JP6431725B2 - System and method for deicing a gas turbine engine intake screen and dehumidifying an intake air filter - Google Patents

System and method for deicing a gas turbine engine intake screen and dehumidifying an intake air filter Download PDF

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Description

本明細書に開示する発明の主題は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンの吸気スクリーンの着氷を防止するための方法およびシステムに関する。   The subject matter disclosed herein relates generally to gas turbine engines, and more particularly to methods and systems for preventing icing of an intake screen of a gas turbine engine.

ガスタービンエンジンは、典型的には、入ってくる空気を圧縮するためのコンプレッサと、燃料と圧縮された空気を混合するための、および高温ガス流を形成するために燃料/空気混合気に点火するための燃焼器と、高温ガス流によって駆動されるタービン部と、を含む。   Gas turbine engines typically ignite a fuel / air mixture to compress the incoming air and to mix the fuel and compressed air and to form a hot gas stream. And a turbine section driven by a hot gas stream.

ガスタービンエンジンは、様々な気候条件の下で、発電用に、あるいはポンプおよびコンプレッサを動作させるための機械的駆動装置として、グローバルに利用されている。寒冷な周囲温度および高い湿度条件での動作は、しばしばタービン吸気フィルタハウス部品に氷を堆積させる。しばしば、エアフィルタ素子(鳥スクリーン、水分分離機、コアレッサフィルタおよびフィルタモジュール)のこの氷の堆積は、空気の流れを制限し、フィルタハウスの吸気圧力降下を増加させるのに十分なほど深刻であり、その結果、燃焼タービン性能の損失をもたらし、あるいはさらに運転停止をもまねく。氷点の近くまたはそれより低い温度で液体または固体として取り入れられた水(湿った雪、氷晶雨など)が大部分の露出した表面に付着すると、着氷が生じて、氷が堆積される。また、飽和した冷却空気がより冷たいフィルタハウス表面と接触すると、氷が形成される。   Gas turbine engines are used globally for power generation or as mechanical drives for operating pumps and compressors under various climatic conditions. Operation at cold ambient temperatures and high humidity conditions often causes ice to accumulate on the turbine intake filter house components. Often, this ice build-up on air filter elements (bird screens, moisture separators, coalescer filters and filter modules) is severe enough to limit air flow and increase the filter house intake pressure drop. As a result, it results in a loss of combustion turbine performance or even a shutdown. When water taken as a liquid or solid near or below freezing (wet snow, freezing rain, etc.) adheres to most exposed surfaces, icing occurs and ice is deposited. Also, ice forms when saturated cooling air contacts the cooler filter house surface.

吸気口の氷堆積を処理するための1つの一般的な方法は、吸込み雨よけに取り付けられる水分分離機およびコアレッサフィルタを取り外して、熱気または蒸気もしくは熱水/グリコール混合物が供給される加熱コイルを用いて、エアフィルタモジュールの上流で周囲空気を加熱することである。   One common method for treating inlet ice build-up is to remove the water separator and coalescer filter attached to the inlet rain shield and install a heating coil supplied with hot air or steam or a hot water / glycol mixture. Use to heat the ambient air upstream of the air filter module.

典型的な先行技術の防氷システムによれば、排気筒チャネルにバイパス弁を配置することによって、排気ガスを再循環させる。これは、最低+40°Fのタービン吸気温度を維持するために十分な熱い排気ガスを吸気口に常に再循環させることを可能にする。この方法にはタービン排気の圧力が上昇するという不利な点があり、それによってガスタービンエンジンの性能に負の影響を与える。   According to typical prior art anti-icing systems, exhaust gas is recirculated by placing a bypass valve in the stack channel. This allows sufficient exhaust gas to be constantly recirculated to the inlet to maintain a minimum + 40 ° F. turbine inlet temperature. This method has the disadvantage of increasing turbine exhaust pressure, thereby negatively impacting the performance of the gas turbine engine.

別のタイプの防氷装置は、エアフィルタ、内部フィルタハウスの壁、および例えば吸気口案内翼やコンプレッサ初段ブレードなどの下流のガスタービン部品において氷の形成を助長する周囲条件の間、加熱を提供するために、吸気フィルタより前に配置される加熱コイルを利用する。コイルに基づくシステムでは、加熱は、熱水/グリコール混合物または低圧(LP)蒸気の形でコイルに供給される。このアプローチは、資本費を増加させて、例えば、加熱コイルによって課される付加的な気流規制(圧力降下)のため、操作年による生産効率に負に影響を与えることができる。   Another type of anti-icing device provides heating during ambient conditions that promote ice formation in air filters, internal filter house walls, and downstream gas turbine components such as inlet guide vanes and compressor first stage blades, for example In order to do this, a heating coil arranged before the intake filter is used. In coil-based systems, heat is supplied to the coil in the form of a hot water / glycol mixture or low pressure (LP) steam. This approach can increase capital costs and negatively impact production efficiency by year of operation due to, for example, additional airflow restrictions (pressure drops) imposed by heating coils.

別の方法は、タービンの吸気エアフィルタハウスに、またはそれに隣接して位置する複数の加熱パネル(バンドル)を設けることである。各加熱パネルには、1つまたは複数の電気抵抗加熱素子が設けられる。複数の加熱パネルの各々の抵抗加熱素子を選択的に動作させるための制御器も設けられる。   Another method is to provide a plurality of heating panels (bundles) located at or adjacent to the intake air filter house of the turbine. Each heating panel is provided with one or more electrical resistance heating elements. A controller for selectively operating each resistive heating element of the plurality of heating panels is also provided.

米国特許出願公開第2013/0193127号明細書US Patent Application Publication No. 2013/0193127

本開示は、著しく性能を損なうことなく、ガスタービンエンジン吸気スクリーンの氷の蓄積を防止する問題の解決法を提供する。   The present disclosure provides a solution to the problem of preventing gas turbine engine intake screen ice buildup without significantly degrading performance.

1つの例示的で非限定的な実施形態によれば、本発明は、ガスタービンの吸気スクリーンを加熱するための方法に関する。本方法は、現在の吸気スクリーン温度を決定するステップと、所望の吸気スクリーン温度を決定するステップと、を含む。現在の吸気スクリーン温度が所望の吸気スクリーン温度より低い場合には、本方法は所望の吸気スクリーン温度を達成するために必要な空気−排気混合気の第1の流量を計算するステップを含む。また、本方法は、タービン排気サブシステムの圧力を上昇させずに、タービン排気サブシステムから排気ガス量を抽出するステップと、コンプレッサ段から空気量を抽出するステップと、空気−排気混合気を生成するために、排気ガス量と空気量とを混合させるステップと、を含む。また、本方法は、吸気スクリーンに空気−排気混合気を搬送するステップを含み、空気−排気混合気は、第1の流量と等価な流量で搬送される。   According to one exemplary, non-limiting embodiment, the present invention relates to a method for heating an intake screen of a gas turbine. The method includes determining a current intake screen temperature and determining a desired intake screen temperature. If the current intake screen temperature is lower than the desired intake screen temperature, the method includes calculating a first flow rate of the air-exhaust mixture necessary to achieve the desired intake screen temperature. The method also includes extracting an exhaust gas amount from the turbine exhaust subsystem, extracting an air amount from the compressor stage, and generating an air-exhaust mixture without increasing the pressure of the turbine exhaust subsystem. In order to do so, a step of mixing the exhaust gas amount and the air amount is included. The method also includes the step of conveying the air-exhaust mixture to the intake screen, wherein the air-exhaust mixture is conveyed at a flow rate equivalent to the first flow rate.

別の実施形態では、システムは、コンプレッサと、排気装置を有するタービンと、吸気スクリーンと、を含む。マニホールドは、吸気スクリーンに連結される。混合部品は、第1の入力、第2の入力および出力を有する。第1の導管は、コンプレッサ段および混合部品の第1の入力に連結される。第2の導管は、排気装置および混合部品の第2の入力に連結され、第2の導管は、排気装置の圧力を上昇させずに排気ガスを抽出するのに適する。第3の導管は、混合部品の出力およびマニホールドに連結される。   In another embodiment, the system includes a compressor, a turbine having an exhaust system, and an intake screen. The manifold is connected to the intake screen. The mixing component has a first input, a second input and an output. The first conduit is coupled to the first input of the compressor stage and the mixing component. The second conduit is connected to a second input of the exhaust system and the mixing component, and the second conduit is suitable for extracting exhaust gas without increasing the exhaust system pressure. The third conduit is connected to the output of the mixing part and to the manifold.

別の実施形態では、コンプレッサと、燃焼システムと、タービンと、タービン排気サブシステムと、を含むシステムが提供される。システムは、コンプレッサに連結されるコンプレッサ吸気口と、コンプレッサ吸気口に連結される吸気スクリーンと、を含む。マニホールドは、吸気スクリーンに連結される。コンプレッサから空気を抽出するのに適するコンプレッサ抽出サブシステムは、コンプレッサ段に連結される。排気抽出サブシステムは、排気サブシステムの圧力を上昇させずに排気ガスを抽出するのに適し、タービン排気サブシステムに連結される。混合部品は、コンプレッサ抽出サブシステムおよび排気抽出サブシステムに連結される。混合部品は、空気−排気混合気を生成するために空気と排気ガスとを混合するのに適する。第1の導管は、混合部品およびマニホールドに連結され、マニホールドに空気−排気混合気を搬送する。   In another embodiment, a system is provided that includes a compressor, a combustion system, a turbine, and a turbine exhaust subsystem. The system includes a compressor inlet coupled to the compressor and an intake screen coupled to the compressor inlet. The manifold is connected to the intake screen. A compressor extraction subsystem suitable for extracting air from the compressor is coupled to the compressor stage. The exhaust extraction subsystem is suitable for extracting exhaust gas without increasing the pressure of the exhaust subsystem and is coupled to the turbine exhaust subsystem. The mixing component is coupled to a compressor extraction subsystem and an exhaust extraction subsystem. The mixing component is suitable for mixing air and exhaust gas to produce an air-exhaust mixture. The first conduit is connected to the mixing component and the manifold and carries the air-exhaust mixture to the manifold.

本発明の他の特徴および利点は、例えば本発明の特定の態様の原理を示す添付の図面と共に、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになろう。   Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiment, taken in conjunction with the accompanying drawings which illustrate, for example, the principles of certain aspects of the invention.

ガスタービンエンジン吸気スクリーンを除氷するためのシステムの実施形態の模式図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a system for deicing a gas turbine engine intake screen. FIG. ガスタービンエンジン吸気スクリーンを除氷するためのシステムに用いられる制御システムの実施形態の模式図である。1 is a schematic diagram of an embodiment of a control system used in a system for deicing a gas turbine engine intake screen. FIG. ガスタービンエンジン吸気スクリーンを除氷するためのシステムの代替的実施形態である。3 is an alternative embodiment of a system for deicing a gas turbine engine intake screen. ガスタービンエンジン吸気スクリーンを除氷するためのシステムの代替的実施形態である。3 is an alternative embodiment of a system for deicing a gas turbine engine intake screen. ガスタービン吸気スクリーンを除氷するための方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a method for deicing a gas turbine intake screen. ガスタービン吸気スクリーンを除氷するための方法の付加的なステップを示すフローチャートである。6 is a flow chart showing additional steps of a method for deicing a gas turbine intake screen.

図1に、吸気スクリーンを除氷する能力を有するガスタービンシステム100の実施形態を示す。ガスタービンシステム100は、1つまたは複数のガスタービンエンジン101を含んでもよい。各ガスタービンエンジン101は、入って来る空気流を圧縮するコンプレッサ105を含む。コンプレッサ105は、圧縮された空気の流れを燃焼サブシステム110に供給し、そこで圧縮された空気の流れが圧縮された燃料の流れと混合し、混合気が点火されて燃焼ガスの流れを生成する。燃焼ガスの流れは、タービン115に次々に供給されて、機械的仕事を生成するようにタービン115を駆動する。タービン115で生成された機械的仕事は、コンプレッサ105および例えば発電機などの外部負荷を駆動する。燃焼ガスの流れは、排気サブシステム120を介して排気筒に排気されてもよいし、さもなければ廃棄されてもよい。   FIG. 1 illustrates an embodiment of a gas turbine system 100 having the ability to deicing an intake screen. The gas turbine system 100 may include one or more gas turbine engines 101. Each gas turbine engine 101 includes a compressor 105 that compresses the incoming air stream. The compressor 105 supplies a compressed air flow to the combustion subsystem 110 where the compressed air flow mixes with the compressed fuel flow and the mixture is ignited to produce a combustion gas flow. . The flow of combustion gas is fed one after another to the turbine 115 and drives the turbine 115 to generate mechanical work. The mechanical work generated by the turbine 115 drives the compressor 105 and an external load such as a generator. The flow of combustion gas may be exhausted to the exhaust stack via the exhaust subsystem 120 or may be discarded.

ガスタービンエンジン101は、ガスタービンエンジン101内に実質的に円周方向に延びる関節式吸気口案内翼アセンブリ130を有するコンプレッサ吸気サブシステム125を含んでもよい。   The gas turbine engine 101 may include a compressor intake subsystem 125 having an articulated inlet guide vane assembly 130 that extends substantially circumferentially within the gas turbine engine 101.

ガスタービンエンジン101は、吸気スクリーン135またはフィルタハウスを含んでもよく、フィルタアセンブリは、ガスタービンエンジン101に流れる空気から、水分および例えば塵および/または破片などの粒子状物質を取り除く複数の吸気エアフィルタ136を有する。   The gas turbine engine 101 may include an intake screen 135 or filter house, and the filter assembly removes moisture and particulate matter such as dust and / or debris from the air flowing to the gas turbine engine 101. 136.

また、ガスタービンシステム100は、コンプレッサ105段から圧縮空気量を抽出するために用いるコンプレッサバイパス導管140(第1の導管)を含んでもよい。コンプレッサバイパス導管140と関係するのは、第1の導管の制御弁150および第1の導管の流量センサー155を含んでもよい第1の導管の制御サブシステム145である。また、ガスタービンシステム100は、排気バイパス導管160(第2の導管)および第2の導管の制御サブシステム165を含む。排気バイパス導管160は、(例えば吸引により)排気サブシステム120の圧力を上昇させずに排気サブシステム120から排気ガス量を抽出する。第2の導管の制御サブシステム165は、第2の導管の締切り弁170を含んでもよい。排気バイパス導管160を流れる排気ガスは、濾過空気源175からの濾過空気と混合されてもよい。濾過空気量は、濾過空気制御弁180によって制御される。代替的な非濾過空気源176は、濾過されずに、制御弁181で制御され、排気バイパス導管160の流れと混合されてもよい。   The gas turbine system 100 may also include a compressor bypass conduit 140 (first conduit) used to extract the amount of compressed air from the compressor 105 stage. Associated with the compressor bypass conduit 140 is a first conduit control subsystem 145 that may include a first conduit control valve 150 and a first conduit flow sensor 155. The gas turbine system 100 also includes an exhaust bypass conduit 160 (second conduit) and a second conduit control subsystem 165. The exhaust bypass conduit 160 extracts the amount of exhaust gas from the exhaust subsystem 120 without increasing the pressure of the exhaust subsystem 120 (eg, by suction). The second conduit control subsystem 165 may include a second conduit cutoff valve 170. The exhaust gas flowing through the exhaust bypass conduit 160 may be mixed with filtered air from the filtered air source 175. The amount of filtered air is controlled by a filtered air control valve 180. An alternative non-filtered air source 176 may be unfiltered and controlled by control valve 181 and mixed with the exhaust bypass conduit 160 flow.

コンプレッサバイパス導管140からの空気および排気バイパス導管160からの排気ガスは、それが濾過空気または非濾過空気と混合されてもよいし、混合されなくてもよいが、例えばエダクタなどの混合部品185で混合される。当業者に知られているように、エダクタは特定の領域から液体または気体を汲み出すことができるいかなる可動部品も必要としない一種のジェット型ポンプの一種である。これらのポンプは、ベンチュリ効果により1つの流体から別の流体へエネルギーを移送するためにそれらの構造を使用する。エダクタでは、駆動流体(コンプレッサ105からの加圧空気)はエダクタのノズルを通過し、圧力エネルギーをジェットに変換する。これの結果はジェットの先頭の流体が変位するということであり、ノズルの出口で低圧力領域を生じる。それによって吸引する流れを生成し、エダクタの分岐入口を介して排気ガスが吸い込まれる。圧縮空気および吸い込まれた排気ガスは、それらがエダクタの拡散器を通って移動するにつれて混合される。この空気−排気ガス混合気の速度エネルギーは、吹込み圧力より強い背圧でエダクタから空気−排気ガス混合気が放出されるように、圧力エネルギーに変わる。   The air from the compressor bypass conduit 140 and the exhaust gas from the exhaust bypass conduit 160 may or may not be mixed with filtered or non-filtered air, but at a mixing component 185 such as an eductor, for example. Mixed. As known to those skilled in the art, an eductor is a type of jet pump that does not require any moving parts capable of pumping liquid or gas from a particular area. These pumps use their structure to transfer energy from one fluid to another by the venturi effect. In the eductor, the drive fluid (the pressurized air from the compressor 105) passes through the eductor nozzle and converts the pressure energy into a jet. The result of this is that the fluid at the head of the jet is displaced, creating a low pressure region at the outlet of the nozzle. As a result, a flow to be sucked is generated, and exhaust gas is sucked in via the branch inlet of the eductor. The compressed air and the inhaled exhaust gas are mixed as they travel through the eductor diffuser. The velocity energy of the air-exhaust gas mixture is changed to pressure energy so that the air-exhaust gas mixture is discharged from the eductor with a back pressure stronger than the blowing pressure.

空気および排気ガスの混合気は、第3の導管190に搬送される。空気および排気ガスの混合気の一部は、吸気ブリード熱マニホールド(IBHマニホールド200)に、吸気ブリード熱導管(IBH導管195)によって搬送することができる。IBHマニホールド200に搬送される空気および排気ガスの混合気の量は、IBHバイパス制御弁205によって制御される。また、空気−排気ガス混合気の一部は、吸気スクリーン導管210を通って防氷マニホールド215に搬送されてもよい。防氷マニホールド215に搬送される空気−排気ガス混合気の量は、吸気スクリーン制御弁220によって制御される。空気および排気ガスの混合気は、周囲空気取入口225からの周囲空気とさらに混合される。第3の導管190の全ての流れが防氷マニホールド215に搬送される場合には、吸気エアフィルタ136のデューティを最小にするために、代替的な非濾過空気源176を利用することができる。   The mixture of air and exhaust gas is conveyed to the third conduit 190. A portion of the air and exhaust gas mixture may be conveyed to the intake bleed heat manifold (IBH manifold 200) by an intake bleed heat conduit (IBH conduit 195). The amount of air / exhaust gas mixture conveyed to the IBH manifold 200 is controlled by the IBH bypass control valve 205. Also, a portion of the air-exhaust gas mixture may be conveyed to the anti-icing manifold 215 through the intake screen conduit 210. The amount of air-exhaust gas mixture conveyed to the anti-icing manifold 215 is controlled by the intake screen control valve 220. The mixture of air and exhaust gas is further mixed with ambient air from the ambient air intake 225. If the entire flow of the third conduit 190 is conveyed to the anti-icing manifold 215, an alternative non-filtered air source 176 can be utilized to minimize the duty of the intake air filter 136.

動作の際には、コンプレッサ105段からの圧縮空気(温度Tcsn)は、混合部品185に搬送される。排気ガス(温度Tex)は、混合部品185(例えばエダクタ)で生成される低圧力領域の結果として、排気サブシステム120の圧力を上昇させずに排気サブシステム120から抽出される。混合部品185に搬送される圧縮空気および排気ガスの量は、吸気スクリーン135の所望の温度(所望のTis)、吸気スクリーン135の実際の温度(実際のTis)、吸気エアフィルタ136の所望の温度(所望のTfilter)、コンプレッサ吸気口の所望の温度(所望のTinlet)、コンプレッサ吸気サブシステム125の実際の温度(実際のTinlet)、および周囲温度(Tamb)に依存する。空気またはガスの相対量は、質量流量計算を用いて計算され、第1の導管の制御弁150、第2の導管の締切り弁170、IBHバイパス制御弁205および吸気スクリーン制御弁220によって制御される。   In operation, compressed air (temperature Tcsn) from compressor 105 stage is conveyed to mixing component 185. Exhaust gas (temperature Tex) is extracted from the exhaust subsystem 120 without increasing the pressure of the exhaust subsystem 120 as a result of the low pressure region generated by the mixing component 185 (eg, eductor). The amount of compressed air and exhaust gas conveyed to the mixing component 185 is the desired temperature of the intake screen 135 (desired Tis), the actual temperature of the intake screen 135 (actual Tis), the desired temperature of the intake air filter 136. (Desired Tfilter), the desired compressor inlet temperature (desired Tinlet), the actual compressor inlet subsystem 125 temperature (actual Tinlet), and the ambient temperature (Tamb). The relative amount of air or gas is calculated using a mass flow calculation and is controlled by the first conduit control valve 150, the second conduit cutoff valve 170, the IBH bypass control valve 205 and the intake screen control valve 220. .

図2に示すように、第1の導管の制御弁150、第2の導管の締切り弁170、IBHバイパス制御弁205、濾過空気制御弁180、制御弁181および吸気スクリーン制御弁220の位置は、制御器235によって制御される。とりわけ、制御器235は、第1の導管の流量センサー155から入力を受け取ることもできる。制御器235は、独立した制御器であってもよいし、あるいはガスタービン制御システムと統合されてもよい。   As shown in FIG. 2, the positions of the first conduit control valve 150, the second conduit cutoff valve 170, the IBH bypass control valve 205, the filtered air control valve 180, the control valve 181 and the intake screen control valve 220 are: It is controlled by the controller 235. In particular, the controller 235 can also receive input from the flow sensor 155 of the first conduit. The controller 235 may be an independent controller or may be integrated with a gas turbine control system.

ガスタービン制御システムの例は、ゼネラルエレクトリック社のスピードトロニック(登録商標)マークVI(登録商標)制御システムであって、全てのガスタービン制御要件を満たすように設計されている。それは、部分負荷条件での燃料流量を制御するように作用する、速さおよび負荷を制御する機能、ならびに燃料流量を、定格燃焼温度を達成することと合致する最大値に制限する温度制御、ならびに吸気口案内翼を介して気流を制御することを含む。マークVI(登録商標)制御システムは、完全に自動化された始動、停止およびクールダウンを可能にするために、補助装置の順序づけを処理する。基本システムは、不利な動作条件および異常状態の予告に対するガスタービンシステム保護を組み込む。このように、制御システムは、燃料、空気および排出制御、始動、停止およびクールダウンのための燃料および補助装置の順序づけ、発電機とシステムとの同期および電圧整合、全てのタービン、制御および補助機能の監視、ならびに、安全でなく不利な動作条件に対する保護を含む多くの機能を実行する。これらの機能の全ては、所望の予めプログラムされた、および/またはオペレータの入力による制御フィロソフィを実行するために、統合化された方法で実行される。   An example of a gas turbine control system is General Electric's Speedtronic® Mark VI® control system, which is designed to meet all gas turbine control requirements. It functions to control fuel flow at part load conditions, functions to control speed and load, and temperature control to limit the fuel flow to a maximum value consistent with achieving the rated combustion temperature, and Including controlling the airflow through the inlet guide vanes. The Mark VI® control system handles auxiliary device sequencing to allow fully automated start, stop, and cool down. The base system incorporates gas turbine system protection against adverse operating conditions and warning of abnormal conditions. Thus, the control system provides fuel, air and emissions control, fuel and auxiliary device ordering for start, stop and cool down, generator and system synchronization and voltage matching, all turbines, control and auxiliary functions Perform many functions, including monitoring and protection against unsafe and adverse operating conditions. All of these functions are performed in an integrated manner to perform the desired pre-programmed and / or operator input control philosophy.

図3に示す別の実施形態では、コンプレッサバイパス導管140は、コンプレッサ放出口221に連結されてもよい。コンプレッサ放出口221からの圧縮空気は、吸引によって排気サブシステム120から抽出された排気ガスと混合される。これは、例えばエダクタなどの混合部品185を用いて達成することができる。   In another embodiment shown in FIG. 3, the compressor bypass conduit 140 may be coupled to the compressor outlet 221. The compressed air from the compressor discharge port 221 is mixed with the exhaust gas extracted from the exhaust subsystem 120 by suction. This can be accomplished using a mixing component 185 such as an eductor, for example.

図4に示す別の実施形態では、第2の導管(排気バイパス導管160)は、締切り弁226および制御弁230を有する大口径ダクトであってもよい。複合サイクル構成の排気ガスは、典型的には約12インチH2Oの圧力である。周囲圧力に対するこの正圧は、防氷マニホールド215に排気流量の一部を輸送する原動力である。排気ガスの比較的低い供給圧力を与えられると、このバイパスダクトは、例えば、必要バイパス流量に適応するためにガスタービン排気から熱回収蒸気発生器の入口まで通じる排気バイパス導管160の断面積の約30%の断面積を有してもよいことが予想される。 In another embodiment shown in FIG. 4, the second conduit (exhaust bypass conduit 160) may be a large diameter duct having a cutoff valve 226 and a control valve 230. The exhaust gas in a combined cycle configuration is typically at a pressure of about 12 inches H 2 O. This positive pressure relative to the ambient pressure is the driving force that transports a portion of the exhaust flow to the anti-icing manifold 215. Given the relatively low supply pressure of the exhaust gas, this bypass duct can be, for example, about the cross-sectional area of the exhaust bypass conduit 160 leading from the gas turbine exhaust to the heat recovery steam generator inlet to accommodate the required bypass flow rate. It is anticipated that it may have a cross-sectional area of 30%.

図5に、ガスタービンエンジン101の吸気スクリーン135を除氷するための方法300を示す。   FIG. 5 illustrates a method 300 for deicing the intake screen 135 of the gas turbine engine 101.

ステップ305では、方法300は、吸気スクリーン135の現在の温度を決定する。   In step 305, the method 300 determines the current temperature of the intake screen 135.

ステップ310では、方法300は、吸気スクリーン135の所望の温度を決定する。吸気スクリーン135の所望の温度は、吸気スクリーン135を除氷するか、または氷または水液滴の形成を防止するために吸気エアフィルタ136を除湿するのに十分な温度であってもよい。   In step 310, the method 300 determines a desired temperature of the intake screen 135. The desired temperature of the intake screen 135 may be a temperature sufficient to deice the intake screen 135 or dehumidify the intake air filter 136 to prevent the formation of ice or water droplets.

ステップ315では、方法300は、吸気スクリーン135の現在の温度が吸気スクリーン135の所望の温度より低いかどうかを決定する。吸気スクリーン135の現在の温度が吸気スクリーン135の所望の温度より低い場合には、以下の付加的なステップが方法に含まれる。   In step 315, the method 300 determines whether the current temperature of the intake screen 135 is lower than the desired temperature of the intake screen 135. If the current temperature of the intake screen 135 is lower than the desired temperature of the intake screen 135, the following additional steps are included in the method.

ステップ316では、方法300は、排気温度を決定する。   In step 316, the method 300 determines the exhaust temperature.

ステップ317では、方法300は、コンプレッサ段温度を決定する。   In step 317, the method 300 determines the compressor stage temperature.

ステップ320では、方法300は、吸気スクリーン135の所望の温度を達成するために必要な排気−空気混合気の第1の流量を計算する。   In step 320, the method 300 calculates a first flow rate of the exhaust-air mixture necessary to achieve the desired temperature of the intake screen 135.

ステップ325では、方法300は、吸引によってタービン排気装置から排気ガス量を抽出する。   In step 325, the method 300 extracts the amount of exhaust gas from the turbine exhaust system by suction.

ステップ330では、方法300は、空気−排気混合気を生成するために、排気ガス量と空気量とを混合させる。また、空気−排気混合気は、濾過空気と混合されてもよい。   In step 330, the method 300 mixes the amount of exhaust gas and the amount of air to produce an air-exhaust mixture. Also, the air-exhaust gas mixture may be mixed with filtered air.

ステップ335では、方法300は、空気量をコンプレッサ段から抽出する。   In step 335, the method 300 extracts the amount of air from the compressor stage.

ステップ340では、方法300は、排気または空気−排気混合気とコンプレッサ段からの空気とを混合させる。ステップ340は、エダクタによって達成することができる。   At step 340, the method 300 mixes the exhaust or air-exhaust mixture with the air from the compressor stage. Step 340 can be accomplished by an eductor.

ステップ345では、方法300は、第1の流量と等価な流量で吸気スクリーンに空気−排気混合気を搬送する。これは、吸気スクリーン制御弁220を調整することによって達成することができる。   In step 345, the method 300 delivers the air-exhaust mixture to the intake screen at a flow rate equivalent to the first flow rate. This can be achieved by adjusting the intake screen control valve 220.

図6は、方法300によって実行することができる付加的なステップ350を示す。   FIG. 6 shows an additional step 350 that may be performed by the method 300.

ステップ355では、方法300は、コンプレッサ吸気サブシステム125の現在の温度を決定する。   In step 355, the method 300 determines the current temperature of the compressor intake subsystem 125.

ステップ360では、方法300は、コンプレッサ吸気サブシステム125の所望の温度を決定する。   At step 360, the method 300 determines a desired temperature for the compressor intake subsystem 125.

ステップ365では、方法300は、コンプレッサ吸気サブシステム125の現在の温度がコンプレッサ吸気サブシステム125の所望の温度より低いかどうかを決定する。コンプレッサ吸気サブシステム125の現在の温度がコンプレッサ吸気サブシステム125の所望の温度より低い場合には、方法300は以下の付加的なステップを実行する。   At step 365, the method 300 determines whether the current temperature of the compressor intake subsystem 125 is lower than the desired temperature of the compressor intake subsystem 125. If the current temperature of the compressor intake subsystem 125 is lower than the desired temperature of the compressor intake subsystem 125, the method 300 performs the following additional steps.

ステップ370では、方法300は、コンプレッサ吸気サブシステム125の所望の温度を達成するために必要な空気−排気混合気の第2の流量を計算する。   In step 370, the method 300 calculates a second flow rate of the air-exhaust mixture that is required to achieve the desired temperature of the compressor intake subsystem 125.

ステップ375では、方法300は、タービン排気装置の圧力を上昇させずに、タービン排気装置から排気ガス量を抽出する。   In step 375, the method 300 extracts the amount of exhaust gas from the turbine exhaust system without increasing the pressure of the turbine exhaust system.

ステップ380では、方法300は、コンプレッサ段から空気量を抽出する。   In step 380, the method 300 extracts the amount of air from the compressor stage.

ステップ385では、方法300は、空気−排気混合気を生成するために、排気ガス量と空気量とを混合させる。   In step 385, the method 300 mixes the exhaust and air amounts to produce an air-exhaust mixture.

ステップ390では、方法300は、第2の流量と等価な流量でコンプレッサ吸気口に空気−排気混合気を搬送する。   In step 390, the method 300 delivers the air-exhaust mixture to the compressor inlet at a flow rate equivalent to the second flow rate.

方法300は、防氷マニホールド215およびIBHマニホールド200の温度を制御することによって、吸気スクリーンの着氷を回避し、ガスタービンシステム100の性能を最適化することを可能にする。これは、排気装置の圧力を上昇させずに達成され、それによって負の性能影響を回避する。   The method 300 avoids intake screen icing and optimizes the performance of the gas turbine system 100 by controlling the temperatures of the anti-icing manifold 215 and the IBH manifold 200. This is achieved without increasing the exhaust system pressure, thereby avoiding negative performance effects.

用語の定義が用語の一般的に用いられる意味から離れる場合には、特に指されない限り、出願人は以下に提供される定義を用いることを意図する。   Where the definition of a term departs from the commonly used meaning of the term, Applicant intends to use the definition provided below unless otherwise indicated.

本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を記載するだけの目的であって、本発明を限定することを目的としない。用語の定義が用語の一般的に用いられる意味から離れる場合には、特に指されない限り、出願人は以下に提供される定義を用いることを意図する。文脈が別途明らかに指示しない限り、単数形は複数形も含むことを意図する。第1、第2などの用語を様々な要素を記載するために用いることができるが、これらの要素がこれらの用語によって限定されてはならないことが理解されよう。これらの用語は、1つの要素と別の要素とを区別するために用いるにすぎない。用語「および/または」は、関係するリストされた項目のいずれか、および全て、1つまたは複数の組み合わせを含む。「に連結される」および「と連結される」というフレーズは、直接的または間接的な連結を考慮している。   The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Where the definition of a term departs from the commonly used meaning of the term, Applicant intends to use the definition provided below unless otherwise indicated. Unless the context clearly dictates otherwise, the singular is intended to include the plural. It will be appreciated that the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. The term “and / or” includes any and all combinations of one or more of the listed items concerned. The phrases “coupled to” and “coupled to” allow for direct or indirect coupling.

この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、またいかなる当業者も任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明を実施することができるように、実施例を用いている。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。   This specification is intended to disclose the invention, including the best mode, and to embody the invention including any person skilled in the art making and using any device or system and performing any incorporated methods. The example is used so that it can be done. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. If such other embodiments have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements, such other embodiments are within the scope of the claims. Intended to be.

100 ガスタービンシステム
101 ガスタービンエンジン
105 コンプレッサ
110 燃焼サブシステム
115 タービン
120 排気サブシステム
125 コンプレッサ吸気サブシステム
130 関節式吸気口案内翼アセンブリ
135 吸気スクリーン
136 吸気エアフィルタ
140 コンプレッサバイパス導管
145 第1の導管の制御サブシステム
150 第1の導管の制御弁
155 第1の導管の流量センサー
160 排気バイパス導管
165 第2の導管の制御サブシステム
170 第2の導管の締切り弁
175 濾過空気源
176 代替的な非濾過空気源
180 濾過空気制御弁
181 制御弁
185 混合部品
190 第3の導管
195 IBH導管
200 IBHマニホールド
205 IBHバイパス制御弁
210 吸気スクリーン導管
215 防氷マニホールド
220 吸気スクリーン制御弁
221 コンプレッサ放出口
225 周囲空気取入口
226 締切り弁
230 制御弁
235 制御器
300 吸気スクリーンを除氷するための方法
305 吸気スクリーンの現在の温度を決定するステップ
310 吸気スクリーンの所望の温度を決定するステップ
315 吸気スクリーン135の現在の温度が吸気スクリーンの所望の温度より低いかどうかを決定するステップ
316 排気温度を決定するステップ
317 コンプレッサ段の温度を決定するステップ
320 吸気スクリーンの所望の温度を達成するために必要な排気−空気混合気の第1の流量を計算するステップ
325 吸引によってタービン排気装置から排気ガス量を抽出するステップ
330 空気−排気混合気を生成するために、排気ガス量と空気量とを混合させるステップ
335 空気量をコンプレッサ段から抽出するステップ
340 排気または空気−排気混合気とコンプレッサ段からの空気とを混合させるステップ
345 第1の流量と等価な流量で吸気スクリーンに空気−排気混合気を搬送するステップ
350 付加的なステップ
355 コンプレッサ吸気サブシステムの現在の温度を決定するステップ
360 コンプレッサ吸気サブシステムの所望の温度を決定するステップ
365 コンプレッサ吸気サブシステム125の現在の温度がコンプレッサ吸気サブシステム125の所望の温度より低いかどうかを決定するステップ
370 コンプレッサ吸気サブシステムの所望の温度を達成するために必要な空気−排気混合気の第2の流量を計算するステップ
375 タービン排気装置の圧力を上昇させずに、タービン排気装置から排気ガス量を抽出するステップ
380 コンプレッサ段から空気量を抽出するステップ
385 空気−排気混合気を生成するために、排気ガス量と空気量とを混合させるステップ
390 第2の流量と等価な流量でコンプレッサ吸気口に空気−排気混合気を搬送するステップ
100 Gas turbine system 101 Gas turbine engine 105 Compressor 110 Combustion subsystem 115 Turbine 120 Exhaust subsystem 125 Compressor intake subsystem 130 Articulated inlet guide vane assembly 135 Intake screen 136 Intake air filter 140 Compressor bypass conduit 145 First conduit Control subsystem 150 First conduit control valve 155 First conduit flow sensor 160 Exhaust bypass conduit 165 Second conduit control subsystem 170 Second conduit cutoff valve 175 Filter air source 176 Alternative non-filter Air source 180 Filtered air control valve 181 Control valve 185 Mixing part 190 Third conduit 195 IBH conduit 200 IBH manifold 205 IBH bypass control valve 210 Intake screen conduit 215 Anti-icing manifold Yield 220 Inlet Screen Control Valve 221 Compressor Outlet 225 Ambient Air Intake 226 Shutoff Valve 230 Control Valve 235 Controller 300 Method 305 for Deicing the Intake Screen Step 305 Determining the Current Temperature of the Intake Screen 310 Desired Intake Screen Step 315 determining the temperature of the intake screen 135 determining whether the current temperature of the intake screen 135 is lower than the desired temperature of the intake screen step 316 determining the exhaust temperature step 317 determining the temperature of the compressor stage 320 determining the desired intake screen Calculating a first flow rate of the exhaust-air mixture required to achieve the temperature of step 325 extracting an amount of exhaust gas from the turbine exhaust system by suction; 330 generating an air-exhaust mixture to produce an air-exhaust mixture Gas volume and air volume Step 335 Mixing Step 340 Extracting the amount of air from the compressor stage Step 340 Mixing the exhaust or air-exhaust gas mixture and the air from the compressor stage Step 345 The air-exhaust gas mixture on the intake screen at a flow rate equivalent to the first flow rate Additional step 355 determining the current temperature of the compressor intake subsystem 360 determining the desired temperature of the compressor intake subsystem 365 the current temperature of the compressor intake subsystem 125 is the compressor intake subsystem Step 370 to determine whether the temperature is below the desired temperature of 125 Step 375 to calculate the second flow of the air-exhaust mixture required to achieve the desired temperature of the compressor intake subsystem 375 Rise Step 380 for extracting the amount of exhaust gas from the turbine exhaust system without step Step 385 for extracting the amount of air from the compressor stage Step 390 for mixing the amount of exhaust gas and the amount of air in order to generate an air-exhaust mixture Step of conveying the air-exhaust gas mixture to the compressor inlet at a flow rate equivalent to the flow rate of 2

Claims (7)

コンプレッサ(105)と、
排気装置を有するタービン(115)と、
吸気スクリーン(135)と、
前記吸気スクリーン(135)に連結される防氷マニホールドと、
第1の入力、第2の入力および出力を有する混合部品(185)として機能するエダクタと、
前記コンプレッサ段(105)および前記エダクタ(185)の前記第1の入力に連結される第1の導管(140)と、
前記排気装置および前記エダクタ(185)の前記第2の入力に連結され、吸引により排気ガスを抽出するのに適する第2の導管(160)と、
前記エダクタ(185)の前記出力および前記防氷マニホールドに連結される第3の導管(190)と、
前記第1の導管(140)に配置される第1の制御弁(181)と、
前記第2の導管(160)に配置される第1の締切り弁(226)と、
前記第3の導管(190)に配置される第2の制御弁(230)と、
を含み、
単一のコントローラが、前記吸気スクリーン(135)の現在の温度と前記吸気スクリーン(135)の所望の温度とに応じて前記第1の制御弁(181)と、前記第1の締切り弁(226)と前記第2の制御弁(230)との位置を制御する信号を提供する、
システム(100)。
A compressor (105);
A turbine (115) having an exhaust device;
An intake screen (135);
An anti-icing manifold coupled to the intake screen (135);
An eductor functioning as a mixing component (185) having a first input, a second input and an output;
A first conduit (140) coupled to the first input of the compressor stage (105) and the eductor (185);
A second conduit (160) coupled to the second input of the exhaust system and the eductor (185) and suitable for extracting exhaust gas by suction;
A third conduit (190) coupled to the output of the eductor (185) and the anti-icing manifold;
A first control valve (181) disposed in the first conduit (140);
A first cutoff valve (226) disposed in the second conduit (160);
A second control valve (230) disposed in the third conduit (190);
Including
A single controller controls the first control valve (181) and the first cutoff valve (226) depending on the current temperature of the intake screen (135) and the desired temperature of the intake screen (135). And a signal for controlling the position of the second control valve (230),
System (100).
前記コンプレッサ(105)に連結されるIBHシステムと、前記第3の導管(190)および前記IBHシステムに連結されるIBHマニホールド(200)と、をさらに含む、請求項1に記載のシステム(100)。   The system (100) of claim 1, further comprising an IBH system coupled to the compressor (105), and an IBH manifold (200) coupled to the third conduit (190) and the IBH system. . 前記防氷マニホールドが前記吸気スクリーン(135)の上流に連結され、
前記エダクタ(185)の前記出力からの空気および排気ガスの混合気は、周囲空気取入口(225)からの周囲空気と混合され、
前記コンプレッサ(105)および前記タービン(115)に連結される燃焼器と、
前記タービン(115)に連結される熱回収蒸気発生器とをさらに含む、請求項1または2に記載のシステム(100)。
The anti-icing manifold is connected upstream of the intake screen (135);
An air and exhaust gas mixture from the output of the eductor (185) is mixed with ambient air from an ambient air intake (225);
A combustor coupled to the compressor (105) and the turbine (115);
The system (100) of claim 1 or 2, further comprising a heat recovery steam generator coupled to the turbine (115).
コンプレッサ(105)と、
燃焼システム(110)と、
タービン(115)と、
タービン排気サブシステム(120)と、
前記コンプレッサ(105)に連結されるコンプレッサ吸気口と、
前記コンプレッサ吸気口に連結される吸気スクリーン(135)と、
前記吸気スクリーン(135)に連結される防氷マニホールドと、
前記コンプレッサ段(105)に連結され、前記コンプレッサ(105)から空気を抽出するのに適するコンプレッサ抽出サブシステムと、
前記タービン排気サブシステム(120)に連結され、吸引を用いて排気ガスを抽出するのに適する第2の導管(160)を備える排気抽出サブシステムと、
前記コンプレッサ抽出サブシステムおよび前記排気抽出サブシステムに連結され、空気−排気混合気を生成するために前記空気と排気ガスとを混合する第3の導管(190)を備える混合部品(185)として機能するエダクタと、
前記エダクタ(185)および前記防氷マニホールドに連結され、前記防氷マニホールドに前記空気−排気混合気を搬送する第1の導管(140)と、
前記第1の導管(140)に配置される第1の制御弁(181)と、
前記第2の導管(160)に配置される第1の締切り弁(226)と、
前記第3の導管(190)に配置される第2の制御弁(230)と、
を含み、
単一のコントローラが、前記吸気スクリーン(135)の現在の温度と前記吸気スクリーン(135)の所望の温度とに応じて前記第1の制御弁(181)と、前記第1の締切り弁(226)と前記第2の制御弁(230)との位置を制御する信号を提供する、
システム(100)。
A compressor (105);
A combustion system (110);
A turbine (115);
A turbine exhaust subsystem (120);
A compressor inlet connected to the compressor (105);
An intake screen (135) coupled to the compressor intake;
An anti-icing manifold coupled to the intake screen (135);
A compressor extraction subsystem coupled to the compressor stage (105) and suitable for extracting air from the compressor (105);
An exhaust extraction subsystem comprising a second conduit (160) coupled to the turbine exhaust subsystem (120) and suitable for extracting exhaust gas using suction;
Connected to the compressor extraction subsystem and the exhaust extraction subsystem and functions as a mixing component (185) comprising a third conduit (190) for mixing the air and exhaust gas to produce an air-exhaust mixture Eductor to do,
A first conduit (140) coupled to the eductor (185) and the anti-icing manifold and carrying the air-exhaust mixture to the anti-icing manifold;
A first control valve (181) disposed in the first conduit (140);
A first cutoff valve (226) disposed in the second conduit (160);
A second control valve (230) disposed in the third conduit (190);
Including
A single controller controls the first control valve (181) and the first cutoff valve (226) depending on the current temperature of the intake screen (135) and the desired temperature of the intake screen (135). And a signal for controlling the position of the second control valve (230),
System (100).
前記コンプレッサ吸気口に連結される吸気ブリード熱マニホールドと、
前記エダクタ(185)および前記吸気ブリード熱マニホールドに連結される第2の導管(160)と、をさらに含む、請求項4に記載のシステム(100)。
An intake bleed thermal manifold coupled to the compressor inlet;
The system (100) of claim 4, further comprising a second conduit (160) coupled to the eductor (185) and the intake bleed thermal manifold.
前記第1の導管(140)に配置される第1の制御サブシステム(145)と、
前記排気抽出サブシステムに連結される第2の制御サブシステム(165)と、
前記コンプレッサ抽出サブシステムに連結される第3の制御サブシステムと、をさらに含む、請求項4または5に記載のシステム(100)。
A first control subsystem (145) disposed in the first conduit (140);
A second control subsystem (165) coupled to the exhaust extraction subsystem;
The system (100) of claim 4 or 5, further comprising a third control subsystem coupled to the compressor extraction subsystem.
前記防氷マニホールドが前記吸気スクリーン(135)の上流に連結され、
前記エダクタ(185)の前記出力からの空気および排気ガスの混合気は、周囲空気取入口(225)からの周囲空気と混合され、
前記タービン(115)に連結される機械的負荷と、
前記タービン排気サブシステム(120)に連結される蒸気タービンとをさらに含む、請求項4乃至6のいずれかに記載のシステム(100)。
The anti-icing manifold is connected upstream of the intake screen (135);
An air and exhaust gas mixture from the output of the eductor (185) is mixed with ambient air from an ambient air intake (225);
A mechanical load coupled to the turbine (115);
The system (100) according to any of claims 4 to 6, further comprising a steam turbine coupled to the turbine exhaust subsystem (120).
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