用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰和對入口空氣過濾器除溼的系統和方法
2023-06-22 03:39:31
用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰和對入口空氣過濾器除溼的系統和方法
【專利摘要】本發明公開一種用於對燃氣渦輪發動機除冰的系統。歧管聯接到入口濾網。第一導管聯接到壓縮機的一個級和混合部件的第一輸入端。第二導管聯接到排氣口和所述混合部件的第二輸入端。所述第二導管適用於抽取廢氣而不增加所述排氣口處的壓力。第三導管聯接到所述混合部件的所述輸出端和所述歧管。本發明還公開一種用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰的方法，所述方法包括確定所述入口濾網處的當前溫度以及確定所述入口濾網處的所需溫度。如果所述入口濾網處的所述當前溫度小於所述入口濾網處的所述所需溫度，則計算實現所述所需入口濾網溫度所必需的空氣廢氣混合物的第一流速。
【專利說明】用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰和對入口空氣過濾器除溼的系統和方法
【技術領域】
[0001]本說明書所公開的主題總體上涉及燃氣渦輪發動機，且更具體來說涉及防止燃氣渦輪發動機入口濾網積冰的方法和系統。
【背景技術】
[0002]通常，燃氣渦輪發動機包括用於壓縮進入空氣的壓縮機、用於將燃料與壓縮空氣混合併點燃燃料/空氣混合物以形成高溫氣流的燃燒器以及由高溫氣流驅動的渦輪區段。
[0003]燃氣渦輪發動機在全球範圍內在各種氣候條件下用於發電或用作操作泵和壓縮機的機械驅動器。冷環境溫度和高溼度條件下的操作通常導致冰積聚在渦輪機入口過濾室部件上。通常，在空氣過濾元件(防鳥網、水分分離器、聚結物過濾器和過濾模塊)上的這種冰積聚嚴重到足以限制空氣流以及增加過濾室上的入口空氣壓降，從而導致燃燒渦輪機性能損失或甚至關機。當作為液體或固體在接近或低於冰凍(溼雪、凍雨等)的溫度下攝取的水附著到大部分暴露表面時沉澱積冰形成，從而導致冰積聚。而且，在飽和冷卻空氣與較冷的過濾室表面接觸時，發生冰形成。
[0004]管理入口冰積聚的一種常見方法是移除安裝在氣候防護罩(weather hood)中的水分分離器和聚結物過濾器並且使用熱空氣或供應有蒸汽或熱水/乙二醇混合物的加熱線圈加熱空氣過濾器模塊上遊的環境空氣。
[0005]根據典型的現有技術防積冰系統，通過將旁通閥定位在排氣煙?通道中來使廢氣再循環。這允許足夠的熱廢氣持續再循環到入口以便維持渦輪機入口空氣溫度最小處於+40F。這種方法具有增加渦輪機排氣口處的壓力的缺點，從而對燃氣渦輪發動機的性能造成負面影響。
[0006]另一種類型的防積冰系統使用定位在入口過濾器前面的加熱線圈來在促進冰形成在空氣過濾器、內部過濾室壁以及下遊燃氣渦輪機部件(諸如入口導向葉片和壓縮機第一級葉片)上的環境條件過程中提供加熱。對於基於線圈的系統，以熱水/乙二醇混合物或低壓(LP)蒸汽的形式對線圈供應加熱。這種方法增加了資金成本並且可以通過由於由(例如)加熱線圈強加的額外氣流限制(壓降)所引起的運行年限(operating year)而對生產效率造成負面影響。
[0007]另一種方法是提供定位在渦輪機的入口空氣過濾室上或鄰近所述過濾室的多個加熱面板(束)。每個加熱面板均設有一個或多個電阻加熱元件。還提供用於選擇性地啟動多個加熱面板的每一個上的電阻加熱元件。
【發明內容】
[0008]本發明提供針對防止冰積聚在燃氣渦輪發動機入口濾網上、而無顯著性能損失的問題的解決方案。
[0009]根據一個示例性非限制性實施例，本發明涉及一種用於加熱燃氣渦輪機中的入口濾網的方法。所述方法包括確定當前入口濾網溫度和確定所需入口濾網溫度。如果當前入口濾網溫度小於所需入口濾網溫度，則所述方法包括計算實現所需入口濾網溫度所必需的空氣廢氣混合物的第一流速。所述方法還包括從渦輪機廢氣子系統中抽取一定量的廢氣而不增加所述渦輪機廢氣子系統處的壓力、從壓縮機級中抽取一定量的空氣以及將所述量的廢氣與所述量的空氣混合以生成空氣廢氣混合物。所述方法還包括將所述空氣廢氣混合物傳輸至入口濾網，所述空氣廢氣混合物以相當於第一流速的流速傳輸。
[0010]在另一個實施例中，一種系統包括壓縮機、具有排氣口的渦輪機以及入口濾網。歧管聯接到入口濾網。提供具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的混合部件。第一導管聯接到壓縮機的一個級和混合部件的第一輸入端。第二導管聯接到排氣口和混合部件的第二輸入端，其中所述第二導管適用於抽取廢氣而不增加排氣口處的壓力。第三導管聯接到混合部件的輸出端和歧管。
[0011]在另一個實施例中，提供一種包括壓縮機、燃燒系統、渦輪機和渦輪機廢氣子系統的系統。所述系統包括聯接到壓縮機的壓縮機入口和聯接到壓縮機入口的入口濾網。歧管聯接到入口濾網。適用於從壓縮機抽取空氣的壓縮機抽取子系統聯接到壓縮機的一個級。適用於抽取廢氣而不增加廢氣子系統處的壓力的廢氣抽取子系統聯接到渦輪機廢氣子系統。混合部件聯接到壓縮機抽取子系統和廢氣抽取子系統。混合部件適用於將空氣和廢氣混合以生成空氣廢氣混合物。所述系統包括聯接到混合部件和歧管的、將空氣廢氣混合物傳輸到歧管的第一導管。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]通過結合附圖閱讀以下對優選實施例的更詳細描述，將清楚地了解本發明的其他特徵和優勢，所述附圖以示例方式示出本發明某些方面的原理。
[0013]圖1是一種用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰的系統的實施例的示意圖。
[0014]圖2是一種用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰的系統中所使用的控制系統的實施例的示意圖。
[0015]圖3是一種用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰的系統的替代實施例。
[0016]圖4是一種用於對燃氣渦輪發動機入口濾網除冰的系統的替代實施例。
[0017]圖5是說明一種用於對燃氣渦輪入口濾網除冰的方法的流程圖。
[0018]圖6是說明一種用於對燃氣渦輪入口濾網除冰的方法中的額外步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中示出具有入口濾網除冰能力的燃氣渦輪機系統100的實施例。燃氣渦輪機系統100可以包括一個或多個燃氣渦輪發動機101。每個燃氣渦輪發動機101均包括壓縮進入空氣流的壓縮機105。壓縮機105將壓縮空氣流輸送到燃燒子系統110，在所述燃燒子系統110中壓縮空氣流與壓縮燃料流混合併且所述混合物被點燃以形成壓縮氣體流。所述燃燒氣體流進而輸送到渦輪機115並驅動渦輪機115產生機械功。渦輪機115中產生的機械功驅動壓縮機105和外部負載(例如，發電機)。所述燃燒氣體流可以通過廢氣子系統120排出到煙囪或以其他方式進行處置。
[0020]燃氣渦輪發動機101可以包括具有鉸接式入口導向葉片組件130壓縮機入口子系統125，所述入口導向葉片組件130在燃氣渦輪發動機101內大致周向地延伸。
[0021]燃氣渦輪發動機101可以包括入口濾網135或過濾室，所述過濾室包括具有多個入口空氣過濾器136的過濾器組件，所述入口空氣過濾器136從弓I導至燃氣渦輪發動機101的空氣中去除水分和顆粒物(如灰塵和/或碎屑)。
[0022]燃氣渦輪機系統100還可以包括用於從壓縮機105的一個級中抽取一定量的壓縮空氣的壓縮機旁通導管140 (第一導管)。與壓縮機旁通導管140相關聯的是第一導管控制子系統145，所述第一導管控制子系統145可以包括第一導管控制閥150和第一導管流傳感器155。燃氣渦輪機系統100還包括廢氣旁通導管160 (第二導管)和第二導管控制子系統165。廢氣旁通導管160從廢氣子系統120中抽取一定量的廢氣，而不增加廢氣子系統120處的壓力(例如，通過抽吸)。第二導管控制子系統165可以包括第二導管截斷閥170。流過廢氣旁通導管160的廢氣可以與來自過濾空氣源175的過濾空氣混合。過濾空氣的量通過過濾空氣控制閥180進行控制。替代的未過濾空氣源176是未過濾的並且通過控制閥181來控制，並且可以與廢氣旁通導管160中的流混合。
[0023]將來自壓縮機旁通導管140的空氣與來自廢氣旁通導管160的廢氣(它們可以與或不與過濾空氣或未過濾空氣混合)在混合部件185 (例如像，噴射器)中混合。如所屬領域的技術人員所已知，噴射器是不要求任何移動零件能夠從某一區域泵出液體或氣體的某種類型的噴射式泵。這些泵利用它們的結構將來自一種流體的能量通過文丘裡效應轉移至另一種流體。在噴射器中，驅動流體(來自壓縮機105的壓縮空氣)經過噴射器的噴嘴，從而將壓縮能量轉化成射流。其結果是所述射流前面的流體移位，從而在噴嘴的出口處產生低壓區域。使廢氣通過噴射器的分支入口吸入，從而形成抽吸流。將壓縮空氣和吸入廢氣在它們移動穿過噴射器的擴散器時混合。這種空氣廢氣混合物的速度能量轉化成壓力能量，以使得空氣廢氣混合物從噴射器通過強於抽吸壓力的背壓排放。
[0024]將空氣和廢氣的混合物傳輸到第三導管190。空氣與廢氣的混合物的一部分可以通過入口引氣加熱導管(IBH導管195)傳輸到入口引氣加熱歧管(IBH歧管200)。傳輸到IBH歧管200的空氣與廢氣的混合物的量通過IBH旁通控制閥205控制。還可以將空氣廢氣混合物的一部分通過入口濾網導管210傳輸到防積冰歧管215。傳輸到防積冰歧管215的空氣廢氣混合物的量通過入口濾網控制閥220控制。使空氣與廢氣的混合物與來自環境空氣進口 225的環境空氣進一步組合。在第三導管190中的整個流傳輸到防積冰歧管215的情況下，可以使用替代未過濾空氣源176以便最小化入口空氣過濾器136上的負荷。
[0025]在操作中，使來自壓縮機105的一個級的壓縮空氣(在溫度Tcsn下)傳輸到混合部件185。廢氣(在溫度Tex下)由於在混合部件185 (例如，噴射器)處形成的較低壓力而從廢氣子系統120中抽取出來，而不增加廢氣子系統120處的壓力。傳輸到混合部件185的壓縮空氣和廢氣的量取決於入口濾網135處的所需溫度(所需Tis)、入口濾網135處的實際溫度(Tis實際)、入口空氣過濾器136處的所需溫度(所需Tfilter)、壓縮機入口處的所需溫度(所需Tinlet)、壓縮機入口子系統125處的實際溫度(實際Tinlet)以及環境溫度(Tamb)。空氣或氣體的相對量使用質量流計算來計算並且通過第一導管控制閥150、第二導管截斷閥170、IBH旁通控制閥205以及入口濾網控制閥220來控制。
[0026]如圖2中所示，第一導管控制閥150、第二導管截斷閥170、IBH旁通控制閥205、過濾空氣控制閥180、控制閥181以及入口濾網控制閥220的位置由控制器235控制。控制器235還可以接收來自第一導管流傳感器155的輸入等等。控制器235可以是獨立控制器或與燃氣渦輪控制系統整合。
[0027]燃氣渦輪控制系統的實例是通用電氣公司的Speedtronic? Mark VI?控制系統，所述控制系統設計用於滿足全部燃氣渦輪控制要求，包括速度和負載控制功能，其作用來控制部分負載條件下的燃料流；以及溫度控制，所述溫度控制限制燃料流的最大程度以與實現額定點火溫度一致，並且通過入口導向葉片控制空氣流。Mark VI?控制系統還處理輔助設備的排序以允許完全自動化的啟動、關機和冷卻。基本系統併入有針對不利操作條件的燃氣渦輪機系統保護和對異常條件的通告。因此，控制系統執行很多功能，包括燃料、空氣和排放控制；燃料和針對啟動、關機和冷卻的輔助設備的排序；發電機和系統的同步和電壓匹配；所有渦輪機的監測；控制和輔助功能；以及針對不安全和不利操作條件的保護。所有這些功能均以一種集成方式執行以便執行所需預編程和/或操作員輸入的控制原理。
[0028]在另一個實施例中，如圖3中所示，壓縮機旁通導管140可以聯接到壓縮機出口221。使來自壓縮機出口 221的壓縮空氣與通過抽吸從廢氣子系統120抽取的廢氣混合。這可以使用混合部件185如噴射器來完成。
[0029]在另一個實施例中，如圖4中所示，第二導管(廢氣旁通導管160)可以是具有截斷閥226和控制閥230的大直徑管道。處於組合循環配置的廢氣通常處於大約12英寸H20的壓力下。這種相對於環境壓力的正壓力是用於將廢氣流部分運輸到防積冰歧管215的原動力。考慮到廢氣的相對低的供應壓力，可以預見，這種旁通管道可以具有(例如)廢氣旁通導管160的截面積的大約30%的截面積，所述廢氣旁通導管160從燃氣渦輪排氣口通向熱回收蒸汽發生器入口以便容納所需旁通流。
[0030]在圖5中示出一種用於對燃氣渦輪發動機101的入口濾網135除冰的方法300。
[0031]在步驟305中，方法300確定入口濾網135處的當前溫度。
[0032]在步驟310中，方法300確定入口濾網135處的所需溫度。所述入口濾網135處的所需溫度可以是足以對入口濾網135除冰或對入口空氣過濾器136除溼以便防止冰或水滴形成的溫度。
[0033]在步驟315中，方法300確定入口濾網135處的當前溫度是否小於入口濾網135處的所需溫度。如果入口濾網135處的當前溫度小於入口濾網135處的所需溫度，那麼在所述方法中包括以下額外步驟。
[0034]在步驟316中，方法300確定廢氣溫度。
[0035]在步驟317中，方法300確定壓縮機級溫度。
[0036]在步驟320中，方法300計算實現入口濾網135處的所需溫度所必需的廢氣-空氣混合物的第一流速。
[0037]在步驟325中，方法300通過抽吸從渦輪機排氣口中抽取一定量的廢氣。
[0038]在步驟330中，方法300使所述量的廢氣與所述量的空氣混合以生成空氣廢氣混合物。所述空氣廢氣混合物還可以與過濾空氣混合。
[0039]在步驟335中，方法300從壓縮機級抽取一定量的空氣。
[0040]在步驟340中，方法300使廢氣或空氣廢氣混合物與來自壓縮機級的空氣混合。步驟340可以通過噴射器來完成。
[0041]在步驟345中，方法300將所述空氣廢氣混合物以相當於所述第一流速的流速傳輸到所述入口濾網。這可以通過調整入口濾網控制閥220來完成。
[0042]圖6示出可以通過方法300執行的額外步驟350。
[0043]在步驟355中，方法300確定壓縮機入口子系統125處的當前溫度。
[0044]在步驟360中，方法300確定壓縮機入口子系統125處的所需溫度。
[0045]在步驟365中，方法300確定壓縮機入口子系統125處的當前溫度是否小於壓縮機入口子系統125處的所需溫度。如果壓縮機入口子系統125處的當前溫度小於壓縮機入口子系統125處的所需溫度，那麼方法300執行以下額外步驟。
[0046]在步驟370中，方法300計算實現壓縮機入口子系統125處的所需溫度所必需的空氣廢氣混合物的第二流速。
[0047]在步驟375中，方法300從渦輪機排氣口抽取一定量的廢氣，而不增加渦輪機排氣口處的壓力。
[0048]在步驟380中，方法300從壓縮機級抽取一定量的空氣；
[0049]在步驟385中，方法300使所述量的廢氣與所述量的空氣混合以生成所述空氣廢氣混合物；以及
[0050]在步驟390中，方法300將所述空氣廢氣混合物以相當於所述第二流速的流速傳輸到所述壓縮機入口。
[0051]方法300使得能夠控制防積冰歧管215和IBH歧管200處的溫度以避免進口濾網的積冰並且優化燃氣渦輪系統100的性能。這在不增加排氣口處的壓力的情況下完成，從而避免負面性能影響。
[0052]除非另作說明，否則如果術語定義偏離術語的常用含義，則 申請人:意圖使用下文提供的定義。
[0053]本說明書中所用的術語僅用於描述特定實施例，並不限定本發明。除非另作說明，否則如果術語定義偏離術語的常用含義，則 申請人:意圖使用本說明書中提供的定義。除非上下文另作明確規定，否則單數形式「一種」、「一個」和「所述」意在同時包括複數形式。應了解，儘管術語「第一」、「第二」等可以用於描述多個元件，但是這些元件不得受這些術語的限制。這些術語僅用於區分不同元件。術語「和/或」包括一個或多個相關所列項的任何和所有組合。短語「聯接到」和「與聯接」是指直接或間接聯接。
[0054]本說明書使用各個實例來揭示本發明，包括最佳模式，同時也讓所屬領域的任何技術人員能夠實踐本發明，包括製造並使用任何器件或系統，以及實施所涵蓋的任何方法。本發明的保護範圍由權利要求書界定，並可包含所屬領域的技術人員想出的其他實例。如果其他此類實例的結構要素與權利要求書的字面意義相同，或如果它們包括等效的結構要素，則此類實例也應在權利要求書的範圍內。
【權利要求】
1.一種用於加熱燃氣渦輪機中的入口濾網和入口空氣過濾器的方法，所述方法包括: 確定當前入口濾網溫度； 確定所需入口濾網溫度； 如果所述當前入口濾網溫度小於所述所需入口濾網溫度，則進一步包括: 計算實現所述所需入口濾網溫度所必需的空氣廢氣混合物的第一流速； 從渦輪機廢氣子系統中抽取一定量的廢氣而不增加所述渦輪機廢氣子系統處的壓力； 從壓縮機級中抽取一定量的空氣； 將所述量的廢氣與所述量的空氣混合以生成空氣廢氣混合物；以及將所述空氣廢氣混合物傳輸至所述入口濾網，所述空氣廢氣混合物以相當於所述第一流速的流速傳輸。
2.根據權利要求1所述的方法，其中將所述空氣廢氣混合物傳輸到所述入口濾網包括調整入口濾網控制閥。
3.根據權利要求1所述的方法，其中將所述量的廢氣與所述量的空氣混合以便生成所述空氣廢氣混合物包括將所述量的廢氣與所述量的空氣在噴射器中混合。
4.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括將空氣添加至所述量的廢氣。
5.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括: 確定當前壓縮機入口溫度； 確定所需壓縮機入口溫度； 如果所述當前壓縮機入口溫度小於所述所需壓縮機入口溫度，則進一步包括: 計算實現所述所需壓縮機入口溫度所必需的空氣廢氣混合物的第二流速； 從渦輪機廢氣中抽取一定量的廢氣； 從壓縮機級中抽取一定量的空氣； 將所述量的廢氣與所述量的空氣混合以生成所述空氣廢氣混合物；以及將所述空氣廢氣混合物傳輸至壓縮機入口，所述空氣廢氣混合物以相當於所述第二流速的流速傳輸。
6.根據權利要求5所述的方法，其中將所述空氣廢氣混合物傳輸到所述壓縮機入口包括調整壓縮機入口控制閥。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述所需入口濾網溫度足以對所述入口濾網除冰。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述所需入口溫度足以對所述入口空氣過濾器除溼。
9.一種系統，所述系統包括: 壓縮機； 具有排氣口的渦輪機； 入口濾網； 聯接至所述入口濾網的歧管； 具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端的混合部件； 聯接到所述壓縮機的一個級和所述混合部件的所述第一輸入端的第一導管； 聯接到所述排氣口和所述混合部件的所述第二輸入端的第二導管，其中所述第二導管適於通過抽吸抽取廢氣；以及 聯接到所述混合部件的所述輸出端和所述歧管的第三導管。
10.根據權利要求9所述的系統，其進一步包括設置在所述第一導管上的第一控制閥。
11.根據權利要求9所述的系統，其進一步包括設置在所述第二導管上的第一截斷閥。
12.根據權利要求9所述的系統，其進一步包括設置在所述第三導管上的第二控制閥。
13.根據權利要求9所述的系統，其進一步包括聯接到所述壓縮機的IBH系統和聯接到所述第三導管和所述IBH系統的IBH歧管。
14.根據權利要求9所述的系統，其進一步包括聯接到所述壓縮機和所述渦輪機的燃
15.根據權利要求14所述的系統，其進一步包括聯接到所述渦輪機的熱回收蒸汽發生器。
16.—種系統,所述系統包括: 壓縮機； 燃燒系統； 渦輪機； 渦輪廢氣子系統； 聯接到所述壓縮機的壓縮機入口； 聯接到所述壓縮機入口的入口濾網； 聯接到所述入口濾網的歧管； 聯接到所述壓縮機的一個級的壓縮機抽取子系統，所述壓縮機抽取子系統適用於從所述壓縮機抽取空氣； 聯接到所述渦輪機廢氣子系統的廢氣抽取子系統，所述廢氣抽取子系統適用於使用抽吸抽取廢氣； 聯接到所述壓縮機抽取子系統和所述廢氣抽取子系統的混合部件，所述混合部件適用於將所述空氣與廢氣混合以生成空氣廢氣混合物；以及 聯接到所述混合部件和所述歧管的、將所述空氣廢氣混合物傳輸到所述歧管的第一導管。
17.根據權利要求16所述的系統，其進一步包括: 聯接到所述壓縮機入口的入口引氣加熱歧管；以及 聯接到所述混合部件和所述入口引氣加熱歧管的第二導管。
18.根據權利要求16所述的系統，其進一步包括: 設置在所述第一導管上的第一控制子系統； 聯接到所述廢氣抽取子系統的第二控制子系統；以及 聯接到所述壓縮機抽取子系統的第三控制子系統。
19.根據權利要求16所述的系統，其進一步包括聯接到所述渦輪機的機械負載。
20.根據權利要求16所述的系統，其進一步包括聯接到所述渦輪機廢氣子系統的蒸汽渦輪機。
【文檔編號】F02C7/055GK104420999SQ201410429199
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】S.埃卡納亞克, A.I.西皮奧, D.J.戴維斯, R.M.帕斯特拉納 申請人:通用電氣公司