用于燃气涡轮发动机组合件中的过滤系统及其组装方法与流程

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，以及更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的过滤系统中的吸附剂再生和再循环系统。

背景技术：

旋转机器(诸如燃气涡轮)通常用于为发电机产生动力。例如，燃气涡轮具有工作流体路径，该工作流体路径通常包括串联流动关系的进气口、压缩机、燃烧器、涡轮和出气口。压缩机和涡轮部分包括定位在壳体内的至少一排周向间隔开的旋转叶片或桨叶。至少一些已知的燃气涡轮发动机用于热电联产设施和发电厂中。

通常情况下，燃气涡轮在正常操作期间使用进气空气用于燃烧目的。进气空气通过过滤器室并朝向压缩机抽吸，其中压缩机排出的空气与燃料混合并在燃烧器中点燃。由于进气空气通常包含各种固体和气态污染物，至少一些过滤器室包括便于去除夹带在进气空气中的污染物的过滤系统。这种已知的过滤系统通常包括由位于压缩机上游的多孔过滤介质形成的过滤元件阵列。

至少一些已知的过滤介质具有浸渍在其中的吸附剂材料，以便于从进气空气中去除气态污染物。然而，由于吸附剂材料具有有限的能力，一旦被污染物饱和，需要更换吸附剂材料以使得能够继续从进气空气中去除气态污染物。更换吸附剂材料通常包括更换饱和的过滤介质。因此，如果在燃气涡轮发动机的操作期间更换饱和的过滤介质，需要关闭燃气涡轮发动机以更换过滤介质，或将出现由燃气涡轮发动机所摄取的污染物的峰值。

因此，本领域需要一种用于上述过滤过程的更有效的系统和方法。本发明提供这样的系统和方法。从本文提供的对本发明的描述中，本发明的这些和其它优点以及其它的创造性特征将是明晰的。

技术实现要素：

在一个方面，提供一种用于燃气涡轮发动机组合件中的过滤系统。根据该方面的这种系统的实施例包括与进气空气流处于流动连通的穿孔管阵列。每个穿孔管包括固体入口和固体出口。该系统还包括固体进料系统，其包括进料管线，所述进料管线与所述固体入口以流动连通的方式联接并且配置成引导吸附剂材料通过所述阵列中的每个穿孔管。吸附剂材料配置成去除夹带在进气空气流中的气态污染物。

固体进料系统还可包括再循环管线，其与所述固体出口以流动连通的方式联接并且配置成从所述穿孔管阵列接收用过的吸附剂材料。固体进料系统还可包括与所述再循环管线流动连通地联接的加热器。加热器配置成再生用过的吸附剂材料。在一些实施例中，加热器包括出口，其配置成当再生用过的吸附剂材料时引导富含污染物的废气流离开进气空气流。

在一些实施例中，固体进料系统配置成以至少部分地基于用过的吸附剂材料的再生速率的流率将吸附剂材料引导通过所述穿孔管阵列。固体进料系统还可配置成以至少部分地基于吸附剂材料的吸附能力的流率将吸附剂材料引导通过所述穿孔管阵列。固体进料系统还可配置成引导基本上连续的吸附剂材料流通过所述穿孔管阵列。固体进料系统可配置成引导根据进气空气的特性选择的吸附剂材料。

在一些实施例中，吸附剂材料可包括碳基材料、钙基材料和干燥剂材料中的至少一种。

该系统还可包括监测装置，用于监测穿孔管阵列上游和下游的进气空气的参数。监测装置可包括第一监测器和第二监测器以及控制器。第一监测器和第二监测器可操作地连接到控制器。第一监测器可相对于进气空气流定位在穿孔管阵列的上游。第二监测器可相对于进气空气流定位在穿孔管阵列的下游。在一些实施例中，第一监测器和第二监测器中的至少一个可包括石英晶体微天平。

在另一方面，提供一种燃气涡轮发动机组合件。这种燃气涡轮发动机组合件的一个实施例包括过滤器室。过滤器室包括与进气空气流处于流动连通的穿孔管阵列。每个穿孔管包括固体入口和固体出口。过滤器室还包括固体进料系统，该固体进料系统包括进料管线，所述进料管线与固体入口流动连通地联接并且配置成引导吸附剂材料通过阵列中的每个穿孔管。吸附剂材料配置成去除夹带在与所述过滤器室的出口联接的管道中的进气空气流中的气态污染物。该管道配置成向下游引导进气空气流。过滤器室还可包括监测装置，用于监测穿孔管阵列上游和下游的进气空气的参数。所述监测装置可操作以基于所述监测的参数来改变所述吸附剂材料的再循环、再生和更换频率中的至少一个。

过滤器室还可包括过滤器组合件，该过滤器组合件配置成去除夹带在进气空气流中的固体污染物。过滤器组合件可位于穿孔管阵列的下游。在一些实施例中，过滤器组合件可包括根据en1822和en779中的至少一个来度量的至少一个高效过滤器元件。

在一些实施例中，固体进料系统还包括再循环管线，其与固体出口流动连通地联接，并且配置成从穿孔管阵列接收用过的吸附剂材料。固体进料系统还可包括与循环管线流动连通地联接的加热器。加热器配置成再生用过的吸附剂材料。在一些实施例中，加热器定位成与过滤器室间隔开，使得当再生用过的吸附剂材料时引导富含污染物的废气流离开进气空气流。

固体进料系统可配置成以至少部分地基于用过的吸附剂材料的再生速率的流率将吸附剂材料引导通过穿孔管阵列。固体进料系统还可配置成以至少部分地基于吸附剂材料的吸附能力的流率将吸附剂材料引导通过穿孔管阵列。

还在另一方面，提供一种组装用于燃气涡轮组合件中的过滤系统的方法。这种方法的一个实施例包括提供穿孔管阵列，其中每个穿孔管包括固体入口和固体出口。穿孔管阵列配置成与进气空气流流动连通。该方法还包括将固体进料系统的进料管线与固体入口流动连通地联接。固体进料系统配置成将吸附剂材料引导通过阵列中的每个穿孔管。吸附剂材料配置成去除夹带在进气空气流中的气态污染物。

在一些实施例中，该方法还可包括将过滤器组合件定位在穿孔管阵列的下游。过滤器组合件配置成去除夹带在进气空气流中的固体污染物。该方法还可包括联接与固体出口流动连通地联接的再循环管线。再循环管线配置成从穿孔管阵列接收用过的吸附剂材料。该方法还可包括联接与再循环管线流动连通的加热器。加热器配置成再生用过的吸附剂材料。该方法还可包括将在加热器中限定的出口定向成使得引导富含污染物的废气流通过其中，并且当再生用过的吸附剂材料时从进气空气流中排出。

在一些实施例中，该方法还可包括将监测装置定位在穿孔管阵列的附近。

从下面结合附图的详细描述中，本发明的其它方面、目的和优点将变得更加明晰。

附图说明

结合在说明书中并且形成说明书一部分的附图示出本发明的几个方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是示例性燃气涡轮发电系统的示意图；

图2是可与图1所示的发电系统一起使用的示例性过滤系统的示意图；

图3是可在图2所示的过滤系统中使用的示例性过滤器组合件的示意图；以及

图4是图3中所示并沿着区域4所取的示例性穿孔管的放大剖视图。

虽然将结合一些优选实施例描述本发明，但是并不意图将本发明限制于那些实施例。相反，意图覆盖包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。

具体实施方式

本文所述的实施例涉及用于燃气涡轮发动机组合件中的过滤系统。在示例性实施例中，过滤系统包括与用于燃气涡轮发动机组合件的进气空气流流动连通的穿孔管阵列，以及与该阵列流动连通地联接的固体进料系统。更具体地，固体进料系统引导吸附剂材料通过每个穿孔管，使得夹带在进气流中的气态污染物被吸附剂材料吸附。随着吸附剂材料被气态污染物饱和，固体进料系统将不饱和的吸附剂材料朝向阵列引导，并将饱和的吸附剂材料朝向吸附剂再生组合件再循环。吸附剂再生组合件定位成与进气空气流间隔开，使得在再生过程中形成的富含气态污染物的废气不会重新进入进气空气流。因此，本文所述的系统和方法使得不饱和的吸附剂材料能够连续地或周期性地引导到穿孔管中，以便于更换饱和的吸附剂材料并且有助于缩短燃气涡轮组合件的停机时间。

图1是示例性燃气涡轮发电系统10的示意图。在示例性实施例中，燃气涡轮发电系统10包括串联流动关系的过滤系统12、压缩机16、燃烧器20和涡轮24。进气空气50在过滤系统12中过滤，以及过滤后的进气空气14被引导到轴流式压缩机16。进气空气50处于环境空气温度。压缩空气18被朝向燃烧器20引导，在燃烧器20处燃料喷射至压缩空气18中以用于燃烧目的。热气体22从燃烧器20排出并且被引导到涡轮24，在涡轮24处热气体22的热能被转换为功。一部分功用于驱动压缩机16以及其余的功用于驱动发电机28以产生电力。热废气混合物26从涡轮24排出并引导至大气或引导至热回收蒸汽发电机(hrsg，heatrecoverysteamgenerator)(未示出)。

图2是示例性过滤系统12的示意图。在示例性实施例中，过滤系统12包括过滤器室100、联接到过滤器室100的入口104的风雨防护罩102和联接到过滤器室100的出口108的过渡管道106。风雨防护罩102有助于防止恶劣天气因素诸如雨、雪和空气中的大颗粒进入过滤系统12。在一个实施例中，风雨防护罩102可包括多个聚结垫(coalescentpad)(未示出)，以防止摄入的水滴和/或雪花进入过滤系统12。此外，在操作中，过渡管道106将进气空气50从过滤器室100下游朝向压缩机16引导(如图1中所示)。

在示例性实施例中，过滤器室100包括第一过滤器组合件110和在第一过滤器组合件110上游的第二过滤器组合件112。第一过滤器组合件110去除夹带在进气空气50中的固体污染物，以及第二过滤器组合件112去除夹带在进气空气50中的气态污染物。在一些实施例中，第二过滤器组合件112包括吸附剂材料，其在过滤器室100的操作期间可受侵蚀并变得夹带在进气空气50中。因此，第一过滤器组合件110在第二过滤器组合件112的下游，以使得受侵蚀的吸附剂材料能够在向下游引导之前从进气空气50中去除。在替代实施例中，第二过滤器组合件112可定位在第一过滤器组合件110的下游。此外，也可以使用多个过滤器组合件112，其可在每个组合件中使用相同或不同的吸附剂。

第一过滤器组合件110包括联接到管板116的多个过滤器元件114。第一过滤器组合件110还包括脉冲清洁系统118，其周期性地朝向过滤器元件114引导清洁空气流(未示出)以便从其去除所收集的颗粒。更具体地，脉冲清洁系统118包括多个清洁喷嘴120，其朝向过滤器元件114引导清洁空气，以便于减少由在过滤器元件114上积聚的固体污染物导致的跨越过滤器元件114的压降。在一些实施例中，过滤器元件114是高效过滤器。如本文所使用的那样，术语“高效过滤器”是指可根据en1822(2009)和en779(2011)中的至少一个来度量的过滤器。在其它实施例中，第一过滤器组合件可包括与上述罐式脉冲类型不同的过滤方法，实际上它可以是屏障式静态过滤器类型的系统。

图3是可用于过滤系统12(图2中所示)中的第二过滤器组合件112的示意图，以及图4是沿着区域4所取的穿孔管122的放大剖视图。在示例性实施例中，第二过滤器组合件112包括与进气空气流50流动连通的穿孔管122的阵列124。每个穿孔管122包括固体入口126和固体出口128。第二过滤器组合件112还包括与该阵列124流动连通地联接的固体进料系统130。更具体地，固体进料系统130包括与固体入口126流动连通地联接的进料管线132，以及与固体出口128流动连通地联接的再循环管线134。固体进料系统130还包括限定在其中的吸附剂入口136和吸附剂出口138。如下面将更详细描述的那样，吸附剂入口136和吸附剂出口138选择性地用于促进将附加的吸附剂材料(未示出)引入到固体进料系统130内和/或用于促进更换劣化的吸附剂材料。此外，在一些实施例中，固体进料系统130经由进料装置160(诸如但不限于泵)将吸附剂材料引导通过穿孔管122。吸附剂入口136可以例如连接到吸附剂材料料斗(未示出)，吸附剂材料料斗可操作以将吸附剂材料自动地进料到系统中。

吸附剂材料可以是有助于从进气空气50中去除气态污染物的任何材料。示例性的吸附剂材料包括但不限于碳基材料、钙基材料和干燥剂材料。

在图4的示例性实施例中，穿孔管122包括侧壁140和限定在侧壁140中的多个孔144，该侧壁140限定每个穿孔管122中的内腔142。孔144延伸穿过侧壁140，使得被引导通过穿孔管122的内腔142的吸附剂材料与进气空气50流动连通。此外，孔144的尺寸设置成限制吸附剂材料以使吸附剂材料不能通过孔排出。因此，当固体进料系统130引导吸附剂材料通过其中时，吸附剂材料基本上保留在穿孔管122内。穿孔管122可由使得第二过滤器组合件112能够如本文所述起作用的任何材料制成。此外，尽管显示为具有圆形横截面形状，但是穿孔管122可具有使得第二过滤器组合件112能够如本文所述起作用的任何横截面形状。还可以使用液体吸附剂，其使用衬里管，所述衬里管利用衬里将液体保持在管内，但允许经过管的过滤空气吸附到液体中。

固体进料系统130还包括加热器146，其在进料管线132和再循环管线134之间流动连通，并且定位成与过滤器室100间隔开。更具体地，加热器146包括与再循环管线134以流动连通的方式联接的入口148、废气出口150和与进料管线132流动连通地联接的出口152。加热器146通过将用过的吸附剂材料加热至有助于从其释放气态污染物的温度来再生用过的吸附剂材料。如本文所用，“用过的吸附剂材料”是指这样的吸附剂材料，其至少部分地吸附有夹带在进气空气50中的气态污染物。备选地，可使用使得第二过滤器组合件112能够如本文所述起作用的任何系统来再生用过的吸附剂材料。

在操作中，固体进料系统130将吸附剂材料引导通过阵列124中的每个穿孔管122。更具体地，基本上不饱和的吸附剂材料被引导通过进料管线132并朝向穿孔管122的阵列124引导。穿孔管122中的孔144允许吸附剂材料与进气空气50流动连通。当进气空气50流过阵列124时，穿孔管122中的吸附剂材料有助于去除夹带在进气空气50中的气态污染物。更具体地，吸附剂材料从进气空气50吸附气态污染物而变成用过的吸附剂材料。

然后，用过的吸附剂材料从穿孔管122引导通过再循环管线134并朝向加热器146引导。如上所述，吸附剂材料具有从进气空气50吸附气态污染物的有限能力。加热器146有助于再生用过的吸附剂材料。当加热器146升高用过的吸附剂材料的温度时，气态污染物从吸附剂材料释放，并且富含污染物的废气154通过废气出口150排出。废气出口150定向成使得富含污染物的废气154从进气空气50中排出。

固体进料系统130以基于多种因素的速率将吸附剂材料引导通过穿孔管122的阵列124。例如，吸附剂材料的流率至少部分地基于吸附剂材料的再生速率和吸附剂材料的吸附能力。然后确定吸附剂材料的流率，使得在吸附剂材料被气态污染物完全饱和之前更换吸附剂材料。此外，固体进料系统130可以基本上连续的流率引导吸附剂材料通过阵列124，或者随着吸附剂材料变得饱和而周期性地引导吸附剂材料通过阵列124。

在一些实施例中，基于进气空气50的特性选择引导通过阵列124的吸附剂材料的类型。示例性特性包括但不限于进气空气50的水分含量和组成。例如，被引导通过阵列124的干燥剂材料可随着过滤器室100周围的周围环境的相对湿度和进气空气50的水分含量的增加而增加。在一些实施例中，第二过滤器组合件112是闭环系统。因此，在通过吸附剂入口136将新的吸附剂材料引入到固体进料系统130内之前，已经在固体进料系统130中的吸附剂材料的至少一部分通过吸附剂出口138去除。由于进气空气50的特性随着时间和/或根据燃气涡轮发电系统10(图1所示)的位置而变化，因此选择通过阵列124引导的各种吸附剂材料的比例，以便于从进气空气50去除各种气态污染物。备选地，新的吸附剂材料可通过吸附剂入口136引入以更换固体进料系统130中的吸附剂材料，因为固体进料系统130中的吸附剂材料随着时间劣化。

本文所述的系统和方法涉及在进气空气流中夹带的气态污染物的过滤。更具体地，吸附剂材料被引导通过穿孔管阵列，该穿孔管阵列允许夹带在进气空气流中的气态污染物被吸附剂材料吸附。当吸附剂材料被气态污染物饱和时，基本上不饱和的吸附剂材料被引导通过穿孔管以更换用过的吸附剂材料，并且用过的吸附剂材料被朝向再生系统引导。再生系统再生用过的吸附剂材料，使得再生的吸附剂材料可朝向阵列再循环，以在吸附剂材料变得饱和时更换吸附剂材料。因此，通过本文所述的系统连续地再生和再循环吸附剂材料有利于保持过滤效率，同时缩短相关联的燃气涡轮组合件的停机时间。

返回图3，该系统还可包括用于管理吸附剂的速率再循环和其它系统功能的监测装置158。监测装置158包括第一监测器162和第二监测器164，每个监测器可操作地连接到控制器166并与控制器166通信。如图3中最佳可见，第一监测器162相对于进气空气流50位于吸附剂阵列124的上游。第二监测器164相对于进气空气流50定位在吸附剂阵列124的下游。

第一监测器162和第二监测器164实时监测过滤器元件114的上游和下游的空气。在一个实施例中，监测器实时检测空气中的目标气体量，目标气体例如预期被吸附剂材料去除的气体。还可以监测其它参数，包括但不限于空气的腐蚀性。第一监测器和第二监测器可采用实时气体分析器或指示腐蚀速率的装置的形式，例如石英晶体微天平(qcm，quartzcrystalmicrobalance)。

在一个实施例中，第一监测器162和第二监测器164向控制器166提供在流动路径中在它们各自位置处的空气中的目标气体量以作为输入。本领域技术人员将认识到的是，由第一监测器162和第二监测器164所检测到的目标气体量之间的差异实际上是吸附剂材料的总体有效性的度量。如上所述，随着时间的推移，吸附剂材料将失去其有效性并需要再循环和再生，和/或全部或部分地用新的吸附剂材料更换。在一个实施例中，控制器166计算在第一监测器162和第二监测器164处所获得的读数之间的差异。控制器166还可操作以将该差异与查找表进行比较，以确定是否需要再循环/再生和/或更换。相对较大的差异表示吸附剂材料的有效性，而相对较小的差异指示需要再循环/再生和/或更换周期。

在一个实施例中，控制器166可将上述差异与用于过滤器114上游与过滤器114下游的目标气体量之间差异的理想性能特性的基线已知差异数据进行比较。由于基线差异与由监测器162、164获得的读数间实际差异之间的差异减小，因此可以减小再循环/再生和/或更换频率。随着基线差异与由监测器162、164获得的读数间实际差异之间的差异增加，可以增加再循环/再生和/或更换频率。

上述基线差异与实际差异的比较提供吸附剂材料劣化的指示。吸附剂材料将随着时间和多次再生周期而丧失其有效性。因此，上述基线差异与实际差异的比较允许控制器166确定是否应使用新的吸附剂材料来更换劣化的吸附剂材料。

此外，控制器166还可基于由第一监测器162所检测到的目标气体的增加来改变再循环/再生和/或更换周期频率。这种增加将意味着在吸附剂材料上的更高负载，因此需要频率更高的再循环/再生和/或更换周期。该频率的增加可由在第一监测器162处所检测到的目标气体量的隔离峰值来触发。备选地，控制器166可配置成基于在第一监测器162处所检测到的进气空气特性的长期变化来修改再循环/再生和/或更换周期频率。

此外，控制器166还可监测第一监测器162和第二监测器164处所测得的量的变化速率。这允许系统基于这些变化速率预判再循环/再生和/或更换周期频率的增加或减少。这种配置避免过度超过或过度低于系统的所需性能特性。

控制器166可包括实现上述功能所需的所有必要的软件、硬件和固件。另外，控制器166可直接连接到系统的其它部件以实现对其的控制，包括进给装置160、加热器146等。

本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利通过引用并入本文，其程度如同将每篇参考文献单独地和具体地表示为通过引用并入本文并且在本文中完整描述。

在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用的术语“一”、“一个”和“该”以及类似的指示应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)。除非本文中另有说明，否则本文中数值范围的列举仅意图用作单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值被并入本说明书中，如同其在本文中单独列举一样。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序执行，除非本文另有说明或上下文明显矛盾。本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅意图更好地说明本发明，而并不对本发明的范围构成限制，除非另有声明。说明书中的语言不应被解释为指示任何未要求保护的元件对于实施本发明是必要的。

本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前面的描述之后，那些优选实施例的变型对于本领域技术人员而言是明晰的。本发明人期望本领域技术人员适当地采用这样的变型，并且本发明人预期到以不同于本文具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中所述的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则在其所有可能变型中的上述元素的任何组合由本发明所涵盖。