用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰和对入口空气过滤器除湿的系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种用于对燃气涡轮发动机除冰的系统。歧管联接到入口滤网。第一导管联接到压缩机的一个级和混合部件的第一输入端。第二导管联接到排气口和所述混合部件的第二输入端。所述第二导管适用于抽取废气而不增加所述排气口处的压力。第三导管联接到所述混合部件的所述输出端和所述歧管。本发明还公开一种用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰的方法，所述方法包括确定所述入口滤网处的当前温度以及确定所述入口滤网处的所需温度。如果所述入口滤网处的所述当前温度小于所述入口滤网处的所述所需温度，则计算实现所述所需入口滤网温度所必需的空气废气混合物的第一流速。
【专利说明】用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰和对入口空气过滤器除湿的系统和方法
【技术领域】
[0001]本说明书所公开的主题总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体来说涉及防止燃气涡轮发动机入口滤网积冰的方法和系统。
【背景技术】
[0002]通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩进入空气的压缩机、用于将燃料与压缩空气混合并点燃燃料/空气混合物以形成高温气流的燃烧器以及由高温气流驱动的涡轮区段。
[0003]燃气涡轮发动机在全球范围内在各种气候条件下用于发电或用作操作泵和压缩机的机械驱动器。冷环境温度和高湿度条件下的操作通常导致冰积聚在涡轮机入口过滤室部件上。通常，在空气过滤元件(防鸟网、水分分离器、聚结物过滤器和过滤模块)上的这种冰积聚严重到足以限制空气流以及增加过滤室上的入口空气压降，从而导致燃烧涡轮机性能损失或甚至关机。当作为液体或固体在接近或低于冰冻(湿雪、冻雨等)的温度下摄取的水附着到大部分暴露表面时沉淀积冰形成，从而导致冰积聚。而且，在饱和冷却空气与较冷的过滤室表面接触时，发生冰形成。
[0004]管理入口冰积聚的一种常见方法是移除安装在气候防护罩(weather hood)中的水分分离器和聚结物过滤器并且使用热空气或供应有蒸汽或热水/乙二醇混合物的加热线圈加热空气过滤器模块上游的环境空气。
[0005]根据典型的现有技术防积冰系统，通过将旁通阀定位在排气烟?通道中来使废气再循环。这允许足够的热废气持续再循环到入口以便维持涡轮机入口空气温度最小处于+40F。这种方法具有增加涡轮机排气口处的压力的缺点，从而对燃气涡轮发动机的性能造成负面影响。
[0006]另一种类型的防积冰系统使用定位在入口过滤器前面的加热线圈来在促进冰形成在空气过滤器、内部过滤室壁以及下游燃气涡轮机部件(诸如入口导向叶片和压缩机第一级叶片)上的环境条件过程中提供加热。对于基于线圈的系统，以热水/乙二醇混合物或低压(LP)蒸汽的形式对线圈供应加热。这种方法增加了资金成本并且可以通过由于由(例如)加热线圈强加的额外气流限制(压降)所引起的运行年限(operating year)而对生产效率造成负面影响。
[0007]另一种方法是提供定位在涡轮机的入口空气过滤室上或邻近所述过滤室的多个加热面板(束)。每个加热面板均设有一个或多个电阻加热元件。还提供用于选择性地启动多个加热面板的每一个上的电阻加热元件。
【发明内容】
[0008]本发明提供针对防止冰积聚在燃气涡轮发动机入口滤网上、而无显著性能损失的问题的解决方案。
[0009]根据一个示例性非限制性实施例，本发明涉及一种用于加热燃气涡轮机中的入口滤网的方法。所述方法包括确定当前入口滤网温度和确定所需入口滤网温度。如果当前入口滤网温度小于所需入口滤网温度，则所述方法包括计算实现所需入口滤网温度所必需的空气废气混合物的第一流速。所述方法还包括从涡轮机废气子系统中抽取一定量的废气而不增加所述涡轮机废气子系统处的压力、从压缩机级中抽取一定量的空气以及将所述量的废气与所述量的空气混合以生成空气废气混合物。所述方法还包括将所述空气废气混合物传输至入口滤网，所述空气废气混合物以相当于第一流速的流速传输。
[0010]在另一个实施例中，一种系统包括压缩机、具有排气口的涡轮机以及入口滤网。歧管联接到入口滤网。提供具有第一输入端、第二输入端和输出端的混合部件。第一导管联接到压缩机的一个级和混合部件的第一输入端。第二导管联接到排气口和混合部件的第二输入端，其中所述第二导管适用于抽取废气而不增加排气口处的压力。第三导管联接到混合部件的输出端和歧管。
[0011]在另一个实施例中，提供一种包括压缩机、燃烧系统、涡轮机和涡轮机废气子系统的系统。所述系统包括联接到压缩机的压缩机入口和联接到压缩机入口的入口滤网。歧管联接到入口滤网。适用于从压缩机抽取空气的压缩机抽取子系统联接到压缩机的一个级。适用于抽取废气而不增加废气子系统处的压力的废气抽取子系统联接到涡轮机废气子系统。混合部件联接到压缩机抽取子系统和废气抽取子系统。混合部件适用于将空气和废气混合以生成空气废气混合物。所述系统包括联接到混合部件和歧管的、将空气废气混合物传输到歧管的第一导管。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]通过结合附图阅读以下对优选实施例的更详细描述，将清楚地了解本发明的其他特征和优势，所述附图以示例方式示出本发明某些方面的原理。
[0013]图1是一种用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰的系统的实施例的示意图。
[0014]图2是一种用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰的系统中所使用的控制系统的实施例的示意图。
[0015]图3是一种用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰的系统的替代实施例。
[0016]图4是一种用于对燃气涡轮发动机入口滤网除冰的系统的替代实施例。
[0017]图5是说明一种用于对燃气涡轮入口滤网除冰的方法的流程图。
[0018]图6是说明一种用于对燃气涡轮入口滤网除冰的方法中的额外步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0019]在图1中示出具有入口滤网除冰能力的燃气涡轮机系统100的实施例。燃气涡轮机系统100可以包括一个或多个燃气涡轮发动机101。每个燃气涡轮发动机101均包括压缩进入空气流的压缩机105。压缩机105将压缩空气流输送到燃烧子系统110，在所述燃烧子系统110中压缩空气流与压缩燃料流混合并且所述混合物被点燃以形成压缩气体流。所述燃烧气体流进而输送到涡轮机115并驱动涡轮机115产生机械功。涡轮机115中产生的机械功驱动压缩机105和外部负载(例如，发电机)。所述燃烧气体流可以通过废气子系统120排出到烟囱或以其他方式进行处置。
[0020]燃气涡轮发动机101可以包括具有铰接式入口导向叶片组件130压缩机入口子系统125，所述入口导向叶片组件130在燃气涡轮发动机101内大致周向地延伸。
[0021]燃气涡轮发动机101可以包括入口滤网135或过滤室，所述过滤室包括具有多个入口空气过滤器136的过滤器组件，所述入口空气过滤器136从弓I导至燃气涡轮发动机101的空气中去除水分和颗粒物(如灰尘和/或碎屑)。
[0022]燃气涡轮机系统100还可以包括用于从压缩机105的一个级中抽取一定量的压缩空气的压缩机旁通导管140 (第一导管)。与压缩机旁通导管140相关联的是第一导管控制子系统145，所述第一导管控制子系统145可以包括第一导管控制阀150和第一导管流传感器155。燃气涡轮机系统100还包括废气旁通导管160 (第二导管)和第二导管控制子系统165。废气旁通导管160从废气子系统120中抽取一定量的废气，而不增加废气子系统120处的压力(例如，通过抽吸)。第二导管控制子系统165可以包括第二导管截断阀170。流过废气旁通导管160的废气可以与来自过滤空气源175的过滤空气混合。过滤空气的量通过过滤空气控制阀180进行控制。替代的未过滤空气源176是未过滤的并且通过控制阀181来控制，并且可以与废气旁通导管160中的流混合。
[0023]将来自压缩机旁通导管140的空气与来自废气旁通导管160的废气(它们可以与或不与过滤空气或未过滤空气混合)在混合部件185 (例如像，喷射器)中混合。如所属领域的技术人员所已知，喷射器是不要求任何移动零件能够从某一区域泵出液体或气体的某种类型的喷射式泵。这些泵利用它们的结构将来自一种流体的能量通过文丘里效应转移至另一种流体。在喷射器中，驱动流体(来自压缩机105的压缩空气)经过喷射器的喷嘴，从而将压缩能量转化成射流。其结果是所述射流前面的流体移位，从而在喷嘴的出口处产生低压区域。使废气通过喷射器的分支入口吸入，从而形成抽吸流。将压缩空气和吸入废气在它们移动穿过喷射器的扩散器时混合。这种空气废气混合物的速度能量转化成压力能量，以使得空气废气混合物从喷射器通过强于抽吸压力的背压排放。
[0024]将空气和废气的混合物传输到第三导管190。空气与废气的混合物的一部分可以通过入口引气加热导管(IBH导管195)传输到入口引气加热歧管(IBH歧管200)。传输到IBH歧管200的空气与废气的混合物的量通过IBH旁通控制阀205控制。还可以将空气废气混合物的一部分通过入口滤网导管210传输到防积冰歧管215。传输到防积冰歧管215的空气废气混合物的量通过入口滤网控制阀220控制。使空气与废气的混合物与来自环境空气进口 225的环境空气进一步组合。在第三导管190中的整个流传输到防积冰歧管215的情况下，可以使用替代未过滤空气源176以便最小化入口空气过滤器136上的负荷。
[0025]在操作中，使来自压缩机105的一个级的压缩空气(在温度Tcsn下)传输到混合部件185。废气(在温度Tex下)由于在混合部件185 (例如，喷射器)处形成的较低压力而从废气子系统120中抽取出来，而不增加废气子系统120处的压力。传输到混合部件185的压缩空气和废气的量取决于入口滤网135处的所需温度(所需Tis)、入口滤网135处的实际温度(Tis实际)、入口空气过滤器136处的所需温度(所需Tfilter)、压缩机入口处的所需温度(所需Tinlet)、压缩机入口子系统125处的实际温度(实际Tinlet)以及环境温度(Tamb)。空气或气体的相对量使用质量流计算来计算并且通过第一导管控制阀150、第二导管截断阀170、IBH旁通控制阀205以及入口滤网控制阀220来控制。
[0026]如图2中所示，第一导管控制阀150、第二导管截断阀170、IBH旁通控制阀205、过滤空气控制阀180、控制阀181以及入口滤网控制阀220的位置由控制器235控制。控制器235还可以接收来自第一导管流传感器155的输入等等。控制器235可以是独立控制器或与燃气涡轮控制系统整合。
[0027]燃气涡轮控制系统的实例是通用电气公司的Speedtronic? Mark VI?控制系统，所述控制系统设计用于满足全部燃气涡轮控制要求，包括速度和负载控制功能，其作用来控制部分负载条件下的燃料流；以及温度控制，所述温度控制限制燃料流的最大程度以与实现额定点火温度一致，并且通过入口导向叶片控制空气流。Mark VI?控制系统还处理辅助设备的排序以允许完全自动化的启动、关机和冷却。基本系统并入有针对不利操作条件的燃气涡轮机系统保护和对异常条件的通告。因此，控制系统执行很多功能，包括燃料、空气和排放控制；燃料和针对启动、关机和冷却的辅助设备的排序；发电机和系统的同步和电压匹配；所有涡轮机的监测；控制和辅助功能；以及针对不安全和不利操作条件的保护。所有这些功能均以一种集成方式执行以便执行所需预编程和/或操作员输入的控制原理。
[0028]在另一个实施例中，如图3中所示，压缩机旁通导管140可以联接到压缩机出口221。使来自压缩机出口 221的压缩空气与通过抽吸从废气子系统120抽取的废气混合。这可以使用混合部件185如喷射器来完成。
[0029]在另一个实施例中，如图4中所示，第二导管(废气旁通导管160)可以是具有截断阀226和控制阀230的大直径管道。处于组合循环配置的废气通常处于大约12英寸H20的压力下。这种相对于环境压力的正压力是用于将废气流部分运输到防积冰歧管215的原动力。考虑到废气的相对低的供应压力，可以预见，这种旁通管道可以具有(例如)废气旁通导管160的截面积的大约30%的截面积，所述废气旁通导管160从燃气涡轮排气口通向热回收蒸汽发生器入口以便容纳所需旁通流。
[0030]在图5中示出一种用于对燃气涡轮发动机101的入口滤网135除冰的方法300。
[0031]在步骤305中，方法300确定入口滤网135处的当前温度。
[0032]在步骤310中，方法300确定入口滤网135处的所需温度。所述入口滤网135处的所需温度可以是足以对入口滤网135除冰或对入口空气过滤器136除湿以便防止冰或水滴形成的温度。
[0033]在步骤315中，方法300确定入口滤网135处的当前温度是否小于入口滤网135处的所需温度。如果入口滤网135处的当前温度小于入口滤网135处的所需温度，那么在所述方法中包括以下额外步骤。
[0034]在步骤316中，方法300确定废气温度。
[0035]在步骤317中，方法300确定压缩机级温度。
[0036]在步骤320中，方法300计算实现入口滤网135处的所需温度所必需的废气-空气混合物的第一流速。
[0037]在步骤325中，方法300通过抽吸从涡轮机排气口中抽取一定量的废气。
[0038]在步骤330中，方法300使所述量的废气与所述量的空气混合以生成空气废气混合物。所述空气废气混合物还可以与过滤空气混合。
[0039]在步骤335中，方法300从压缩机级抽取一定量的空气。
[0040]在步骤340中，方法300使废气或空气废气混合物与来自压缩机级的空气混合。步骤340可以通过喷射器来完成。
[0041]在步骤345中，方法300将所述空气废气混合物以相当于所述第一流速的流速传输到所述入口滤网。这可以通过调整入口滤网控制阀220来完成。
[0042]图6示出可以通过方法300执行的额外步骤350。
[0043]在步骤355中，方法300确定压缩机入口子系统125处的当前温度。
[0044]在步骤360中，方法300确定压缩机入口子系统125处的所需温度。
[0045]在步骤365中，方法300确定压缩机入口子系统125处的当前温度是否小于压缩机入口子系统125处的所需温度。如果压缩机入口子系统125处的当前温度小于压缩机入口子系统125处的所需温度，那么方法300执行以下额外步骤。
[0046]在步骤370中，方法300计算实现压缩机入口子系统125处的所需温度所必需的空气废气混合物的第二流速。
[0047]在步骤375中，方法300从涡轮机排气口抽取一定量的废气，而不增加涡轮机排气口处的压力。
[0048]在步骤380中，方法300从压缩机级抽取一定量的空气；
[0049]在步骤385中，方法300使所述量的废气与所述量的空气混合以生成所述空气废气混合物；以及
[0050]在步骤390中，方法300将所述空气废气混合物以相当于所述第二流速的流速传输到所述压缩机入口。
[0051]方法300使得能够控制防积冰歧管215和IBH歧管200处的温度以避免进口滤网的积冰并且优化燃气涡轮系统100的性能。这在不增加排气口处的压力的情况下完成，从而避免负面性能影响。
[0052]除非另作说明，否则如果术语定义偏离术语的常用含义，则 申请人:意图使用下文提供的定义。
[0053]本说明书中所用的术语仅用于描述特定实施例，并不限定本发明。除非另作说明，否则如果术语定义偏离术语的常用含义，则 申请人:意图使用本说明书中提供的定义。除非上下文另作明确规定，否则单数形式“一种”、“一个”和“所述”意在同时包括复数形式。应了解，尽管术语“第一”、“第二”等可以用于描述多个元件，但是这些元件不得受这些术语的限制。这些术语仅用于区分不同元件。术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。短语“联接到”和“与联接”是指直接或间接联接。
[0054]本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何器件或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果它们包括等效的结构要素，则此类实例也应在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1.一种用于加热燃气涡轮机中的入口滤网和入口空气过滤器的方法，所述方法包括: 确定当前入口滤网温度； 确定所需入口滤网温度； 如果所述当前入口滤网温度小于所述所需入口滤网温度，则进一步包括: 计算实现所述所需入口滤网温度所必需的空气废气混合物的第一流速； 从涡轮机废气子系统中抽取一定量的废气而不增加所述涡轮机废气子系统处的压力； 从压缩机级中抽取一定量的空气； 将所述量的废气与所述量的空气混合以生成空气废气混合物；以及将所述空气废气混合物传输至所述入口滤网，所述空气废气混合物以相当于所述第一流速的流速传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述空气废气混合物传输到所述入口滤网包括调整入口滤网控制阀。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述量的废气与所述量的空气混合以便生成所述空气废气混合物包括将所述量的废气与所述量的空气在喷射器中混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将空气添加至所述量的废气。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 确定当前压缩机入口温度； 确定所需压缩机入口温度； 如果所述当前压缩机入口温度小于所述所需压缩机入口温度，则进一步包括: 计算实现所述所需压缩机入口温度所必需的空气废气混合物的第二流速； 从涡轮机废气中抽取一定量的废气； 从压缩机级中抽取一定量的空气； 将所述量的废气与所述量的空气混合以生成所述空气废气混合物；以及将所述空气废气混合物传输至压缩机入口，所述空气废气混合物以相当于所述第二流速的流速传输。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述空气废气混合物传输到所述压缩机入口包括调整压缩机入口控制阀。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述所需入口滤网温度足以对所述入口滤网除冰。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述所需入口温度足以对所述入口空气过滤器除湿。
9.一种系统，所述系统包括: 压缩机； 具有排气口的涡轮机； 入口滤网； 联接至所述入口滤网的歧管； 具有第一输入端、第二输入端和输出端的混合部件； 联接到所述压缩机的一个级和所述混合部件的所述第一输入端的第一导管； 联接到所述排气口和所述混合部件的所述第二输入端的第二导管，其中所述第二导管适于通过抽吸抽取废气；以及 联接到所述混合部件的所述输出端和所述歧管的第三导管。
10.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括设置在所述第一导管上的第一控制阀。
11.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括设置在所述第二导管上的第一截断阀。
12.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括设置在所述第三导管上的第二控制阀。
13.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括联接到所述压缩机的IBH系统和联接到所述第三导管和所述IBH系统的IBH歧管。
14.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括联接到所述压缩机和所述涡轮机的燃
15.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括联接到所述涡轮机的热回收蒸汽发生器。
16.—种系统,所述系统包括: 压缩机； 燃烧系统； 涡轮机； 涡轮废气子系统； 联接到所述压缩机的压缩机入口； 联接到所述压缩机入口的入口滤网； 联接到所述入口滤网的歧管； 联接到所述压缩机的一个级的压缩机抽取子系统，所述压缩机抽取子系统适用于从所述压缩机抽取空气； 联接到所述涡轮机废气子系统的废气抽取子系统，所述废气抽取子系统适用于使用抽吸抽取废气； 联接到所述压缩机抽取子系统和所述废气抽取子系统的混合部件，所述混合部件适用于将所述空气与废气混合以生成空气废气混合物；以及 联接到所述混合部件和所述歧管的、将所述空气废气混合物传输到所述歧管的第一导管。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括: 联接到所述压缩机入口的入口引气加热歧管；以及 联接到所述混合部件和所述入口引气加热歧管的第二导管。
18.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括: 设置在所述第一导管上的第一控制子系统； 联接到所述废气抽取子系统的第二控制子系统；以及 联接到所述压缩机抽取子系统的第三控制子系统。
19.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括联接到所述涡轮机的机械负载。
20.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括联接到所述涡轮机废气子系统的蒸汽涡轮机。
【文档编号】F02C7/055GK104420999SQ201410429199
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】S.埃卡纳亚克, A.I.西皮奥, D.J.戴维斯, R.M.帕斯特拉纳 申请人:通用电气公司