JP6121211B2 - 吸気冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの吸気を冷却する吸気冷却システムに関する。

圧縮機、燃焼器、及びタービン等から構成される発電用ガスタービンでは、圧縮機へ吸気される吸気の温度によってタービンにおける出力が影響を受ける。例えば、大気温度が高い夏季には、吸気の密度が低下して質量流量が低下するため、タービンの出力が低下する。このようなタービンの出力低下を抑止するために、外気から吸気する空気温度を冷媒との熱交換によって下げる吸気冷却コイルを備えた吸気冷却システムや、吸気された空気に水を噴霧して、当該水の気化熱を利用して吸気冷却を行う吸気冷却システムが開発されている。吸気冷却コイルを備えた吸気冷却システムを適用すると、大気中の水分は、吸気冷却コイルとの熱交換による冷却によって凝縮されてドレン水となる。ドレン水は、吸気冷却コイルの下部に設けられるドレンパンにて回収して、ドレン配管から排出される。

しかしながら、かかる吸気冷却システムを使用すると、吸気冷却コイルの表面に付着したドレンが吸気冷却コイルを通過した吸気と共に下流側に飛散したり、ドレンパンで回収しきれずにドレンパンから漏れることがある。このため、ドレンがガスタービンの吸気側となる圧縮機に流入して、圧縮機がロックすることやエロージョンの発生によって圧縮機翼を損傷させることが問題となっている。ガスタービンの圧縮機へのドレン流入を低減させる従来技術として、特許文献１には、噴霧器の吸気ダクト内の下流側に蒸発していないミストを捕獲して吸気からミストを除去するミスト除去手段が設けられるガスタービン吸気冷却装置が開示されている。また、特許文献２には、水が供給された作動空気が流通する流通経路の内壁面、ガスタービンのロータ若しくはケーシング流路面に回転対称な溝を設けて、内壁面や流路面に付着したミストを回収するガスタービンが開示されている。

特開２００７−１２０４７９号公報 特開２００６−０３７８７７号公報

冷却コイルを備える吸気冷却システムでは、冷却コイルの表面に凝結して発生するドレンを回収するためのドレンパンが冷却コイルの下側に設けられている。過冷却時等においては、ドレンが過度に発生して、既設のドレンパンで回収しきれずに、ドレンパンから漏れたドレンが後流側に流れて、ガスタービン入口側のマニホールド部に到達して溜まることが懸念される。当該ドレンの溜まり水が限度を超えると、ガスタービンの圧縮機内へ侵入して、圧縮機のロックや故障、圧縮機翼の損傷等を起こすリスクがある。前述の特許文献１や特許文献２では、吸気ダクトを通るドレンや吸気ダクトの壁面に付着したミスト状のドレンを捕集することに関しては、言及しているが、ドレンパンから漏れたドレンに関してまでは、言及していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却コイルのドレンパンから漏れたドレンを回収することの可能な、新規かつ改良された吸気冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、ガスタービンの吸気冷却システムであって、吸気入口から取り込まれた吸気を前記ガスタービンの圧縮機に導く吸気ダクトと、前記吸気ダクト内に設けられ、外部から導入された冷却媒体との熱交換により前記吸気を冷却する冷却部と、前記冷却部の後流側に有する前記吸気ダクトの底面に対して凸状に形成される凸段差部と、前記冷却部の後流側に有する前記吸気ダクトの底面に形成され、前記冷却部の表面で発生して滴下するドレンを前記吸気ダクトの外部に排出可能なドレン抜き孔部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、冷却部の後流側に有する吸気ダクトの底面にドレンを吸気ダクトの系外に抜くためのドレン抜き孔部を設けたので、冷却部から滴下してドレンパンから漏れたドレンを吸気ダクトの外部に排出できる。

このとき、本発明の一態様では、前記ドレン抜き孔部は、前記冷却部と前記凸段差部との間に有する前記吸気ダクトの底面に形成されることとしてもよい。

このようにすれば、冷却部と凸段差との間に溜まるドレンを吸気ダクトの系外に排出できる。

また、本発明の一態様では、前記凸段差部には、前記吸気の際の消音を行うサイレンサが設けられ、前記ドレン抜き孔部は、更に前記サイレンサの出口側に有する前記吸気ダクトの底面に形成されることとしてもよい。

このようにすれば、サイレンサの表面で結露して下方に流動したドレンを効率よく回収できる。

また、本発明の一態様では、前記ドレン抜き孔部は、前記ドレンを前記吸気ダクトの系外に排出可能なドレン排出ラインに接続されることとしてもよい。

このようにすれば、ドレン排出ラインを介して、ドレン抜き孔部で回収したドレンを吸気ダクトの系外に排出できる。

以上説明したように本発明によれば、冷却コイルのドレンパンの後流側の吸気ダクトの底面にドレン抜き孔部を設けたので、ドレンパンから漏れたドレンをドレン抜き孔部で回収することができる。このため、ドレンパンから漏れたドレンの圧縮機への侵入による圧縮機の故障や損傷を防止できる。

本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムを備えるガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備える冷却コイルの概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備えるドレン抜き孔部の説明図であり、（ａ）は、図１のＢ方向からの矢視図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ方向からの矢視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

まず、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムの構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムを備えるガスタービンプラントの構成を示すブロック図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わる冷却コイルの概略構成図である。

発電プラントとなるガスタービンプラント１０は、吸気ダクト１２と、圧縮機１４と、燃焼器１６と、ガスタービン１８と、発電機２０とを備えている。また、ガスタービンプラント１０には、ガスタービン１８の吸気を冷却するための吸気冷却システム１００を備える。本実施形態では、吸気冷却システム１００は、少なくとも吸気ダクト１２と、冷却コイル２６と、冷凍機３２と、冷却塔３８と、ドレン排出ライン１０２と、ドレン抜き孔部１１０とを備える。

吸気ダクト１２は、吸気入口２２から取り込まれた吸気（外気：空気）を圧縮機１４に導く。圧縮機１４は、吸気ダクト１２を介して供給された吸気を圧縮する。燃焼器１６は、圧縮機１４から供給された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる。ガスタービン１８は、燃焼器１６から供給された燃焼ガスにより回転する。発電機２０は、ガスタービン１８の回転により発電を行う。

吸気ダクト１２は、図１に示すように、上流側から水平ダクト１２ａ、カーブダクト１２ｂ、鉛直ダクト１２ｃを備え、鉛直ダクト１２ｃの下流側には、吸気を整流させながら圧縮機１４に導くマニホールド部１２ｄが設けられている。本実施形態では、マニホールド部１２ｄは、水平ダクト１２ａに対して鉛直方向の下向きに屈曲した鉛直ダクト１２ｃを介して、下向きに延出する構成となっている。

また、吸気ダクト１２の吸気入口側には、吸気入口２２から取り込まれた吸気から比較的大きい粉塵等を除去するプレフィルタ２４が設けられている。また、吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）内のプレフィルタ２４の後段には、プレフィルタ２４を通過した吸気を外部から導入された冷却媒体との熱交換により冷却する冷却コイル２６が設けられている。

冷却コイル２６は、吸気を冷却する冷却部であり、図２に示すように、複数のユニット状のチラーコイル２６ａを鉛直方向に並列した構成となっている。冷却コイル２６の各チラーコイル２６ａの下部には、熱交換による冷却によって凝縮されたドレン水を回収するためのドレンパン２６ｂがそれぞれ設けられる。ドレンパン２６ｂで回収したドレン水は、ドレンパン２６ｂの両端側に設けられるドレン配管２６ｃ１を伝って、吸気ダクト１２の系外に排出するドレンマニホールド２６ｃを介して、吸気ダクト１２の系外に排出される。ドレンマニホールド２６ｃに回収されたドレンは、ドレン排出ポンプ２６ｄで冷却塔３８に戻され、冷却塔３８で冷却媒体として再生されてから再利用される。

また、冷却コイル２６には、第１の循環路２８、第１の循環ポンプ３０を介してターボ冷凍機や吸収式冷凍機等の冷凍機３２から冷たい循環水（冷却媒体）が供給されるようになっている。吸気冷却コイル２６で吸気との熱交換で温められた循環水は、第１の循環路２９を介して、冷凍機３２に戻されるようになっている。冷凍機３２には、第２の循環路３４、３５、第２の循環ポンプ３６を介して、冷却塔３８から冷たい循環水が供給されるようになっている。冷凍機３２で第１の循環路２８、２９を循環する循環水と熱交換された循環水は、第２の循環路３４を介して冷却塔３８に戻され、冷却塔３８で再び冷却されるようになっている。

さらに、吸気ダクト１２の水平ダクト１２ａ内には、冷却コイル２６よりも下流側に吸気の際に発生する音を含む振動を抑制するサイレンサ４０が水平ダクト１２ａの底面１２ａ１に対して凸状に形成される凸段差部１３の上に設けられている。また、吸気ダクト１２の鉛直ダクト１２ｃと連結するマニホールド部１２ｄの入口側には、鉛直ダクト１２ｃを介して導入される吸気に含まれる不純物や、吸気ダクト内での作業中等に落下させたネジ等を取り除くためのフィルタ４２が設けられている。なお、サイレンサ４０の詳細な構成については、後述する。

吸気冷却システム１００は、冷却コイル２６での熱交換による吸気の冷却によって発生したドレンの圧縮機１４への侵入を防止するために、ドレンを回収する機能を備える。本実施形態では、冷却コイル２６の後流側に有する吸気ダクト１２の底面１２ａ１、１２ａ２に、冷却コイル２６やサイレンサ４０の表面で発生して滴下するドレンを吸気ダクト１２の外部に排出可能なドレン抜き孔部１１０が設けられていることを特徴とする。

また、図１に示すように、冷却コイル２６の後流側の吸気ダクト１２の底面１２ａ１、１２ａ２には、当該底面１２ａ１、１２ａ２に対して凸状に形成される凸段差部１３と後流側凸段差部１３ａが設けられている。本実施形態では、ドレン抜き孔部１１０は、冷却コイル２６と凸段差部１３との間に有する吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）の底面１２ａ１と、凸段差部１３と後流側凸段差部１３ａとの間に有する吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）の底面１２ａ２にそれぞれ設けられている。各ドレン抜き孔部１１０は、ドレンを吸気ダクト１２の系外に排出可能なドレン排出ライン１０２に接続されており、ドレン排出ライン１０２を介して、ドレン抜き孔部１１０で回収したドレンを吸気ダクト１２の系外に排出できるようになっている。

次に、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレン抜き孔部１１０の配置等について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレン抜き孔部の説明図であり、（ａ）は、図１のＢ方向からの矢視図であり、（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ方向からの矢視図である。なお、図３（ａ）では、吸気ダクト内の冷却コイル、ドレン抜き孔部、及びサイレンサとの配置を説明するために、吸気ダクトの頂部側を省略した図となっている。

本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ドレン抜き孔部１１０として、冷却コイル２６と凸段差部１３との間に有する吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）の底面１２ａ１に２つの冷却コイル側ドレン抜き孔部１１０ａと２つのサイレンサ側ドレン抜き孔部１１０ｂの計４つのドレン抜き孔部１１０が設けられている。なお、ドレン抜き孔部１１０の個数は、４つに限定されず、配置も図３（ａ）に示す例に限定されない。

冷却コイル２６と凸段差部１３との間に有する吸気ダクト２６の底面１２ａ１は、プール状となっているので、過冷却時等においてドレンパン２６ｂで回収しきれずに後流側に漏れたドレンが溜まり易い構成となっている。また、凸段差部１３が底面１２ａ１に対して、２５０ｍｍ程度突出する構成となっており、溜まったドレンが凸段差部１３に堰き止められて後流側に流れ難くなっている。このため、当該底面１２ａ１にドレン抜き孔部１１０ａ、１１０ｂを形成することによって、ドレンパン２６ｂで回収しきれずに後流側に漏れたドレンを効率よく回収して、吸気ダクト１２の系外に排出できるようにしている。

また、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ドレン抜き孔部１１０として、凸段差部１３と後流側凸段差部１３ａとの間に有する吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）の底面１２ａ２に４つのドレン抜き孔部１１０ｃが等間隔となるように設けられている。すなわち、凸段差部１３と後流側凸段差部１３ａとの間に有する吸気ダクト２６の底面１２ａ２がプール状となっており、当該底面１２ａ２にドレン抜き孔部１１０ｃが設けられている。また、凸段差部１３の上には、前述したように、サイレンサ４０が設けられている。なお、底面１２ａ２に設けられるドレン抜き孔部１１０の個数は、４つに限定されず、配置も図３（ａ）に示す例に限定されない。

サイレンサ４０は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、吸気の流れ方向に延出するＳＵＳやアルミ等で形成される板状のスプリッタ４０ａが複数鉛直方向に立設される構成となっている。吸気ダクト１２で吸気する際に、サイレンサ４０の各スプリッタ４０ａの表面に結露したドレンが大量に発生して、当該各スプリッタ４０ａの下方に流動することが解明された。このため、本実施形態では、サイレンサ４０で結露されたドレンを効率よく回収するために、サイレンサ４０の後流側に有する吸気ダクト１２の底面１２ａ２にもドレン抜き孔部１１０ｃを設ける構成とした。

このように、本実施形態では、吸気する際に、冷却コイル２６やサイレンサ４０の表面で結露したドレンを効率よく回収するために、冷却コイル２６とサイレンサ４０の後流側に有する吸気ダクトの底面１２ａ１、１２ａ２にドレン抜き孔部１１０を形成した。そして、当該ドレン抜き孔部１１０で回収したドレンを吸気ダクト１２の系外にドレン排出ライン１０２を介して効率よく排出するようにした。このため、冷却コイル２６やサイレンサ４０の表面で結露したドレンが後流側に流れて、圧縮機１４に侵入することを抑制できるので、圧縮機１４へのドレン侵入による故障や損傷等のリスクを低減できる。

なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、ガスタービンプラント、ガスタービンの吸気冷却システムの構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ ガスタービンプラント
１２ 吸気ダクト
１２ａ 水平ダクト
１２ａ１、１２ａ２ （吸気ダクトの）底面
１２ｂ カーブダクト
１２ｃ 鉛直ダクト
１２ｄ マニホールド部
１３ 凸段差部
１３ａ 後流側凸段差部
１４ 圧縮機
１４ａ （圧縮機の）入口
１６ 燃焼器
１８ ガスタービン
２０ 発電機
２２ 吸気入口
２４ プレフィルタ
２６ 冷却コイル（冷却部）
２６ａ チラーコイル
２６ｂ ドレンパン
２６ｃ ドレンマニホールド
２６ｄ ドレン排出ポンプ
２８、２９ 第１の循環路
３０ 第１の循環ポンプ
３２ 冷凍機
３４、３５ 第２の循環路
３６ 第２の循環ポンプ
３８ 冷却塔
４０ サイレンサ
４２ フィルタ
１００ 吸気冷却システム
１０２ ドレン排出ライン
１０６ バルブ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ ドレン抜き孔部

Claims (4)

1. ガスタービンの吸気冷却システムであって、
   吸気入口から取り込まれた吸気を前記ガスタービンの圧縮機に導く吸気ダクトと、
   前記吸気ダクト内に設けられ、外部から導入された冷却媒体との熱交換により前記吸気を冷却する冷却部と、
   前記冷却部の後流側に有する前記吸気ダクトの底面に対して凸状に形成される凸段差部と、
   前記冷却部の後流側に有する前記吸気ダクトの底面に形成され、前記冷却部の表面で発生して滴下するドレンを前記吸気ダクトの外部に排出可能なドレン抜き孔部と、を備えることを特徴とする吸気冷却システム。
2. 前記ドレン抜き孔部は、前記冷却部と前記凸段差部との間に有する前記吸気ダクトの底面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却システム。
3. 前記凸段差部には、前記吸気の際の消音を行うサイレンサが設けられ、
   前記ドレン抜き孔部は、更に前記サイレンサの出口側に有する前記吸気ダクトの底面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の吸気冷却システム。
4. 前記ドレン抜き孔部は、前記ドレンを前記吸気ダクトの系外に排出可能なドレン排出ラインに接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の吸気冷却システム。

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