JP4254508B2 - Gas turbine system - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン発電システムに湿分を添加し、そのシステムの増出力及び高効率を達成する技術分野に属する。 The present invention belongs to a technical field in which moisture is added to a gas turbine power generation system to achieve increased output and high efficiency of the system.
噴霧ノズルで水分を添加した加湿空気を用いるガスタービンシステムに関する従来技術として、圧縮機と再生熱交換器(以後、再生器と称す)を繋ぐ空気流路としての配管に高温水をノズルで噴霧する加湿器構造が記載され、また、加湿器での未蒸発水を回収して、その水を再利用する噴霧システム構成が記載されている(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional technique related to a gas turbine system using humidified air to which moisture is added by a spray nozzle, high-temperature water is sprayed by a nozzle on a pipe as an air flow path connecting a compressor and a regenerative heat exchanger (hereinafter referred to as a regenerator). A humidifier structure is described, and a spray system configuration that collects non-evaporated water in the humidifier and reuses the water is described (for example, see Patent Document 1).
更に、圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を設置し、噴霧水を高温として縦置加湿器に温水を噴霧する構造が記載され、また、圧縮機の吸気に常温水を噴霧する構造も記載されている(例えば、特許文献2参照)。 Furthermore, a structure is described in which a spray water heat exchanger is installed in the pipe connecting the compressor and the regenerator, the hot water is sprayed to the vertical humidifier with the spray water at a high temperature, and room temperature water is supplied to the intake air of the compressor. A structure for spraying is also described (for example, see Patent Document 2).
圧縮機と再生器を繋ぐ配管に噴霧水の熱交換器を、また、ガスタービン排ガスで噴霧水を加熱する熱交換器を設置し、噴霧水を高温として大型増湿塔に温水を噴霧し、加湿空気を生成する構造が記載されている(例えば、特許文献3参照)。 A spray water heat exchanger is installed in the pipe connecting the compressor and the regenerator, and a heat exchanger that heats the spray water with the gas turbine exhaust gas is installed. A structure for generating humid air is described (for example, see Patent Document 3).
水分を添加した加湿空気を用いるために、ガスタービン排熱を利用した再生器の途中に水又は蒸気を注入する方法が記載されている(例えば、特許文献4参照)。 In order to use humidified air to which moisture has been added, a method is described in which water or steam is injected into the regenerator that utilizes gas turbine exhaust heat (see, for example, Patent Document 4).
圧縮機と再生器を繋ぐ配管に高温水を噴霧ノズルで噴霧する加湿器と加湿器下流に設けた熱交換器とを多数設け、加湿器出口温度の違いで再生器との接続位置を変える構造が記載されている(例えば、特許文献5参照)。 A pipe that connects the compressor and regenerator is equipped with a humidifier that sprays high-temperature water with a spray nozzle and a heat exchanger that is provided downstream of the humidifier, and the connection position with the regenerator is changed depending on the outlet temperature of the humidifier (For example, refer to Patent Document 5).
上記した加湿システムを構成するためには微細水滴を霧化して噴霧する噴霧ノズルが必要となるが、市販ノズルとしては、国内では株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルM19」と称するものがあり、その性能は、噴霧圧力7MPaで、水量が0.125L/min で、噴霧水滴径が算術平均で16μm(SMDで約25μmに相当)である(例えば、非特許文献1参照)。SMDとは、レーザでの水滴径計測で用いられる噴霧水滴径を表す指標でザウター平均粒径(Sauter mean diameter)である。 In order to configure the humidification system described above, a spray nozzle that atomizes and sprays fine water droplets is required. However, as a commercially available nozzle, there is one called “Moya Spray Nozzle M19” of Kyoritsu Alloy Manufacturing Co., Ltd. in Japan. The performance is such that the spray pressure is 7 MPa, the amount of water is 0.125 L / min, and the spray water droplet diameter is 16 μm in arithmetic mean (corresponding to about 25 μm in SMD) (for example, see Non-Patent Document 1). SMD is an index representing a sprayed water droplet diameter used in water droplet diameter measurement with a laser and is a Sauter mean particle diameter (Sauter mean diameter).
ガスタービン発電システムにおける圧縮機と再生器を繋ぐ空気流路としての配管途中に設置する加湿器構成の従来技術で共通していることは、構成機器が多く高コスト,大型となっている点にある。また、これらの従来技術では、加湿器構成として微細水滴を噴霧する噴霧ノズルを用いるが、狭いエリアで高温空気に噴霧して瞬時に蒸発させ高湿分の空気を生成するためには、微細水滴を大量に噴霧する噴霧ノズルが必要となる。 What is common to the conventional technology of the humidifier configuration installed in the middle of the piping as the air flow path connecting the compressor and regenerator in the gas turbine power generation system is that there are many components and high cost and large size is there. Moreover, in these conventional technologies, a spray nozzle that sprays fine water droplets is used as a humidifier configuration. However, in order to generate high-humidity air by spraying high-temperature air in a narrow area and instantly evaporating, fine water droplets are used. A spray nozzle that sprays a large amount of is required.
さらに、高湿分の空気を用いるガスタービンシステムでは、大量の水を添加して加湿空気とするが、圧縮機と再生器間での加湿だけでは、必要とする加湿割合を得ることができないことが考えられる。ガスタービン排熱を利用した再生器の途中に水又は蒸気を注入する方法があるが、再生器の伝熱管への水注入配分に起因する熱応力に問題がある。 Furthermore, in a gas turbine system using high-humidity air, a large amount of water is added to obtain humidified air, but the required humidification ratio cannot be obtained only by humidification between the compressor and the regenerator. Can be considered. There is a method of injecting water or steam in the middle of a regenerator using gas turbine exhaust heat, but there is a problem in thermal stress due to water injection distribution to the heat transfer tubes of the regenerator.
また、従来の加湿構成では、高温空気と噴霧水の混合部が少ないため熱交換が十分に行えず加湿割合が少なく、加湿器出口温度が高くなることが考えられる。加湿器出口温度が高くなると、ガスタービン排熱の有効利用が損なわれ、効率が低下することか考えられる。 Moreover, in the conventional humidification structure, since there are few mixing parts of high temperature air and spray water, heat exchange cannot fully be performed, but a humidification ratio is small, and it is possible that the humidifier exit temperature becomes high. If the humidifier outlet temperature becomes high, the effective utilization of gas turbine exhaust heat is impaired, and the efficiency may be lowered.
本発明の目的は、ガスタービンシステム内への加湿量を増加させることである。 An object of the present invention is to increase the amount of humidification into a gas turbine system.
本発明の課題を解決するための第1手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段と、前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段と、を有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発により圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。 A first means for solving the problems of the present invention includes a compressor that compresses and discharges air sucked from an air chamber, an air flow path for passing compressed air discharged from the compressor, and the air flow path The combustor that is supplied with the compressed air and the fuel that has passed through the combustion chamber to perform a combustion action, the turbine that is driven by the combustion gas of the combustor, the generator that is driven by the turbine, and the compression that is performed by the exhaust gas A regenerative heat exchanger that heats air; an upstream header that distributes the compressed air to a heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger; a first spraying means that sprays liquid into the air chamber; and A gas turbine system having a second spraying means for spraying liquid and a third spraying means for spraying liquid in the upstream header, and increasing the humidification ratio by spraying the liquid at a plurality of locations of the gas turbine system. The In addition, by spraying the liquid in the upstream header, the spray droplets are also distributed along with the distribution of the compressed air from the upstream header to the heat transfer flow path, and the spray droplets are efficient in the regenerative heat exchanger. The moisture in the compressed air can be increased by evaporation. In addition, compared with the case where liquid is directly put into the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, the generation of thermal stress in the regenerative heat exchanger is reduced, and when there are multiple heat transfer flow paths of the regenerative heat exchanger, a plurality of heat transfer flow paths are used. The distribution structure to the heat transfer channel can be simplified.
第2手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配すると共に、前記伝熱流路の最下段の伝熱流路よりも下方に下部が延長されている上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段、又は前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段、又は前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段の内の少なくとも一つの噴霧手段を有し、前記少なくとも一つの噴霧手段は、噴霧圧力が4MPa以上,流量が1L/
min 以上,ザウター平均粒径が30μm以下の性能を有する噴霧ノズルとを有するガスタービンシステムであり、空気室内にザウター平均粒径が30μm以下の霧化状態の液滴を1L/min 以上供給して、空気室内の空気に同伴して圧縮機内へ吸入されていく湿分を増量する。
The second means includes a compressor that compresses and discharges the air sucked from the air chamber, an air passage through which the compressed air discharged from the compressor passes, and the compressed air and fuel that have passed through the air passage. Are supplied with the combustion gas, the turbine driven by the combustion gas of the combustor, the generator driven by the turbine, and the regenerative heat exchanger that heats the compressed air with the exhaust gas, The compressed air is distributed to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, and an upstream header whose lower part is extended below the lowermost heat transfer flow path of the heat transfer flow path, and a liquid is supplied to the air chamber. A first spraying means for spraying, a second spraying means for spraying a liquid in the air flow path, or a third spraying means for spraying a liquid in the upstream header, At least one Spraying means spray pressure above 4 MPa, flow rate 1L /
a gas turbine system having a spray nozzle having a performance of not less than min and an average particle diameter of Sauter of 30 μm or less, supplying droplets in an atomized state having an average particle diameter of Sauter of 30 μm or less to the air chamber of 1 L / min or more. The amount of moisture that is sucked into the compressor accompanying the air in the air chamber is increased.
第3手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第1噴霧手段と、前記空気流路内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第2噴霧手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第3噴霧手段とを有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発による圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。更には、第1噴霧手段と、第2噴霧手段と、第3噴霧手段との各噴霧手段の液体噴霧と停止及び液体噴霧を行う噴霧手段に係る噴霧させる系統数の選択によって、タービンシステムへの加湿度合いの細かい制御を行って、タービンシステムの状況に応じた加湿制御が達成できる。 Third hand stage, a compressor compressing and discharging sucked from the air chamber the air, and an air flow passage through which compressed air discharged from said compressor, and the compressed air having passed through the said air passage A combustor that is supplied with fuel to perform a combustion operation, a turbine that is driven by combustion gas of the combustor, a generator that is driven by the turbine, and a regenerative heat exchanger that heats the compressed air with the exhaust gas An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, a plurality of first spray means that can select a system for spraying and spraying liquid into the air chamber, and the air flow A plurality of second spraying means capable of selecting a system for spraying and spraying liquid in the road; and a plurality of third spraying means capable of selecting a system for spraying and spraying liquid in the upstream header; The This is a gas turbine system that sprays liquid at multiple locations in the gas turbine system to increase the humidification rate and distributes compressed air from the upstream header to the heat transfer flow path by spraying liquid into the upstream header. Accordingly, the spray droplets are distributed, and the moisture in the compressed air can be increased by the efficient evaporation of the spray droplets in the regenerative heat exchanger. In addition, compared with the case where liquid is directly put into the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, the generation of thermal stress in the regenerative heat exchanger is reduced, and when there are multiple heat transfer flow paths of the regenerative heat exchanger, a plurality The distribution structure to the heat transfer channel can be simplified. Furthermore, by selecting the number of systems to be sprayed according to the spraying means for performing the liquid spraying and stopping and the liquid spraying of each spraying means of the first spraying means, the second spraying means, and the third spraying means, Humidification control according to the situation of the turbine system can be achieved by performing fine control of the degree of humidification.
第4手段は、空気室から吸い込んだ空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機と、前記排ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段と、前記第1噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第1流量計と、前記空気室内からの前記液体のドレーン液を計量する第1計量手段と、前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段と、前記第2噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第2流量計と、前記空気流路内からの前記液体のドレーン液を計量する第2計量手段と、前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段と、前記第3噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第3流量計と、前記上流側ヘッダー内からの前記液体のドレーン液を計量する第3計量手段とを有するガスタービンシステムであり、ガスタービンシステムの複数箇所で液体を噴霧して加湿割合を増大させると共に、上流側ヘッダー内に液体を噴霧することで上流側ヘッダーから伝熱流路への圧縮空気の配分に伴って噴霧液滴の配分も行われて再生熱交換器で噴霧液滴の効率良い蒸発による圧縮空気中の湿分を高めることができる。その上、再生熱交換器の伝熱流路に液体を直接入れる場合に比較して再生熱交換器の熱応力の発生の軽減や、再生熱交換器の伝熱流路が複数ある場合には複数の伝熱流路への分配構造が簡略化できる。更には、第1〜3の各流量計による計量総和と第1〜3の各計量手段による計量総和との差に基づいてタービンシステムの全体の加湿割合を把握することができる。
The fourth hand stage, a compressor compressing and discharging sucked from the air chamber the air, and an air flow passage through which compressed air discharged from said compressor, and the compressed air having passed through the said air passage A combustor that is supplied with fuel to perform a combustion operation, a turbine that is driven by combustion gas of the combustor, a generator that is driven by the turbine, and a regenerative heat exchanger that heats the compressed air with the exhaust gas An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, a first spraying means for spraying liquid into the air chamber, and a flow rate of the liquid supplied to the first spraying means. A first flow meter for measuring, a first measuring means for measuring the liquid drain liquid from the air chamber, a second spraying means for spraying the liquid into the air flow path, and the second spraying means The flow rate of the liquid to be measured A second flow meter, a second metering unit for metering the liquid drain liquid from the air flow path, a third spray unit for spraying the liquid into the upstream header, and the third spray unit. A gas turbine system comprising: a third flow meter for measuring a flow rate of the supplied liquid; and a third measuring unit for measuring a drain liquid of the liquid from the upstream header, and a plurality of locations of the gas turbine system In addition to increasing the humidification rate by spraying liquid with the liquid, spraying the liquid in the upstream header also causes the spray droplets to be distributed along with the distribution of the compressed air from the upstream header to the heat transfer flow path and regenerated The moisture in the compressed air can be increased by efficient evaporation of the spray droplets with the heat exchanger. In addition, compared with the case where liquid is directly put into the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, the generation of thermal stress in the regenerative heat exchanger is reduced, and when there are multiple heat transfer flow paths of the regenerative heat exchanger, a plurality of The distribution structure to the heat transfer channel can be simplified. Furthermore, it is possible to grasp the entire humidification ratio of the turbine system based on the difference between the total sum measured by the first to third flow meters and the total sum measured by the first to third metering means.
本発明によれば、ガスタービンシステム内の空気へ湿分を多量含ませることが出来る。 According to the present invention, a large amount of moisture can be contained in the air in the gas turbine system.
本発明の実施例では、次の(A)〜(E)の5項目の課題を解消する手段が含まれている。(A)ガスタービンシステム内に微細水滴を大量に噴霧するノズルがない。(B)ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間での加湿だけでは、必要とする加湿割合を得ることができない。(C)ガスタービンシステムの加湿器出口温度が高くなり、ガスタービン排熱の有効利用ができない。(D)ガスタービンシステムの再生器の伝熱管途中に水を注入する加湿方法では、伝熱管への水注入配分に起因する熱応力に問題がある。(E)ガスタービンシステムの必要加湿割合を得るための構成機器が多く、大型となり高コストである。 The embodiment of the present invention includes means for solving the following five problems (A) to (E). (A) There is no nozzle that sprays a large amount of fine water droplets in the gas turbine system. (B) The required humidification ratio cannot be obtained only by humidification between the compressor and the regenerator of the gas turbine system. (C) The humidifier outlet temperature of the gas turbine system becomes high, and the gas turbine exhaust heat cannot be effectively used. (D) In the humidification method in which water is injected in the middle of the heat transfer tube of the regenerator of the gas turbine system, there is a problem in the thermal stress caused by the water injection distribution to the heat transfer tube. (E) There are many components for obtaining the required humidification ratio of the gas turbine system, which is large in size and high in cost.
課題(A)を解決する手段としては、ガスタービンシステムの加湿手段に採用される噴霧ノズルとして発明者等が先に開発し特願2002−319443号で特許出願した高圧1流体霧化ノズルを使用する。このノズルは最大径が約9mmと小型で、その性能は、噴霧水量が約1L/min のノズルで噴霧水滴径[SMD]が20μm以下であり、また、噴霧水量が約2〜3L/min のノズルで噴霧水滴径[SMD]が30μm以下である。これらのノズルは、従来技術に示すモヤスプレーノズルと比較して、水量は10〜30倍となる。 As a means for solving the problem (A), a high-pressure one-fluid atomizing nozzle previously developed by the inventors and applied for a patent in Japanese Patent Application No. 2002-319443 as a spray nozzle employed in a humidifying means of a gas turbine system is used. To do. This nozzle is small with a maximum diameter of about 9 mm, and its performance is a nozzle with a spray water volume of about 1 L / min, a spray water droplet diameter [SMD] of 20 μm or less, and a spray water volume of about 2 to 3 L / min. Spray nozzle droplet size [SMD] is 30 μm or less. These nozzles have 10 to 30 times the amount of water as compared to the haze spray nozzles shown in the prior art.
課題(B),(C),(D)は、ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間で最大限加湿し、さらに、再生器内でもガスタービン排熱を利用して加湿することで解決する。 Problems (B), (C), and (D) are solved by humidifying the compressor and regenerator of the gas turbine system as much as possible, and further humidifying the regenerator using the exhaust heat of the gas turbine. .
ここで、ガスタービンシステムの圧縮機と再生器間で最大限加湿する手段としては、圧縮機と再生器間の圧縮空気の流路である配管部に噴霧ノズルを設置して高温空気流に微細水滴を噴霧し、蒸発させて加湿するが、ただ噴霧するだけでは空気の流れに同伴され、熱交換が十分に行えないために加湿割合が小さくなり、加湿器出口温度も高くなるので、本発明では、噴霧ノズル設置位置より上流側に縮流を発生させるオリフィスを設置し、その下流で生成される減圧域を利用した混合域で高温空気と噴霧水滴の熱交換を十分行わせ瞬時に蒸発させる管加湿器構造を採用する。これによって、圧縮機と再生器間での加湿は最大限達成することができる。 Here, as a means for maximizing humidification between the compressor and the regenerator of the gas turbine system, a spray nozzle is installed in a piping portion that is a flow path of the compressed air between the compressor and the regenerator to finely adjust the high-temperature air flow. Spraying water droplets and evaporating them to humidify them, but if you just spray them, they are entrained in the flow of air, and heat exchange cannot be performed sufficiently, so the humidification ratio decreases and the humidifier outlet temperature also increases. Then, an orifice that generates a contracted flow is installed upstream from the position where the spray nozzle is installed, and high-temperature air and spray water droplets are sufficiently heat-exchanged in the mixing area using the pressure-reduced area generated downstream of the orifice to instantly evaporate. Adopt tube humidifier structure. This makes it possible to achieve maximum humidification between the compressor and the regenerator.
ガスタービンシステムの圧縮空気、即ち作動流体に湿分を添加する高湿分ガスタービンシステムでは、添加する湿分が多いほど高効率を達成できるが、多量に水分を添加すると結露してドレーン水が発生することになり、その作動流体の流路内で悪影響を及ぼすことになる。したがって、ガスタービンシステムへの加湿量は、飽和空気状態の湿度より若干小さい状態が好ましい。 In a high-humidity gas turbine system that adds moisture to the compressed air of the gas turbine system, i.e., the working fluid, the higher the humidity, the higher the efficiency can be achieved. Will occur and will adversely affect the flow path of the working fluid. Therefore, it is preferable that the humidification amount to the gas turbine system is slightly smaller than the humidity in the saturated air state.
これらのことを考慮すると、システム全体での加湿量は、14.1wt% (吸気流量との重量比)となる。ここで、圧縮機上流での加湿、即ち吸気加湿では1.6wt% で全体の約11%、圧縮機から再生熱交換器間で圧縮空気に加湿する管加湿器では約7wt%で全体の約50%であり、システム全体での加湿量14.1wt% からみると約39%の加湿量が足りない。 Considering these things, the humidification amount in the entire system is 14.1 wt% (weight ratio to the intake air flow rate). Here, humidification upstream of the compressor, i.e., intake air humidification, is 1.6 wt%, about 11% of the whole, and a pipe humidifier humidifying the compressed air between the compressor and the regenerative heat exchanger, about 7 wt%, about the whole It is 50%, and the humidification amount of about 39% is insufficient when the humidification amount of the entire system is 14.1 wt%.
この不足分をガスタービンシステムへ加湿する手段として、本発明の実施例では、ガスタービンシステムの排熱を利用する再生熱交換器(ガスタービン排熱と燃焼器へ供給される圧縮空気との熱交換器)の空気入口のヘッダー部に直接微細水滴を噴霧し、均等に再生熱交換器の伝熱流路に流入する構造とする。この場合も、特願2002−319443号で特許出願した高圧1流体霧化ノズルを使用することが好ましい。 As a means for humidifying the shortage to the gas turbine system, in the embodiment of the present invention, a regenerative heat exchanger that uses exhaust heat of the gas turbine system (gas turbine exhaust heat and heat of compressed air supplied to the combustor). The structure is such that fine water droplets are sprayed directly on the header portion of the air inlet of the exchanger and uniformly flow into the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger. In this case as well, it is preferable to use the high-pressure one-fluid atomizing nozzle patented in Japanese Patent Application No. 2002-319443.
上記した管加湿器を通過した加湿後の圧縮空気温度は、ほぼ蒸気飽和温度となり、それ以上の水分を含めない状態となっているため、圧縮機と再生熱交換器間での新たな加湿は困難であることから、再生熱交換器を通過するガスタービンシステムの排熱を利用し、再生熱交換器内で蒸発させ加湿するものである。 Since the compressed air temperature after humidification that has passed through the above-mentioned tube humidifier is almost the vapor saturation temperature and does not contain any more moisture, new humidification between the compressor and the regenerative heat exchanger is not possible. Since it is difficult, the exhaust heat of the gas turbine system passing through the regenerative heat exchanger is used to evaporate and humidify the regenerator heat exchanger.
課題(E)を解決する手段としては、上記した手段を用いて高湿分ガスタービンシステムを構築することで、構成機器が少ない小型でコンパクトなシステム構成とすることができ、低コスト化を図ることができる。 As means for solving the problem (E), by constructing a high-humidity gas turbine system using the above-described means, a compact and compact system configuration with a small number of components can be achieved, and cost reduction can be achieved. be able to.
以下に本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムについて、図示の実施形態により詳細に説明する。図1は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムの全体構造図、図2は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムに用いる噴霧ノズルの形状図、図3は本発明の実施例による高湿分ガスタービンシステムで使用する噴霧ノズルの水量をパラメータとした場合の水滴径分布図、図4は噴霧圧力をパラメータとした場合の水滴径分布図、図5は使用ノズルの噴霧圧力に対する噴霧水量の割合を示す図、図6は空気室での吸気噴霧ノズルの設置及び噴霧状況を示す詳細図、図7は吸気噴霧ノズル取付部の詳細図、図8は管内に構造物を設けない管加湿器構造図、図9は図8に示す体系で試験した結果で噴霧ノズル下流での各部温度を示す図、図10は管内に構造物を設けない管加湿器構造での噴霧水滴流れの軸方向水滴濃淡図、図11は図8に示す体系で完全蒸発条件での蒸発限界加湿割合の試験結果を示す図、図12は噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した本発明による管加湿器構造で、高温空気管にフランジで挟み込むヘッダーに設置したノズルから微細水滴を噴霧した場合の模式図、図13は本発明による管加湿器構造で高温空気管外部にヘッダーを設け、噴霧ノズルへの水供給管を接続する構造で、かつ、噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した体系で、設置ノズルから微細水滴を噴霧した場合の模式図、図14は本発明である図12及び図13の体系で用いるオリフィスエッジの形状図、図15は本発明である図12に示す体系で試験した結果で噴霧ノズル下流での各部温度を示す図、図16は本発明である図12に示す管加湿器700B構造と図8に示す管内に構造物を設けない管加湿器700A構造での試験結果の比較図、図17は本発明による噴霧システムを導入した再生器の構造図、図18は高湿分ガスタービンシステムにおける噴霧系統制御による全体加湿割合を示す図である。
Hereinafter, a high-humidity gas turbine system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. 1 is an overall structural diagram of a high-humidity gas turbine system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a shape diagram of a spray nozzle used in the high-humidity gas turbine system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention. 4 is a water droplet size distribution diagram when the amount of water of the spray nozzle used in the high-humidity gas turbine system is a parameter, FIG. 4 is a water droplet size distribution diagram when the spray pressure is a parameter, and FIG. 5 is the spray pressure of the nozzle used. FIG. 6 is a detailed view showing the installation and the spraying state of the intake spray nozzle in the air chamber, FIG. 7 is a detailed view of the intake spray nozzle mounting portion, and FIG. 8 is a structure provided in the pipe. FIG. 9 is a diagram showing the temperature of each part downstream of the spray nozzle as a result of testing with the system shown in FIG. 8, and FIG. 10 is a spray water droplet flow in a pipe humidifier structure in which no structure is provided in the pipe. Axial water droplet density map, diagram FIG. 1 is a diagram showing the test results of the evaporation limit humidification ratio under the complete evaporation condition in the system shown in FIG. 8, and FIG. 12 is a pipe humidifier structure according to the present invention in which an orifice for narrowing the flow path is installed upstream of the spray nozzle. FIG. 13 is a schematic view when a fine water droplet is sprayed from a nozzle installed in a header sandwiched by a flange in a high temperature air pipe. FIG. 13 is a pipe humidifier structure according to the present invention, a header is provided outside the high temperature air pipe, and a water supply pipe to the spray nozzle FIG. 14 is a schematic diagram in the case where fine water droplets are sprayed from the installation nozzle in a system in which an orifice for narrowing the flow path is installed upstream of the spray nozzle, and FIG. 14 is a schematic view of the present invention. FIG. 15 shows the temperature of each part downstream of the spray nozzle as a result of testing with the system shown in FIG. 12, which is the present invention, and FIG. 16 shows the shape of the orifice edge used in the system of FIG. FIG. 17 is a structural view of a regenerator in which a spray system according to the present invention is introduced, and FIG. 18 is a high view of the humidifier 700B structure and a
図1に示す高湿分ガスタービンシステムの全体構造のように、通常ガスタービンシステムの基本構成は、空気室1,圧縮機2,燃焼器3,ガスタービン4,発電機5,発電端6、及び燃料供給系100で構成され、空気室1を通じて吸い込んだ空気は圧縮機2で昇温昇圧されて圧縮空気として図1の白抜き矢印の方向に送られて燃焼器3へ供給される。高湿分ガスタービンシステムでは、加湿システムとして、空気室1に微細水滴13を噴霧し加湿する吸気噴霧加湿システム200,圧縮機2から吐出する高温高圧空気を加湿する管内噴霧加湿システム300,ガスタービンの排熱を利用し燃焼器3に供給する空気の温度を上昇させる再生熱交換器7入口部で噴霧加湿する再生器加湿システム400があり、高湿分を空気に添加できる構成となっている。
As in the overall structure of the high-humidity gas turbine system shown in FIG. 1, the basic configuration of the normal gas turbine system includes an
これらの各加湿システムへの噴霧水の供給は、噴霧水供給タンク8,高圧ポンプ9,水処理装置10で構成される給水共通設備500から供給される。この給水共通設備500では、水が貯蔵された噴霧水供給タンク8から高圧ポンプ9で各加湿システム200,
300,400へ水を噴霧水として供給する系統構成を有し、高圧ポンプ9からの吐出圧力(P0)をバイパス弁11で規定の圧力に制御する制御系統が備わる。
The supply of spray water to each of these humidification systems is supplied from a common
It has a system configuration for supplying water as spray water to 300 and 400, and a control system for controlling the discharge pressure (P0) from the high-
このような各加湿システムで加湿された高温高圧な圧縮空気と燃料供給系100から供給された燃料とが、共に燃焼器3に供給されて燃焼作用に供せられる。その燃料供給系
100は、燃料タンクから燃料ポンプで燃焼器へ燃料を送る配管による燃料供給流路と、その配管に装備されたフィルタと流量調整弁と流量計と圧力計とを備え、指定の流量となるように流量計からの信号で流量調整弁を開度調整して、適切な量の燃料を燃焼器3に供給する。
The high-temperature and high-pressure compressed air humidified by each of these humidification systems and the fuel supplied from the
燃焼器3での燃焼作用で生じた燃焼ガスによってガスタービン4の羽根が回転され、燃焼ガスはガスタービン排ガス37となって再生熱交換器7の熱源として再生熱交換器内に入り、その排ガスはその後に再生熱交換器7からでて給水加熱器23へ熱源として入り、その後にガスタービンシステム外に排気される。
The blades of the
ガスタービン4の羽根が燃焼ガスで回転駆動されることによって、その羽根が装備されたタービン軸と直列に連結されている圧縮機2と発電機5とが駆動されて、圧縮機2は新たな空気を空気室1から取り込んで圧縮して燃焼に供する圧縮空気をガスタービンシステム内に供給する。また、発電機5が駆動されることによって電力が発生して発電機5の発電端6に伝達され、その発電端6から電力が外部へ電線を通じて供給される。
When the blades of the
次に、本発明の実施例に採用される第1噴霧手段としての吸気噴霧加湿システム200を説明する。吸気12中に微細水滴13を噴霧する吸気噴霧加湿システム200は、フィルター14,流量調節弁15,第1流量計としての流量計16,圧力計17,噴霧系統選択弁18,噴霧ノズル600を高圧ポンプ9の吐出側に接続した配管に装備して構成されている。その配管は噴霧系統選択弁18の近くで2系統に分かれ、1系統ごとに一個の噴霧系統選択弁18が備わる。その2系統に分かれた配管には噴霧ノズル600が連通しているスプレーヘッダ19が接続され噴霧水供給タンク8内の噴霧水を噴霧ノズル600に供給できるようになっている。噴霧される微細水滴13の水量の調整は、噴霧系統選択弁18の開閉による噴霧系統の選択及び流量調節弁15で調整されるが、噴霧させる系統の圧力は要求噴霧水滴径が保持できる圧力範囲で制御する。
Next, an intake spray humidification system 200 as the first spray means employed in the embodiment of the present invention will be described. An intake spray humidification system 200 that sprays
この吸気噴霧加湿システム200で使用される噴霧ノズル600の要求性能は、吸気の流れに同伴される最大水滴径から噴霧水滴径が好ましくは20μm[SMD]以下で、噴霧水量はできるだけ多いものが必要となる。一般に市販されている1流体噴霧ノズルで噴霧水滴径の要求仕様をほぼ満足するものとして、前記従来技術にも示した株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルM19」があるが、これらのノズルでの噴霧水量は約
0.125L/minで非常に少ない水量である。したがって、この吸気噴霧加湿システム
200には、特願2002−319443号で示され、先に開発した噴霧流量が大流量で要求噴霧水滴径を満足する高圧1流体霧化ノズルを使用する。
The required performance of the
図2に高圧1流体霧化ノズルの形状を示す。高圧1流体霧化ノズル600は、中空円筒状の高圧水導入管601,高圧水導入管601の端部に固定されて90度の角度間隔で設けられた小孔の噴出口602と各噴出口602に対して傾斜部が対面する傾斜ターゲット603を有するノズル先端部品604及び高圧水導入管601に固定されてノズル先端部品604の円周囲を接触することなく覆う円筒状のカバー605から構成され、高圧水
606を各噴出口602から噴出させ、前方の傾斜ターゲット603の傾斜部に衝突させることで微細水滴13を得るものである。傾斜ターゲット603は各噴出口602に対して傾斜部が対面する様に、微細水滴13が吐出する方向から見ると図2の右図のように十字の形状を有する。このような構造とすることで、以下の(1)〜(4)の特徴がある。
(1)複数個(本実施例では4個)の噴出口602を設けることで小流量から大流量まで 自由な流量範囲を設定できる。
(2)噴出口602から高圧水を噴出し、傾斜ターゲット603に衝突させることで微細 水滴13を得ることができる。
(3)噴出口602から高圧水を噴出し、個々の傾斜ターゲット603に衝突させる構造 とすることで噴霧水滴間に隙間607ができ、噴霧水滴中央部への外気の流通が形成さ れることから、噴霧水滴中央部での減圧が回避され高温・高圧雰囲気で噴霧範囲が縮小 する現象(コーンコラップス現象)が発生しない。
(4)このような構造とすることで、ノズルの小型化が達成できる。実製作では、ノズル 最大径が9mmである。
FIG. 2 shows the shape of a high-pressure one-fluid atomizing nozzle. The high-pressure one-
(1) By providing a plurality of (four in this embodiment) jet ports 602, a free flow rate range from a small flow rate to a large flow rate can be set.
(2)
(3) Since a structure in which high-pressure water is ejected from the ejection port 602 and collides with each
(4) With such a structure, it is possible to reduce the size of the nozzle. In actual production, the maximum nozzle diameter is 9 mm.
高圧1流体霧化ノズル600はこのような特徴があることから、高湿分ガスタービンシステムの湿分添加ノズルとして有効である。
The high-pressure one-
図3,図4,図5に高圧1流体霧化ノズル600の噴霧特性を示す。
3, 4, and 5 show the spray characteristics of the high-pressure one-
図3は噴霧水量が1,2,3L/minの高圧1流体霧化ノズル600による噴霧水滴径分布を示すものである。ここで、各ノズルの噴出圧力は7MPaである。これから、このノズルの特徴は、従来技術に示したノズルより10倍の噴出水量となる1L/min ノズルで噴霧水滴径[SMD]が20μm以下であること、2,3L/min ノズルで噴霧水滴径[SMD]が30μm以下であることが分かる。
FIG. 3 shows the sprayed water droplet diameter distribution by the high-pressure one-
図4は噴霧水量が1,2,3L/min の高圧1流体霧化ノズル600の噴出圧力に伴う噴霧水滴径分布を示すものである。これから、噴出圧力が5MPa以上では、噴霧水滴径に差がなく4MPaになると噴霧水滴径が大きくなることがわかる。したがって、このノズルによる使用範囲は、噴出圧力が5MPa以上の範囲となる。
FIG. 4 shows the sprayed water droplet diameter distribution associated with the ejection pressure of the high-pressure one-
図5は、噴霧水滴径が一定となる使用範囲(ここでは噴出圧力が5〜9MPaとする)での流量特性を示すものである。これから、使用範囲である噴出圧力が5〜9MPaでの水量変化は7MPaを定格とした場合±15%であることがわかる。 FIG. 5 shows a flow rate characteristic in a use range where the sprayed water droplet diameter is constant (here, the ejection pressure is 5 to 9 MPa). From this, it can be seen that the change in the amount of water when the ejection pressure in the range of use is 5 to 9 MPa is ± 15% when 7 MPa is rated.
したがって、この高圧1流体霧化ノズル600の特性としては、噴霧圧力が5〜9MPaで、噴霧水滴径が一定となる流量範囲は7MPaを基準に±15%となる。また、噴霧水滴径が20μm以下を必要とする場合は水量が1L/min 以下のノズルを、霧水滴径が
30μm以下を必要とする場合は水量が2〜3L/min ノズルを使用することになる。
Therefore, as a characteristic of the high-pressure single-
吸気噴霧加湿システム200では、吸気に同伴する水滴が必要となることから、好ましくは噴出圧力が5〜9MPaで噴霧水滴径が20μm以下で噴霧水量が1L/min の高圧1流体霧化ノズル600を使用するが、好ましい噴霧水滴径が20μm以下を超えても実施不可能ではないので、噴出圧力が4MPa以上で霧水滴径が30μm以下で水量が2〜3L/min のノズルを使用することにしても良い。このような高圧で大容量で微細水滴の得られる噴霧ノズルを用いる。
Since the intake spray humidification system 200 requires water droplets accompanying the intake air, the high pressure single
吸気噴霧加湿システム200は、夏期における吸気温度上昇に伴う出力低下の改善、圧縮機内での気化による圧縮機動力の低減及びガスタービン出力上昇を目的としており、吸気噴霧量は、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿量の約11%(1.6wt%)を噴霧する。例えば、吸気流量が5kg/sの場合4.8L/minの水量を加湿することになる。
4.8L/minの水量を加湿する吸気噴霧では、前記した好ましい方の1L/min の高圧1流体霧化ノズル600を使用し、5個で賄うことができるが、壁への付着等によるドレーン水として噴霧水の30%を考慮しても6個(6L/min )で良いことになる。噴霧量の制御の観点から複数系統を必要とする場合は、このノズル数を分割して設置することになる。なお、高圧1流体霧化ノズル600から噴霧した微細水滴の空気室1の内壁への付着等によるドレーン水は、その壁伝いに空気室1内と配管で接続した計量タンク50に流入し、計量タンク50内の水量が計量タンク50に装備したレベル計51で計測される。このような計測手段が第1計測手段である。計量タンク50に溜まった計量後の水は、計量タンク50の下部に接続した配管に装備してある弁52を開いて外部に排出し、排出した水は水処理されて再利用される。
The intake spray humidification system 200 is intended to improve output decrease accompanying intake air temperature increase in summer, to reduce compressor power due to vaporization in the compressor, and to increase gas turbine output. Spray about 11% (1.6 wt%) of the total humidification of the system. For example, when the intake flow rate is 5 kg / s, a water amount of 4.8 L / min is humidified.
In the intake spray that humidifies the amount of water of 4.8 L / min, the above-described preferable 1 L / min high-pressure single-
図6,図7には、上記6個のノズルを2系統に分割して設置した例の吸気噴霧加湿システム200の構造を示す。なお、ここで、図7は図6中のA部で示す詳細図である。6個のノズルを2系統に分割して設置する場合、噴霧する水を通す配管であるスプレーヘッダ19のそれぞれに3個のノズルを等間隔で設置すれば良い。従来技術に示した「モヤスプレーノズルM19」を使用し、ドレーン水を考慮した水量約6L/min とした場合、ノズル個数は60個が必要となる。この両者を比較すると、本発明の実施例で既述した高圧1流体霧化ノズル(以後、噴霧ノズルと称す)600を使用した本実施例の場合、取り付け個数が1/10になることから、加工,製作,組込みコストでの有利性がある。さらに、図7に示すように、噴霧ノズル600の取り付け方法として締め込み式のスウエジーロック20を使用してスプレーヘッダ19から分岐した短管に取り付けることで、ねじ込み式で取り付ける際に使用するシールテープ等の千切れ片によるノズルの詰まりを回避でき、メンテナンスが容易になる。
6 and 7 show the structure of an intake spray humidification system 200 of the example in which the six nozzles are divided and installed in two systems. Here, FIG. 7 is a detailed view shown by part A in FIG. When the six nozzles are divided and installed in two systems, the three nozzles may be installed at equal intervals in each of the
次に、本発明の実施例で第2噴霧手段として採用した管内噴霧加湿システム300を説明する。図1に示すように圧縮機2の圧縮空気吐出側と再生熱交換器7の上流側ヘッダー34を連通する圧縮空気の空気流路としての配管内に噴霧し、圧縮機2からの高温高圧で吐出される高温高圧吐出空気21、即ち圧縮空気に加湿するものが、管内噴霧加湿システム300である。管内噴霧加湿システム300は、給水共通設備500から高圧ポンプ9で噴霧水供給タンク8内の噴霧水の供給を高圧ポンプ9の吐出側に接続した配管を通じて受ける。
Next, the in-pipe spray humidification system 300 employed as the second spray means in the embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, spraying is performed in a pipe serving as an air flow path of compressed air that communicates the compressed air discharge side of the
その配管は分岐点22で二手に分岐して別れ、一方はガスタービンシステムの高温排ガスの通る位置に設けた給水加熱器23を経由して給水加熱器23で排気ガスの熱で加熱されて三方弁24に入る配管経路を有する。分岐点22で二手に分岐して別れたもう一方は、分岐点22から直接三方弁24に入る配管経路を有する。
The pipe branches at two
両方の配管経路を通じて三方弁24内に流入した噴霧水はこの三方弁24で混合され温度調節される。このように温度調整された噴霧水は、三方弁24からフィルター25,第2流量計26,噴霧系統選択弁27を有する配管を経由して、管加湿部700にある噴霧ノズル600から微細水滴となり噴霧される。三方弁24から噴霧ノズル600に至るその配管は、途中で三系統に分岐して、1系統ごとに一個の噴霧系統選択弁27が備わる。このように三系統に分かれた各系統の配管には、水注入管700A4を介して噴霧ノズル600が連通接続されて噴霧水供給タンク8内の噴霧水を噴霧ノズル600に供給できるようになっている。噴霧水滴の水量の調整は、噴霧系統選択弁27の開閉による噴霧系統の選択及び三方弁24で調整されるが、噴霧させる系統の圧力は要求噴霧水滴径が保持できる圧力範囲で制御する。
The spray water flowing into the three-
この三方弁24では、温度が違う2方向からの噴霧水の混合を行い、下流の温度計28(T1),第2流量計26(F1)の検出信号により温度,流量が調整される。この混合された噴霧水の温度は150℃程度に調整され、圧力は圧力計29(P1)で監視される。管加湿部700で加湿された加湿空気30は再生熱交換器7の上流側ヘッダー34に注入されるが、過剰水を注入した場合には蒸発できない水量が発生する。この蒸発できない水量は、圧縮機の吐出側と上流側ヘッダー34間を連通する配管に接続した計量タンク
31に流入し、計量タンク31に接続したレベル計32で計量タンク31内の水量が計測される。このような計量手段が第2計量手段である。計量タンク31に溜まった水は計量後に計量タンク31下部に連通接続した配管に装備した弁33を開くことで外部に排出され、排出された水は水処理されて再利用される。
The three-
吸気噴霧加湿システム200は、夏期における吸気温度上昇に伴う出力低下の改善、圧縮機内での気化による圧縮機動力の低減及びガスタービン出力上昇を目的としており、吸気噴霧量は、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿量(14.1wt%:吸気流量との重量比)の約11%(1.6wt%)と少ない。これに対して、管内噴霧加湿システム300では、高出力,高効率を目的としているため、多量の加湿が必要となる。前記した吸気噴霧加湿システム200と管内噴霧加湿システム300で全加湿量を賄うとすると、管内噴霧加湿システム300では約12.5wt%(吸気5kg/sの場合での噴霧水量37.5L/min)の加湿が必要となる。
The intake spray humidification system 200 is intended to improve output decrease accompanying intake air temperature increase in summer, to reduce compressor power due to vaporization in the compressor, and to increase gas turbine output. The total humidification amount of the system (14.1 wt%: weight ratio to the intake flow rate) is as small as about 11% (1.6 wt%). On the other hand, since the in-pipe spray humidification system 300 aims at high output and high efficiency, a large amount of humidification is required. When the above-described intake spray humidification system 200 and in-pipe spray humidification system 300 cover the entire humidification amount, in-pipe spray humidification system 300 is approximately 12.5 wt% (amount of spray water in the case of
このシステムで使用される噴霧ノズル600の要求性能は、蒸発速度の関係から噴霧水滴径[SMD]が30μm以下で、設置スペースの関係から噴霧水量はできるだけ多いものが必要となる。一般に市販されている1流体噴霧ノズルとしては、前記従来技術にも示した株式会社共立合金製作所の「モヤスプレーノズルM19」があるが、この噴霧ノズルでは噴霧水量が約0.125L/minで非常に少ないこと、また、このノズルは細いピン先端に水流を衝突させるタイプであり、高温条件下の管内で使用すると熱膨張により変形して規定性能が得られない可能性がある。さらに、流量が少ないため、全ノズル数が300個と多くなるなどの問題がある。
The required performance of the
管内噴霧加湿システムに1L/min流量の噴霧ノズル600を使用した場合、全ノズル数が37.5個(38個) 必要となるが、3L/min流量のノズルを使用した場合、12.5個(13個)で良い。この3L/min ノズルを使用し、3系統の噴霧系統を構成すると1系統当たり4.3 個のノズルで良く、非常に少ない数で加湿システムを構成することができる。噴霧ノズル600は吸気噴霧加湿システム200の説明の際に解説した噴出圧力が5〜9MPaで噴霧水滴径[SMD]が30μm以下で噴霧水量が3L/min の高圧1流体霧化ノズルである。もちろん、噴霧圧力4MPaで噴霧水滴径[SMD]が20μm以下で噴霧水量が1L/minの高圧1流体霧化ノズルであっても良い。
When the
ここで示した管内噴霧加湿システムの前提は、管内噴霧加湿システムで必要とする加湿(12.5wt%)が得られることであるが、実際には確認されていない。そこで、この管内噴霧加湿システムについて検証した結果を次に述べる。 The premise of the in-pipe spray humidification system shown here is that the humidification (12.5 wt%) required in the in-pipe spray humidification system is obtained, but it has not been confirmed in practice. Then, the result verified about this in-pipe spray humidification system is described next.
図8は管内にオリフィスなどの構造物を設けない管加湿器700Aの試験体系を示す。
ここで、噴霧ノズル600は、フランジ700A1の面に密着してボルト700A2で締め付け固定されたリングヘッダー700A3内側に管中央に向け設置され、ノズル先端は管内にわずか突き出した状態で固定されている。高圧ポンプ9で送られてきた噴霧水供給タンク8内の噴霧水が水注入管700A4を通ってから流入し、リングヘッダー700A3 ,噴霧ノズル600を経由して圧縮機からの高温高圧吐出空気21内に微細水滴13として噴霧される。噴霧された微細水滴13は高温高圧吐出空気21と熱交換され加湿空気30として下流、即ち再生熱交換器7の上流側ヘッダー34側に運ばれる。噴霧ノズル600よりも下流の圧縮空気の流路である管700A5の径はφ250で長さは5.5m とし、その管内に多数の温度計(図示せず)を設置し、温度分布を計測した。
FIG. 8 shows a test system of a
Here, the
図9は図8に示す体系で試験した結果で、噴霧ノズル下流での各部温度を示す。試験条件としては、圧縮空気である高温高圧吐出空気21の流量が5kg/sで圧力が8ata で温度が290℃である。これは、吸気流量が5kg/sガスタービンシステムの定格条件であり、φ250の管では定格時の管内流速が18.5m/s となる。また、水注入管700A4から流入する噴霧水は、温度が150℃で完全蒸発できる水量の12.3L/min である。この場合の加湿割合は4wt%で、これ以上の水を注入するとドレーンが発生し、注入水の全量を蒸発させることができない。
FIG. 9 shows the result of the test performed using the system shown in FIG. 8 and shows the temperature of each part downstream of the spray nozzle. As test conditions, the flow rate of the high-temperature high-
使用した噴霧ノズル600は、噴霧水滴径[SMD]が20μm 以下となる1L/min流量のノズルである。ここで、縦軸は加湿された空気の温度を示し、横軸は最下流のノズル位置からの距離を示している。ここに示す温度計の設置位置は、T1が管中心で、T2が半径方向の管中心寄りで、T3が半径方向の管壁寄りで、T4が管上部内壁で、T5が管下部内壁である。
The used
この結果から、噴霧ノズル600下流の管700A5内温度に大きなばらつきがあり混合がうまく行われていないこと、また、5.5m 付近の温度を見ると、T5の温度以外はかなり高い温度となっていることがわかる。これから、管内半径方向の加湿濃度を予測すると、管半径方向の加湿濃度は管中心部から上部にかけて薄くなり、側壁近傍が中濃度で下部が濃い濃度となることが分かる。また、管内での噴霧水滴の完全蒸発距離が約4.5m必要であることがわかる。さらに、図10に示すように噴霧した微細水滴13が圧縮機からの高温高圧吐出空気21に流されるだけで混合が促進されないことが予測できる。
From this result, it can be seen that the temperature in the pipe 700A5 downstream of the
図11には噴霧ノズル下流の管長さが5.5m の上記試験体系で、管内で完全蒸発した場合の蒸発限界加湿割合の試験結果を示す。試験条件は高温高圧吐出空気21の圧力が8ata で温度が290℃である。ここで、横軸は管内流速を表し、吸気流量が5kg/sのガスタービンシステムの定格流速は18.5m/sである。
FIG. 11 shows the test results of the evaporation limit humidification ratio when the tube length downstream of the spray nozzle is 5.5 m and the sample is completely evaporated in the tube. The test conditions were a high-temperature high-
この結果から、管内に構造物を設けない管加湿器700A体系では、定格流速での加湿割合は4wt%程度であることがわかる。これは、前記した管内噴霧加湿システムで賄う加湿割合(12.5wt%)の32%で非常に少ない。ただし、管径を太くして管内流速を7m/s程度にすると約7wt%の加湿が可能である。その場合でも必要加湿量の56%であり、全体加湿量を賄うことはできない。
From this result, it can be seen that in the
高湿分ガスタービンシステムでは、コスト削減の観点から、システム構成を簡素化すること及び設置スペースをできるだけ少なくすることが重要となる。したがって、管径を太くすることで、材料,加工コストがかかること、さらに、広い設置スペースが必要となる等の問題がある。そこで、管径をφ250で加湿量を多くする構造を考案した。 In the high-humidity gas turbine system, it is important to simplify the system configuration and to reduce the installation space as much as possible from the viewpoint of cost reduction. Therefore, there are problems such as increasing the tube diameter, increasing material and processing costs, and requiring a large installation space. Therefore, a structure has been devised in which the pipe diameter is φ250 and the amount of humidification is increased.
図12には噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置した本発明の実施例の一例としての管加湿器700Bの構造を示す。この体系は、図8,図10に示した管加湿器700Aの噴霧ノズル上流側に流路を狭くするオリフィスを設置したものである。その構成として、噴霧ノズル600は、フランジ700B1の面に密着してボルト700B2で締め付け固定されたリングヘッダー700B3内側に管中央に向け設置され、ノズル先端は管内にわずか突き出した状態で固定されている。噴霧水は水注入管700B4から流入し、リングヘッダー700B3,噴霧ノズル600を経由して圧縮機からの高温高圧吐出空気21内に微細水滴13として噴霧される。噴霧ノズル600の上流には流路を狭くするオリフィス700B6が設けられており、そのオリフィス700B6下流では、オリフィス部で発生する縮流により減圧部700B7が形成される。
FIG. 12 shows the structure of a tube humidifier 700B as an example of an embodiment of the present invention in which an orifice for narrowing the flow path is installed upstream of the spray nozzle. In this system, an orifice for narrowing the flow path is installed upstream of the spray nozzle of the
噴霧ノズル600より噴霧された微細水滴13は、この減圧部700B7に噴霧され、減圧部700B7で発生する渦700B8により巻き込まれて管中央部に形成される混合域700B9に運ばれ、瞬時に高温空気との熱交換が行われ、加湿空気30となり下流に運ばれる。
The
この管加湿器700Bの特徴は、オリフィス700B6部で発生する縮流により形成される減圧部700B7に水滴を噴霧し、減圧部700B7で発生する渦700B8に巻き込ませ、管中央部に形成される混合域700B9で瞬時に高温高圧吐出空気21との熱交換を行わせ加湿量の増加を図るものである。さらに構造的特徴として、噴霧ノズルを取り付けるリングヘッダー700B3がフランジ700B1内側に収納されコンパクト化が図られている。ただし、噴霧ノズルの取り付け,取り外し等のメンテナンス時は全体を外し分解した状態で作業を行う必要がある。
The feature of this pipe humidifier 700B is that water droplets are sprayed on the pressure reducing part 700B7 formed by the contracted flow generated in the orifice 700B6 part, and are entrained in the vortex 700B8 generated in the pressure reducing part 700B7, and mixed in the central part of the pipe In the region 700B9, heat exchange with the high-temperature high-
図13は図12に示した管加湿器700Bと噴霧ノズル600設置構造が異なる本発明の一例である管加湿器700Cの構造を示す。その構成は、管外部に設置された注入系統700C4が接続された管タイプリングヘッダー700C3,リングヘッダー700C3への接続用締め込み式継手700C2,配管700C1,噴霧ノズル600の固定及び加湿空気30シール用の締め込み式継手700C11,締め込み式継手700C11を固定する突起部700C10で構成される。このような構造とすることで、管加湿器内構成は前記700Bと同じ構造とすることができる。また、この構造にすることで、新たな特徴として、噴霧ノズル600を単体で取り外すことができることから、噴霧ノズル600のメンテナンス及びノズル位置の調整が個々のノズルで可能となる。
FIG. 13 shows the structure of a pipe humidifier 700C which is an example of the present invention, which is different from the pipe humidifier 700B shown in FIG. The structure is such that the pipe type ring header 700C3 to which the injection system 700C4 installed outside the pipe is connected is connected to the ring header 700C3, the fastening joint 700C2, the pipe 700C1, and the
噴霧ノズル位置を前記700Bと同じにした場合は、管加湿器700Cでも同様に、オリフィス700C6部で発生する縮流により形成される減圧部700C7に水滴を微細水滴13し、減圧部700C7で発生する渦700C8に巻き込ませ、管中央部に形成される混合域700C9で瞬時に高温高圧吐出空気21との熱交換を行わせることができる。
When the position of the spray nozzle is the same as that of 700B, similarly to the pipe humidifier 700C,
図14には、本発明の実施例である管加湿構造700B,700Cの体系で用いるオリフィスエッジの形状を示す。管内にオリフィス700B6,700C6を設置すると圧力損失が発生する。この圧力損失をできるだけ小さくする方法として、オリフィス上流側エッジの加工を施すが、その形状を図中(1),(2)に示す。ここで(1)は、オリフィス上流側エッジを鋭角に削除したもので、(2)はオリフィス上流側エッジに丸みを施したものである。これによって、オリフィス部で発生する圧力損失を格段に小さくすることができる。 FIG. 14 shows the shape of the orifice edge used in the system of the pipe humidification structures 700B and 700C according to the embodiment of the present invention. When the orifices 700B6 and 700C6 are installed in the pipe, pressure loss occurs. As a method of reducing this pressure loss as much as possible, the upstream edge of the orifice is processed, and the shape is shown in (1) and (2) in the figure. Here, (1) is obtained by deleting the upstream edge of the orifice at an acute angle, and (2) is obtained by rounding the upstream edge of the orifice. Thereby, the pressure loss generated in the orifice portion can be remarkably reduced.
図15は本発明の実施例である管加湿器700B構造でオリフィスエッジが図14に示す(1)の構造を使用した結果で、噴霧ノズル下流での各部温度を示す。試験条件としては、高温高圧吐出空気21の流量が5kg/sで圧力が8ata で温度が290℃である。これは、吸気流量が5kg/sのガスタービンシステムの定格条件であり、φ250の管では定格時の管内流速が18.5m/s となる。また、水注入管700B4から流入する噴霧水は、温度が150℃で完全蒸発できる水量の19.8L/minである。この場合の加湿割合は6.6wt% である。使用した噴霧ノズル600は、噴霧水滴径[SMD]が30
μm以下となる3L/min流量のノズルである。ここで、縦軸は加湿空気温度を示し、横軸は最下流のノズル位置からの距離を示している。
FIG. 15 shows the temperature of each part downstream of the spray nozzle as a result of using the structure of (1) shown in FIG. 14 with the orifice edge in the structure of the pipe humidifier 700B according to the embodiment of the present invention. As test conditions, the flow rate of the high-temperature high-
It is a nozzle with a flow rate of 3 L / min that is not more than μm. Here, the vertical axis represents the humidified air temperature, and the horizontal axis represents the distance from the most downstream nozzle position.
ここに示す温度計の設置位置は、T1が管中心で、T2が半径方向の管中心寄りで、
T3が半径方向の管壁寄りで、T4が管上部内壁で、T5が管下部内壁である。この結果から、噴霧ノズル下流での各部の温度変化は、図9に示したオリフィスを設けない構造での管加湿器700Aと比較して、ばらつきが小さいこと、計測温度で最下流(5.5m)の温度指示が全て完全蒸発温度に近い温度になっていること、さらに、注入水を12.3L/minから19.8L/minに61%も増加させたにも拘わらず完全蒸発し、その蒸発距離も4.5mから2.5mに短くなっていることがわかる。
The installation positions of the thermometers shown here are T1 at the tube center, T2 near the tube center in the radial direction,
T3 is closer to the radial tube wall, T4 is the upper tube inner wall, and T5 is the lower tube inner wall. From this result, the temperature change of each part downstream of the spray nozzle is smaller in variation than the
これから、オリフィスを設置したことによる効果で瞬時に混合が行われ、高温空気との熱交換が高効率で行われていることがわかる。なお、計測温度で最下流(5.5m)の温度指示が、完全蒸発限界温度まで低下していないで若干余裕があるが、余剰熱量から、最大加湿割合は約7wt%程度が限界である。これらのことから、噴霧ノズル上流側にオリフィスを設置することは加湿割合を増加させる手段として有効であると考える。 From this, it is understood that mixing is performed instantaneously due to the effect of installing the orifice, and heat exchange with high-temperature air is performed with high efficiency. Although the temperature indication at the most downstream (5.5 m) at the measured temperature does not drop to the complete evaporation limit temperature, there is some margin, but the maximum humidification ratio is about 7 wt% due to excess heat. From these, it is considered that installing an orifice upstream of the spray nozzle is effective as a means for increasing the humidification ratio.
図16には、本発明の実施例である管加湿器700B構造と700Aに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造での試験結果を比較して示す。試験条件は高温高圧吐出空気
21圧力が8ata で温度が290℃である。ここで、横軸は管内流速を表し、縦軸は前記管加湿器体系での完全蒸発限界加湿割合を表している。
FIG. 16 shows a comparison of test results in a tube humidifier 700B structure according to an embodiment of the present invention and a tube humidifier structure in which no structure is provided in the tube shown in 700A. The test conditions were a high-temperature high-
なお、ここには、吸気流量が5kg/sのガスタービンシステムの定格流速である18.5
m/sを表記した。試験結果としては、700Aに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造(開口比:1)での完全蒸発限界加湿割合(A)と管加湿器700B構造に用いたオリフィス700B6の開口比(面積比)が異なる2種類(B:開口比0.36 ,C:開口比0.23)の特性を表記した。
Here, the rated flow velocity of the gas turbine system with an intake air flow rate of 5 kg / s is 18.5.
m / s was written. As a test result, the complete evaporation limit humidification ratio (A) in the tube humidifier structure (opening ratio: 1) where no structure is provided in the tube shown in 700A and the opening ratio of the orifice 700B6 used in the tube humidifier 700B structure ( The characteristics of two types (B: aperture ratio 0.36, C: aperture ratio 0.23) with different area ratios are shown.
この結果から、管内(φ250)に構造物を設けない管加湿器700A体系では、定格流速での完全蒸発限界加湿割合は約4wt%であるが、オリフィス700B6を設け、開口比を0.36とした場合約5.2wt%で、開口比を0.23 とした場合約7wt%であることが分かる。前記図15でも説明したが、高温高圧吐出空気21の熱量から蒸発加湿の限界は約7wt%であり、開口比を0.23 では、限界加湿を得ることができるが、
700Aに示す管内に構造物を設けない管加湿器構造でも管径を太くして流速を7m/s程度まで下げると蒸発加湿の限界である7wt%の加湿割合を得ることが分かる。ただし、広い設置エリアが必要となりコンパクト化には課題が残る。
From this result, in the
It can be seen that a humidifier ratio of 7 wt%, which is the limit of evaporative humidification, can be obtained by increasing the tube diameter and reducing the flow rate to about 7 m / s even in a tube humidifier structure where no structure is provided in the tube shown in 700A. However, a large installation area is required, and there remains a problem in downsizing.
ここでの管内噴霧加湿システムは、水注入系統が3系統の例について示したが、大容量型ガスタービンシステムとなると吸気量が増大するため、管加湿部700及びその管加湿部700に注水する水注入系統も複数必要となる。 In the pipe spray humidification system here, an example in which the water injection system is three systems has been shown. However, since the intake air amount increases when a large capacity gas turbine system is used, water is injected into the pipe humidification unit 700 and the pipe humidification unit 700. Multiple water injection systems are also required.
以上、ここでは、本発明の実施例による管内噴霧加湿システム300を示したが、上記結果から、限界加湿割合は約7wt%であり、前記した吸気噴霧加湿システムの加湿割合(1.6wt%)と合計して8.6wt%で、必要とする加湿割合14.1wt% にはまだ5.5wt% たりない。このたりない分の加湿は、本発明では、ガスタービン4の排熱で管加湿器からの加湿空気を加熱して、必要な温度まで上昇させる再生熱交換器7を利用することにした。
As described above, the in-pipe spray humidification system 300 according to the embodiment of the present invention is shown. From the above results, the limit humidification ratio is about 7 wt%, and the humidification ratio (1.6 wt%) of the intake spray humidification system described above. In total, it is 8.6 wt%, and the required humidification ratio of 14.1 wt% is not yet 5.5 wt%. In the present invention, the
次に、本発明の実施例による第3噴霧手段としての再生器加湿システム400について説明する。ここでは、図1の高湿分ガスタービンシステム全体構成と図17に示す噴霧システムを導入した再生熱交換器7構造を用いて説明する。なお、ここで示す再生熱交換器7の構造は一例として熱交換部が積層された構造(プレートフィン構造)のものを示した。
Next, the
管加湿部700で加湿飽和濃度近傍まで加湿され、低温(130℃程度)となった加湿空気30は、再生熱交換器7の上流側ヘッダー34部に流入する。流入した加湿空気30は、上流側ヘッダー34に設置した整流板35を通過し、再生熱交換器7内の積層された伝熱流路36に流入し、再生熱交換器7内で高温のガスタービン排ガス37と熱交換して再生熱交換器7の下流側ヘッダー38を経由して燃焼器3に供給されるが、再生熱交換器7内では、前記したように、さらに水分を添加する必要がある。
The humidified
再生熱交換器7の上流側ヘッダー34部に流入した加湿空気30、即ち圧縮機で圧縮した空気に加湿した圧縮空気は、加湿飽和濃度となっているため、この加湿空気30に微細水滴を噴霧しても加湿の増加は期待できない。したがって、本発明の実施例による再生器加湿システム400では、上流側ヘッダー34内に上流側ヘッダーに入ってきた加湿空気30を整流する整流板35を設け、その整流板35よりも加湿空気30流れの下流に噴霧ノズル600を設置して、再生熱交換器7の伝熱流路36入口に向けて微細水滴13を噴霧することにした。
The humidified
ここで、整流板35の役割は、上流側ヘッダー34内に流入した加湿空気30を上流側ヘッダー34内で均等に配分し、微細水滴13を安定させるものである。これによって、伝熱流路36に流入する微細水滴13を均等に分配することができる。なお、構造物との衝突で液状化した水滴及び噴霧ノズル600からの微細水滴も加湿空気30に同伴され、再生熱交換器7の伝熱流路36内に混入するが、再生熱交換器7に混入した大粒の水滴もガスタービンの排ガス37(約680℃)により熱交換され、再生熱交換器7内で蒸発する。ガスタービンの排ガス37は十分な熱量を有しており、混入水滴を蒸発させ、さらに昇温することができる。再生熱交換器7内で加湿,昇温された高温加湿空気39(約630℃)は再生熱交換器7の下流側ヘッダー38を経由して燃焼器3に供給される。
Here, the role of the rectifying
この再生器加湿システム400への噴霧水の供給系は、給水共通設備500から高圧ポンプ9で噴霧水供給タンク8内の噴霧水の供給を配管を通じて受け、その配管は分岐点
22で二手に別れ、一方はタービンシステムの高温排ガスに接するように配置した給水加熱器23を経由して三方弁40に入る。もう一方は、分岐点22から直接三方弁40に入る。この三方弁40で混合され、温度調節された噴霧水は、フィルター41,第3流量計としての流量計42,噴霧系統選択弁43を備えた配管を経由して、再生熱交換器7の上流側ヘッダー34内部に設置した噴霧ノズル600に供給されてから噴霧ノズル600から微細水滴13となり噴霧される。噴霧系統選択弁43を備えた配管は、その噴霧系統選択弁43より上流側において2系統に分岐し、各系統の配管ごとに噴霧系統選択弁43が装備され、各系統ごとの配管に分散して噴霧ノズル600が連通接続されている。この三方弁40では、温度が違う噴霧水の2流体の混合を行い、下流の温度計44(T2),流量計42(F2)の信号により温度,流量が調整される。この混合された流体の温度は
150℃程度に調整され、圧力は圧力計45(P2)で監視される。
The spray water supply system to the
前記、5kg/sの吸気量を有するガスタービンでの吸気噴霧加湿システム200,管内噴霧加湿システム300で、足りない加湿量(5.5wt%)は、噴霧水量として16.5L/min であるが、この再生器加湿システム400では噴霧した水滴が即蒸発するのではなく、再生熱交換器7の伝熱流路36に流入したものが蒸発するが、再生熱交換器7の上流側ヘッダー34の内壁などに接した噴霧水はドレーン水とる。このドレーン水が最下部の伝熱流路36に集中して流入することを回避するために、本発明の実施例では、再生熱交換器7の熱交換部高さ方向寸法(H)より上流側ヘッダー34部を下方へ若干(L)長くした。
In the intake spray humidification system 200 and the in-pipe spray humidification system 300 in the gas turbine having the intake amount of 5 kg / s, the insufficient humidification amount (5.5 wt%) is 16.5 L / min as the spray water amount. In this
これによって、ドレーン水の最下部伝熱流路36への流入集中を回避する。このドレーン水を考慮して、ここでは50%増量した水量(24.75L/min)を噴霧することにする。2系統噴霧では、既述の1L/min の噴霧ノズル600を用いた場合、1系統当たり12個のノズルが、4系統では1系統当たり6個のノズルが必要となる。なお、再生熱交換器7の上流側ヘッダー34で発生するドレーン水は、上流側ヘッダー34の下部に連通した配管を経由して計量タンク46に流入し、その計量タンク46に装備したレベル計
47でドレーン水の流量を計測する。このような第3計量手段で上流側ヘッダー34で発生するドレーン水量を計量する。計量タンク46に溜まった水は計量タンク46の底部に連通した配管に装備されている弁48を開くことで外部に排出され、排出されたドレーン水は水処理されて再利用される。
This avoids concentration of inflow of drain water into the lowermost
以上、ここには、高湿分ガスタービンシステムの加湿システムとして、吸気噴霧加湿システム200,管内噴霧加湿システム300,再生器加湿システム400を示した。これらの加湿システムでの加湿割合は、全加湿を100%とした場合、吸気噴霧加湿システム200で最大11%、管内噴霧加湿システム300で最大50%、再生器加湿システム
400で最大39%とした。この配分で管内噴霧加湿システム300を多くして再生器加湿システム400を少なくした理由は、再生熱交換器7での熱交換における温度差(排ガス温度680℃,噴霧水温度150℃で温度差530℃)が最も大きく、再生熱交換器7の構造物への熱応力も大きくなることから、再生熱交換器の健全性を考慮したものである。
As described above, the intake spray humidification system 200, the in-pipe spray humidification system 300, and the
ガスタービンシステムの加湿システムをこのように構成すると、コスト面では安価で、コンパクト化が図られ、さらに健全性が保たれ、必要加湿を得ることができる。 If the humidification system of the gas turbine system is configured in this way, it is inexpensive in terms of cost, can be made compact, can maintain soundness, and can obtain the necessary humidification.
次に、上記した高湿分ガスタービンシステムの各加湿システム200,300,400の噴霧系統制御について示す。ここでは、吸気噴霧加湿システム200が2系統、管内噴霧加湿システム300が3系統、再生器加湿システム400が2系統で構成する噴霧加湿システムを一例として噴霧系統制御を説明する。吸気流量と加湿条件は、定格吸気流量が5kg/s、定格加湿割合が14.1wt% とする。表1に、定格加湿時の各系統構成条件を示す。
Next, spray system control of each
ここで、吸気噴霧での実噴霧水量は空気室1の壁への付着によるドレーン水量(約30%)を考慮した水量である。また、再生器加湿での実噴霧水量は伝熱流路36入口部で発生する壁への付着によるドレーン水量(約50%)を考慮した水量である。各加湿システムの1系統当たりの噴霧ノズル数は、吸気噴霧加湿システムで3個、再生器噴霧加湿システムで12個であるが、管噴霧加湿システムでは、系統数に対するノズル数が均等化できないことから、2系統が2個で1系統が3個となる。噴霧ノズルの噴霧圧力は、図5に示すように5〜9MPaとした。
Here, the actual spray water amount in the intake spray is a water amount in consideration of the drain water amount (about 30%) due to adhesion to the wall of the
図18に吸気噴霧加湿システム200が2系統、管内噴霧加湿システム300が3系統、再生器加湿システム400が2系統で構成する高湿分ガスタービンシステムの噴霧系統制御による全体加湿割合を示す。図18の下部に記載の系統数は噴霧水を噴霧する系統数を表し、噴霧する系統数の選択は噴霧系統選択弁18,27,43の開閉で行う。そして、その図18の下部に記載の吸気加湿とは吸気噴霧加湿システム200を、管加湿とは管内噴霧加湿システム300を、再生器内噴霧とは再生器加湿システム400を表す。
FIG. 18 shows the overall humidification ratio by spray system control of a high-humidity gas turbine system in which the intake spray humidification system 200 is composed of two systems, the in-pipe spray humidification system 300 is composed of three systems, and the
図18で、縦軸は定格時の加湿割合(14.1wt%)を100%とした場合のシステム全体の加湿割合を示し、横軸は系統連携による運転系統を示している。なお、図18に示す系統のうち、吸気噴霧については、圧縮機の吸気冷却及び動力低減効果があることから、必ず1系統は作動状態にあるものとした。これから、高湿分ガスタービンシステムの全体加湿割合は連続的可変が可能であることが分かる。したがって、どのような部分負荷運転にも対応可能である。 In FIG. 18, the vertical axis represents the humidification ratio of the entire system when the humidification ratio (14.1 wt%) at the time of rating is 100%, and the horizontal axis represents an operating system based on system linkage. Of the systems shown in FIG. 18, the intake spray has an effect of cooling the compressor intake air and reducing power, so that one system is always in an operating state. From this it can be seen that the overall humidification rate of the high humidity gas turbine system can be continuously varied. Therefore, any partial load operation can be handled.
このような各噴霧加湿システムをガスタービンシステム内に組込んでおくことで高効率な高湿分ガスタービンシステムを提供することができる。
(1)本発明の実施例によれば、簡単な構造でガスタービンの吸気に必要分の加湿ができ 、高湿分ガスタービンシステムの高効率が達成できる。
(2)本発明の実施例によれば、ガスタービンシステムの基本構成の大きさを変えずに必 要分の加湿ができることから、ガスタービンシステムのコンパクト化が可能である。
(3)特願2002−319443号に示す大流量で微細水滴を噴霧できる噴霧ノズルを 直接加湿個所の配管等に設置することで、大掛かりな外付け加湿塔などが不要となるこ とから低コスト化及び簡素化が可能である。
(4)本発明の実施例によれば、電力負荷需要に応じたガスタービンシステムの運転モー ドに対応する加湿割合の連続的制御が可能であり、如何なる部分負荷運転にも対応でき る。
(5)本発明の実施例によれば、ガスタービンシステムの夏期の吸気温度上昇に伴う出力 低下を回避できることから、季節に係わりなく高効率運転が可能となる。
(6)管内噴霧加湿システムで最大限の加湿をすることで、再生熱交換器の上流ヘッダー 内での噴霧量を少なくできること、さらに、上流ヘッダー内への噴霧系統を多くして均 等に微細水滴を流入させることから再生熱交換器内の伝熱流路の熱応力を少なくでき、 再生熱交換器の健全性を確保できる。
A high-efficiency, high-humidity gas turbine system can be provided by incorporating each of these spray humidification systems in the gas turbine system.
(1) According to the embodiment of the present invention, it is possible to humidify a necessary amount for intake of a gas turbine with a simple structure, and to achieve high efficiency of a high-humidity gas turbine system.
(2) According to the embodiment of the present invention, since the necessary amount of humidification can be performed without changing the size of the basic configuration of the gas turbine system, the gas turbine system can be made compact.
(3) The installation of a spray nozzle capable of spraying fine water droplets at a high flow rate as shown in Japanese Patent Application No. 2002-319443 directly on the piping of the humidification site eliminates the need for a large external humidification tower and other costs. And simplification.
(4) According to the embodiment of the present invention, it is possible to continuously control the humidification ratio corresponding to the operation mode of the gas turbine system according to the power load demand, and it is possible to cope with any partial load operation.
(5) According to the embodiment of the present invention, it is possible to avoid a decrease in output due to a rise in intake air temperature in the summer of the gas turbine system, so that high-efficiency operation is possible regardless of the season.
(6) The maximum amount of humidification with the in-pipe spray humidification system can reduce the amount of spray in the upstream header of the regenerative heat exchanger, and the number of spray systems in the upstream header can be increased to make it evenly fine. Since water droplets flow in, the heat stress in the heat transfer flow path in the regenerative heat exchanger can be reduced, and the soundness of the regenerative heat exchanger can be secured.
1…空気室、2…圧縮機、3…燃焼器、4…ガスタービン、5…発電機、6…発電端、7…再生熱交換器、8…噴霧水供給タンク、9…高圧ポンプ、10…水処理装置、11…バイパス弁、12…吸気、13…微細水滴、14,25,41…フィルター、15…流量調節弁、16,26,42…流量計、17…圧力計、18,27,43…噴霧系統選択弁、19…スプレーヘッダ、20…スウエジーロック、21…高温高圧吐出空気、22…分岐点、23…給水加熱器、24,40…三方弁、28,44…温度計、29,45…圧力計、30…加湿空気、31…計量タンク、32,47…レベル計、33,48…弁、34…上流側ヘッダー、35…整流板、36…伝熱流路、37…ガスタービン排ガス、38…下流側ヘッダー、39…高温加湿空気、46…計量タンク、100…燃料供給系、200…吸気噴霧加湿システム、300…管内噴霧加湿システム、400…再生器加湿システム、500…給水共通設備、600…高圧1流体霧化ノズル(噴霧ノズル)、700…管加湿部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段と、
を有するガスタービンシステム。 A compressor for compressing and discharging the air sucked from the air chamber;
An air flow path for passing compressed air discharged from the compressor;
A combustor that is supplied with the compressed air and fuel that has passed through the air flow path and performs a combustion action;
A turbine driven by combustion gas of the combustor;
A generator driven by the turbine;
A regenerative heat exchanger for heating the compressed air with the combustion gas;
An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger;
First spraying means for spraying a liquid into the air chamber;
A second spraying means for spraying liquid into the air flow path;
Third spraying means for spraying liquid into the upstream header;
A gas turbine system.
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配すると共に、前記伝熱流路の最下段の伝熱流路よりも下方に下部が延長されている上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段、又は前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段、又は前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段の内の少なくとも一つの噴霧手段を有し、
前記少なくとも一つの噴霧手段は、噴霧圧力が4MPa以上,流量が1L/min 以上,ザウター平均粒径が30μm以下の性能を有する噴霧ノズルを有するガスタービンシステム。 A compressor for compressing and discharging the air sucked from the air chamber;
An air flow path for passing compressed air discharged from the compressor;
A combustor that is supplied with the compressed air and fuel that has passed through the air flow path and performs a combustion action;
A turbine driven by combustion gas of the combustor;
A generator driven by the turbine;
A regenerative heat exchanger for heating the compressed air with the combustion gas;
An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger, and has a lower portion extending below the heat transfer flow path at the lowest stage of the heat transfer flow path;
At least one of first spraying means for spraying liquid into the air chamber, second spraying means for spraying liquid into the air flow path, or third spraying means for spraying liquid into the upstream header. Having spraying means;
The at least one spraying means is a gas turbine system having a spray nozzle having a spray pressure of 4 MPa or more, a flow rate of 1 L / min or more, and a Sauter average particle size of 30 μm or less.
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第1噴霧手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第2噴霧手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧すると共に噴霧させる系統を選択自在な複数系統の第3噴霧手段と、
を有するガスタービンシステム。 A compressor for compressing and discharging the air sucked from the air chamber;
An air flow path for passing compressed air discharged from the compressor;
A combustor that is supplied with the compressed air and fuel that has passed through the air flow path and performs a combustion action;
A turbine driven by combustion gas of the combustor;
A generator driven by the turbine;
A regenerative heat exchanger for heating the compressed air with the combustion gas;
An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger;
A plurality of systems of first spraying means capable of selecting a system for spraying and spraying liquid into the air chamber;
A plurality of systems of second spraying means for freely selecting a system to spray and spray liquid in the air flow path;
A plurality of third spraying means capable of selecting a system to spray and spray liquid in the upstream header;
A gas turbine system.
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を通す空気流路と、
前記空気流路を経由してきた前記圧縮空気と燃料とが供給されて燃焼作用を行う燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記燃焼ガスで前記圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
前記圧縮空気を再生熱交換器の伝熱流路に分配する上流側ヘッダーと、
前記空気室内に液体を噴霧する第1噴霧手段と、
前記第1噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第1流量計と、
前記空気室内からの前記液体のドレーン液を計量する第1計量手段と、
前記空気流路内に液体を噴霧する第2噴霧手段と、
前記第2噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第2流量計と、
前記空気流路内からの前記液体のドレーン液を計量する第2計量手段と、
前記上流側ヘッダー内に液体を噴霧する第3噴霧手段と、
前記第3噴霧手段に供給される前記液体の流量を計量する第3流量計と、
前記上流側ヘッダー内からの前記液体のドレーン液を計量する第3計量手段と、
を有するガスタービンシステム。 A compressor for compressing and discharging the air sucked from the air chamber;
An air flow path for passing compressed air discharged from the compressor;
A combustor that is supplied with the compressed air and fuel that has passed through the air flow path and performs a combustion action;
A turbine driven by combustion gas of the combustor;
A generator driven by the turbine;
A regenerative heat exchanger for heating the compressed air with the combustion gas;
An upstream header that distributes the compressed air to the heat transfer flow path of the regenerative heat exchanger;
First spraying means for spraying a liquid into the air chamber;
A first flow meter for measuring a flow rate of the liquid supplied to the first spraying means;
First metering means for metering the liquid drain liquid from the air chamber;
A second spraying means for spraying liquid into the air flow path;
A second flow meter for measuring a flow rate of the liquid supplied to the second spraying means;
A second metering means for metering the liquid drain liquid from the air flow path;
Third spraying means for spraying liquid into the upstream header;
A third flow meter for measuring the flow rate of the liquid supplied to the third spraying means;
Third metering means for metering the liquid drain liquid from within the upstream header;
A gas turbine system.
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