JP6303700B2 - ガスタービンプラント及びガスタービンプラントの吸気冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンプラント及びガスタービンプラントの吸気冷却方法に関する。

ガスタービンに供給される燃焼用空気は、大気中から吸気ダクトを経てガスタービンの圧縮機に取り込まれる。このような圧縮機では、外気温が上昇する夏期において、圧縮機に吸気される空気の質量が空気密度の低下に伴って減少し、圧縮比が低下してしまう。
そこで、圧縮機の吸気側にミストを噴射することで燃焼用空気を冷却する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４９０４３号公報

ところで、上述の燃焼用空気を冷却する技術においては、圧縮機の高い圧縮比を実現するために、吸気された空気の冷却効率を向上させることが望ましい。しかしながら、上記従来技術では、大気中から吸気口に取り込まれる空気中でミストが十分に蒸発しない場合があり、空気の冷却効率が十分とは言い難かった。そこで、空気の冷却効率を向上させる新たな技術の提供が望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、空気の冷却効率を向上させることが可能なガスタービンプラント及びガスタービンプラントの吸気冷却方法を提供することを目的としている。

本発明のガスタービンプラントは、大気中から空気を吸気する空気取入口を有する吸気部と、前記吸気部で吸気した空気を圧縮し、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって動力を発生するガスタービンと、前記吸気部の上流側にてミストを噴射して前記空気を冷却する吸気冷却部と、前記ガスタービンの排熱が流れる排気ダクトと、を備え、前記吸気冷却部は、前記ガスタービンの排熱を用いて前記ミストを加温する加温部を含み、前記加温部は、前記空気取入口の近傍に位置する前記排気ダクトの表面から熱を吸収する吸熱部を有することを特徴とする。

本発明のガスタービンプラントによれば、加温部で加温されることでミストの平均粒径を小さくすることができる。これにより、空気中に噴射したミストを確実に蒸発させることができ、多量の蒸発潜熱を奪うことで空気の冷却効率を向上させることができる。
また、加温部の熱源として圧縮およびガスタービンの少なくとも一方の排熱を有効利用するので、熱の利用効率が高いプラントが提供される。

上記ガスタービンプラントにおいては、前記ガスタービンの排熱が流れる排気ダクトをさらに備え、前記加温部は、前記排気ダクトの熱を用いることが好ましい。この場合において、前記加温部は、前記排気ダクトのうち前記吸気部の近傍の熱を用いるのが望ましい。
この構成によれば、加温部が排気ダクトの熱を吸収するため、排気ダクトにより温められた外気が吸気部に吸い込まれることが抑制される。特に、加温部が吸気部の近傍に配置することで空気の冷却効率をより向上させることができる。また、加温部の熱源としてガスタービンの排熱が有効利用されるため、熱の利用効率が高いプラントを提供できる。

上記ガスタービンプラントにおいては、前記圧縮機は多段構造を有し、前記加温部は、前記圧縮機の段間の熱を用いることが好ましい。
この構成によれば、加温部が圧縮機の段間の熱を吸収するため、空気が冷えるので圧縮効率を向上させることができる。

上記ガスタービンプラントにおいては、前記圧縮機の出口から前記燃焼器を経ることなく前記ガスタービンの入口に前記圧縮空気をバイパスするバイパス経路をさらに備え、前記加温部は、前記バイパス経路の熱を用いることが好ましい。
この構成によれば、加温部がバイパス経路内を流れる圧縮空気の熱（圧縮機の排熱）を有効利用するので、熱の利用効率が高いプラントが提供される。

本発明のガスタービンプラントの吸気冷却方法は、大気中から空気を吸気する空気取入口を有する吸気部と、前記吸気部で吸気した空気を圧縮し、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって動力を発生するガスタービンと前記ガスタービンの排熱が流れる排気ダクトとを備えたガスタービンプラントの吸気冷却方法であって、前記吸気部の上流側において、前記空気取入口の近傍に位置する前記排気ダクトの表面から吸収した熱を用いて加温したミストを噴射することで前記空気を冷却することを特徴とする。

本発明のガスタービンプラントの吸気冷却方法によれば、加温することでミストの平均粒径を小さくすることができる。これにより、空気中に噴射したミストを確実に蒸発させることができ、多量の蒸発潜熱を奪うことで空気の冷却効率を向上させることができる。
また、加温部の熱源として圧縮およびガスタービンの少なくとも一方の排熱を有効利用するので、プラントにおける熱の利用効率を向上させることができる。

本発明によれば、空気の冷却効率を向上させることができる。

第１実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す図。 第１実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図。 第１実施形態に係る吸気冷却装置空気取入口に対する空気の流れのシミュレーション結果を概念的に示した図。 第１実施形態に係る吸気用建屋と噴射ノズルとの配置関係を示す平面図。 第１実施形態に係る噴射ノズルによって噴射されたミストの流れを概念的に示す図。 第１実施形態に係る吸気冷却装置の要部構成を示す平面図。 第２実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図。 第２実施形態の変形例に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図。 第３実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図。 第３実施形態の変形例に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図。

以下、本発明のガスタービンプラント及びガスタービンプラントの吸気冷却方法に係る一実施例について図面を参照して説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。そして、水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す図である。図２は本実施形態に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図である。
ガスタービンプラント１は、図１、２に示すように、圧縮空気を生成する圧縮機２と、圧縮機２で生成された圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼器３で生成された燃焼ガスによって回転することで動力を発生するガスタービン４と、吸気冷却装置１０と、ガスタービン４から排出された排ガスを利用して給湯を行う排熱回収ボイラ６とを備える。ガスタービン４は、発電機５に連結されており、ガスタービン４で発生した動力が発電機５により電力に変換されるようになっている。排熱回収ボイラ６とガスタービン４とは排気ダクト７を介して接続されている。

吸気冷却装置１０は、外部（大気中）から空気を取り込む吸気用建屋（吸気部）１１と、該吸気用建屋１１に連通し、外部から取り込んだ空気を圧縮機２の吸気側へと導く吸気ダクト（ダクト）１２と、吸気用建屋１１よりも上流側に配置され、ミストを噴射する複数の噴射ノズル１３と、を備えている。なお、吸気用建屋１１は、ガスタービンプラント１の設備の一部を構成するものである。

吸気用建屋１１は立方体形状からなる建屋であり、６つの壁面を有している。吸気用建屋１１は、外気を吸気するための吸気面を３つの壁面に有している。本実施形態において、吸気用建屋１１は、ＸＺ面に平行な２面のうち上流側の壁面１１ａ、及びＺＹ平面に平行な２面である壁面１１ｂ、１１ｃに、吸気面をなす吸気口形成領域２０がそれぞれ設けられている。各壁面１１ａ、１１ｂ、１１ｃにおける吸気口形成領域２０は、大気中に開口された複数の取入口ユニットＡを含む。本実施形態において、各取入口ユニットＡは、例えば、４つの空気取入口２１から構成されており、平面視矩形状を呈する。このような構成に基づき、吸気用建屋１１は、３つの壁面１１ａ、１１ｂ、１１ｃに形成された上記吸気口形成領域２０（空気取入口２１）から大気中から空気を内部に形成された吸気室１４内に導入することが可能とされている。なお、吸気室１４の流路断面積は吸気ダクト１２よりも大きい。

本実施形態において、吸気用建屋１１の壁面１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、複数の空気取入口２１の少なくとも一部、例えば、複数の上記取入口ユニットＡを区画するルーバー２２が突出した状態に形成されている。ルーバー２２は、各壁面１１ａ、１１ｂ、１１ｃに対し、Ｚ方向に亘って延びる長板状の部材から構成される。本実施形態において、壁面１１ａには、６つのルーバー２２がＸ方向に沿って設置され、壁面１１ｂ、１１ｃには、２つのルーバー２２がＹ方向に沿って設置されている。すなわち、本実施形態においては、壁面１１ａにおける上記吸気口形成領域２０は、ルーバー２２により７つの領域に区画され、壁面１１ｂ、１１ｃにおける上記吸気口形成領域２０は、ルーバー２２により３つの領域に区画されている。壁面１１ａ、１１ｂ、１１ｃに形成された上記吸気口形成領域２０のうちルーバー２２により区画された各領域には、それぞれ取入口ユニットＡが３つずつ配置されている。なお、ルーバー２２の数は、吸気用建屋１１の大きさ、空気取入口２１（取入口ユニットＡ）の大きさ或いは数によって適宜設定され、本実施形態に限定されない。

ルーバー２２は、吸気用建屋１１の空気取入口２１への雨や雪が直接的に入り込むのを防止するためのものである。このように吸気用建屋１１は、ルーバー２２を備えることで、空気取入口２１に吸気した空気を効率的に取り込むことが可能とされている。また、ルーバー２２は、後述のように噴射ノズル１３から噴射されて空気中に残留したミストを捕捉する捕捉部材としても機能する。

噴射ノズル１３は、吸気用建屋１１の周囲に配置されている。噴射ノズル１３は、空気取入口２１に取り込まれる空気中に例えば水などの液体をミスト状としたミストＭをミスト噴射口１３ａから噴射するものである。

噴射ノズル１３には、噴射されるミストのもとになる液体を該噴射ノズル１３に供給するための配管１５が接続されており、該配管１５を介してポンプ１６によって液体がタンク１７から噴射ノズル１３に供給されるようになっている。噴射ノズル１３は、上記配管１５に取り付けられることで上記所定位置（空気取入口２１ａの開口端よりも外側、或いは吸気口形成領域２０と平面的に重なる位置）に設置されている。なお、配管１５は、例えば、不図示の領域において吸気用建屋１１から延びる固定部材に固定されていても良いし、吸気用建屋１１とは別の固定部材を介して設置されていてもよい。

ところで、ガスタービンプラント１において圧縮機２の高い圧縮比を実現するためには、吸気冷却装置１０による冷却効率を向上させることが重要である。ここで、吸気冷却装置１０による冷却効率は、噴射ノズル１３から噴射されたミストＭの量に対して、蒸発するミストＭの量の割合により規定される。すなわち、吸気冷却装置１０による冷却効率を向上させるためには、噴射ノズル１３から噴射したミストＭの蒸発量を増大させる必要がある。

ミストＭの蒸発量を増大させるにはミストＭの平均粒径が重要である。本発明者らは、ミストＭの蒸発量を増大させるべく、空気取入口２１に対する空気の流れを考慮するのに加え、液体から気体に相変化する際の沸騰現象に着目した。液体内部で沸騰が生じると気泡が急速に成長し液膜を破断させる力が作用し、ミストの平均粒径が小さくなる。
この現象は、文献（「Ｃ２０３ 太陽熱を利用したガスタービン増出力システム」、日本機械学会（Ｎｏ．１３−１０）第１８回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集（13.6.20,21，千葉）、ｐ．２９９−３００）に示されている。

本実施形態においては、吸気冷却装置１０がミストＭを加温するための加温部９を含んだ構成を採用している。吸気冷却装置１０は、通常６Ｍｐａ、２０℃程度の水を加温部により６０℃〜８０℃程度まで加温し、ミストを噴射することとした。加温されたミストは減圧沸騰が生じる。また、ミストＭは粘性係数が加温前（温度例えば、２７℃で８５３μＰａ・ｓ）から加温後（例えば、温度６７℃で４２４μＰａ・ｓ）へと変化し、表面張力が加温前（例えば、２０℃で７２．８ｄｙｎｅ／ｃｍ）から加温後（例えば、６０℃で６６．２ｄｙｎｅ／ｃｍ）へと変化するため、ミストの平均粒径を小さくする条件が満足される。このように本実施形態においては、加温により平均粒径の小さいミストＭを噴射することが可能である。

本実施形態において、ガスタービンプラント１は、例えば、プラントのスペース的な制約から排気ダクト７と吸気冷却装置１０の吸気用建屋１１が近接した状態に配置されている。排気ダクト７内を流れる排気ガスは、外気に比べて非常に高温である。そのため、排気ダクト７は、内部を流れる排気ガスの影響により表面温度が外気温度に比べて高くなってしまう。これにより、排気ダクト７の周囲の空気は温められて温度が上昇する。

本実施形態において、排気ダクト７は、吸気用建屋１１の上面に近接した位置に設置されている。そのため、排気ダクト７と吸気用建屋１１との間の隙間の外気が温められることで温度上昇してしまう。このように温度上昇した外気は、外側から巻き込まれる空気の流れによって空気取入口２１に吸い込まれることで吸気温度を効率的に低下させる可能性がある。

本実施形態において、加温部９は、排気ダクト７を流れるガスタービン４の排熱を用いている。加温部９は、吸熱部９ａと放熱部９ｂとを有する。吸熱部９ａは、排気ダクト７と熱的に接続されており、排気ダクト７の熱を吸収する。放熱部９ｂは吸熱部９ａに熱的に接続されている。放熱部９ｂは、吸熱部ａが排気ダクト７から吸収した熱を配管１５に供給する。これにより、配管１５内の液体が加温（加熱）される。本実施形態において、放熱部９ｂは、配管１５におけるポンプ１６よりも下流側を加温している。これによれば、配管１５内の液体はポンプ１６で先に加圧されるため、液体の沸騰を防止できる。また、ポンプ１６は、加温前の液体を加圧するため、耐温度が抑えられる。

さらに、本発明者らは、ミストＭの蒸発量を増大させるべく、空気取入口２１に対する空気の流れを考慮してミストを噴射することに着目した。以下の説明では、壁面１１ａに形成された空気取入口２１を例に挙げて説明するが、壁面１１ｂ、１１ｃに形成された空気取入口２１についても同様のシミュレーション結果が得られていることからその詳細については省略する。

図３は、空気取入口２１に対する空気の流れのシミュレーション結果を概念的に示した図であって、図３（ａ）は壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の空気取入口２１に対する空気の流れをＸ軸方向から視た場合のシミュレーション結果を示すものであり、図３（ｂ）は壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の空気取入口２１に対する空気の流れをＺ軸方向から視た場合のシミュレーション結果を示すものである。なお、以下の説明において便宜上、壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の鉛直方向（Ｚ方向）の上方から下方に配置される取入口ユニットＡをこの順に、取入口ユニットＡｚ１、Ａｚ２、Ａｚ３と称すこともある。また、壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の水平方向（Ｘ方向）の一方側（−Ｘ側）から他方側（＋Ｘ側）に配置される取入口ユニットＡをこの順に、Ａｘ１、Ａｘ２、Ａｘ３と称すこともある。

図３（ａ）に示されるように、吸気口形成領域２０の鉛直方向上方（＋Ｚ方向）の外縁部に配置される取入口ユニットＡｚ１（空気取入口２１）には、空気取入口２１に対して外側から巻き込むような空気の流れＫ１が生じることが確認できた。このような空気の流れＫ１は、例えば、吸気用建屋１１の外側の空気が相対的に圧力の低い空気取入口２１に向かって流れ込むことで生じたものと考えられる。一方、外縁部に配置される取入口ユニットＡｚ１とは別、すなわち鉛直方向下方側に設置される取入口ユニットＡｚ２、Ａｚ３には、＋Ｙ方向に沿って一様な空気の流れＫ２が生じることが確認できた。このように壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０においては、鉛直方向における取入口ユニットＡの位置によって異なる空気の流れＫ１、Ｋ２が生じることが確認できた。

また、吸気口形成領域２０の水平方向（Ｘ方向）においても同様の現象が生じている。具体的に、図３（ｂ）に示されるように、吸気口形成領域２０の水平方向（Ｘ方向）の両外縁部に配置された取入口ユニットＡｘ１、Ａｘ３（空気取入口２１）にも、外側から巻き込むような空気の流れＫ１が生じることが確認できた。一方、取入口ユニットＡｘ１とは別の取入口ユニットＡｘ２には、＋Ｙ方向に沿った一様な空気の流れＫ２が生じることが確認できた。

そのため、例えば、取入口ユニットＡｚ１は、該取入口ユニットＡｚ１に対向する位置からミストを噴射したとしても、ミストを含む空気が下方の取入口ユニットＡｚ２、Ａｚ３に流れ込んでしまい、取入口ユニットＡｚ１に取り込まれる空気中に十分な量のミストを供給することができない。

また、例えば、取入口ユニットＡｘ１、Ａｘ３は、該取入口ユニットＡｘ１、Ａｘ３に対向する位置からミストを噴射した場合、ミストを含む空気が中央の取入口ユニットＡｘ２に流れ込んでしまい、取入口ユニットＡｚ１に取り込まれる空気中に十分にミストを供給することができない。

このように吸気口形成領域２０においては、取入口ユニットＡの位置によって空気の流れＫ１、Ｋ２が異なっていることから、空気中に噴射されるミスト量が部分的に異なってしまっていた。そのため、吸気口形成領域２０に吸気される空気を効果的に冷却することができず、結果的に冷却効率が低下しまっていた。なお、このような現象は、壁面１１ｂ、１１ｃに形成された空気取入口２１についても同様であって、取入口ユニットＡの位置によって空気の流れＫ１、Ｋ２が異なっている。

このような問題に対し、本実施形態に係る吸気冷却装置１０は、噴射ノズル１３が第１噴射ノズル１３Ａと第２噴射ノズル１３Ｂとを含む構成を採用する事で上記問題を解決するようにしている。

図４は、本実施形態に係る吸気冷却装置１０における吸気用建屋１１と噴射ノズル１３との配置関係を示す平面図である。図５は、噴射ノズル１３によって噴射されたミストの流れを概念的に示した図である。具体的に、図５（ａ）は壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の空気取入口２１に対するミストの流れをＸ軸方向から視た場合のシミュレーション結果を示すものであり、図５（ｂ）は壁面１１ａに形成された吸気口形成領域２０の空気取入口２１に対するミストの流れをＺ軸方向から視た場合のシミュレーション結果を示すものである。
なお、図４は、壁面１１ａと噴射ノズル１３との配置例を示すものである。以下の説明では、図４を参照し、壁面１１ａに対する噴射ノズル１３の配置を説明するが、壁面１１ｂ、１１ｃに対する噴射ノズル１３の配置についても図１に示されるように同様の条件に基づいてなされたものであることからその詳細については省略する。

図４に示されるように、第１噴射ノズル１３Ａは、吸気用建屋１１を平面視、すなわち壁面１１ａを平面視した場合において、吸気口形成領域２０の外縁部に対応する空気取入口２１ａ（第１の吸気口）の開口端、すなわち該空気取入口２１ａを含む取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１の開口端よりも外側且つ吸気口形成領域２０よりも上流側（外気の導入方向における上流側）に設置されている。なお、吸気口形成領域２０の外縁部に対応する空気取入口２１ａとは、図４においてハッチングで示される領域の空気取入口２１をいう。本実施形態においては、第１噴射ノズル１３Ａを上記空気取入口２１ａの開口端の外側に配置したが、第１噴射ノズル１３Ａは開口端上に設置されていてもよい。

また、第２噴射ノズル１３Ｂは、壁面１１ａを平面視した場合において、吸気口形成領域２０と平面的に重なる位置であり、且つ吸気口形成領域２０よりも上流側（外気の導入方向における上流側）に設置されている。本実施形態において、第２噴射ノズル１３Ｂは、例えば、取入口ユニットＡの中央部に対応する位置に配置されている。なお、第１噴射ノズル１３Ａ及び第２噴射ノズル１３Ｂ（以下、これらを総称してノズル１３Ａ、１３Ｂと称す場合もある）の個数は、該ノズル１３Ａ、１３Ｂから噴射されるミストＭの拡散範囲を考慮して決定されることが好ましい。本実施形態において、ノズル１３Ａ、１３Ｂは、ミスト噴射口１３ａを吸気方向と１８０度反対方向（＋Ｙ方向）に向けるように配置されている。

本実施形態において、ルーバー２２は、ＹＺ面に平行な面を有する板状部材から構成されている。また、複数のノズル１３Ａ、１３Ｂは、例えば、板状のルーバー２２の面と平行な面内に設置されている。すなわち、複数のノズル１３Ａ、１３ＢはＹＺ面と平行な面内に設置されている。なお、ノズル１３Ａ、１３Ｂとルーバー２２との位置関係は上記に限定されない。例えば、ノズル１３Ａ、１３Ｂは、ルーバー２２の面と平行な面（ＹＺ面へ平行な面）と交差する面にミスト噴射口が位置するように設置してもよい。この場合、噴射したミストＭがルーバー２２に向かって拡散することでルーバー２２に付着させ易くなる。ルーバー２２に付着したミストＭは、ルーバー２２間を通り抜けて空気取入口２１に吸気される空気に触れることで蒸発する。よって、空気取入口２１に吸気される空気をより一層効率的に冷却することが可能となる。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１、Ａｘ３の開口端よりも外側に配置された第１噴射ノズル１３Ａから噴射されたミストＭは、吸気口形成領域２０の外側から巻き込む流れＫ１の空気中に良好に取り込まれることで取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１、Ａｘ３（空気取入口２１）に吸気されるまでの間に概ね蒸発する。これにより、取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１、Ａｘ３に取り込まれる空気は、ミストＭが蒸発した際の蒸発潜熱（気化熱）により冷却される。

一方、吸気口形成領域２０と平面的に重なる位置に配置された第２噴射ノズル１３Ｂから噴射されたミストＭは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、＋Ｙ方向に沿って一様な空気の流れＫ２に良好に取り込まれることで取入口ユニットＡｚ２、Ａｚ３、Ａｘ２（空気取入口２１）に吸気されるまでの間に概ね蒸発する。これにより、取入口ユニットＡｚ２、Ａｚ３、Ａｘ２に取り込まれる空気は、ミストＭが蒸発した際の蒸発潜熱（気化熱）により冷却される。

以上のように、本実施形態に係る吸気冷却装置１０によれば、空気取入口２１の位置によって空気の流れＫ１、Ｋ２が異なる場合であっても、第１噴射ノズル１３Ａ及び第２噴射ノズル１３Ｂを含む噴射ノズル１３を備えることで、空気中の全体に亘ってミストを均一に供給することが可能とされている。

図６は、吸気冷却装置１０の要部構成を示す平面図である。
図６に示すように、吸気冷却装置１０は、吸気室１４（吸気用建屋１１）内に設けられたフィルタ部材（捕捉部材）１８と、塵埃フィルタ部材１９と、を有している。

フィルタ部材１８は、吸気室１４の壁面に設けられ、噴射ノズル１３から噴射されたミストＭのうちルーバー２２に付着することなく、且つ蒸発せずに空気に同伴して飛翔してくるものを捕集するためのものである。フィルタ部材１８としては、例えば、長繊維グラスファイバ製パッドを用いることが好ましい。これによれば、フィルタ部材１８の内部に捕集したミストＭをより多く保持して、フィルタ部材１８内におけるミストＭの蒸発によって空気をより一層効率的に冷却できる。なお、フィルタ部材１８は、従来のエバポレーティブクーラに用いられている冷却メディアであってもよく、特に限定されない。

塵埃フィルタ部材１９は、吸気室１４内から吸気した空気中の塵埃を除去するためのものである。なお、塵埃フィルタ部材１９は、フィルタ部材１８の下流側に設けられるのが好ましい。これによれば、塵埃を除去するための塵埃フィルタ部材１９にミストが到達する前にフィルタ部材１８によってミストＭを捕捉できるので、塵埃フィルタ部材１９がミストＭで濡れることで捕集した塵埃が膜を形成し、圧力損失が上昇してしまうといった不具合の発生を防止することが可能である。

なお、塵埃フィルタ部材１９としては、例えば、以下に示す３つのタイプのいずれかを用いることができる。第１のタイプは、中性能フィルタが１つ設けられたものである。第２のタイプは、中性能フィルタと、中性能フィルタの下流側にこれと所定距離を隔てて設けられたＨＥＰＡフィルタ（High Efficiency Particulate Air filter）とからなる。第３のタイプは、中性能フィルタと、中性能フィルタの下流側にこれと所定距離を隔てずに一体化して設けられたＨＥＰＡフィルタとからなる。

なお、上記フィルタ部材１８は、複数（例えば、２つ）の部材から構成されていても良い。この場合において、一方のフィルタ部材１８を吸気室１４内のうち塵埃フィルタ部材１９の上流側であって空気取入口２１に近い側（以下、上流側と称す場合もある）に設置し、他方のフィルタ部材１８を吸気室１４内のうち塵埃フィルタ部材１９の上流側であって該塵埃フィルタ部材１９に近い側（以下、下流側と称す場合もある）に設置すればよい。

また、上流側に設置されるフィルタ部材１８は、下流側に配置されるフィルタ部材１８よりも目の粗い濾材からなるものを用いるのが好ましい。このようにすれば、例えば、空気中に噴射されたミストＭがルーバー２２に付着することなく、且つ蒸発せずに空気取入口２１内に入り込んでしまった場合であっても、空気中に残存した比較的大粒径のミストＭを、上流側のフィルタ部材１８で予め捕集することが可能となり、上流側のフィルタ部材１８で捕集されずに飛翔してきた小粒径のミストＭを下流側のフィルタ部材１８で確実に捕集する事が可能となる。よって、圧縮機２側へのミストＭの入り込みによる圧縮効率の低下をより確実に防止することができる。

続いて、上記構成を備えるガスタービンプラント１の動作について説明するとともに、本発明の吸気冷却方法の一実施例についても説明する。

ガスタービンプラント１は、吸気冷却装置１０により吸気された空気を圧縮機２によって圧縮し、該圧縮機２で生成された圧縮空気を用いて燃焼器３により燃焼ガスを生成し、該燃焼器３で生成した燃焼ガスによってガスタービン４を回転させる。そして、ガスタービン４で発生した動力を発電機５により電力に変換する。

吸気冷却装置１０は、取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１、Ａｘ３の開口端よりも外側に配置された第１噴射ノズル１３ＡからミストＭを大気中に噴射する。これにより、第１噴射ノズル１３Ａから噴射されたミストＭは、吸気口形成領域２０の外側から巻き込む流れＫ１の空気中に良好に取り込まれることで下流側に進む。

また、吸気冷却装置１０は、吸気口形成領域２０と平面的に重なる位置に配置された第２噴射ノズル１３ＢからミストＭを大気中に噴射する。これにより、第２噴射ノズル１３Ｂから噴射されたミストＭは、一様な流れＫ２の空気中に良好に取り込まれることで下流側に進む。

本実施形態においては、図２に示したように、ミストＭが加温部９（放熱部９ｂ）で加温されることで平均粒径が小さくなっている。そのため、空気の流れＫ１に取り込まれたミストＭは、取入口ユニットＡｚ１、Ａｘ１、Ａｘ３（空気取入口２１）に吸気されるまでの間に十分に蒸発する。また、一様な流れＫ２の空気中に取り込まれたミストＭは、取入口ユニットＡｚ２、Ａｚ３、Ａｘ２（図４参照）の空気取入口２１に入り込むまでの間に十分に蒸発する。よって、多量の蒸発潜熱が空気から奪われ、空気の冷却効率を向上させることができる。
さらに、本実施形態では、図２に示したように、加温部９（吸熱部９ａ）が排気ダクト７の熱を吸収するため、排気ダクト７により温められた外気が空気取入口２１に吸い込まれることが抑制される。これにより、空気の冷却効率をより向上させることができる。また、加温部９の熱源としてガスタービン４の排熱を有効利用するので、熱の利用効率が高いプラントが提供される。

このように本実施形態によれば、吸気口形成領域２０に吸気される空気であって、異なる流れＫ１、Ｋ２を含むことで不均一な流れの空気中においてミストＭを良好に蒸発させることができる。よって、複数の空気取入口２１から吸気される空気の全体に十分な蒸発潜熱を生じさせることで高い冷却効率を得ることができる。

また、本実施形態に係るガスタービンプラント１によれば、排熱回収ボイラ６を備えることでガスタービン４の排熱を有効利用が可能な熱の利用効率が高いプラントが提供される。

また、吸気冷却装置１０は、ルーバー２２を備えるので、空気取入口２１内に雨、雪、或いは風が直接的に入り込むのを防止することができる。また、噴射ノズル１３から噴射されたミストＭの一部は、ルーバー２２に付着することで捕捉される。すなわち、ルーバー２２は、ミストＭの一部を捕捉する捕捉部材として機能する。ルーバー２２に付着したミストＭは、ルーバー２２間を通り抜けて空気取入口２１に吸気される空気に触れることで蒸発する。よって、空気取入口２１に吸気される空気をより一層効率的に冷却することが可能となる。

また、吸気冷却装置１０は、噴射ノズル１３の下流側にフィルタ部材１８が設けられているので、例えば、空気中に噴射されたミストＭがルーバー２２に付着することなく、且つ蒸発せずに空気取入口２１内に入り込んでしまった場合であっても、空気中に残存したミストＭをフィルタ部材１８によって捕捉することができる。よって、空気がフィルタ部材１８を通過する際に該フィルタ部材１８に捕捉されたミストＭを蒸発させることで空気の冷却効率を高めつつ、圧縮機２側にミストＭが入り込むことによって圧縮効率が低下するといった不具合の発生を防止することができる。

また、吸気冷却装置１０は、塵埃フィルタ部材１９を備えるので、吸気室１４内から吸気した空気中に含まれた塵埃を確実に除去することができる。よって、塵埃が圧縮機２側に導かれることで圧縮効率が低下するといった不具合の発生が防止される。

以上述べたように、本実施形態に係るガスタービンプラント１によれば、加温したミストＭを噴射する上記吸気冷却装置１０を備えることで圧縮機２に導かれる空気の冷却効率が向上するので、高い出力を得ることができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、加温部の熱源である。そのため、以下では、加温部の構成を主体に説明し、上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略若しくは簡略化する。

図７は第２実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成を示す平面図である。本実施形態に係るガスタービンプラント３０は、図７に示すように、圧縮機３１、燃焼器３、ガスタービン４、吸気冷却装置１０および排熱回収ボイラ６を備える。本実施形態において、圧縮機３１は、前段である前段圧縮部（前段タービン翼部）３１ａと、後段である後段圧縮部（後段タービン翼部）３１ｂとを含む２段圧縮構造を有する。

本実施形態において、吸気冷却装置１０は、加温部３９として圧縮機３１の段間の熱を用いたものを備えている。加温部３９は、吸熱部３９ｂと放熱部３９ａとを有する。吸熱部３９ｂは、前段圧縮部３１ａおよび後段圧縮部３１ｂの段間に設けられた放熱管の熱を吸収する。放熱部３９ａは吸熱部３９ｂに熱的に接続されている。放熱部３９ａは、吸熱部３９ｂが圧縮機３１の段間から吸収した熱を配管１５に供給する。これにより、配管１５内の液体が加温（加熱）される。本実施形態において、放熱部３９ａは、配管１５におけるポンプ１６よりも下流側を加温している。これによれば、配管１５内の液体はポンプ１６で先に加圧されるため、液体の沸騰を防止できる。また、ポンプ１６は、加温前の液体を加圧するため、耐温度が抑えられる。

本実施形態においても、加温部３９が加温することで平均粒径の小さいミストＭを噴射することができるので、空気中に噴射したミストＭを効率良く蒸発させることができる。よって、空気の冷却効率をより向上させることができる。

本実施形態では、加温部３９が圧縮機３１の段間の熱を吸収するため、空気が冷えるので圧縮効率を向上させることができる。また、加温部３９の熱源として段間の熱（排熱）を有効利用するので、熱の利用効率が高いプラントが提供される。

なお、本実施形態では、加温部３９が圧縮機３１の段間の熱を間接的に配管１５に供給する場合を例に挙げたが、これに限定されない。図８は第２実施形態の変形例に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図である。図８に示すように、加温部３９が圧縮機３１の段間の熱を直接的に配管１５に供給するようにしても良い。この場合、配管１５を圧縮機３１の段間に直接引き回し、加温部３９の放熱部３９ａによって配管１５を直接加熱することができる。本構成においては、加温部３９は放熱部３９ａのみから構成される。本変形例においても、放熱部３９ａは、配管１５におけるポンプ１６よりも下流側を加温している。これによれば、配管１５内の液体はポンプ１６で先に加圧されるため、液体の沸騰を防止できる。また、ポンプ１６は、加温前の液体を加圧するため、耐温度が抑えられる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態と上記実施形態との違いは、加温部の熱源である。そのため、以下では、加温部の構成を主体に説明し、上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略若しくは簡略化する。

図９は第３実施形態におけるガスタービンプラントの概略構成を示す平面図である。本実施形態に係るガスタービンプラント４０は、図９に示すように、圧縮機２、燃焼器３、ガスタービン４、吸気冷却装置１０および排熱回収ボイラ６を備える。

ところで、燃焼器３で生成された燃焼ガスは非常に高温（例えば、１５００℃）になる。そのため、ガスタービン４の翼部（静翼および動翼）あるいは燃焼器３は非常に高温となってしまう。通常は、圧縮機２から燃焼器３（燃焼部）を経由することなく直接タービン内部の翼部あるいは燃焼器３に圧縮空気を導くためのバイパス経路２ａを設けている。圧縮機２で圧縮された圧縮空気の温度は、圧縮機出口において例えば３００〜４００℃程度である。バイパス経路２ａを介してタービン内部の翼部あるいは燃焼器３に供給された圧縮空気は、当該翼部あるいは燃焼器３に比べて十分に低温となる。よって、圧縮空気を供給することで翼部（静翼および動翼）あるいは燃焼器３を冷却することができる。よって、翼部（静翼および動翼）あるいは燃焼器３における熱による負荷を軽減することで、これらの製品寿命を延ばすことができる。

本実施形態において、吸気冷却装置１０は、加温部４９としてバイパス経路２ａを流れる圧縮空気の熱を用いたものを備えている。加温部４９は、吸熱部４９ｂと放熱部４９ａとを有する。吸熱部４９ｂは、バイパス経路２ａ内を流れる圧縮空気の熱を吸収する。放熱部４９ａは吸熱部４９ｂに熱的に接続されている。放熱部４９ａは、吸熱部４９ｂが圧縮空気から吸収した熱を配管１５に供給する。これにより、配管１５内の液体が加温（加熱）される。

本実施形態では、吸熱部４９ｂがバイパス経路２ａ内の圧縮空気から熱を吸収するため、圧縮空気の温度を低下させることができる。よって、圧縮空気自体の冷却能力が高まるので、少量の圧縮空気であっても翼部（静翼および動翼）あるいは燃焼器３を効率良く冷却することが可能となる。よって、バイパス経路２ａにバイパスさせる圧縮空気を減らすことができるので、圧縮機２における動力損失を低減させることができる。

本実施形態においても、加温部４９が加温することで平均粒径の小さいミストＭを噴射することができるので、空気中に噴射したミストＭを効率良く蒸発させることができる。よって、空気の冷却効率をより向上させることができる。

本実施形態では、加温部４９の熱源としてバイパス経路２ａ内を流れる圧縮空気の熱（圧縮機２の排熱）を有効利用するので、熱の利用効率が高いプラントが提供される。

なお、本実施形態では、加温部４９がバイパス経路２ａ内の圧縮空気からの熱を間接的に配管１５に供給する場合を例に挙げたが、これに限定されない。図１０は第３実施形態の変形例に係るガスタービンプラントの概略構成を示す平面図である。図１０に示すように、加温部４９がバイパス経路２ａ内の圧縮空気からの熱を直接的に配管１５に供給するようにしても良い。この場合、配管１５を圧縮機３１の段間に直接引き回し、加温部４９の放熱部４９ａによって配管１５を直接加熱することができる。本構成においては、加温部４９は放熱部４９ａのみから構成される。本変形例においても、放熱部４９ａは、配管１５におけるポンプ１６よりも下流側を加温している。これによれば、配管１５内の液体はポンプ１６で先に加圧されるため、液体の沸騰を防止できる。また、ポンプ１６は、加温前の液体を加圧するため、耐温度が抑えられる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることは無く、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、ミストＭを加温する熱源としては、上記実施形態に限定されることは無く、加温部の熱源として各実施形態の構成を組み合わせたものを採用しても良い。

また、上記実施形態では、吸気用建屋１１において、ルーバー２２がＺ方向に沿って延びる長板状の部材から構成される場合を例に挙げたが、ルーバー２２の形状はこれに限定されず、例えばＸ方向或いはＹ方向に沿って延びる長板状の部材から構成されていてもよい。また、吸気用建屋１１がルーバー２２を有していなくても良い。
また、第１実施形態においても、図８、１０に示した変形例のように、加温部９が排気ダクト７を流れるガスタービン４の排熱を直接的に配管１５に供給するようにしても良い。この場合、配管１５をダクト７に直接引き回すようにすればよい。

１、３０、４０、５０…ガスタービンプラント、２…圧縮機、２ａ…バイパス経路、３…燃焼器、４、３１…ガスタービン、５…発電機、６…排熱回収ボイラ（排熱回収部）、８…蒸気タービン、９、３９、４９、５９…加温部、７…排気ダクト、１０…吸気冷却装置（吸気冷却部）、１３…噴射ノズル、２１…空気取入口（吸気部）、５１…復水器、Ｍ…ミスト。

Claims (4)

1. 大気中から空気を吸気する空気取入口を有する吸気部と、
   前記吸気部で吸気した空気を圧縮し、圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって動力を発生するガスタービンと、
   前記吸気部の上流側にてミストを噴射して前記空気を冷却する吸気冷却部と、
   前記ガスタービンの排熱が流れる排気ダクトと、を備え、
   前記吸気冷却部は、前記ガスタービンの排熱を用いて前記ミストを加温する加温部を含み、
   前記加温部は、前記空気取入口の近傍に位置する前記排気ダクトの表面から熱を吸収する吸熱部を有することを特徴とするガスタービンプラント。
2. 前記排気ダクトは、前記吸気部の上面に近接した状態となるように引き回されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンプラント。
3. 大気中から空気を吸気する空気取入口を有する吸気部と、前記吸気部で吸気した空気を圧縮し、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって動力を発生するガスタービンと前記ガスタービンの排熱が流れる排気ダクトとを備えたガスタービンプラントの吸気冷却方法であって、
   前記吸気部の上流側において、前記空気取入口の近傍に位置する前記排気ダクトの表面から吸収した熱を用いて加温したミストを噴射することで前記空気を冷却することを特徴とするガスタービンプラントの吸気冷却方法。
4. 前記排気ダクトは、前記吸気部の上面に近接した状態となるように引き回されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンプラントの吸気冷却方法。

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