JP2016113924A - ガスタービン吸気用フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を低く抑えつつ長寿命化が図れ、不純物粒子および不純ガスを除去して、大量かつ高圧の空気をガスタービン発電機に送ることができる、ガスタービン吸気用フィルタ装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン発電機の吸気部に配置されるガスタービン吸気用フィルタ装置２が、ウェザールーバー３と、プレフィルタ４と、中高性能エアフィルタ５と、ケミカルフィルタユニット６と、準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７と、を含む。吸気部の外側からガスタービン発電機の内部に向かう方向において、ウェザールーバー３、プレフィルタ４、中高性能エアフィルタ５、ケミカルフィルタユニット６、準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７の順番に並べて配置されている。ケミカルフィルタユニット６は、活性炭を含む無機材料を加熱成型されたハニカムフィルタ８が同一面内に複数個並べて配置されたユニットである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン吸気用フィルタ装置に関する。

発電のために大量の空気を吸引する必要があるガスタービン発電機では、ガスタービンの内部に吸引する空気中に不純物が混入していると、ガスタービン発電機の内部の部材を損傷したり、ブレードの腐蝕、破損で発電効率の低下を招いたりする。そのため、ガスタービン発電機の吸気部にフィルタ装置が配置されている。

特許文献１には、空気の吸引方向に沿って複数のフィルタを並べて配置したフィルタ装置が開示されている。特許文献１に開示されているフィルタ装置では、雨水を捕捉または排除するためのデミスター（ウェザールーバー）と、プレフィルタと、高性能フィルタが並べて配置されている。このフィルタ装置によって、空気中の粒子を除去してからガスタービン発電機の内部に空気を送ることができる。

しかし、空気中の粒子を除去できたとしても、不純ガス、例えばＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、ＮＨ_３等を含んだままの空気を吸引すると、ガスタービン発電機の内部の部材の腐食を生じるおそれがある。各部材（例えばガスタービンの羽根など）に耐腐食加工、部材選定などを施すことも可能であるが、そのためにはガスタービン発電機の大規模な改修が必要になるため好ましくない。そこで、フィルタ装置において、空気中の粒子のみならず、不純ガスも除去することが望まれている。特許文献２に開示されているフィルタ装置では、空気の吸引方向に沿って３つのフィルタが並べて配置されており、２段目のフィルタとしてガス除去フィルタろ材を用いる構成が例示されている。このガス除去フィルタろ材は、超極細繊維を含むシートにグラフト重合や薬液添着法によってイオン交換基や反応基を付与したものである。

特開２００７−２１１７８５号公報 特開２０１３−１０４４２１号公報

特許文献２に開示されているガス除去フィルタろ材は超極細繊維を含む薄いシート状であるため、大量のイオン交換基や反応基を付与させることはできない。従って、イオン交換基や反応基は比較的早く消費されてしまい、ガス除去フィルタろ材の寿命は短い。また、活性炭繊維を用いて形成されたシート状のフィルタも存在するが、特許文献２のガス除去フィルタろ材と同様に薄いシート状であるため、含有する活性炭の量が少なく、ガス除去での寿命は短い。

これに対し、粒状活性炭を配置したトレイ型のフィルタを用いると、比較的多量の活性炭を保持できるので、長寿命化が図れる。しかし、粒状活性炭の量が多いと、その粒状活性炭に遮られて、空気が通過するスペースが小さくなり、圧力損失が大きくなる。大量の空気を吸引するガスタービン発電機では、圧力損失が発電効率の大幅な低下、消費電力などの大幅アップをもたらすため、トレイ型のフィルタの使用は好ましくない。

このように、ガスタービン吸気用フィルタ装置に、各部材の腐食を招く不純ガスを除去するためにケミカルフィルタを挿入することが望まれるが、薄いシート状のケミカルフィルタを用いる場合には、寿命が短いためにメンテナンスの頻度が高くなるという問題がある。また、トレイ型のケミカルフィルタを用いる場合には、そのフィルタに起因する圧力損失が大きく、ガスタービン発電機の発電効率の低下や、ガスタービン発電機の各部材への負担の増大を招くという問題がある。

そこで、本発明の目的は、圧力損失を低く抑えつつ長寿命化が図れ、不純物粒子および不純ガスを除去して、大量かつ高圧の清浄空気をガスタービン発電機に送ることができる、ガスタービン吸気用フィルタ装置を提供することにある。

本発明の、ガスタービン発電機の吸気部に配置されるガスタービン吸気用フィルタ装置は、雨水捕捉用のウェザールーバーと、空気中の粒子を捕捉可能なプレフィルタと、プレフィルタよりも微細な粒子を捕捉可能な中高性能エアフィルタと、ケミカルフィルタユニットと、中高性能エアフィルタよりも微細な粒子を捕捉可能なＨＥＰＡフィルタと、を含む。吸気部の外側からガスタービン発電機の内部に向かう方向において、ウェザールーバー、プレフィルタ、中高性能エアフィルタ、ケミカルフィルタユニット、ＨＥＰＡフィルタの順番に並べて配置されている。そして、ケミカルフィルタユニットは、活性炭を含むセピオライトなどの無機材料を加熱形成された貫通孔を有するガス接触式ハニカムフィルタが同一面内に複数個並べて配置されたユニットである。

この構成によると、主にプレフィルタと中高性能フィルタとＨＥＰＡフィルタとによって空気中の粒子を除去できるとともに、主にケミカルフィルタユニットによって空気中の不純ガスを除去することができる。しかも、ケミカルフィルタユニットの寿命は長く、ガス除去性能も良く、かつ圧力損失を小さく抑えられる。

本発明によると、ガスタービン吸気用フィルタ装置にケミカルフィルタを挿入することに起因する問題点を解決し、空気中の不純ガスを除去してからガスタービン発電機の内部に送ることができ、しかも、ガスタービン吸気用フィルタ装置のメンテナンスの頻度を低く抑えるとともに、圧力損失を小さく抑えて、ガスタービン発電機の高い発電効率を維持することができる。

本発明のガスタービン吸気用フィルタ装置が配置されるガスタービン発電機を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態のガスタービン吸気用フィルタ装置を示す模式図である。 （ａ）は図２に示すガスタービン吸気用フィルタ装置のケミカルフィルタユニットを示す斜視図、（ｂ）は、そのハニカムフィルタを示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態のガスタービン吸気用フィルタ装置を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すガスタービン発電機１の吸気部（外気取入口）１ａに、本発明のガスタービン吸気用フィルタ装置（フィルタ装置）２が配置されている。このフィルタ装置２は、図２に示すように、吸気部１ａの外側（空気の流れの上流側）からガスタービン発電機１の内部（下流側）に向かう方向において、ウェザールーバー３、プレフィルタ４、中高性能エアフィルタ５、ケミカルフィルタユニット６、ＨＥＰＡフィルタ７の順番に並べて配置されたものである。

ウェザールーバー３は、雨水が吸気部１ａに浸入しないように、また、後段のフィルタ４〜７が濡れて性能が低下しないように、雨水を捕捉または排除する形状を有している。

プレフィルタ４は、主に、後段に配置される粒子捕集フィルタの寿命を延ばすために設置される、ガラス繊維または不織布等からなる比較的粗めのフィルタであり、１０μｍ程度以上の大きさの粉塵を捕捉する。プレフィルタ４としては、ロール型、パッド型、ミニプリーツ型など様々な形態のフィルタを用いることができる。

中高性能フィルタ５は、多岐に亘って使用される、ガラス繊維または不織布等からなりプレフィルタ４よりも細かいフィルタである。中高性能フィルタ５は１μｍ程度以上の大きさの粒子を捕捉するものであり、例えば、空気中からＰＭ２．５を除去することも出来る。中高性能エアフィルタ５としては、セパレーター型、ろ材交換エンボスプリーツ型、ミニプリーツ型、袋型など様々な形態のフィルタを用いることができる。

準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７は、クリーンルーム等の、特に純度の高い空気が必要とされる環境において使用される、ガラス繊維または不織布等からなり中高性能フィルタ５よりも細かい高性能のフィルタである。準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７は、０．３μｍ程度以上の粒子を捕捉する。ＨＥＰＡフィルタ７としては、セパレーター型、ミニプリーツ型など様々な形態のフィルタを用いることができる。

そして、中高性能フィルタ５とＨＥＰＡフィルタ７の間に配置されているケミカルフィルタユニット６は、複数のハニカムフィルタ８が同一面内に並べて配置されたものである。図３（ａ）に示す例では、３６個のハニカムフィルタ８が縦横６個ずつ並べて配置されて、プレフィルタ４、中高性能エアフィルタ５、ＨＥＰＡフィルタ７と同等の大きさの１つのフィルタユニットが構成されている。個々のハニカムユニット８は、活性炭とセラミック材（無機系ゼオライトやセピオライトなど）とを含む材料を加熱することによって形成されたものとなる。図３（ｂ）に示すように、断面が矩形である多数の貫通孔８ａが微細な間隔をおいてマトリクス状に並べて設けられている。貫通孔８ａは、このハニカムフィルタ８を通る空気の通過方向に沿って延びている。そして、複数のハニカムフィルタ８は、各々の貫通孔８ａの延びる方向が互いに一致するように並べて配置されている。貫通孔８ａの断面形状は矩形に限定されず、様々な多角形や円形等であってもよい。また、ハニカムフィルタ８の設置時、並びに、メンテナンス時のハニカムフィルタ交換における作業効率性を高めるために、複数個のハニカムフィルタ８を一枚の塩ビ接着シートで巻きつけて、ブロック体としてもよい。具体的には、一枚の接着シートの上に、必要個数のハニカムフィルタ８を四角形状になるように組み合わせて置き、シート接着剤で重ね合わせ固定し、ブロック体を形成する。

このケミカルフィルタユニット６では、各ハニカムフィルタ８の材料に含まれる活性炭の細孔が空気中の有機化学物質を吸着することができる。さらに、特にＮＯ_ＸやＳＯ_Ｘなどの酸性ガスをケミカルフィルタユニット６によって空気中から除去したい場合には、各ハニカムフィルタ８の材料にＫＯＨ等のアルカリ物質を添着させておく。すると、このハニカムフィルタ８の貫通孔８ａを通過する空気中に含まれる酸性ガス（例えばＮＯ_ＸやＳＯ_Ｘ）が、ハニカムフィルタ８に添着されたアルカリ物質と反応することにより空気中から除去される。また、特にＮＨ_３などのアルカリ性ガスをケミカルフィルタユニット６によって空気中から除去したい場合には、各ハニカムフィルタ８の材料に、例えばアミン系や硫酸系の薬剤を添着させておく。すると、このハニカムフィルタ８の貫通孔８ａを通過する空気中に含まれるアルカリ性ガス（例えばＮＨ_３）が、ハニカムフィルタ８に添着された薬剤と反応することにより空気中から除去される。

このように、本発明のフィルタ装置２によると、主にプレフィルタ４と中高性能フィルタ５とＨＥＰＡフィルタ７とによって空気中の粒子を除去できるとともに、主にケミカルフィルタユニット６によって空気中の不純ガス（アルカリ性ガスまたは酸性ガス）を除去することができる。しかも、比較的厚いハニカムフィルタ８にそれぞれ不純ガス除去用の物質が添着されているため、その物質の総量が比較的多く、従来の薄いシート状のフィルタ（活性炭繊維からなるシート状のフィルタなど）に比べて長寿命化する。一例としては、従来の薄いシート状のフィルタの寿命が１年程度であった場合に、同様な条件で、本発明のケミカルフィルタユニット６は３〜５年程度使用可能である。すなわち、本発明のケミカルフィルタユニット６によると、従来のシート状のフィルタに比べて３〜５倍程度の長寿命化が実現する。また、本発明のケミカルフィルタユニット６は、ハニカム形状の構造体（ハニカムフィルタ８）自体が活性炭を含む材料からなり、比較的大きな貫通孔８ａが遮られることはない。従って、空気の流れに対する抵抗が非常に小さく、圧力損失が小さい。特に、従来の粒状活性炭を配置したトレイ型のフィルタに比べると、圧力損失を数分の一と非常に小さく抑えられ、取り扱いも非常に簡便になる。

前述したように、従来は、ガスタービン吸気用フィルタ装置に、内部の部材の腐食を防ぐために不純ガスを除去するケミカルフィルタを挿入すると、様々な問題が生じていた。具体的には、シート状のケミカルフィルタを用いる場合には、そのフィルタの寿命が短いためにメンテナンスの頻度が高くなる。また、トレイ型のケミカルフィルタを用いる場合には、そのフィルタに起因する圧力損失が大きいために、このフィルタ装置が配置されるガスタービン発電機の発電効率を低下させてしまう。

それに対し、本発明によると、ガスタービン吸気用フィルタ装置にケミカルフィルタユニット６を挿入することにより不純ガスを除去することができ、しかも、このケミカルフィルタユニット６は寿命が比較的長いためメンテナンスの頻度が低く抑えられ、また、圧力損失が小さいため、ガスタービン発電機における発電効率を高く保つことができる。特に、圧力損失を低く抑えることは、ガスタービン発電機の発電機能において非常に重要であり効果的である。

また、活性炭を含む無機材料を成型することで、ガスタービン吸気用フィルタ装置に用いられる大型のフィルタを一括形成することはできないが、本発明では、小型のハニカムフィルタ８を複数個並べて配置することにより、ガスタービン吸気用フィルタ装置に採用できるような大型のケミカルフィルタユニット６を構成している。すなわち、本発明は、活性炭を含む無機材料を成型することによって形成されたハニカムフィルタ８を、非常に大量の空気を取り入れなければならないため大型のフィルタ装置を必要とするガスタービン発電機１の吸気部１ａに採用することを初めて可能にしたものである。

仮に、このフィルタ装置１の使用時に、複数のハニカムフィルタ８のうち不純ガス除去用の物質の消費が早いものと消費が遅いものとが混在した場合には、不純ガス除去用の物質の消費が早いハニカムフィルタ８のみを交換することも可能である。そうすると、メンテナンス時に全てのハニカムフィルタ８を同時に交換する場合に比べて経済的である。

また、大型のガスタービン吸気用フィルタ装置１のケミカルフィルタユニット２のうち、通過する空気量が相対的に多い部分と少ない部分とが存在する場合には、不純ガス除去用の物質の添着量が少ないハニカムフィルタ８を、通過する空気量が相対的に少ない部分に配置し、不純ガス除去用の物質の添着量が多いハニカムフィルタ８を、通過する空気量が相対的に多い部分に配置することもできる。その結果、不純ガス除去用の物質の利用効率が良好になる。

このように、本発明では、ハニカムフィルタ８を複数個並べてケミカルフィルタユニット６を構成することにより、従来よりも細かく使用条件に応じた特性を有する適切なフィルタ装置１を形成することができる。

図４には本発明の第２の実施形態のガスタービン吸気用フィルタ装置を示している。このフィルタ装置１には、中高性能エアフィルタ５と、準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７の間に、２つ（２層）のケミカルフィルタユニット６が、空気の通過方向に沿って直列に並べて配置されている。この構成によると、粒子の影響が少なくガス除去効率を向上でき、また、さらなる長寿命化が図れる。本発明は、第１の実施形態のような１層のケミカルフィルタユニット６を有する構成と、よりガスクリーン度を要求させる場合、第２の実施形態のような２層のケミカルフィルタユニット６を有する構成のいずれであってもよく、また、３層以上のケミカルフィルタユニット６を有する構成にすることもできる。

なお、本発明のフィルタ装置１は、ケミカルフィルタユニット６の数にかかわらず、吸気部１ａの外側（空気の流れの上流側）からガスタービン発電機１の内部（下流側）に向かう方向において、ウェザールーバー３、プレフィルタ４、中高性能エアフィルタ５、ケミカルフィルタユニット６、準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタ７の順番に並べて配置される。すなわち、ウェザールーバー３は、後段の全てのフィルタ４〜７がいずれも濡れないように最も外側に配置される。空気中の粒子を捕捉するプレフィルタ４、中高性能エアフィルタ５、ＨＥＰＡフィルタ７は、効率的に粒子を除去するために、空気が粗いフィルタから徐々に細かいフィルタを通過していくように、この順番に配置される。そして、ケミカルフィルタユニット６は、仮に中高性能エアフィルタ５よりも上流側に配置されていると、ある程度大きい粒子を含む空気が通過するため、細孔を含めた目詰まりを生じ易い。また、仮にケミカルフィルタユニット６がＨＥＰＡフィルタ７よりも下流側に配置されていると、ケミカルフィルタユニット６において微小な粉塵等が発生した場合に、それを除去することができずガスタービン発電機の内部に浸入させてしまう。従って、前述したフィルタ４〜７の順番が最も好適である。但し、発電機の設置環境によっては、ケミカルフィルタの順番を変えることも可能である。

１ ガスタービン発電機
１ａ 吸気部（外気取入口）
２ ガスタービン吸気用フィルタ装置（フィルタ装置）
３ ウェザールーバー
４ プレフィルタ
５ 中高性能エアフィルタ
６ ケミカルフィルタユニット
７ ＨＥＰＡフィルタ
８ ハニカムフィルタ
８ａ 貫通孔

Claims (4)

1. ガスタービン発電機の吸気部に配置されるガスタービン吸気用フィルタ装置であって、
   雨水捕捉用のウェザールーバーと、空気中の粒子を捕捉可能なプレフィルタと、前記プレフィルタよりも微細な粒子を捕捉可能な中高性能エアフィルタと、ケミカルフィルタユニットと、前記中高性能エアフィルタよりも微細な粒子を捕捉可能な準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタと、を含み、
   前記吸気部の外側から前記ガスタービン発電機の内部に向かう方向において、前記ウェザールーバー、前記プレフィルタ、前記中高性能エアフィルタ、前記ケミカルフィルタユニット、前記準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタの順番に並べて配置されており、
   前記ケミカルフィルタユニットは、活性炭とゼオライトなどの無機材料を加熱成型されたハニカムフィルタが同一面内に複数個並べて配置されたユニットである
   ガスタービン吸気用フィルタ装置。
2. 前記ハニカムフィルタは、空気の通過方向に沿って延びる複数の貫通孔がマトリクス状に並んで位置する構造であり、前記ケミカルフィルタユニットでは、複数の前記ハニカムフィルタが、各々の前記貫通孔の延びる方向が一致するように並べて配置されている、請求項１に記載のガスタービン吸気用フィルタ装置。
3. 前記中高性能エアフィルタと、前記準ＨＥＰＡフィルタ或いはＨＥＰＡフィルタの、いずれかの後段に、複数のケミカルフィルタユニットが空気の通過方向に沿って直列に並べて配置されている、請求項１または２に記載のガスタービン吸気用フィルタ装置。
4. 前記ハニカムフィルタに、酸性ガス除去用またはアルカリ性ガス除去用の物質が添着されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン吸気用フィルタ装置。