CN103225543A - 燃气涡轮机入口防结冰的电阻式加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于易受入口空气过滤器外壳部件和压缩机结冰影响的燃气涡轮机的电阻式加热系统，所述系统包括以大致平面阵列布置的多个加热面板(束)，适合于定位在所述涡轮机的入口空气过滤器外壳上或附近。每个加热面板具有一个或多个电阻式加热元件；以及控制器，其用于选择性地启动所述多个加热面板的每一个上的所述电阻式加热元件。

Description

燃气涡轮机入口防结冰的电阻式加热系统
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮机装置，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮机入口过滤器外壳的防结冰加热系统布置。
背景技术
燃气涡轮发动机典型地包括用于压缩进入空气的压缩机、用于混合燃料和压缩空气并且点燃燃料/空气混合物以形成高温气流的燃烧器以及由高温气流驱动的涡轮部段。
燃气涡轮机是在全球且在各种气候条件下被用于发电或是被用作操作泵和压缩机的机械驱动装置。在冷环境温度和高湿度条件期间的操作常常导致冰积累在涡轮机入口过滤器外壳部件上。在空气过滤元件(如，防飞禽保护网、水气分离器、聚结器过滤器和过滤模块)上的这种冰积累经常严重到足以限制空气流动并且增加过滤器外壳上的入口空气压降，因此导致燃气涡轮机性能损失乃至停机。当在接近或低于冰冻的温度下作为液体或固体摄入的水(湿雪、冻雨等)附着到大部分暴露表面时沉淀结冰形成，导致冰积累。而且，当饱和冷空气与更冷的过滤器外壳表面接触时发生冰的形成。管理入口冰积累的常见方法是去除安装在天气保护罩中的水气分离器和聚结器并且使用热空气或供应有蒸汽或热水/乙二醇混合物的加热盘管(coil)加热空气过滤器模块的上游的环境空气。
一些可用方法使用现有的涡轮机入口泄热(Inlet Bleed Heat，IBH)系统为防结冰提供热。基于环境条件和过滤器外壳设计参数，这常常是不够的。在这样的情况下，独立防结冰系统有时被改装为过滤器外壳。使用基于盘管的系统，加热盘管被设计并且放置在入口过滤器的前面以在促进冰形成于空气过滤器上、过滤器外壳内壁上以及下游燃气涡轮机部件(例如，入口导向叶片和压缩机第一级叶片)上的环境条件期间提供加热。对于基于盘管的系统，将呈热水/乙二醇混合物或低压(LP)蒸汽的形式的加热提供给盘管。
这些常用的解决方案是资金成本密集的并且由于例如由加热盘管施加的附加空气流动限制(压降)而不利地影响整个运营年的生产效率。
因此，仍然需要一种用于特别当在冷、湿环境中操作时防止燃气涡轮机装置的过滤器外壳中的防飞禽保护网和/或水气分离器和空气过滤器上的冰积累的相对简单、但是有效、成本低的系统。
发明内容
在一个示例性、但非限定性实施例中，本发明涉及一种用于易受入口空气过滤器外壳部件和压缩机结冰影响的燃气涡轮机的电阻式加热系统，所述系统包括多个加热器束(bundle)，所述多个加热器束以大致平面阵列方式布置，适合于定位在所述涡轮机入口空气过滤器外壳上或其附近；每个加热器束具有一个或多个电阻式加热元件；以及控制器，用于选择性地启动所述多个加热器束的每一个加热器束上的所述电阻式加热元件。
在另一个示例性、但非限定性方面中，本发明涉及一种包含防结冰加热系统的涡轮机入口过滤器外壳，其包括具有空气入口和空气出口的入口过滤器外壳，防飞禽保护网和/或水气分离器和在所述防飞禽保护网和/或水气分离器的下游的空气过滤器；所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器中的一个在其表面上具有至少一个电阻式加热元件，所述至少一个电阻式加热元件被成形和布置成升高所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器的表面温度。
在又一个示例性、但非限定性方面中，本发明提供一种包含防结冰系统的涡轮机入口过滤器外壳，其包括入口过滤器外壳，所述入口过滤器外壳具有入口和出口并且支撑所述入口处或所述入口附近的至少一个过滤器；长形电阻式加热元件，所述长形电阻式加热元件被支撑在位于所述入口过滤器外壳的上游的加热器束上；被支撑在所述加热器束上的至少一个温度传感器；以及控制系统，所述控制系统用于根据由所述至少一个温度传感器确定的所述加热器束的表面温度而启动所述电阻式加热元件。
现在将结合下面的附图更详细地描述本发明。
附图说明
图1是燃气涡轮机入口过滤器外壳的部分示意图；
图2是根据本发明的应用于入口过滤器或防飞禽保护网和/或水气分离器的示例性、但非限定性防结冰电阻式加热系统的示意图；
图3是根据第二示例性、但非限定性实施例的包含防结冰电阻式加热系统的燃气涡轮机入口过滤器外壳的部分示意图；以及
图4是简化示意图，其示出了根据示例性、但非限定性实施例的电阻式加热系统与常规入口泄热(IBH)系统的组合。
具体实施方式
图1以简化示意形式示出了典型的架高的燃气涡轮机过滤器外壳10，所述过滤器外壳包括空气入口12、过滤器部段14和通向压缩机(未显示)的出口管道部段16。过滤器部段可以包括下面将进一步所述的堆叠、竖直定向空气过滤器的一个或多个阵列(模块)18、20。入口部段12可以包括竖直布置的天气保护罩22，每个天气保护罩装配有也在下面进一步所述的多个水平定向的防飞禽保护网和/或水气分离器24(有时在本说明书中被简称为“保护网”)。防飞禽保护网和/或水气分离器24和空气过滤器18、20确保只有经过滤的空气到达涡轮机的内部部件。防飞禽保护网和/或水气分离器24暴露于大气，并且当涡轮机在冷且湿的环境条件下操作时，防飞禽保护网和/或水气分离器24特别易受冰积累。
图2示出了与图1中所示的过滤器外壳一起使用的电阻式加热系统的一个示例性、但非限定性实施例。更具体地，并且参考单个、常规的防飞禽保护网和/或水气分离器24，电阻式加热系统被布置成包括由子部段或区域26、28例示的多个、独立加热子部段或区域，应当认识到对于每个防飞禽保护网和/或水气分离器或空气过滤器可以有例如七个或更多个子部段或加热区域的两个竖直对准排。其它配置在本发明的范围内，应当理解不同的入口外壳配置、尺寸等将需要保护网和/或过滤器布局的变化。每个子部段或区域可以包括一个或多个电阻元件，例如以预定图案布置在保护网24上以确保相应区域加热到足以大致消除或防止保护网上的冰的积累的相应伴热(heat-tracing)电缆30、32。将领会类似的电阻式加热元件可以设在过滤器外壳的入口处的防飞禽保护网和/或水气分离器24的每一个上的指定加热区域中。也将理解电缆直接应用于保护网过滤介质，例如线材或丝网等。
每个加热区域内的电阻伴热电缆30、32(或其它合适的电阻式加热元件)可以由冗余电源34供电并且由表面温度恒温系统自动控制。在示例性、但非限定性例子中，热电偶35可以用于监测指定保护网部段或区域26、28内的表面温度传感器(或其它电阻式热装置(RTDs))。恒温控制系统36将连续地监测多个位置处(即，各加热区域26、28等内)的入口空气保护网表面温度并且将根据需要为指定区域中的电阻伴热电缆30、32提供能量。控制系统36将与动力装置控制系统(未显示)接口，从而提供来自装置控制中心的控制能力。备选地，独立控制伴热电缆装置可以安装在单独的区域内。因此，电阻式加热系统被恒温控制，能够自动或手动升高或降低表面温度以补偿各指定区域中或那些区域的细分区域中的环境偏移。
将领会可以相对于入口空气过滤器18和/或20使用类似的电阻式加热装置，从而为了容易理解，为了理解本发明，图2中的防飞禽保护网和/或水气分离器24也可以被视为入口过滤器18或20。另外，就防飞禽保护网和/或水气分离器实际上是粗过滤器(coarse filter)而言，当在本说明书中使用时术语“过滤器”广义上包含在涡轮机入口过滤器外壳中使用的空气过滤器和防飞禽保护网和/或水气分离器24，电阻式加热元件应用于过滤器介质。
在示例性实施例中，电阻式加热系统可以将入口外壳处的环境空气温度从例如20-22°F增加到大于32°F，但是也可以改变用于启动和停用电阻式系统的阈值温度。
图3示出了第二示例性、但非限定性实施例。在这里，电阻式加热系统38位于过滤器外壳42的入口40的前面或上游的独立钢结构中。为了人身和操作安全，该结构优选地与过滤器外壳电绝缘。在所示的具体实施例中，加热器面板48的两个水平排44、46叠加地定位(即，一个在另一个之上)，每排再次由七个加热器束组成。将理解排的数量和每排中的加热器束的数量可以根据需要变化，如上所述。
每个加热器束48包括再次以预定图案布置在面板上以确保加热到足以大致消除或防止加热器束的后面或下游的防飞禽保护网和/或水气分离器和空气过滤器上的冰的积累的一个或多个电阻式加热器元件50。备选地，每个束48可以包括多个(例如九个)独立控制加热器组，每个加热器组由(例如三个)加热器元件50组成。到达每个加热器束的电力从配电面板(也称为“控制面板”)56供应。在示例性实施例中，每个面板56可以为48″Hx36″Wx10″D。面板应当受到UL或CE认证并且进行“气候控制”以确保-20至122deg.F(华氏度)的操作和储存温度的范围。
每个加热器束包含独立控制的闭环温度控制器以将压缩机钟形口处的空气温度梯度保持在所需限度内，例如加或减5F，其与燃气涡轮机负荷和过滤器外壳物理配置(对称或不对称)以及空气速度剖面无关。
每个加热器束供应有温度传感器(例如热电偶，其中一个显示为52)以测量相应的加热器束的下游的空气温度。如图3中所示，十四个束经由管路54(封闭的十四乘以九个电路)电连接到位于地平面处、在架高的入口过滤器外壳之下的控制面板56。每个加热器束的示例性额定电功率、额定电压的要求为275kW，400V/3相。控制面板56包括用于控制相应的加热器束48以及它们的相应多个加热元件的单独的温度控制模块。控制面板的实际位置可以随着具体应用而变化。在使用中，来自温度传感器52的信号路由到安装在控制面板56中的温度控制器。控制器按照预定序列打开和关闭电源或调节到达每个加热器元件组50的电力供应的电压以将加热器束的下游的出口空气温度保持在期望设定点，以确保空气湿度比小于每个温度的预定阈值。4-20mA输出信号可从控制器获得，所述输出信号可以用于根据全容量(full capacity)百分比而显示每个加热器束的加热速率。
每个加热元件50也供应有超温检测和控制，以防止在没有空气流的情况下的加热元件的过热。
上述特征/操作也适用于图1和2中所示的第一所述实施例。也将理解位于防飞禽保护网和/或水气分离器的上游的加热器束48也可以位于过滤器外壳内，且在空气过滤器的上游(和防飞禽保护网和/或水气分离器的下游)。这样的系统被显示为图4，其中如本说明书中所述的电阻式加热系统58(图2的系统或图3的系统)位于过滤器外壳62的入口部分64附近或之内。在过滤器外壳入口部分内有常规IBH系统66，其中来自涡轮机的主联管箱(pipe header)将热压缩空气供应到歧管。歧管将经加热的空气路由到位于入口内(或附近)的管的阵列，由此加热入口空气。在这里，电阻式加热系统控制器60与IBH系统控制器68通信，从而根据要求或需要整合系统并且分配入口加热功能。
另外的其它应用是可能的。例如，本说明书中所述的电阻式加热系统可以用于泄热喷射系统(如果这样配备的话)的区域控制。
附加的商业优点包括简单性，原因在于可以在不需要提供附加过程控制器以适应整合到现有的装置控制系统中所需的附加排序的情况下设计和操作系统；以及更低的成本，例如安装和维护典型的入口加热盘管系统的成本可能扩增到数百万美元，远多于本说明书中所述的示例性电阻式加热系统所需的成本。另外，当前使用的盘管系统常常需要进行过滤器外壳结构修改，例如去除罩和防飞禽保护网和/或水气分离器。本说明书中所述的电阻式加热系统将需要用于安装和操作的停机时间更短。另外，本发明不包括增加压降并且不利地影响涡轮机性能的盘管的减小性能损失。最后，用于安装入口加热盘管系统的周期典型地为大约45周，而在本说明书中所述的电阻式加热系统的情况下，从设计到操作的时间可以缩短到少至十周。
还将领会如本说明书中所述的电加热系统不限于用于寒冷气候中。它也可以在更温暖气候中用作除雾器，其中起雾可以导致对空气过滤器的粘结影响(caking effect)。
尽管结合当前被认为是最可实施和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的实施例，而是相反地，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (20)

1.一种用于易受入口空气过滤器外壳部件和压缩机结冰影响的燃气涡轮机的电阻式加热系统，所述系统包括：
多个加热器束，所述多个加热器束以大致平面阵列布置，且适合于定位在所述涡轮机入口空气过滤器外壳上或附近；每个加热器束具有一个或多个电阻式加热元件；以及控制器，所述控制器用于选择性地启动所述多个加热器束的每一个上的所述电阻式加热元件。
2.根据权利要求1所述的电阻式加热系统，其特征在于，所述电阻式加热元件包括伴热电缆。
3.根据权利要求1所述的电阻式加热系统，其特征在于，所述涡轮机入口过滤器外壳部件包括防飞禽保护网、水气分离器、聚结器过滤器和空气过滤模块，并且其中所述多个加热器束位于所述涡轮机的入口空气过滤器外壳的上游。
4.根据权利要求1所述的电阻式加热系统，其特征在于，所述加热器束被细分成多个部段，每个部段具有支撑在其上的至少一个电阻式加热元件，所述控制系统被配置成选择性地启动所述电阻式加热元件中的任何一个或全部。
5.根据权利要求4所述的电阻式加热系统，其特征在于，所述电阻式加热系统包括位于所述多个部段的每一个中的温度传感器。
6.根据权利要求1所述的电阻式加热系统，其特征在于，所述电阻式加热系统与邻近所述入口定位的IBH系统组合。
7.一种包含防结冰加热系统的涡轮机入口过滤器外壳，包括：
具有空气入口和空气出口的入口过滤器外壳，防飞禽保护网和/或水气分离器和在所述防飞禽保护网和/或水气分离器的下游的空气过滤器；所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器中的一个在其表面上具有至少一个电阻式加热元件，所述至少一个电阻式加热元件被成形和布置成升高所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器中的所述一个的表面温度。
8.根据权利要求7所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述至少一个电阻式加热元件包括电阻伴热电缆。
9.根据权利要求7所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器中的所述一个被分成至少两个区域，每个区域具有所述电阻式加热元件中的一个或多个。
10.根据权利要求8所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，单独地控制所述至少两个区域的每一个的所述表面温度。
11.根据权利要求10所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述涡轮机入口过滤器外壳还包括在所述防飞禽保护网和/或水气分离器和所述空气过滤器中的所述一个上的多个温度传感器以用于监测所述至少两个区域中的表面温度。
12.根据权利要求11所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述涡轮机入口过滤器外壳与邻近所述入口定位的IBH系统组合。
13.根据权利要求11所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述多个温度传感器将温度信号提供给恒温控制系统，所述恒温控制系统适合于选择性地启动所述至少两个区域的每一个的所述电阻元件。
14.一种包含防结冰系统的涡轮机入口过滤器外壳，包括：
入口过滤器外壳，所述入口过滤器外壳具有入口和出口并且支撑所述入口处或所述入口附近的至少一个过滤器；
长形电阻式加热元件，所述长形电阻式加热元件支撑在位于所述入口过滤器外壳的上游的加热器束上；
支撑在所述加热器束上的至少一个温度传感器；以及
控制系统，所述控制系统用于根据由所述至少一个温度传感器确定的所述加热器束的表面温度而启动所述电阻式加热元件。
15.根据权利要求14所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述加热器束被细分成多个部段，每个部段具有支撑在其上的至少一个电阻式加热元件，所述控制系统被配置成选择性地启动所述电阻式加热元件中的任何一个或全部。
16.根据权利要求14所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述至少一个温度传感器包括热电偶或电阻式热装置(RTD)。
17.根据权利要求14所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述加热器束包括在大致平面阵列中的多个束。
18.根据权利要求17所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述多个束的每一个都具有一个或多个电阻式加热元件。
19.根据权利要求15所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，独立地控制所述多个束上的所述电阻式加热元件。
20.根据权利要求19所述的涡轮机入口过滤器外壳，其特征在于，所述涡轮机入口过滤器外壳与邻近所述入口定位的IBH系统组合。
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