DE102011001293A1

DE102011001293A1 - Vorrichtung zur Filterung von Gasturbineneinlassluft

Info

Publication number: DE102011001293A1
Application number: DE102011001293A
Authority: DE
Inventors: Jamison William Janawitz; Bradley S. Rogers; James Easel Roberts; Thomas Shannon Eckhoff; Robert Warren Taylor
Original assignee: BHA Group Inc
Current assignee: BHA Altair LLC
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CN102247735A; US8038776B2; US20100175389A1

Abstract

Ein Einlassluftfiltersystem (41) wird geschaffen. Das Einlassluftfiltersystem weist eine Luftkammer (40), eine Anzahl von Filterelementen (42), die innerhalb der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist, und eine Anzahl von Elektroden (50) auf, die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Elektrode mit einer Energiequelle (52) gekoppelt ist, die eine Spannung an die mehreren Elektroden anlegt, die ausreicht, um zwischen den mehreren Elektroden und den mehreren Filterelementen ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, wobei die Spannung ausreicht, eine Koronaentladung von den mehreren Elektroden hervorzurufen, wobei ein Wert des Stroms, der den mehreren Filterelementen zugeführt wird, etwa 1,1 μA/qm2 bis etwa 161 μA/qm2 beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Gebiet der Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Filterverfahren und -system zum Entfernen von partikelförmigem Material aus einem Gasturbinenlufteinlass und im Einzelnen auf ein Filterverfahren und ein Filtersystem, das Filterelemente und elektrostatische Entladungselektroden zum Entfernen von partikelförmigem Material aus dem Gasturbinenlufteinlass enthält.
Die Stoff- oder Gewebefilterung ist eine gebräuchliche Vorgehensweise zum Abtrennen von partikelförmigem Material in einem Luftstrom. Die Gewebefilterung wird häufig in einer Vorrichtung ausgeführt, die als ein Schlauch- oder Beutelfilter bekannt ist. Bekannte Beutelfilter enthalten ein Gehäuse, das einen Einlass zur Aufnahme verunreinigter partikelhaltiger Luft und einen Auslass aufweist, durch den saubere Luft den Beutelfilter verlässt. Das Innere des Gehäuses ist durch eine Rohrplatte in eine stromaufwärtige Kammer für verunreinigte Luft und eine stromabwärtige Kammer für saubere Luft unterteilt, wobei sich die Kammer für verunreinigte Luft in Fluidverbindung mit dem Einlass und die Kammer für saubere Luft in Fluidverbindung mit dem Auslass befindet. Die Rohrplatte weist typischerweise eine Anzahl von Öffnungen auf und trägt eine Anzahl von Filterelementen, wobei jedes Filterelement eine der Öffnungen bedeckt.
Bekannte Filterelemente können eine Trägerstruktur und ein Gewebefiltermedium aufweisen. Die Trägerstruktur, die auch als Kern oder Filterkorb bezeichnet wird, weist typischerweise eine zylindrische Form auf und ist hohl. Die Wände der Trägerstruktur können einem Schirm oder einem Käfig ähnlich sein oder einfach eine Anzahl von Perforationen aufweisen, so dass ein Fluid durch die Trägerstruktur hindurch strömen kann. Die Trägerstruktur weist wenigstens ein Ende auf, das offen und dazu geeignet ist, an einer Öffnung mit der Rohrplatte verbunden zu werden. Die Trägerstruktur erstreckt sich von der Rohrplatte in die Kammer für verunreinigte Luft hinein. Es gibt verschiedene Typen von Gewebefiltermedien. Ein „Beutelfilter”-Medium ist flexibel und/oder biegsam und wie ein Beutel geformt. Ein Einsatzfiltermedium ist relativ starr und plissiert. Das Filtermedium ist um das Äußere oder den äußeren Abschnitt der Trägerstruktur herum angebracht.
Während des Gebrauchs verringert sich der Durchsatz von Luft, während der Druckabfall über den Filtern ansteigt, wenn sich partikelförmiges Material an den Filtern ansammelt und aneinander haftet. Um den gewünschten Durchsatz wiederherzustellen, wird ein Druckimpuls in der Gegenrichtung auf die Filter gegeben. Der umgekehrte Druckimpuls trennt das partikelförmige Material von dem Filtermedium, wobei das Material danach in den unteren Bereich der Kammer für verunreinigte Luft fällt.
Eine elektrostatische Vorrichtung, wie z. B. ein elektrostatischer Filter bzw. Abscheider, kann auch zum Abtrennen von partikelförmigem Material aus einem Luftstrom verwendet werden. In einem elektrostatischen Abscheider wird partikelförmiges Material elektrisch aufgeladen und danach durch die Wirkung eines elektrischen Feldes eingesammelt. Ein elektrostatischer Abscheider enthält eine Entladungselektrode, die auf einer Hochspannung gehalten wird, und eine nicht entladende Elektrode, die auf einer relativ niedrigeren Spannung oder auf Masse gehalten wird. Wenn der partikelhaltige Luftstrom an den Elektroden vorbei strömt, bewirkt das elektrische Feld, das zwischen den Elektroden vorhanden ist, ein Aufladen eines Teils der vorbei strömenden Partikel und bewirkt, dass diese sich auf der nicht entladenden Elektrode sammeln.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt wird ein Einlassluftfiltersystem für eine Gasturbine geschaffen. Das Einlassluftfiltersystem weist eine Luftkammer und eine Anzahl von Filterelementen auf, die innerhalb der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist. Das Einlassluftfiltersystem weist auch eine Anzahl von Elektroden auf, die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei die Elektroden mit einer Energiequelle gekoppelt sind, die eine Spannung an die Elektroden anlegt. Die Spannung ist ausreichend, um ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden und den Filterelementen zu erzeugen und eine Koronaentladung von den Elektroden hervorzurufen, wobei der Betrag des Stroms, der den Filterelementen zugeführt wird, etwa 1,1 μA/m² bis etwa 161 μA/m² (0,1–15 μA/Quadratfuß) beträgt.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Gasturbinenanlage geschaffen, die einen Verdichter, einen mit dem Verdichter verbundenen Lufteinlass, eine mit dem Verdichter verbundene Brennkammer, eine mit der Brennkammer verbundene Turbine, eine mit der Turbine verbundene Auslassleitung, eine mit dem Lufteinlass verbundene Luftkammer und ein in der Luftkammer angeordnetes Luftfiltersystem aufweist. Das Luftfiltersystem weist eine Anzahl von Filterelementen auf, die innerhalb der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist. Das Einlassluftfiltersystem enthält auch eine Anzahl von Elektroden, die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei die Elektroden mit einer Energiequelle gekoppelt sind, die eine Spannung an die Elektroden anlegt. Die Spannung reicht aus, um zwischen den Elektroden und den Filterelementen ein elektrostatisches Feld zu erzeugen und eine Koronaentladung von den Elektroden erzeugen, wobei der Betrag des Stroms, der den Filterelementen zugeführt wird, etwa 1,1 μA/m² bis etwa 161 μA/m² (0,1–15 μA/Quadratfuß) beträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenanlagenanordnung.
2 ist eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Kammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Kammer gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm, das die Wirksamkeit der Partikelentfernung, die mit und ohne angelegtes elektrisches Feld gemessen worden ist, darstellt.
5 ist ein Diagramm des Filterwiderstandes gegenüber der Stromdichte eines angelegten elektrischen Feldes.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenanlagenanordnung 10, die eine Turbinenanlage 12 enthält, die in einem Gehäuse 14 montiert ist. Die Turbinenanlage 12 weist einen Einlassbereich 16, einen Maschinenbereich 18 und einen Auslassbereich 20 auf. Der Maschinenbereich 18 enthält wenigstens einen Verdichter 22, eine Brennkammer 24, eine Hochdruckturbine 26 und eine Niederdruckturbine 28, die in Reihe verbunden sind. Der Einlassbereich 16 enthält einen Lufteinlass 30, und der Auslassbereich 20 enthält eine Auslassdüse 32. Die Gasturbinenanlage 12 kann irgendeine bekannte Turbinenanlage sein, z. B. ist die Anlage 12 in einem Ausführungsbeispiel eine LM2500-Anlage, die von General Electric Company, Schenectady, New York, kommerziell erhältlich ist. Die Anlage 10 kann natürlich irgendeine geeignete Turbinenanlage sein. Der Verdichter 22 und die Hochdruckturbine 26 sind über eine erste Welle 34 gekoppelt, und die Niederdruckturbine 28 und eine angetriebene Last 36, z. B. ein elektrischer Generator, sind über eine zweite Welle 38 gekoppelt.
Im Betrieb strömt Luft in den Anlageneinlass 16 hinein durch den Verdichter 22 hindurch und wird verdichtet. Die verdichtete Luft wird danach zu der Brennkammer 24 geleitet, wo sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird. Der Luftstrom aus der Brennkammer 24 treibt die rotierenden Turbinen 26 und 28 an und verlässt die Gasturbinenanlage 12 durch die Auslassdüse 32.
Unter Bezug auf 2: Eine Einlassluftkammer 40 ist betrieblich mit dem Lufteinlass 30 des Anlageneinlassbereiches 16 verbunden. Die Luftkammer 40 nimmt ein Luftfiltersystem 41 auf, das eine Anzahl von Filterelementen 42 enthält, die innerhalb der Luftkammer 40 stromaufwärts von dem Lufteinlass 30 des Anlageneinlassbereiches 16 angebracht sind. Jedes Filterelement 42 ist an einer Rohrplatte 44 angebracht. Die Rohrplatte 44 trennt eine Seite 46 der verunreinigten Luft der Kammer 40 von einer Seite 47 mit sauberer Luft der Kammer 40. Jedes Filterelement 42 weist ein geerdetes, elektrisch leitfähiges Trägerelement 48 auf, das innerhalb des Filterelementes 42 angeordnet ist. Die Filterelemente 42 können von einem beliebigen geeigneten Filtertyp, z. B. Kerzenfilter, einschließlich plissierter Kerzenfilter, Beutelfilter und dergleichen sein. Eine Anzahl von Entladungselektroden 50 sind im Wesentlichen parallel zu den Filterelementen 42 angeordnet und den Filterelementen 42 zwischengelagert. In einer alternativen Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, sind die Entladungselektroden 50 im Wesentlichen senkrecht zu den Filterelementen 42 und stromaufwärts von diesen angeordnet. Die Elektroden 50 sind elektrisch mit einer Energiequelle 52 gekoppelt, so dass ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden und den Trägerelementen 48 aufgebaut wird, wenn die Elektroden 50 mit Energie versorgt werden. Die an die Elektroden 50 angelegte Spannung reicht aus, um das elektrische Feld zu erzeugen und eine Koronaentladung von den Elektroden 50 hervorzurufen. In einer Ausführungsform beträgt die Spannung etwa 5 kV bis etwa 50 kV, und in einer anderen Ausführungsform etwa 15 kV bis etwa 35 kV. Um eine effiziente Filterung zu bewirken, werden niedrige Stromdichten verwendet. In einer Ausführungsform beträgt die Stromdichte etwa 1,1 μA/m² bis etwa 161 μA/m² (0,1–15 μA/Quadratfuß), in einem anderen Ausführungsbeispiel etwa 5,4 μA/m² bis etwa 108 μA/m² (0,5–10 μA/Quadratfuß) und in noch einem weiteren Ausführungsbeispiel etwa 11 μA/m² bis etwa 86 μA/m² (1,0–8,0 μA/Quadratfuß).
Die Elektroden 50 polarisieren eintretenden Staub mit einer negativen Ladung, bevor dieser das Filterelement 42 erreicht. Wenn Staub mit gleicher Polarität das Gewebeelement 42 erreicht, wird ein poröserer Filterkuchen gebildet. Diese erhöhte Permeabilität ergibt sich durch die gleich geladenen Partikel, die einander abstoben. Auf diese Weise arbeitet das Filterelement 42 bei einem Systemdruckabfall von etwa einem Viertel bis einem Drittel desjenigen Druckabfalls, der bei einem bekannten Pulse Jet-Kollektor auftritt, der mit einer Filterflächenbelastung (Air-To-Cloth-Ratio) von vier zu eins (2,0 cm/s) arbeitet.
Die Anwendung eines elektrischen Feldes auf den eintretenden Staub ermöglicht auch eine gesteigerte Effizienz der Erfassung im Vergleich zu einem konventionellen Pulse Jet-Gewebefilter. Der Staub an dem Filterelement 42 bewirkt, dass weiterer Staub sich um die geladene Schicht herum bewegt. Dies hindert feinen Staub daran, das Filterelement 42 zu verstopfen, eine übliche Ursache für einen Anstieg des Systemdruckabfalls. 4 stellt ein Diagramm dar, das die Effizienz der Partikelentfernung wiedergibt, die mit und ohne das angelegte elektrische Feld gemessen worden ist. Die X-Achse stellt den Partikeldurchmesser von 0,01 Mikrometer bis 1,0 Mikrometer dar, während die Y-Achse den Durchlassanteil wiedergibt (wobei niedrigere Zahlen besser sind). Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge des aus der Kammer 40 austretenden Staubes um etwa zwei Größenordnungen abnimmt, wenn das elektrische Feld angelegt ist. Diese Verringerung der Massenemission tritt über den gesamten Bereich von Partikeldurchmessern auf, ist aber besonders deutlich, wenn feiner Staub betrachtet wird.
Um die in 4 gezeigten Vorteile hinsichtlich der Erfassungseffizienz und des Druckabfalls zu erreichen, wird an den Gewebefilter ein elektrisches Feld angelegt. Wie in 5 gezeigt werden diese Vorteile bei sehr niedrigen Stromdichten erreicht. Die Y-Achse zeigt den Filterwiderstand, und die X-Achse zeigt die Stromdichte. Der Ausdruck Filterwiderstand ist ein Ausdruck des erwarteten Druckverlustes in dem Filter. Der maximale Druckverlustwert wird beobachtet, wenn dem Gewebefilter kein Strom zugeführt wird. Sobald der Betrag des dem gesamten Filterelementbereich zugeführten Stroms einen Wert über 65 μA/m² (6,0 μA/Quadratfuß) erreicht, stabilisiert sich die Verbesserung des Filterwiderstandes. Im Ergebnis ist die Energiemenge, die zum Erzielen dieser Vorteile notwendig ist, relativ gering. Das Anlegen des elektrischen Feldes erzeugt Partikel mit „gleichartiger” Ladung, die einander abstoßen, wenn sie auf der Oberfläche des Filterbeutels abgelagert werden. Es wird angenommen, dass das Anlegen des elektrischen Feldes bewirkt, dass sich feine Partikel auf gröberen Partikeln ansammeln, wodurch die Eindringwerte von Partikeln in das Filtermedium hinein verringert werden, was einen größeren Gasstrom ermöglicht.
Die Elektroden 50 erhalten die Ladung auf der Staubschicht, die an der Gewebebarriere der Filterelemente 42 gesammelt worden ist. Im Ergebnis ist kein Verlass auf eine verringerte Staublast, um höhere Filterbelastungen zu erreichen. Außerdem gibt die Partikelgrößenverteilung der das Filterelement 42 erreichenden Partikel den Querschnitt der Einlassverteilung wieder. Diese beiden Bedingungen des oben beschriebenen Luftfiltersystems 41 bewirken eine erhöhte Effizienz und ermöglichen einen Langzeitbetrieb. Im Einzelnen erfüllt das oben beschriebene Luftfiltersystem die Anforderungen des 200-stündigen Luftfiltersystemtests gemäß dem Industriestandard ARAMCO. Dieser 200-Stunden-Testvorgang ist in der am 26. Oktober 2005 herausgegebenen Saudi Aramco Materials System Specification 32-SAMSS-008 mit dem Titel „Einlassluftfiltersysteme für Verbrennungsgasturbine", Anhang II, Phase 2 beschrieben.
Beispielhafte Ausführungsformen eines Luftfiltersystems 41 sind oben im Einzelnen beschrieben. Das Luftfiltersystem 41 ist nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme können vielmehr unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Auch kann das oben beschriebene System in Verbindung mit zahlreichen anderen Vorrichtungen als Gasturbinen in die Praxis umgesetzt und verwendet werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, die die beste Art enthalten und einen Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung der enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Bereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen. Es ist beabsichtigt, dass derartige weitere Beispiele innerhalb des Bereiches der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von dem Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nur unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Ein Einlassluftfiltersystem 41 wird geschaffen. Das Einlassluftfiltersystem weist eine Luftkammer 40, eine Anzahl von Filterelementen 42, die innerhalb der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist, und eine Anzahl von Elektroden 50 auf, die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Elektrode mit einer Energiequelle 52 gekoppelt ist, die eine Spannung an die mehreren Elektroden anlegt, die ausreicht, um zwischen den mehreren Elektroden und den mehreren Filterelementen ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, wobei die Spannung ausreicht, eine Koronaentladung von den mehreren Elektroden hervorzurufen, wobei ein Wert des Stroms, der den mehreren Filterelementen zugeführt wird, etwa 1,1 μA/qm² bis etwa 161 μA/qm² beträgt.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenanlagenanordnung
12: Gasturbinenanlage
14: Gehäuse
16: Einlassbereich
18: Maschinenbereich
20: Auslassbereich
22: Verdichter
24: Brennkammer
26: Hochdruckturbine
28: Niederdruckturbine
30: Lufteinlass
32: Auslassdüse
34: Erste Welle
36: Angetriebene Last
38: Zweite Welle
40: Luftkammer
41: Luftfiltersystem
42: Filterelement
44: Rohrplatte
46: Seite der verunreinigten Luft
47: Seite der sauberen Luft
48: Trägerelement
50: Elektrode
52: Energiequelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

200-Stunden-Testvorgang ist in der am 26. Oktober 2005 herausgegebenen Saudi Aramco Materials System Specification 32-SAMSS-008 mit dem Titel „Einlassluftfiltersysteme für Verbrennungsgasturbine”, Anhang II, Phase 2 [0019]

Claims

Einlassluftfiltersystem (41), das aufweist: eine Luftkammer (40); eine Anzahl von Filterelementen (42), die innerhalb der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist; und eine Anzahl von Elektroden (50), die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Elektrode mit einer Energiequelle (52) verbunden ist, die eine Spannung an die mehreren Elektroden anlegt, wobei die Spannung zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen den mehreren Elektroden und den mehreren Filterelementen ausreichend ist und die Spannung zum Erzeugen einer Koronaentladung von den mehreren Elektroden ausreichend ist, wobei der Betrag des Stroms, der den mehreren Filterelementen zugeführt wird, von etwa 1,1 μA/m² bis etwa 161 μA/m² beträgt.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die Spannung von etwa 5 kV bis etwa 50 kV beträgt.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die Spannung etwa 15 kV bis etwa 35 kV beträgt.
Einlassluftfiltersystem nach Anspruch 1, bei dem der Wert des Stroms, der den mehreren Filterelementen (42) zugeführt wird, etwa 5,4 μA/m² bis etwa 108 μA/m² beträgt.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem der Wert des Stroms, der den mehreren Filterelementen (42) zugeführt wird, etwa 11 μA/m² bis etwa 86 μA/m² beträgt.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Filterelemente (42) eine Anzahl von Beutelfilterelementen aufweisen.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Filterelemente (42) eine Anzahl von Kerzenfilterelementen aufweist.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Elektroden (50) im Wesentlichen parallel zu den mehreren Filterelementen (42) angeordnet und zwischen diesen zwischengelagert angeordnet sind.
Einlassluftfiltersystem (41) nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Elektroden (50) im Wesentlichen senkrecht zu den mehreren Filterelementen (42) und stromaufwärts von diesen angeordnet sind.
Gasturbinenvorrichtung (10), die aufweist: einen Verdichter (22); einen Lufteinlass (30), der mit dem Verdichter verbunden ist; eine Brennkammer (24), die mit dem Verdichter verbunden ist; eine Turbine (12), die mit der Brennkammer verbunden ist; einen Auslassleitung, die mit der Turbine verbunden ist; eine Luftkammer (40), die mit dem Lufteinlass verbunden ist; und ein Luftfiltersystem (41), das in der Luftkammer angeordnet ist und aufweist: eine Anzahl von Filterelementen (42), die in der Luftkammer angebracht sind, wobei jedes Filterelement eine Trägerstruktur aufweist; und eine Anzahl von Elektroden (50), die nahe bei den mehreren Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Elektrode mit einer Energiequelle verbunden ist, die eine Spannung an die mehreren Elektroden anlegt, wobei die Spannung zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen den mehreren Elektroden und den mehreren Filterelementen sowie zum Erzeugen einer Koronaentladung von den mehreren Elektroden ausreichend ist, wobei ein Betrag des Stroms, der den mehreren Filterelementen zugeführt wird, etwa 1,1 μA/qm² bis etwa 161 μA/qm² beträgt.