JP5523881B2 - ガスタービン吸気冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンにおいて吸入する空気を冷却させて出力の増加を図るガスタービン吸気冷却装置に関する。

例えば、火力発電所に適用するガスタービン設備単体あるいはガスタービン設備に蒸気タービン設備および排熱回収ボイラを組み合わせたコンバインドサイクルプラントは、発電効率を増加させることが重要な課題となっている。

発電効率を増加させるための手段の一つとして、圧縮機に供給される吸気を冷却することで圧縮機の吸込み流量を増加させる吸気冷却装置が知られている。この吸気冷却装置は、吸気に水を噴射することで、空気を吸込む吸気室内または圧縮機内で水を気化させて吸気を冷却させるものである。

従来、特許文献１には、吸気に水を噴霧する際、液滴の粒径をより一層小さくして空気を確実に冷却させ、出力の増加と圧縮機の各翼への損傷防止とを図った吸気冷却装置が開示されている。特に、特許文献１の吸気冷却装置は、複数の導水管およびノズルで構成された噴霧装置と、この噴霧装置に接続された複数の冷却水供給管とを備えることで、より多くの噴霧水で空気を確実に冷却させ、ガスタービンの出力を増大させるようになっている。

特開２００２−３２２９１６号公報

吸気冷却装置に対しては、吸気室内に噴霧される水滴の粒径を可能な限り小さくすることが求められる。水滴の粒径が大きい場合には、その水滴が圧縮機の動静翼に直接衝突してエロージョンが発生し、動静翼が損傷する可能性があるためである。そこで、高圧で冷却水の噴射が可能な容積式ポンプを吸気冷却装置に用いることにより、粒径の小さい水滴を噴霧する方法が知られている。

ここで、上述した特許文献１の吸気冷却装置の複数の冷却水供給管に、この容積式ポンプを適用することが考えられる。しかし、容積式ポンプは、その構造上、吸込側および吐出側の配管において圧力脈動を生じさせる恐れがある。特に、液滴を好適に制御するため、容積式ポンプを複数の冷却水供給管にそれぞれ配置した吸気冷却装置においては、これらの配管内の圧力脈動は相互に干渉し、増大する恐れがある。ひいては、ポンプや配管などの周辺の機器の機械振動を増大させ、損傷に至る恐れがある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、複数のポンプを個別の配管系統に備えた場合であっても、システム全体の信頼性を向上させることができるガスタービン吸気冷却装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置は、上述した課題を解決するために、ガスタービン設備の圧縮機に導かれる吸気に冷却水を噴霧して冷却する噴霧装置と、前記噴霧装置に前記冷却水を給水する冷却水供給系とを備え、前記冷却水供給系は、前記冷却水を貯溜する少なくとも一のタンクと、前記タンクに対して独立して接続され、前記冷却水を前記噴霧装置に供給する複数の供給配管と、各前記供給配管に配置されたポンプと、前記供給配管の前記ポンプの吐出側から分岐して前記給水タンクに接続された二次側配管と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置によれば、複数のポンプを個別の配管系統に備えた場合であっても、システム全体の信頼性を向上させることができる。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態を示す概略系統図。 本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態の変形例を示す概略系統図。 本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態の他の変形例を示す概略系統図。 本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第二実施形態を示す概略系統図。 本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第三実施形態を示す概略系統図。

本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の各実施形態を添付図面に基づいて説明する。

［第一実施形態］
図１は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態を示す概略系統図である。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置を適用するガスタービン設備１は、流体の流れに沿って、主に吸気室３、圧縮機５、ガスタービン６および発電機７を備える。

吸気室３は、圧縮機５に連結されており、圧縮機５に供給される吸込み空気（吸気）を吸気入口４より取り込む。なお、圧縮機５に供給する気体が空気である例を適用して説明するが、圧縮機５に供給する気体は、特に空気に限られることなく他の気体であってもよい。

圧縮機５は、吸気室３より供給された空気を圧縮し、燃焼器８に吐出する。吐出された圧縮空気は、燃料９とともに燃焼器８に供給されて、燃焼ガスが生成される。ガスタービン６は、燃焼器８にて生成された燃焼ガスにより駆動される。また、ガスタービン６から排出される排気１０は、大気中に排出される。発電機７は、ガスタービン６のタービン軸に連結されており、ガスタービン６の駆動に伴い電気を発生させる。

なお、ガスタービン設備１は、温度計、湿度計、空気流量検出器（いずれも図示せず）を所定の位置に備える。温度計は大気温度を、湿度計は吸気室３の湿度を、空気流量検出器は圧縮機５に供給される空気流量を検出する。

吸気室３には、冷却水を噴霧して吸気室３内に導かれた吸気を冷却する噴霧装置１１が配置される。噴霧装置１１は、複数の導水管１２ａ、１２ｂ・・・１２ｎ（各導水管を区別しない場合には導水管１２という。以下同じ。）に設けられたノズル１３ａ、１３ｂ・・・１３ｎ（ノズル１３）より微細な液滴を噴霧するようになっている。圧縮機５に供給する空気に噴霧する液滴が水である例を適用して説明するが、特に水に限られることなく他の液体であってもよい。

噴霧装置１１は、冷却水を給水する冷却水供給系２０に接続される。冷却水供給系２０は、冷却水を貯溜し大気開放された一のタンク２２と、このタンク２２に対して独立して接続された供給配管２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ（供給配管２３）を備える。また、供給配管２３には、それぞれポンプ２８ａ、２８ｂ・・・２８ｎ（ポンプ２８）、圧力調節弁２９ａ、２９ｂ・・・２９ｎ（圧力調節弁２９）およびアキュムレータ３１ａ、３１ｂ・・・３１ｎ（アキュムレータ３１）が配置される。

タンク２２は、純水系統または用水系統（いずれも図示せず）から供給された冷却水２１を貯溜する。なお、タンク２２の容量は、ポンプ２８が最大吐出流量で２分間以上（例えば２〜１０分間）吐出した場合における吐出量に相当するのが好ましい。作動中のポンプ２８に対して空気の混濁などを発生させることなく、スムーズな冷却水の供給を行うためである。

供給配管２３は、例えば鋼管であり、二系統以上設けられる。供給配管２３のポンプ２８の吸込側である吸込側供給配管２４ａ、２４ｂ・・・２４ｎ（吸込側供給配管２４）は、タンク２２に対してそれぞれ独立して接続される。また、供給配管２３のポンプ２８の吐出側である吐出側供給配管２５ａ、２５ｂ・・・２５ｎ（吐出側供給配管２５）は、供給配管２３の系統数に応じて設けられた導水管１２にそれぞれ接続される。

ポンプ２８は、噴霧装置１１より噴霧される液滴の粒径を小さくすべく、高圧で冷却水の噴射が可能な容積式ポンプが用いられる。容積式ポンプは、ケーシングとそれに内接する可動部材などとの間に生じる密閉空間の移動または変化によって、液体を吸込側から吐出側に押し出す形式のポンプである。

圧力調節弁２９は、ポンプ２８の吐出側の圧力が所定値以上になった場合に開方向へ作動するバネ式の弁である。圧力調節弁２９は、ポンプ２８の吐出側の圧力、すなわちノズル１３の前圧を一定に制御するために設けられる。圧力調節弁２９は、吐出側供給配管２５上に接続される。また、圧力調節弁２９の二次側配管３０ａ、３０ｂ・・・３０ｎ（二次側配管３０）は、それぞれタンク２２に接続され大気開放される。

アキュムレータ３１（空気室）は、ポンプ２８の動作により生じる圧力脈動を吸収するために設けられる。アキュムレータ３１は、吐出側供給配管２５またはポンプ２８の吐出ケーシング（図示せず）に配置される。アキュムレータ３１は、可能な限りポンプ２８の近くに設置するのが好ましい。

第一実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置としての冷却水供給系２０および噴霧装置１１の作用について説明する。

吸気入口４より吸気室３に吸気された空気には、噴霧装置１１のノズル１３から噴霧される液滴が供給される。冷却水供給系２０は、タンク２２に貯溜された冷却水をポンプ２８で圧送し、噴霧装置１１に供給する。このとき、冷却水供給系２０は、例えば噴霧装置１１に供給する冷却水の流量を、上述した温度計、湿度計および空気流量検出器より検出される大気温度、吸気室３の湿度、圧縮機５に供給される空気流量に応じて、冷却水の供給量が最適となるように制御を行った上で噴霧装置１１に冷却水を供給する。

ここで、ポンプ２８に適用された容積式ポンプは、その構造上、吸込側および吐出側の配管において圧力脈動を生じさせる恐れがある。

これに対し、本実施形態における冷却水供給系２０は、ポンプ２８が配置された複数の供給配管２３の吸込側供給配管２４をそれぞれ独立してタンク２２に接続し、ポンプ２８の吸込側をタンク２２を介して大気開放した。このため、複数のポンプ２８の同時作動に伴い発生した、各吸込側供給配管２４の圧力脈動の相互干渉を低減することができる。

一方、ポンプ２８の吐出ケーシングまたは吐出側供給配管２５には、アキュムレータ３１が配置されている。このため、ポンプ２８吐出側に位置する吐出側供給配管２５の圧力脈動が低減される。

ポンプ２８の吐出側供給配管２５には、さらに圧力調節弁２９が接続されている。圧力調節弁２９は、吐出側供給配管２５の圧力が一定値以上になった場合に作動し、ポンプ２８の吐出側圧力の変動を抑制する。このため、吐出側供給配管２５の圧力脈動が低減される。また、圧力調節弁２９の二次側配管３０は、タンク２２を介して大気開放される。圧力調節弁２９は、二次側圧力（背圧）の安定により、動作を安定させることができる。これに伴い、吐出側供給配管２５の圧力制御についても好適に行われる。なお、圧力調節弁２９の二次側配管３０は、タンク２２に接続されているため、圧力調節弁２９の余水はタンク２２に戻され再度冷却水として活用される。

また、圧力調節弁２９がポンプ２８の吐出側圧力を調節することで、ノズル１３の前圧が安定する。このため、噴霧装置１１より噴霧される液滴の粒径についても微細な状態が維持され、液滴の衝突に伴う圧縮機５動静翼のエロージョンが防止される。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置によれば、複数のポンプ２８を配置し同時に作動させた場合であっても、ポンプ２８の吸込側および吐出側の供給配管２３の圧力脈動を好適に抑制することができる。また、圧力脈動の低減に伴い、ポンプや配管などの周辺機器の機械振動をも低減させることができる。このため、複数の容積式ポンプを冷却水供給系２０に用いたガスタービン吸気冷却装置全体の信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、一のタンク２２に対し、複数のポンプ２８が配置された複数の供給配管２３が独立して接続されたガスタービン吸気冷却装置について説明した。しかし、タンク２２は一に限らず、複数設けてもよい。

図２は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態の変形例を示す概略系統図である。

図２では、冷却水供給系３５の一の供給配管２３に対して一のタンク３２ａ、３２ｂ・・・３２ｎ（タンク３２）が接続されるようにタンク３２が供給配管２３の本数に応じて複数個設けられた例が示されている。このようにタンク３２を供給配管２３毎に設けることで、供給配管２３の圧力脈動の相互干渉をより好適に抑制することができる。

このようにタンク３２を供給配管２３毎に設けることで、タンク３２の配置の自由度が大きくなり、供給配管２３に配置されたポンプ２８とタンク３２との距離および揚程を小さくできる位置に設定することが可能である。よって圧力脈動の要因となる供給配管２３の吸込側供給配管２４の配管長のロスを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、供給配管２３にそれぞれ圧力調節弁２９およびアキュムレータ３１を設けた例を説明した。しかし、ガスタービン吸気冷却装置は供給配管２３がタンク２２に対してそれぞれ独立して接続されていればよく、圧力調節弁２９およびアキュムレータ３１は必要に応じて供給配管２３に設ければよい。

また、上述したガスタービン吸気冷却装置は、噴霧装置１１が吸気室３内に設けられた例を説明した。しかし、噴霧装置１１は、吸気室３外であって吸気入口４近傍において吸気を冷却することもできる。

図３は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第一実施形態の他の変形例を示す概略系統図である。

図３に示すガスタービン吸気冷却装置の導水管１１２ａ、１１２ｂ、・・・１１２ｎ（導水管１１２）は、吸気入口４近傍であって、吸気室３に導かれる吸気の通流方向にほぼ垂直な断面に沿ってそれぞれ配置される。また、導水管１１２は、吸気入口４の側面から導かれる吸気も冷却可能なように、吸気入口４の側面にも配置される。これらの導水管１１２には、それぞれ噴霧ノズル１１３ａ、１１３ｂ、・・・１１３ｎが設けられる。

噴霧装置１１１を吸気室３外に設けて吸気を冷却することにより、噴霧装置１１１を吸気室３内に設けるために必要な穴あけなどの工事を不要とすることができ、さらにはガスタービン冷却装置設置のための工期を短縮することができる。

また、吸気入口４に設けられたフィルタの外に噴霧装置１１１を配置するため、水滴による圧縮機５におけるエロージョンの発生を抑制することができる。

［第二実施形態］
図４は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第二実施形態を示す概略系統図である。

第二実施形態で説明するガスタービン吸気冷却装置が第一実施形態と異なる主な点は、冷却水供給系４０の供給配管２３ａ、２３ｂ、・・・２３ｎ（供給配管２３）にそれぞれアンロード弁４１ａ、４１ｂ、・・・４１ｎ（アンロード弁４１）を接続した点である。なお、第一実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図４に示す冷却水供給系４０は、上述した図１で示す圧力調節弁２９およびアキュムレータ３１を設けない例を説明するが、必要に応じて設けてもよい。

アンロード弁４１は、ポンプ２８ａ、２８ｂ・・・２８ｎ（ポンプ２８）の起動時および停止時に作動し、ポンプ２８吐出側の圧力が所定値に達すると、ポンプ２８を無負荷状態にて運転させる圧力制御弁である。アンロード弁４１は、供給配管２３の吐出側供給配管２５ａ、２５ｂ、・・・２５ｎ（吐出側供給配管２５）上に接続される。また、アンロード弁４１の二次側配管４２ａ、４２ｂ・・・４２ｎ（二次側配管４２）は、それぞれタンク２２に接続される。

第二実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置の特に冷却水供給系４０の作用について説明する。

ガスタービン吸気冷却装置起動時にポンプ２８が起動される際、アンロード弁４１は開状態とされる。通常、ポンプ２８を急速起動させた場合、ポンプ２８には負荷がかかってしまう。しかし、本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置は、ポンプ２８吐出側にアンロード弁４１を配置した。このため、ポンプ２８にかかる負荷を低減させることができる。また、ポンプ２８は起動時において無負荷運転が可能であるため、慣らし運転や、系統のエア抜きを行うことができる。このため、冷却水供給系４０はエア噛み込みによる異常流体振動の発生を好適に抑制することができる。

ポンプ２８は定格運転状態へ移行するためにアンロード弁４１は閉状態とされ、ポンプ２８の吐出側圧力は上昇する。

一方、ポンプ２８が定格運転状態から停止状態に移行される際、アンロード弁４１は開状態とされる。急速起動と同様、急停止についてもポンプ２８には負荷がかかってしまう。しかし、アンロード弁４１を作動させることにより、ポンプ２８を無負荷状態で停止させることができる。このため、ポンプ２８は急停止されることがなく、ポンプ２８にかかる負荷を低減させることができる。また、アンロード弁４１の二次側配管４２はタンク２２に接続されたため、アンロード弁４１に流入した冷却水は再びタンク２２に戻される。アンロード弁４１を流れる冷却水を再利用でき、運転コストを低減できる点で有効である。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置によれば、第一実施形態で奏する効果に加え、ガスタービン吸気冷却装置の起動時および停止時においてポンプ２８にかかる負荷を低減させることができる。このため、起動時および停止時を含むガスタービン吸気冷却装置全体の信頼性を向上させることができる。

［第三実施形態］
図５は、本発明に係るガスタービン吸気冷却装置の第三実施形態を示す概略系統図である。

第三実施形態で説明するガスタービン吸気冷却装置が第一実施形態と異なる主な点は、冷却水供給系５０の供給配管５３ａ、５３ｂ、・・・５３ｎ（供給配管５３）の一部が非金属材料で構成された点である。その他の構成については第一実施形態とほぼ同様であるため、対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、図５に示す冷却水供給系５０は、図１に示す圧力調節弁２９およびアキュムレータ３１や図４に示すアンロード弁４１を設けない例を説明するが、必要に応じて設けてもよい。

供給配管５３の吸込側供給配管５４ａ、５４ｂ、・・・５４ｎ（吸込側供給配管５４）は、非金属材料からなる吸込側ホース６４ａ、６４ｂ、・・・６４ｎ（吸込側ホース６４）を一部に備える。供給配管５３の吐出側供給配管５５ａ、５５ｂ、・・・５５ｎ（吐出側供給配管５５）は、非金属材料からなる吐出側ホース６５ａ、６５ｂ、・・・６５ｎ（吐出側ホース６５）を一部に備える。

これらの吸込側ホース６４および吐出側ホース６５は、供給配管５３よりも剛性の小さい、例えばゴムやプラスチックなどの非金属材料で構成される。また、吐出側ホース６５は、ポンプ２８吐出側の圧力に耐え得る高圧ホースである。

第三実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置の特に冷却水供給系５０の作用について説明する。

ポンプ２８の吸込側に接続された吸込側供給配管５４は、その一部に吸込側ホース６４を備える。この吸込側ホース６４は、吸込側供給配管５４よりも剛性が小さく、ポンプ２８吸込側の吸込側供給配管５４で発生する圧力脈動に対してダンパとして機能する。この結果、ポンプ２８吸込側の圧力脈動が低減し、周辺機器に対する機械振動の伝達が抑制される。

吐出側供給配管５５についても同様に、その一部に吐出側ホース６５を備える。このため、ポンプ２８吐出側の脈動が低減し、周辺機器に対する機械振動の伝達が抑制される。

本実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置によれば、第一実施形態で奏する効果に加え、供給配管５３内の圧力脈動をより好適に低減することができる。これに伴い、周辺機器の機械振動を抑制することができ、ガスタービン吸気冷却装置全体の信頼性を向上させることができる。

なお、第一〜第三実施形態はそれぞれ特徴点を示したものであり、必要に応じて第一〜第三実施形態の構成を組み合わせて実施することができる。特に、図３で説明した噴霧装置１１１を吸気室３外に設けた構成例は、第二、第三実施形態におけるガスタービン吸気冷却装置にも適用することができる。

１ ガスタービン設備
３ 吸気室
４ 吸気入口
５ 圧縮機
６ ガスタービン
７ 発電機
８ 燃焼器
１１、１１１ 噴霧装置
１２ａ、１２ｂ・・・１２ｎ（１２）、１１２ａ、１１２ｂ・・・１１２ｎ（１１２） 導水管
１３ａ、１３ｂ・・・１３ｎ（１３）、１１３ａ、１１３ｂ・・・１１３ｎ（１１３） ノズル
２０ 冷却水供給系
２２ タンク
２３ａ、２３ｂ・・・２３ｎ（２３） 供給配管
２４ａ、２４ｂ・・・２４ｎ（２４） 吸込側供給配管
２５ａ、２５ｂ・・・２５ｎ（２５） 吐出側供給配管
２８ａ、２８ｂ・・・２８ｎ（２８） ポンプ
２９ａ、２９ｂ・・・２９ｎ（２９） 圧力調節弁
３０ａ、３０ｂ・・・３０ｎ（３０） 二次側配管
３１ａ、３１ｂ・・・３１ｎ（３１） アキュムレータ
３２ａ、３２ｂ・・・３２ｎ（３２） タンク
４０ 冷却水供給系
４１ａ、４１ｂ・・・４１ｎ（４１） アンロード弁
４２ａ、４２ｂ・・・４２ｎ（４２） 二次側配管
５０ 冷却水供給系
５３ａ、５３ｂ・・・５３ｎ（５３） 供給配管
５４ａ、５４ｂ・・・５４ｎ（５４） 吸込側供給配管
５５ａ、５５ｂ・・・５５ｎ（５５） 吐出側供給配管
６４ａ、６４ｂ・・・６４ｎ（６４） 吸込側ホース
６５ａ、６５ｂ・・・６５ｎ（６５） 吐出側ホース

Claims (5)

1. ガスタービン設備の圧縮機に導かれる吸気に冷却水を噴霧して冷却する噴霧装置と、
   前記噴霧装置に前記冷却水を給水する冷却水供給系とを備え、
   前記冷却水供給系は、
   前記冷却水を貯溜する少なくとも一のタンクと、
   前記タンクに対して独立して接続され、前記冷却水を前記噴霧装置に供給する複数の供給配管と、
   各前記供給配管の配置されたポンプと、
   それぞれの前記供給配管の前記ポンプの吐出側から分岐して前記給水タンクに接続された二次側配管と、を備えたことを特徴とするガスタービン吸気冷却装置。
2. 前記タンクは、前記供給配管の本数に応じて設けられ、一の前記供給配管に対して一のタンクが接続された請求項１記載のガスタービン吸気冷却装置。
3. 前記ポンプの吸込側および吐出側の前記供給配管は、前記供給配管の他の部分よりも剛性の小さい材料で形成された供給配管をそれぞれ備えた請求項１または２に記載のガスタービン吸気冷却装置。
4. 前記二次側配管に、各前記ポンプ起動時および停止時において作用するアンロード弁および圧力調整弁の少なくとも一方を備えた請求項１〜３のいずれか一項記載のガスタービン吸気冷却装置。
5. 前記ポンプの吐出側に配置されたアキュムレータをさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービン吸気冷却装置。

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