JP2014190253A - 吸気冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトの壁面を伝って流れるドレンを捕集して、ドレンの圧縮機への侵入を防止する。
【解決手段】ガスタービン１８の吸気冷却システム１００であって、吸気入口２２から取り込まれた吸気をガスタービンの圧縮機１４に導く吸気ダクト１２と、吸気ダクト内に設けられ、外部から導入された冷却媒体との熱交換により吸気を冷却する冷却部２６と、吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクト１２ｃを介して設けられ、吸気を圧縮機に導くマニホールド部１２ｄと、マニホールド部の入口側に設けられ、鉛直ダクトを介して導入される吸気に含まれる不純物を取り除くフィルタ部４２と、フィルタ部の直上に鉛直ダクトの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２に沿うように設けられる樋部材であって、内壁面を伝って流れるドレンを回収可能なドレンキャッチャ１１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの吸気を冷却する吸気冷却システムに関する。

圧縮機、燃焼器、及びタービン等から構成される発電用ガスタービンでは、圧縮機へ吸気される吸気の温度によってタービンにおける出力が影響を受ける。例えば、大気温度が高い夏季には、吸気の密度が低下して質量流量が低下するため、タービンの出力が低下する。このようなタービンの出力低下を抑止するために、外気から吸気する空気温度を冷媒との熱交換によって下げる吸気冷却コイルを備えた吸気冷却システムや、吸気された空気に水を噴霧して、当該水の気化熱を利用して吸気冷却を行う吸気冷却システムが開発されている。吸気冷却コイルを備えた吸気冷却システムを適用すると、大気中の水分は、吸気冷却コイルとの熱交換による冷却によって凝縮されてドレン水となる。ドレン水は、吸気冷却コイルの下部に設けられるドレンパンにて回収して、ドレン配管から排出される。

しかしながら、かかる吸気冷却システムを使用すると、吸気冷却コイルの表面に付着したドレンが吸気冷却コイルを通過した吸気と共に下流側に飛散したり、ドレンパンで回収しきれずにドレンパンから漏れることがある。このため、ドレンがガスタービンの吸気側となる圧縮機に流入して、圧縮機がロックすることやエロージョンの発生によって圧縮機翼を損傷させることが問題となっている。ガスタービンの圧縮機へのドレン流入を低減させる従来技術として、特許文献１には、噴霧器の吸気ダクト内の下流側に蒸発していないミストを捕獲して吸気からミストを除去するミスト除去手段が設けられるガスタービン吸気冷却装置が開示されている。また、特許文献２には、水が供給された作動空気が流通する流通経路の内壁面、ガスタービンのロータ若しくはケーシング流路面に回転対称な溝を設けて、内壁面や流路面に付着したミストを回収するガスタービンが開示されている。

特開２００７−１２０４７９号公報 特開２００６−０３７８７７号公報

圧縮機に吸気を導入する吸気ダクトとして、圧縮機に導入される吸気の整流化を図って、圧力損失の発生を抑制すると共に圧縮機の性能低下を抑制するために、外気からの導入部の口径と比べて、圧縮機の入側の口径を縮小させたマニホールド部を有するものがある。マニホールド部は、例えば、吸気ダクト内の冷却コイルが設けられる水平ダクトに対して鉛直方向の下向きに屈曲した鉛直ダクトを介して、冷却コイルの設置面より高さが低い方向に向けて延出する構成となっている。

このような構成の吸気ダクトを備える吸気冷却システムで吸気冷却を行えば、過冷却時等において冷却コイルの表面に凝結して発生するドレンが後流側に飛散して、鉛直ダクトの壁面上を流れて、マニホールド部に到達して溜まることが懸念される。当該ドレンの溜まり水が限度を超えると、ガスタービンの圧縮機内へ侵入して、圧縮機のロックや故障、圧縮機翼の損傷等を起こすリスクがある。前述の特許文献１や特許文献２では、吸気ダクトを通るドレンや吸気ダクトの壁面に付着したドレンを捕集することに関しては、言及しているが、吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトの壁面を伝って流れるドレン対策に関してまでは、言及していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトの壁面を伝って流れるドレンを捕集することの可能な、新規かつ改良された吸気冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、ガスタービンの吸気冷却システムであって、吸気入口から取り込まれた吸気を前記ガスタービンの圧縮機に導く吸気ダクトと、前記吸気ダクト内に設けられ、外部から導入された冷却媒体との熱交換により前記吸気を冷却する冷却部と、前記吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトを介して設けられ、前記吸気を前記圧縮機に導くマニホールド部と、前記マニホールド部の入口側に設けられ、前記鉛直ダクトを介して導入される吸気に含まれる不純物を取り除くフィルタ部と、前記フィルタ部の直上に前記鉛直ダクトの内壁面に沿うように設けられる樋部材であって、前記内壁面を伝って流れるドレンを回収可能なドレンキャッチャと、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトの内壁面に沿うようにドレンキャッチャを設けたので、鉛直ダクトの内壁面を伝って流れるドレンを直接回収することができる。

このとき、本発明の一態様では、前記鉛直ダクトの断面は、矩形であり、前記ドレンキャッチャ部は、前記鉛直ダクトの断面の長手方向の内壁面に沿ってそれぞれ設けられる第１のドレンキャッチャと、前記鉛直ダクトの断面の短手方向の内壁面に沿って第１のドレンキャッチャと連結するように設けられる第２のドレンキャッチャと、を備え、少なくとも前記第１のドレンキャッチャは、前記鉛直ダクトの長手方向の内壁面の中心部から前記鉛直ダクトの短手方向の内壁面に向けて水平方向に対して下方に傾斜していることとしてもよい。

このようにすれば、第１のドレンキャッチャで回収されたドレンを当該第１のドレンキャッチャ内で滞留せずに、鉛直ダクトの短手方向の内壁面に向けて流れるので、ドレンの回収効率が向上する。

また、本発明の一態様では、前記第１のドレンキャッチャ又は前記第２のドレンキャッチャの端部に前記ドレンを前記鉛直ダクトの系外に排出可能な排出部を更に備えることとしてもよい。

このようにすれば、排出部を介して、第１のドレンキャッチャ又は第２のドレンキャッチャで捕集したドレンを鉛直ダクトの系外に排出できる。

また、本発明の一態様では、少なくとも前記鉛直ダクトの内壁面に吸音材が更に設けられ、前記ドレンキャッチャは、前記吸音材の下端部から所定距離を隔てた地点に設けられることとしてもよい。

このようにすれば、吸音材に沿って流れたドレンを確実に捕集することができる。

以上説明したように本発明によれば、吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトの壁面を伝って流れるドレンを捕集できる。このため、過冷却時等において冷却コイルの表面に凝結して発生するドレンが後流側に飛散して、下流側の鉛直ダクトに流れた場合でも、ドレンを確実に捕集して圧縮機の故障や損傷を防止できる。

本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムを備えるガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャの概略構成図であり、（ａ）は、図１のＡ−Ａ方向からの断面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ方向からの断面図である。 本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャとドレン排出ラインの詳細説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

まず、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムの構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムを備えるガスタービンプラントの構成を示すブロック図である。

発電プラントとなるガスタービンプラント１０は、吸気ダクト１２と、圧縮機１４と、燃焼器１６と、ガスタービン１８と、発電機２０とを備えている。また、ガスタービンプラント１０には、ガスタービン１８の吸気を冷却するための吸気冷却システム１００を備える。本実施形態では、吸気冷却システム１００は、少なくとも吸気ダクト１２と、冷却コイル２６（冷却部）と、冷凍機３２と、冷却塔３８と、ドレン排出ライン１０２と、水封部１０４と、ドレンキャッチャ１１０とを備える。ここで、吸気冷却システム１００の他の実施形態として、吸気された空気に水を噴霧して、当該水の気化熱を利用して吸気冷却を行う構成であっても良い。

吸気ダクト１２は、吸気入口２２から取り込まれた吸気（外気：空気）を圧縮機１４に導く。圧縮機１４は、吸気ダクト１２を介して供給された吸気を圧縮する。燃焼器１６は、圧縮機１４から供給された吸気を用いて燃料を燃焼させる。ガスタービン１８は、燃焼器１６から供給された燃焼ガスにより回転する。発電機２０は、ガスタービン１８の回転により発電を行う。

吸気ダクト１２は、図１に示すように、上流側から水平ダクト１２ａ、カーブダクト１２ｂ、鉛直ダクト１２ｃを備え、鉛直ダクト１２ｃの下流側には、吸気を整流させながら圧縮機１４に導くマニホールド部１２ｄが設けられている。本実施形態では、マニホールド部１２ｄは、水平ダクト１２ａに対して鉛直方向の下向きに屈曲した鉛直ダクト１２ｃを介して、下向きに延出する構成となっている。

また、吸気ダクト１２の吸気入口側には、吸気入口２２から取り込まれた吸気から比較的大きい粉塵等を除去するプレフィルタ２４が設けられている。また、吸気ダクト１２（水平ダクト１２ａ）内のプレフィルタ２４の後段には、プレフィルタ２４を通過した吸気を外部から導入された冷却媒体との熱交換により冷却する冷却コイル２６が設けられている。冷却コイル２６の下部には、吸気の冷却コイル２６との熱交換による冷却によって凝縮されてドレン水を回収するためのドレンパン（図示せず）が設けられ、ドレンパンで回収したドレン水は、ドレン配管（図示せず）から吸気ダクト１２の系外に排出される。

冷却コイル２６には、第１の循環路２８、第１の循環ポンプ３０を介してターボ冷凍機や吸収式冷凍機等の冷凍機３２から冷たい循環水（冷却媒体）が供給されるようになっている。吸気冷却コイル２６で吸気との熱交換で温められた循環水は、第１の循環路２９を介して冷凍機３２に戻されるようになっている。冷凍機３２には、第２の循環路３４、３５、第２の循環ポンプ３６を介して、冷却塔３８から冷たい循環水が供給されるようになっている。冷凍機３２で第１の循環路２８、２９を循環する循環水と熱交換された循環水は、第２の循環路３４を介して冷却塔３８に戻され、冷却塔３８で再び冷却されるようになっている。

また、吸気ダクト１２の水平ダクト１２ａ内には、冷却コイル２６よりも下流側に吸気の際に発生する音を含む振動を抑制するサイレンサ４０が設けられている。また、吸気ダクト１２の鉛直ダクト１２ｃと連結するマニホールド部１２ｄの入口側には、鉛直ダクト１２ｃを介して導入される吸気に含まれる不純物や、吸気ダクト内での作業中等に落下させたネジ等を取り除くためのフィルタ部として、フィルタ４２が設けられている。

吸気冷却システム１００は、冷却コイル２６での熱交換による吸気の冷却によって発生したドレンの圧縮機１４への侵入を防止するために、ドレンを回収する機能を備える。本実施形態では、冷却コイル２６の表面で発生したドレンが後流側への飛散等により、鉛直ダクト１２ｃの内壁面に沿って流れたものを回収可能なドレンキャッチャ１１０が鉛直ダクト１２ｃの内壁面に沿うようにして、フィルタ４２の直上に設けられることを特徴とする。

ドレンキャッチャ１１０は、図１に示すように、鉛直ダクト１２ｃの軸方向の断面形状がＬ字形状を成している。ドレンキャッチャ１１０は、Ｌ字形状の一辺が鉛直ダクト１２ｃの内壁面に略平行になるように、鉛直ダクト１２ｃの内壁面との間に空間を有するように設けられている。また、ドレンキャッチャ１１０は、鉛直ダクト１２ｃの上流側に開口するように設けられている。これにより、鉛直ダクト１２ｃの内壁面を流動しているドレンをドレンキャッチャ１１０によって捕集することができる。なお、ドレンキャッチャ１１０で捕集されたドレンは、ドレンキャッチャ１１０に接続されたドレン排出ライン１０２より、鉛直ダクト１２ｃの系外へと排出される。

次に、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャの構成について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャの概略構成図であり、（ａ）は、図１のＡ−Ａ方向からの断面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ方向からの断面図である。

ドレンキャッチャ１１０は、フィルタ４２の直上に鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２に沿うように設けられ、内壁面１２ｃ１、１２ｃ２を伝って流れるドレンを回収可能なる樋部材である。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、鉛直ダクト１２ｃの断面は、矩形であり、ドレンキャッチャ部１１０は、長辺側となる第１のドレンキャッチャ１１０ａと、短辺側となる第２のドレンキャッチャ１１０ｂで構成される。

また、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、ドレンキャッチャ１１０の四隅にドレンを鉛直ダクト１２ｃの系外に排出する排出部１１２が設けられている。すなわち、第１のドレンキャッチャ１１０ａと第２のドレンキャッチャ１１０ｂの端部に、第１のドレンキャッチャ１１０ａ又は第２のドレンキャッチャ１１０ｂで捕集したドレンを鉛直ダクト１２ｃの系外に排出する排出部１１２が設けられている。

第１のドレンキャッチャ１１０ａは、鉛直ダクト１２ｃの断面の長手方向の内壁面１２ｃ１に沿ってそれぞれ設けられる。第２のドレンキャッチャ１１０ｂは、鉛直ダクト１２ｃの断面の短手方向の内壁面１２ｃ２に沿って第１のドレンキャッチャ１１０ａと連結するように設けられる。

また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、第１のドレンキャッチャ１１０ａは、鉛直ダクト１２ｃの長手方向の内壁面１２ｃ１の中心部１２ｃ３から鉛直ダクト１２ｃの短手方向の内壁面１２ｃ２に向けて水平方向に対して下方に傾斜している。すなわち、第１のドレンキャッチャ１１０ａの底面１１０ａ２は、中央部１１０ａ１が高くなり、排出部１１２を有する端部に向かって下方に傾斜する斜面となっている。

鉛直ダクト１２ｃは、例えば、長手方向の長さが７ｍ程度の大きさに形成する場合には、第１のドレンキャッチャ１１０ａで捕集したドレンが当該第１のドレンキャッチャ１１０ａ内で滞留することが懸念される。このため、本実施形態では、捕集したドレンを第１のドレンキャッチャ１１０ａ内で滞留させないようにするために、第１のドレンキャッチャ１１０ａの底面１１０ａ２を斜面にして、ドレンが排出部１１２に向けて流動可能な構成とした。これによって、捕集したドレンがドレンキャッチャ１１０ａに滞留しなくなるので、ドレンの回収効率が向上する。

なお、本実施形態では、第１のドレンキャッチャ１１０ａのみ底面を斜面としているが、第２のドレンキャッチャ１１０ｂの底面も斜面として、第２のドレンキャッチャ１１０ｂで捕集したドレンを排出部１１２に流動可能な構成としてもよい。

次に、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャとドレン排出ラインの詳細について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る吸気冷却システムに備わるドレンキャッチャとドレン排出ラインの詳細説明図である。

吸気を圧縮機１４に導入する際には、騒音や振動が発生するので、当該騒音や振動を抑制するために、吸引ダクト１２の内壁面には、ウレタンやスポンジ、グラスウール等で形成される吸音材が設けられている。このため、鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２にドレンキャッチャ１０を設置する際には、吸音材の厚さを考慮した上で設置する必要がある。

本実施形態では、図３に示すように、ドレンキャッチャ１１０は、鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１の吸音材１３が設けられていない部位に設置され、かつ、吸音材１３の下端部１３ａから所定距離ｌを隔てた地点に設置される。吸音材１３の厚さを考慮して、ドレンキャッチャ１１０を設置すると、吸音材１３の厚さ分、ドレンキャッチャ１１０の長手方向の幅を大きくする必要がある。このため、ドレンキャッチャ１１０の当該幅の拡大に伴い、鉛直ダクト１２ｃの吸気通路が狭まって、吸気効率が低減することが懸念される。

このため、本実施形態では、ドレンキャッチャ１１０は、吸音材１３が鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２に設けられていない部位に設置するようにしている。すなわち、ドレンキャッチャ１１０の長手方向の幅を吸音材１３の厚さ分だけ拡大することなく、ドレンキャッチャ１１０を設置することができる。

また、ドレンキャッチャ１１０を設置する際には、吸音材１３の下端部１３ａの直下にドレンキャッチャ１１０を設けると、吸音材１３の厚さがある分、吸音材１３の表面を伝って流動したドレンがドレンキャッチャ１１０から反れてしまうことが懸念される。そこで、本実施形態では、吸音材１３に沿って流れたドレンを確実に捕集するために、ドレンキャッチャ１１０は、吸音材１３の下端部１３ａより所定距離ｌを離して設けるようにする。具体的には、ドレンキャッチャ１１０は、吸音材１３の下端部１３ａから少なくとも１ｍ程度離して設けることが好ましい。

ドレンキャッチャ１１０で捕集されたドレンは、図３に示すように、ドレンキャッチャ１１０に接続されたドレン排出ライン１０２より、鉛直ダクト１２ｃの系外へと排出される。本実施形態では、ドレン排出ライン１０２には、開閉可能なバルブ１０６と、鉛直ダクト１２ｃの系外からの不純物等の流入を防ぐ水封部１０４が設けられている。また、ドレン排出ライン１０２は、マニホールド部１２ｄの底面１２ｄ１とバルブ１０７を介して接続され、マニホールド部１２ｄで溜まったドレンも排出可能となっている。

このように、本実施形態では、吸気ダクト１２の下流側に有する鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２に沿うようにドレンキャッチャ１１０を設けたので、鉛直ダクト１２ｃの内壁面１２ｃ１、１２ｃ２を伝って流れるドレンを直接回収することができる。また、ドレンキャッチャ１１０をフィルタ４２の直上に設けることによって、吸気の際にカーブダクト１２ｂの壁面で衝突しながら、当該壁面で結露したドレンが鉛直ダクト１２ｃを伝って流れてきたものも効率よく捕集できる。

また、本実施形態のドレンキャッチャ１１０は、既設のガスタービンプラントが定検等で運転が停止している期間に、新たに設置することができる。この場合、ドレンキャッチャ１１０は、鉛直ダクトの内壁面に設けられた吸音材１３の一部を取り除いた部位に設置し、かつ、吸音材の下端部から所定距離ｌを隔てた地点に設置するようにする。このように、本実施形態のドレンキャッチャ１１０は、既設のガスタービンプラントにも設置可能であり、鉛直ダクトを伝って流れてきたドレンを効率よく捕集できる。

なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、ガスタービンプラント、ガスタービンの吸気冷却システムの構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ ガスタービンプラント
１２ 吸気ダクト
１２ａ 水平ダクト
１２ｂ カーブダクト
１２ｃ 鉛直ダクト
１２ｃ１ （長手方向の）内壁面
１２ｃ２ （短手方向の）内壁面
１２ｄ マニホールド部
１２ｄ１ （マニホールド部の）底面
１３ 吸音材
１４ 圧縮機
１４ａ （圧縮機の）入口
１６ 燃焼器
１８ ガスタービン
２０ 発電機
２２ 吸気入口
２４ プレフィルタ
２６ 冷却コイル（冷却部）
２８、２９ 第１の循環路
３０ 第１の循環ポンプ
３２ 冷凍機
３４、３５ 第２の循環路
３６ 第２の循環ポンプ
３８ 冷却塔
４０ サイレンサ
４２ フィルタ（フィルタ部）
１００ 吸気冷却システム
１０２ ドレン排出ライン
１０４ Ｕ字型管路（水封部）
１０６、１０７ バルブ
１１０ ドレンキャッチャ
１１０ａ 第１のドレンキャッチャ
１１０ｂ 第２のドレンキャッチャ
１１２ 排出部

Claims (4)

1. ガスタービンの吸気冷却システムであって、
   吸気入口から取り込まれた吸気を前記ガスタービンの圧縮機に導く吸気ダクトと、
   前記吸気ダクト内に設けられ、外部から導入された冷却媒体との熱交換により前記吸気を冷却する冷却部と、
   前記吸気ダクトの下流側に有する鉛直ダクトを介して設けられ、前記吸気を前記圧縮機に導くマニホールド部と、
   前記マニホールド部の入口側に設けられ、前記鉛直ダクトを介して導入される吸気に含まれる不純物を取り除くフィルタ部と、
   前記フィルタ部の直上に前記鉛直ダクトの内壁面に沿うように設けられる樋部材であって、前記内壁面を伝って流れるドレンを回収可能なドレンキャッチャと、を備えることを特徴とする吸気冷却システム。
2. 前記鉛直ダクトの断面は、矩形であり、
   前記ドレンキャッチャ部は、
   前記鉛直ダクトの断面の長手方向の内壁面に沿ってそれぞれ設けられる第１のドレンキャッチャと、
   前記鉛直ダクトの断面の短手方向の内壁面に沿って第１のドレンキャッチャと連結するように設けられる第２のドレンキャッチャと、を備え、
   少なくとも前記第１のドレンキャッチャは、前記鉛直ダクトの長手方向の内壁面の中心部から前記鉛直ダクトの短手方向の内壁面に向けて水平方向に対して下方に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の吸気冷却システム。
3. 前記第１のドレンキャッチャ又は前記第２のドレンキャッチャの端部に前記ドレンを前記鉛直ダクトの系外に排出可能な排出部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の吸気冷却システム。
4. 少なくとも前記鉛直ダクトの内壁面に吸音材が更に設けられ、
   前記ドレンキャッチャは、前記吸音材の下端部から所定距離を隔てた地点に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の吸気冷却システム。

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