JP2011085102A

JP2011085102A - ガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン吸気冷却方法

Info

Publication number: JP2011085102A
Application number: JP2009240212A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Ishikawa; 揚介石川; Masao Ito; 正雄伊東; Yuichi Samoto; 雄一茶本; Hidenori Fukutake; 英紀福武; Takehiko Matsushita; 丈彦松下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】機器信頼性を向上させ、メンテナンス上の寿命を向上させることができるガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン吸気冷却方法を提供する。
【解決手段】吸気室９内に設けられた噴霧ノズル８と、噴霧ノズル８に吸気冷却用の冷却水を供給するためのポンプ１７を配設した冷却水供給系統１６と、噴霧ノズル８に昇圧された空気を供給するためのアトマイズ空気系統２５とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンが吸入する空気を冷却させて発電出力を向上させるガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン吸気冷却方法に関する。

ガスタービンが吸入する空気に対し、微粒化した水を噴霧し冷却することで発電出力を向上させることができる。

このガスタービン吸気冷却に関する技術として、例えば、サイレンサ下流に噴霧装置を設け、ポンプで高圧に昇圧した冷却水を粒径５０μｍ以下の水滴としてガスタービン吸入空気に対して噴霧し、この空気の温度を下げて重量流量の増加を図ったものがある（特許文献１参照）。

また、噴霧流量を調節するために出力の異なる容積式ポンプを複数台使用し、ポンプ台数を制御することにより噴霧する冷却水の流量制御を行うものもある（特許文献２参照）。

図３に、このような従来のガスタービン吸気冷却技術を利用したガスタービン設備の一例を示す。

このガスタービン設備５０は、流体の流れ方向に向かって順に、吸気部１、ガスタービン圧縮機２、ガスタービン３、および発電機４を備えている。

吸気部１は、吸気フィルタ５及び吸気室９を有し、吸気室９は、流体の流れ方向に向かって順に、吸気サイレンサ６及び複数の噴霧ノズル７ａ・・・７ｎを備えている。

また、吸気部１の外方には、給水系統と接続された給水ポンプシステム１１が形成されている。この給水ポンプシステム１１は、給水流量を調節する調節弁１２と、その下流側で多段に分岐し、それぞれ噴霧ノズル７ａ・・・７ｎと接続された給水経路１３ａ、１３ｂ、・・・１３ｎと、これらの給水経路１３ａ、１３ｂ、・・・１３ｎにそれぞれ設けられた容積式ポンプ１４ａ、１４ｂ、・・・１４ｎと、これらの容積式ポンプ１４ａ、１４ｂ、・・・１４ｎの後段にそれぞれ配設された開閉弁１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｎとを備えている。

上記構成を備えたガスタービン設備５０では、吸気は、入口側に設けられた吸気フィルタ５で除塵された後、吸気室９内で吸気サイレンサ６を通過し、ガスタービン圧縮機２方向へ導入される。その際、給水ポンプシステム１１から噴霧ノズル７ａ・・・７ｎを通して霧状の水が供給される。

ここで、給水ポンプシステム１１では、容積式ポンプ１４ａ、１４ｂ、・・・１４ｎで水を圧送し、開閉弁１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｎで流量制御して噴霧ノズル７ａ、７ｂ、・・・７ｎに供給される。この場合、開閉弁１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｎは、吸気室９が吸い込む空気量に対して噴霧する水の量が見合うように制御される。

このように制御された冷却水は、噴霧ノズル７ａ、７ｂ、・・・７ｎから霧状に噴出され、空気を冷却させる。この際、水滴は、重力の作用で吸気室９の底部に集められ、ドレン水として系外へ排出される。

一方、冷却された空気は、ガスタービン圧縮機２で圧縮されて高温、高圧化し、その高温高圧空気を燃料（図示せず）とともにガスタービン燃焼器（図示せず）に供給され、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをガスタービン３で膨張仕事をさせ、そのとき、発生するトルクで発電機４を駆動する。

特許第２８７７０９８号公報特開２００２−３２２９１６号公報

しかしながら、上記のガスタービン設備５０では、ガスタービン圧縮機２へのエロージョン（粒体が衝突した場合、表面がキャビテーションなどで機械的損傷を受けて削れていくこと）防止のために、吸込空気に噴霧する水滴粒径を圧力噴霧により微粒化する必要があった。このため、２０ＭＰａを越えるような超高圧容積型ポンプ１４を使用しなければならなかった。

加えて、広範な流量範囲をカバーするために、高圧ポンプを複数台設置しなければならず、噴霧圧力を高圧にて一定にしながらポンプ起動台数を選択することで流量制御を実施する必要があった。

このため、従来のガスタービン設備５０では、容積型ポンプを複数台使用することによりシステム全体として大型化し、かつ容積型のデメリットである高い機械振動や摺動部の摩耗により、機器信頼性の低下やメンテナンス上の寿命低下が生じるという課題があった。

本発明は、ポンプ吐出圧が低く振動の小さい遠心式ポンプを使用することができ、機器信頼性を向上させ、メンテナンス上の寿命を向上させることができるガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン吸気冷却方法を提供することを目的とする。

更に、本発明は、システム全体として小型化できるガスタービン吸気冷却装置及びガスタービン吸気冷却方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のガスタービン吸気冷却装置は、吸気室内に設けられた噴霧ノズルと、前記噴霧ノズルに吸気冷却用の冷却水を供給するためのポンプを配設した冷却水供給系統と、前記噴霧ノズルに昇圧された空気を供給するためのアトマイズ空気系統と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のガスタービン吸気冷却方法は、吸気室内に設けられた噴霧ノズルに、吸気冷却用の冷却水を供給すると同時に、昇圧された空気を供給し、前記冷却水を前記空気で微粒化することを特徴とする。

本発明によれば、機器信頼性を向上させ、メンテナンス上の寿命を向上させることができる。

また、本発明によれば、システム全体として小型化することが可能となる。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置をガスタービン設備に適用した第１の実施の形態の構成を示す概略図。本発明に係るガスタービン吸気冷却装置をガスタービン設備に適用した第２の実施の形態の構成を示す概略図。従来のガスタービン吸気冷却装置をガスタービン設備に適用した構成を示す概略図。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置をガスタービン設備に適用した第１の実施の形態の構成を示すものである。

このガスタービン設備１０は、流体の流れ方向に向かって順に、吸気部１、ガスタービン圧縮機２、ガスタービン３、及び発電機４を備えている点は図３に示す従来のガスタービン吸気冷却装置５０と同様である。

しかし、このガスタービン設備１０は、吸気部１の外方に、冷却水供給系統１６、アトマイズ空気系統（空気噴霧系統）２５を有し、吸気室９の内部に噴霧ノズル８を備えている点が従来のガスタービン設備５０と異なっている。

冷却水供給系統１６は、吸気室１内に空気冷却用の冷却水を供給する遠心式ポンプ１７、このポンプ１７を回転させるモータ１８、冷却水の流量を計測する流量計１９及び冷却水圧を測定する圧力計２１を備えている。

また、ポンプ１７の台数は、最大流量と最大圧力を満足するポンプの一台とし、広範な流量範囲をカバーするために、ポンプ駆動モータ１８にはインバータ機能を備えた制御器２２によりインバータ制御が行われるようになっている。

更に、冷却水供給系統１６には、圧力計２１で測定された冷却水圧に基づき噴霧ノズル８の前圧力を制御するための圧力調節弁２３を備えたバイパス戻し系統２４と、ポンプ１７の回転数及び圧力調整弁２３を制御する制御器２２が設けられている。

一方、アトマイズ空気系統２５には、昇圧された空気を供給するための空気圧縮機２６が設けられている。

このガスタービン設備１０では、冷却水供給系統１６より供給される昇圧された冷却水と、アトマイズ空気系統２５より供給される昇圧された空気とが噴霧ノズル８から吸気室９へ同時に噴射される。冷却水供給系統１６より供給される冷却水に対してアトマイズ空気系統２５より供給される空気を供給することで、冷却水を低圧で微粒化することが可能となる。これにより、従来の容積型ポンプと比べてポンプ吐出圧が低く、振動の小さい遠心式ポンプを使用することが可能になる。

また、噴霧ノズル８前圧力は、ポンプ１７出口のバイパス戻し系統２４に設けた圧力調節弁２３により圧力制御され、余剰の流量はバイパス戻し系統２４でポンプ１７入口に戻される。

更に、噴霧ノズル８から噴射される冷却水圧力が一定となるように、冷却水流量に応じて圧力調節弁２３とポンプ１７のモータ１８を制御器２２により制御しているため、ポンプ動力を低減することが可能になる。

本構成により、低圧ポンプが一台でも微粒化が可能で、かつ広範な流量範囲をカバーすることができる吸気冷却装置を提供することができる。これより、機器信頼性を向上させ、メンテナンス上の寿命を向上させることができる。更に、システム全体として小型化することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置をガスタービン設備に適用した第２の実施の形態の構成を示すものである。なお、第１の実施の形態と同一の構成には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このガスタービン設備２０は、ガスタービン圧縮機２から抽気した抽気系統２７を設け、この抽気系統２７より昇圧された空気を噴霧ノズル８に供給する点が図１に示すガスタービン設備１０と異なっている。

このように構成されたガスタービン設備２０では、図１に示すような昇圧用の空気圧縮機２６が不要となる。

従って、このガスタービン設備２０によれば、第１の実施の形態のガスタービン設備１０と同様の効果を奏する他、空気圧縮機を設置せずに、噴霧冷却水の微粒化に必要な昇圧空気をガスタービン圧縮機２より供給できるため、システムの更なる簡略化が可能である。

１…吸気部、２…ガスタービン圧縮機、３…タービン、４…発電機、５…吸気フィルタ、６…吸気サイレンサ、７，８…噴霧ノズル、９…吸気室、１０，２０，５０…ガスタービン設備、１１…ポンプシステム、１２…調節弁、１３…給水経路、１４…容積式ポンプ、１５…開閉弁、１６…冷却水供給系統、１７…ポンプ、１８…モータ、１９…流量計、２１…圧力計、２２…制御器、２３…圧力調節弁、２４…バイパス戻り系統、２５…アトマイズ空気系統、２６…空気圧縮機、２７…抽気系統

Claims

吸気室内に設けられた噴霧ノズルと、
前記噴霧ノズルに吸気冷却用の冷却水を供給するためのポンプを配設した冷却水供給系統と、
前記噴霧ノズルに昇圧された空気を供給するためのアトマイズ空気系統と、
を備えたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
前記冷却水供給系統は、前記ポンプの下流側から分岐して前記ポンプの上流側に戻されるバイパス戻し系統をさらに備え、当該バイパス戻し系統には、前記ポンプの下流側に配設された圧力計で測定された前記冷却水の圧力に基づき、前記噴霧ノズル前圧力を調節する圧力調節弁及び前記ポンプのモータをインバータ制御する制御器を配設したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン吸気冷却装置。
前記アトマイズ空気系統として、ガスタービン圧縮機から昇圧された空気を抽気して前記噴霧ノズルに供給する抽気ラインを用いたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン吸気冷却装置。
吸気室内に設けられた噴霧ノズルに、吸気冷却用の冷却水を供給すると同時に、昇圧された空気を供給し、前記冷却水を前記空気で微粒化することを特徴とするガスタービン吸気冷却方法。