)≒100%
上記(1)式から、高性能フィルタ4Bの粉塵付着量が粉塵付着限界量Wcに到達する運転時間tc(新しい高性能フィルタ4Bが装着されて以降のガスタービン吸気装置のトータル運転時間)を求めることができる。
そして、上記運転時間tcが経過するまでの期間は、吸気フィルタ4に対する粉塵付着量が少なく、例え高湿度環境となっても、高湿度によるフィルタ差圧上昇が微小であることから、湿度計6が、大気湿度が設定湿度以上であることを検出しても、湿度低下装置5を作動させず停止したままとすることができる。
図14は、上記したガスタービン吸気装置の運転時間と、湿度低下装置5を作動させる期間との関係を示す図である。
上記から、湿度低下装置5を作動させる粉塵付着限界量Wcを求め、(1)式を用いて粉塵付着限界量Wcに到達するまでのガスタービン吸気装置の運転時間tcを求め、この運転時間tcが経過後、大気の相対湿度が設定湿度以上のときのみ、湿度低下装置5を作動させことが、効率のよい湿度低下装置5の運転方法であることが理解できる。
また、フィルタ差圧上昇を抑制することによって、フィルタ交換差圧に到達するまでの期間を引き延ばすことができ、これによって、吸気フィルタの交換頻度を少なくできるため、メンテナンス費用を削減することができる。
2 吸気室
4 吸気フィルタ
4A プレフィルタ
4B 高性能フィルタ
5 湿度低下装置
6 湿度計
15A 空気加熱装置
25A 加熱空気供給ノズル
35A 除湿空気供給ノズル
45A 電熱ヒータ装置
55A 排ガス再循環ラインまたは熱回収ライン
55B,55C 高温ガス供給ノズル
Claims (3)
- 圧縮機入口側の吸気室内に吸気フィルタが設置され、該吸気フィルタの上流側に、吸入空気の湿度を低下させる湿度低下装置が設けられているガスタービン吸気装置の運転方法であって、
前記吸気フィルタを構成する高性能フィルタによって捕集される粉塵の付着量と、湿度によるフィルタ上昇差圧との関係から前記湿度低下装置を作動させる粉塵付着限界量Wcを求めるとともに、下記(1)式より粉塵付着限界量Wcに到達するまでのガスタービン吸気装置の運転時間tcを求め、この運転時間tcが経過後、大気の相対湿度が設定湿度以上となったとき、前記湿度低下装置を作動させ、前記吸気フィルタに流入する空気の相対湿度を低下させることを特徴とするガスタービン吸気装置の運転方法。
(1)式
Wc=0.001×C×Q×60×tc×(1−η1/100)×(η2/100)
ここに、
Wc:粉塵付着限界量(g)
C:大気粉塵濃度(mg/m 3 )
Q:吸込み風量(m 3 /min)
tc:ガスタービン吸気装置運転時間(h)
η1:プレフィルタ粉塵捕集効率(%)
η2:高性能フィルタ粉塵捕集効率(%)≒100% - 前記設定湿度が、90%とされていることを特徴とする請求項1に記載のガスタービン吸気装置の運転方法。
- 前記設定湿度が、95%とされていることを特徴とする請求項1に記載のガスタービン吸気装置の運転方法。
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