JPH11350977A

JPH11350977A - 熱交換器及びガスタービン設備

Info

Publication number: JPH11350977A
Application number: JP16030998A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tsuji; 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン設備において、冷却効率を向上
する一方で冷却空気量を十分に確保して出力効率の向上
を図る。【解決手段】ガスタービン圧縮機１１の圧縮機１１に
空気を導入する空気導入通路１４に、ターボ冷凍機２３
の蒸発器２４の伝熱管３１を配設し、この伝熱管３１の
外周部に外管３３を固定して水を密封することで、伝熱
管３１内に０℃以下の冷却媒体を供給しても、外管３３
内の水が氷結するだけで空気導入通路１４に氷結は発生
せず、圧縮機１１への冷却空気量を十分に確保して冷却
効率を向上してガスタービン設備の出力効率の向上を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン圧縮
機に供給する空気の冷却に適用されるガスタービン設
備、また、このガスタービンなどに使用される熱交換器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービン設備は、圧縮機、
燃焼器、ガスタービン、発電機、冷却器、排熱ボイラな
どから構成されている。従って、圧縮機に導入された空
気は、この圧縮機で昇圧されて燃焼用空気となり、燃焼
器にこの燃焼用空気が投入されると共に燃料が噴射さ
れ、高温の燃焼ガスを発生させてタービンに必要な入口
温度を確保し、タービン翼、ロータが燃焼ガスの膨張作
用によって回転し、タービンに直結した発電機を駆動す
る。このとき、圧縮機から圧縮空気を抽気し、必要に応
じて冷却器で所定の温度に調整し、冷却空気としてター
ビン翼やロータを冷却する。そして、タービンで動力を
回収した後、タービン排気を直接、あるいは、排熱ボイ
ラで熱回収を行ってから煙突から外部に放出する。

【０００３】このようなガスタービン設備において、圧
縮機に導入される空気温度が高いほどガスタービンの出
力効率が悪いと考えられており、例えば、特開平２−７
８７３６号公報には、圧縮機への空気供給ラインに熱交
換器を設け、この熱交換器の冷却媒体として冷凍機から
の低温流体を供給するようにしたものが開示されてい
る。従って、圧縮機に導入される空気は熱交換器で低温
流体によって冷却されることとなり、吸入空気の温度を
低下することで、ガスタービンの出力効率を向上でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のガスタ
ービン設備にあっては、圧縮機に導入される空気を熱交
換器で冷却するために、この熱交換器に冷却媒体として
冷凍機からの低温流体を用いている。この熱交換器は吸
入空気の通路内に伝熱管を設け、この伝熱管内に低温流
体を供給することで、吸入空気をこの低温流体によって
冷却することができる。この場合、低温流体として冷水
を用いるが、冷却効率を良くするためには０℃以下の過
冷却水を用いるとよい。ところが、低温流体として過冷
却水を用い、これを伝熱管内に供給して吸入空気を冷却
すると、この吸入空気に含まれる水分が氷結して伝熱管
の外面に付着し、この氷が増えると吸入空気の通路を閉
塞してしまい、圧縮機の入口圧力が低下して十分な吸入
空気を導入することができなくなってしまう。

【０００５】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、冷却効率を向上する一方で冷却空気量を十分に
確保して出力効率の向上を図った熱交換器及びガスター
ビンを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１の発明の熱交換器は、被冷却体が流動する
通路に冷却媒体が貯留された伝熱管が配設されて構成さ
れ、前記冷却媒体と前記被冷却体との間で熱交換を行う
熱交換器において、前記伝熱管の外周部に内部に流体が
密封された外管を装着したことを特徴とするものであ
る。

【０００７】また、請求項２の発明のガスタービンは、
ガスタービン圧縮機の空気供給ラインに熱交換器を設
け、該熱交換器の冷却媒体として冷凍機からの低温流体
を用いたガスタービン設備において、前記空気供給ライ
ンを流動する被冷却体の通路に冷却媒体が貯留された伝
熱管を配設し、該伝熱管の外周部に内部に流体が密封さ
れた外管を装着したことを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【０００９】図１に本発明の第１実施形態に係るガスタ
ービンに適用される熱交換器としての蒸発器の概略、図
２に本実施形態の蒸発器の作用を表す概略、図３に本実
施形態のガスタービン設備の概略構成を示す。

【００１０】本実施形態の熱交換器はターボ冷凍機のガ
スタービン設備と組み合わせたものであり、図３に示す
ように、圧縮機１１と同軸上にガスタービン１２と発電
機１３が配設されており、圧縮機１１には空気導入通路
１４が連結されている。また、圧縮機１１は空気通路１
５を介して燃焼器１６に連結されると共に、この燃焼器
１６は空気通路１７を介してガスタービン１２に連結さ
れており、圧縮機１１に導入された空気は圧縮昇圧され
て燃焼用空気となり、空気通路１５を通して燃焼器１６
に供給される。この燃焼器１６には燃料ガスが直接噴射
されるようになっており、燃焼ガスが空気通路１７を通
してガスタービン１２に送給されてタービン翼を回転
し、ロータを介して発電機１３を駆動することができ
る。そして、このガスタービン１２には通路１８を介し
て排熱ボイラ１９が連結されると共に、通路２０を介し
て煙突２１が連結されている。

【００１１】また、このようなガスタービン設備の圧縮
機１１には、この圧縮機１１に導入する空気を冷却する
熱交換器が設けられており、この熱交換器はターボ冷凍
機の一部として構成されるものである。即ち、電動機２
２に直結したターボ冷凍機２３は、図示略した圧縮機、
凝縮器、膨張弁と蒸発器（熱交換器）２４から構成され
ている。そして、ターボ冷凍機２３から蒸発器２４へ極
低温の冷媒（例えば、−５０〜−１０℃のフロン、プロ
パンガス、アンモニアなど、）の供給通路２５が設けら
れると共に、蒸発器２４からターボ冷凍機２３へ冷媒蒸
気の戻し通路２６が設けられている。なお、電動機２２
は発電機１３によって駆動するようになっている。

【００１２】この蒸発器２４において、図１に示すよう
に、空気導入通路１４には前述した冷却媒体が貯留され
た伝熱管３１が配設されており、この伝熱管３１の上部
には気液分離器３２が装着されている。そして、この伝
熱管３１の外周部には上下部が閉塞された外管３３が固
定され、この外管３３内に流体としての水が密封されて
いる。なお、外管３３内の上部には空間部を設け、冷却
媒体によって水が氷結して体積膨張しても外管３３が破
損しないようになっており、この空間部を大気開放して
もよい。

【００１３】従って、このターボ冷凍機２３では、図１
及び図３に示すように、発電機１３と同じ電力系統によ
って電動機２２が駆動し、冷却媒体が伝熱管３１に送ら
れると、この冷却媒体によって外管３３内の水が冷却さ
れ、この冷却水を介して空気導入通路１４を流れる空気
が冷却される。ここで、図２に示すように、伝熱管３１
内の冷却媒体が０℃以下の流体であるため、この冷却媒
体の循環供給によって外管３３内の水は伝熱管３１側か
ら氷結してくる。そのため、この氷結の程度に応じて伝
熱管３１への冷却媒体の供給を停止することで、外管３
３内の全ての水の氷結を防止している。

【００１４】また、伝熱管３１内の冷却媒体によって外
管３３内の水の熱量Ｑ₁が冷却媒体側に伝導し、且つ、
空気導入通路１４を流れる空気の熱量Ｑ₂が外管３３内
の水側に伝導することでこの空気が冷却されることとな
る。そのため、熱量Ｑ₁と熱量Ｑ₂とが同量となるよう
に、空気導入通路１４に入ってくる空気の温度に応じて
伝熱管３１へ冷却媒体の供給量を制御することで、外管
３３内に生成される氷の量を一定に維持することができ
る。なお、空気導入通路１４の空気の冷却温度に応じ
て、熱量Ｑ₁と熱量Ｑ₂との大小関係を変更して外管３
３内に生成される氷の量を増加したり、減少したりする
こともできる。

【００１５】そして、図３に示すように、このターボ冷
凍機２３の蒸発器２４で冷却された空気は圧縮機１１に
導入され、この圧縮機１１で昇圧されて燃焼用空気とな
り、空気通路１５を通して燃焼器１６に投入されると共
に、この燃焼器１６には燃料ガスが噴射され、ここで燃
焼して高温の燃焼ガスが発生し、タービンに必要な入口
温度を確保する。すると、この燃焼ガスが空気通路１７
を通してガスタービン１２に送られ、ここで、タービン
翼、ロータがこの燃焼ガスの膨張作用によって回転し、
ガスタービン１２に直結した発電機１３を駆動する。そ
して、ガスタービン１２で動力を回収した後のタービン
排気は排熱ボイラ１９で熱回収を行ってから煙突２１か
ら外部に放出される。

【００１６】このように本実施形態のガスタービン設備
にあっては、圧縮機１１に空気を導入する空気導入通路
１４にターボ冷凍機２３の蒸発器２４の伝熱管３１を配
設し、この伝熱管３１の外周部に外管３３を固定して水
を密封している。そのため、伝熱管３１内に０℃以下の
冷却媒体を供給しても、外管３３内の水が氷結するだけ
で空気導入通路１４に氷結は発生せず、圧縮機１１への
冷却空気量を十分に確保して冷却効率を向上することが
でき、その結果、ガスタービン設備の出力効率の向上が
図れる。

【００１７】なお、本発明の熱交換器は上述した蒸発器
２４の構成に限定されるものではない。図４乃至図９に
本発明の第２、第３、第４、第５、第６、第７実施形態
に係るガスタービンに適用される蒸発器の概略を示す。
なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を
有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略
する。

【００１８】図４に示すように、第２実施形態の蒸発器
４１において、空気導入通路１４には冷却媒体が貯留さ
れた伝熱管３１が配設されており、この伝熱管３１の外
周部には外管３３が固定され、この外管３３内に水が密
封されている。そして、この外管３３の外周部には多数
のフィン４２が形成されている。従って、冷却媒体が伝
熱管３１に送られると、この冷却媒体によって外管３３
内の水が冷却及び氷結され、この外管３３の外周面及び
多数のフィン４２を介して空気導入通路１４を流れる空
気が冷却されることとなり、多数のフィン４２により冷
却効率が向上する。

【００１９】また、図５に示すように、第３実施形態の
蒸発器５１において、空気導入通路１４には冷却媒体が
貯留された多数の伝熱管３１が配設されており、この伝
熱管３１の上部は１つの気液分離器３２に連結され、外
周部にはそれぞれ外管３３が固定されて内部に水が密封
されている。従って、冷却媒体が各伝熱管３１に送られ
ると、この冷却媒体によって各外管３３内の水が冷却及
び氷結され、各外管３３の外周面を介して空気導入通路
１４を流れる空気が冷却されることとなり、多数の伝熱
管３１及び外管３３により冷却効率が向上する。

【００２０】また、図６(ａ)(ｂ)に示すように、第４実
施形態の蒸発器６１において、空気導入通路１４には冷
却媒体が貯留された伝熱管３１が配設されており、この
伝熱管３１の外周部には外管３３が固定されて内部に水
が密封されると共に、圧縮性部材６２、あるいは、その
圧縮性分散体６３が内設されている。従って、冷却媒体
が伝熱管３１に送られると、この冷却媒体によって外管
３３内の水が冷却及び氷結され、外管３３の外周面を介
して空気導入通路１４を流れる空気が冷却されることと
なる。この場合、外管３３内の水が氷結して体積膨張し
ても、圧縮性部材６２、あるいは、圧縮性分散体６３が
収縮することでその膨張量が吸収されることとなり、外
管３３内に水を充満させることができる。

【００２１】また、図７に示すように、第５実施形態の
蒸発器７１において、空気導入通路１４には冷却媒体が
貯留された伝熱管７２が配設されており、この伝熱管７
２の外周部及び下部には外管７３が固定されて内部に水
が密封されている。従って、冷却媒体が伝熱管３１に送
られると、この冷却媒体によって外管７３内の水が冷却
及び氷結され、外管７３の外周面を介して空気導入通路
１４を流れる空気が冷却されることとなる。この場合、
伝熱管３１を上部で片持ち支持でよく、組立性の向上が
図れる。

【００２２】更に、図８に示すように、第６実施形態の
復水器８１において、発電機８２によって駆動する蒸気
タービン８３から排出されるタービン排気の排気管８４
には冷却媒体が貯留された伝熱管３１が配設されてお
り、この伝熱管３１の外周部には外管３３が固定され、
この外管３３内に水が密封されている。従って、冷却媒
体が伝熱管３１に送られると、この冷却媒体によって外
管３３内の水が冷却及び氷結され、この外管３３の外周
面を介して排気管８４内を流れるタービン排気が冷却さ
れることとなり、低温冷却が可能となって復水器８１を
高真空として蒸気タービン８３の出力を向上できる。

【００２３】また、図９に示すように、第７実施形態の
熱交換器９１において、発電機９２によって駆動する蒸
気タービン９３から排出されるタービン排気の排気管に
は復水器９４が接続されており、この復水器９４に導か
れて排出された海水の配管９５には冷却媒体が貯留され
た伝熱管３１が配設されており、この伝熱管３１の外周
部には外管３３が固定され、この外管３３内に水が密封
されている。従って、冷却媒体が伝熱管３１に送られる
と、この冷却媒体によって外管３３内の水が冷却及び氷
結され、この外管３３の外周面を介して配管９５内を流
れる温められた海水が冷却されることとなり、温排水量
を削減して環境の悪化を防止できる。

【００２４】なお、本実施形態では、外管３３内に封入
される流体を水としたが、これに限定されるものではな
く、例えば、潜熱蓄熱材として、パラフィン系の有機
物、無機共晶塩、水和塩などのＰＣＭ＝Phase Changr M
aterial であってもよい。また、被冷却体として、蒸発
器２４への吸入空気や復水器へのタービン排気や海水と
したが、これらに限らず、空気や水蒸気等としてもよ
い。更に、上述の実施形態では、熱交換器をターボ冷凍
機とガスタービン設備との組み合わせで説明したが、吸
収冷凍機とガスタービン設備との組み合わせでもよく、
他の冷凍機のガスタービン設備と組み合わせてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように請求項１の発明の熱交換器によれば、被冷却体が
流動する通路に冷却媒体が貯留された伝熱管を配設し、
この冷却媒体と被冷却体との間で熱交換を行うように構
成し、この伝熱管の外周部に内部に流体が密封された外
管を装着したので、伝熱管内に０℃以下の冷却媒体を供
給しても、外管内の水が氷結するだけで空気導入通路に
氷結は発生せず、冷却空気量を十分に確保して冷却効率
を向上することができる。また、冷却媒体を水としてそ
の容積を所定量確保することで、水が氷となるときの蓄
熱によって熱の貯溜を行うことができる。

【００２６】また、請求項２の発明のガスタービン設備
によれば、ガスタービン圧縮機の空気供給ラインに熱交
換器を設け、この熱交換器の冷却媒体として冷凍機から
の低温流体を用いたガスタービン設備を構成し、空気供
給ラインを流動する被冷却体の通路に冷却媒体が貯留さ
れた伝熱管を配設し、この伝熱管の外周部に内部に流体
が密封された外管を装着したので、伝熱管内に０℃以下
の冷却媒体を供給しても、外管内の水が氷結するだけで
空気導入通路に氷結は発生せず、冷却空気量を十分に確
保して冷却効率を向上することができ、その結果、出力
効率の向上を図ることができる。また、２重管となるの
で冷却媒体の外部漏洩を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るガスタービンに適
用される熱交換器としての蒸発器の概略図である。

【図２】本実施形態の蒸発器の作用を表す概略図であ
る。

【図３】本実施形態のガスタービン設備の概略構成図で
ある。

【図４】本発明の第２実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【図５】本発明の第３実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【図６】本発明の第４実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【図７】本発明の第５実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【図８】本発明の第６実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【図９】本発明の第７実施形態に係るガスタービンに適
用される蒸発器の概略図である。

【符号の説明】

１１圧縮機１２ガスタービン１３発電機１４空気導入通路１６燃焼器２３ターボ冷凍機２４蒸発器（熱交換器）３１伝熱管３２気液分離器３３外管４１蒸発器（熱交換器）４２フィン５１蒸発器（熱交換器）６１蒸発器（熱交換器）６２圧縮性部材６３圧縮性分散体７１蒸発器（熱交換器）７２伝熱管７３外管８１復水器（熱交換器）９１熱交換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被冷却体が流動する通路に冷却媒体が貯
留された伝熱管が配設されて構成され、前記冷却媒体と
前記被冷却体との間で熱交換を行う熱交換器において、
前記伝熱管の外周部に内部に流体が密封された外管を装
着したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】ガスタービン圧縮機の空気供給ラインに
熱交換器を設け、該熱交換器の冷却媒体として冷凍機か
らの低温流体を用いたガスタービン設備において、前記
空気供給ラインを流動する被冷却体の通路に冷却媒体が
貯留された伝熱管を配設し、該伝熱管の外周部に内部に
流体が密封された外管を装着したことを特徴とするガス
タービン設備。