CN1254606C - 净化燃气轮机进气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种净化燃气轮机的进气流(即去除气流中的固态粒子和液滴)的方法和装置。按照本发明，空气流入燃气轮机的进气系统(1，2，4)，其中所含的粒子由至少一个已接入收集电压的电过滤器(3)收集起来。为了能够并且高效地收集粒子，使空气流入设在沿气流方向在上述电过滤器(3)之前一定距离处的至少一个充电室(2)内，在该充电室(2)内，通过在电极之间接入高于上述收集电压的电高电压而在至少两个电极(5，7)之间建立起电场，从而使上述空气中的粒子强烈带电并至少部分地除去进气流中的水。

Description

净化燃气轮机进气的方法和装置

发明领域

本发明涉及净化燃气轮机进气流中固态和液态粒子的方法。

本发明还涉及实施上述方法的装置。

背景技术

燃气轮机压气机的进气流即燃气轮机的燃烧空气在被引入压气机之前必须进行净化处理。最常见的是采用机械的纤维过滤器净化上述的进气。上述过滤的目的是阻止带腐蚀性的和肮脏的粒子进入压气机和涡轮，从而防止设备的磨蚀和破损，并减少清理和维修的工作量。用于生产能源的大燃气轮机需要很大量的燃烧空气，因此，即使是微量的杂质都会导致在使用过程中产生大量沉积物，所以要求尽可能有效地过滤燃烧空气。另一方面，在进气道内的压力损失可降低该设备的效率，所以，过滤效率总是根据现行条件选择的折衷结果。小水滴和湿气总是会随着进气流进入压气机，在低温下，上述水滴会在它们所碰到的表面上凝结而形成较大的冰层，这些冰层如果脱落的话就会损坏压气机叶片，在最坏的可能情况下，可能会毁坏整台压气机。

目前，不同类型的机械过滤器几乎唯一地用作压气机中的进气流过滤器。在这些过滤器中，过滤材料是一种可形成粘附杂质的迷宫式纤维层，其过滤能力取决于过滤材料类型，并取决于过滤材料的堆积密度。在给定过滤材料的情况下，增加过滤器的厚度或通过对过滤材料加压成密实状态而增大堆积密度可提高过滤能力。但这两种方法都将显著增大过滤器内的压力损失，所以机械过滤器的过滤能力的提高只是有限的，确切地说，现有的纤维过滤器实际上只可完全分离掉1～5μm的粒子。在公知的过滤器中，极小的粒子的分离总是不完全的。而且，机械过滤器对于小的气载水滴造成的潮湿和空气流过过滤器的压力降很敏感。在很低的温度下机械过滤器会由于水滴凝结而被堵塞，此时，过滤器必须通过加热进气流来进行干燥，使其相对湿度和温度允许水和凝结的冰再次蒸发返回为汽相，并与进气流一起流入压气机。

人们已经不认为采用许多个高效过滤器是必需的了，但是，最近对涡轮设备的效率测定结果表明，即使是最小的粒子都对涡轮的效率和工作寿命有影响。最小的粒子在燃气轮机和压气机中也形成大量的沉积物，所以也必须将它们除去。在杂质总量中微小粒子的比例仅仅是几分之一，但是，在涡轮长期运行中而且所用空气量很大，它们就会积累成很大的量，甚至可积累到每年几十公斤。上述的沉积物会降低工作效率，减小涡轮输出的电量。功率降低是多种因素综合的结果，例如，由于粒子所造成的磨损和破裂；使用了不适当的清理方法而不能清除掉全部的沉积物；清理时的磨损作用；绝缘材料上附着物增多及由此造成的漏气严重。在涡轮的整个工作寿命过程中的输出功率即使是最轻微的降低也会造成很大损失。涡轮结垢也会降低工作效率，这就是为什么压气机和涡轮必须定期清理的原因。在清理时要使用水和不同类型的粗粒粉末。在天气冷的情况下用水清洗尤其要受到冷凝的影响。涡轮结垢造成成本提高是由于增大了燃油需要量，降低了工作效率，并提高了压气机的清洗成本。沉积物的密度及其影响实际上取决于涡轮的工作环境和进气流中的杂质含量。即使是用冲洗法也不能去除全部的杂质，这仍然是使燃气轮机的功率只在几年内便降低达百分之几十的因素。在天气冷的情况下，必须对进气流进行预热，并结合使用机械过滤器来最大限度地减少由于潮湿造成的堵塞以及由水滴产生凝结的危险。上述的对进气流进行预热会明显降低年产率，并且由于工作效率降低而提高了作业成本。

当过滤器结垢而被污染物堵塞时，就会造成气流压力损失，所以脏的过滤器必须定期更换。过滤器的筛网越密，越需要更换过滤器，更换过滤便提高了成本，因为过滤器价格贵，且要花费更换工时。通常是通过研制粗的和细的过滤器材料而不是综合不同的过滤方法来提高过滤能力。另外，人们认为电过滤器是不可靠的，并认为只要采用一个电过滤器便会产生很大的危险。电过滤方法不受欢迎的原因之一与湿气和所造成的短路有关。由于沉积物集积在电过滤器中所用的绝缘材料上，形成的杂质层可能成为可导电的导体桥。一种有问题的沉积物是各种纤维，由于它们的形状是纵长的，可能使带电件互相连接，而在装备中造成短路。在进气流中是否出现各种纤维和其他杂质取决于燃气轮机的工作环境状态，例如交通车流量，工业企业结构，以及植物和土壤类型。同理，湿气的分离能力也随气候条件的不同而明显变化，尤其是在空气湿度较大而且同时又是低温天气的条件下，在过滤器的板件上可能结冰。与这种冰的形成有关的最大问题是在电过滤器的板件上结成的大冰块的脱落，因为这种冰块碰在压气机上时可造成严重的事故。在进气道中的空气由于压力降而可能冷却，这就进一步增大冷凝的危险，因为在这情况下即使环境温度高于冷凝点也可能发生冷凝而结冰。这是特别成问题的，因为温和的空气可能有较高的湿气含量。到达电过滤器板件上的水也是有害的，因为它可冲洗掉一些积集在板件上的沉积物，使这些沉积物呈大尺寸粒子的状态无阻挡地进入压气机和涡轮。

发明概述

本发明的目的是提出一种不采用任何机械过滤的净化燃气轮机的进气流的方法，这种方法不需要预热进气流。

本发明的原理是通过与收集器板件隔开的电极使由电过滤器收集的进气流中的粒子带电而除去，上述电极的电压远高于收集电压。

按照本发明的优选实施例，采用带有针状放电尖部的电极使进气流中的粒子带电。因此，电场的方向可以选择，这样便可使整个充电区得到较均匀的电场。

更具体地说，本发明的方法的特征是使上述空气进入设置在沿气流方向在电过滤器(3)之前一定距离处的至少一个充电室内；和

通过在电极之间接入一个高于上述收集电压的电压使上述充电室(2)内的在至少两个电极之间建立电场。

那么，本发明的装置的特征是上述的对进气进行电离的装置具有至少一个装有至少两个电极的充电室，上述的空气在上述电极之间流过，在这些电极之间可接入高于上述电过滤器的收集电压的电离电压。

本发明的方法的另外的特征为：选定上述收集电压最大为10kv，上述的电离电压最小为100kv；选定上述收集电压最大为10kv，上述的电离电压为100～250kv；通过至少一个具有至少一个针状电极尖部(6)的电极(5)在充电室内建立电场；将水喷入进气道(1，2，4)内，以冷却进气流；从充电室(2)内的空气中除去至少一部分水，便足以防止水在进气道(1，2，4)内结冰；通过至少一个具有几个针状电极尖部(6)以形成至少两个至少部分重叠的离子束场的电极(5)在充电室(2)内建立电场。

本发明的净化燃气轮机进气流的装置的特征为：对进气进行电离的装置具有至少一个装有至少两个电极(5，7)的充电室(2)，上述的空气在上述电极之间流过，在这些电极之间可接入高于上述电过滤器(3)的收集电压的电离电压。

该装置的另外的特征为：上述的收集电压最大为10kv，上述的电离电压最小为100kv；上述的收集电压最大为10kv，上述的电离电压为100～250kv；在至少一个充电室(2)内安装至少一个电极(5)，该电极具有至少一个针状电极尖部(6)；设有可将水喷入进气道系统(1，2，4)内以便冷却进气流的装置；在至少一个充电室(2)内安装至少一个电极(5)，该电极具有几个用于形成至少部分重叠的离子束场的针状电极尖部(6)。

本发明有明显的好处。

本发明的分离能力至少等于现行的纤维过滤器的过滤能力，即使在过滤最小的粒子方面也是如此，与此同时，可减小维修工作量，并减小进气流的压力损失。在装置所用的电过滤器之前至少将滴状的水份充分分离掉，因此，解决了先前的限制电过滤器使用的与湿气和冷凝有关的问题。本发明装置具有良好的分离滴状水份的能力，甚至可喷水冷却处于热态条件下的进气流，以提高效率。过滤器的结构和尺寸可进行各种改变，因此，过滤器可以方便地装配，以更换使用中的燃气轮机中的过滤装置。可以通过改变电离电压和/或收集电压来改变过滤能力，因此可根据进气流中的杂质含量来改变过滤效率。按照本发明的一个有利的实施例，可使粒子和液滴高效地带电，这又可使电过滤器部件高效地收集它们。电过滤器的板件的收集表面较大，因此它们不需要频繁地清理，因为集积在板件上的沉积物的量与板件间的距离相比是少的。当然，还要视空气中杂质的含量和机匣中气流的稳定性情况决定清理事宜。

附图简述

下面通过几个工作实例并参看附图来分析本发明。

图1是本发明的过滤装置的剖视图；

图2示出一种使进气流中的粒子带电的有利的装置。

发明详述

在本申请书中所用术语“粒子”是指在空气中的除了气态组分之外的所有组分例如固体颗粒、液滴和纤维。

图1所示装置具有一条进气道1格多个端部与进气道1相连接的充电室2，因此，所有进入进气道1的空气都流过充电室2。进气道1构成一条电离空气的流道，并且，其端部上设有一个普通的电收集器或者说电过滤器3。由于待净化的空气中的粒子在充电室2中有效地充电，故在电过滤器3中不使用电晕金属丝来使粒子带电而是将已在充电室2中充电的粒子直接收集在板件上。经过净化的空气沿通道4进入燃气轮机压气机。

任何电极结构件都可用来对粒子充电，只要这些电极的充电电压范围为50kv～250kv，而且可使用大的空气槽。但是，在此情况下，无法使充电室2内具有均匀的电场。在使用平板式或螺旋形电极的情况下，仅在具有最平缓的流道的给定区域才容易发生电晕放电。另一个问题是容易发生击穿现象。因此，最好采用装有尖端放电件的电极来使待净化的空气中的粒子带电，从而使电极的尖部经常发生放电。在PCT申请No.FI 99/00315中公开过很适用于上述目的结构。

图2示出在上述专利申请中所述的充电室，按照图1所示，这种充电室2通常是垂直安装的，当然其他的安装位置也是可以的，待净化的气流从电离室2的下部流入垂直安装的电离室2。在每个充电室2内沿其纵向安装一个带有与其相连接的电离针(电极的尖部)6的电极5。上述电离针6可以是例如由金属丝制成的。上述电极5与高压电相连接，因此可在电离针6的尖端发生电晕放电，从而在电离针与反电极之间产生连续的电子流。上述离子束的形状取决于例如电离针6的数目以及它们与反电极间的距离。为了保证最好的充电效果，应设置许多电离针6，并且所形成的离子束场最好是重叠的，以便防止出现粒子不充电的中间区。输入电极5的电流电压通常为50～250kv，但是，按照本发明的方案，该电压可以更高些或更低些。充电室2的壁7是接地的，因此，由于电离针6与壁7之间存在电位差，便将离子束导向壁7。这样，壁7便构成另一个电极，也就是反电极。也可将一个不是接地电势的电势与上述电极相连接，但是接地是最简便的方案。待净化的气流向上流过充电室流道2，在流道2中碰到在电离针6上形成的离子束，而产生机械的和电的力，这种力使气流中的非气相物质例如粒子和水滴与气流分开，并被送到充电室的壁7上。与此同时，从气流中分离出来的水滴冲洗沉积在壁7上的粒子而进入设置在例如充电器2下面的坑槽内。最后，已部分地净化并离子化的气流在上部流出充电室2，再流到电板式过滤器，将其余的带电粒子收集起来。在上述装置中，电极之间的间距很大，甚至有100～1000mm。

为了使待净化的气流的流动阻力和压力降尽可能地小，充电室2应采用具有适合于所用气流量的宽的截面，而且要力争使充电室2内的气流尽可能均匀且没有扰动。充电室2内的气流速度应当是在其流道中央最高，而在壁7附近最低。因此，必须防止气流通过设置在充电室中央的电极5的内部，否则会有相当一部分的待净化气流流过电极5。由于电极5的结构原因，在其中央不能形成离子束，故达不到电离和净化的效果。因此，待净化的气流在充电室2内应具有圆环形流的横截面，因此气流应在流道内壁附近流动，而不是沿设置在充电室2的中央区内的电极5流动。为此目的，可根据充电室2的大小使电极5是例如至少在其一端是不允许气流流过的封闭管或实心棒。充电室2的形状影响着电极5在流道内的位置，例如，横截面为圆形的流道中，电极5有利地设置在充电室2的中央，从而使电极5与流道壁7之间的距离在每一点上都相同。

在PCT申请No.FI 99/00315中对上述充电室有更详细的说明。

本发明装置的功能如下。

空气流入装有上述类型的电极5的充电室2。在电极尖部6与充电室2的接地的壁7之间建立起电场，空气进入上述电场时，其中所含的粒子便强烈地带电，并开始移向壁7，被吸附在壁上。除了固态粒子以外，水滴和其他的液滴也有效地带电，并在净化过程的初期从气流中去掉很多，尤其是有效地去除了湿气。当采用高的电压例如50～250kv进行电离时，建立的电场十分强，并具有良好的电离作用。强的电场对于分离离子化的粒子和液滴也很有效。然后，气流流到设置在与充电室2有一定距离的电过滤器3，在这里，强烈带电的粒子集中在过滤器3的板件上。也可能全部的粒子或大部分的粒子在充电室2内已从气流中分离出去并收集起来了，因此，不会有太多的粒子到达上述的板式过滤器。从水滴的分离方面看，重要的是要使具有电晕放电的强电场接触空气，并使空气中含有的湿气受到很大能量的作用，从而使一些水蒸发，这些蒸发了的水对涡轮的工作没有妨碍，因此，蒸发的这部分水又减少了要分离的液滴态的水量。

本发明的目的是借助于电过滤器尽可能高效地使粒子带电并将这些带电的粒子收集起来。因此，充电室是一种有效的粒子充电器和较大粒子(尤其是纤维和水)的分离器。气流流过充电室后仍残留的粒子已强烈地带电，这种带电的粒子由仅接入收集电压的过滤器收集起来，上述的收集电压通常为几千伏特例如4～6kv(小于10kv)，也就是约为充电电压的十分之一或二十分之一。一般说来，充电电压或电晕电压的增大会提高电过滤器3的分离效率，增大收集电压也一样。因此，通常调节这些电压，本装置可以根据空气质量例如湿气含量或灰尘含量，或所用空气量的变化而力争最佳的工作。提高气流速度会降低分离能力，因此应适当地提高所加的电压。电晕放电的极性对电过滤器3的收集效率影响不大，因此在充电室内负极放电或正极放电都是可以的。

在本发明范围内，即使与上面所述实施例不同的方案都是可行的。如上所述，上述的流道、充电室和板式过滤器的结构可以十分自由地选择。然而，实质性的问题是，要在一个与收集粒子所用空间隔开的空间内进行电离过程，以便可采用足够高的电压进行电离而不妨碍板式过滤器的工作。因此，充电室必须与待净化空气的流道中的板式过滤器相隔一定距离，该距离最小必须足够大到可消除充电室中的电极与收集器板件之间电击穿的危险。当电过滤器和充电室由于通入空气量大而变得十分大且常常有利地设置在给定位置时，上述的要求通常要符合流道结构的要求。当然，电过滤器和充电室的尺寸和数目取决于燃气轮机所需的空气量。本质的问题是充电室的结构必须使流过的全部空气都受到电离电场的作用。

Claims (13)

1.一种净化燃气轮机的进气流的方法，包含如下步骤：

—将空气送入燃气轮机的进气道(1，2，4)内；

—通过至少一个接入收集电压的电过滤器(3)收集包含在空气中的粒子，

其特征在于

—使上述空气进入设置在沿气流方向在电过滤器(3)之前一定距离处的至少一个充电室(2)内；和

—通过在电极之间接入一个高于上述收集电压的电压使上述充电室(2)内在至少两个电极(5，7)之间建立电场。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，选定上述收集电压最大为10kv，上述的电离电压最小为100kv。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，选定上述收集电压最大为10kv，上述的电离电压为100～250kv。

4.根据上述权利要求1-3之一的方法，其特征在于，通过至少一个具有至少一个针状电极尖部(6)的电极(5)在充电室内建立电场。

5.根据上述权利要求1-3之一的方法，其特征在于，将水喷入进气道(1，2，4)内，以冷却进气流。

6.根据上述权利要求1-3之一的方法，其特征在于，从充电室(2)内的空气中除去至少一部分水，便足以防止水在进气道(1，2，4)内结冰。

7.根据上述权利要求1-3之一的方法，其特征在于，通过至少一个具有几个针状电极尖部(6)以形成至少两个至少部分重叠的离子束场的电极(5)在充电室(2)内建立电场。

8.一种净化燃气轮机的进气流的装置，它具有：

—一个进气道系统(1，2，4)；

—至少一个设置在进气道(1，2，4)内沿空气流动方向在燃气轮机压气机之前的电过滤器(3)，进入的空气流过该过滤器，并且，对该过滤器接入一收集电压，以便收集包含在空气流中的粒子；和

—在该收集过滤器(3)之前电离进气的装置，

其特征在于，

上述的对进气进行电离的装置具有至少一个装有至少两个电极(5，7)的充电室(2)，上述的空气在上述电极之间流过，在这些电极之间可接入高于上述电过滤器(3)的收集电压的电离电压。

9.根据权利要求8的装置，其特征在于，上述的收集电压最大为10kv，上述的电离电压最小为100kv。

10.根据权利要求9的装置，其特征在于，上述的收集电压最大为10kv，上述的电离电压为100～250kv。

11.根据上述权利要求8～10中的任一项的装置，其特征在于，在至少一个充电室(2)内安装至少一个电极(5)，该电极具有至少一个针状电极尖部(6)。

12.根据上述权利要求8～10中任一项的装置，其特征在于，设有可将水喷入进气道系统(1，2，4)内以便冷却进气流的装置。

13.根据上述权利要求8～10中的任一项的装置，其特征在于，在至少一个充电室(2)内安装至少一个电极(5)，该电极具有几个用于形成至少部分重叠的离子束场的针状电极尖部(6)。

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