CN107725194A - 集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统，该处理系统包括按照大气的通入顺序依次连接的空气过滤装置、处理风机、除湿转轮、自清洁过滤器、气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器；水滴过滤器的出口连接压气机的入口；余热锅炉与除湿转轮之间的管道上连接有烟气过滤器；气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器三者的出口设有收集回水的水循环装置。对燃气轮机的进气进行清洗、除尘、除霾、清除气体污染物和蒸发冷却，向经除湿转轮的干空气中喷淋冷却水，除去尘霾颗粒物以及现有过滤系统无法过滤的SO2、NOx等可溶于水或可与水发生化学反应的气体污染物。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体地说，涉及一种集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统。
背景技术
目前，对燃气轮机进气进行污染物清洗处理的系统在国内外专利文献中未有涉及。正如蒸汽循环发电机组对其工质(水或水蒸气)的品质有一定的要求，要进行水处理一样，燃气轮机也需要对其工质(空气)进行清洗过滤处理。现有的燃气轮机进气过滤系统只能过滤固体和液体污染物颗粒而无法去除气体污染物，但SO2和NOx等腐蚀性气体进入燃气轮机会对设备造成腐蚀、结垢等不利影响，甚至会威胁联合循环机组的运行安全。这类气体污染物应该用水清洗的方法使其溶于水或与水发生化学反应而被去除。
在夏季高温时段，空调等制冷设备的使用造成用电量急剧增加，发电机组需要顶峰运行。然而，用于调峰的燃气轮机机组的出力却随进气温度的升高而降低。这主要是因为燃气轮机是恒体积的机械动力设备，空气的质量流量取决于密度，环境温度越高，空气密度越小，致使吸入压气机的空气质量流量减小，燃气轮机的做功能力下降。而且，压气机耗功与进气空气的温度成正比变化，即随着环境温度的提高，压气机的耗功量增大，燃气轮机的净出力减小。据统计，环境温度每升高1℃，燃气轮机的出力大约降低0.7％，而联合循环机组的出力则降低约0.45％。大气温度升高，全社会用电量增加,然而燃气轮机及其联合循环机组的实际出力反而越小，燃气轮机及其联合循环机组的这种温度特性与电网负荷特性相矛盾。为了提高燃气轮机及其联合循环机组在高温季节的实际出力，简单有效的方法是采用进气冷却技术降低压气机的进气温度。
根据燃气轮机及其联合循环的进气冷却装置的工作原理和结构，可以分为直接接触式和间接式。直接接触式一般是向空气喷水，利用水汽化蒸发吸收空气显热而降低空气温度，包括蒸发冷却和喷雾冷却。间接式一般由常用的制冷机和换热器组成，同时除去湿空气的潜热和显热，包括压缩制冷、吸收制冷、蓄冷冷却和液化天然气冷能利用等。
公布号为CN103397943A的中国专利文献公开了一种燃气-蒸汽联合循环的进气除湿冷却系统及方法，这种燃气-蒸汽联合循环的进气除湿冷却系统由溴化锂吸收式制冷机、热水余热锅炉、冷却水塔、除湿转轮和两个气水换热器集成为一个燃气-蒸汽联合循环的进气除湿冷却系统。通过对进气空气除湿、降温、冷却和除湿转轮的除湿与冷却水塔冷却水温度的协同调控，解决了联合循环与进气冷却系统的气温特性产生不利的交互影响难题和气温变化对联合循环的性能及变工况影响大的缺点，使联合循环的运行更稳定、更安全、更可靠；挖掘了进气冷却对提高联合循环输出功率、效率及经济效益的潜力；有利于基于联合循环的冷热电联供系统的冷热电负荷动态调配、与电力系统协同互补、能源高效梯级利用及系统安全稳定运行。
但是如上所述，这种进气冷却系统是由溴化锂吸收式制冷机制取冷量来冷却燃气轮机的进气，吸收式制冷需要消耗大量烟气的热量，导致在余热锅炉中产生的水蒸气的量减少，进而使汽轮机的出力降低；而且在烟气热量不足时，还需要从余热锅炉抽取一部分本来在汽轮机中膨胀做功的蒸汽，进一步减少了汽轮机的出力。同时，该专利文献公开的用溴化锂吸收式制冷方法没有对进气进行清洗、除尘、除霾、除气体污染物的作用。并且，通过化锂吸收式制冷方法消耗烟气的热量较大，而且在烟气热量不足时，还需要从余热锅炉抽取一部分本来在汽轮机中膨胀做功的蒸汽，减少了汽轮机的出力。
常规的蒸发冷却具有初始投资少(新增发电容量的单位千瓦投资约为100-150美元)、系统简单、运行及维护费用较低和耗功较少等优点，但冷却程度较低，蒸发冷却后压气机进气温度只能接近却达不到环境湿球温度，且受环境相对湿度的影响较大，通常仅适用于干燥炎热的地区，而在环境相对湿度比较大的地方不适用。
公布号为CN102278207A的中国专利文献公开了一种基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，该发明采用的是溶液除湿技术来干燥大气环境的空气。除湿溶液浓缩再生所需的热量由燃气轮机低温排烟余热提供，通过烟道加热器加热水，以热水驱动溶液除湿器对压气机入口空气进行干燥。由于燃气轮机排烟余热被用来对溶液除湿器的溶液浓缩再生，而不是用来产生蒸汽在汽轮机中膨胀做功，因此，虽然燃气轮机的出力有所提高，但却减少了汽轮机的出力，循环的总出力反而降低了。同时，从利用燃气轮机排气余热产生热水，到以热水来对溶液除湿器的溶液浓缩再生，涉及到多次能量转化，以及热水管道的散热保温，因此能量利用率比较低。
同样，该专利文献中也没有蒸发冷却清洗装置，没有对进气进行清洗，除尘、除霾、除气体污染物的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统，既降低主过滤系统入口的空气湿度，大幅提高过滤器的过滤效果和过滤器的使用寿命，还可以用水对空气进行清洗、除尘、除霾和除去 SO2、NOx等空气中的气体污染物，进一步降低空气中的尘霾颗粒物和溶于水和可与水发生化学反应的污染物浓度；又使蒸发冷却在高湿度大气环境条件下仍然适用，最大幅度地降低压气机进气温度，提高燃气-蒸汽联合循环发电机组的出力和效率。
为了实现上述目的，本发明提供的集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统设置在由燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉及发电机组成的燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端，燃气轮机由压气机、燃烧室及透平构成，燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端设置在压气机的进口；进气处理系统包括按照大气的通入顺序依次连接的空气过滤装置、处理风机、除湿转轮、自清洁过滤器、气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器；水滴过滤器的出口连接压气机的进口；余热锅炉与除湿转轮之间的管道上连接有烟气过滤器；蒸发冷却清洗装置的顶部设有若干喷嘴，喷嘴下方形成一蒸发空间，蒸发空间内填充有蒸发冷却清洗填料；气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器三者的出口设有收集回水的水循环装置。
上述技术方案中，对燃气轮机的进气空气同时进行清洗除尘除霾、清除气体污染物和蒸发冷却。在空气进入蒸发冷却清洗装置之前利用转轮除湿的方法降低空气湿度，产生干空气，再进行喷水蒸发冷却，空气将被冷却到更低的温度。经过转轮除湿和高效过滤后的干空气流经蒸发冷却清洗填料中的流通道时，由于水的汽化潜热很大，喷淋的冷却水蒸发需要吸收大量潜热，进气与冷却水直接接触进行热质传递，使得燃气轮机进气温度从干球温度逐渐降低至湿球温度，从而达到降低燃气轮机进气温度的目的。
处理风机用于空气送风，除湿转轮用来降低进气空气的湿度，产生干空气；而且利用低温、低品位的余热锅炉的排烟余热加热吸收水蒸气后饱和的吸湿介质并带走蒸发出来的水蒸气，恢复吸湿介质的吸湿能力，能量利用率更高，设备占地面积更小。除湿转轮对空气干燥后可以提高自清洁过滤器的过滤效果、延长自清洁过滤器使用寿命并提高蒸发冷却清洗装置的冷却降温效果。
气水换热器中冷却介质可以是直流水也可以是循环水，使空气与冷却水交换热量降温。由于水蒸气在除湿转轮中被吸收时相变凝结释放潜热，空气温度有所上升，此时使用气水换热器可以将空气温度降至环境温度甚至略低于环境温度。自清洁过滤器用于过滤空气中的更微小颗粒，空气的水分越少，过滤器的过滤效果越好且使用寿命越长；气水换热器用来冷却空气除湿温度升高后的显热，使进气空气温度降低至环境温度或略低于环境温度；水滴过滤器使蒸发冷却后空气水蒸气混合物中的水滴和部分水雾凝结成大水滴，并在重力作用下排出，减少水滴对压气机的损害。沉淀池用于沉淀水中清洗下来的污染颗粒物，使水再生回收，循环利用。中和池用于对溶解有SO2、NOx、化学反应生成物H2SO3、 HNO3等的水进行中和处理，使水再生回收，循环利用。冷却水塔用于对水进行冷却降温，提供给气水换热器和蒸发冷却清洗装置使用。冷却水塔用于提供气水换热器和蒸发冷却清洗装置的冷却清洗空气所需的水。
具体的方案为蒸发冷却清洗填料包括若干排垂直于蒸发冷却清洗装置的底面的由曲折结构构成的结构件，相邻曲折结构构成的结构件之间形成中空曲折流道空间。
蒸发冷却清洗装置中的喷嘴将从冷却水塔流过来的冷却水雾化并均匀地喷淋在蒸发冷却清洗填料的上表面，并在结构件表面形成一层水膜，在中空曲折流道内形成水雾，蒸发冷却清洗填料表面积很大，可增加燃气轮机进气与冷却水的接触面积，蒸发冷却清洗填料的中空曲折流道使空气流动必须转向，由于燃气轮机进气速度高，颗粒物由于其惯性来不及转向，撞击到水膜上而被捕获，或者与流道的中空空间的水雾碰撞而被捕集，在重力作用下沉降；蒸发冷却清洗填料的中空曲折流道及其后的区域为蒸发区，在这一区域使得燃气轮机进气温度从干球温度逐渐降低至湿球温度，从而达到降低燃气轮机进气温度的目的，使燃气轮机及其联合循环发电机组的出力和效率明显提高。这种蒸发冷却清洗装置具有结构简单、空气阻力小、进气压力损失小、操作简单等特点。
颗粒物与冷却水液滴之间有碰撞、拦截和凝聚等作用，颗粒物在惯性作用下直接撞击在蒸发冷却清洗填料水膜表面而被捕集，或者与喷淋下来的冷却水滴发生惯性碰撞而被捕集，在重力作用下沉降，最后尘霾颗粒随水被冲刷至水箱；气体污染物SO2易溶于水，而且SO2还可与H2O发生反应生成H2SO3，增大其溶解度，NOx气体可与水发生化学反应生成HNO3，由于在蒸发冷却清洗填料表面形成水膜大大增加了进气与冷却水的接触面积，而且在流道的中空空间进气与喷淋下来的冷却水雾(水滴)接触，因此SO2、NOx等气体污染物也在蒸发冷却清洗装置中被除去。考虑到现有的燃气轮机进气过滤系统只能过滤固、液颗粒而无法去除气体污染物，这种清洗方法可大大降低空气中气体污染物浓度。更重要的是，与公布号为CN103397943A、公布号为CN104047730A以及公布号为CN103352761A的中国专利文献相比，与其吸收式制冷方法不同，本发明采用的是喷水蒸发冷却方法，不需要消耗燃气轮机的烟气余热，因此几乎不会减少汽轮机的出力，反而随着压气机入口空气温度降低，燃气轮机出力提高，从而联合循环的总出力随之提高，并且在进气蒸发冷却的同时，可以起到对进气进行清洗、除尘、除霾、除SO2、NOx等气体污染物的作用。
更具体的方案为每个曲折结构构成的结构件设有多个用于增大蒸发冷却清洗填料的表面积的口袋状结构曲折板。该结构一方面可增大蒸发冷却清洗填料的表面积和中空空间，另一方面，增加了更多的曲折流道，使颗粒物更容易撞击到填料表面和中空空间的水雾(水滴)，提高除尘除霾效果；口袋状结构同样也使SO2、NOx等气体污染物更容易溶于水或与水发生化学反应而被清除。
另一个具体的方案为除湿转轮具有用于吸附空气中水蒸气的处理区及用于恢复除湿转轮吸湿能力的再生区。
另一个具体的方案为处理风机的出口与除湿转轮的处理区入口连接；烟气过滤器出口与除湿转轮的再生区入口连接；除湿转轮的再生区的出口连接有再生风机。再生风机用于烟气排风。
将除湿转轮设置于系统的预过滤器和自清洁过滤器之间，在驱动装置的带动下缓慢旋转，其处理区的吸湿介质吸附空气中的水蒸气，水蒸气发生相变凝结并释放出潜热，转轮因吸收了空气中的水分而逐渐趋于饱和，同时，空气的湿度降低，温度略有上升；另一方面，在除湿转轮的再生区，烟气流过并加热转轮的吸湿后处于饱和状态的吸湿介质，使转轮吸湿介质中已吸附的水分蒸发，从而恢复转轮吸湿介质的除湿能力。在整个除湿过程中，转轮利用的是回收余热锅炉排烟的热量，而转轮的驱动装置只会消耗少许的电能。与公布号为 CN102278207A的专利文献中溶液除湿器不同，除湿转轮无需直接利用燃气轮机的排烟余热，而是低温、低品位的余热锅炉的排烟余热，几乎不影响汽轮机的出力，而燃气轮机的出力随着压气机入口温度降低而提高，因此，联合循环的总出力有所提高。
另一个具体的方案为空气过滤装置包括依次连接的风雨防护罩、防昆虫网、防冰装置、及预过滤器，大气空气经风雨防护罩流入系统内，预过滤器的出口连接处理风机的入口。
风雨防护罩、防昆虫网及防冰装置可以防止水分、杂物等进入燃气轮机内。预过滤器能过滤较大的固体颗粒(≥10μm)，从而延长自清洁过滤器的寿命。
再一个具体的方案为气水换热器的气体出口与蒸发冷却清洗装置的气体入口连接，蒸发冷却清洗装置的气体出口与水滴过滤器连接，水滴过滤器的气体出口与压气机入口连接；水循环装置包括水箱、沉淀池、中和池、水循环泵及冷却水塔；其中，气水换热器的给水出口、蒸发冷却清洗装置的回水出口及水滴过滤器的排水出口均与水箱连接；气水换热器的给水入口以及蒸发冷却清洗装置的给水入口均与冷却水塔连接；水箱出口与沉淀池连接，沉淀池出口与中和池连接，中和池出口与水循环泵的入口连接，水循环泵的出口与冷却水塔连接。
水箱用于回收气水换热器、蒸发冷却清洗装置和水滴过滤器所排出的水。随着蒸发冷却清洗装置的运行，由于水箱里的污染物颗粒含量会不断增加，为了减少结垢，确保清洁，水箱需定时清洗处理。沉淀池用于沉淀水中清洗下来的污染物颗粒，使水回收再生，循环利用。中和池用于对溶解有SO2、NOx、化学反应生成物H2SO3、HNO3等的水进行中和处理，使水回收再生，循环利用。冷却水塔用于对水进行冷却降温，提供给气水换热器和蒸发冷却清洗装置使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的除湿转轮降低空气湿度，有效提高了蒸发冷却清洗装置的降温效果和自清洁过滤器的过滤效果、使用寿命，解决了自清洁过滤器和蒸发冷却清洗装置在高湿度环境条件下不适用的问题，使它们在燃气轮机应用较多的东南沿海高湿度地区仍然适用。同时，蒸发冷却清洗装置不仅降低了压气机进气空气温度，解决了燃气轮机及其联合循环发电机组性能受大气环境温度变化影响较大的问题，大幅提高了燃气轮机及其联合循环发电机组的出力和效率；还起到了用水对空气进行清洗除尘、除霾和除去SO2、NOx等空气中的污染物，进一步降低空气中的尘霾颗粒物和溶于水的污染物浓度的效果，强化过滤效果，减少进入压气机的尘霾颗粒物和部分溶于水的气体污染物，防止它们对燃气轮机的腐蚀。
(2)本发明的蒸发冷却清洗装置通过向干燥的进气喷水，利用水蒸发吸收潜热的特性降低空气温度，将空气降至湿球温度。空气湿度越低，空气温度下降的幅度越大。将空气冷却及清洗结合在一起，即空气降温的同时，蒸发冷却清洗填料和喷淋的冷却水还将起到用水对空气进行清洗除尘、除霾和除去 SO2、NOx等空气中的污染物，进一步降低空气中的尘霾颗粒物和溶于水或可与水发生化学反应的气体污染物浓度的效果，进一步强化过滤效果，减少进入压气机的尘霾颗粒物和气体污染物。
(3)本发明的除湿转轮无需直接利用燃气轮机的排烟余热，而是温度更低、品位更低的余热锅炉的排烟余热，因此，几乎不影响汽轮机的出力。同时，除湿转轮结构、驱动部件简单，只需除湿转轮和送风机运转，即可得到干燥空气，所以操作非常简便。另外，它属于干式除湿型，无需补充吸湿剂，维修保养方便，运转和维修费用等成本低廉。
(4)本发明除了转轮除湿机的再生区需要消耗少量烟气的热量、驱动转轮除湿机旋转的电动机消耗少量的电能外，其它的能量消耗可以忽略不计。而压缩制冷技术需要消耗大量的电能；公布号为CN103397943A的专利文献中溴化锂吸收式制冷方法消耗烟气的热量比本发明的转轮除湿机的再生区消耗烟气的热量大得多，而且在烟气热量不足时，还需要从余热锅炉抽取一部分本来在汽轮机膨胀做功的蒸汽，减少了汽轮机的出力。
附图说明
图1为本发明实施例的燃气轮机进气处理系统的系统结构图；
图2为本发明实施例的除湿转轮的示意图；
图3为本发明实施例的蒸发冷却清洗装置结构示意图；
图4为本发明实施例的蒸发冷却清洗装置中填料结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1及图2，集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统设置在由燃气轮机、蒸汽轮机05、余热锅炉04及发电机06组成的燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端，燃气轮机由压气机01、燃烧室03及透平02构成，燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端设置在压气机01上。
进气冷却提高燃气-蒸汽联合循环发电机组的性能：燃气轮机是恒体积的机械动力设备，空气的质量流量取决于空气密度。压气机入口空气温度降低，密度增大，流经燃气轮机的空气的质量流量提高，燃气轮机做功能力随之提高。另外，压气机耗功与空气的热力学温度成正比，空气温度降低，压气机耗功减少，燃气轮机出力增大，效率随之提高。
燃气轮机进气处理系统包括按照大气的通入顺序依次连接的风雨防护罩 1、防昆虫网2、防冰装置3、预过滤器4、处理风机5、除湿转轮6、自清洁过滤器7、气水换热器8、蒸发冷却清洗装置9及水滴过滤器10，还包括水箱 12、沉淀池13、中和池14、冷却水塔11、连接在余热锅炉04与除湿转轮6 之间的烟气过滤器17、以及连接除湿转轮6并进行排气的再生风机16。
除湿转轮6包括处理区62及再生区61，处理区62设置有吸湿介质，用于吸附空气中的水蒸气，水蒸气发生凝结并释放出潜热，转轮因吸收了空气中的水分而逐渐趋于饱和，同时，空气的湿度降低，温度略有上升；再生区61 具有加热效果，当烟气流过时对吸湿后处于饱和状态的吸湿介质进行加热，使转轮吸湿介质中已吸附的水分蒸发，从而恢复转轮吸湿介质的除湿能力。在除湿过程中，除湿转轮6在驱动装置的带动下以8～10转/小时的速度缓慢旋转，在处理区62，吸湿介质吸附空气中的水蒸气，水蒸气发生相变凝结并释放出潜热。
以上各装置的连接方式如下：
风雨防护罩1的入口为大气环境空气进气，出口与防昆虫网2连接，防昆虫网2出口与防冰装置3连接，防冰装置3出口与预过滤器4连接，预过滤器 4出口与处理风机5连接，处理风机5出口与除湿转轮6的处理区62入口连接，烟气过滤器17入口与余热锅炉04出口连接，烟气过滤器17出口与除湿转轮6的再生区61入口连接，除湿转轮6的再生区61出口与再生风机16入口连接，再生风机16出口用于烟气排气，除湿转轮6的处理区62出口与自清洁过滤器7连接，自清洁过滤器7出口与气水换热器8的气体入口连接，气水换热器8的气体出口与蒸发冷却清洗装置9的气体入口连接，气水换热器8 的给水入口与冷却水塔11连接，气水换热器8的给水出口与水箱12连接，蒸发冷却清洗装置9的气体出口与水滴过滤器10连接，蒸发冷却清洗装置9的给水入口与冷却水塔11连接，蒸发冷却清洗装置9的给水出口与水箱12连接，水滴过滤器10的气体出口与压气机01入口连接，水滴过滤器10的排水出口与水箱12连接，水箱12出口与沉淀池13连接，沉淀池13出口与中和池14 连接，中和池14出口设有水循环泵15，水循环泵15出口与冷却水塔11连接。
参见图3和图4，蒸发冷却清洗装置9的顶部设有若干喷嘴91，喷嘴下方形成一蒸发空间，蒸发空间内填充有蒸发冷却清洗填料92，蒸发冷却清洗填料92包括若干排垂直于蒸发冷却清洗装置的底面的由中空曲折结构构成的流道结构件921，结构件921中还包括口袋状结构，相邻结构件921之间形成中空曲折流道922。结构件921的两侧间隔设有用于增大蒸发冷却清洗填料的表面积的口袋结构923。喷嘴91将从冷却水塔11流过来的冷却水雾化并均匀地从上往下喷淋在蒸发冷却清洗填料92空间，并在填料结构件921表面形成一层水膜，在中空曲折流道922空间内形成水雾。
在预过滤器4和自清洁过滤器7之间加装除湿转轮6，通过采用回收余热锅炉04排放低温烟气热量的方法，由低温烟气加热除湿转轮6再生区61饱和的吸湿介质，带走蒸发出来的水蒸气，恢复除湿转轮6的吸湿能力；大气空气经过风雨防护罩1、防昆虫网2、防冰装置3和预过滤器4过滤处理后，进入除湿转轮6，空气中的水蒸气在除湿转轮6的处理区62被吸湿介质吸收，空气湿度降低，变成干燥的空气；空气被干燥后在自清洁过滤器7中被进一步过滤，空气水分含量越低，过滤器的过滤效果越好、使用寿命也越长；水蒸气在除湿转轮6的处理区62发生相变凝结释放潜热，空气温度略有上升，故需通过气水换热器，使空气与冷却水交换热量，将空气温度降至大气环境温度甚至略低于环境温度；由气水换热器出来的干燥空气进入蒸发冷却清洗装置9，采用喷水蒸发冷却清洗的方法，空气被冷却至湿球温度附近，同时蒸发冷却填料和喷淋的冷却水也可起到用水对空气进行清洗除尘、除霾和除去SO2、NOx等空气中气体污染物的作用，去除空气中的尘霾颗粒物和溶于水或可与水进行化学反应的气体污染物，减少进入压气机的尘霾颗粒物和溶于水或可与水进行化学反应的气体污染物。
在蒸发冷却清洗装置9的中空曲折流道922空间中，从上往下喷淋的水雾 (小水滴)与进气中的颗粒物产生惯性碰撞，颗粒物被小水滴捕获，随后一起由于重力作用而沉降；在蒸发冷却清洗填料92的中空曲折流道922及口袋结构923的空间里空气流动过程中必须不断地转向，由于燃气轮机进气速度高，颗粒物由于其惯性作用比气体大，在中空曲折流道922及口袋结构923空间中来不及转向，撞击到水膜上而被捕获；在中空曲折流道922及口袋结构923 的空间中，SO2、NOx等气体污染物可以直接溶解于水雾(小水滴)或与喷淋的水雾(小水滴)发生化学反应；蒸发冷却清洗填料92的中空曲折流道922及口袋结构923上形成水膜，大大增加了进气与冷却水的接触面积，使更多的气体污染物能够被除去；蒸发冷却清洗填料92的中空曲折流道922与口袋结构 923及其后的区域为蒸发区，空气在这一区域与冷却水直接接触进行热质传递，使得燃气轮机进气温度从干球温度逐渐降低至湿球温度，从而达到降低燃气轮机进气温度的目的；蒸发区后有水滴过滤器用于除水，经喷水蒸发冷却清洗装置9冷却的空气温度降低，但湿度接近饱和。由水滴过滤器过滤空气，除去空气中残留的未沉降或未蒸发的液态水滴和水雾，消除液态水滴对压气机的损害。
由蒸发冷却清洗装置9出来的冷却后的空气进入水滴过滤器10，除去空气水蒸气混合物中的水滴和部分水雾，然后进入燃气轮机的压气机01；水箱 12回收气水换热器8、蒸发冷却清洗装置9和水滴过滤器10收集排出的水，经沉淀池13和中和池14再生处理后泵回冷却水塔11冷却，实现水的回收循环利用。
本实施例的集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统在进行进气处理时包括以下技术环节：
1)进气过滤：利用空气过滤装置中的介质材料拦截并沉积空气中的污染物颗粒和杂物；具体地，通过风雨防护罩、防昆虫网、防冰装置及预过滤器，在扩散效应、拦截效应、惯性效应、重力效应和静电效应等效应作用下，空气中的污染物颗粒和杂物被过滤器中的介质材料所拦截并沉积下来。
2)转轮除湿：利用除湿转轮中的吸湿介质吸收过滤后的空气中的水蒸气，形成干空气；转轮除湿步骤中吸湿介质位于除湿转轮的处理区内；该步骤还包括将余热锅炉排放的烟气通入除湿转轮的再生区，利用烟气余热加热吸收水蒸气后饱和的吸湿介质并带走蒸发出来的水蒸气，恢复吸湿介质的吸湿能力。
3)冷却并清洗进气：利用蒸发冷却清洗装置中水的蒸发作用对空气进行降温，同时利用水在蒸发冷却清洗装置中形成一层水膜和流道中空空间的水雾捕集或沉降空气中污染物颗粒并吸收溶于水或与水进行化学反应的气体污染物，从而对空气进行清洗；
喷淋的冷却水将起到水洗除尘除霾清洗的效果，其工作原理为，首先将喷淋水均匀地喷洒在蒸发冷却填料的上面，并在填料结构件表面形成一层水膜，然后当含污染物颗粒的空气流经填料通道时，颗粒物在惯性作用下直接撞击在水膜表面而被捕集，或者与流道中空空间的水雾碰撞而被捕集，在重力作用下沉，由于水分子间有氢键和范德华力作用，使得水滴在蒸发冷却清洗填料结构件表面凝聚，最后尘霾颗粒随水被冲刷至水箱；至于空气中含有的SO2、NOx等气体污染物，因为SO2气体分子是极性分子，硫原子的杂化方式是sp2杂化，有一对孤对电子，分子构型为V型，水分子也是极性分子，水是极性溶剂，因此SO2易溶于水，而且SO2还可与H2O发生反应生成H2SO3，增大去除气体污染物的效果；NOx气体可与水发生化学反应，4NO2+O2+2H2O＝4HNO3，4NO+3O2 +2H2O＝4HNO3，由于在蒸发冷却清洗填料结构件表面形成水膜和流道中空空间的水雾大大增加了进气与冷却水的接触面积，因此SO2、NOx等气体污染物也在蒸发冷却清洗装置中被除去。
蒸发冷却过程相当于一个定焓加湿的过程。向空气中喷水，水蒸发吸收潜热，空气温度从干球温度逐渐降低至湿球温度，从而达到降低空气温度的目的。空气湿度越低，蒸发冷却的效果越好，空气温度的下降幅度越大。因此，在空气进入蒸发冷却清洗装置之前利用除湿转轮降低空气湿度，产生干空气，再进行喷水蒸发冷却，空气将被冷却到更低的温度。
4)除水：在将空气通入压气机内前利用水滴过滤器除去空气中残留的未沉降或未蒸发的液态水滴和水雾；
5)对水再生：将未蒸发的水和含有清洗下来的污染物颗粒、溶解的气体污染物和化学反应生成物的水通入水循环装置进行处理，使其成为干净的再生水并进行回收循环利用。将未蒸发的水和含有清洗下来的尘霾颗粒物、SO2和 NOx等气体污染物、化学反应生成物H2SO3及HNO3的水排出到水箱，经过沉淀池对颗粒物的沉淀和中和池对SO2、NOx等污染物和化学反应生成物H2SO3、HNO3的中和处理，对水再生，并利用水泵将处理再生后的水泵入冷却水塔降温，实现水的循环利用。
本实施例主要包含加强对燃气轮机进气的过滤清洗和降低压气机进气温度提高联合发电机组出力的效果。加强对燃气轮机进气的过滤清洗效果，一方面因空气中水分含量越低，过滤效果越好，通过除湿转轮降低空气湿度，从而提高了过滤器的过滤效果和使用寿命；另一方面蒸发冷却喷淋的冷却水也有用水对空气进行清洗、除尘、除霾和除去SO2、NOx等气体污染物、进一步降低空气中的尘霾颗粒物和溶于水或可与水发生化学反应的污染物浓度的作用，从而减少了进入燃气轮机的颗粒物和溶于水或可与水发生化学反应的气体污染物，防止它们对燃气轮机的腐蚀，有效提高燃气轮机寿命。
利用转轮除湿机降低空气湿度，从而产生干空气，提高自清洁过滤器的过滤效果和蒸发冷却清洗装置的冷却效果；再利用蒸发冷却技术冷却进气空气，将空气温度降低至更低的温度，克服蒸发进气冷却受大气环境湿度影响较大的问题，在高湿度条件下提高燃气轮机及其联合循环发电机组性能的效果，比简单的喷水蒸发冷却更好；同时蒸发冷却清洗装置还将起到用水对空气进行清洗、除尘、除霾和除去SO2、NOx等空气中污染物的作用，进一步降低空气中的尘霾颗粒物和溶于水或可与水发生化学反应的污染物浓度的效果，强化过滤效果，减少进入压气机的尘霾颗粒物和溶于水或可与水发生化学反应的气体污染物，避免它们对燃气轮机的腐蚀。
以CELdek7090型纸基填料蒸发冷却清洗装置为例，它对1-5μm固体颗粒的除尘效率约22％，对5-10μm的除尘效率约25％，对大于10μm的除尘效率约33％，达到了中效过滤器的水平。至于蒸发冷却降低压气机进气温度来提高机组出力方面，在环境温度为30℃、相对湿度为75％的条件下，若压气机压比、透平前燃气初温和各部件效率相同，蒸发冷却清洗装置中空气加湿到相对湿度 95％，与不加装进气冷却装置相比，采用本实施例的集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统，可使燃气轮机的出力提高约9-13％、效率提高约3-6％；而采用简单的喷水蒸发冷却，则只能使燃气轮机出力提高约 1.5-2.0％、效率提高约0.5-1.5％。
Claims (6)
1.一种集污染物清洗过滤与蒸发冷却于一体的燃气轮机进气处理系统，所述处理系统设置在由燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉及发电机组成的燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端，所述燃气轮机由压气机、燃烧室及透平构成，所述燃气-蒸汽联合循环发电机组的进气端设置在所述压气机的进口；
其特征在于：
所述进气处理系统包括按照大气的通入顺序依次连接的空气过滤装置、处理风机、除湿转轮、自清洁过滤器、气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器；
所述水滴过滤器的出口连接所述压气机的进口；
所述余热锅炉与所述除湿转轮之间通过管道连通，且在该管道上连接有烟气过滤器；
所述蒸发冷却清洗装置的顶部设有若干喷嘴，喷嘴下方形成一蒸发空间，蒸发空间内填充有蒸发冷却清洗填料；
所述气水换热器、蒸发冷却清洗装置及水滴过滤器三者的出口设有收集回水的水循环装置。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机进气处理系统，其特征在于：
所述的蒸发冷却清洗填料包括若干排垂直于所述蒸发冷却清洗装置的底面的由曲折结构构成的结构件，相邻所述曲折结构构成的结构件之间形成中空曲折流道空间；
每个所述的曲折结构构成的结构件设有多个用于增大所述蒸发冷却清洗填料的表面积和中空空间的口袋状结构曲折板。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机进气处理系统，其特征在于：
所述的除湿转轮具有用于吸附空气中水蒸气的处理区及用于恢复除湿转轮吸湿能力的再生区。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机进气处理系统，其特征在于：
所述的处理风机的出口与所述除湿转轮的处理区入口连接；
所述的烟气过滤器出口与所述除湿转轮的再生区入口连接；
所述的除湿转轮的再生区的出口连接有再生风机。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机进气处理系统，其特征在于：
所述的空气过滤装置包括依次连接的风雨防护罩、防昆虫网、防冰装置、及预过滤器，大气空气经风雨防护罩流入系统内，所述与过滤器的出口连接所述处理风机的入口。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机进气处理系统，其特征在于：
所述气水换热器的气体出口与所述蒸发冷却清洗装置的气体入口连接，所述蒸发冷却清洗装置的气体出口与所述水滴过滤器连接，所述水滴过滤器的气体出口与所述压气机入口连接；
所述的水循环装置包括水箱、沉淀池、中和池、水循环泵及冷却水塔；
其中，所述气水换热器的给水出口、所述蒸发冷却清洗装置的回水出口及所述水滴过滤器的排水出口均与所述水箱连接；所述气水换热器的给水入口以及所述蒸发冷却清洗装置的给水入口均与所述冷却水塔连接；所述水箱出口与所述沉淀池连接，所述沉淀池出口与所述中和池连接，所述中和池出口与所述水循环泵的入口连接，所述水循环泵的出口与所述冷却水塔连接。
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2017
- 2017-09-14 CN CN201710828404.3A patent/CN107725194B/zh active Active
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