淨化燃氣輪機進氣的方法和裝置的製作方法
2023-06-01 06:18:31 1
專利名稱：淨化燃氣輪機進氣的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及淨化燃氣輪機進氣流中固態和液態粒子的方法。
本發明還涉及實施上述方法的裝置。
燃氣輪機壓氣機的進氣流即燃氣輪機的燃燒空氣在被引入壓氣機之前必須進行淨化處理。最常見的是採用機械的纖維過濾器淨化上述的進氣。上述過濾的目的是阻止帶腐蝕性的和骯髒的粒子進入壓氣機和渦輪，從而防止設備的磨蝕和破損，並減少清理和維修的工作量。用於生產能源的大燃氣輪機需要很大量的燃燒空氣，因此，即使是微量的雜質都會導致在使用過程中產生大量沉積物，所以要求儘可能有效地過濾燃燒空氣。另一方面，在進氣道內的壓力損失可降低該設備的效率，所以，過濾效率總是根據現行條件選擇的折衷結果。小水滴和溼氣總是會隨著進氣流進入壓氣機，在低溫下，上述水滴會在它們所碰到的表面上凝結而形成較大的冰層，這些冰層如果脫落的話就會損壞壓氣機葉片，在最壞的可能情況下，可能會毀壞整臺壓氣機。
目前，不同類型的機械過濾器幾乎唯一地用作壓氣機中的進氣流過濾器。在這些過濾器中，過濾材料是一種可形成粘附雜質的迷宮式纖維層，其過濾能力取決於過濾材料類型，並取決於過濾材料的堆積密度。在給定過濾材料的情況下，增加過濾器的厚度或通過對過濾材料加壓成密實狀態而增大堆積密度可提高過濾能力。但這兩種方法都將顯著增大過濾器內的壓力損失，所以機械過濾器的過濾能力的提高只是有限的，確切地說，現有的纖維過濾器實際上只可完全分離掉1～5μm的粒子。在公知的過濾器中，極小的粒子的分離總是不完全的。而且，機械過濾器對於小的氣載水滴造成的潮溼和空氣流過過濾器的壓力降很敏感。在很低的溫度下機械過濾器會由於水滴凝結而被堵塞，此時，過濾器必須通過加熱進氣流來進行乾燥，使其相對溼度和溫度允許水和凝結的冰再次蒸發返回為汽相，並與進氣流一起流入壓氣機。
人們已經不認為採用許多個高效過濾器是必需的了，但是，最近對渦輪設備的效率測定結果表明，即使是最小的粒子都對渦輪的效率和工作壽命有影響。最小的粒子在燃氣輪機和壓氣機中也形成大量的沉積物，所以也必須將它們除去。在雜質總量中微小粒子的比例僅僅是幾分之一，但是，在渦輪長期運行中而且所用空氣量很大，它們就會積累成很大的量，甚至可積累到每年幾十公斤。上述的沉積物會降低工作效率，減小渦輪輸出的電量。功率降低是多種因素綜合的結果，例如，由於粒子所造成的磨損和破裂；使用了不適當的清理方法而不能清除掉全部的沉積物；清理時的磨損作用；絕緣材料上附著物增多及由此造成的漏氣嚴重。在渦輪的整個工作壽命過程中的輸出功率即使是最輕微的降低也會造成很大損失。渦輪結垢也會降低工作效率，這就是為什麼壓氣機和渦輪必須定期清理的原因。在清理時要使用水和不同類型的粗粒粉末。在天氣冷的情況下用水清洗尤其要受到冷凝的影響。渦輪結垢造成成本提高是由於增大了燃油需要量，降低了工作效率，並提高了壓氣機的清洗成本。沉積物的密度及其影響實際上取決於渦輪的工作環境和進氣流中的雜質含量。即使是用衝洗法也不能去除全部的雜質，這仍然是使燃氣輪機的功率只在幾年內便降低達百分之幾十的因素。在天氣冷的情況下，必須對進氣流進行預熱，並結合使用機械過濾器來最大限度地減少由於潮溼造成的堵塞以及由水滴產生凝結的危險。上述的對進氣流進行預熱會明顯降低年產率，並且由於工作效率降低而提高了作業成本。
當過濾器結垢而被汙染物堵塞時，就會造成氣流壓力損失，所以髒的過濾器必須定期更換。過濾器的篩網越密，越需要更換過濾器，更換過濾便提高了成本，因為過濾器價格貴，且要花費更換工時。通常是通過研製粗的和細的過濾器材料而不是綜合不同的過濾方法來提高過濾能力。另外，人們認為電過濾器是不可靠的，並認為只要採用一個電過濾器便會產生很大的危險。電過濾方法不受歡迎的原因之一與溼氣和所造成的短路有關。由於沉積物集積在電過濾器中所用的絕緣材料上，形成的雜質層可能成為可導電的導體橋。一種有問題的沉積物是各種纖維，由於它們的形狀是縱長的，可能使帶電件互相連接，而在裝備中造成短路。在進氣流中是否出現各種纖維和其他雜質取決於燃氣輪機的工作環境狀態，例如交通車流量，工業企業結構，以及植物和土壤類型。同理，溼氣的分離能力也隨氣候條件的不同而明顯變化，尤其是在空氣溼度較大而且同時又是低溫天氣的條件下，在過濾器的板件上可能結冰。與這種冰的形成有關的最大問題是在電過濾器的板件上結成的大冰塊的脫落，因為這種冰塊碰在壓氣機上時可造成嚴重的事故。在進氣道中的空氣由於壓力降而可能冷卻，這就進一步增大冷凝的危險，因為在這情況下即使環境溫度高於冷凝點也可能發生冷凝而結冰。這是特別成問題的，因為溫和的空氣可能有較高的溼氣含量。到達電過濾器板件上的水也是有害的，因為它可衝洗掉一些積集在板件上的沉積物，使這些沉積物呈大尺寸粒子的狀態無阻擋地進入壓氣機和渦輪。
本發明的目的是提出一種不採用任何機械過濾的淨化燃氣輪機的進氣流的方法，這種方法不需要預熱進氣流。
本發明的原理是通過與收集器板件隔開的電極使由電過濾器收集的進氣流中的粒子帶電而除去，上述電極的電壓遠高於收集電壓。
按照本發明的優選實施例，採用帶有針狀放電尖部的電極使進氣流中的粒子帶電。因此，電場的方向可以選擇，這樣便可使整個充電區得到較均勻的電場。
更具體地說，本發明的方法的特徵是使上述空氣進入設置在沿氣流方向在電過濾器(3)之前一定距離處的至少一個充電室內；和通過在電極之間接入一個高於上述收集電壓的電壓使上述充電室(2)內的在至少兩個電極之間建立電場。
那麼，本發明的裝置的特徵是上述的對進氣進行電離的裝置具有至少一個裝有至少兩個電極的充電室，上述的空氣在上述電極之間流過，在這些電極之間可接入高於上述電過濾器的收集電壓的電離電壓。
本發明有明顯的好處。
本發明的分離能力至少等於現行的纖維過濾器的過濾能力，即使在過濾最小的粒子方面也是如此，與此同時，可減小維修工作量，並減小進氣流的壓力損失。在裝置所用的電過濾器之前至少將滴狀的水份充分分離掉，因此，解決了先前的限制電過濾器使用的與溼氣和冷凝有關的問題。本發明裝置具有良好的分離滴狀水份的能力，甚至可噴水冷卻處於熱態條件下的進氣流，以提高效率。過濾器的結構和尺寸可進行各種改變，因此，過濾器可以方便地裝配，以更換使用中的燃氣輪機中的過濾裝置。可以通過改變電離電壓和/或收集電壓來改變過濾能力，因此可根據進氣流中的雜質含量來改變過濾效率。按照本發明的一個有利的實施例，可使粒子和液滴高效地帶電，這又可使電過濾器部件高效地收集它們。電過濾器的板件的收集表面較大，因此它們不需要頻繁地清理，因為集積在板件上的沉積物的量與板件間的距離相比是少的。當然，還要視空氣中雜質的含量和機匣中氣流的穩定性情況決定清理事宜。
下面通過幾個工作實例並參看附圖來分析本發明。
圖1是本發明的過濾裝置的剖視圖；圖2示出一種使進氣流中的粒子帶電的有利的裝置。
在本申請書中所用術語「粒子」是指在空氣中的除了氣態組分之外的所有組分例如固體顆粒、液滴和纖維。
圖1所示裝置具有一條進氣道1格多個端部與進氣道1相連接的充電室2，因此，所有進入進氣道1的空氣都流過充電室2。進氣道1構成一條電離空氣的流道，並且，其端部上設有一個普通的電收集器或者說電過濾器3。由於待淨化的空氣中的粒子在充電室2中有效地充電，故在電過濾器3中不使用電暈金屬絲來使粒子帶電而是將已在充電室2中充電的粒子直接收集在板件上。經過淨化的空氣沿通道4進入燃氣輪機壓氣機。
任何電極結構件都可用來對粒子充電，只要這些電極的充電電壓範圍為50kv～250kv，而且可使用大的空氣槽。但是，在此情況下，無法使充電室2內具有均勻的電場。在使用平板式或螺旋形電極的情況下，僅在具有最平緩的流道的給定區域才容易發生電暈放電。另一個問題是容易發生擊穿現象。因此，最好採用裝有尖端放電件的電極來使待淨化的空氣中的粒子帶電，從而使電極的尖部經常發生放電。在PCT申請No.FI 99/00315中公開過很適用於上述目的結構。
圖2示出在上述專利申請中所述的充電室，按照圖1所示，這種充電室2通常是垂直安裝的，當然其他的安裝位置也是可以的，待淨化的氣流從電離室2的下部流入垂直安裝的電離室2。在每個充電室2內沿其縱向安裝一個帶有與其相連接的電離針(電極的尖部)6的電極5。上述電離針6可以是例如由金屬絲製成的。上述電極5與高壓電相連接，因此可在電離針6的尖端發生電暈放電，從而在電離針與反電極之間產生連續的電子流。上述離子束的形狀取決於例如電離針6的數目以及它們與反電極間的距離。為了保證最好的充電效果，應設置許多電離針6，並且所形成的離子束場最好是重疊的，以便防止出現粒子不充電的中間區。輸入電極5的電流電壓通常為50～250kv，但是，按照本發明的方案，該電壓可以更高些或更低些。充電室2的壁7是接地的，因此，由於電離針6與壁7之間存在電位差，便將離子束導向壁7。這樣，壁7便構成另一個電極，也就是反電極。也可將一個不是接地電勢的電勢與上述電極相連接，但是接地是最簡便的方案。待淨化的氣流向上流過充電室流道2，在流道2中碰到在電離針6上形成的離子束，而產生機械的和電的力，這種力使氣流中的非氣相物質例如粒子和水滴與氣流分開，並被送到充電室的壁7上。與此同時，從氣流中分離出來的水滴衝洗沉積在壁7上的粒子而進入設置在例如充電器2下面的坑槽內。最後，已部分地淨化並離子化的氣流在上部流出充電室2，再流到電板式過濾器，將其餘的帶電粒子收集起來。在上述裝置中，電極之間的間距很大，甚至有100～1000mm。
為了使待淨化的氣流的流動阻力和壓力降儘可能地小，充電室2應採用具有適合於所用氣流量的寬的截面，而且要力爭使充電室2內的氣流儘可能均勻且沒有擾動。充電室2內的氣流速度應當是在其流道中央最高，而在壁7附近最低。因此，必須防止氣流通過設置在充電室中央的電極5的內部，否則會有相當一部分的待淨化氣流流過電極5。由於電極5的結構原因，在其中央不能形成離子束，故達不到電離和淨化的效果。因此，待淨化的氣流在充電室2內應具有圓環形流的橫截面，因此氣流應在流道內壁附近流動，而不是沿設置在充電室2的中央區內的電極5流動。為此目的，可根據充電室2的大小使電極5是例如至少在其一端是不允許氣流流過的封閉管或實心棒。充電室2的形狀影響著電極5在流道內的位置，例如，橫截面為圓形的流道中，電極5有利地設置在充電室2的中央，從而使電極5與流道壁7之間的距離在每一點上都相同。
在PCT申請No.FI 99/00315中對上述充電室有更詳細的說明。
本發明裝置的功能如下。
空氣流入裝有上述類型的電極5的充電室2。在電極尖部6與充電室2的接地的壁7之間建立起電場，空氣進入上述電場時，其中所含的粒子便強烈地帶電，並開始移向壁7，被吸附在壁上。除了固態粒子以外，水滴和其他的液滴也有效地帶電，並在淨化過程的初期從氣流中去掉很多，尤其是有效地去除了溼氣。當採用高的電壓例如50～250kv進行電離時，建立的電場十分強，並具有良好的電離作用。強的電場對於分離離子化的粒子和液滴也很有效。然後，氣流流到設置在與充電室2有一定距離的電過濾器3，在這裡，強烈帶電的粒子集中在過濾器3的板件上。也可能全部的粒子或大部分的粒子在充電室2內已從氣流中分離出去並收集起來了，因此，不會有太多的粒子到達上述的板式過濾器。從水滴的分離方面看，重要的是要使具有電暈放電的強電場接觸空氣，並使空氣中含有的溼氣受到很大能量的作用，從而使一些水蒸發，這些蒸發了的水對渦輪的工作沒有妨礙，因此，蒸發的這部分水又減少了要分離的液滴態的水量。
本發明的目的是藉助於電過濾器儘可能高效地使粒子帶電並將這些帶電的粒子收集起來。因此，充電室是一種有效的粒子充電器和較大粒子(尤其是纖維和水)的分離器。氣流流過充電室後仍殘留的粒子已強烈地帶電，這種帶電的粒子由僅接入收集電壓的過濾器收集起來，上述的收集電壓通常為幾千伏特例如4～6kv(小於10kv)，也就是約為充電電壓的十分之一或二十分之一。一般說來，充電電壓或電暈電壓的增大會提高電過濾器3的分離效率，增大收集電壓也一樣。因此，通常調節這些電壓，本裝置可以根據空氣品質例如溼氣含量或灰塵含量，或所用空氣量的變化而力爭最佳的工作。提高氣流速度會降低分離能力，因此應適當地提高所加的電壓。電暈放電的極性對電過濾器3的收集效率影響不大，因此在充電室內負極放電或正極放電都是可以的。
在本發明範圍內，即使與上面所述實施例不同的方案都是可行的。如上所述，上述的流道、充電室和板式過濾器的結構可以十分自由地選擇。然而，實質性的問題是，要在一個與收集粒子所用空間隔開的空間內進行電離過程，以便可採用足夠高的電壓進行電離而不妨礙板式過濾器的工作。因此，充電室必須與待淨化空氣的流道中的板式過濾器相隔一定距離，該距離最小必須足夠大到可消除充電室中的電極與收集器板件之間電擊穿的危險。當電過濾器和充電室由於通入空氣量大而變得十分大且常常有利地設置在給定位置時，上述的要求通常要符合流道結構的要求。當然，電過濾器和充電室的尺寸和數目取決於燃氣輪機所需的空氣量。本質的問題是充電室的結構必須使流過的全部空氣都受到電離電場的作用。
權利要求
1.一種淨化燃氣輪機的進氣流的方法，包含如下步驟—將空氣送入燃氣輪機的進氣道(1，2，4)內；—通過至少一個接入收集電壓的電過濾器(3)收集包含在空氣中的粒子，其特徵在於—使上述空氣進入設置在沿氣流方向在電過濾器(3)之前一定距離處的至少一個充電室(2)內；和—通過在電極之間接入一個高於上述收集電壓的電壓使上述充電室(2)內在至少兩個電極(5，7)之間建立電場。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，選定上述收集電壓最大為10kv，上述的電離電壓最小為100kv。
3.根據權利要求2的方法，其特徵在於，選定上述收集電壓最大為10kv，上述的電離電壓為100～250kv。
4.根據上述權利要求中的任一項的方法，其特徵在於，通過至少一個具有至少一個針狀電極尖部(6)的電極(5)在充電室內建立電場。
5.根據上述權利要求中的任一項的方法，其特徵在於，將水噴入進氣道(1，2，4)內，以冷卻進氣流。
6.根據上述權利要求的中任一項的方法，其特徵在於，從充電室(2)內的空氣中除去至少一部分水，便足以防止水在進氣道(1，2，4)內結冰。
7.根據上述權利要求中的任一項的方法，其特徵在於，通過至少一個具有幾個針狀電極尖部(6)以形成至少兩個至少部分重疊的離子束場的電極(5)在充電室(2)內建立電場。
8.一種淨化燃氣輪機的進氣流的裝置，它具有—一個進氣道系統(1，2，4)；—至少一個設置在進氣道(1，2，4)內沿空氣流動方向在燃氣輪機壓氣機之前的電過濾器(3)，進入的空氣流過該過濾器，並且，對該過濾器接入一收集電壓，以便收集包含在空氣流中的粒於；和—在該收集過濾器(3)之前電離進氣的裝置，其特徵在於，上述的對進氣進行電離的裝置具有至少一個裝有至少兩個電極(5，7)的充電室(2)，上述的空氣在上述電極之間流過，在這些電極之間可接入高於上述電過濾器(3)的收集電壓的電離電壓。
9.根據權利要求8的裝置，其特徵在於，上述的收集電壓最大為10kv，上述的電離電壓最小為100kv。
10.根據權利要求9的裝置，其特徵在於，上述的收集電壓最大為10kv，上述的電離電壓為100～250kv。
11.根據上述權利要求8～10中的任一項的裝置，其特徵在於，在至少一個充電室(2)內安裝至少一個電極(5)，該電極具有至少一個針狀電極尖部(6)。
12.根據上述權利要求8～11中任一項的裝置，其特徵在於，設有可將水噴入進氣道系統(1，2，4)內以便冷卻進氣流的裝置。
13.根據上述權利要求8～12中的任一項的裝置，其特徵在於，在至少一個充電室(2)內安裝至少一個電極(5)，該電極具有幾個用於形成至少部分重疊的離子束場的針狀電極尖部(6)。
全文摘要
一種淨化燃氣輪機的進氣流(即去除氣流中的固態粒子和液滴)的方法和裝置。按照本發明，空氣流入燃氣輪機的進氣系統(1，2，4)，其中所含的粒子由至少一個已接入收集電壓的電過濾器(3)收集起來。為了能夠並且高效地收集粒子，使空氣流入設在沿氣流方向在上述電過濾器(3)之前一定距離處的至少一個充電室(2)內，在該充電室(2)內，通過在電極之間接入高於上述收集電壓的電高電壓而在至少兩個電極(5，7)之間建立起電場，從而使上述空氣中的粒子強烈帶電並至少部分地除去進氣流中的水。
文檔編號B03C3/66GK1452689SQ00819499
公開日2003年10月29日 申請日期2000年3月15日 優先權日2000年3月15日
發明者M·馬爾卡梅基, M·萊蒂梅基 申請人:福圖姆股份公司