JP7095126B1 - ガスタービン排ガスの騒音低減構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸音材の設置面積を抑えつつ、効率良く騒音を低減する。【解決手段】上方へ延びる円筒状の煙突４０の下部には、ガス流入開口４１が設けられる。ガスタービンからの排ガスＧは、略水平方向に流通してガス流入開口４１から煙突４０の下部へ流入し、煙突４０内を上方へ流通して煙突４０の上部から放出される。ガス流入開口４１は、煙突４０の下部を構成する円弧状周壁４５によって区画される。円弧状周壁４５の内面のうち少なくとも周方向の全域に亘る円弧状領域には、煙突４０の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材５０Ｅが設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン排ガスの騒音低減構造に関する。

近年、ガスタービン・コンバインドサイクル発電プラント（ＧＴＣＣ）では、ガスタービン（ＧＴ）の高温化に伴い、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の煙突出口からの排気騒音が増大する傾向にあり、排気騒音の抑制に対する要求が高まっている。

特許文献１には、ガスタービンが発生した強い超低周波音の外部への放出を抑制するため、排気ダクトの壁を、多孔内面板と多孔外面板により多孔質保温材を挟んで形成したサンドイッチ構造とし、排気煙突の壁を、多孔外面板に多孔質材を内張りした構造としたガスタービン排気煙道が開示されている。排気ダクトは、排気ディフューザを介してガスタービン本体に接続され、排気煙突は、排気ダクトに接続される。

特開平１１－１５９３４７号公報

特許文献１のように、排気ダクトの壁内面や煙突の壁内面に吸音材（多孔質保温材や多孔質材）を設ける構造では、吸音材を設ける範囲（設置面積）が広いほど騒音の低減効果は高まる。しかし、吸音材の設置面積の拡大は、使用する吸音材の増大によるコストの上昇や設置工数の増加等を招く。

そこで、本発明は、吸音材の設置面積を抑えつつ、効率良く騒音を低減することが可能な騒音低減構造の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、ガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、上方へ延びる円筒状の煙突の下部には、ガス流入開口が設けられる。ガスタービンからの排ガスは、略水平方向に流通してガス流入開口から煙突の下部へ流入し、煙突内を上方へ流通して煙突の上部から放出される。

ガス流入開口は、煙突の下部を構成する円弧状周壁によって区画される。円弧状周壁の内面のうち少なくとも周方向の全域に亘る円弧状領域には、煙突の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材が設けられる。
本発明の第１の態様の騒音低減構造では、吸音材を、ガス流入開口の上端以下の高さに設け、ガス流入開口の上端よりも上方には設けない。

上記第１の態様を含む上記本発明の構成では、ガスタービンの排ガスは、略水平方向に流通してガス流入開口から煙突の下部へ流入する。このため、煙突の上流で発生してガス流入開口から煙突内へ進入する騒音は、煙突の下部の内部空間を略水平方向に伝播し、円弧状周壁の内面のうちガス流入開口と対向する領域（開口対向領域）で反射する。開口対向領域には吸音材が設けられ、且つ煙突の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材が設けられているので、煙突の上流で発生した騒音を、煙突の円弧状周壁に設けた吸音材によって効率良く低減することができる。

ガスタービンの排ガスは、略水平方向に流通してガス流入開口から煙突の下部へ流入した後、煙突内を上方へ流通するので、煙突の下部の内部空間に排ガスの渦流が発生し、渦流に起因して騒音が発生する。これに対し、煙突の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材が設けられているので、煙突の下部で発生した騒音を、煙突の円弧状周壁に設けた吸音材によって効率良く低減することができる。

従って、吸音材の設置面積を抑えつつ、効率良く騒音を低減することができる。

また、煙突の円弧状周壁に設けた吸音材によって所望の吸消音効果を得ることが可能な場合、排ガスの流通抵抗の増大を招くサイレンサを排ガスの流通路に設置する必要がない。従って、サイレンサの設置に起因した排ガスの圧損の増大を回避することができる。

本発明の第２の態様の騒音低減構造では、煙突のガス流入開口には、レデューサダクトの下流端開口が接続され、レデューサダクトの上流端開口には、排ガスダクトの下流端開口が接続される。ガスタービンからの排ガスは、排ガスダクト内からレデューサダクト内を略水平に流通して、ガス流入開口から煙突の下部へ流入する。

レデューサダクトの側壁の内面には、煙突の円弧状周壁の吸音材から連続するように吸音材が設けられる。レデューサダクトの上壁の内面には、レデューサダクトの側壁の吸音材から連続するように吸音材が設けられる。

上記構成では、煙突の下部の内部空間とレデューサダクトの内部空間とに、吸音材に囲まれた１つの連続空間が形成され、係る連続空間が吸消音室として機能するので、騒音をさらに効率良く低減することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様のガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、排ガスダクトの下流端部の側壁の内面には、レデューサダクトの側壁の吸音材から連続するように吸音材が設けられる。排ガスダクトの下流端部の上壁の内面には、レデューサダクトの上壁の吸音材から連続し、且つ排ガスダクトの側壁の吸音材から連続するように吸音材が設けられる。

上記構成では、煙突の下部の内部空間とレデューサダクトの内部空間と排ガスダクトの下流側端部の内部空間とに、吸音材に囲まれた１つの連続空間が形成され、係る連続空間が吸消音室として機能するので、騒音をさらに効率良く低減することができる。

本発明の第４の態様は、第１～第３の態様のガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、吸音材は、吸音材の表面を通気可能な状態で覆う吸音材メインカバー部と、吸音材の端面を覆う吸音材端面カバー部とを有する吸音材保持部材によって保持される。吸音材端面カバー部は、排ガスの流通抵抗を低減するように傾斜している。

上記構成では、吸音材を保持する吸音材保持部材の吸音材端面カバー部が排ガスの流通抵抗を低減するように傾斜しているので、吸音材の設置に起因した排ガスの圧損の増大を抑制することができる。

本発明によれば、吸音材の設置面積を抑えつつ、効率良く騒音を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン・コンバインドサイクル発電プラントの概略系統図である。 排熱回収ボイラの排ガスダクトからレデューサダクトを介して煙突へ至る煙道の側断面図である。 図２のIII－III矢視断面図である。 図２のIV－IV矢視断面図である。 図３の吸音材の斜視図である。 図３のVI部の斜視図である。 図４のVII部の拡大図である。

本発明を適用したガスタービン・コンバインドサイクル発電プラント（ＧＴＣＣ）について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明における前方は排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２における排ガスの流入側を意味し、左右は前方から後方を視た状態での左右を意味する。

図１に示すように、本実施形態のガスタービン・コンバインドサイクル発電プラントの排熱回収ボイラ２は、排ガスが略水平に流通する横型の排熱回収ボイラであり、排ガスダクト（ボイラダクト）１１と過熱器３と第１の蒸発器４と脱硝装置５と第２の蒸発器６と節炭器７とドラム（汽水分離ドラム）８を備える。排ガスダクト１１は矩形筒状であり、過熱器３と第１の蒸発器４と脱硝装置５と第２の蒸発器６と節炭器７とは、排ガスダクト１１内で前側（排ガスＧの流入側）から後側（排ガスＧの流出側）に向かって並ぶ。

ガスタービン１から排ガスダクト１１内へ流入した高温高速の排ガスＧは、過熱器３、第１の蒸発器４、脱硝装置５、第２の蒸発器６、節炭器７に順次に接触して熱交換される。第１の蒸発器４及び第２の蒸発器６からの蒸気を含む水は、管路１２，１３からドラム８にそれぞれ送られ、ドラム８から分離された蒸気は、飽和蒸気管１４を経て過熱器３でさらに過熱された後、主蒸気管１５を経由して蒸気タービン９を駆動する過熱蒸気として利用される。蒸気タービン９で用いられた蒸気は復水器１０で水Ｗに戻され、給水管路１６に配置された給水ポンプ１７により節炭器７に循環され、節炭器７でガスタービン１からの排ガスＧより予熱されてドラム８内に供給される。ドラム８内の水は降水管１８を通って下降し、管路１９，２０を経て蒸発器４，６へ導入され、その後、管路１２，１３を経てドラム８内に戻る。主蒸気管１５の途中には、蒸気タービン９をバイパスして蒸気を復水器１０に直接導くタービンバイパス管２１が接続されている。排ガスダクト１１の後端（下流端）には、排ガスダクト１１の下流端開口２３を開閉するダンパ２２が設けられている。

図２～図５に示すように、排ガスダクト１１の下流端開口２３には、レデューサダクト３０の上流端開口３１が接続され、レデューサダクト３０の下流端開口３２には、煙突４０の下部のガス流入開口４１が接続される。ガスタービン１からの排ガスは、排ガスダクト１１内からレデューサダクト３０内を略水平に流通して、ガス流入開口４１から煙突４０の下部へ流入し、煙突４０内を上方へ流通して、煙突４０の上端のガス流出開口４２から放出される。

煙突４０は、上方へ延びる円筒状であり、略鉛直方向に起立する円形状の周壁４３と、周壁４３の下端を閉止する円板状の下壁（底壁）４４とを有する。ガス流入開口４１は、周壁４３の下部に矩形状に形成され、周壁４３の下部を構成する円弧状周壁４５によって矩形状に区画される。円弧状周壁４５とは、ガス流入開口４１に後方から対向する領域（開口対向領域）４６と、開口対向領域４６の左右の両端縁から前方へ連続して延び、ガス流入開口４１の左右に配置されてガス流入開口４１に後方から対向しない左右の開口非対向領域４７とを有する円弧状の周壁である。

レデューサダクト３０は、排ガスダクト１１の下流端開口２３と煙突４０のガス流入開口４１とを連通する矩形筒状のダクトであり、上壁３３と下壁（底壁）３４と左右の側壁３５，３６とを有する。レデューサダクト３０の上壁３３、下壁３４及び左右の側壁３５，３６の各前端縁部は、排ガスダクト１１の上壁２４、下壁（底壁）２５及び左右の側壁２６，２７の各後端縁部に接続される。レデューサダクト３０の上壁３３及び左右の側壁３５，３６の各後端縁部は、煙突４０の周壁４３に接続され、レデューサダクト３０の下壁３４は、煙突４０の周壁４３又は下壁４４に接続される。

排ガスＧの通路を区画するガス通路壁面の所定の領域には、吸音材５０が張付けられる。本実施形態では、排ガスダクト１１の下流端部（節炭器７と下流端開口２３との間）の左右の側壁２６，２７の内面と、排ガスダクト１１の下流端部の上壁２４の内面（下面）と、レデューサダクト３０の左右の側壁３５，３６の内面と、レデューサダクト３０の上壁３３の内面（下面）と、煙突４０の円弧状周壁４５の内面とに、吸音材５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ）が重ねられ固定される。

排ガスダクト１１の左右の側壁２６，２７の吸音材５０Ａは、レデューサダクト３０の左右の側壁３５，３６の吸音材５０Ｃからそれぞれ連続するように設けられる。排ガスダクト１１の上壁２４の吸音材５０Ｂは、レデューサダクト３０の上壁３３の吸音材５０Ｄから連続し、且つ排ガスダクト１１の左右の側壁２６，２７の吸音材５０Ａから連続するように設けられる。なお、本実施形態では吸音材５０Ａの下端を排ガスダクト１１の下壁２５よりも上方に設定しているが、吸音材５０Ａの下端を排ガスダクト１１の下壁２５まで延ばしてもよい。

レデューサダクト３０の左右の側壁３５，３６の吸音材５０Ｃは、煙突４０の円弧状周壁４５の吸音材５０Ｅから連続するように設けられ、レデューサダクト３０の上壁３３の吸音材５０Ｄは、レデューサダクト３０の左右の側壁３５，３６の吸音材５０Ｃから連続するように設けられる。なお、本実施形態では吸音材５０Ｃの下端をレデューサダクト３０の下壁３４よりも上方に設定しているが、吸音材５０Ｃの下端をレデューサダクト３０の下壁３４まで延ばしてもよい。

煙突４０の吸音材５０Ｅは、円弧状周壁４５の周方向の全域に亘る円弧状領域（開口対向領域４６及び左右の開口非対向領域４７）に、煙突４０の下部の内部空間を水平方向から囲むように設けられる。吸音材５０Ｅを設ける範囲は、円弧状周壁４５の内面全域である必要はなく、円弧状周壁４５の内面のうち少なくとも周方向の全域に亘る円弧状領域であればよく、円弧状領域（吸音材５０Ｅ）の上下幅（高さ方向の幅）は、円弧状周壁４５の上下幅（ガス流入開口４１の上下幅）よりも短くてもよい。本実施形態では、円弧状周壁４５の内面の下側部分には吸音材５０Ｅを設けず、上側部分のみに吸音材５０Ｅを設けている。具体的には、吸音材５０Ｅの上端縁をガス流入開口４１の上端縁と略同高さに設定し、吸音材５０Ｅの下端縁をガス流入開口４１の下端縁（煙突４０の下壁４４）よりも上方に設定している。なお、吸音材５０Ｅの上下幅はこれに限定されず、任意に設定可能であり、例えば吸音材５０Ｅの下端を煙突４０の下壁４４まで延ばしてもよい。

吸音材５０は、グラスウールやロックウール等の吸音性を有する素材（例えば多孔質素材）によって板状に構成され、吸音材保持部材５１によってガス通路壁面に固定される。図７に示すように、吸音材保持部材５１は、吸音材５０の表面を通気可能な状態で覆う吸音材メインカバー部５２と、吸音材５０の端面を覆う吸音材端面カバー部５３とを有する。

本実施形態の吸音材メインカバー部５２は、多数の通気孔５４が形成された有孔板（パンチングプレート）によって構成される。通気孔５４は、直径が３～５ｍｍの円孔が好適である。また、吸音材メインカバー部５２の開口率（通気孔５４による開口面積の割合）は、３０％以上が好適である。

吸音材端面カバー部５３は、吸音材メインカバー部５２との交叉角度が鈍角となるように、吸音材メインカバー部５２の端縁からガス通路壁面に向かって傾斜して延びる。吸音材端面カバー部５３が傾斜することにより、排ガスＧを吸音材端面カバー部５３に沿って円滑に流通させることができ、排ガスＧの流通抵抗が低減される。吸音材端面カバー部５３は、吸音材メインカバー部５２と同様に通気性を有する有孔板によって構成されてもよく、通気孔が形成されていない無孔板によって構成されてもよい。

排ガスダクト１１の下流端部よりも上流側のガス通路壁面の所定の領域には、保温材５５が張付けられる。本実施形態では、排ガスダクト１１の下流端部よりも上流側の左右の側壁２６，２７の内面と上壁２４の内面とに、保温材５５が重ねられ固定される。本実施形態の保温材５５は、吸音材５０と同じ素材によって構成され、排ガスダクト１１において、図６に示すように、保温材５５の後端（下流端）は、吸音材５０（５０Ａ，５０Ｂ）の前端（上流端）に近接又は連続する。なお、保温材５５は吸音材５０と異なる素材によって構成されてもよい。

図２及び図６に示すように、保温材５５は、保温材保持部材５６によってガス通路壁面に固定される。保温材保持部材５６は、保温材５５の表面を覆う保温材メインカバー部５７と、保温材５５の端面を覆う保温材端面カバー部５８とを有する。保温材メインカバー部５７と保温材端面カバー部５８とは、通気性を有さない無孔板によって構成されている。保温材端面カバー部５８は、吸音材端面カバー部５３と同様に、保温材メインカバー部５７との交叉角度が鈍角となるように、保温材メインカバー部５８の端縁から傾斜して延びる。互いに隣接する吸音材保持部材５１と保温材保持部材５６とは、吸音材メインカバー部５２の表面と保温材メインカバー部５７の表面とが同一面上で連続し、吸音材端面カバー部５３の表面と保温材端面カバー部５８の表面とが同一面上で連続するように配置される。

本実施形態によれば、ガスタービン１の排ガスは、排ガスダクト１１内及びレデューサダクト３０内を略水平方向に流通してガス流入開口４１から煙突４０の下部へ流入する。このため、煙突４０の上流で発生してガス流入開口４１から煙突４０内へ進入する騒音は、煙突４０の下部の内部空間を略水平方向に伝播し、円弧状周壁４５の内面のうちガス流入開口４１と対向する開口対向領域４６で反射する。開口対向領域４６には吸音材５０Ｅが設けられ、且つ煙突４０の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材５０Ｅが設けられているので、煙突４０の上流で発生した騒音を、煙突４０の円弧状周壁４５に設けた吸音材５０Ｅによって効率良く低減することができる。

ガスタービン１の排ガスＧは、略水平方向に流通してガス流入開口４１から煙突４０の下部へ流入した後、煙突４０内を上方へ流通するので、煙突４０の下部の内部空間に排ガスＧの渦流が発生し、渦流に起因して騒音が発生する。これに対し、煙突４０の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材５０Ｅが設けられているので、煙突４０の下部で発生した騒音を、煙突４０の円弧状周壁４５に設けた吸音材５０Ｅによって効率良く低減することができる。

煙突４０の下部の内部空間とレデューサダクト３０の内部空間と排ガスダクト１１の下流側端部の内部空間とに、吸音材５０に囲まれた１つの連続空間が形成され、係る連続空間が吸消音室として機能するので、騒音をさらに効率良く低減することができる。

上述の範囲に吸音材５０を設置し、設定条件の異なる複数の定格運転において、節炭器７の出口付近のα点での音圧レベルと、煙突４０のガス流出開口４２付近のβ点での音圧レベルとを測定して比較した結果、β点の音圧レベルがα点の音圧レベルよりも３～１５ｄＢ程度低下した。係る結果から、吸音材５０の設置面積を抑えつつ、効率良く騒音を低減可能であることが確認された。

また、吸音材５０によって所望の吸消音効果を得ることが可能な場合、排ガスＧの流通抵抗の増大を招くサイレンサを排ガスＧの流通路に設置する必要がない。従って、サイレンサの設置に起因した排ガスＧの圧損の増大を回避することができる。

さらに、吸音材５０を保持する吸音材保持部材５１の吸音材端面カバー部５３が排ガスＧの流通抵抗を低減するように傾斜しているので、吸音材５０の設置に起因した排ガスＧの圧損の増大を抑制することができる。

なお、本発明は、一例として説明した上述の実施形態及び変形例に限定されることはなく、上述の実施形態等以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では排熱回収ボイラ１１について説明したが、本発明は、横型（ガス横流れ式）であればガスタービンのみのシンプルサイクルにも適用可能である。

１：ガスタービン
２：排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
３：過熱器
４：第１の蒸発器
５：脱硝装置
６：第２の蒸発器
７：節炭器
８：ドラム
９：蒸気タービン
１０：復水器
１１：排ガスダクト
１２，１３，１９，２０：管路
１４：飽和蒸気管
１５：主蒸気管
１６：給水管路
１７：給水ポンプ
１８：降水管
２１：タービンバイパス管
２２：ダンパ
２３：排ガスダクトの下流端開口
２４：排ガスダクトの上壁
２５：排ガスダクトの下壁
２６：排ガスダクトの左の側壁
２７：排ガスダクトの右の側壁
３０：レデューサダクト
３１：レデューサダクトの上流端開口
３２：レデューサダクトの下流端開口
３３：レデューサダクトの上壁
３４：レデューサダクトの下壁
３５：レデューサダクトの左の側壁
３６：レデューサダクトの右の側壁
４０：煙突
４１：ガス流入開口
４２：ガス流出開口
４３：煙突の周壁
４４：煙突の下壁
４５：円弧状周壁
４６：開口対向領域
４７：開口非対向領域
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ：吸音材
５１：吸音材保持部材
５２：吸音材メインカバー部
５３：吸音材端面カバー部
５４：通気孔
５５：保温材
５６：保温材保持部材
５７：保温材メインカバー部
５８：保温材端面カバー部
Ｇ：排ガス
Ｗ：水

Claims (4)

1. 上方へ延びる円筒状の煙突の下部にガス流入開口が設けられ、ガスタービンからの排ガスが、略水平方向に流通して前記ガス流入開口から前記煙突の下部へ流入し、前記煙突内を上方へ流通して前記煙突の上部から放出されるガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、
   前記ガス流入開口は、前記煙突の下部を構成する円弧状周壁によって区画され、
   吸音材を、前記煙突の周壁のうち前記ガス流入開口の上端よりも上方の周壁の内面には設けず、前記ガス流入開口の上端以下の高さであって前記円弧状周壁の内面のうち少なくとも周方向の全域に亘る円弧状領域に、前記煙突の下部の内部空間を水平方向から囲むように設けた
   ことを特徴とするガスタービン排ガスの騒音低減構造。
2. 上方へ延びる円筒状の煙突の下部にガス流入開口が設けられ、ガスタービンからの排ガスが、略水平方向に流通して前記ガス流入開口から前記煙突の下部へ流入し、前記煙突内を上方へ流通して前記煙突の上部から放出されるガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、
   前記ガス流入開口は、前記煙突の下部を構成する円弧状周壁によって区画され、
   前記円弧状周壁の内面のうち少なくとも周方向の全域に亘る円弧状領域に、前記煙突の下部の内部空間を水平方向から囲むように吸音材を設け、
   前記煙突の前記ガス流入開口には、レデューサダクトの下流端開口が接続され、
   前記レデューサダクトの上流端開口には、排ガスダクトの下流端開口が接続され、
   前記ガスタービンからの排ガスは、前記排ガスダクト内から前記レデューサダクト内を略水平に流通して、前記ガス流入開口から前記煙突の下部へ流入し、
   前記レデューサダクトの側壁の内面に、前記煙突の前記円弧状周壁の吸音材から連続するように吸音材を設け、
   前記レデューサダクトの上壁の内面に、前記レデューサダクトの前記側壁の吸音材から連続するように吸音材を設けた
   ことを特徴とするガスタービン排ガスの騒音低減構造。
3. 請求項２に記載のガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、
   前記排ガスダクトの下流端部の側壁の内面に、前記レデューサダクトの前記側壁の吸音材から連続するように吸音材を設け、
   前記排ガスダクトの下流端部の上壁の内面に、前記レデューサダクトの前記上壁の吸音材から連続し、且つ前記排ガスダクトの前記側壁の吸音材から連続するように吸音材を設けた
   ことを特徴とするガスタービン排ガスの騒音低減構造。
4. 請求項１～請求項３の何れか１項に記載のガスタービン排ガスの騒音低減構造であって、
   前記吸音材は、前記吸音材の表面を通気可能な状態で覆う吸音材メインカバー部と、前記吸音材の端面を覆う吸音材端面カバー部とを有する吸音材保持部材によって保持され、
   前記吸音材端面カバー部は、排ガスの流通抵抗を低減するように傾斜している
   ことを特徴とするガスタービン排ガスの騒音低減構造。

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