JPH11501096A - ガスタービンへの吸気を清浄化するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、エネルギ源に使用されるガスタービンのコンプレッサへの吸気を清浄化するための方法および装置に関する。従来、ガスタービンの吸気フィルタとしては機械的ファブリックフィルタが使用されている。周知のように、ファブリックフィルタが分離できるのは空気中の比較的大きな粒子のみであって、そのため空気中に浮遊する汚染粒子の一部が設備の中に入り込んで機器内部で埃の堆積を引き起こすことがある。本発明により、以下のような方法を用いてより高い効率で吸気を清浄化することが可能になる。つまり本発明の方法では、吸気の機械的濾過段階に少なくとも１つの静電気を利用した濾過段階を組み合わせ、さらに空気中に浮遊する粒子の電気的特性を電気的または化学的に改良する補足的な段階を組み合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンへの吸気を清浄化するための方法および装置 本発明は、発電に用いられるガスタービン機器への吸気を清浄化するための請 求項１の前文に記載の方法に関するものである。 本発明はさらに上記方法を実施するのに適した装置に関するものである。 ガスタービンのコンプレッサ部分への吸気、つまりタービンの燃焼空気は、機 械的ファイバフィルタによって清浄化される。吸気をろ過する目的は、コンプレ ッサおよびタービンに磨耗を起こしたり、またはこれらを汚染したりする粒子が 混入するのを防ぎ、装置の磨耗を防いで清掃および保守管理の必要性を軽減する ことにある。発電に利用される大型のガスタービンはさらに、極めて大量の燃焼 空気を必要とすることから、非常に低濃度の汚染性粒子が混入しても、運転中装 置内に大量の埃が堆積する結果となる。これは燃焼空気の濾過ができるだけ効率 良く行われなければならないことを意味する。一方、そのような濾過によって吸 気チャネル内に生じる圧損が機器の効率を低下させることから、濾過効率の設計 値は常にその場の状況とのバランスで決定されることになろう。 今日、コンプレッサの吸気フィルタとして各種の機械的フィルタを使用するの が一般的である。このようなフィルタにおける濾過材は、不純物を容易に吸着す るようにひだを付けた織布である。フィルタの濾過効率は濾過材の特性とパッケ ージング密度とに依存する。特定の種類の濾過材について、濾過効率は フィルタ用織布を厚くするか、あるいは濾過材をより緊密に圧縮することによっ て向上させることができる。いずれの方法も結果的にフィルタによる圧損が極端 に大きく、さらに機械的フィルタの分離効率はそれほど向上せず、実際、従来型 のファブリックフィルタによって完全に濾過される粒子サイズのカットオフ値は ２〜５μｍが限界である。従って十分に寸法の小さい粒子は常に現在使用されて いるエアフィルタを通過してしまう。 多重型(multiple)で効果的な濾過システムの使用はこれまで必要とされていな いが、タービン機器の効率に関する最近の調査では、最も小さい汚染粒子を含む 粒子成分もまた機器の効率および運転寿命に影響を与えることが明らかになった 。事実、最も微細な粒子によって構成される成分がガスタービンおよびコンプレ ッサ機器における埃の堆積の主な原因であることから、この成分は吸気から注意 深く除去されなければならない。微粒子の比率は混入する汚染物質固体総量の約 １％程度であるが、それらは時間と供に堆積され、ガスタービンには大量の空気 が取り込まれることから、年間数十キログラムという量に上ることがある。埃の 堆積によってタービンの効率が低下し、その出力容量が低下する。そのような出 力の低下は次のような多くの要因によって起こる。すなわち、粒子による磨耗、 機器内部の清掃方法が効果的でないために除々に埃が堆積すること、およびその ような清掃作業によるさらなる磨耗、並びにシール類の公差の増大によるリーク 率の上昇等の要因によって起こる。機器の運転寿命中の出力の低下は、たとえそ れが最小限のものであっても深刻な経済的損失をもたらす。さらに、内部におけ る埃の堆積と供にタービンの効率が低下し、所定の間隔でコンプレッサおよびタ ービンの清掃が必要となる。清掃は粉砕された 各種の材料を添加した水を用いて洗浄することによって行う。そのような水によ る洗浄は特に低温条件下での凍結によって妨害される。機器内部における埃の堆 積に関連した余分な運転コストは、燃料消費の増加、出力容量の低下およびコン プレッサの清掃コスト等に帰することができる。埃の堆積の程度およびその影響 は当然運転環境および吸気の汚染の度合いに左右される。なぜなら、機器の洗浄 を行っても付着した埃を完全に除去することは不可能であり、機器内部に除々に 埃が堆積することが１つの要因となって数年のうちには出力の低下が数十パーセ ントに達するからである。 フィルタ内に埃が堆積する結果、フィルタの閉塞によって圧損が起こり、所定 の間隔でフィルタを交換する必要が生じる。フィルタ交換はフィルタの目が細か いほど頻繁に必要となり、フィルタの交換によってフィルタの値段や停止期間の 長さに応じたレベルのコストがかかることになる。従来濾過効率を向上させるた めの試みは、各種の濾過方法を組み合わせることよりもむしろ細かいフィルタお よび粗いフィルタについてより優れた材料を研究することによって行われてきた 。静電気を利用する方法は非常に信頼性に欠けるものと見なされており、それら を単一のフィルタとして使用することに伴うリスクは非常に高く、受け入れられ るものではないことが分かっている。静電気を利用した方法の欠点は、湿度と、 特にそれによって起こる短絡に関するものである。 本発明の目的は、発電に用いられるガスタービンの吸気濾過効率において従来 技術の性能を超越し、より高いコスト効率を達成し、さらに圧損をより低く抑え ることが可能な方法を提供することにある。 本発明の目的は、吸気の機械的濾過に加えて少なくとも一種類の静電気を利用 した濾過段階を行うことによって達成されるもので、静電気を利用した濾過段階 では空気中に浮遊する粒子の電気的特性を電気的または化学的に改善する。 特に、本発明の方法は請求項１の特徴部分の記載によって特徴付けられる。 さらに、本発明の装置は、請求項８の特徴部分の記載によって特徴付けられる 。 本発明によって多大な利益が得られる。 本発明における最も重要な利点は、運転効率の安定化および出力低下率の抑制 である。従来技術では大量の空気流を清浄化するために静電集塵法が用いられる ことはなかった。なぜなら従来型の濾過では浮遊する粒子に電荷を与えるために 濾過のコスト効率を損なうほどの非常に高い電力を消費する必要があったからで ある。しかしながら、予備的濾過と従来通りの微細な濾過とを組み合わせること により、静電集塵を有利に使用することができる。なぜならそのような組み合わ せにおいては高い分離度を犠牲にすることなくはるかに低い荷電電圧を用いるこ とができるからである。濾過による圧損は軽減され、機械的濾過を分離度の低い フィルタを用いて行うことが可能になり、それによってフィルタによる圧損が小 さくなり、フィルタの使用中の汚れ速度（fouling rate）が低下し、従ってフィ ルタ交換の頻度が低下する。その結果プロセスの停止およびフィルタの交換コス トが減少する。濾過装置はさらに、システムの一部あるいは全部が平行な二重の フィルタシステムで構成されるようにデザインされていてもよい。それによって 発電システムを連続運転しながら濾過システムをオフラインでメンテナンスする ことができる。静電気を利用した段階では、従来型の濾過方法に比べてより微細 な粒子を吸気から分離することができ、それによってフィルタを通過する汚染粒 子の総量は大幅に減少する。そのような濾過効率の向上は非常に重大であって、 微細な機械的フィルタを通過する粒子の総量を相対的に1000とすると、粗い機械 的濾過に２段階の静電気を用いた濾過を組み合わせることによって50という相対 値が達成される。ガスタービンの吸気消費量は容易に120 ｍ³／秒に達すること から、吸気流が除去すべき粒子を大量に含むことは明らかである。本発明方法に よって吸気濾過を改良することにより、埃の堆積速度は大幅に低下し、その結果 コストが節約される。そのため静電気を利用した方法にかかる余分なエネルギー はその利点に比べて極めて小さいことから、容易に許容することができる。 機器の保守管理は容易になってサービスコストが低下するが、これは、最も大 きな負荷を受けるであろう第１の濾過段階のフィルタエレメントが低コストで交 換および洗浄可能なためである。静電集塵器における短絡の問題は、２種類の異 なる静電集塵を利用するか、あるいはフィルタユニット内の絶縁体を加熱するこ とによって克服することができる。 以下、本発明のフィルタユニットを具体的に示した図面を参照しながら本発明 をさらに詳細に検討する。 以下の記載では、次のような定義を用いる。電気集塵器は電圧源に接続された 平坦且つ平行なプレートを有する装置である。１つの種類の静電ファイバフィル タは、帯電したファイバより成るフィルタであって、このファイバは恒久的に分 極している。別の種類の静電ファイバフィルタでは、ファイバまたは多孔性の濾 過材は永久帯電してはおらず、アクティブな電場を用いて フィルタが活性化される。以上のようなタイプの装置は全て通常電気フィルタと 呼ばれている。 図面を参照すると、図に示したフィルタ装置は、機械的ファイバフィルタ１お よび静電集塵器３を有し、この静電集塵器ユニットはその前に配置されたコロナ ワイヤ２を有し、該ユニットの後方には静電ファイバフィルタ４が置かれている 。一般に、フィルタ装置はさらにフレーム５を有し、このフレームに各ユニット が取付けられている。図にはフレームの輪郭のみを示す。機械的フィルタ１はフ ァイバ層を有し、この層のファイバは織布であってもよい。ファイバ層は空気流 を通過させ、通過の際にファイバ層を通過する浮遊粒子の一部を吸着する。機械 的フィルタ１の下流にはさらに２つの濾過段階が存在するために、フィルタ１の 濾過分離能力は最も微細な粒子の分離までカバーする必要はなく、そのため分離 能力が低く、且つ通気性の高いフィルタ１を使用することができる。従って機械 的フィルタ１の機能は混入粒子全体のうち大部分を分離して、その後の濾過段階 を保護することにある。 フィルタ装置内の機械的フィルタ１の下流には、適当なコロナワイヤ２が配置 されている。これらのワイヤ２には高いＤＣ電圧が印加されており、ワイヤの周 囲に電場が発生するようになっている。コロナワイヤ２の目的は通過する粒子を 帯電させることにある。コロナワイヤの下流には静電集塵器３が置かれており、 この集塵器３は互いに近接して平行に配置された平坦なプレートを有する。これ らのプレートにも高いＤＣ電圧が供給されており、プレート間に電場が発生する ようになっている。機械的フィルタ１を通過した固体粒子がコロナワイヤ２に達 すると、粒子がコロナ放電をトリガして、粒子が帯電する。帯電 した粒子はその電荷を保持しながら静電集塵器３を通過し、帯電したプレート間 の隙間を通過する。プレート間の電場内で空気中に浮遊していた粒子が、電気的 な力によって生じる引力の影響でプレート表面に付着される。適切に動作してい る時、そのようなフィルタはサイズが0.1 〜１μｍの浮遊粒子を少なくとも80％ 以上、好ましい条件下では90％以上分離することができる。それよりも大きい粒 子ではさらに高い分離度が達成される。そのような集塵器の主な動作パラメータ は、コロナワイヤ電流、プレートに印加される集塵電流および特に空気の流速で あって、この空気の流速はプレートへの粒子の吸着を妨害するほど高くはないも のとする。 静電集塵器３の下流には静電ファイバフィルタ４が置かれている。そのような フィルタ４は永久電荷を有するように帯電されたファイバで構成されており、フ ァイバは分極している。従ってこの種のファイバは外部電源を必要とせず、非常 に簡単な構造を有する。本明細書に記載の実施例では、静電ファイバフィルタは ひだ状になっており、ひだの凹部分が空気流を受けるように向けられている。静 電ファイバフィルタ４は、空気の流れに沿った最終的なのフィルタエレメントと して配置される。なぜならそのようなフィルタは比較的高価なため、交換コスト はかなりの投資を意味する一方、好ましくないな運転条件では静電ファイバフィ ルタの効率は非常に急速に低下することがあるからである。従ってこの種のフィ ルタは、混入する埃の量の少ない最も微細な粒子の分離に利用するのが適当であ る。 上記に加えて本発明ではさらなる具体例が提供される。それら具体例では全て 、吸気流はまず初めに空気中の粒子の大部分を分離することの可能なフィルタを 通して取り込まれ、それに よってさらに細かい粒子を分離するためのその後の濾過段階を過負荷によるダメ ージや急速な閉塞から保護するようになっている。濾過の第１段階は粗い機械的 フィルタか、静電集塵器にするのが有利である。第１または次の濾過段階で使用 するフィルタの変形例としては、ファイバまたは多孔性材料より成る濾過材並び に粒子を両方とも分極させるアクティブな電場(active electric field)を利用 した静電ファイバフィルタがある。そのようなフィルタはコロナワイヤまたは化 学的手段等の類似の要素、もしくは空気が実際のフィルタ要素を通過する前に空 気中に浮遊する粒子を帯電させるチャージプレートを具備していなければならな い。コロナワイヤによるチャージとそのような静電ファイバフィルタとの組み合 わせにより、最適な条件で、0.1 〜１μｍの範囲の粒子を最終的にほぼ完全に分 離することができる。 非常に厳しい条件、例えば空気に大量の砂が含まれる場合、本発明の装置にサ イクロン集塵機を組み合わせることができる。サイクロンは機械的濾過段階の前 に設置され、機械的濾過の前に何らかの種類の電気的濾過が行われる場合には、 その電気的濾過段階の前に置かれる。フィルタユニットの数並びにそれら相互の 順序は以下のような条件で変化させることができる。つまりフィルタ装置が、少 なくとも１つの機械的フィルタと、該機械的フィルタの下流に配置されて機械的 フィルタを通過した微細な浮遊粒子を分離することの可能な電気的フィルタとを 有するという条件で変化させることができる。電気ファイバフィルタを使用する 場合、このフィルタはダメージを受けやすいことから最後のユニットとして配置 しなければならない。しかしながら、上記具体例の構成は実用上最も有利な組み 合わせであ ることが分かっている。いずれの場合もフィルタ装置の寸法は、装置全体での圧 損が従来のフィルタ装置以上にならないように設定されなければならない。ほと んどの場合圧損を従来の値よりも小さくすることが可能である。さらに、フィル タとフィルタ装置全体の設計は柔軟に変化させることができる。フィルタシステ ムにおける重要なアクセサリには各種の清掃手段が含まれ、そのうち最も重要な ものは静電集塵器の洗浄器具である。そのような手段によってフィルタ装置のメ ンテナンス間隔を長くすることができる。運転の信頼性を高めるためのさらなる 改良は、静電集塵器のフィルタ絶縁体を加熱するためのヒーター手段を設置する こと、並びにフィルタシステムを部分的に二重にすることによって達成される。 そのため、１つの静電ステージは平行に配置された２つの粗い機械的フィルタの うちのどちらか一方を通過するように選択された空気を受けることができ、例え ばそれによって機械的フィルタの交換が容易になる。システムにプレート型の静 電集塵器が具備されている場合、この集塵器のプレートは清掃の自動化が容易な ことから、このフィルタシステムは高い有効性を獲得する。システムはさらに、 平行に配置された２つの機械的フィルタと、平行に配置された２つの静電集塵器 と、共通な１つの静電ファイバフィルタとを備えていてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ０３Ｃ 3/155 Ｂ０３Ｃ 3/28 3/28 3/14 Ａ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＵＡ(ＡＺ，ＢＹ，ＫＺ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，Ａ Ｌ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．発電に用いられるガスタービンのコンプレッサの吸気を清浄化するための方 法であって、機械的フィルタ(1)を用いた少なくとも１つの段階で空気を清浄化 し、機械的濾過段階に続いて浮遊粒子の電気的特性を整えるために空気を処理し 、その後機械的フィルタ(1)を通過した粒子を空気流から分離するように適合さ れた電気フィルタ(3)を用いた少なくとも１つの段階で空気を清浄化することを 特徴とする方法。 ２．コロナ放電によって空気を処理して空気中に浮遊する粒子を帯電させること を特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．浮遊する粒子の電気的特性を整えるために空気を化学的に処理することを特 徴とする請求項１に記載の方法。 ４．まず最初に機械的フィルタ(1)を用いて空気を濾過し、その後静電集塵器(3) で濾過し、最後に静電ファイバフィルタ(4)を用いて濾過することを特徴とする 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。 ５．機械的濾過段階の前に静電集塵器で空気を濾過することを特徴とする請求項 １〜４のいずれか一項に記載の方法。 ６．電気フィルタ(3)を用いた少なくとも２つの段階で空気を濾過し、これら濾 過段階のうち少なくとも１つが静電気で動作するファイバのフィルタを備えるこ とを特徴とする請求項１〜 ５のいずれか一項に記載の方法。 ７．電気的ヒーター要素を用いて、結露による凍結を防ぐために静電フィルタの 絶縁体を加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。 ８．発電に用いられるガスタービンのコンプレッサへの吸気を清浄化するための 装置であって、コンプレッサの空気吸入口に空気を通過させるためのフレーム(5 )および少なくとも１つの機械的フィルタ(1)を備え、空気中に浮遊する粒子の電 気的特性を整えるための少なくとも１つの装置と、空気の流れる方向に沿って上 記機械的フィルタ(1)の下流に配置された少なくとも１つの電気的フィルタ(3)と を有し、上記電気フィルタの空気中に浮遊する微粒子を分離する能力が機械的フ ィルタよりも高いことを特徴とする装置。 ９．空気中に浮遊する粒子を帯電させるためのコロナワイヤ(2)を有することを 特徴とする請求項８に記載の装置。 10．空気中に浮遊する粒子の電気的特性を整えるために空気を化学的に処理する 装置を有することを特徴とする請求項８に記載の装置。 11．空気の流れる方向に沿って、最初に機械的フィルタ(1)、次に静電集塵器(3) 、最後に静電ファイバフィルタ(4)を有することを特徴とする請求項８〜10のい ずれか一項に記載の装置。 12．上記機械的フィルタ(1)の前に静電集塵器を有することを特徴とする請求項8 〜11のいずれか一項に記載の装置。 13．少なくとも２つの静電フィルタ(3)を有し、そのうち少なくとも１つが静電 気で動作するファイバのフィルタであることを特徴とする請求項８〜12のいずれ か一項に記載の装置。 14．上記静電フィルタの絶縁体を加熱するように適合された電気的ヒーター要素 を有することを特徴とする請求項８〜13のいずれか一項に記載の装置。