CN114718733A - 一种燃气轮机进气防冰装置和船舶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气轮机进气防冰装置和船舶，该防冰装置，包括易结冰装置和燃气轮机压气机，其特征在于，还包括引气管路，所述引气管路的一端与所述燃气轮机压气机内部连通，另一端与所述易结冰装置靠近，通过所述引气管路将所述燃气轮机压气机内部高温高压的空气输送到所述易结冰装置，与进入和/排出所述易结冰装置的空气混合并对空气进行加热。采用了引压气机某级间高温高压空气与进气掺混来加热进气，通过降低进气相对湿度、提高进气温度，实现防止进气结冰的目的。

Description

一种燃气轮机进气防冰装置和船舶

技术领域

本发明涉及燃气轮机装置安全运行技术领域，尤其涉及一种燃气轮机进气防冰装置以及设置有此防冰装置的船舶。

背景技术

燃气轮机作为船舶的主动力，需要吸入大量的空气，海洋环境下进气空气中不仅含有大量的盐雾，有时海洋上也会有冰雪天气，进气系统结冰是高纬度地区船舶航行不得不面临的问题，是影响燃气轮机性能及安全的重要因素。为了保证船舶的安全运行，必须采取合适的防除冰措施。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种能够防止燃气轮机进气道结冰的装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机进气防冰装置，包括易结冰装置和燃气轮机压气机，还包括引气管路，所述引气管路的一端与所述燃气轮机压气机内部连通，另一端与所述易结冰装置靠近，通过所述引气管路将所述燃气轮机压气机内部高温高压的空气输送到所述易结冰装置，与进入和/排出所述易结冰装置的空气混合并对空气进行加热

优选的，还包括检测装置、调节装置和控制装置；

所述检测装置安装在所述易结冰装置上并与所述控制装置电连接，用于检测进入/排出所述易结冰装置的空气指标；

所述调节装置安装在所述引气管路上，并与所述控制装置电连接；

所述控制装置根据所述检测装置检测的空气指标控制所述调节装置开启或关闭的大小。

优选的，所述检测装置为安装在所述易结冰装置上的传感器。

优选的，所述传感器至少包括如下之一：温度传感器、压差传感器、湿度传感器和结冰传感器。

优选的，所述调节装置为安装在所述引气管路上的调节阀。

优选的，还包括集管，所述引气管路另一端连接有所述集管，通过所述集管将所述引气管路中的高温高压空气喷射到所述易结冰装置上。

优选的，在所述易结冰装置的表面设置有防冰涂层。

优选的，还包括电加热装置，所述电加热装置安装在所述易结冰装置上或靠近所述易结冰装置安装，用于对所述易结冰装置以及进入和/排出所述易结冰装置的空气进行加热。

优选的，所述易结冰装置至少包括如下之一：进气百叶窗、进气滤清器和消声器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶，安装有上述任一技术方案所述的燃气轮机进气防冰装置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、结冰对燃气轮机运行是非常危险的，综合比较国内外各种防结冰技术，我国在船舶上首次采用了引压气机某级间高温高压空气与进气掺混来加热进气，通过降低进气相对湿度、提高进气温度，实现防止进气结冰的目的。

2、通过设置的检测装置、调节装置和控制装置实现智能控制，建立一套包含结冰感知和预警、防除冰措施、防除冰智能控制于一体的闭环方法，实现高效节能智能化防冰的综合控制。

附图说明

图1为本发明一种燃气轮机进气防冰装置结构示意图。

图中：1、易结冰装置；2、引气管路；3、检测装置；4、调节装置；5、控制装置；6、集管；7、燃气轮机；

11、百叶窗，12、进气滤清器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

船舶燃气轮机进气系统结冰主要有三种情况：

一类是大气结冰，它主要包括大气降水产生的冰，包括降雨、降雪、冰雹、冰霜等沉积形成的冰以及过冷云雾液滴撞击壁面形成的冰；

另一类是海浪飞沫结冰，也称之为海洋结冰，它是由海浪及风引起的浪花形成，这类结冰是船舶结冰的主导因素，占船舶结冰的80％以上。以上两种情况引起的燃气轮机进气系统结冰通常被称为沉淀冰，主要发生在进气口百叶窗11、进气滤清器12处，通常采用电加热和热气进行防除冰。

还有一类结冰是由于进气系统内部空气高速流动温度降低析出水分形成的冷凝冰。在进气相对湿度较高、气温在冰点以上时，由于气流在进气系统通道中流动时有一定静温降，造成空气达到饱和状态，气流中开始析出水分，与进气通道冷表面接触后凝结成冰。静温降越大，越容易析出水分。冷凝冰一般发生在进气滤清器12之后，气流速度加速，在消声器后端、进气蜗壳和压气机进口处，容易产生冷凝冰，冷凝冰的存在直接威胁压气机叶片，可造成燃气轮机的损坏，因此危害极大。

图1是本发明实施例的燃气轮机进气防冰装置结构示意图，此图为结构简图，未将防冰装置的所有结构示出。如图1所示，该装置包括了易结冰装置1和燃气轮机压气机(图1中只示出燃气轮机7的局部结构，未具体示出燃气轮机压气机)，还包括引气管路2，所述引气管路2的一端与所述燃气轮机压气机内部连通，另一端与所述易结冰装置1靠近，通过所述引气管路2将所述燃气轮机压气机内部高温高压的空气输送到所述易结冰装置1，与进入和/排出所述易结冰装置1的空气混合并对空气进行加热。

由于燃气轮机7和整个防冰装置结构复杂，为使图1结构简洁，图中只示出一部分引气管路2。

燃气轮机压气机在工作时，会将空气进行压缩，使空气压力和温度升高，可以在压气机不同气压级处选一个或多个气压级处连接引气管路2，将压气机内高温高压的空气通过引气管路2输送到易结冰装置1处，与进入和/排出易结冰装置1的空气混合并对空气进行加热，改变了气流的湿度和温度，以提高进入和/排出易结冰装置1的空气的温度，降低空气的湿度，用以防止燃气轮机进气道结冰。在气流的相对湿度降至70％以下，可以防止结冰。

引气管路2的另一端可以设置多个分路，用于向多个易结冰装置1分别输送高温高压的空气；具体可以根据实验或实测确定易结冰位置，并将引气管路2的另一端的多个分路分别通向这些易结冰位置。

引气管路2的材料以及其与燃气轮机压气机的具体连接方式在此不进行具体说明，技术和研发人员可根据具体工况具体选择，只要能满足实际使用需求即可。

在一个优选的实施例中，还包括检测装置3、调节装置4和控制装置5；

所述检测装置3安装在所述易结冰装置1上并与所述控制装置5电连接，用于检测进入/排出所述易结冰装置1的空气指标；

所述调节装置4安装在所述引气管路2上，并与所述控制装置5电连接；

所述控制装置5根据所述检测装置3检测的空气指标控制所述调节装置4开启或关闭的大小。

检测装置3用于检测易结冰装置1上以及其周围空气的指标，例如温度、湿度等，检测装置3将检测到的空气指标传输给控制装置5，而控制装置5通过收到的空气指标判断易结冰装置1上以及其周围是否要结冰了，若达到马上要结冰的条件时，控制装置5控制调节装置4开启，将压气机内的高温高压空气输送至易结冰装置1处，与进入和/排出易结冰装置1的空气混合并对空气进行加热，用以防止燃气轮机进气道结冰。

检测装置3、调节装置4和控制装置5形成一套智能控制装置5。控制装置5内融合有多物理场仿真预测分析结果和传感器信息，形成进气积冰预警模型、算法，实现对进气结冰的感知和预警，配合基于仿真计算分析结果的预测软件，可以预测冷凝冰出现的风险和位置，实现对进气系统的结冰感知和预警。

在一个优选的实施例中，易结冰装置1至少包括如下之一：进气百叶窗11、进气滤清器12和消声器。

对于大气结冰和浪花结冰等沉淀冰，一般发生在进气口百叶窗11处；进气滤清器12的排气口容易产生冷凝冰；在消声器后端、进气蜗壳和压气机进口处，容易产生冷凝冰；这些易结冰的位置是通过长期试验和实测得出的，可通过引气管路2分别向这些位置输送高温高压空气，避免这些位置结冰，影响燃气轮机的安全运行。

在本实施例中，检测装置3为安装在所述易结冰装置1上的传感器。

传感器至少包括如下之一：温度传感器、压差传感器、湿度传感器和结冰传感器。

例如：在进气口百叶窗11的易结冰位置处安装温度传感器、湿度传感器和结冰传感器；在滤清器的排气口安装温度传感器、湿度传感器和压差传感器。安装传感器的种类、数量和位置，可以根据不同机型进行适应性选择；也可以根据进一步的研究和测试对安装传感器的种类、数量和位置进行改进，在本实施例中不一一列举。只要通过传感器检测易结冰位置处的空气指标，并将检测的空气指标传输给控制装置5，控制装置5通过收到的空气指标控制调节装置4以达到将压气机内的高温高压空气输送至易结冰位置，实现防止燃气轮机进气道结冰的装置都在本申请的保护范围内。

在图1中并未将所有的可实施方案中的传感器标示出来。

控制装置5控制调节装置4打开，从燃气轮机压气机引出热空气，经引气管路2喷出高温高压热空气与进气空气掺混，以调节进气空气的温度和相对湿度，防止结冰。

在一个具体的实施例中，调节装置4为安装在引气管路2上的调节阀。这里为了配合控制装置5实现智能自动化，都选用电磁阀；例如；电磁流量阀、电磁截止阀等等。而为了提高安全性以及便于检修，可以在引气管路2安装手动阀，只是这些手动阀在装置正常使用过程中始终处于开启状态，只有在出现紧急情况(如管路损坏)或需要检修时才将手动阀关闭。

易结冰装置1的表面设置有防冰涂层。具体的，防冰涂层主要用于百叶窗11和进气滤清器12叶片表面的涂覆，通过具有仿生荷叶效应的超疏水涂层，能降低水滴与表面的凝聚力，抑制壁面冰层产生，延缓结冰周期，增加除冰效果，减少能耗。

在一个优选的实施例中，还包括电加热装置(图1中未示出)，所述电加热装置安装在所述易结冰装置1上或靠近所述易结冰装置1安装，用于对所述易结冰装置1以及进入和/排出所述易结冰装置1的空气进行加热。

对百叶窗11和滤清器采取电加热防除冰措施，电加热电缆设置在百叶窗11和滤清器空心叶片内部，利用加热电缆的热传导作用对金属壁面直接加热，能够对叶片全面加热；电加热装置与控制装置5连接，掌握结冰规律，可以实现分区加热和间歇式周期性加热，达到节能的目的。

同时在百叶窗11叶片转轴、摆动气缸等其他易结冰处采用局部电加热，防止进气转动部件因结冰造成转不动、打不开。

控制装置5自动提取温湿度传感器、压差传感器、结冰传感器、燃气轮机7转速信号等不同信号，根据内部模型和算法进行防冰策略的计算，实现对调节装置4、电加热装置的功率的调节和控制，实现智能化防冰的综合控制。

对需要采用电加热防除冰方式的装置进行电加热结构设计。根据防冰载荷的计算进行电加热结构的布置。首先根据热量传递方向对热源布置方式进行分类，研究不同热源布置方式情况下防冰区域的热流密度、传热特性及温度分布；其次设计具有不同热源尺寸、数量及间距的防冰系统，研究热源尺寸、数量及间距与防冰区域传热特性及温度分布的关系，形成热源参数设计准则；再次设计不同的热源控制规律，研究控制规律与防冰区域传热特性及防冰表面温度分布的关系，建立控制规律设计及优化方法；最后对进气结构外形进行参数化处理，研究结构外形参数与传热特性的关系，建立结构外形参数化处理方法，并根据分析结果将防冰区域划分为多个模块，开展多模块电热源设计研究。通过数值计算方法及试验验证，研究热流密度与控制规律的关系及控制规律对传热特性和温度分布的影响，建立控制规律与传热特性及温度分布的关系，形成控制规律设计及优化方法。以上研究结果作为百叶窗11和滤清装置实施电加热装置设计的依据，研究制定防除冰控制策略，合理运用模块化分区加热、周期性加热等手段，在保障全面防除冰效果的基础上减少电加热产生的过多能耗。

防冰涂层与电加热装置结合可提升低温换热量和换热效率。

为了提高从压气机内输送出来的高温高压气体与冷空气结合，还增设了集管6，所述引气管路2另一端连接有所述集管6，通过所述集管6将所述引气管路2中的高温高压空气喷射到所述易结冰装置1上。集管6采用涡流强化喷嘴，优化喷射参数，采用涡流强化喷嘴有效替代现有的直孔喷嘴，增加掺混效果，强化掺混换热，提升增温除湿效能。过喷射优化争取实现在引气流量更少的情况下实现同样或更好的防冰效果；另一方面是引气管路2布局和参数优化，基于不同位置的防除冰需求结合引气流量的调整，实现在引气流量更少的情况下实现同样或更好的防冰效果；总结提出对燃机性能影响小且更加高效节能的引气方案；结合防冰预警系统的实施，在合适的时间点投运引气防冰系统(而不是原来的到达触发温度4℃即开启引气系统)，根据结积冰特性进行引气流量自动调整，能够实现进一步的节能增效。

百叶窗11、进气滤清器12防冰单元和消声器为防除冰措施重点实施的部位。百叶窗11上安装有温度传感器和湿度传感器，百叶窗11的易结冰部位安装有结冰传感器，通过电加热装置和防冰涂层结合的手段，根据智能化控制器单元的防除冰策略实施分区电加热控制和周期性加热控制，达到智能化和节能目的。

进气滤清器12主要通过电加热、部分部件如惯性级涂覆防冰涂层等手段进行防除冰，根据进气滤清器12自带的压差传感器指示结冰程度(结冰会引起进气滤清装置阻力快速上升)，结合温湿度传感器数据进行结冰判断和防除冰措施的开启或关闭，根据控制装置5防除冰策略进行防除冰。

在进气滤清装置前部、消声器后端等不同位置，通过获取进气口温湿度数据，控制装置5对进气系统不同位置出现冷凝冰的实时预警，实时控制引气防冰系统的运行；结合燃气轮机7不同转速和工况，对引气流量进行控制，实现按需引气，达到节能的目的。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明(根据撰写情况采用)。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃气轮机进气防冰装置，包括易结冰装置(1)和燃气轮机压气机，其特征在于，还包括引气管路(2)，所述引气管路(2)的一端与所述燃气轮机压气机内部连通，另一端与所述易结冰装置(1)靠近，通过所述引气管路(2)将所述燃气轮机压气机内部高温高压的空气输送到所述易结冰装置(1)，与进入和/排出所述易结冰装置(1)的空气混合并对空气进行加热。

2.如权利要求1所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，还包括检测装置(3)、调节装置(4)和控制装置(5)；

所述检测装置(3)安装在所述易结冰装置(1)上并与所述控制装置(5)电连接，用于检测进入/排出所述易结冰装置(1)的空气指标；

所述调节装置(4)安装在所述引气管路(2)上，并与所述控制装置(5)电连接；

所述控制装置(5)根据所述检测装置(3)检测的空气指标控制所述调节装置(4)开启或关闭的大小。

3.如权利要求2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，所述检测装置(3)为安装在所述易结冰装置(1)上的传感器。

4.如权利要求3所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，所述传感器至少包括如下之一：温度传感器、压差传感器、湿度传感器和结冰传感器。

5.如权利要求2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，所述调节装置(4)为安装在所述引气管路(2)上的调节阀。

6.如权利要求1或2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，还包括集管(6)，所述引气管路(2)另一端连接有所述集管(6)，通过所述集管(6)将所述引气管路(2)中的高温高压空气喷射到所述易结冰装置(1)上。

7.如权利要求1或2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，在所述易结冰装置(1)的表面设置有防冰涂层。

8.如权利要求1或2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，还包括电加热装置，所述电加热装置安装在所述易结冰装置(1)上或靠近所述易结冰装置(1)安装，用于对所述易结冰装置(1)以及进入和/排出所述易结冰装置(1)的空气进行加热。

9.如权利要求1或2所述的燃气轮机进气防冰装置，其特征在于，所述易结冰装置(1)至少包括如下之一：进气百叶窗(11)、进气滤清器(12)和消声器。

10.一种船舶，其特征在于，安装有如权利要求1至9任一项所述的燃气轮机进气防冰装置。

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