JP6691397B2

JP6691397B2 - 吸気加熱装置及びガスタービン

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Publication number: JP6691397B2
Application number: JP2016042697A
Authority: JP
Inventors: 克人佐々木; 大輔村岡; 翔畑尾; 明仁石井; 陽大上
Original assignee: IHI Power Systems Co Ltd
Current assignee: IHI Power Systems Co Ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: JP2017155736A

Description

本発明は、吸気加熱装置及びガスタービンに関するものである。

内燃機関の吸気流体を加熱する吸気加熱装置として、下記特許文献１には、ガスタービンの空気予熱システムが開示されている。ガスタービンを用いた発電設備等においては、定格負荷だけでなく部分負荷でも高効率を望む声が増えている。ガスタービンは、吸気温度によって出力特性が変わり、吸気温度を下げると出力が増加、吸気温度を上げると出力が減少する特徴がある。この性質を利用し、ガスタービンを部分負荷で運転する代わりに、吸気温度を上げることで、電力需要が少ない場合でもガスタービンを定格で運転することが可能となる。

特開２０１０−１２１６２３号公報

ところで、上記先行技術では、ガスタービン排熱を利用する排熱回収ボイラからの蒸気を、吸気流体を加熱する加熱器の熱交換流路に流通させ、吸気温度を上げている。しかしながら、ガスタービンの吸気流体の加熱量は、常に一定ではなく、発電需要や外気条件（温度、湿度、大気圧）、ガスタービン運転条件、蒸気条件等によって変化する。この場合、熱媒体である蒸気量を制御する必要があるが、熱交換流路の伝面（表面積）は一定であるため、供給する熱媒体の量によっては、表面温度にムラが生じることがある。例えば、吸気流体の加熱量が極端に少ない場合、蒸気量も少なくなるため、熱交換流路の蒸気入口付近のみ温度が高くなる等、熱交換流路の伝面の表面温度にムラが生じる。そうすると、吸気流体の温度にもムラが生じ、ガスタービンが許容する吸気温度分布を満足せず、ガスタービンを正常に運転できない場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、吸気流体の加熱量が増減しても吸気流体の温度のムラを低減できる吸気加熱装置及びガスタービンの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、内燃機関の吸気口に接続された吸気流路と、前記吸気流路を流通する吸気流体を加熱する加熱器と、を有する吸気加熱装置であって、前記加熱器は、前記吸気流路において前記吸気流体と熱交換する熱媒体を流通させる複数の熱交換流路を有し、前記複数の熱交換流路は、第１の向きに前記熱媒体を流通させる第１の熱交換流路と、前記第１の熱交換流路とは反対の第２の向きに前記熱媒体を流通させる第２の熱交換流路と、を含む、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記第１の熱交換流路と前記第２の熱交換流路は、交互に配置されている、ことを特徴とする、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記複数の熱交換流路は、前記熱媒体を流通させる方向において分割されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記熱媒体を流通させる方向は、前記吸気流路の断面形状の長手方向である、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記第１の熱交換流路と前記第２の熱交換流路は、前記吸気流体が流通する方向において、交互に配置されており、前記複数の熱交換流路に対して選択的に前記熱媒体を供給可能な熱媒体供給装置と、前記吸気流体の加熱量に応じて、前記熱媒体を流通させる前記第１の熱交換流路と前記第２の熱交換流路の数を交互に増減させるように前記熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、吸気流体を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサで圧縮された前記吸気流体を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで回転するタービンと、を有するガスタービンであって、前記コンプレッサの吸気口に、先に記載の吸気加熱装置が接続されている、という構成を採用する。

本発明によれば、吸気流体が吸気流路において、第１の向きに熱媒体を流通させる第１の熱交換流路と、第１の熱交換流路とは反対の第２の向きに熱媒体を流通させる第２の熱交換流路とによって加熱される。例えば、吸気流体の加熱量が極端に少なく、熱媒体の供給量も少ない場合は、熱交換流路の入口付近の温度が高く、熱交換流路の出口付近の温度が低くなり易いが、第１の熱交換流路と第２の熱交換流路は、熱媒体の流れが反対向きであるため、一方の出口付近の低温加熱が他方の入口付近の高温加熱によって補われ、結果として吸気流体の温度が一様になる。
したがって、本発明では、吸気流体の加熱量が増減しても吸気流体の温度のムラを低減できる。

本発明の第１実施形態における吸気加熱装置を備える発電設備の構成図である。本発明の第１実施形態における吸気流路おける加熱器の配置を示す斜視図である。本発明の第１実施形態における加熱器の熱交換流路の構成を示す正面図である。ＣＦＤシミュレーションで用いた吸気加熱装置の解析モデルにおける熱交換流路の配置及び熱媒体の流れを示す模式図である。解析モデル（従来の形態）のＣＦＤシミュレーション結果であって、（ａ）は吸気流路の全体に亘る温度分布を示し、（ｂ）はガスタービンの吸気口における温度分布を示す。解析モデル（本発明の一実施形態）のＣＦＤシミュレーション結果であって、（ａ）は吸気流路の全体に亘る温度分布を示し、（ｂ）はガスタービンの吸気口における温度分布を示す。解析モデル（本発明の一実施形態）のＣＦＤシミュレーション結果であって、（ａ）は吸気流路の全体に亘る温度分布を示し、（ｂ）はガスタービンの吸気口における温度分布を示す。本発明の第２実施形態における吸気加熱装置を備える発電設備の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における吸気加熱装置３０を備える発電設備１の概略構成図である。
発電設備１は、図１に示すように、ガスタービン発電機１０と、排熱回収ボイラ２０と、を備えるコージェネレーション発電設備である。ガスタービン発電機１０は、ガスタービン１１と、発電機１２と、を備える。

ガスタービン１１は、コンプレッサ１３と、燃焼器１４と、タービン１５と、後述する吸気加熱装置３０と、を備える。コンプレッサ１３は、タービン１５と同軸で接続されており、タービン１５の回転によって回転し、吸気流体を圧縮して燃焼器１４に供給する。コンプレッサ１３の入口には、インレットガイドベーン１３ａが設けられており、吸気量が制御される。また、コンプレッサ１３には、ブリード弁１３ｂが設けられており、圧力が規定値を超えないように制御される。

燃焼器１４は、コンプレッサ１３によって圧縮された圧縮流体と、燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。タービン１５は、燃焼器１４において生成された燃焼ガスによって回転し、当該回転によって得られた回転エネルギーを回転軸を通じてコンプレッサ１３及び発電機１２に伝達する。発電機１２は、タービン１５から伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

排熱回収ボイラ２０は、ボイラ本体２１と、低圧側予熱器２２と、低圧側スチームドラム２３と、低圧側蒸発器２４と、低圧側過熱器２５と、高圧側予熱器２６と、高圧側スチームドラム２７と、高圧側蒸発器２８と、高圧側過熱器２９と、を備える。ボイラ本体２１は、タービン１５の排気口と接続され、タービン１５を回転させた後の燃焼排ガスが供給される。燃焼排ガスは、ボイラ本体２１を流通する過程で熱回収され、ボイラ本体２１の後端に設けられた煙突２１ａから排気される。

低圧側予熱器２２は、ボイラ本体２１において最下流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって水を予熱する。低圧側予熱器２２は、ポンプ２２ａによって水の一部を循環させる。低圧側予熱器２２は、蒸気タービンの復水器から水を供給されてもよい。低圧側予熱器２２で予熱された水は、低圧側スチームドラム２３に供給される。低圧側スチームドラム２３は、供給された水を低圧側蒸発器２４に導入し、蒸気を生成させる。低圧側スチームドラム２３には、脱気器２３ａが設けられており、空気やその他の溶解ガスを除去するように構成されている。

低圧側蒸発器２４は、ボイラ本体２１において低圧側予熱器２２よりも上流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱し、蒸気を生成する。蒸気は、低圧側スチームドラム２３に導入される。低圧側スチームドラム２３に導入された蒸気の一部は、低圧側過熱器２５に供給される。低圧側過熱器２５は、ボイラ本体２１において低圧側蒸発器２４よりも上流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって蒸気を過熱し、蒸気タービン等に供給する。低圧側スチームドラム２３に導入された蒸気の残部は、後述する吸気加熱装置３０に供給される。

低圧側スチームドラム２３に導入された水の一部は、ポンプ２３ｂによって高圧側予熱器２６に供給される。なお、ポンプ２３ｂによって輸送される水の一部は、高圧側予熱器２６をバイパスして、高圧側過熱器２９に供給される。高圧側予熱器２６は、ボイラ本体２１において低圧側過熱器２５よりも上流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって水を予熱する。高圧側予熱器２６で予熱された水は、高圧側スチームドラム２７に供給される。高圧側スチームドラム２７は、供給された水を高圧側蒸発器２８に導入し、蒸気を生成させる。

高圧側蒸発器２８は、ボイラ本体２１において高圧側予熱器２６よりも上流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって水を加熱し、蒸気を生成する。蒸気は、高圧側スチームドラム２７に導入される。高圧側スチームドラム２７に導入された蒸気は、高圧側過熱器２９に供給される。高圧側過熱器２９は、ボイラ本体２１において高圧側蒸発器２８よりも上流側に配置され、燃焼排ガスとの熱交換によって蒸気を過熱し、蒸気タービン等に供給する。

吸気加熱装置３０は、吸気流路３１と、加熱器３２と、熱媒体供給装置３３と、制御装置３４と、を備える。吸気流路３１は、コンプレッサ１３の吸気口に接続され、吸気流体として外気を吸気する。加熱器３２は、吸気流路３１を流通する吸気流体を加熱する。加熱器３２は、吸気流路３１において、吸気流体と熱交換する熱媒体を流通させる熱交換器であり、吸気流路３１に介装された複数の熱交換流路（後述する図３参照）を備える。

熱媒体供給装置３３は、加熱器３２に熱媒体として蒸気を供給する。熱媒体供給装置３３は、蒸気管３５と、流量調節弁３６と、開閉弁３７と、を備える。蒸気管３５は、低圧側スチームドラム２３と加熱器３２とを接続し、低圧側スチームドラム２３から加熱器３２に蒸気を供給する。流量調節弁３６は、蒸気管３５を流通する蒸気の流量を調節する。開閉弁３７は、蒸気管３５において流量調節弁３６の下流側に設けられ、蒸気管３５を開閉する。なお、加熱器３２に供給された蒸気は、脱気器等に排出される。

制御装置３４は、熱媒体供給装置３３（流量調節弁３６及び開閉弁３７）を制御する。吸気流路３１には、加熱器３２とガスタービン１１の入口との間に温度センサ３８が複数取り付けられている。温度センサ３８は、加熱器３２によって加熱されてガスタービン１１に吸気される吸入流体の温度を測定する。温度センサ３８の測定結果は、制御装置３４に送られる。

制御装置３４は、吸気流体の加熱量に基づいて、熱媒体供給装置３３を制御する。具体的に、制御装置３４は、外気温度、外気湿度、大気圧、インレットガイドベーン１３ａの開度、ブリード弁１３ｂの開度、電力需要、吸気流体の目標温度、温度センサ３８の測定温度から吸気流体の加熱量を算出する。制御装置３４は、算出した吸気流体の加熱量に基づいて、例えば、吸気流体の目標温度に対して温度センサ３８の測定温度が低いときは、流量調節弁３６の開度を大きくし、また、吸気流体の目標温度に対して温度センサ３８の測定温度が高いときは、流量調節弁３６の開度を小さくする。

図２は、本発明の第１実施形態における吸気流路３１おける加熱器３２の配置を示す斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態における加熱器３２の熱交換流路５０の構成を示す正面図である。なお、これらの図には、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ことがある。水平面内の所定方向をＸ軸方向（吸気流体の排出方向）、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軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

吸気流路３１は、図２に示すように、Ｙ軸方向に延びる水平ダクト４０と、水平ダクト４０の中央部から鉛直下方に延びる鉛直ダクト４１と、を備える略Ｔ字状に形成されている。水平ダクト４０は、Ｙ軸方向に延在する略矩形状のダクトである。水平ダクト４０の断面形状は、Ｚ軸方向よりもＸ軸方向に長い。水平ダクト４０は、Ｙ軸方向における一端部４０ａと他端部４０ｂから外気を吸入する。水平ダクト４０の一端部４０ａと他端部４０ｂには、それぞれ加熱器３２が介装されている。なお、加熱器３２の上流側には、図示しない吸気フィルター等が設けられている。

鉛直ダクト４１は、Ｚ軸方向に延在する略矩形状のダクトであり、水平ダクト４０の中央部に接続される。鉛直ダクト４１には、水平ダクト４０の一端部４０ａと他端部４０ｂのそれぞれから吸気されて加熱器３２で加熱された吸気流体が合流して導入される。鉛直ダクト４１の一端部４１ａに導入された吸気流体は、消音器４２を通り、鉛直ダクト４１他端部４１ｂからガスタービン１１に供給される。鉛直ダクト４１の他端部４１ｂは、鉛直ダクト４１の下端部においてＸ軸方向を向いて環状に開口している。

加熱器３２は、図３に示すように、吸気流体と熱交換する熱媒体（蒸気）を流通させる複数の熱交換流路５０を有する。複数の熱交換流路５０は、図示しないケーシングに収容され、ＸＺ平面上においてパネル状（平面状）に配置されている。蒸気管３５は、分岐して複数の熱交換流路５０のそれぞれに接続されている。複数の熱交換流路５０は、ベアコイル、フィンコイル等の複数の蒸気コイルから構成されている。本実施形態の熱交換流路５０は、ヘッダー５１，５２と、チューブ５３と、図示しないフィンと、を備える。

ヘッダー５１，５２は、Ｚ軸方向に延び、Ｘ軸方向に間隔をあけて一対で設けられている。ヘッダー５１には、熱媒体が供給される入口部５４が設けられている。ヘッダー５２には、熱媒体を排出する出口部５５が設けられている。出口部５５は、吸気流体との熱交換によって凝縮した熱媒体（水）を排出するため、ヘッダー５２の下端部に設けられている。チューブ５３は、Ｘ軸方向に延び、Ｚ軸方向に間隔をあけてヘッダー５１，５２の間に複数設けられている。チューブ５３の間には、図示しないフィンが複数架設される。

複数の熱交換流路５０は、第１の向き（Ｘ軸方向における−側）に熱媒体を流通させる第１の熱交換流路５０Ａと、第１の熱交換流路５０Ａとは逆向きの第２の向き（Ｘ軸方向における＋側）に熱媒体を流通させる第２の熱交換流路５０Ｂと、を含む。本実施形態では、Ｚ軸方向における上段に配置された熱交換流路５０が、第１の熱交換流路５０Ａから形成されている。また、Ｚ軸方向における中断に配置された熱交換流路５０が、第２の熱交換流路５０Ｂから形成されている。また、Ｚ軸方向における下段に配置された熱交換流路５０が、第１の熱交換流路５０Ａから形成されている。このように、複数の熱交換流路５０は、吸気流体が流通する方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ方向）において、互い違いに配置されている。

また、上段、中段、下段の熱交換流路５０は、それぞれ熱媒体を流通させる方向において分割されている。ここで、熱媒体を流通させる方向とは、図２に示す吸気流路３１（水平ダクト４０）の断面形状の長手方向（Ｘ軸方向）とされている。すなわち、上段の熱交換流路５０は、Ｘ軸方向において２つの第１の熱交換流路５０Ａから形成されている。また、中段の熱交換流路５０は、Ｘ軸方向において２つの第２の熱交換流路５０Ｂから形成されている。また、下段の熱交換流路５０は、Ｘ軸方向において２つの第１の熱交換流路５０Ａから形成されている。

続いて、図４及び図５〜図７に示すＣＦＤシミュレーション結果を参照して、上記構成の吸気加熱装置３０の作用効果について説明する。
図４は、ＣＦＤシミュレーションで用いた吸気加熱装置３０の解析モデル３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（図５〜図７参照）における熱交換流路５０の配置及び熱媒体の流れを示す模式図である。図５〜図７は、解析モデル３０Ａ，３０Ｂ，３０ＣのＣＦＤシミュレーション結果であって、（ａ）は吸気流路３１の全体に亘る温度分布を示し、（ｂ）はガスタービン１１の吸気口（鉛直ダクト４１の他端部４１ｂ）における温度分布を示す図である。なお、図５〜図７において、ＣＦＤシミュレーションの解析条件（蒸気量、蒸気温度等）は同じである。

解析モデル３０Ａ（従来の形態）は、図４（ａ）に示すように、上段、中段、下段の熱交換流路５０が熱媒体を流通させる方向において分割されておらず、また、上段、中段、下段の熱交換流路５０において熱媒体を流通させる方向が同一である。
また、解析モデル３０Ｂ（本発明の一実施形態）は、図４（ｂ）に示すように、上段、中段、下段の熱交換流路５０が熱媒体を流通させる方向において分割されていないが、上段と下段の熱交換流路５０が第１の熱交換流路５０Ａから形成され、中段の熱交換流路５０が第２の熱交換流路５０Ｂから形成されている。
また、解析モデル３０Ｃ（上述した本発明の一実施形態）は、図４（ｃ）に示すように、上段、中段、下段の熱交換流路５０が熱媒体を流通させる方向においてそれぞれ分割されており、上段と下段の熱交換流路５０が第１の熱交換流路５０Ａから形成され、中段の熱交換流路５０が第２の熱交換流路５０Ｂから形成されている。

従来の形態である解析モデル３０Ａでは、図５（ａ）に示すように、上段、中段、下段それぞれの熱交換流路５０において入口部付近（Ｘ軸方向における＋側）の温度が高く、出口部付近（Ｘ軸方向における−側）の温度が低くなることが分かる。この解析モデル３０Ａでは、図５（ｂ）に示すように、ガスタービン１１の吸気口（鉛直ダクト４１の他端部４１ｂ）の外周付近が高温に、内周付近が低温になっており、吸気流体の温度にムラが生じていることが分かる。

一方、本発明の一実施形態に係る解析モデル３０Ｂでは、図６（ａ）に示すように、上段と下段の熱交換流路５０（第１の熱交換流路５０Ａ）において入口部付近（Ｘ軸方向における＋側）の温度が高く、出口部付近（Ｘ軸方向における−側）の温度が低くなり、また、中段の熱交換流路５０（第２の熱交換流路５０Ｂ）において入口部付近（Ｘ軸方向における−側）の温度が高く、出口部付近（Ｘ軸方向における＋側）の温度が低くなることが分かる。この解析モデル３０Ｂでは、図６（ｂ）に示すように、解析モデル３０Ａと比べて、ガスタービン１１の吸気口の外周付近の高温領域が小さくなっている、すなわち、吸気流体の温度ムラが低減していることが分かる。

この解析モデル３０Ｂによれば、吸気流体が吸気流路３１において、第１の向きに熱媒体を流通させる第１の熱交換流路５０Ａと、第１の熱交換流路５０Ａとは反対の第２の向きに熱媒体を流通させる第２の熱交換流路５０Ｂとによって加熱される。図６（ａ）のＣＦＤシミュレーション結果に示すように、吸気流体の加熱量が極端に少なく、熱媒体の供給量も少ない条件では、熱交換流路５０の入口部付近の温度が高く、熱交換流路５０の出口部付近の温度が低くなり易いが、第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂは、熱媒体の流れが反対向きであるため、一方の出口部付近の低温加熱が他方の入口部付近の高温加熱によって補われ、結果として吸気流体の温度が一様になる。したがって、吸気流体の加熱量が増減しても吸気流体の温度のムラを低減できる。

また、解析モデル３０Ｂの熱交換流路５０を熱媒体を流通させる方向において分割した解析モデル３０Ｃでは、図７（ａ）に示すように、上段と下段の熱交換流路５０（第１の熱交換流路５０Ａ）において高温部と低温部がＸ軸方向に交互に配置され、また、中段の熱交換流路５０（第２の熱交換流路５０Ｂ）においても高温部と低温部がＸ軸方向に交互に配置され、高温部と低温部が加熱器３２全体で市松模様状に配置される。この解析モデル３０Ｃでは、図７（ｂ）に示すように、解析モデル３０Ｂよりもガスタービン１１の吸気口の外周付近の高温領域が小さくなり、吸気流体の温度分布を一様にできていることが分かる。

すなわち、解析モデル３０Ｃでは、上段、中段、下段の熱交換流路５０が、それぞれ熱媒体を流通させる方向（Ｘ軸方向）において分割されており、高温部（熱交換流路５０の入口部付近）と低温部（熱交換流路５０の出口部付近）が配置される間隔（ピッチ）が短くなるため、一方の出口部付近の低温加熱が他方の入口部付近の高温加熱によって補われ易くなり、結果として吸気流体の温度が一様になる。
また、熱媒体を流通させる方向（Ｘ軸方向）は、図２に示すように、吸気流路３１の断面形状の長手方向である。吸気流路３１の断面形状の長手方向においては、当該断面形状の短手方向よりも熱交換する範囲が広く、吸気流体との熱交換によって熱媒体が冷え易いため、温度ムラが生じ易い。このため、上述の実施形態のように、吸気流路３１の断面形状の長手方向において、複数の熱交換流路５０のそれぞれを分割することが好ましい。

このように、上述の本実施形態によれば、ガスタービン１１の吸気口に接続された吸気流路３１と、吸気流路３１を流通する吸気流体を加熱する加熱器３２と、を有するガスタービン１１の吸気加熱装置３０であって、加熱器３２は、吸気流路３１において吸気流体と熱交換する熱媒体を流通させる複数の熱交換流路５０を有し、複数の熱交換流路５０は、第１の向きに熱媒体を流通させる第１の熱交換流路５０Ａと、第１の熱交換流路５０Ａとは反対の第２の向きに熱媒体を流通させる第２の熱交換流路５０Ｂと、を含む、という構成を採用することによって、吸気流体の加熱量が増減しても吸気流体の温度のムラを低減できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図８は、本発明の第２実施形態における吸気加熱装置３０ａを備える発電設備１の概略構成図である。

第２実施形態の吸気加熱装置３０ａは、吸気流体が流通する方向に配置された複数の熱交換流路５０を有する。複数の熱交換流路５０は、吸気流体が流通する方向において、第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂが交互に配置されて成る。熱媒体供給装置３３は、これら複数の熱交換流路５０に対して選択的に熱媒体を供給可能な構成となっている。すなわち、第２実施形態の熱媒体供給装置３３は、流量調節弁３６の下流側で分岐し、複数の熱交換流路５０に接続された蒸気管３５のそれぞれに、開閉弁３７ａ，３７ｂ，３７ｃを備える。

制御装置３４は、吸気流体の加熱量に応じて、熱媒体を流通させる第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂの数を交互に増減させるように熱媒体供給装置３３を制御する。例えば、開閉弁３７ａを開いて上流側の第１の熱交換流路５０Ａに熱媒体を供給している状態で、電力需要の変化により吸気流体の加熱量を増加させる必要性が生じた場合、制御装置３４は、開閉弁３７ｂを開いて第２の熱交換流路５０Ｂに熱媒体を供給する。さらに吸気流体の加熱量を増加させる必要性が生じた場合、制御装置３４は、次に開閉弁３７ｃを開いて下流側の第１の熱交換流路５０Ａに熱媒体を供給する。また、その後、吸気流体の加熱量を減少させる必要性が生じた場合、制御装置３４は、開閉弁３７ｃを閉じて下流側の第１の熱交換流路５０Ａへの熱媒体の供給を停止する。

このように、第２実施形態の吸気加熱装置３０ａは、複数の熱交換流路５０に対して選択的に熱媒体を供給可能な熱媒体供給装置３３と、吸気流体の加熱量に応じて、熱媒体を流通させる第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂの数を交互に増減させるように熱媒体供給装置３３を制御する制御装置３４と、を有する。この構成によれば、熱媒体を流通させる方向が互いに逆向きの第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂに交互に熱媒体が供給されるため、吸気流体の温度分布を一様にしながら吸気流体の加熱量を増減させることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂは、交互に配置されている構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、複数の熱交換流路５０の上段と中段が第１の熱交換流路５０Ａであって、下段が第２の熱交換流路５０Ｂであっても、熱媒体を流通させる方向が逆向きであるため吸気流体の温度ムラを低減できる効果は得られる。しかしながら、上記実施形態のように、第１の熱交換流路５０Ａと第２の熱交換流路５０Ｂを交互に配置する方が、吸気流体の温度ムラをより効果的に低減できる。

また、例えば、上記実施形態では、熱媒体を流通させる方向が、吸気流路３１の断面形状の長手方向である構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、チューブ５３をＺ軸方向に延在させ、熱媒体を吸気流路３１の断面形状の短手方向に流通させる構成であってもよく、また、当該断面形状の短手方向において熱交換流路５０を分割してもよい。しかしながら、熱媒体を吸気流路３１の断面形状の短手方向に流通させる構成を採用する場合、チューブ５３の一本一本の長さが短くなり、設置本数も増えるため、上記実施形態のように、吸気流路３１の断面形状の長手方向において複数の熱交換流路５０を分割する形態を採用することが好ましい。
また、吸気流路３１の断面形状は、矩形状に限定されず、他の多角形や円形、楕円形等であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、図３に示すように熱媒体を流通させる方向（Ｘ軸方向）において分割した熱交換流路５０が、同じ向きに熱媒体を流通させる構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、熱媒体を流通させる方向において分割した熱交換流路５０が、互いに逆向きに熱媒体を流通させる構成であってもよい。

また、例えば、上記第１実施形態では、複数の熱交換流路５０を、吸気流体が流通する方向と直交する方向において上段、中段、下段の３段で配置した構成について説明したが、２段でも、４段以上で配置する構成であってもよい。
また、例えば、上記第１実施形態では、複数の熱交換流路５０を、熱媒体を流通させる方向において２つに分割した構成について説明したが、複数の熱交換流路５０を３つ以上に分割する構成であってもよい。
また、例えば、上記第２実施形態では、複数の熱交換流路５０を、吸気流体が流通する方向において３段で配置した構成について説明したが、２段でも、４段以上で配置する構成であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、加熱器３２の熱媒体として蒸気を例示したが、上記以外の熱媒体、例えば、例えばエチレングリコール（分子式：Ｃ_２Ｈ_６Ｏ_２）、ジエチレングリコール（分子式：Ｃ_２Ｈ_１０Ｏ_３）、プロピレングリコール（Ｃ_３Ｈ_８Ｏ_２）、トリエチレングリコール（分子式：Ｃ_６Ｈ_１４Ｏ_４）、プロピレンカーボネイト（分子式：Ｃ_４Ｈ_５Ｏ_３）、プロピレンエチレングリコール（分子式：Ｃ_３Ｈ_８Ｏ_２）あるいはホルムアミド（分子式：ＣＨ_３ＮＯ）、等であってもよい。

また、上述した実施形態では、本発明の吸気加熱装置をガスタービンに適用した場合を例示したが、本発明は、例えば、レシプロエンジンやジェットエンジン等の他の内燃機関にも適用できる。

１１ガスタービン（内燃機関）
３０（３０ａ）吸気加熱装置
３１吸気流路
３２加熱器
３３熱媒体供給装置
３４制御装置
５０熱交換流路
５０Ａ第１の熱交換流路
５０Ｂ第２の熱交換流路

Claims

内燃機関の吸気口に接続される吸気流路と、前記吸気流路を流通する吸気流体を加熱する加熱器と、を有する吸気加熱装置であって、
前記加熱器は、前記吸気流路において前記吸気流体と熱交換する熱媒体を流通させる複数の熱交換流路を有し、
前記複数の熱交換流路は、
前記吸気流路の断面形状の長手方向において分割され、当該長手方向において間隔をあけた複数個所から第１の向きに前記熱媒体を流通させる第１の熱交換流路と、
前記吸気流路の断面形状の長手方向において分割され、当該長手方向において間隔をあけた複数個所から前記第１の熱交換流路とは反対の第２の向きに前記熱媒体を流通させる第２の熱交換流路と、を含み、
前記第１の熱交換流路及び前記第２の熱交換流路は、前記吸気流路の断面形状の短手方向において、交互に配置されている、ことを特徴とする吸気加熱装置。
前記第１の熱交換流路と前記第２の熱交換流路は、さらに、前記吸気流体が流通する方向において、交互に配置されており、
前記複数の熱交換流路に対して選択的に前記熱媒体を供給可能な熱媒体供給装置と、
前記吸気流体の加熱量に応じて、前記熱媒体を流通させる前記第１の熱交換流路と前記第２の熱交換流路の数を交互に増減させるように前記熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の吸気加熱装置。
吸気流体を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサで圧縮された前記吸気流体を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスで回転するタービンと、を有するガスタービンであって、
前記コンプレッサの吸気口に、請求項１または２に記載の吸気加熱装置が接続されている、ことを特徴とするガスタービン。