CN101532434A - 用于过滤燃气轮机进气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于过滤燃气轮机进气的装置。提供了一种进气处理系统。该系统包括空气气室、定位于该空气气室内的除湿系统和定位于该空气气室内且位于该除湿系统下游的空气过滤系统。该除湿系统包括多个S形叶片和网状结构，该多个S形叶片安装于该空气气室内且限定了蜿蜒的流动路径，该网状结构安装于该空气气室内该多个S形叶片下游。该空气过滤系统包括安装于空气气室内的多个过滤元件，各个过滤元件包括支承结构和定位成邻近该多个过滤元件的多个电极，这些电极中的各个电极联接到向电极提供电压的电源，预定电压足以在该电极与过滤元件之间形成静电场，且该电压足以由所述电极产生电晕放电。

Description

用于过滤燃气轮机进气的装置
技术领域
本发明的领域大体而言涉及用于从燃气轮机进气口移除颗粒物质的过滤方法和系统，且更具体地，涉及用于从燃气轮机进气口移除微粒的过滤方法和包括过滤元件和静电电极的系统。
背景技术
织物和纸过滤是从空气流分离出颗粒物质的常用技术。常在被称作袋式除尘器的器件中实现织物和纸过滤。已知的袋式除尘器包括具有入口和出口的壳体，入口用于接收脏的含颗粒的空气，洁净空气通过出口离开袋式除尘器。壳体的内部被管板分成脏空气或上游气室和洁净空气或下游气室，其中脏空气气室与入口流体连通且洁净空气气室与出口流体连通。管板典型地包括多个孔口且支承多个过滤元件，其中各个过滤元件覆盖这些孔口中的一个孔口。
已知的过滤元件可包括支承结构和织物或纸过滤介质。也被称作芯体的支承结构典型地具有圆柱形形状且为中空的。支承结构的壁可类似于筛或笼，或者可简单地包括多个穿孔，以使得流体可穿过该支承结构。该支承结构具有至少一个开口的端部且该端部能够在孔口处联接到管板。该支承结构从管板延伸到脏空气气室中。存在几种织物和纸过滤介质。“袋式”过滤介质是柔性的和/或柔韧的且被成形为类似袋子。筒式过滤介质相对刚性且是打褶的。过滤介质安装于支承结构的外面或外部部分周围。
在使用中，由于颗粒物质在过滤器上积累或结块，空气的流动速率减小且过滤器上的压力降增加。为了恢复所希望的流动速率，向过滤器施加反向压力脉冲(reverse pressure pulse)或其它机械能(例如，物理振动)或声能，或者其它机械能。反向压力脉冲使颗粒物质与过滤介质分离，颗粒物质然后落到脏空气气室的下部。
另外，在海洋环境中，水和/或盐浮质可造成过滤器上过量结块积聚且还可能会不利地影响用于航海应用—例如向船只提供动力—的燃气轮机的操作。这些水和/或盐浮质可造成燃气轮机的构件部分的化学腐蚀。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于燃气轮机的进气处理系统。该进气处理系统包括空气气室、定位于空气气室内的除湿系统和定位于空气气室内并位于除湿系统下游的空气过滤系统。除湿系统包括安装于空气气室内部的多个S形叶片和安装于空气气室内多个S形叶片下游的网状结构。S形叶片限定了蜿蜒的流动路径。空气过滤系统包括安装于空气气室内的多个过滤元件，其中各个过滤元件包括支承结构。空气过滤系统还包括定位成邻近该多个过滤元件的多个电极，其中电极联接到向其提供电压的电源。该电压足以在电极与过滤元件之间建立静电场，且同时预定电压足以由电极产生电晕放电。
在另一实施例中，提供了一种燃气轮机装置，其包括压缩机、联接到压缩机的空气入口、联接到压缩机的燃烧器、联接到燃烧器的涡轮、联接到涡轮的排气导管、联接到空气入口的空气气室以及定位于所述空气气室中的空气处理系统，该空气处理系统包括定位于空气气室内的除湿系统和定位于空气气室内并位于除湿系统下游的空气过滤系统。除湿系统包括安装于空气气室内的多个S形叶片，和安装于所述空气气室内多个S形叶片下游的网状结构。S形叶片限定了蜿蜒的流动路径。空气过滤系统包括安装于空气气室内的多个过滤元件，其中各个过滤元件包括支承结构。空气过滤系统还包括定位成邻近该多个过滤元件的多个电极，其中电极联接到向其提供电压的电源。该电压足以在电极与过滤元件之间建立静电场，且同时该电压足以由电极产生电晕放电。
附图说明
图1是示范性燃气轮机发动机组件的示意图。
图2是根据本发明的一实施例在图1中示出的气室的示意图。
图3是在图2中示出的叶片的顶部示意图。
图4是根据本发明的另一实施例在图1中示出的气室的示意图。
图5是说明了在施加电场和不施加电场的情况下所测得的微粒移除效率的图表。
图6是压力降vs所施加的电场的电流密度的图表。
部件列表
 
10 发动机
12 涡轮发动机
14 壳体
16 入口部分
18 发动机部分
20 排气部分
22 压缩机
24 燃烧器
26 高压涡轮
28 低压涡轮
30 空气入口
32 排气喷嘴
34 第一轴
36 被驱动的负载
38 第二轴
40 空气气室
41 进气处理系统
42 除湿系统
44 空气过滤系统
 
46 第一级
48 第二级
50 叶片
52 蜿蜒的流动路径
54 开口
56 第一收集腔室
58 不锈钢网状结构
60 第二收集腔室
72 过滤元件
74 管板
76 脏空气侧
77 洁净空气侧
78 支承元件
80 电极
82 电源
84 第三收集腔室
具体实施方式
图1是示范性燃气轮机发动机组件10的示意图，该燃气轮机发动机组件10包括安装于壳体14中的涡轮发动机12。涡轮发动机12包括入口部分16、发动机部分18和排气部分20。发动机部分18包括串联地连接的至少一个压缩机22、燃烧器24、高压涡轮26和低压涡轮28。入口部分16包括入口30，且排气部分20包括排气喷嘴32。燃气轮机发动机12可为任何已知的涡轮发动机，例如，在一个实施例中，发动机10为可自General Electric Company，Cincinnati，Ohio获得的LM2500发动机。当然，发动机10可为任何合适的涡轮发动机。压缩机22和高压涡轮26由第一轴34联接，且低压涡轮28和被驱动的负载36(例如，发电机)由第二轴38联接。
在操作中，空气流到发动机入口16中穿过压缩机22并被压缩。然后，压缩空气被导入到燃烧器24，在燃烧器24中压缩空气与燃料混合并被点燃。来自燃烧器24的空气流驱动旋转的涡轮26和28并通过排气喷嘴32而离开燃气轮机发动机12。
还参看图2，进气气室40可操作地联接到发动机入口部分16的空气入口30。空气气室40包含有包括除湿系统42和空气过滤系统44的空气处理系统41。除湿系统42在空气气室40中位于空气过滤系统44的上游。
除湿系统42具有第一级46和第二级48。第一级46包括定位于气室40中的多个S形叶片50以限定蜿蜒的流动路径52。叶片50包括延伸穿过其中的多个开口54(在图3中示出)，以允许所收集的水分向下流动并收集于定位于多个叶片50下方的第一收集腔室56中。第二级48包括纤维或不锈钢网状结构58以进一步从空气流中移除水分液滴。第二收集腔室60定位于纤维或不锈钢网状物58的下方以收集从经过除湿系统42的第二级48的空气流中移除的水分液滴。
空气过滤系统44包括安装于发动机入口部分16的空气入口30上游的空气气室40内的多个过滤元件72。各个过滤元件72安装于管板74上。管板74将气室40的脏空气侧76与空气气室40的洁净空气侧77分开。各个过滤元件72包括定位于过滤元件72内的接地的导电支承元件78。过滤元件72可为任何合适的过滤器类型，例如筒式过滤器(包括打褶的筒式过滤器)、袋式过滤器等。多个放电电极80被定位成基本上平行于过滤元件72且散布于过滤元件72之间。在图4中示出的备选实施例中，放电电极80定位成基本上垂直于过滤元件72并在过滤元件72上游。电极80电联接到电源82使得当电极80通电时在电极80与支承元件78之间建立电场。施加到电极80上的电压足以产生电场，并足以从电极80产生电晕放电。在一个实施例中，电压为大约15kV至大约50kV，且在另一实施例中，电压为大约30kV至大约40kV。使用低电流密度来产生高效的过滤。在一个实施例中，电流密度为大约4.0μA/ft2至大约15μA/ft2，且在另一实施例中，电流密度为大约6.0μA/ft2至大约10μA/ft2。
电极80利用负电荷使进来的灰尘在到达过滤元件72之前极化。当相似极性的灰尘到达织物元件72时，形成孔隙较多的灰尘结块。这种增强的通透性是由于带有相似电荷的微粒彼此排斥而造成的。以此方式，过滤元件72在以四比一的气布比运行的已知的脉冲喷射式(pulse jet)收集器中所经历的大约四分之一到三分之一的系统压力降下运行。第三收集腔室84位于过滤元件72下方以收集过滤元件72的清洁而造成的排污。
与常规脉冲喷射式织物过滤器相比，向进来的灰尘施加电场还提供了提高的收集效率。在过滤元件72上的灰尘造成额外的灰尘在带电荷的层上盘旋。这防止细微灰尘堵塞过滤元件72，过滤元件的堵塞是系统压力降增加的常见原因。图5示意了反映了在施加电场和不施加电场的情况下所测得的微粒移除效率的图表。X轴反映微粒直径为0.01微米至1.0微米而Y轴代表通透百分比(数字越小越好)。结果表明当施加电场时，离开气室40的灰尘量减少大约两个数量级。这种质量排放量的减小发生在所有微粒直径上，但当考虑细微灰尘时尤为明显。
为了获得图5所示的收集效率和压力降益处，向织物过滤器施加电场。如图6所示，在非常低的电流密度下得到这些益处。Y轴示出压力降，K2，而X轴示出电流密度。一旦施加到总的过滤元件面积上的电流量达到高于6μA/ft2的水平，压力降的改进就变稳定。因此，得到这些益处所必需的功率量相对较低。因此，由于上游电场，到达过滤元件72表面的灰尘量减小大约80％至大约90％，从而有助于更大的气体流量。
电极80维持在过滤元件72的织物屏障处所收集的灰尘层上的电荷。从而不依赖于减小的含尘量来实现高的气布比。此外，到达过滤元件72的粒度分布代表入口分布的截面。上文所述的空气过滤系统44的这两个条件提供提高效率和长期操作。特定而言，上文所述的空气过滤系统符合工业标准ARAMCO的200小时空气过滤系统测试的要求。这个200小时测试方法在2005年10月26日颁布的名称为“INLET AIR FILTRATION SYSTEMS FORCOMBUSTION GAS TURBINES”的Saudi Aramco材料系统规范32-SAMSS-008(Saudi Aramco Materials System Specification32-SAMSS-008)，附录II，第2部分中有描述
除湿系统42移除水和/或盐浮质，这防止了在过滤元件72上过量结块积聚，从而提高了空气过滤系统44的效率。此外，水和/或盐浮质的移除便于防止燃气轮机发动机组件10的构件部分的化学腐蚀。
在上文中详细地描述了空气处理系统41的示范性实施例。但空气处理系统41并不限于本文所描述的具体实施例，而是该系统的构件可单独地且独立于本文所述的其它构件来利用。而且，上文所述的系统可与除了燃气轮机之外的许多其它装置组合地实施和利用。
虽然已关于各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到可通过处于所附权利要求书的精神和范畴内的修改来实践本发明。

Claims (10)

1.一种进气处理系统(41)，所述进气处理系统包括：
空气气室(40)；
定位于所述空气气室内的除湿系统(42)；以及
定位于所述空气气室内且位于所述除湿系统下游的空气过滤系统(44)；
所述除湿系统包括：
安装于所述空气气室内的多个S形叶片(50)，所述S形叶片限定了蜿蜒的流动路径(52)；以及
安装于所述空气气室内、所述多个S形叶片下游的网状结构(58)；
所述空气过滤系统包括：
安装于所述空气气室内的多个过滤元件(72)，各个所述过滤元件包括支承结构(78)；以及
定位成邻近所述多个过滤元件的多个电极(80)，各个所述电极联接到向所述电极提供电压的电源(82)，所述预定电压足以在所述电极与所述过滤元件之间建立静电场，且所述电压足以由所述电极产生电晕放电。
2.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，各个所述S形叶片(50)包括延伸穿过其中的多个开口(54)。
3.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述电压为大约15kV至大约50kV。
4.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述电压为大约30kV至大约35kV。
5.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，施加到所述过滤元件(72)上的电流量为大约4.0μA/ft2至大约15μA/ft2。
6.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，施加到所述过滤元件(72)上的电流量为大约6.0μA/ft2至大约10μA/ft2。
7.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述多个过滤元件(72)包括多个袋式过滤元件。
8.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述多个过滤元件(72)包括多个管式过滤元件。
9.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述多个电极(80)被定位成基本上平行于所述多个过滤元件(72)且散布于所述多个过滤元件(72)之间。
10.根据权利要求1所述的进气处理系统(41)，其特征在于，所述多个电极(80)被定位成基本上垂直于所述多个过滤元件(72)且在所述多个过滤元件(72)上游。
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