CN111156089B - 一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法，其包括进气部分、旋转加速部分、液滴颗粒分离及收集部分和净化分离部分；含液滴颗粒的气流经所述进气部分进入所述旋转加速部分，一部分气流经所述旋转加速部分进入所述液滴颗粒分离及收集部分，另一部分气流经所述旋转加速部分进入所述净化分离部分；所述进气部分包括进口管路和蜗壳状管路；所述进口管路与所述蜗壳状管路连通。本发明能减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，降低空气过滤系统的滤芯失效风险，延长过滤系统使用寿命，并能降低过滤系统的运维成本。

Description

一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法

技术领域

本发明涉及一种气液分离装置及方法，特别是关于一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法。

背景技术

目前我国燃气电厂或天然气长输管道压气站中大多采用GE公司、Rolls-Royce公司、Solar公司的燃气轮机作为动力设备。这些进口燃气轮机普遍存在供货周期长、维修和保养成本高等问题，这就要求用户在使用过程中要严格按照操作规范的要求，同时更要满足生产厂家提出的进气气质要求。

当进入燃气轮机的气质条件较差时，气体内液滴等杂质会对燃烧系统和涡轮叶片造成磨损或腐蚀等危害，导致燃气轮机失效，从而严重影响发电机组的正常运行和安全生产。因此，当气体进入燃气轮机前，需对其进行净化处理。目前燃气轮机普遍采用进气气源过滤系统作为关键设备保护装置。目前常用的过滤系统由多只滤芯并列组成，滤芯以纤维为过滤材料，加工成百褶形状。由于滤芯多且含有百褶结构，增加了流通面积，使得滤芯表面的空气流速控制在某一低数值，进气中的颗粒物粒子不断附着在滤芯外表面上，从而达到过滤气体中杂质的目的。

滤芯作为过滤系统的核心元件，其性能优劣将直接影响整体机组的安全运行。由于滤芯为易耗件，约半年到一年更换一次，更换滤芯成本巨大。另外，当入口气质恶化时，滤芯的寿命会发生锐减的现象，使燃气轮机面临失效的风险，对电厂生产造成很大影响。燃气轮机原装进气过滤系统的滤芯采购周期长、单价高，且滤芯备件消耗量大，对备件储备及运行维护成本的控制造成了巨大压力。

在实际工程应用过程中，滤芯所在的大气环境是多变的，而大气中的污染物组成也较为复杂。大气中的污染物主要包括固相、气相、液相三类污染物。气相污染物包括氨、氯化物、硫化物等排放物质。液相污染物包括水蒸汽以及气液两相污染物形成的具有强腐蚀性的酸性液滴，这些污染物的存在，尤其是液相污染物会对燃气轮机进气通道和压气室产生腐蚀等危害。

综上所述，现有燃气轮机空气过滤系统技术缺陷主要体现在以下几个方面：1、对于沿海地区的燃气电厂而言，由于环境多盐雾且湿度高，进气量大，空气过滤系统的运行负荷较大，当冬季气温较低时，液相颗粒物的存在还会使滤芯表面结霜，引起燃气轮机空气过滤系统的滤芯的堵塞，导致滤芯残余阻力高、滤芯过滤性能下降、滤芯失效以及使用寿命降低等一系列问题，进而对燃气轮机的安全稳定运行带来严重影响和危害。2、为达到对气相颗粒物理想的过滤分离效果，燃气轮机空气过滤系统通常要安装800至1500套滤芯，处理的工艺气气量越大，需要的滤芯数量越多，过滤系统的体积庞大，液相颗粒物导致滤芯频繁失效，过滤系统装备的运维成本居高不下。

发明内容

针对现有燃气轮机空气过滤系统技术存在的滤芯的堵塞，滤芯失效以及使用寿命降低等一系列问题，本发明的目的是提供一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法，能减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，降低空气过滤系统的滤芯失效风险，延长过滤系统使用寿命，进而保证燃气轮机系统安全稳定运行。

本发明的另一目的在于提供一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器及方法，通过减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，达到降低整套过滤系统负荷的目的，与现有技术相比可有效减少所需的滤芯数量，进而降低过滤系统的运维成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器，其包括进气部分、旋转加速部分、液滴颗粒分离及收集部分和净化分离部分；含液滴颗粒的气流经所述进气部分进入所述旋转加速部分，一部分气流经所述旋转加速部分进入所述液滴颗粒分离及收集部分，另一部分气流经所述旋转加速部分进入所述净化分离部分；所述进气部分包括进口管路和蜗壳状管路；所述进口管路与所述蜗壳状管路连通。

进一步，所述旋转加速部分包括第一壳体、第二壳体、单向金属过滤网、锥体和直筒；所述第一壳体顶部构成所述蜗壳状管路，所述第二壳体下部设置在所述第一壳体的上部空间内，且所述第二壳体底部设置有所述单向金属过滤网，所述单向金属过滤网与所述第一壳体之间形成直筒状旋流空间；位于所述第一壳体的下部空间内设置有从上至下呈减缩状结构的所述锥体，所述锥体内形成旋流加速空间，所述单向金属过滤网的底端位于所述锥体内；所述锥体的顶部与所述第一壳体内壁连接，所述锥体的底部与所述直筒连接，所述直筒内形成旋流稳速段。

进一步，在靠近所述直筒处的所述锥体底部周向间隔设置有若干直槽缝。

进一步，所述净化分离部分包括导流锥、导流叶片、锥形分离罩和分离器出口；所述导流锥设置在所述单向金属过滤网内，所述导流锥圆周方向上设置有所述导流叶片，所述导流叶片与所述单向金属过滤网内壁接触；在所述第二壳体内，位于所述导流锥上方设置有所述锥形分离罩，所述锥形分离罩顶部为所述分离器出口。

进一步，所述导流锥上所述导流叶片的轴向进口角度为0°～15°，出口角度为45°～60°。

进一步，所述单向金属过滤网的高度＝所述导流锥顶部到所述导流锥底部的距离。

进一步，所述锥形分离罩周向上间隔开设有角度交替的斜槽缝。

进一步，所述液滴颗粒分离及收集部分包括第三壳体、锥形罩和分离物储存料斗；所述第一壳体的下部设置在所述第三壳体内，且所述第一壳体底部形成液滴分离口；所述第三壳体底部设置有所述分离物储存料斗，并在所述第三壳体内设置所述锥形罩；所述锥形罩由一体成型的渐扩部和外扩部构成，所述锥形罩顶部设置有压力平衡孔。

进一步，所述液滴颗粒分离及收集部分还包括支架、定位螺栓和定位螺杆；所述支架上部焊接在所述第一壳体的侧壁上，所述锥形罩底部通过所述定位螺栓和定位螺杆固定在所述支架中心位置处，通过所述定位螺栓和定位螺杆能调节所述锥形罩在所述支架上的轴向位置。

一种基于上述分离器的燃气轮机空气过滤系统前置气液分离方法，其包括以下步骤：S1、含液气流由进口管路进入蜗壳状管路，在蜗壳切向力的作用下，含液气流产生的离心力作用下旋转加速进入到直筒状旋流空间，再进入到锥体进一步被加速；S2、被加速后的含液气流一部分将继续向下穿过直筒，进入步骤S3；一部分气流则被反弹沿轴向向上进入导流锥所在的分离空间，进入步骤S4；同时，还有一部分气流穿过锥体下部的直槽缝，此时旋转加速的含液气流的液体颗粒物在离心力作用下，被甩出直槽缝，由液滴分离口排出；S3、沿直筒轴向向下的含液气流到达锥形罩，沿锥形罩的表面加速旋转，在离心力作用下，液滴被分离后由液滴分离口排到分离物储存料斗；利用锥形罩顶端的压力平衡孔抵消旋流离心力产生的“微负压”；S4、沿轴向向上的含液气流，在下部导流锥的引流下进入导流叶片，旋转向上的含液气流在导流叶片的导流下进一步加速；轴向进入的气流，在导流叶片的顶部突然加速到改变角度，在离心力的作用下，液滴被“甩”到单向金属过滤网，聚结成大颗粒的液滴，在重力的作用下向下滑落至锥体所在的空间后，被甩出直槽缝；S5、进一步加速的含液气流由上部导流锥进入锥形分离罩后，含液气流中的少量液滴由沿气流相同方向的斜槽缝被进一步分离，并由交替角度的斜槽缝进行压力平衡，抵消旋流离心力产生的“微负压”；S6、分离净化后的气流由分离器出口进入燃气轮机空气过滤系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，降低空气过滤系统的滤芯失效风险，延长过滤系统使用寿命，保证燃气轮机系统安全稳定运行。2、本发明通过减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，达到降低整套过滤系统负荷的目的，与现有技术相比可有效减少所需的滤芯数量，进而降低过滤系统的运维成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的B-B剖视图；

图3是图1的D-D剖视图；

图4是导流叶片的进口和出口角度示意图；

图5是图1的C-C剖视图；

图6是本发明的锥形分离器结构示意图；

图7是图1及图6的A-A剖视图；

图8是图1的E-E剖视图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器，能够有效减少燃气轮机空气过滤系统运行负荷，其包括进气部分、旋转加速部分、液滴颗粒分离及收集部分和净化分离部分。含液滴颗粒的气流经进气部分进入旋转加速部分，一部分气流经旋转加速部分进入液滴颗粒分离及收集部分，另一部分气流经旋转加速部分进入净化分离部分。其中：

如图1、图2所示，进气部分包括进口管路1和蜗壳状管路2。进口管路1与蜗壳状管路2连通，含液气流由进口管路1进入蜗壳状管路2，在蜗壳切向力的作用下含液气流产生离心力，含液气流在离心力作用下旋转加速进入到旋转加速部分。

如图1所示，旋转加速部分包括第一壳体3、第二壳体4、单向金属过滤网5、锥体6和直筒7。第一壳体3顶部构成蜗壳状管路2，一侧与进口管路1连通。第二壳体4下部设置在第一壳体3的上部空间内，且第二壳体4底部设置有单向金属过滤网5，单向金属过滤网5与第一壳体3之间形成直筒状旋流空间8。位于第一壳体3的下部空间内设置有从上至下呈减缩状结构的锥体6，锥体6内形成旋流加速空间，单向金属过滤网5的底端位于锥体6内；锥体6的顶部与第一壳体3内壁连接，锥体6的底部与直筒7连接，直筒7内形成旋流稳速段。

优选的，在靠近直筒7处的锥体6底部周向间隔设置有若干直槽缝9，如图3所示。直槽缝9至少设置为3个，直槽缝9的最佳长度范围为锥体6长度的1/3～1/2。

使用时，含液气流在离心力作用下旋转加速进入到直筒状旋流空间8，再进入到锥体6内进行旋流加速，由于该锥体6向中心收缩(即从上至下呈减缩状结构)，正在旋转向下流动的含液气流在此段将进一步被加速。一部分含液气流将继续沿着图1中螺旋实线箭头方向向下穿过直筒7(旋流稳速段)；一部分含液气流则被反弹沿着图1中螺旋虚线箭头方向轴向向上进入净化分离部分；还有其余一部分含液气流穿过锥体6下部的直槽缝9，此时旋转加速的含液气流的液体颗粒物在离心力的作用下，将沿图1中向下箭头方向被甩出直槽缝9，进入液滴颗粒分离及收集部分。

如图1、图4所示，净化分离部分包括导流锥10、导流叶片11、锥形分离罩12和分离器出口13。导流锥10设置在单向金属过滤网5内，导流锥10圆周方向上设置有导流叶片11，导流叶片11与单向金属过滤网5内壁接触，如图4所示。在第二壳体4内，位于导流锥10上方设置有锥形分离罩12，锥形分离罩12顶部为分离器出口13。

优选的，如图5所示，导流锥10上导流叶片11的角度，轴向进口角度A为0°～15°，出口角度B为45°～60°。导流叶片11至少设置为3个，最佳数量为6～10个。

优选的，单向金属过滤网5的高度＝导流锥10顶部到导流锥10底部的距离，单向金属过滤网5为成熟技术，该单向金属过滤网5的内侧(即与导流叶片11接触侧)孔隙率大，外侧空隙率小，两侧的阻力差异大，因此具有使得气流具有单向流动的作用。

优选的，如图6、图7所示，锥形分离罩12周向上间隔开设有角度交替的斜槽缝121。

使用时，被反弹的部分含液气流沿着轴向向上进入导流锥10内，在下部的导流锥10引流下进入导流叶片11。旋转向上的含液气流在导流叶片11的导流下进一步加速，轴向进入的气流，在导流叶片11的顶部突然加速到改变角度，在离心力的作用下，气流中的液滴被“甩”到单向金属过滤网5，聚结成大颗粒的液滴，在液滴自身重力作用下向下滑落至锥体6内的旋流加速度空间后，沿图1中箭头方向被甩出直槽缝9。分离出液滴后的气流由导流锥10的上部进入锥形分离罩12后，气流中的少量液滴由沿气流相同方向的斜槽缝121被进一步分离，而交替角度的斜槽缝121用于压力平衡，抵消旋流离心力产生的“微负压”，防止发生被分离的液滴“二次卷吸”影响分离效率。净化后的气流由分离器出口13进入燃气轮机空气过滤系统，减少了滤芯的工作负荷，延长使用寿命。

如图1所示，液滴颗粒分离及收集部分包括第三壳体14、分离物储存料斗15和锥形罩16。第一壳体3的下部设置在第三壳体14内，且第一壳体3底部形成液滴分离口31；第三壳体14底部设置有分离物储存料斗15，并在第三壳体14内设置锥形罩16。锥形罩16由一体成型的渐扩部161和外扩部162构成，并在锥形罩16顶部设置有压力平衡孔163。

优选的，锥形罩16渐扩部161中部的截面扇形圆心角α为30°～60°；锥形罩16渐扩部161与外扩部162交接处的截面扇形圆心角β比α角度略大，在α角度上增加10°～15°。

优选的，如图1和图8所示，液滴颗粒分离及收集部分还包括支架17、定位螺栓18和定位螺杆19。支架17上部焊接在第一壳体3的侧壁上，锥形罩16底部通过定位螺栓18和定位螺杆19固定在支架17中心位置处，进而通过定位螺栓18和定位螺杆19调节锥形罩16在支架17上的轴向位置，操作灵活且有弹性空间，进而使锥形罩16与旋转加速部分匹配得到最佳分离效果。

优选的，位于分离物储存料斗15的底端设置有排料阀151。

使用时，部分含液气流向下穿过直筒7后到达锥形罩16，沿锥形罩16的表面加速旋转，在离心力作用下，液滴被分离后沿着图1中箭头方向由液滴分离口31排到分离物储存料斗15。利用锥形罩16顶端的压力平衡孔抵消旋流离心力产生的“微负压”，防止发生被分离的液滴“二次卷吸”。与穿过锥体6下部的直槽缝9的被分离的液滴，一并由液滴分离口31排到分离物储存料斗15。

基于上述分离器，本发明还提供一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离方法，其包括以下步骤：

S1、如图1所示，含液气流由进口管路1进入蜗壳状管路2，在蜗壳切向力的作用下，含液气流产生的离心力作用下旋转加速进入到直筒状旋流空间8，再进入到锥体6进一步被加速；

S2、被加速后的含液气流一部分将继续向下穿过直筒7，进入步骤S3；一部分气流则被反弹沿轴向向上进入导流锥10所在的分离空间，进入步骤S4；同时，还有一部分气流穿过锥体6下部的直槽缝9，此时旋转加速的含液气流的液体颗粒物在离心力作用下，被甩出直槽缝9，由液滴分离口排出。

S3、沿直筒7轴向向下的含液气流到达锥形罩16，沿锥形罩16的表面加速旋转，在离心力作用下，液滴被分离后由液滴分离口排到分离物储存料斗15。利用锥形罩16顶端的压力平衡孔抵消旋流离心力产生的“微负压”，防止发生被分离的液滴“二次卷吸”。

S4、沿轴向向上的含液气流，在下部导流锥10的引流下进入导流叶片11，旋转向上的含液气流在导流叶片11的导流下进一步加速；轴向进入的气流，在导流叶片11的顶部突然加速到改变角度，在离心力的作用下，液滴被“甩”到单向金属过滤网5，聚结成大颗粒的液滴，在重力的作用下向下滑落至锥体6所在的空间后，被甩出直槽缝9。

S5、进一步加速的含液气流由上部导流锥10进入锥形分离罩12后，含液气流中的少量液滴由沿气流相同方向的斜槽缝121被进一步分离，并由交替角度的斜槽缝121进行压力平衡，抵消旋流离心力产生的“微负压”，防止发生被分离的液滴“二次卷吸”影响分离效率。

S6、分离净化后的气流由分离器出口13进入燃气轮机空气过滤系统。

综上所述，本发明能够达到有效减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物的目的，降低空气过滤系统的滤芯失效风险，延长过滤系统使用寿命，保证燃气轮机系统安全稳定运行。整套过滤系统负荷也因此而降低，与现有技术相比可有效减少所需的滤芯数量，从而能够降低过滤系统的运维成本。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种燃气轮机空气过滤系统前置气液分离器，其特征在于：包括进气部分、旋转加速部分、液滴颗粒分离及收集部分和净化分离部分；含液滴颗粒的气流经所述进气部分进入所述旋转加速部分，一部分气流经所述旋转加速部分进入所述液滴颗粒分离及收集部分，另一部分气流经所述旋转加速部分进入所述净化分离部分；

所述进气部分包括进口管路和蜗壳状管路；所述进口管路与所述蜗壳状管路连通；

所述旋转加速部分包括第一壳体、第二壳体、单向金属过滤网、锥体和直筒；所述第一壳体顶部构成所述蜗壳状管路，所述第二壳体下部设置在所述第一壳体的上部空间内，且所述第二壳体底部设置有所述单向金属过滤网，所述单向金属过滤网与所述第一壳体之间形成直筒状旋流空间；位于所述第一壳体的下部空间内设置有从上至下呈减缩状结构的所述锥体，所述锥体内形成旋流加速空间，所述单向金属过滤网的底端位于所述锥体内；所述锥体的顶部与所述第一壳体内壁连接，所述锥体的底部与所述直筒连接，所述直筒内形成旋流稳速段；

所述液滴颗粒分离及收集部分包括第三壳体、锥形罩和分离物储存料斗；所述第一壳体的下部设置在所述第三壳体内，且所述第一壳体底部形成液滴分离口；所述第三壳体底部设置有所述分离物储存料斗，并在所述第三壳体内设置所述锥形罩；所述锥形罩由一体成型的渐扩部和外扩部构成，所述锥形罩顶部设置有压力平衡孔。

2.如权利要求1所述分离器，其特征在于：在靠近所述直筒处的所述锥体底部周向间隔设置有若干直槽缝。

3.如权利要求1所述分离器，其特征在于：所述净化分离部分包括导流锥、导流叶片、锥形分离罩和分离器出口；所述导流锥设置在所述单向金属过滤网内，所述导流锥圆周方向上设置有所述导流叶片，所述导流叶片与所述单向金属过滤网内壁接触；在所述第二壳体内，位于所述导流锥上方设置有所述锥形分离罩，所述锥形分离罩顶部为所述分离器出口。

4.如权利要求3所述分离器，其特征在于：所述导流锥上所述导流叶片的轴向进口角度为0°～15°，出口角度为45°～60°。

5.如权利要求3所述分离器，其特征在于：所述单向金属过滤网的高度＝所述导流锥顶部到所述导流锥底部的距离。

6.如权利要求3所述分离器，其特征在于：所述锥形分离罩周向上间隔开设有角度交替的斜槽缝。

7.如权利要求1所述分离器，其特征在于：所述液滴颗粒分离及收集部分还包括支架、定位螺栓和定位螺杆；所述支架上部焊接在所述第一壳体的侧壁上，所述锥形罩底部通过所述定位螺栓和定位螺杆固定在所述支架中心位置处，通过所述定位螺栓和定位螺杆能调节所述锥形罩在所述支架上的轴向位置。

8.一种基于如权利要求1至7任一项所述分离器的燃气轮机空气过滤系统前置气液分离方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、含液气流由进口管路进入蜗壳状管路，在蜗壳切向力的作用下，含液气流产生的离心力作用下旋转加速进入到直筒状旋流空间，再进入到锥体进一步被加速；

S2、被加速后的含液气流一部分将继续向下穿过直筒，进入步骤S3；一部分气流则被反弹沿轴向向上进入导流锥所在的分离空间，进入步骤S4；同时，还有一部分气流穿过锥体下部的直槽缝，此时旋转加速的含液气流的液体颗粒物在离心力作用下，被甩出直槽缝，由液滴分离口排出；

S3、沿直筒轴向向下的含液气流到达锥形罩，沿锥形罩的表面加速旋转，在离心力作用下，液滴被分离后由液滴分离口排到分离物储存料斗；利用锥形罩顶端的压力平衡孔抵消旋流离心力产生的“微负压”；

S4、沿轴向向上的含液气流，在下部导流锥的引流下进入导流叶片，旋转向上的含液气流在导流叶片的导流下进一步加速；轴向进入的气流，在导流叶片的顶部突然加速到改变角度，在离心力的作用下，液滴被“甩”到单向金属过滤网，聚结成大颗粒的液滴，在重力的作用下向下滑落至锥体所在的空间后，被甩出直槽缝；

S5、进一步加速的含液气流由上部导流锥进入锥形分离罩后，含液气流中的少量液滴由沿气流相同方向的斜槽缝被进一步分离，并由交替角度的斜槽缝进行压力平衡，抵消旋流离心力产生的“微负压”；

S6、分离净化后的气流由分离器出口进入燃气轮机空气过滤系统。

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