WO2013030988A1 - ガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラント - Google Patents

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compressor
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高橋 文夫
庸正 西嶋
重雄 幡宮
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株式会社日立製作所
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    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine plant, and more particularly to a gas turbine plant that sprays droplets (water) into the intake air of a compressor of the gas turbine plant.
  • the present invention also relates to a combined cycle plant, and more particularly to a combined cycle plant that sprays droplets (water) into the intake air of a compressor that constitutes the combined cycle plant.
  • Patent Document 1 describes a technique of spraying water droplets and cooling the intake air during intake air to a compressor of a gas turbine plant or a combined cycle plant. According to the technique described in Patent Document 1, droplets sprayed during intake of the compressor evaporate in the intake chamber and the compressor to cool the intake air, thereby improving the efficiency and output of the gas turbine.
  • Non-Patent Document 1 describes that as a result of investigating the compressor of the gas turbine plant, it was found that the compressor performance deteriorates with time when the intake air humidity is high. Therefore, there is a concern that the compressor performance may deteriorate over time due to water spray on the intake air of the compressor.
  • air (outside air) is used for intake of a compressor of a gas turbine plant.
  • the atmosphere includes a corrosive gas such as sulfur oxide (hereinafter referred to as “SOx”) and nitrogen oxide (hereinafter referred to as “NOx”).
  • SOx sulfur oxide
  • NOx nitrogen oxide
  • SOx sulfur oxide
  • NOx nitrogen oxide
  • An object of the present invention is to provide a gas turbine and a combined cycle plant that can eliminate the deterioration of the performance of the compressor over time due to the corrosive gas being dissolved in the water sprayed in the intake air.
  • an intake chamber is disposed upstream of the compressor, and corrosive gas contained in the outside air is disposed upstream of the spray device in the intake chamber.
  • the suction filter that adsorbs and the upstream side of the intake air filter in the intake chamber is heated to inject the heated air to desorb the adsorbed corrosive gas and regenerate the adsorbing function of the corrosive gas.
  • a time zone for cooling the air entering the compressor by the water spray device and a time zone for regenerating the corrosive gas adsorption function of the intake filter by the filter heating means is characterized by that.
  • the intake filter absorbs the corrosive gas
  • the corrosive gas is dissolved in the sprayed water even if the droplets of water are sprayed on the intake air of the compressor.
  • the acid becomes highly corrosive, and the compressor blades can be prevented from corroding and deterioration of the compressor performance with time.
  • the spraying of water droplets on the intake air of the compressor is stopped and the intake filter is heated by the filter heating means.
  • the adsorption function of the intake filter with respect to the corrosive gas can be regenerated by desorbing and regenerating the corrosive gas from the intake filter.
  • the corrosive gas desorbed from this intake filter is discharged as exhaust gas through the compressor and gas turbine, but it is gaseous and does not dissolve in water, so it corrodes the compressor blades. There is no. Thereby, the time-dependent fall by the long-term operation
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a combined cycle plant according to a first embodiment of the present invention. It is a time chart explaining the operating method of the combined cycle plant of this invention, (a) is explanatory drawing of the time slot
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a combined cycle plant according to a first embodiment of the present invention.
  • the combined cycle plant 300A mainly includes a compressor 1, a combustor 2, a gas turbine 3, a generator 4, an exhaust heat recovery boiler 5, a steam turbine 6, a condenser 7, and a feed water pump 8. .
  • an intake duct 101 having a rectangular cross section is provided on the upstream side of the compressor 1, for example.
  • a louver (not shown) is provided, and an intake filter 12 for removing dust and adsorbing SOx and NOx is disposed.
  • the intake duct 101 is further provided with a water spray nozzle (water spray device) 115a for spraying normal temperature water to the intake air on the downstream side (compressor 1 side) of the intake filter 12, for example, a lattice water spray network pipe (
  • a spray mother pipe 113 is connected to the water spray device 115, which supplies room temperature water to the water spray network pipe 115.
  • the spray mother pipe 113 is connected to the water tank 111 via the flow rate control valve 114 and the booster pump 112 toward the upstream side.
  • a supply pipe 116 for supplying water from the outside is connected to the water tank 111.
  • the spray mother pipe 113 on the downstream side of the flow control valve 114 is provided with a flow sensor S9 and a pressure sensor S10, and transmits detected flow and pressure signals to the control device 200A.
  • the water tank 111, the booster pump 112, the spray mother pipe 113, the flow control valve 114, the water spray network pipe 115, the water spray nozzle 115a, the flow sensor S9 and the pressure sensor S10 constitute the intake air cooling system 11.
  • a silencer (not shown) is installed in the intake duct 101, it is desirable that the water spray network piping 115 be installed on the downstream side of the intake air flow with respect to the silencer.
  • ON / OFF control of the booster pump 112 is controlled by the gas turbine / steam turbine control unit 201 of the control device 200A.
  • the gas turbine / steam turbine control unit 201 controls the intake air to a stopped state (off).
  • the flow control valve 114 is controlled by the gas turbine / steam turbine control unit 201.
  • the temperature of the intake air in the intake chamber 102 is lowered to a desired temperature by the heat of vaporization when the droplets sprayed from the water spray nozzle 115a are evaporated, and the intake air is discharged in the compressor 1.
  • the degree of opening of the flow control valve 114 is controlled so that the droplets evaporate during the compression process and the air temperature in the compressor 1 is lowered to obtain the desired output of the gas turbine 3.
  • the opening control of the flow rate control valve 114 is performed from the temperature sensor S1 that measures the atmospheric temperature, the atmospheric pressure sensor S2, the humidity sensor S3 that measures the atmospheric humidity, and the temperature sensor S4 that measures the intake air temperature in the intake chamber to the control device 200A. It is controlled by the gas turbine / steam turbine control unit 201 based on each output signal and the output request command value Qc to be output from the power transmission end of the combined cycle plant 300A input to the control device 200A.
  • an intake air filter 12 is installed for the purpose of removing particulate matter and SOx and Nox corrosive gas in the atmosphere.
  • the intake filter 12 is made of, for example, a porous medium in which fibers are collected, and the total surface area of the individual fibers is large. For this reason, it is adsorbed on the fiber surface, and SOx and Nox corrosive gases are removed from the intake air until the fiber surface reaches saturation.
  • an air filter unit for producing highly purified air for example, a) an inert separation filter for removing solid particles, as described in JP-A-11-511058, b) a fan A filter element including a solid that adsorbs molecules by Dell-Walls force; c) a filter element including a molecular sieve; and d) a filter element having the ability to bind polar, acidic or basic molecules.
  • a composite filter for example, a) an inert separation filter for removing solid particles, as described in JP-A-11-511058, b) a fan A filter element including a solid that adsorbs molecules by Dell-Walls force; c) a filter element including a molecular sieve; and d) a filter element having the ability to bind polar, acidic or basic molecules.
  • Filter elements having the ability to bind polar, acidic or basic molecules include, for example, polymers containing basic amine groups, such as polyethyleneimine, polyallylamine, polyvinylamine and polyethylene hydrazine, which are corrosive such as SOx and NOx. It can be used to remove acidic gas, which is a sex gas. When the surface of such a filter element adsorbs and saturates the corrosive gas of SOx or NOx, the adsorption function is lost.
  • basic amine groups such as polyethyleneimine, polyallylamine, polyvinylamine and polyethylene hydrazine
  • a compressed air bleed pipe (filter heating means) 13A for extracting air that has been heated in the compression process by the compressor 1 from the final stage of the compressor 1 is provided, and through a bleed on / off valve (filter heating means) 131, It is connected to the heated air injection network piping (filter heating means) 132 upstream of the intake air flow 12 than the intake air filter 12.
  • the heated air injection network pipe 132 has, for example, a lattice shape and includes a large number of air injection nozzles (filter heating means) 132a facing the intake air flow side.
  • This extraction on / off valve 131 is controlled by the filter heating regeneration control unit (filter heating means) 202A of the control device 200A, and when the intake air cooling system 11 is not operating, the extraction on / off valve 131 is opened. High-temperature air extracted from the compressor 1 is blown to the intake filter 12, the intake filter 12 is heated, SOx and Nox adsorbed on the intake filter 12 are desorbed, and flowed as intake air of the compressor 1 in a gas state .
  • Compressor 1, combustor 2, gas turbine 3 Intake air under atmospheric conditions is sucked into the compressor 1 through the intake duct 101, pressurized by the compressor 1, and then flows into the combustor 2 as compressed air.
  • the compressed air and the fuel supplied via the fuel flow rate adjustment valve 21 are mixed and burned, and high-temperature combustion gas is generated.
  • the combustion gas flows into the gas turbine 3 and rotationally drives the gas turbine 3.
  • the generator 4 connected to the gas turbine 3 via the drive shaft 32 is rotationally driven by the gas turbine 3 to generate power.
  • the combustion gas that has driven the gas turbine 3 is discharged from the gas turbine 3 as combustion exhaust gas, led to the exhaust duct 10, and generates steam in the exhaust heat recovery boiler 5.
  • the compressor 1 is rotationally driven by a drive shaft 31 of the gas turbine 3.
  • the fuel flow rate adjusting valve 21 calculates the output to be output from the gas turbine 3 based on the output request command value Qc by the gas turbine / steam turbine control unit 201 of the control device 200A, and outputs the output request of the gas turbine 3.
  • the fuel flow rate signal from the fuel flow rate sensor S5 is controlled so as to become a value.
  • the feed water flows upward from the downstream portion of the combustion exhaust gas of the evaporation pipe 53 to the upstream portion of the combustion exhaust gas and returns to the steam drum 52 by an upward driving force caused by the void of the steam generated in the evaporation pipe 53. Circulate.
  • the steam drum 52 separates the liquid phase and the gas phase (steam), and the steam is further supplied to the inlet of the steam turbine 6 via the superheater 54.
  • the feed water pump 8 is rotated by the gas turbine / steam turbine controller 201 of the control device 200A based on a signal indicating a water level from a water level sensor (not shown) so that the water level of the steam drum 52 falls within a predetermined range. Controlled.
  • the steam that has driven the steam turbine 6 is exhausted to the condenser 7, cooled (condensed) by the cooling water 9, and returned to the water.
  • the drive shaft 61 of the steam turbine 6 is connected to the generator 4 via a clutch (not shown), and drives the generator 4 together with the gas turbine 3.
  • the generator 4 is provided with a power generation end power sensor S7 that detects an electrical output at the power generation end, and further, a part of the electric power is consumed in the power in the combined cycle plant 300A.
  • a power transmission end power sensor S8 for detecting an electrical output at the power transmission end is provided. Power value signals detected by the power generation end power sensor S7 and the power transmission end power sensor S8 are sent to the control device 200A and used for control.
  • the exhaust heat of the gas turbine 3 is recovered and the steam turbine 6 is driven, so that high thermal efficiency can be obtained.
  • the control device 200A in the present embodiment includes a gas turbine / steam turbine control unit 201 and a filter heating regeneration control unit 202A.
  • the gas turbine / steam turbine control unit 201 is based on the output request command value Qc from the external power supply command station and the atmospheric state information signal obtained from the temperature sensor S1, the atmospheric pressure sensor S2, the humidity sensor S3, and the like. Then, it is determined whether or not a power transmission end output that satisfies the output request command value Qc can be obtained without cooling the intake air.
  • the gas turbine / steam turbine control unit 201 operates the intake air cooling system 11 when the power transmission end output possible without intake air cooling is lower than the output request command value Qc.
  • the gas turbine / steam turbine control unit 201 outputs a signal indicating that the intake air cooling system 11 is in operation and a determination result signal that the power transmission end output possible without intake air cooling is below the output request command value Qc. Output to the filter heating regeneration control unit 202A. Further, when the power transmission end output possible without intake air cooling exceeds the output request command value Qc, the gas turbine / steam turbine control unit 201 outputs a signal of the determination result to the filter heating regeneration control unit 202A.
  • the filter heating regeneration control unit 202A measures the elapsed operation time after the previous heating regeneration of the intake air filter 12, and when the predetermined threshold time is reached, the power transmission end output possible without intake air cooling is an output request command value.
  • the extraction on / off valve 131 is opened, heating regeneration of the intake filter 12 is started, and a predetermined time has elapsed. Later, the extraction on / off valve 131 is closed, and the heat regeneration of the intake filter 12 is terminated.
  • the predetermined threshold time until the corrosive gas adsorption function of the intake filter 12 after saturation after heating regeneration is saturated, and the predetermined time required for heating regeneration are controlled by obtaining data by conducting a test in advance. It can be stored in the apparatus 200A in advance.
  • the filter heating regeneration control unit 202A outputs to the gas turbine / steam turbine control unit 201 a signal indicating that the intake filter 12 in which the extraction on / off valve 131 is open is being heated and regenerated. Accordingly, the gas turbine / steam turbine control unit 201 does not operate the intake air cooling system 11 while receiving a signal indicating that the intake filter 12 is being heated and regenerated from the filter heating / regeneration control unit 202A.
  • the output of the gas turbine 3 of the combined cycle plant 300A decreases as the intake air temperature of the compressor 1, that is, the atmospheric temperature increases.
  • the intake air temperature increases, the air density decreases and the amount of air entering the combustor 2 decreases.
  • the combustible fuel in the combustor 2 decreases, and the output of the gas turbine 3 decreases.
  • an intake air cooling system 11 that sprays water on the intake air of the compressor 1 and cools it is provided. Water is supplied from the water tank 111.
  • a compressed air bleed pipe 13 ⁇ / b> A, a heated air injection network pipe 132, and an air injection nozzle 132 a that extract air from the compressor 1 and inject high-temperature compressed air into the intake air upstream of the intake filter 12 are provided. Yes. If the extraction on / off valve 131 is opened while the intake air cooling system 11 is not in operation, the compressed air is at a high temperature, so the intake air temperature is increased and the intake air filter 12 is heated. Then, SOx and Nox, which are corrosive gases adsorbed on the fiber surface of the intake filter 12, are desorbed by heating, and the intake filter 12 is heated and regenerated so that the corrosive gas can be adsorbed.
  • FIG. 2 shows an example of a time chart for intake air cooling and heating regeneration.
  • FIG. 2 is a time chart for explaining the operation method of the combined cycle plant according to the present invention.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram of a time zone for intake air cooling and heating regeneration of the intake air filter, and FIG. It is explanatory drawing of the power transmission end output which can be output, and an actual power transmission end output.
  • FIG. 2A the intake air cooling and heating regeneration time zones are clearly separated.
  • the broken line in FIG. 2B represents the electric power that can be generated and output from the power transmission end when intake air cooling is not performed.
  • the power that can be generated by the gas turbine 3 decreases.
  • the power demand increases during the day and decreases at night.
  • the combined cycle plant 300A when generating power in accordance with the power demand as shown in FIG. 2 (b), in the time zone when the possible output at the power transmission end is lower than the power demand, On the other hand, the intake air is cooled, and the output of the gas turbine 3 is increased. Then, the heat regeneration of the intake filter 12 is assigned to a time zone where the power demand is low.
  • FIGS. 3A and 3B are other examples of operation patterns.
  • FIG. 3 is a time chart for explaining a constant output operation method of the combined cycle plant according to the present invention.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram of a time zone of intake air cooling and heat regeneration of the intake filter, and FIG. It is explanatory drawing of the power transmission end output which can be output without, and an actual power transmission end output.
  • the combined cycle plant 300 ⁇ / b> A has an operation pattern that outputs a substantially constant power transmission end output. In this case, since the intake air cooling cannot be performed during the heating regeneration period of the intake air filter 12, the power transmission end output decreases.
  • the filter heating regeneration control unit 202A measures the elapsed time from the previous heating regeneration operation until the corrosive gas adsorption function of the intake filter 12 after the heating regeneration is saturated. When the elapsed operation time reaches the predetermined threshold time, a signal for heating and regenerating the intake filter 12 is output to the gas turbine / steam turbine control unit 201 to stop the operation of the intake air cooling system 11 and then the intake air Heat regeneration of the filter 12 is started. When the heating regeneration of the intake filter 12 is completed, the filter heating regeneration control unit 202A outputs a signal indicating the completion of the heating regeneration of the intake filter 12 to the gas turbine / steam turbine control unit 201, and the intake cooling system 11 can be operated again. To do.
  • the adsorption and desorption of the corrosive gas of the intake filter 12 is repeated during daily operation, so that the function of adsorbing the corrosive gas in the intake filter 12 can be prevented from being saturated, and the intake air is cooled during intake air cooling. Even if the cooling system 11 is operated, SOx and NOx are adsorbed on the intake filter 12 and SOx and NOx are not dissolved in the water sprayed on the intake air, so that the blades of each stage of the compressor 1 are corroded by acid. Can be prevented, and deterioration of the compressor performance with time can be suppressed.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a combined cycle plant according to the second embodiment of the invention.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the air that heats the intake filter 12 is not supplied from the compressor 1 but is pressurized by the compressor 134 as shown in FIG. Heating is performed through a heating pipe (filter heating means) 135 disposed in the exhaust gas, and heated air is supplied to the heated air injection network pipe 132 through a heated air supply pipe (filter heating means) 13B.
  • the control device 200B is used instead of the control device 200A in the first embodiment, and includes a gas turbine / steam turbine control unit 201 and a filter heating regeneration control unit (filter heating means) 202B.
  • the filter heating regeneration control unit 202B performs the on / off control of the compressor (filter heating means) 134 instead of the opening / closing control of the extraction on / off valve 131 in the first embodiment.
  • the function of the filter heating regeneration control unit 202B is essentially the same as that of the first embodiment, and the control target is merely changed from the extraction on / off valve 131 to the compressor 134.
  • the combined cycle plants 300A and 300B have been described as examples.
  • the present invention is not limited thereto, and the exhaust heat recovery boiler 5, the steam turbine 6, the condenser 7, and the feed water pump 8 are not provided. It can also be applied to gas turbine plants.
  • the gas turbine / steam turbine control unit 201 of the control devices 200A and 200B is read as a gas turbine control unit that controls the gas turbine plant.

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Abstract

【課題】圧縮機の吸気室内に設けたフィルタに腐蝕性ガスが吸着、蓄積し、水噴霧冷却により圧縮機を腐食させることを防止するガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントを提供する。 【解決手段】コンバインドサイクルプラント300Aにおいて、圧縮機1の吸気室102内にSOxやNOx等の腐食性ガスを吸着する吸気フィルタ12を設ける。更に、吸気室102内の吸気フィルタ12よりも後流側に吸気を冷却する水噴霧ネットワーク配管115に水噴霧ノズル115aを複数設けた水噴霧装置を配置する。また、吸気フィルタ12の上流側には加熱空気噴射ネットワーク配管132に空気噴射ノズル132aを複数設けた加熱装置を設置し、吸気フィルタ12を加熱再生可能とする。そして、吸気冷却と吸気フィルタ12の加熱再生の時間帯を分離する。

Description

ガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラント
 本発明は、ガスタービンプラントに係わり、特にガスタービンプラントの圧縮機の吸気中に液滴(水)を噴霧するガスタービンプラントに関する。
 また、本発明はコンバインドサイクルプラントに係わり、コンバインドサイクルプラントを構成する圧縮機の吸気中に液滴(水)を噴霧するコンバインドサイクルプラントに関する。
 特許文献1には、ガスタービンプラント又はコンバインドサイクルプラントの圧縮機への吸気中に水の液滴を噴霧し吸気冷却する技術が記載されている。特許文献1に記載の技術によれば、圧縮機の吸気中に噴霧された液滴は、吸気室及び圧縮機内で蒸発し吸気を冷却し、ガスタービンの効率と出力を向上する。
 一方、非特許文献1には、ガスタービンプラントの圧縮機について調査した結果、吸気の湿度が高いと腐蝕により圧縮機性能が経時的に低下することを見出したことが記載されている。従って、圧縮機の吸気への水噴霧による圧縮機性能の経時的低下が懸念される。
 一般に、ガスタービンプラントの圧縮機の吸気には大気(外気)が用いられる。大気中には、腐蝕性ガスであるイオウ酸化物(以下、「SOx」と称する)や窒素酸化物(以下、「NOx」と称する)が含まれる。これらのガスは水に溶解しやすく、水に溶けることで強い腐食性を示す。その結果、SOxやNOxを含む吸気に吸気冷却用の水を噴霧してガスタービンプラントを長期間にわたって運用すると、圧縮機の各段を構成する翼が腐食され、圧縮機の性能が経時的に徐々に低下することになる。
特許第2877098号公報
J.-P. Stalder, "Gas Turbine Compressor Washing State of the Art: Field Experiences", Journal of Engineering for Gas        Turbines and Power, APRIL 2001, Vol. 123 pp363-370
 本発明は、腐蝕性ガスが吸気中に噴霧された水に溶けることによる、圧縮機の性能の経時的な低下を解消することができるガスタービン及びコンバインドサイクルプラントを提供することを目的とする。
 前記課題を解決するために本発明のガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントは、圧縮機の上流側に吸気室が配置され、吸気室内の噴霧装置よりも上流側に、外気に含まれる腐食性ガスを吸着する吸気フィルタと、吸気室内の吸気フィルタよりも上流側に、加熱された空気を噴射して吸気フィルタを加熱し、吸着された腐食性ガスを脱着させて腐食性ガスの吸着機能を再生させるフィルタ加熱手段と、を備え、水噴霧装置による圧縮機に入る空気の冷却の時間帯と、フィルタ加熱手段による吸気フィルタの腐食性ガスの吸着機能を再生させる時間帯と、を分けて運転されることを特徴とする。
 本発明のガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントによれば、吸気フィルタが腐蝕性ガスを吸着するので、圧縮機の吸気に水の液滴を噴霧しても、腐蝕性ガスが噴霧された水に溶解して腐食性の高い酸となり、圧縮機の翼を腐食して圧縮機性能が経時的に劣化することを防止できる。
 そして、ガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントに対して大きな発電出力を求められない時間帯、例えば、夜間において、圧縮機の吸気への水の液滴の噴霧を止め、フィルタ加熱手段により吸気フィルタを加熱して腐蝕性ガスを吸気フィルタから脱着させ再生することにより、吸気フィルタの腐蝕性ガスに対する吸着機能を再生できる。
 ちなみに、この吸気フィルタから脱着された腐蝕性ガスは、圧縮機、ガスタービンを経て排気ガスとして排出されるが、ガス状であって、水に溶けていないため、圧縮機の翼を腐食することは無い。
 これにより、ガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントにおける圧縮機の性能の長期間の運用による経時的低下が解消される。その結果、ガスタービンプラント及びコンバインドサイクルプラントは、高い熱効率を保ち発電出力の増加が可能となる。
本発明の第1の実施形態に係るコンバインドサイクルプラントの概略構成図である。 本発明のコンバインドサイクルプラントの運転方法を説明するタイムチャートであり、(a)は、吸気冷却と吸気フィルタの加熱再生の時間帯の説明図、(b)は、吸気冷却無しで出力可能な送電端出力と実送電端出力の説明図である。 本発明のコンバインドサイクルプラントの一定出力運転方法を説明するタイムチャートであり、(a)は、吸気冷却と吸気フィルタの加熱再生の時間帯の説明図、(b)は、吸気冷却無しで出力可能な送電端出力と実送電端出力の説明図である。 本発明の第2の実施形態に係るコンバインドサイクルプラントの概略構成図である。
 以下に、本発明の実施形態に係るコンバインドサイクルプラントについて図を参照しながら詳細に説明する。
《第1の実施形態》
 先ず、図1を参照して第1の実施形態に係るコンバインドサイクルプラント300Aについて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るコンバインドサイクルプラントの概略構成図である。
 コンバインドサイクルプラント300Aは、主に、圧縮機1、燃焼器2、ガスタービン3、発電機4、排熱回収ボイラ5、蒸気タービン6、復水器7、給水ポンプ8を含んで構成されている。
(吸気ダクト、吸気冷却系、吸気フィルタ、フィルタ加熱手段)
 コンバインドサイクルプラント300Aにおいて、圧縮機1の上流側には、例えば、断面が矩形の吸気ダクト101が設けられている。吸気ダクト101の入口側には、例えば、ルーバー(図示せず)が設けられ、更に塵埃の除去及びSOx、NOxの吸着のための吸気フィルタ12が配置されている。吸気ダクト101には、更に、吸気フィルタ12の下流側(圧縮機1側)に、吸気に常温水を噴霧する水噴霧ノズル(水噴霧装置)115aを、例えば、格子状の水噴霧ネットワーク配管(水噴霧装置)115に配置し、水噴霧ネットワーク配管115に常温水を供給する噴霧母管113が接続されている。噴霧母管113は、上流側に向かって、流量制御弁114、昇圧ポンプ112を介して水タンク111に接続している。そして、水タンク111には、外部から水を供給する供給配管116が接続している。
 流量制御弁114の下流側の噴霧母管113には、流量センサS9と圧力センサS10が設けられ、検出した流量と圧力の信号を制御装置200Aに送信する。
 ここで、水タンク111、昇圧ポンプ112、噴霧母管113、流量制御弁114、水噴霧ネットワーク配管115、水噴霧ノズル115a、流量センサS9と圧力センサS10が吸気冷却系11を構成している。
 吸気ダクト101に図示しないサイレンサが設置されている場合は、水噴霧ネットワーク配管115は、サイレンサよりも吸気の流れの下流側に設置することが望ましい。
 昇圧ポンプ112のオン、オフ制御は、制御装置200Aのガスタービン・蒸気タービン制御部201によって制御される。吸気を冷却する必要があるときに起動(オン)されて、吸引した水を昇圧して吐出し、噴霧母管113に供給する。吸気を冷却する必要がないときは、ガスタービン・蒸気タービン制御部201によって停止状態(オフ)に制御される。
 流量制御弁114は、ガスタービン・蒸気タービン制御部201によって制御される。吸気を冷却する必要があるときに、水噴霧ノズル115aから噴霧された液滴の蒸発の際の気化熱により吸気室102内の吸気温度を所望の温度に下げるとともに、圧縮機1内で吸気が圧縮する過程で液滴が蒸発して圧縮機1内の空気温度を低下させて所望のガスタービン3の出力が得られるように、流量制御弁114の開度が制御される。その流量制御弁114の開度制御は、大気温度を測定する温度センサS1、気圧センサS2、大気の湿度を測定する湿度センサS3、吸気室内の吸気温度を測定する温度センサS4から制御装置200Aに出力されるそれぞれの信号と、制御装置200Aへ入力されるコンバインドサイクルプラント300Aの送電端から出力すべき出力要求指令値Qcに基づいて、ガスタービン・蒸気タービン制御部201によって制御される。
 コンバインドサイクルプラント300Aの圧縮機1の吸気に対しては、大気中の粒状物質やSOxやNoxの腐蝕性ガスを取り除く目的で吸気フィルタ12が設置されている。吸気フィルタ12は、例えば、繊維を集めた多孔質媒体からなり、個々の繊維の総表面積が大きい。このため繊維表面に吸着され、繊維表面が飽和に達するまで吸気からSOxやNoxの腐蝕性ガスが除去される。高度に浄化された空気を作り出すエアフィルタユニットとしては、例えば、特表平11-511058号公報に記載されているような、a)固体粒子を取り除くための不活性分離フィルタと、b)ファン・デル・ワールス力により分子を吸着する固体を含むフィルタエレメントと、c)分子ふるいを含むフィルタエレメントと、d)有極性、酸性又は塩基性分子を結合する能力を有するフィルタエレメントとからなるものと機能を複合させたフィルタを用いる。
 有極性、酸性又は塩基性分子を結合する能力を有するフィルタエレメントとしては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン及びポリエチレン・ヒドラジン等、塩基性アミン基を含むポリマは、SOxやNOx等の腐蝕性ガスである酸性ガスを取り除くために使用可能である。
 このようなフィルタエレメントの表面がSOxやNOxの腐蝕性ガスを吸着して飽和すると吸着機能が無くなる。
 そのため、圧縮機1の最終段から圧縮機1による圧縮過程で高温化した空気を抽出する圧縮空気抽気管(フィルタ加熱手段)13Aが設けられ、抽気オンオフ弁(フィルタ加熱手段)131を介して、吸気フィルタ12よりも吸気の流れの上流の加熱空気噴射ネットワーク配管(フィルタ加熱手段)132に接続している。加熱空気噴射ネットワーク配管132は、例えば、格子状をしており、吸気の流れ側に向いた空気噴射ノズル(フィルタ加熱手段)132aを多数有している。
 この抽気オンオフ弁131は、制御装置200Aのフィルタ加熱再生制御部(フィルタ加熱手段)202Aによって制御され、吸気冷却系11が動作していない状態のときに、抽気オンオフ弁131を開状態にして、圧縮機1から抽気した高温の空気を吸気フィルタ12に吹きつけ、吸気フィルタ12を加熱して、吸気フィルタ12に吸着されたSOx,Noxを脱着させ、ガス状態のまま圧縮機1の吸気として流す。
(圧縮機1、燃焼器2、ガスタービン3)
 大気条件の吸気が吸気ダクト101を通して圧縮機1に吸引され、圧縮機1で加圧された後、圧縮空気となって燃焼器2へ流入する。燃焼器2で圧縮空気と燃料流量調整弁21を介して供給された燃料が混合されて燃焼し、高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスはガスタービン3へ流入し、ガスタービン3を回転駆動する。また、ガスタービン3と駆動軸32を介し接続された発電機4は、ガスタービン3により回転駆動され、発電する。ガスタービン3を駆動した燃焼ガスは、燃焼排ガスとしてガスタービン3より排出され、排気ダクト10に導かれ、排熱回収ボイラ5で蒸気を生成する。また、圧縮機1は、ガスタービン3の駆動軸31により回転駆動される。
 ちなみに、燃料流量調整弁21は、制御装置200Aのガスタービン・蒸気タービン制御部201によって、出力要求指令値Qcに基づきガスタービン3が出力すべき出力を演算して、そのガスタービン3の出力要求に応じた燃料流量センサS5からの燃料流量の信号の値になるように制御される。
(排熱回収ボイラ、蒸気タービン)
 排気ダクト10に導かれたガスタービン3からの燃焼排ガスは、その流れ方向に沿って配置された過熱器54、蒸発管53、エコノマイザ51の順に加熱して排気される。
 復水器7で蒸気から冷却水9によって冷却(凝縮)されて水に戻った給水は、給水ポンプ8で昇圧され、先ず、エコノマイザ51(「節炭器」とも称する)に供給され、その後に蒸気ドラム52に入る。蒸気ドラム52には、自然循環する多数の、例えば、U字管形状の蒸発管53が燃焼排ガスの流れ方向に対して直角方向の水平方向に配置されて、接続されている。給水は、蒸発管53の中で発生する蒸気のボイドによる上昇駆動力で、蒸発管53の燃焼排ガスの下流側の部分から燃焼排ガスの上流側の部分へ流れ、蒸気ドラム52に戻るように自然循環する。蒸気ドラム52で、液相と気相(蒸気)とに分離され、蒸気は更に過熱器54を経て蒸気タービン6の入口に供給される。
 ちなみに、給水ポンプ8は、蒸気ドラム52の水位が所定の範囲に入るように、図示しない水位センサからの水位を示す信号に基づいて、制御装置200Aのガスタービン・蒸気タービン制御部201によって回転速度を制御される。
 蒸気タービン6を駆動した蒸気は復水器7に排気され、冷却水9で冷却(凝縮)されて水に戻る。蒸気タービン6の駆動軸61は、発電機4に、図示しないクラッチを介して接続され、発電機4をガスタービン3とともに駆動する。
 なお、発電機4には、発電端での電気出力を検出する発電端電力センサS7が設けられ、更にコンバインドサイクルプラント300Aの所内の動力に電力の一部が消費されるので、送電端には、送電端での電気出力を検出する送電端電力センサS8が設けられている。発電端電力センサS7、送電端電力センサS8それぞれが検出した電力値の信号は、制御装置200Aに送られ、制御に用いられる。
 コンバインドサイクルプラント300Aではガスタービン3の排熱を回収し、蒸気タービン6を駆動するため高い熱効率を得られる。
(制御装置)
 本実施形態における制御装置200Aは、ガスタービン・蒸気タービン制御部201、フィルタ加熱再生制御部202Aを含んでいる。ガスタービン・蒸気タービン制御部201は、外部の給電指令所からの出力要求指令値Qcと、温度センサS1、気圧センサS2、湿度センサS3等から取得した大気の状態情報の信号と、に基づいて、吸気を冷却しなくても出力要求指令値Qcを満足する送電端出力が得られるか否かを判定する。ガスタービン・蒸気タービン制御部201は、吸気冷却無しで可能な送電端出力が、出力要求指令値Qcを下回る場合には、吸気冷却系11を作動させる。そして、ガスタービン・蒸気タービン制御部201は、吸気冷却系11の作動中を示す信号と、吸気冷却無しで可能な送電端出力が、出力要求指令値Qcを下回るという判定結果の信号とを、フィルタ加熱再生制御部202Aに出力する。
 また、ガスタービン・蒸気タービン制御部201は、吸気冷却無しで可能な送電端出力が、出力要求指令値Qcを上回る場合には、その判定結果の信号をフィルタ加熱再生制御部202Aに出力する。
 フィルタ加熱再生制御部202Aは、前回の吸気フィルタ12の加熱再生後からの運転経過時間を計測し、所定の閾値時間になった時点で、吸気冷却無しで可能な送電端出力が出力要求指令値Qcを上回る判定信号を受け、かつ、吸気冷却系11の作動中を示す信号を受けていない状態で、抽気オンオフ弁131を開状態として、吸気フィルタ12の加熱再生を開始し、所定時間を経過後に、抽気オンオフ弁131を閉状態とし、吸気フィルタ12の加熱再生を終了する。
 ちなみに、加熱再生後からの吸気フィルタ12の腐食性ガス吸着機能が飽和するまでの前記所定の閾値時間、加熱再生に要する前記所定時間は、前以って試験を行いデータを得ることによって、制御装置200Aに予め記憶させることができる。
 なお、フィルタ加熱再生制御部202Aは、抽気オンオフ弁131を開状態としている吸気フィルタ12の加熱再生作業中を示す信号を、ガスタービン・蒸気タービン制御部201に出力する。
 従って、ガスタービン・蒸気タービン制御部201は、フィルタ加熱再生制御部202Aから、吸気フィルタ12の加熱再生作業中を示す信号を受信している間は、吸気冷却系11を作動させない。
(作用効果)
 一方、コンバインドサイクルプラント300Aのガスタービン3の出力は圧縮機1の吸気温度、すなわち大気温度の上昇に伴い減少する。吸気温度が高まると空気密度が低下し、燃焼器2に入る空気量が減少する。この結果、燃焼器2内で燃焼可能な燃料が減少し、ガスタービン3の出力は低下する。本実施形態では大気温度が高いときに、圧縮機1の吸気に水を噴霧し冷却する吸気冷却系11が設けられている。水は水タンク111から供給される。噴霧された水の液滴は蒸発による気化熱で吸気の熱を奪い、吸気室102内で吸気を冷却し、残った液滴は圧縮機1の各段において圧縮する過程でも蒸発し気化熱により空気を冷却する。
 更に、本実施形態では、圧縮機1から抽気し高温の圧縮空気を吸気フィルタ12の上流側の吸気に噴出させる圧縮空気抽気管13A、加熱空気噴射ネットワーク配管132、空気噴射ノズル132aが設けられている。吸気冷却系11が作動されていない状態で、抽気オンオフ弁131を開状態にすると、圧縮空気は高温のため、吸気温度を上昇させ吸気フィルタ12を加熱する。そして、吸気フィルタ12の繊維表面等に吸着された腐蝕性ガスであるSOx、Noxは、加熱により脱着され、吸気フィルタ12が腐蝕性ガスを吸着可能に加熱再生される。
 図2に吸気冷却と加熱再生のタイムチャートの1例を示す。図2は、本発明のコンバインドサイクルプラントの運転方法を説明するタイムチャートであり、(a)は、吸気冷却と吸気フィルタの加熱再生の時間帯の説明図、(b)は、吸気冷却無しで出力可能な送電端出力と実送電端出力の説明図である。図2の(a)に示すように吸気冷却と加熱再生の時間帯は明確に分離される。図2の(b)の破線で、吸気冷却をしない場合に発電して送電端から出力可能な電力を表す。通常、吸気温度が上昇する昼間は気温が上昇し、吸気密度が減少するためガスタービン3が発電可能な電力は減少する。一方、図2の(b)に実線で実送電端出力として示すように、電力の需要は昼間に増加し夜間に減少する。コンバインドサイクルプラント300Aにおいて、図2の(b)に示すように電力の需要に合わせた発電をする場合、送電端での可能な出力が電力需要を下回る時間帯には、圧縮機1の吸気に対して吸気冷却し、ガスタービン3の出力を増加させる。そして、吸気フィルタ12の加熱再生は電力需要の低い時間帯に割り当てる。
 図3の(a),(b)は運転パターンの別の例である。図3は、本発明のコンバインドサイクルプラントの一定出力運転方法を説明するタイムチャートであり、(a)は、吸気冷却と吸気フィルタの加熱再生の時間帯の説明図、(b)は、吸気冷却無しで出力可能な送電端出力と実送電端出力の説明図である。
 図3の例では、コンバインドサイクルプラント300Aは、ほぼ一定の送電端出力を出す運転パターンである。この場合、吸気フィルタ12の加熱再生の時間帯は吸気冷却ができないため、送電端出力が低下する。
 このような運転パターンにあっては、フィルタ加熱再生制御部202Aは、前回の加熱再生作業からの経過時間を計測し、加熱再生後からの吸気フィルタ12の腐食性ガス吸着機能が飽和するまでの前記所定の閾値時間に運転経過時間が達したとき、吸気フィルタ12の加熱再生を行う信号をガスタービン・蒸気タービン制御部201に出力して、吸気冷却系11の作動を停止させ、その後に吸気フィルタ12の加熱再生を開始する。吸気フィルタ12の加熱再生が終了したとき、フィルタ加熱再生制御部202Aは、ガスタービン・蒸気タービン制御部201に吸気フィルタ12の加熱再生終了の信号を出力し、再び吸気冷却系11を作動可能とする。
 本実施形態によれば、吸気フィルタ12の腐食性ガスの吸着と脱着を毎日の運転中に繰り返すことで、吸気フィルタ12における腐食性ガスの吸着機能が飽和することが防止でき、吸気冷却時に吸気冷却系11を作動させても吸気フィルタ12にSOx,NOxが吸着され、吸気に噴霧された水にSOx,NOxが溶解することがないので、圧縮機1の各段の翼が酸に腐食されることが防止でき、圧縮機性能が経時劣化することを抑制できる。
《第2の実施形態》
 次に、図4を参照しながら第2の実施形態のコンバインドサイクルプラント300Bについて説明する。図4は、発明の第2の実施形態に係るコンバインドサイクルプラントの概略構成図である。
 第1の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
 本実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、吸気フィルタ12を加熱する空気を、圧縮機1からではなく、図4に示すようにコンプレッサ134により大気を昇圧して、ガスタービン3の排気ガス内に配置された加熱管(フィルタ加熱手段)135を通して加熱し、加熱空気供給管(フィルタ加熱手段)13Bを経て、加熱空気噴射ネットワーク配管132に加熱空気が供給される点である。
 本実施形態では、第1の実施形態における制御装置200Aの代わりに制御装置200Bとなり、ガスタービン・蒸気タービン制御部201とフィルタ加熱再生制御部(フィルタ加熱手段)202Bを含んで構成されている。そして、フィルタ加熱再生制御部202Bは、第1の実施形態における抽気オンオフ弁131の開閉制御の代わりに、コンプレッサ(フィルタ加熱手段)134のオン、オフ制御をする点が第1の実施形態のフィルタ加熱再生制御部202Aと異なる。従って、フィルタ加熱再生制御部202Bの機能は、本質的に第1の実施形態と同じであり、制御対象が抽気オンオフ弁131からコンプレッサ134に代わっただけである。
 本実施形態では、第1の実施形態における効果に加え、圧縮機1からの圧縮空気の抽気が不要であり、吸気フィルタ12の加熱再生の作業中での圧縮機1及びガスタービン3の熱効率を高く保つことができるという利点がある。
 第1、第2の実施形態ではコンバインドサイクルプラント300A,300Bを例に説明したがそれに限定されるものではなく、排熱回収ボイラ5、蒸気タービン6、復水器7、給水ポンプ8を備えないガスタービンプラントにも適用できる。
 その場合、制御装置200A、200Bのガスタービン・蒸気タービン制御部201は、ガスタービンプラントを制御するガスタービン制御部と読み替える。
 1   圧縮機
 2   燃焼器
 3   ガスタービン
 4   発電機
 5   排熱回収ボイラ
 6   蒸気タービン
 7   復水器
 8   給水ポンプ
 9   冷却水
 10  排気ダクト
 11  吸気冷却系
 12  吸気フィルタ
 13A 圧縮空気抽気管(フィルタ加熱手段)
 13B 加熱空気供給管(フィルタ加熱手段)
 21  燃料流量調節弁
 31,32,61 駆動軸
 51  エコノマイザ
 52  蒸気ドラム
 53  蒸発管
 54  過熱器
 101 吸気ダクト
 102 吸気室
 111 水タンク
 112 昇圧ポンプ
 113 噴霧母管
 114 流量制御弁
 115 水噴霧ネットワーク配管(水噴霧装置)
 115a 水噴霧ノズル(水噴霧装置)
 131 抽気オンオフ弁(フィルタ加熱手段)
 132 加熱空気噴射ネットワーク配管(フィルタ加熱手段)
 132a 空気噴射ノズル(フィルタ加熱手段)
 134 コンプレッサ(フィルタ加熱手段)
 135  加熱管(フィルタ加熱手段)
 200A,200B 制御装置
 201 ガスタービン・蒸気タービン制御部
 202A,202B フィルタ加熱再生制御部(フィルタ加熱手段)
 300 コンバインドサイクルプラント
 S1,S4  温度センサ
 S2  気圧センサ
 S3  湿度センサ
 S5  燃料流量センサ
 S6  温度センサ
 S7  発電端電力センサ
 S8  出力端電力センサ
 S9  圧力センサ
 S10 流量センサ

Claims (6)

  1.  供給された空気を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された空気に燃料が供給されて燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、を備え、前記圧縮機の上流側に吸気室が配置され、前記圧縮機に供給される空気に水滴を噴霧して前記圧縮機に入る空気の温度を外気温度より低下させる水噴霧装置が前記吸気室に配置されているガスタービンプラントにおいて、
     前記吸気室内の前記噴霧装置よりも上流側に、外気に含まれる腐食性ガスを吸着する吸気フィルタと、
     前記吸気室内の前記吸気フィルタよりも上流側に、加熱された空気を噴射して前記吸気フィルタを加熱し、吸着された前記腐食性ガスを脱着させて前記腐食性ガスの吸着機能を再生させるフィルタ加熱手段と、を備え、
     前記水噴霧装置による前記圧縮機に入る空気の冷却の時間帯と、前記フィルタ加熱手段による前記吸気フィルタの前記腐食性ガスの吸着機能を再生させる時間帯と、を分けて運転されることを特徴とするガスタービンプラント。
  2.  前記フィルタ加熱手段に供給される前記加熱された空気は、前記圧縮機から吐出された空気の一部を抽気したものであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のガスタービンプラント。
  3.  前記フィルタ加熱手段に供給される前記加熱された空気は、前記ガスタービンの排熱を熱源に加熱されたものであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のガスタービンプラント。
  4.  供給された空気を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出された空気に燃料が供給されて燃焼させる燃焼器と、該燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、該ガスタービンからの排ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラからの蒸気により駆動される蒸気タービンと備え、前記圧縮機の上流側に吸気室が配置され、前記圧縮機に供給される空気に液滴を噴霧して前記圧縮機に入る空気の温度を外気温度より低下させる水噴霧装置が前記吸気室に配置されているコンバインドサイクルプラントにおいて、
     前記吸気室内の前記噴霧装置よりも上流側に、外気に含まれる腐食性ガスを吸着する吸気フィルタと、
     前記吸気室内の前記吸気フィルタよりも上流側に、加熱された空気を噴射して前記吸気フィルタを加熱し、吸着された前記腐食性ガスを脱着させて前記腐食性ガスの吸着機能を再生させるフィルタ加熱手段と、を備え、
     前記水噴霧装置による前記圧縮機に入る空気の冷却の時間帯と、前記フィルタ加熱手段による前記吸気フィルタの前記腐食性ガスの吸着機能を再生させる時間帯と、を分けて運転されることを特徴とするガスタービンプラント。
  5.  前記フィルタ加熱手段に供給される前記加熱された空気は、前記圧縮機から吐出された空気の一部を抽気したものであることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のコンバインドサイクルプラント。
  6.  前記フィルタ加熱手段に供給される前記加熱された空気は、前記ガスタービンの排熱を熱源に加熱されたものであることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のコンバインドサイクルプラント。
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