圧縮機の吸気噴霧装置
【課題】
減圧沸騰を利用して水を微粒化し圧縮機に流入する圧縮機主流流体に噴霧するシステムにおいて、液水が減圧沸騰を発生する温度にまで加熱するためのエネルギー（熱または電気など）を系外から補充することなく水の微粒化を達成可能な、低コストな噴霧装置を供給する。
【解決手段】
圧縮機１０に流入する前の流体に水を噴霧する噴霧装置１１を、圧縮機１０で圧縮された流体の熱で温められた水を圧縮機１０に流入する前の流体に噴霧するよう構成する。
減圧沸騰を利用して水を微粒化し圧縮機に流入する圧縮機主流流体に噴霧するシステムにおいて、液水が減圧沸騰を発生する温度にまで加熱するためのエネルギー（熱または電気など）を系外から補充することなく水の微粒化を達成可能な、低コストな噴霧装置を供給する。
【解決手段】
圧縮機１０に流入する前の流体に水を噴霧する噴霧装置１１を、圧縮機１０で圧縮された流体の熱で温められた水を圧縮機１０に流入する前の流体に噴霧するよう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機の吸気噴霧装置に関しては、例えば特許文献１に記載のように、減圧沸騰を利用して微粒化した水を圧縮機の吸気へ噴霧する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５１９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、液水が減圧沸騰を発生する温度（圧力１００bar の時に２００℃）にまで加熱するための加熱方法が明示されていない。一般的に考えると、系外から加熱のためのエネルギー（熱または電気など）を補充する必要がある。この場合、系外から持ち込んだエネルギーと水の加熱に有効に使われたエネルギーの変換ロス分が、加熱系までも含めた全体システムの効率低下につながる。また、別途加熱装置を用意するとなるとその分コストが増加してしまう。さらに、大気圧の沸点に相当する１００℃をはるかに超える温度の高温水を多量に生成する設備には、蒸気爆発が発生しないようなシステムを導入する必要があり、高い信頼性を確保するための対策が必須である。そのため、減圧沸騰を発生させるための熱源となる加熱器は高価なものを用いなければならず、この点でも高コスト化を避けることが困難であるという問題点を有していた。
【０００５】
本発明の目的は、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の噴霧装置は、圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、前記圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施例１）
図１を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例である、圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置を備えた再生サイクルガスタービンシステムの構成図を示す。
【０００９】
図１で示した再生サイクルガスタービンシステムの主要な構成要素は、空気を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮した空気をガスタービンの排ガスにより加熱する再生器６０と、再生器６０で加熱された空気と燃料を混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器
５２と、燃焼器５２で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン１４と、タービン
１４を駆動させた燃焼ガスである排ガスを、再生器６０で圧縮空気と熱交換させた後に排出するスタック８２である。本実施例では、圧縮機１０の圧力比を１６、ガスタービンの吸気流量は１０kg／ｓとした。また、再生器６０の温度効率は９０％、圧縮機とタービンのポリトロープ効率はそれぞれ約９０％および約８８％のものを想定した。ガスタービンの出力軸から得られる動力は発電機１６によって電力に変換され、図示していない送電系統に接続される。
【００１０】
本実施例の特徴的な構成要素は、圧縮機１０の吐出配管８６に設置された冷却装置である加水塔３６と、圧縮機１０の吸気に水を噴霧する噴霧装置である噴霧ノズル１１である。加水塔３６には、給水ポンプ７と調整弁３８により外部から水が供給される。そして加水塔３６には、塔の底面に溜まった液水を取り出す配管１３が設置され、配管１３は弁
１２を介して圧縮機吸気噴霧装置である噴霧ノズル１１に接続されている。次に、加水塔３６の内部につき図２を用いて説明する。
【００１１】
図２は、本実施例の加水塔３６の拡大図を示す。加水塔３６には、圧縮機１０からの圧縮空気を吐出配管８６から導き、塔の内部に空気を均一に分配するためにガス分散器７０が設置される。このガス分散器は、上方から落下する液滴の流入を抑えるため、下向きに開口部を有している。充填物７１は、塔内での気液接触の有効面積を大きくするためにガス分散器７０の上方に設置される。充填物７１としては、化学プラントなどで一般的に用いられる、体積あたりの表面積が大きな構造物を用いる。本実施例では、充填物７１として、市販の不規則充填物を想定した。さらに加水塔３６には、塔の下部に落下した循環水を塔内の充填物７１の上方に再循環させる循環ポンプ６が設置されている。循環ポンプ６は、加水塔３６の下部に生成される液溜まり７４から、配管７６を介して液相水を吸入し、配管７７と調整弁８４により、充填物の上方に設置された液分散器８０に必要な量の液相水を供給可能なように構成されている。液分散器８０は、化学プラントなどで一般的に用いられており、充填物の全面に可及的均等に液相水を散布する機能を持つ。また、液溜まり７４には、給水ポンプ７と調整弁３８により、図示しない水源から補給水を供給可能に構成されている。液溜まり７４の水位を所定の位置近傍におさめるよう制御するために水位計７８が設置されている。液溜まり７４の水位が低下した場合には、配管７５に設けられた調整弁３８を操作して水源から補給水を流入させる。液溜まり７４の水位が上昇した場合には、配管７９に設けられた調整弁３９を操作して液相水を系外へ排出させる。加水塔３６の内部圧力が系外の圧力より低い系統構成では、配管７９には、図示しない加圧ポンプなどを設置して、液相水を系外の圧力より高圧として排出する。
【００１２】
加水塔３６の塔径は、充填物７１の性能仕様として一般的に開示されているフラッディング特性から、塔径１.８ｍ を選定した。なお、フラッディング（Flooding）とは、上向きのガス流れに対向して液膜を流下させる充填塔や多孔板塔において、ガス流速が増加した場合に、散布水がガスの流れから上向きの力を受け、下向きに流れることができなくなる現象である。本実施例では３５℃の冷水を散布した際に空気の出口温度が１５０℃前後になることを想定し、充填物７１として高さ０.８ｍ のものを選定した。ミスト除去器
７２は、充填物７１の表面で上向きの空気流と下向きの液膜流とのせん断力によって生じたエントレインメントなどの液滴を除去し、液滴の下流側に設置された再生器６０への流入を抑制する作用がある。そのためミスト除去器は充填物７１と液分散器８０の上方に設置することが望ましい。
【００１３】
図１を用いて、本実施例における加水塔３６を備えた、再生サイクルガスタービン発電システムの動作を説明する。
【００１４】
図示しない吸気室に吸い込まれた空気は、図示しない吸気フィルタによって煤塵などを除去されたあと、圧縮機１０により、約１６００ｋＰａまで圧縮される。圧縮された空気は、加水塔３６に流入する。加水塔３６では、空気と質量流量が同程度の３５℃の水が充填物７１の表面に散布されている。気温１５℃，相対湿度６０％の大気条件の場合、加水塔３６入口での圧縮空気の露点温度は約２９℃であり、加水塔３６では露点温度より高温な水と気液接触することにより、空気が加湿されながら冷却される。
【００１５】
加水塔３６の下方から流入した３６０℃の空気は、上方から充填物表面を流下する３５℃の液膜と熱交換しながら、上方に流動するにつれて冷却され低温となる。液膜と空気の気液界面は、液膜の温度に対応する飽和水蒸気圧の湿り空気で覆われる。充填物の下部領域では、液膜表面における湿り空気の絶対湿度が、主流の湿り空気の絶対湿度より高いため、水蒸気圧力差を駆動力として液膜表面から主流空気中に水蒸気が移動する。その結果として、上方に流動するにつれ主流空気中の絶対湿度は高くなる。しかし、充填物の上部領域では、液膜水温が低いため、この関係が逆転して主流空気中の絶対湿度が高くなり、主流空気中の湿分が凝縮して液膜に移動する。本実施例のように、３５℃の水を３６０℃の圧縮空気に接触させた場合、低温水から空気への加湿量は比較的少なく、空気質量の
０.６ 質量％である。一方、加水塔３６出口の空気温度は１５０℃まで冷却され、温度差としては２００℃以上冷却されたことになる。充填物から落下した液膜水は加水塔３６の液溜まり７４に流下する。蒸発により失われた水分は給水ポンプ７と調整弁３８を介して補給される。また、液溜まり７４の約１４０℃の熱水の一部は、配管１３と弁１２を介して噴霧ノズル１１に供給される。
【００１６】
本実施例の冷却装置である加水塔３６は上述のように、圧縮機１０の被圧縮気体が流入する入口を有し、この入口であるガス分散器７０から流入した被圧縮気体は入口よりも上部に設置された液体散布装置である液分散器８０から散布された所望量以上の液体との直接接触熱交換により冷却され、冷却された被圧縮気体は液分散器８０よりも上部に設置された液体通過抑制装置であるミスト除去器７２を通過した後、ミスト除去器７２よりも上部に設けられた出口から流出するよう構成されている。このような構成により、散布水量の制御ではなく、構造的に、圧縮機１０の信頼性低下を抑制しつつ被圧縮気体を飽和温度まで冷却できる。ここで所望量とは、加水塔３６の出口における被圧縮気体の温度を飽和温度まで冷却することが可能な程度の水量を意味する。
【００１７】
また、本実施例の冷却装置である加水塔３６は、散布した液体の一部は回収され、回収された液体は再び散布可能な構成となっている。このような構成とすることで、水の有効利用が図れ、システム必要な水量を削減することができる。
【００１８】
加水塔３６により１５０℃まで冷却された圧縮空気は、吐出配管２５を介して再生器
６０に供給され、ガスタービン１４駆動後の燃焼ガスである排ガスから排熱を回収する。再生器６０で高温化された高湿分空気は、燃焼器５２で燃料５０と混合されて燃焼ガスとなり、タービン１４を駆動し、その動力が発電機１６や圧縮機１０を回す動力として利用される。
【００１９】
本実施例のシステムは再生器６０に供給する前の圧縮空気を水との直接接触熱交換によって冷却する冷却装置である加水塔３６と、加水塔３６で圧縮空気と熱交換した水の一部を圧縮機１０に流入する前の空気に噴霧する噴霧装置である噴霧ノズル１１とを備えている。このような構成により加水塔３６で冷却された圧縮空気でガスタービンシステムの排熱回収をするため、冷却されないシステムと比べて再生器６０で回収できる熱量が増える。しかも、加水塔３６で加えられた水の分だけ、排熱から回収できる熱量が増加する。すなわち、タービン排熱から回収されてタービン１４の動力として有効に利用される熱量が増加するため、同吸気流量の単純サイクルのガスタービンに比べ、出力，発電効率ともに１.５倍程度の改善が見込まれる。
【００２０】
ターボ機械の圧縮動力は、圧縮過程にある作動媒体の温度が低ければ低いほど、少ない圧縮動力で高圧力比化を達成することができる。圧縮機吸気に水を噴霧する方式の圧縮機では、内部で蒸発する液滴の量が多いほど、少ない圧縮動力で高圧力比化を達成することができる。このような圧縮機内部における液滴の蒸発を促進するためには、液滴と蒸気の接触面積を増やすことが有効であり、噴霧する液滴を微細化すればするほど、単位質量当たりの液滴に対する接触面積が増大して液滴の蒸発が促される。
【００２１】
液滴を微細化するためには、流体的なものから電気的なものまで種々の方法があるが、本実施例では液水の減圧沸騰の原理を利用している。すなわち、加水塔３６の中では雰囲気圧が高いために水は液水として存在しているが、噴霧ノズル１１を介して圧力の低い雰囲気に噴霧されると液滴は減圧沸騰し、液滴の中で成長した沸騰核が膨張して液滴を分断、微細化する。この減圧沸騰の作用により、噴霧ノズル１１から噴霧された液滴を数μｍ程度にまで微細化することが可能である。このように構成することで圧縮機内部での蒸発が促進されるとともに、十分微細化されているため、圧縮機の翼に衝突してもエロージョンを起こす可能性を低く抑えることができる。
【００２２】
本実施例では、減圧沸騰を起こすような温度にまで噴霧水を加熱するために、圧縮機出口の過熱蒸気の熱を利用している。圧縮機出口の圧力は入口よりも高く、出口圧における飽和温度は圧縮機入口圧においては過熱温度にあたる。高圧側の加水塔の底面に溜まった水は、低圧側の圧縮機入口に噴霧すれば減圧沸騰を起こす。したがって、熱交換器やヒータなどの新たな加熱源を用意する必要がなく、また、加水塔３６の内圧で圧縮機１０の入口に噴霧されるため、噴霧用の新たなポンプも必要ない。
【００２３】
このように、本実施例では圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成しているため、加水塔３６が本来の加水機能だけでなく、噴霧水の加熱や噴霧用のポンプ作用をも受け持つこととなり、システム構成の簡素化，低コスト化が可能である。すなわち、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成できる。さらに圧縮機の運転状態に応じ、適切な温度，圧力の噴霧水が受動的に生成されるため、噴霧水の加熱に外部熱源を利用した場合に比べ、制御も簡素化される。
【００２４】
本実施例では、加水塔３６の約１４０℃の高温水を、噴霧ノズル１１により圧縮機の吸気に噴霧している。圧縮機１０の吸気は、通常、大気圧であり、これに対する水の沸点は約１００℃である。大気圧の吸気雰囲気中に、その圧での沸点を超えた温水を噴霧するため、噴霧された液滴は減圧沸騰により数μｍ程度にまで微粒化し得る。十分に微粒化された液滴が圧縮機に吸気されるよう構成することで、水滴が動翼などに衝突することにより起こるエロージョンの発生を抑制することができる。また、微粒化された液滴は蒸発速度が速いため、多くの水分を圧縮機内部で蒸発させることができ、圧縮機動力削減効果も大きい。
【００２５】
本実施例のシステムにおける噴霧水の加熱源は、加水塔３６で圧縮流体の加湿により二次的に得られた熱であり、噴霧水加熱のために用意した熱ではない。本実施例の噴霧装置を用いれば、二次的に得られた熱を噴霧水の加熱源として利用できるため、全体として熱効率の高いシステムを構築することができる。
【００２６】
（実施例２）
図１を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例である、圧縮機吸気流体に水を噴霧する噴霧装置を備えたヒートポンプシステムの構成図を示す。
【００２７】
図１で示した再生サイクルガスタービンシステムの主要な構成要素は、外部から導入した温水４０の熱により大気圧以下の条件下で液水３５を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器４２と、図示しない駆動装置によって駆動され、蒸発器４２で生成した水蒸気を加圧する圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、前記圧縮機１０ｄで昇圧した高温の水蒸気を熱利用設備等の水蒸気の需要先に供給する吐出配管２５である。圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、直列に接続されており、徐々に水蒸気の圧力を上昇させるよう構成されている。さらに、本実施例の特徴的な構成要素としては、圧縮機１０ａの吐出配管
８６ａに接続された加水塔３６ａと圧縮機１０ａの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ａ，圧縮機１０ｂの吐出配管８６ｂに接続された加水塔３６ｂと圧縮機１０ｂの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｂ，圧縮機１０ｃの吐出配管８６ｃに接続された加水塔３６ｃと圧縮機
１０ｃの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｃ，圧縮機１０ｄの吐出配管８６ｄに接続された加水塔３６ｄと圧縮機１０ｄの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｄである。なお、加水塔
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの内部構造については実施例１の加水塔３６と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００２８】
次に、本実施例の動作を説明する。蒸発器４２には、外部熱源により約７０℃に温められた温水４０が供給される。利用する外部熱源の例としては、工場，ごみ焼却場，火力発電設備，内燃機関などの排熱がある。前記蒸発器４２の液水３５は、温水４０との間接熱交換により、６３℃程度に保持される。６３℃程度に保持するための方法としては、例えば、温水４０を供給する流量や温度を制御する方法がある。液水３５の液面は、６３℃の飽和水蒸気圧である約２３ｋＰａの水蒸気と、６３℃程度の液相水の気液平衡状態となる。蒸発器４２の上部空間は、予め真空ポンプなどで空気を排出しておくことにより、絶対圧力約２３ｋＰａの水蒸気で満たされた空間となる。
【００２９】
圧縮機１０ａを図示しない駆動装置により駆動すると、吸入配管８５ａから、圧縮機
１０ａの容量に応じた体積の水蒸気が吸引される。この吸引により液水３５の液面からは連続的に水蒸気が生成され、液水３５から多量の蒸発潜熱を奪うことになるが、その熱は温水４０との熱交換により賄われる。圧縮機１０ａに吸引された温度約６３℃程度，圧力約２３ｋＰａの水蒸気は、加水塔３６ａに接続された系統１３ａを経由して噴霧ノズル
１１ａで噴霧された液滴と混合されて圧縮機１０ａに供給される。この水蒸気は圧縮機
１０ａの内部で約４８ｋＰａまで加圧されると同時に、圧縮動力を得て昇温される。水蒸気流に同伴されて圧縮機に流入した液滴は、圧縮過程にある水蒸気から熱を奪って蒸発し、その蒸発潜熱により主流水蒸気は冷却される。
【００３０】
この、液滴の蒸発による主流水蒸気の冷却が無い場合においては２３ｋＰａから４８
ｋＰａにまで圧縮された蒸気は１４５℃程度の過熱蒸気となるが、本実施例のように蒸気と液滴の混合物を圧縮した場合は、液滴の蒸発により主流水蒸気の高温化が抑えられる。なお、液滴の蒸発量が多いほど圧縮機１０ａの吐出温度を圧力４８ｋＰａにおける飽和温度約８０℃に近づけることができる。
【００３１】
なお、噴霧する液水の温度が噴霧される気流の圧力に対する飽和温度よりも高ければ高いほど噴霧後の減圧沸騰は激しくなるが、液水の温度が高すぎると作動媒体を冷却する効果が薄れる。そのため、本実施例のシステムでは、噴霧水の温度を減圧沸騰が発生する範囲の中で低く設定することが望ましい。
【００３２】
上述の通り、噴霧ノズル１１ａで加えられた液滴の一部は圧縮機１０ａの内部で蒸発し、圧縮機主流水蒸気の温度を下げることで圧縮動力を削減させる働きをし、残りの液滴は圧縮機１０ａで圧縮された蒸気と一緒になって加水塔３６ａに供給される。一般に、圧縮機内部に滞留している液滴の滞留時間は短いため、圧縮機１０ａの出口で飽和状態になるほど液滴を蒸発させることは難しく、主流水蒸気は過熱蒸気の状態のまま加水塔３６に供給される。
【００３３】
この過熱蒸気は、加水塔３６ａのガス分散器７０から加水塔３６ａの内部へ流入し、充填物７１の表面で液分散器８０から散布された、飽和温度である８０℃よりも低温の熱水の液膜と気液接触する。この接触により充填物７１の表面に存在する液膜の一部はガス分散器７０から供給された過熱蒸気によって加熱されて蒸発し、その蒸発潜熱によって過熱蒸気の温度を下げる働きをする。よって、過熱蒸気は充填物７１の間を擦り抜けるに従って温度が下がり、液膜の蒸発によりその流量は増加する。従って、充填物７１通過後には、蒸気温度は蒸気圧４８ｋＰａにおける飽和温度８０℃程度になり、蒸気量は５％増加する。
【００３４】
他方、充填物から流下した散布水は、加水塔３６ａ内の飽和温度である８０℃程度となり、液溜まり７４に流下する。蒸発により流下する水量は供給時よりも減少するため、液溜まり７４の水量を維持するため水位計７８で水位を計測し、調整弁３８を自動制御して配管７５から補給水を供給する。その結果、より低温な水との混合により、液溜まり７４の水温は、飽和温度である８０℃よりも数℃程度低温となる。
【００３５】
充填物７１の表面を流下する液膜と、上向きに流れる水蒸気とのせん断力により、液膜表面からは、エントレインメントと呼ばれる微細なミストが発生する。また、圧縮機10ａの内部で蒸発し得なかった液滴も、このミストの中に含まれる。充填物７１の流路を上向きに、流れる水蒸気と微細なミストは充填物７１を通過したあと、上方にあるミスト除去器７２に流入する。ミスト除去器７２ではミストの大部分が除去され、飽和温度の乾き水蒸気となった状態で加水塔３６ａから出た水蒸気は、配管８５ｂを通り噴霧ノズル１１ｂで供給された液滴と共に圧縮機１０ｂへ流入する。
【００３６】
圧縮機１０ｂで圧縮された蒸気は圧力約９５ｋＰａの過熱蒸気となり、噴霧ノズル11ｂで供給された未蒸発の液滴を含んだまま加水塔３６ｂに供給される。加水塔３６ｂは加水塔３６ａと同様に作用し、加水塔３６ｂを通過した後には、圧力約９５ｋＰａにおける飽和温度の乾き蒸気の状態で圧縮機１０ｃの上流側に設置された噴霧ノズル１１ｃで液滴を供給された後、圧縮機１０ｃに供給される。以下同様に、加水塔３６ｃからは温度約117℃，圧力約１７９ｋＰａの飽和蒸気が、加水塔３６ｄからは温度約１８７℃，圧力約312ｋＰａの飽和蒸気が流出する。加水塔３６ｄから流出した蒸気は熱利用設備に供給される。
【００３７】
次に、本実施例の作用，効果を説明する。ターボ式の圧縮機の場合、圧縮過程にある作動媒体（この場合は水蒸気）の温度が低ければ低いほど、同じ圧縮仕事に対する圧力比は大きくなる。また別の見方として、圧力比一定で考えた場合、作動媒体の温度が低いほど圧縮に必要となる圧縮動力は少なくて済む。本実施例では加水塔３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの働きにより、圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの各入口上流側の噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの直前において、主流水蒸気の温度は各入口圧に対する飽和温度、すなわち乾き蒸気として存在する最低限の温度である。これは、噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからの噴霧を考えない場合における必要最小限の圧縮動力で、必要な蒸気圧の蒸気を生成することができることを意味する。また、加水塔を通過するごとに蒸気量が増加するため、上流側に存在する圧縮機ほど熱利用設備で必要とされる蒸気量よりも作動媒体の量が少なくすみ、この圧縮流量削減の作用によっても圧縮動力削減の効果がある。さらに、噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから噴霧された液滴が圧縮機内部で蒸発することにより、圧縮過程にある蒸気の温度を低減することができ、より少ない圧縮動力で必要な圧力の蒸気を生成することができる。噴霧した液滴のうちの未蒸発分は、下流に設置された加水塔のミスト除去器により除去されるため、未蒸発蒸気が下流の圧縮機の翼に衝突して起こるエロージョンの発生も抑制でき、圧縮機の信頼性を向上できる。
【００３８】
また、圧縮機の最終出口に設置された加水塔３６ｄは、圧縮機１０ｄの出口において過熱状態にある蒸気の熱量で液水を蒸発させ蒸気量を増やす効果があるとともに、熱利用設備へ供給される蒸気の熱量を下げることによって、吐出配管２５の信頼性の向上や素材の高級化の抑制が可能である。また、大気との温度差を小さくすることにより、配管２５の放熱ロスを抑える効果もある。
【００３９】
本実施例では水蒸気圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄにおいて、各圧縮機に供給する圧縮流体は水との直接接触熱交換により冷却され、圧縮流体と熱交換した水の一部を噴霧装置である噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに供給するよう構成したことにより、吸気噴霧，中間冷却の効果で圧縮動力を削減できる上に、微細な液滴を簡便な構成と制御で生成可能であり、エロージョンの発生を抑制した信頼性の高いシステムを低コストで実現できる。また、吸気冷却，中間冷却の際に過熱蒸気が保有していた熱エネルギーを水蒸気の質量エネルギーに変換できるため、システム全体の効率を高めることができる。
【００４０】
なお、本実施例では、加水塔３６ａ，３６ｂ，３６ｃの液溜まり７４への補給水の水源として、なるべく温度が近い水源を利用するよう構成したが、低温の補給水３１から直接補給しても基本的な動作は同様である。その場合、それぞれの液分散器８０からの散水の水温が低くなり、過熱蒸気から奪う熱量（顕熱）が増加する一方、加水塔３６内で生成される水蒸気量は減少する。
【００４１】
また、本実施例では循環ポンプ６や給水ポンプ７として、本実施例では機械式のものを想定したが、吐出配管２５や、吐出配管８６のより高圧な水蒸気を利用して、蒸気ジェットポンプを構成することも可能である。その場合、より高圧な水蒸気の熱エネルギーが、循環水あるいは給水を駆動する運動エネルギーに変換され、システム全体の効率は低下する。しかし、機器の簡素化の効果があり、機械式のポンプと比較して、軸封部分からの流体のリークや外部からの不純物の混入の可能性が少ない点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１であるガスタービンシステムの構成図を示す。
【図２】本発明の実施例１であるガスタービンシステムの加水塔の拡大図を示す。
【図３】本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【符号の説明】
【００４３】
６ 循環ポンプ
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 圧縮機
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 噴霧装置
１２ 弁
１４ タービン
３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ 加水塔
４２ 蒸発器
５２ 燃焼器
６０ 再生器
７０ ガス分散器
７２ ミスト除去器
７４ 液溜まり
７８ 水位計
７６，７７ 配管
８０ 液分散器
８４ 調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機の吸気噴霧装置に関しては、例えば特許文献１に記載のように、減圧沸騰を利用して微粒化した水を圧縮機の吸気へ噴霧する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５１９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、液水が減圧沸騰を発生する温度（圧力１００bar の時に２００℃）にまで加熱するための加熱方法が明示されていない。一般的に考えると、系外から加熱のためのエネルギー（熱または電気など）を補充する必要がある。この場合、系外から持ち込んだエネルギーと水の加熱に有効に使われたエネルギーの変換ロス分が、加熱系までも含めた全体システムの効率低下につながる。また、別途加熱装置を用意するとなるとその分コストが増加してしまう。さらに、大気圧の沸点に相当する１００℃をはるかに超える温度の高温水を多量に生成する設備には、蒸気爆発が発生しないようなシステムを導入する必要があり、高い信頼性を確保するための対策が必須である。そのため、減圧沸騰を発生させるための熱源となる加熱器は高価なものを用いなければならず、この点でも高コスト化を避けることが困難であるという問題点を有していた。
【０００５】
本発明の目的は、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の噴霧装置は、圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、前記圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施例１）
図１を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例である、圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置を備えた再生サイクルガスタービンシステムの構成図を示す。
【０００９】
図１で示した再生サイクルガスタービンシステムの主要な構成要素は、空気を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮した空気をガスタービンの排ガスにより加熱する再生器６０と、再生器６０で加熱された空気と燃料を混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器
５２と、燃焼器５２で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービン１４と、タービン
１４を駆動させた燃焼ガスである排ガスを、再生器６０で圧縮空気と熱交換させた後に排出するスタック８２である。本実施例では、圧縮機１０の圧力比を１６、ガスタービンの吸気流量は１０kg／ｓとした。また、再生器６０の温度効率は９０％、圧縮機とタービンのポリトロープ効率はそれぞれ約９０％および約８８％のものを想定した。ガスタービンの出力軸から得られる動力は発電機１６によって電力に変換され、図示していない送電系統に接続される。
【００１０】
本実施例の特徴的な構成要素は、圧縮機１０の吐出配管８６に設置された冷却装置である加水塔３６と、圧縮機１０の吸気に水を噴霧する噴霧装置である噴霧ノズル１１である。加水塔３６には、給水ポンプ７と調整弁３８により外部から水が供給される。そして加水塔３６には、塔の底面に溜まった液水を取り出す配管１３が設置され、配管１３は弁
１２を介して圧縮機吸気噴霧装置である噴霧ノズル１１に接続されている。次に、加水塔３６の内部につき図２を用いて説明する。
【００１１】
図２は、本実施例の加水塔３６の拡大図を示す。加水塔３６には、圧縮機１０からの圧縮空気を吐出配管８６から導き、塔の内部に空気を均一に分配するためにガス分散器７０が設置される。このガス分散器は、上方から落下する液滴の流入を抑えるため、下向きに開口部を有している。充填物７１は、塔内での気液接触の有効面積を大きくするためにガス分散器７０の上方に設置される。充填物７１としては、化学プラントなどで一般的に用いられる、体積あたりの表面積が大きな構造物を用いる。本実施例では、充填物７１として、市販の不規則充填物を想定した。さらに加水塔３６には、塔の下部に落下した循環水を塔内の充填物７１の上方に再循環させる循環ポンプ６が設置されている。循環ポンプ６は、加水塔３６の下部に生成される液溜まり７４から、配管７６を介して液相水を吸入し、配管７７と調整弁８４により、充填物の上方に設置された液分散器８０に必要な量の液相水を供給可能なように構成されている。液分散器８０は、化学プラントなどで一般的に用いられており、充填物の全面に可及的均等に液相水を散布する機能を持つ。また、液溜まり７４には、給水ポンプ７と調整弁３８により、図示しない水源から補給水を供給可能に構成されている。液溜まり７４の水位を所定の位置近傍におさめるよう制御するために水位計７８が設置されている。液溜まり７４の水位が低下した場合には、配管７５に設けられた調整弁３８を操作して水源から補給水を流入させる。液溜まり７４の水位が上昇した場合には、配管７９に設けられた調整弁３９を操作して液相水を系外へ排出させる。加水塔３６の内部圧力が系外の圧力より低い系統構成では、配管７９には、図示しない加圧ポンプなどを設置して、液相水を系外の圧力より高圧として排出する。
【００１２】
加水塔３６の塔径は、充填物７１の性能仕様として一般的に開示されているフラッディング特性から、塔径１.８ｍ を選定した。なお、フラッディング（Flooding）とは、上向きのガス流れに対向して液膜を流下させる充填塔や多孔板塔において、ガス流速が増加した場合に、散布水がガスの流れから上向きの力を受け、下向きに流れることができなくなる現象である。本実施例では３５℃の冷水を散布した際に空気の出口温度が１５０℃前後になることを想定し、充填物７１として高さ０.８ｍ のものを選定した。ミスト除去器
７２は、充填物７１の表面で上向きの空気流と下向きの液膜流とのせん断力によって生じたエントレインメントなどの液滴を除去し、液滴の下流側に設置された再生器６０への流入を抑制する作用がある。そのためミスト除去器は充填物７１と液分散器８０の上方に設置することが望ましい。
【００１３】
図１を用いて、本実施例における加水塔３６を備えた、再生サイクルガスタービン発電システムの動作を説明する。
【００１４】
図示しない吸気室に吸い込まれた空気は、図示しない吸気フィルタによって煤塵などを除去されたあと、圧縮機１０により、約１６００ｋＰａまで圧縮される。圧縮された空気は、加水塔３６に流入する。加水塔３６では、空気と質量流量が同程度の３５℃の水が充填物７１の表面に散布されている。気温１５℃，相対湿度６０％の大気条件の場合、加水塔３６入口での圧縮空気の露点温度は約２９℃であり、加水塔３６では露点温度より高温な水と気液接触することにより、空気が加湿されながら冷却される。
【００１５】
加水塔３６の下方から流入した３６０℃の空気は、上方から充填物表面を流下する３５℃の液膜と熱交換しながら、上方に流動するにつれて冷却され低温となる。液膜と空気の気液界面は、液膜の温度に対応する飽和水蒸気圧の湿り空気で覆われる。充填物の下部領域では、液膜表面における湿り空気の絶対湿度が、主流の湿り空気の絶対湿度より高いため、水蒸気圧力差を駆動力として液膜表面から主流空気中に水蒸気が移動する。その結果として、上方に流動するにつれ主流空気中の絶対湿度は高くなる。しかし、充填物の上部領域では、液膜水温が低いため、この関係が逆転して主流空気中の絶対湿度が高くなり、主流空気中の湿分が凝縮して液膜に移動する。本実施例のように、３５℃の水を３６０℃の圧縮空気に接触させた場合、低温水から空気への加湿量は比較的少なく、空気質量の
０.６ 質量％である。一方、加水塔３６出口の空気温度は１５０℃まで冷却され、温度差としては２００℃以上冷却されたことになる。充填物から落下した液膜水は加水塔３６の液溜まり７４に流下する。蒸発により失われた水分は給水ポンプ７と調整弁３８を介して補給される。また、液溜まり７４の約１４０℃の熱水の一部は、配管１３と弁１２を介して噴霧ノズル１１に供給される。
【００１６】
本実施例の冷却装置である加水塔３６は上述のように、圧縮機１０の被圧縮気体が流入する入口を有し、この入口であるガス分散器７０から流入した被圧縮気体は入口よりも上部に設置された液体散布装置である液分散器８０から散布された所望量以上の液体との直接接触熱交換により冷却され、冷却された被圧縮気体は液分散器８０よりも上部に設置された液体通過抑制装置であるミスト除去器７２を通過した後、ミスト除去器７２よりも上部に設けられた出口から流出するよう構成されている。このような構成により、散布水量の制御ではなく、構造的に、圧縮機１０の信頼性低下を抑制しつつ被圧縮気体を飽和温度まで冷却できる。ここで所望量とは、加水塔３６の出口における被圧縮気体の温度を飽和温度まで冷却することが可能な程度の水量を意味する。
【００１７】
また、本実施例の冷却装置である加水塔３６は、散布した液体の一部は回収され、回収された液体は再び散布可能な構成となっている。このような構成とすることで、水の有効利用が図れ、システム必要な水量を削減することができる。
【００１８】
加水塔３６により１５０℃まで冷却された圧縮空気は、吐出配管２５を介して再生器
６０に供給され、ガスタービン１４駆動後の燃焼ガスである排ガスから排熱を回収する。再生器６０で高温化された高湿分空気は、燃焼器５２で燃料５０と混合されて燃焼ガスとなり、タービン１４を駆動し、その動力が発電機１６や圧縮機１０を回す動力として利用される。
【００１９】
本実施例のシステムは再生器６０に供給する前の圧縮空気を水との直接接触熱交換によって冷却する冷却装置である加水塔３６と、加水塔３６で圧縮空気と熱交換した水の一部を圧縮機１０に流入する前の空気に噴霧する噴霧装置である噴霧ノズル１１とを備えている。このような構成により加水塔３６で冷却された圧縮空気でガスタービンシステムの排熱回収をするため、冷却されないシステムと比べて再生器６０で回収できる熱量が増える。しかも、加水塔３６で加えられた水の分だけ、排熱から回収できる熱量が増加する。すなわち、タービン排熱から回収されてタービン１４の動力として有効に利用される熱量が増加するため、同吸気流量の単純サイクルのガスタービンに比べ、出力，発電効率ともに１.５倍程度の改善が見込まれる。
【００２０】
ターボ機械の圧縮動力は、圧縮過程にある作動媒体の温度が低ければ低いほど、少ない圧縮動力で高圧力比化を達成することができる。圧縮機吸気に水を噴霧する方式の圧縮機では、内部で蒸発する液滴の量が多いほど、少ない圧縮動力で高圧力比化を達成することができる。このような圧縮機内部における液滴の蒸発を促進するためには、液滴と蒸気の接触面積を増やすことが有効であり、噴霧する液滴を微細化すればするほど、単位質量当たりの液滴に対する接触面積が増大して液滴の蒸発が促される。
【００２１】
液滴を微細化するためには、流体的なものから電気的なものまで種々の方法があるが、本実施例では液水の減圧沸騰の原理を利用している。すなわち、加水塔３６の中では雰囲気圧が高いために水は液水として存在しているが、噴霧ノズル１１を介して圧力の低い雰囲気に噴霧されると液滴は減圧沸騰し、液滴の中で成長した沸騰核が膨張して液滴を分断、微細化する。この減圧沸騰の作用により、噴霧ノズル１１から噴霧された液滴を数μｍ程度にまで微細化することが可能である。このように構成することで圧縮機内部での蒸発が促進されるとともに、十分微細化されているため、圧縮機の翼に衝突してもエロージョンを起こす可能性を低く抑えることができる。
【００２２】
本実施例では、減圧沸騰を起こすような温度にまで噴霧水を加熱するために、圧縮機出口の過熱蒸気の熱を利用している。圧縮機出口の圧力は入口よりも高く、出口圧における飽和温度は圧縮機入口圧においては過熱温度にあたる。高圧側の加水塔の底面に溜まった水は、低圧側の圧縮機入口に噴霧すれば減圧沸騰を起こす。したがって、熱交換器やヒータなどの新たな加熱源を用意する必要がなく、また、加水塔３６の内圧で圧縮機１０の入口に噴霧されるため、噴霧用の新たなポンプも必要ない。
【００２３】
このように、本実施例では圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成しているため、加水塔３６が本来の加水機能だけでなく、噴霧水の加熱や噴霧用のポンプ作用をも受け持つこととなり、システム構成の簡素化，低コスト化が可能である。すなわち、圧縮機に流入する流体に噴霧する水の微粒化を、低コストな噴霧装置で達成できる。さらに圧縮機の運転状態に応じ、適切な温度，圧力の噴霧水が受動的に生成されるため、噴霧水の加熱に外部熱源を利用した場合に比べ、制御も簡素化される。
【００２４】
本実施例では、加水塔３６の約１４０℃の高温水を、噴霧ノズル１１により圧縮機の吸気に噴霧している。圧縮機１０の吸気は、通常、大気圧であり、これに対する水の沸点は約１００℃である。大気圧の吸気雰囲気中に、その圧での沸点を超えた温水を噴霧するため、噴霧された液滴は減圧沸騰により数μｍ程度にまで微粒化し得る。十分に微粒化された液滴が圧縮機に吸気されるよう構成することで、水滴が動翼などに衝突することにより起こるエロージョンの発生を抑制することができる。また、微粒化された液滴は蒸発速度が速いため、多くの水分を圧縮機内部で蒸発させることができ、圧縮機動力削減効果も大きい。
【００２５】
本実施例のシステムにおける噴霧水の加熱源は、加水塔３６で圧縮流体の加湿により二次的に得られた熱であり、噴霧水加熱のために用意した熱ではない。本実施例の噴霧装置を用いれば、二次的に得られた熱を噴霧水の加熱源として利用できるため、全体として熱効率の高いシステムを構築することができる。
【００２６】
（実施例２）
図１を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例である、圧縮機吸気流体に水を噴霧する噴霧装置を備えたヒートポンプシステムの構成図を示す。
【００２７】
図１で示した再生サイクルガスタービンシステムの主要な構成要素は、外部から導入した温水４０の熱により大気圧以下の条件下で液水３５を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器４２と、図示しない駆動装置によって駆動され、蒸発器４２で生成した水蒸気を加圧する圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、前記圧縮機１０ｄで昇圧した高温の水蒸気を熱利用設備等の水蒸気の需要先に供給する吐出配管２５である。圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、直列に接続されており、徐々に水蒸気の圧力を上昇させるよう構成されている。さらに、本実施例の特徴的な構成要素としては、圧縮機１０ａの吐出配管
８６ａに接続された加水塔３６ａと圧縮機１０ａの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ａ，圧縮機１０ｂの吐出配管８６ｂに接続された加水塔３６ｂと圧縮機１０ｂの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｂ，圧縮機１０ｃの吐出配管８６ｃに接続された加水塔３６ｃと圧縮機
１０ｃの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｃ，圧縮機１０ｄの吐出配管８６ｄに接続された加水塔３６ｄと圧縮機１０ｄの吸気に噴霧する噴霧ノズル１１ｄである。なお、加水塔
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの内部構造については実施例１の加水塔３６と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００２８】
次に、本実施例の動作を説明する。蒸発器４２には、外部熱源により約７０℃に温められた温水４０が供給される。利用する外部熱源の例としては、工場，ごみ焼却場，火力発電設備，内燃機関などの排熱がある。前記蒸発器４２の液水３５は、温水４０との間接熱交換により、６３℃程度に保持される。６３℃程度に保持するための方法としては、例えば、温水４０を供給する流量や温度を制御する方法がある。液水３５の液面は、６３℃の飽和水蒸気圧である約２３ｋＰａの水蒸気と、６３℃程度の液相水の気液平衡状態となる。蒸発器４２の上部空間は、予め真空ポンプなどで空気を排出しておくことにより、絶対圧力約２３ｋＰａの水蒸気で満たされた空間となる。
【００２９】
圧縮機１０ａを図示しない駆動装置により駆動すると、吸入配管８５ａから、圧縮機
１０ａの容量に応じた体積の水蒸気が吸引される。この吸引により液水３５の液面からは連続的に水蒸気が生成され、液水３５から多量の蒸発潜熱を奪うことになるが、その熱は温水４０との熱交換により賄われる。圧縮機１０ａに吸引された温度約６３℃程度，圧力約２３ｋＰａの水蒸気は、加水塔３６ａに接続された系統１３ａを経由して噴霧ノズル
１１ａで噴霧された液滴と混合されて圧縮機１０ａに供給される。この水蒸気は圧縮機
１０ａの内部で約４８ｋＰａまで加圧されると同時に、圧縮動力を得て昇温される。水蒸気流に同伴されて圧縮機に流入した液滴は、圧縮過程にある水蒸気から熱を奪って蒸発し、その蒸発潜熱により主流水蒸気は冷却される。
【００３０】
この、液滴の蒸発による主流水蒸気の冷却が無い場合においては２３ｋＰａから４８
ｋＰａにまで圧縮された蒸気は１４５℃程度の過熱蒸気となるが、本実施例のように蒸気と液滴の混合物を圧縮した場合は、液滴の蒸発により主流水蒸気の高温化が抑えられる。なお、液滴の蒸発量が多いほど圧縮機１０ａの吐出温度を圧力４８ｋＰａにおける飽和温度約８０℃に近づけることができる。
【００３１】
なお、噴霧する液水の温度が噴霧される気流の圧力に対する飽和温度よりも高ければ高いほど噴霧後の減圧沸騰は激しくなるが、液水の温度が高すぎると作動媒体を冷却する効果が薄れる。そのため、本実施例のシステムでは、噴霧水の温度を減圧沸騰が発生する範囲の中で低く設定することが望ましい。
【００３２】
上述の通り、噴霧ノズル１１ａで加えられた液滴の一部は圧縮機１０ａの内部で蒸発し、圧縮機主流水蒸気の温度を下げることで圧縮動力を削減させる働きをし、残りの液滴は圧縮機１０ａで圧縮された蒸気と一緒になって加水塔３６ａに供給される。一般に、圧縮機内部に滞留している液滴の滞留時間は短いため、圧縮機１０ａの出口で飽和状態になるほど液滴を蒸発させることは難しく、主流水蒸気は過熱蒸気の状態のまま加水塔３６に供給される。
【００３３】
この過熱蒸気は、加水塔３６ａのガス分散器７０から加水塔３６ａの内部へ流入し、充填物７１の表面で液分散器８０から散布された、飽和温度である８０℃よりも低温の熱水の液膜と気液接触する。この接触により充填物７１の表面に存在する液膜の一部はガス分散器７０から供給された過熱蒸気によって加熱されて蒸発し、その蒸発潜熱によって過熱蒸気の温度を下げる働きをする。よって、過熱蒸気は充填物７１の間を擦り抜けるに従って温度が下がり、液膜の蒸発によりその流量は増加する。従って、充填物７１通過後には、蒸気温度は蒸気圧４８ｋＰａにおける飽和温度８０℃程度になり、蒸気量は５％増加する。
【００３４】
他方、充填物から流下した散布水は、加水塔３６ａ内の飽和温度である８０℃程度となり、液溜まり７４に流下する。蒸発により流下する水量は供給時よりも減少するため、液溜まり７４の水量を維持するため水位計７８で水位を計測し、調整弁３８を自動制御して配管７５から補給水を供給する。その結果、より低温な水との混合により、液溜まり７４の水温は、飽和温度である８０℃よりも数℃程度低温となる。
【００３５】
充填物７１の表面を流下する液膜と、上向きに流れる水蒸気とのせん断力により、液膜表面からは、エントレインメントと呼ばれる微細なミストが発生する。また、圧縮機10ａの内部で蒸発し得なかった液滴も、このミストの中に含まれる。充填物７１の流路を上向きに、流れる水蒸気と微細なミストは充填物７１を通過したあと、上方にあるミスト除去器７２に流入する。ミスト除去器７２ではミストの大部分が除去され、飽和温度の乾き水蒸気となった状態で加水塔３６ａから出た水蒸気は、配管８５ｂを通り噴霧ノズル１１ｂで供給された液滴と共に圧縮機１０ｂへ流入する。
【００３６】
圧縮機１０ｂで圧縮された蒸気は圧力約９５ｋＰａの過熱蒸気となり、噴霧ノズル11ｂで供給された未蒸発の液滴を含んだまま加水塔３６ｂに供給される。加水塔３６ｂは加水塔３６ａと同様に作用し、加水塔３６ｂを通過した後には、圧力約９５ｋＰａにおける飽和温度の乾き蒸気の状態で圧縮機１０ｃの上流側に設置された噴霧ノズル１１ｃで液滴を供給された後、圧縮機１０ｃに供給される。以下同様に、加水塔３６ｃからは温度約117℃，圧力約１７９ｋＰａの飽和蒸気が、加水塔３６ｄからは温度約１８７℃，圧力約312ｋＰａの飽和蒸気が流出する。加水塔３６ｄから流出した蒸気は熱利用設備に供給される。
【００３７】
次に、本実施例の作用，効果を説明する。ターボ式の圧縮機の場合、圧縮過程にある作動媒体（この場合は水蒸気）の温度が低ければ低いほど、同じ圧縮仕事に対する圧力比は大きくなる。また別の見方として、圧力比一定で考えた場合、作動媒体の温度が低いほど圧縮に必要となる圧縮動力は少なくて済む。本実施例では加水塔３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの働きにより、圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの各入口上流側の噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの直前において、主流水蒸気の温度は各入口圧に対する飽和温度、すなわち乾き蒸気として存在する最低限の温度である。これは、噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからの噴霧を考えない場合における必要最小限の圧縮動力で、必要な蒸気圧の蒸気を生成することができることを意味する。また、加水塔を通過するごとに蒸気量が増加するため、上流側に存在する圧縮機ほど熱利用設備で必要とされる蒸気量よりも作動媒体の量が少なくすみ、この圧縮流量削減の作用によっても圧縮動力削減の効果がある。さらに、噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから噴霧された液滴が圧縮機内部で蒸発することにより、圧縮過程にある蒸気の温度を低減することができ、より少ない圧縮動力で必要な圧力の蒸気を生成することができる。噴霧した液滴のうちの未蒸発分は、下流に設置された加水塔のミスト除去器により除去されるため、未蒸発蒸気が下流の圧縮機の翼に衝突して起こるエロージョンの発生も抑制でき、圧縮機の信頼性を向上できる。
【００３８】
また、圧縮機の最終出口に設置された加水塔３６ｄは、圧縮機１０ｄの出口において過熱状態にある蒸気の熱量で液水を蒸発させ蒸気量を増やす効果があるとともに、熱利用設備へ供給される蒸気の熱量を下げることによって、吐出配管２５の信頼性の向上や素材の高級化の抑制が可能である。また、大気との温度差を小さくすることにより、配管２５の放熱ロスを抑える効果もある。
【００３９】
本実施例では水蒸気圧縮機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄにおいて、各圧縮機に供給する圧縮流体は水との直接接触熱交換により冷却され、圧縮流体と熱交換した水の一部を噴霧装置である噴霧ノズル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに供給するよう構成したことにより、吸気噴霧，中間冷却の効果で圧縮動力を削減できる上に、微細な液滴を簡便な構成と制御で生成可能であり、エロージョンの発生を抑制した信頼性の高いシステムを低コストで実現できる。また、吸気冷却，中間冷却の際に過熱蒸気が保有していた熱エネルギーを水蒸気の質量エネルギーに変換できるため、システム全体の効率を高めることができる。
【００４０】
なお、本実施例では、加水塔３６ａ，３６ｂ，３６ｃの液溜まり７４への補給水の水源として、なるべく温度が近い水源を利用するよう構成したが、低温の補給水３１から直接補給しても基本的な動作は同様である。その場合、それぞれの液分散器８０からの散水の水温が低くなり、過熱蒸気から奪う熱量（顕熱）が増加する一方、加水塔３６内で生成される水蒸気量は減少する。
【００４１】
また、本実施例では循環ポンプ６や給水ポンプ７として、本実施例では機械式のものを想定したが、吐出配管２５や、吐出配管８６のより高圧な水蒸気を利用して、蒸気ジェットポンプを構成することも可能である。その場合、より高圧な水蒸気の熱エネルギーが、循環水あるいは給水を駆動する運動エネルギーに変換され、システム全体の効率は低下する。しかし、機器の簡素化の効果があり、機械式のポンプと比較して、軸封部分からの流体のリークや外部からの不純物の混入の可能性が少ない点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１であるガスタービンシステムの構成図を示す。
【図２】本発明の実施例１であるガスタービンシステムの加水塔の拡大図を示す。
【図３】本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【符号の説明】
【００４３】
６ 循環ポンプ
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 圧縮機
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 噴霧装置
１２ 弁
１４ タービン
３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ 加水塔
４２ 蒸発器
５２ 燃焼器
６０ 再生器
７０ ガス分散器
７２ ミスト除去器
７４ 液溜まり
７８ 水位計
７６，７７ 配管
８０ 液分散器
８４ 調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、前記圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成された噴霧装置。
【請求項２】
圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置であって、
前記水は、前記圧縮機で圧縮された流体と熱交換したものであることを特徴とする噴霧装置。
【請求項３】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと、該タービンを駆動した燃焼ガスと前記圧縮機で圧縮された圧縮空気とを該圧縮空気が燃焼器に供給される前に熱交換させる再生器とを備えたガスタービンシステムであって、
前記再生器に供給される前の前記圧縮空気を水との直接接触熱交換によって冷却する冷却装置と、該冷却装置で前記圧縮空気と熱交換した水の一部を前記圧縮機に流入する空気に噴霧する噴霧装置とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項４】
噴霧装置からの水噴霧により冷却された空気を圧縮する第１の圧縮機で圧縮された圧縮流体を、第２の圧縮機に供給する前に冷却する圧縮機の中間冷却装置であって、
前記第２の圧縮機に供給する前の圧縮流体は水との直接接触熱交換により冷却され、該圧縮流体と熱交換した水の一部を前記噴霧装置に供給するよう構成したことを特徴とする圧縮機の中間冷却装置。
【請求項５】
水を熱源との熱交換により蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器で生成された蒸気を圧縮する複数の圧縮機と、該複数の圧縮機に流入する蒸気に水を噴霧する噴霧装置と、前記複数の圧縮機間で蒸気を冷却する中間冷却装置を備えたヒートポンプシステムであって、
前記中間冷却装置は、蒸気と水との直接接触により該蒸気を冷却するよう構成され、前記中間冷却装置で蒸気と熱交換した水の一部を前記噴霧装置に供給するよう構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項３ないし５に記載の冷却装置であって、
前記圧縮機の被圧縮気体が流入する入口と、該入口よりも上部に設置され、該入口から流入した被圧縮気体に所望量以上の液体を散布して該液体との直接接触熱交換により被圧縮気体を冷却する液体散布装置と、前記液体散布装置よりも上部に設置され、前記冷却された被圧縮気体の通過を抑制する液体通過抑制装置と、該液体通過抑制装置よりも上部に設けられた出口とを備えた冷却装置。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却装置であって、
散布した液体の一部は回収され、回収された液体は再び散布可能な構成としたことを特徴とする冷却装置。
【請求項８】
圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧方法であって、
前記水は、前記圧縮機で圧縮された流体と熱交換したものであることを特徴とする噴霧方法。
【請求項１】
圧縮機で圧縮された流体の熱で温められた水を、前記圧縮機に流入する流体に噴霧するよう構成された噴霧装置。
【請求項２】
圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧装置であって、
前記水は、前記圧縮機で圧縮された流体と熱交換したものであることを特徴とする噴霧装置。
【請求項３】
空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気と燃料とを混合燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと、該タービンを駆動した燃焼ガスと前記圧縮機で圧縮された圧縮空気とを該圧縮空気が燃焼器に供給される前に熱交換させる再生器とを備えたガスタービンシステムであって、
前記再生器に供給される前の前記圧縮空気を水との直接接触熱交換によって冷却する冷却装置と、該冷却装置で前記圧縮空気と熱交換した水の一部を前記圧縮機に流入する空気に噴霧する噴霧装置とを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項４】
噴霧装置からの水噴霧により冷却された空気を圧縮する第１の圧縮機で圧縮された圧縮流体を、第２の圧縮機に供給する前に冷却する圧縮機の中間冷却装置であって、
前記第２の圧縮機に供給する前の圧縮流体は水との直接接触熱交換により冷却され、該圧縮流体と熱交換した水の一部を前記噴霧装置に供給するよう構成したことを特徴とする圧縮機の中間冷却装置。
【請求項５】
水を熱源との熱交換により蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、該蒸発器で生成された蒸気を圧縮する複数の圧縮機と、該複数の圧縮機に流入する蒸気に水を噴霧する噴霧装置と、前記複数の圧縮機間で蒸気を冷却する中間冷却装置を備えたヒートポンプシステムであって、
前記中間冷却装置は、蒸気と水との直接接触により該蒸気を冷却するよう構成され、前記中間冷却装置で蒸気と熱交換した水の一部を前記噴霧装置に供給するよう構成したことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項３ないし５に記載の冷却装置であって、
前記圧縮機の被圧縮気体が流入する入口と、該入口よりも上部に設置され、該入口から流入した被圧縮気体に所望量以上の液体を散布して該液体との直接接触熱交換により被圧縮気体を冷却する液体散布装置と、前記液体散布装置よりも上部に設置され、前記冷却された被圧縮気体の通過を抑制する液体通過抑制装置と、該液体通過抑制装置よりも上部に設けられた出口とを備えた冷却装置。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却装置であって、
散布した液体の一部は回収され、回収された液体は再び散布可能な構成としたことを特徴とする冷却装置。
【請求項８】
圧縮機に流入する流体に水を噴霧する噴霧方法であって、
前記水は、前記圧縮機で圧縮された流体と熱交換したものであることを特徴とする噴霧方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１７５１４９（Ｐ２００８−１７５１４９Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９６９３（Ｐ２００７−９６９３）
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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