JPH05312056A - ガスタービンの吸気冷却装置 - Google Patents

ガスタービンの吸気冷却装置

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JPH05312056A
JPH05312056A JP11464492A JP11464492A JPH05312056A JP H05312056 A JPH05312056 A JP H05312056A JP 11464492 A JP11464492 A JP 11464492A JP 11464492 A JP11464492 A JP 11464492A JP H05312056 A JPH05312056 A JP H05312056A
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heat
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gas turbine
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Tadashi Tsuji
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 LNG焚き等のガスタービンの吸気をヒート
パイプを用いて効果的に冷却し、かつ、吸気による着
氷、着霜の発生を防止するようにする。 【構成】 ガスタービンの吸気ダクト9に設置された吸
気側熱交換器10、該吸気側熱交換器10の上方に設置
された冷媒側熱交換器11、両熱交換器10、11を熱
的に結合するヒートパイプ12、及びヒートパイプ12
内を減圧する抽気真空ポンプ13を備え、抽気真空ポン
プ13によってヒートパイプ12内の真空度を調節して
熱媒体の飽和温度を適切な値にして吸気の着氷、着霜を
防止すると共に吸気を適切な温度に冷却し、また、重力
によって熱媒体が円滑に循環するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ヒートパイプを使用し
たガスタービンの吸気冷却装置、特に液化天然ガス(以
下LNGという)等の液化ガス焚きガスタービンに適す
るガスタービンの吸気冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】LNGの冷熱によってガスタービンの圧
縮機入口空気を冷却し、出力及び効率の向上を図る試み
が種々従来検討されている。図3にその第1例、図4に
その第2例を示す。
【0003】図3において、軸流空気圧縮機1、燃焼器
2、タービン3及び発電機4は一軸に結合されてガスタ
ービン発電機を形成し、圧縮機1で圧縮されるガスター
ビン3の吸気は熱交換器5でLNGによって冷却され
る。すなわち熱交換器5では、LNGの持つ冷熱エネル
ギー約200kcal/kgを使って吸気を冷却し、気
化した天然ガス(以下NGという)はそのままガスター
ビン燃料又はその他燃料に供される。
【0004】図4に示されるものにおいては、前記図3
に示される熱交換器5を吸気冷却熱交換器6とLNG気
化熱交換器7に分割し、両者を循環熱媒体を使って熱交
換させるようにしたものである。この場合、循環熱媒体
としてはフロン、不凍液又は水等が使われ、LNG熱交
換器7では蒸発潜熱が、吸気冷却熱交換器6では顕熱が
利用される。従って、媒体圧縮機又は媒体ポンプ8が吸
気冷却熱交換器6の循環系に設置される。
【0005】なお、LNG冷熱を利用しない場合、吸気
中に冷水を噴射してその顕熱又は顕熱と蒸発潜熱によっ
てガスタービンの吸気の温度を下げる方法があるが、L
NGに比べてその効果は極めて低い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術には下
記問題点がある。
【0007】1.図3に示す第1例の場合 (1)LNG冷熱源とガスタービン吸気が直接熱交換す
るため、伝熱管損傷時LNG噴破の危険を伴う。 (2)LNG自体−200℃近い極低温であるため、吸
気冷却熱交換器の伝熱管外面に吸気中の水分が氷結し、
熱伝達率が著しく低下する。氷結防止技術は現状確立さ
れておらず、熱交モジュールを複数個として切替運転を
しなければならないが、配管、制御系が複雑でコストア
ップを招く。
【0008】2.図4に示す第2例の場合 前記LNG噴破や伝熱管氷結の問題はないが、複数個の
熱交換器と循環媒体系を必要とし、コストが高く、吸気
温度及びガスタービン負荷に対する制御装置が複雑とな
る。また、吸気冷却熱交換器とLNG気化熱交換器に熱
媒体を循環させるフロン圧縮機又は水ポンプ等の駆動動
力が必要である。
【0009】本発明は、以上の問題点を解決することが
できるLNG等のガスタービンの吸気冷却装置を提供し
ようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】1.本発明のガスタービ
ンの吸気冷却装置は、ガスタービンの吸気ダクトに設置
されガスタービンの吸気を冷却する吸気側熱交換器、前
記吸気側熱交換器の上方に設置された冷媒側熱交換器、
前記両熱交換器を熱的に結合するヒートパイプ、及び前
記ヒートパイプ圧を減圧する抽気真空ポンプによって構
成されたことを特徴とする。 2.また、前記の本発明1に係るガスタービンの吸気冷
却装置において、前記ヒートパイプを内管と外管の2重
管とし、隔壁を介して、吸気側熱交換器内のヒートパイ
プ内管内と冷媒側熱交換器内のヒートパイプ内管と外管
の間の部分とを、また、吸気側熱交換器のヒートパイプ
内管と外管の間の部分と冷媒側熱交換器内のヒートパイ
プ内管内とをそれぞれ連通させたことを特徴とする。
【0011】
【作用】前記本発明1においては、ヒートパイプ内を抽
気真空ポンプによって減圧することによって、ヒートパ
イプ内の熱媒体の飽和温度を適当な値にすることができ
る。液体の熱媒体は、吸気側熱交換器においてガスター
ビン吸気を冷却させ、その熱を奪って蒸発し、ヒートパ
イプ内を上昇して冷媒側熱交換器内のヒートパイプの部
分へ入り、ここで冷却されて凝縮し、重力によって吸気
側熱交換器へ向って下降して円滑に循環する。すなわち
吸気側熱交換器内のヒートパイプの部分は蒸発域、冷媒
側の熱交換器内のヒートパイプの部分は凝縮域を形成
し、ガスタービンの吸気が冷媒される。
【0012】また、ヒートパイプ内真空度を抽気真空ポ
ンプによって調節することにより、熱媒体の飽和温度が
任意に調節され、ガスタービンの吸気温度、ガスタービ
ン負荷等に対応してガスタービンの吸気を適当な温度に
冷却することができる。
【0013】前記本発明2においては、前記本発明1の
ヒートパイプを前記したような2重管としており、吸気
側熱交換器内のヒートパイプ内で蒸発した熱媒体は、同
熱交換器内の内管と外管の間の部分を通って上昇して冷
媒側熱交換器の内管内に流入して凝縮する。凝縮した熱
媒体は、冷媒側熱交換器の内管と外管の壁に沿って重力
によって下降し、吸気側熱交換器の内管内へ流入して吸
気側熱交換器へ循環する。このようにして、吸気側熱交
換器と冷媒側熱交換器との間に熱媒体が円滑に循環す
る。
【0014】
【実施例】本発明の一実施例を、図1及び図2によって
説明する。軸流空気圧縮機1、燃焼器2、タービン3及
び発電機4は一軸に結合されてガスタービン発電機を形
成している。
【0015】ガスタービンの吸気ダクト9には吸気側熱
交換器10が設置され、その直上には冷媒側熱交換器1
1が設置される。一対をなす両熱交換器10、11は、
水を熱媒体として封入し鉛直方向に配置されたヒートパ
イプ12で熱的に結合され、ヒートパイプ12の上部に
は抽気真空ポンプ13の吸込側が連通している。前記冷
媒側熱交換器11には、LNGが供給され、後記するよ
うに同熱交換器11で蒸発した天然ガス(NG)はガス
タービン燃料として燃焼器2へ供給され、また、残部は
その他の燃料として使用されるようになっている。な
お、図1中、白抜き矢印はLNG、NG及び吸気の流れ
を示し、黒の矢印はヒートパイプ内の熱媒体の流れを示
している。
【0016】前記ヒートパイプ12は内管と外管よりな
る2重管構造となっており、吸気側熱交換器10内の部
分は内管14と外管16で構成され、冷媒側熱交換器1
1内の部分は内管17と外管15で構成されている。吸
気側熱交換器10内のヒートパイプ12の内管14の内
部は冷媒側熱交換器11内のヒートパイプ12の内管1
7と外管15の間の部分に連通し、また、吸気側熱交換
器10内の内管14と外管16の間の部分は冷媒側熱交
換器11の内管17の内部に連通している。前記内管1
4の下端は、前記外管16の下端より上方に位置してお
り、前記内管17の上端は前記外管15の上端より下方
に位置している。また、前記外管15、16は同一の断
面を有してその外管15の下端と内管16の上端は接続
され、外管15、16によって閉鎖されたヒートパイプ
12の外壁が形成されており、外管15、16の接続部
には円錐状の隔壁18が設けられている。前記内管14
の上端は隔壁18の対応する開口に接続され、また、前
記内管17の下方の部分は2叉状に分岐してその下端は
それぞれ隔壁18の対応する開口に接続されており、こ
れによって、内管14の内部は内管17と外管15の間
の部分に連通し、内管17の内部は内管14と外管16
の間の部分に連通するようになっている。
【0017】本実施例においては、吸気側熱交換器10
のヒートパイプ12の部分においては、水がガスタービ
ンの吸気を冷却させ、その熱を奪って蒸発して水蒸気と
なり、ヒートパイプ12の吸気側熱交換器10内の部分
が蒸発域A(図1参照)となる。このようにして蒸発し
た水蒸気は、内管14と外管16との間を上昇して冷媒
側熱交換器11内の部分の内管17を経て内管17と外
管15の間へ流入する。ここで、水蒸気はLNGの冷熱
によって冷却されて凝縮されて水となると共に、LNG
を蒸発させてこれをNGとし、ヒートパイプ12の冷媒
側熱交換器11内の部分が凝縮域B(図1参照)とな
る。以上のように凝縮した水は、内管17と外管15の
管壁に沿って重力によって落下し、内管14を経て内管
14と外管16の間の部分へ循環する。このようにし
て、気液相の密度差、即ち重力によって熱媒体としての
水と水蒸気は前記の蒸発域Aと凝縮域Bを循環すること
となり、ポンプや圧縮機を用いることなく円滑な熱媒体
の循環が行われることになる。
【0018】また、抽気真空ポンプ13によってヒート
パイプ12内を減圧することによって水の飽和温度を適
当な値とすることができる。例えば圧力を0.006〜
0.01ataにすると、水の飽和温度は約0〜7℃と
なる。このように抽気真空ポンプ13によってヒートパ
イプ12内の真空度を調節することができ、これによっ
て、ガスタービン負荷、吸気側熱交換器10へ導入され
る吸気の温度等に対応して、ガスタービンの吸気を適当
な温度に冷却することができる。
【0019】以上のように水の飽和温度を調節すること
によって、吸気側熱交換器10においては、氷結が発生
しない温度での吸気の冷却を行うことができ、着氷、着
霜の発生を防ぐことができる。
【0020】しかも本実施例では、ヒートパイプ12内
で水の蒸発潜熱を利用しているために、その潜熱約60
0kcal/kgを使用することができ、水の顕熱(約
20℃で20kcal/kg)を使用する従来の方式に
比して水の流量を約1/30にすることができる。
【0021】図5に本実施例と水の顕熱を利用する従来
の方式における交換状況を示す。図5に示すように、本
実施例では吸気側熱交換器の対数平均温度差を大きくと
ることができ、伝熱管をコンパクトにし、ガスタービン
の吸気の圧力損失を低減させることができる。なお、図
5中、TA1、TA2はそれぞれ吸気の吸気側熱交換器の入
口と出口の温度、TC1、TC2はそれぞれ吸気側熱交換器
における熱交換を行う前後の熱媒体の温度であり、本実
施例(本発明)では水の潜熱を利用しているためにTC1
=TC2となっている。
【0022】なお、前記の実施例は、熱媒体として水を
用いているが、水以外にも0〜15℃程度の所定温度で
蒸発し、真空度の調節によって飽和温度を調節すること
ができる他の流体を用いることができる。また、前記の
実施例では、LNGを冷媒側熱交換器へ冷熱源として導
入するようにしているが、この冷熱源としては蒸発冷熱
を発生するフロン、氷など他のものを用いることもでき
る。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば次の効果を得ることがで
きる。 1.ヒートパイプに封入された熱媒体の気液相の密度
差、即ち重力によって熱媒体が循環することによって、
ポンプ、圧縮機を用いないで熱媒体を円滑に循環させる
ことができ、ガスタービンの吸気を効果的に冷却するこ
とができる。 2.吸気側熱交換器では、熱媒体の蒸発によってガスタ
ービンの吸気が冷却され、同吸気中の水分が氷結しない
温度で伝熱が行われるため、着氷・着霜が発生しない。 3.抽気真空ポンプによってヒートパイプ内を適当な真
空度に減圧することによって、熱媒体の飽和温度を適宜
の値にすることができ、ガスタービンの負荷、吸気側熱
交換器に入るガスタービンの吸気の温度等に対応して、
ガスタービンの吸気を適切に冷却することができる。 4.真空下の熱媒体の蒸発潜熱を利用するため、顕熱を
利用する従来の方式に比して熱媒体の流量を著しく減少
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構造図である。
【図2】同実施例が用いられたガスタービン発電機の系
統図である。
【図3】従来のガスタービンの吸気冷却装置の第1例の
系統図である。
【図4】従来のガスタービンの吸気冷却装置の第2例の
系統図である。
【図5】前記実施例と従来のガスタービンの吸気冷却装
置の説明図である。
【符号の説明】
9 吸気ダクト 10 吸気側熱交換器 11 冷媒側熱交換器 12 ヒートパイプ 13 抽気真空ポンプ 14 ヒートパイプの内管 15 ヒートパイプの外管 16 ヒートパイプの外管 17 ヒートパイプの内管 18 隔壁 A 蒸発域 B 凝縮域

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスタービンの吸気ダクトに設置されガ
    スタービンの吸気を冷却する吸気側熱交換器、前記吸気
    側熱交換器の上方に設置された冷媒側熱交換器、前記両
    熱交換器を熱的に結合するヒートパイプ、及び前記ヒー
    トパイプ内を減圧する抽気真空ポンプによって構成され
    たことを特徴とするガスタービンの吸気冷却装置。
  2. 【請求項2】 前記ヒートパイプを内管と外管の2重管
    とし、隔壁を介して、吸気側熱交換器内のヒートパイプ
    内管内と冷媒側熱交換器内のヒートパイプ内管と外管の
    間の部分とを、また、吸気側熱交換器内のヒートパイプ
    内管と外管の間の部分と冷媒側熱交換器内のヒートパイ
    プ内管内とをそれぞれ連通させたことを特徴とする請求
    項1に記載のガスタービンの吸気冷却装置。
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EP2881562A1 (en) * 2013-12-03 2015-06-10 Alstom Technology Ltd Gas turbine with intake air preheating system
CN114876641A (zh) * 2022-06-14 2022-08-09 西安热工研究院有限公司 一种利用lng气化冷能的燃气轮机进气冷却系统及其工作方法

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