JP5777420B2 - ガスタービン排気設備 - Google Patents

Description

本発明はガスタービン排気設備に関し、低周波音による騒音の発生を抑制するように工夫したものであり、特にシンプルサイクルプラントに適用するものである。

ガスタービンを用いた発電プラントとしては、コンバインドサイクルプラントとシンプルサイクルプラントがある。
コンバインドサイクルプラントでは、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：heat recovery steam generator）を備えている。この排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出された高温の排ガスにより蒸気を発生する。
一方、シンプルサイクルプラントでは、排熱回収ボイラを含む排熱回収設備を備えておらず、ガスタービンから排出された排ガスを、排ガス煙道から煙突を通して大気に放出している。

ガスタービンを用いた発電プラントの形態として、最終的にはコンバインドサイクルプラントを採用する場合であっても、先にシンプルサイクルプラントを構築してシンプルサイクルプラントとして運転をスタートし、その後に排熱回収設備を建設し、排熱回収設備が完成したら、コンバインドサイクルプラントとして運転することが行われている。
また、ガスタービンを用いた発電プラントの最終形態として、シンプルサイクルプラントを採用する場合もある。

シンプルサイクルプラントでは、ガスタービンから排出された排ガスは、水平方向に配置された排ガス煙道を通った後、この排ガス煙道に連通して鉛直方向に配置された煙突を通って大気に排出される。このとき、排ガス煙道の終端部と煙突の基端部とが連通・接続されている部分は、直角に折れ曲がった曲がり部となっており、この曲がり部では、高速で流通している排ガスに剥離現象が発生する。

上記のような曲がり部で剥離現象が発生すると、排ガスが高温であるため音速が早くなることも加わって、曲がり部で低周波音が発生し、この低周波音が煙突出口から放出されていた。
更に、発生した低周波音が、排ガス煙道及び煙突からなる排気通路で定在波となることで、即ち、排気通路の音響固有値で規定される周波数で共振して共鳴することで、発生した低周波音が増幅されていた。
このようにして発生し増幅した低周波音（１０〜３０Ｈｚの音）が煙突出口から放出されると、低周波音公害が発生してしまう。

そこで、シンプルサイクルプラントで発生する低周波音を抑制するため、従来から種々の工夫がされてきた。

例えば特許文献１（特公平４−１３５２４号公報）に示す技術では、排ガス煙道及び煙突の一部をそれぞれディフューザにしたり、水平方向に流れてきた排ガスを鉛直方向の流れに転流する多数の転流板を曲がり部に配置したりしていた。

また特許文献２（特開２００９−２８７５３０号公報）に示す技術では、煙突の外周に
同心状に拡張筒（拡張型サイレンサ）を配置し、煙突には拡張筒（拡張型サイレンサ）の内部空間に連通する開口部を形成していた。

特公平４−１３５２４号公報 特開２００９−２８７５３０号公報

上記特許文献１,２に示す技術は、発生してしまった低周波音（１０〜３０Ｈｚの音）を低減するものであり、低周波音を発生する「音源」そのものが生じないようにする対策ではないため、根本的な対策とはならない。

また特許文献２で用いる拡張筒（拡張型サイレンサ）のサイズ（径方向寸法）は非常に大きなものである。これは、拡張筒（拡張型サイレンサ）のサイズは、対象周波数の波長で大きさが決まるからである。
つまり、曲がり部で発生する音はそもそも低周波であり、しかもガスタービンから排出される排ガスは高温であり音速が早いことから騒音音波の波長が長くなり、拡張型サイレンサのサイズが非常に大きくなるのである。
例えば、拡張筒の直径及び長さは、煙突の直径の２倍程度になる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、排気性能を確保しつつ、低周波音を発生する音源そのものの発生を抑制して低周波音による騒音を抑制する、簡便な構成のガスタービン排気設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
ガスタービンから排出された排ガスを、水平方向に配置された断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管である排ガス煙道に通した後、この排ガス煙道に連通して鉛直方向に配置された断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管である煙突を通って大気に排出するガスタービン排気設備において、
前記排ガス煙道の内部空間及び前記煙突の内部空間からなる排気通路に、排ガスの流通方向に対して対面する状態で２枚の多孔板を設置したことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記多孔板の一枚は、前記排ガス煙道の内部空間に設置されており、
前記排ガス煙道と前記煙突とが接続する接続部のうち前記排ガス煙道の上面の位置を基準位置としたときに、当該基準位置と、この基準位置から前記排ガス煙道に沿い前記排ガス煙道の縦寸法の０．７５倍離れた位置との間の領域に、前記多孔板の一枚が設置されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記多孔板の他の一枚は、前記煙突の内部空間に設置されており、
前記排ガス煙道と前記煙突とが接続する接続部のうち前記排ガス煙道の上面の位置を基準位置としたときに、当該基準位置と、この基準位置から前記煙突に沿い前記煙突の縦寸法の０．７５倍離れた位置との間の領域に、前記多孔板の他の一枚が設置されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記２枚の多孔板の開口率は、２０〜７０％であることを特徴とする。

本発明によれば、排ガス煙道の内部空間及び煙突の内部空間からなる排気通路に、多孔板を設置したため、簡単な構成でありながら、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができ、低周波音騒音を抑制することができる。

本発明の実施例に係るガスタービン排気設備を備えた発電プラントを示す概略図。 多孔板の配置位置と低周波音レベルとの関係を示す特性図。 多孔板の開口率と多孔板効果との関係を示す特性図。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は、実施例に係るガスタービン排気設備を備えた発電プラントの概略図である。図１に示すように、発電プラント１０を構成するガスタービン１１には圧縮機１２及び燃焼器１３が備えられている。圧縮機１２には空気が供給され、圧縮機１２で圧縮された圧縮空気は、燃焼器１３で燃料と混合されて燃料ガスとなり、燃料ガスがガスタービン１１で燃焼・膨張してガスタービン１１が回転する。この回転力により発電機（図示省略）を回転して発電が行われる。

ガスタービン排気設備２０は、水平方向に配置された排ガス煙道２１と、この排ガス煙道２１に連通・接続して鉛直方向に配置された煙突２２とで構成されている。排ガス煙道２１の終端部と、煙突２２の基端部とが連通・接続されている部分は、直角に折れ曲がった曲がり部２３となっている。
本例では、排ガス煙道２１も煙突２２も、断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管により構成されている。

ガスタービン１１で仕事を終え排出された高温の排ガス１４は、排ガス煙道２１を通った後、この排ガス煙道２１に連通する煙突２２を通って大気に排出される。

排ガス煙道２１の内部空間には、排ガス１４の流通方向に対して対面する状態で多孔板３１が設置され、煙突２２の内部空間には、排ガス１４の流通方向に対して対面する状態で多孔板３２が設置されている。このため、全ての排ガス１４は、多孔板３１に形成された孔、及び、多孔板３２に形成された孔を通過して流通する。

このようにして、排ガス煙道２１の内部空間及び煙突２２の内部空間からなる排気通路に、排ガス１４の流通方向に対して対面する状態で多孔板３１,３２を設置したため、流通する排ガス１４の流れが整流され、曲がり部２３において排ガス１４の剥離現象が抑制される。この結果、剥離現象に伴う低周波音の発生自体を抑制することができる。
また、排ガス煙道２１の内部空間及び煙突２２の内部空間からなる排気通路に、多孔板３１,３２を設置したことにより、排気通路の音場においてダンピング作用が発揮されて、低周波音の共振現象の発生を抑制することができる。

このように多孔板３１,３２を配置することにより、曲がり部２３における排ガス１４の剥離現象を抑制すると共に、低周波音の共振現象の発生を抑制することができるため、低周波音公害の発生を防止することができる。

ここで、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる、多孔板３１,３２の配置位置と開口率について説明する。

最初に、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる、多孔板３１,３２の配置位置について説明する。
図１に示すように、矩形のダクト管である排ガス煙道２１と煙突２２とが接続されている接続部のうち、排ガス煙道２１の上面の位置を基準位置Ｐとする。また、断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管である排ガス煙道２１及び煙突２２の前記縦寸法（又は前記横寸法）をＬとする。

排ガス煙道２１において、基準位置Ｐと、この基準位置Ｐから排ガス煙道２１の始端側（ガスタービン出口側）に向かって０．７５Ｌ離れた位置Ｐ１との間を領域Ａとした場合、この領域Ａに多孔板３１を配置すると、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる。
また、煙突２２において、基準位置Ｐと、この基準位置Ｐから煙突２２の出口側に向かって０．７５Ｌ離れた位置Ｐ２との間を領域Ｂとした場合、この領域Ｂに多孔板３２を配置すると、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる。

図２に示すように、領域Ａ,Ｂでは、音響１次モード、音響２次モード、音響３次モードの全てにおいて、低周波音が低いため、領域Ａ,Ｂに多孔板３１,３２を配置することにより、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができるのである。
なお、図２において、横軸はガスタービン出口（排気ガス煙道の始端部）から煙突先端部までの排気通路を直線的に示したものであり、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示している。

次に、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる、多孔板３１,３２の開口率について説明する。
多孔板３１,３２の開口率は、２０〜７０％、より好ましくは２５〜５５％、最も好適には３５〜４５％が好ましい。

図３は、多孔板３１,３２の開口率を変数に、圧損と低周波音レベルを組み合わせた評価関数であり、その値が小さいほど低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる。圧損は開口率に対して右下がりの傾向にあり、低周波音レベルは開口率に対して右上がりの傾向にあることから、図３の評価関数を求めた。
図３において横軸は、多孔板の開口率（％）であり、縦軸は多孔板効果（圧損と低周波音レベルを組み合わせた評価関数値）である。
図３から分るように、多孔板３１,３２の開口率は、２０〜７０％、より好ましくは２５〜５５％、最も好適には３５〜４５％が好ましい。

なお図１に示す例では、２枚の多孔板３１,３２を配置したが、いずれか一方のみを配置するようにしてもよい。
結局、排ガス煙道２１の内部空間及び煙突２２の内部空間からなる排気通路に、少なくとも１枚の多孔板を配置すれば、低周波音の発生及び共振を効果的に抑制することができる。
多孔板の配置枚数は、１枚、２枚、更には３枚以上とすることができる。

１０ 発電プラント
１１ ガスタービン
１２ 圧縮器
１３ 燃焼器
１４ 排ガス
２０ ガスタービン排気設備
２１ 排ガス煙道
２２ 煙突
２３ 曲がり部
３１,３２ 多孔板
Ｐ 基準位置
Ｐ１,Ｐ２ 位置
Ａ,Ｂ 領域

Claims (4)

1. ガスタービンから排出された排ガスを、水平方向に配置された断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管である排ガス煙道に通した後、この排ガス煙道に連通して鉛直方向に配置された断面における縦寸法と横寸法が等しい矩形のダクト管である煙突を通って大気に排出するガスタービン排気設備において、
   前記排ガス煙道の内部空間及び前記煙突の内部空間からなる排気通路に、排ガスの流通方向に対して対面する状態で２枚の多孔板を設置したことを特徴とするガスタービン排気設備。
2. 前記多孔板の一枚は、前記排ガス煙道の内部空間に設置されており、
   前記排ガス煙道と前記煙突とが接続する接続部のうち前記排ガス煙道の上面の位置を基準位置としたときに、当該基準位置と、この基準位置から前記排ガス煙道に沿い前記排ガス煙道の縦寸法の０．７５倍離れた位置との間の領域に、前記多孔板の一枚が設置されていることを特徴とする請求項１のガスタービンの排気設備。
3. 前記多孔板の他の一枚は、前記煙突の内部空間に設置されており、
   前記排ガス煙道と前記煙突とが接続する接続部のうち前記排ガス煙道の上面の位置を基準位置としたときに、当該基準位置と、この基準位置から前記煙突に沿い前記煙突の縦寸法の０．７５倍離れた位置との間の領域に、前記多孔板の他の一枚が設置されていることを特徴とする請求項１のガスタービンの排気設備。
4. 前記２枚の多孔板の開口率は、２０〜７０％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項のガスタービンの排気設備。

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