用于增加进气量的系统的制作方法

专利名称：用于增加进气量的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于增加进气量的系统。本发明具体涉及一种用于增加空气消耗工艺用涡轮式机械中的进气量的系统和 设备。
背景技术：
提高诸如燃烧、空气分离、空气压缩以获得机械功的任何空气消耗工艺的效率是 相当重要的，因为这节省了这些工艺所用的燃料。大部分的常规消耗燃料是不可补充的碳 氢化合物。这些燃料的低效燃烧造成大面积污染，而且是全球变暖的主要缘故之一。如果 正确地维持空燃比，那么燃料充分燃烧且对大气造成较小的污染或零污染。减少燃料量为 改善燃烧过程的方法之一，但是导致产生的功率急剧下降且超过特定级别就不可行。提高 用于燃烧过程的空气的质和量是更好的选择。任何燃烧过程所需的空气都要求不含尘粒，因为尘粒的存在会对燃料注射喷嘴、 燃烧室中的冷却槽和燃料计量系统的其它零件造成破坏。因此通过在进气管中引入适当的 过滤系统来过滤空气。在进气管中引入过滤系统导致压降并导致经过过滤器的空气量的减 小。经过一段时间的使用，过滤器易于被捕集到的尘粒堵塞，导致过滤器两侧的进一步的压 降、以及由于进气压力下降造成的进气量的成正比减小。压缩进气是提高燃烧过程可获得的空气量的方法之一。在预过滤之后利用往复压 缩机或旋转压缩机来压缩空气以增加空气密度并从而提高燃烧可获得的空气量。压缩进气 使空气温度升高到环境温度以上。在环境温度低的温度区域中，进气温度由于压缩的增加 并不明显。而在炎热干旱的条件下，空气的环境温度在15°C至30°C的范围内，空气温度由 于压缩过程的进一步增加降低了燃烧过程的整体效率。燃气轮机的效率，或者更确切地说是燃气轮机的整体热效率为所做的机械功与所 供热量的比率。卡诺效率定义如下η CAEN0T = w/Q = (Tmax-Tmin) /Tfflax其中W =机械功Q =所供热量Tmax=最高温度Tmin=最低温度通过卡诺公式可将效率表达为温度。对于燃气轮机，Tmax为离开燃烧室气体的热气 体的温度且Tmin为环境温度。如果假设燃料在化学计量条件下燃烧以获得2500K的火焰温度且涡轮机被设计 成耐受2500K，那么发动机工作于100的压力比率下，这是非常高的，但并不是不合理的 一一假设内部损耗可忽略不计。基于以上所述，理想的燃气轮机产生的效率为65%左右。然而，作为比较，简单开式循环单轴机械在最佳工况显示的效率为40%左右。从上述的卡诺效率公式，发现可通过增加热源和热沉之间的温差来增加效率。根据第二定律，热沉不可能降低至更低的温度，而热源温度却例如可通过燃烧更多的燃料增 力口。燃烧更多的燃料升高了温度并增大了温差。增加燃烧温度的难点在于找到用于燃烧室衬里和涡轮叶片的耐火材料。当难以找 到新材料时，那么必须找到其它途径来解决过热的问题。另一种方法是提高供给至空气消 耗过程的空气的量。形成本发明的基础的理论基于下述事实不论环境气体的温度如何，燃气轮机都 吸入恒定体积的空气。假设其它变量保持恒定，则燃气轮机的功率输出随着空气质量流率 的增加而增加。在燃气轮机的体积流恒定的情况下，通过增加空气压缩机的进气密度，可实 现更大的质量流率。涡轮机产生的功率近似为空气质量流率的线性函数。因此可设想通过增加空气密度来实现质量流的增加。如果忽略来自燃料的额外的 质量流，则关于质量流率的理想气体方程为
m = P1V1/RT1该方式表示功率输出为空气密度的线性函数和与温度成线性反比。已进行各种尝试来解决在增加过程进气量中遇到的问题。以下列出一些专利现有技术美国专利申请公报No. 2006/0225696公开了一种机构，其配置成接收通过在空气 中形成湍流的装置吸入的空气，并构造成在该机构下游的位置处形成密度增加的区域。该 发明试图通过在运动的空气中形成低幅、高频的湍流和角速度来增加可用于燃烧的氧。所 获得的空气量增加程度将很低并且该装置在炎热和干旱地区由于普遍的高温而收效甚微。美国专利727386公开了一种控制燃气轮机组的冷却空气质量流的方法。该发明 使用压缩机和级间冷却装置来控制在燃气轮机组中循环的冷却空气的量。在该发明中没有 尝试增加燃烧所需的工艺空气的空气量。美国专利6935251揭示了一种蒸汽发生燃烧系统和一种通过增加氧来控制排放 的方法。该发明依靠富氧的气体发生系统来提高燃烧蒸气中氧的百分比以控制废气所含的 污染物。这种类型的增浓气体发生系统不适于要求高流率的工艺，且此类单元的资金、运行 成本高得惊人。美国专利5678526公开了一种系统和诊断程序，其用于给内燃发动机提供富氧空 气，以通过设置聚合富氧膜片装置来以控制污染物的排放。这种膜片增浓系统不适于要求 高流率的工艺。所有以上列举的专利都具有固有的局限性，且无法满足系统提高在消耗位置的入 口位置处可获得的空气量的需要。发明目的本发明的一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其能够处理高的质
量流率。本发明的另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其能够在炎热气 候条件下运行。本发明的再另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其能够以很低 的系统压降运行。本发明的另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其能够获得一致的空气温度而不受环境条件的影响。本发明的再另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其能够以极低 的水耗运行。本发明的另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其易于制造。本发明的再另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其易于安装。本发明的另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其维修不昂贵。本发明的再另一个目的是提 供一种用于增加进气量的系统和设备，其结构牢固。本发明的另一个目的是提供一种用于增加进气量的系统和设备，其运行经济。

发明内容
本发明涉及一种用于增加空气消耗工艺用进气量的系统和设备。本发明设想一种 过滤系统，其使得过滤系统两侧的压降很低，同时通过冷却增加进气量。任何往复式压缩机或旋转压缩机都具有固定的进气体积。要增加压缩机的容量， 只能采取两种方式，即(1)增加空气的密度；(2)增加进气增压室本身的空气压力。在本发 明中使用了上述两种技术。通过使用新型过滤系统和除雾系统来减少进气压降以增加进气 压力。其次，通过降低空气的温度来增加进气密度。通过采用蒸汽吸收技术和使用水作为 冷却介质来实现这种降温，因为其它冷却剂对压缩机叶片的冶金特性有负面影响。本发明 的重点是蒸汽吸收技术与进气冷却、过滤和除雾正确地同步以自动地相对于连续变化的环 境条件自行调节。进气的冷却由于气流量的增加而导致功率增大且其也提高了效率。效率提高是因 为卡诺效率公式中的Tmin的下降。在典型的炎热和干旱地区实现的功率增加可达15%之
^^ ο压缩机消耗的功的量取决于环境条件，比如空气压力、温度和湿度。-燃气轮机在恒定的空气容积下运行。-产生的功率取决于空气的质量流。-热空气的密度低于冷空气-较高的进气温度导致较低的功率输出。另外，热空气比冷空气难压缩得多，使得可获得的净轴能更少。以下方法可用于冷却工艺进气1.蒸发冷却水流过波纹状表面并蒸发从而冷却空气。此类蒸发冷却的优点是(i)设备和安装成本不是很高。(ii)冷却水的附加负荷较小。(iii)在炎热气候条件下最佳地工作。局限性是(i)达到湿球温度的可能性有限。(ii)由于妨碍空气的自由流动而造成的高压降损失。(iii)局限于周围环境条件。(iv)依赖于水质。
(ν)尺寸受介质速度的限制。2.喷雾从压缩机上游引入的呈微细喷雾形式的水蒸发以冷却进气。喷雾的优点是⑴导致的压降低。(ii)附加负荷最小。 (iii)安装成本低。局限性是(i)不能达到湿球温度以下。(ii)受周围环境条件的限制。(iii)需使用软化水。(iv)微量元素有可能进入压缩机。(ν)下游的材料必须升级为非腐蚀性材料。(vi)不适合用于潮湿环境中。3.制冷冷却单独的制冷单元冷却进气，从而实现比露点低得多的温度。优点是(i)形成的空气的温度恒定，不受周围环境条件的影响。(ii)当缺水时是有利的。(iii)不依赖于水质。(iv)无腐蚀破坏的风险。局限性是(i)与喷雾系统相比附加负荷较高。(ii)安装成本比其它方法高。(iii)与其它方法相比占用面积大。仅在制冷冷却系统中才有可能将空气冷却至湿球温度以下的温度。湿球温度为暴露于气流中的湿式温度计测温包所指示的温度。可通过具有包裹于 湿布中的测温包的温度计来测量湿球温度。已尝试通过喷水方法来冷却进气。例如，美国专利5537813公开了燃气轮机的进 气与增压组合以及冷却方法与设备。通过在竖塔的顶端接收进气和冷却水而在塔中处理进 气。冷却水以大于进气的速度喷入塔中。这样，由于进气和冷却水的相对速度的不同而增 加了空气压力。在该系统中，需要储存大量的冷却水并重复地将其向上泵送至塔顶以提供 温度适当的连续气流。投资和运行成本很高。处理过的空气的湿度将很高并且可能需要进 一步的调节。因此该装置不实用、效率低且结构不牢固。因此需要一种实用、紧凑的系统和设备来实现空气量的增加。根据本发明，提供一种用于增加工艺用进气量的系统和设备，包括用于引导空气的导管，其具有空气入口和空气出口，所述导管限定位于所述入口 和出口之间的内部空气路径，并且沿所述路径具有初滤站，其适于主要捕集尺寸大于约 15微米的颗粒物；热交换器类型的冷却站，其适于将所经过的空气的温度从大气温度降低至约15°C ；组合的除雾及中间过滤站，其适于分离所经过的空气中的所有水滴且适于主要 捕集尺寸达约10微米的颗粒物；以及细滤站，其适于主要捕集尺寸大于约2微米的颗粒物。通常，导管为长管道，其横截面优选为矩形。通常，过滤站包括气密地固定于所述管道的内壁的框架和气密地固定于所述框架 的过滤介质。优选地，除雾站设置有用来收集和排出从所经过的空气中去除的水分的装置。通常，除雾站和中间过滤站组合为一个单元。过滤介质的制造材料可选自由天然纤维、人造纤维、纸、金属丝网、织物和陶瓷组 成的材料的组。
根据本发明的一个优选实施例，过滤介质包括多个层，所述多个层沿着从所述入 口至出口的运行方向在每个所述过滤站处沿所述路径以从相对粗糙至细的结构布置。通常，过滤介质具有管状轮廓并设置有内袋。通常，冷却管设置有外散热片。通常，散热片设置有适于对流体流动形成低阻力的空气动力学轮廓。通常，冷却管的制造材料选自由铜、铝、铜合金、铝合金和不锈钢组成的材料的组。通常，设置在冷却管上的散热片的制造材料选自由铜、铝、铜合金、铝合金和不锈 钢组成的材料的组。通常，冷却管涂覆有适于改善传热和减少腐蚀的复合涂层。


现在将参照附图描述根据本发明的用于增加空气消耗过程的进气量的系统和设 备，其中图1是根据本发明的进气量增加设备的剖视图；图2是图1的进气量增加设备的过滤站的立体图，其具有用于初滤的V形渐进过 滤介质；图3是图1的进气量增加设备的过滤站的立体图，其具有设置有内袋的、由用于除 雾和中等等级过滤的渐进介质形成的V形过滤器；以及图4是图1的进气量增加设备的过滤站的立体图，其具有设置有内袋的、由用于细 等级过滤的渐进介质形成的V形过滤器。
具体实施例方式参照图1，用于增加空气消耗工艺的进气量的系统和设备总体上以参考标号100表不。装置100安装有导管10、设置在导管10的进气侧的气候防护罩11以及初滤站12， 初滤站12由气密地固定于导管10内壁的框架52和气密地固定于框架56的过滤介质54 组成。导管10还设置有热交换器类型的冷却站16。冷却站16通常位于导管10中，具有 侧壁和带散热片的冷却管18。这些冷却管18和散热片由具有高导热性的材料制成以确保 高的传热率，并且覆有涂层复合物以改善传热和控制腐蚀。冷却流体循环经过所述管，并且经过导管的预过滤空气被冷却至系统的指定操作温度。冷却站操作温度可低至4°C。导管10还设置有除雾器和中间过滤站20，中间过滤站20由气密地固定于导管10 内壁的框架56和气密地固定于框架52的过滤介质58组成。导管10还设置有细滤站24，细滤站24由气密地固定于导管10内壁的框架60和 气密地固定于框架60的过滤介质64组成。设置在导管10的出口端的膨胀管28将处理过的空气传送至消耗位置。压力记录 装置30和温度记录装置32设置在初滤站14和冷却站18之间、各过滤站之间，并且还设置 在膨胀管28的出口位置。在导管10的入口端40导入的工艺空气经过初滤站12、冷却盘管18、除雾器和中 间过滤站20、细滤站24以及膨胀管28。工艺空气最终经过导管10的出口端50。
参照图2，初滤站总体上以参考标号12表示。初滤站12由刚性框架52和V形渐 进过滤介质54组成，过滤介质54由聚合材料制成，其等级沿过滤介质厚度方向是从粗至细 的。过滤介质54气密地固定于框架52以便所有经过过滤站12的空气都经过过滤介质54。参照图3，除雾器和中间过滤站总体上以参考标号20表示。除雾器(除湿装置) 和中间过滤站20由刚性框架56和V形渐进过滤介质58组成，过滤介质58由聚合材料制 成，其等级沿过滤介质厚度方向是从粗至细的。过滤介质58气密地固定于框架56以便所 有经过过滤站20的空气都经过过滤介质58。过滤介质形成为V形的细长管状部件，设置有 内袋57。当空气流经过滤站20时，这些内袋57允许特定量的空气经过，并在过程中提高了 提供最大过滤面积的V形管状过滤介质的刚性。这减小了过滤站两侧的压降。参照图4，细滤站总体上以参考标号24表示。细滤站24由刚性框架60和V形渐 进过滤介质64组成，过滤介质64由聚合材料制成，其等级沿过滤介质厚度方向是从粗至细 的。过滤介质64气密地固定于框架60以便所有经过过滤站24的空气都经过过滤介质64。 过滤介质形成为V形的细长管状部件，设置有内袋63。当空气流经过滤站24时，这些内袋 63允许特定量的空气经过，并在过程中提高了提供最大过滤面积的V形管状过滤介质的刚 性。这减小了过滤站两侧的压降。本发明通过以下方法增加了可在空气消耗工艺的消耗位置获得的空气量1.通过减少湍流和滞止气穴改善了管道中的空气的流动特性。2.通过使用改善的过滤介质和过滤方法减小了过滤造成的压降。3.通过蒸汽吸收制冷方法将工艺空气的温度冷却至环境温度以下以提高密度并 从而增加空气量。任何空气消耗工艺所需的空气都是通过经入口将空气吸入一传送管道而从大气 抽取的，入口设置有金属丝网和一些基本过滤装置以挡住大的漂浮物，比如纸张和小鸟等。空气消耗位置总是远离入口，且管道必须根据单元的终端工艺、安全要求和特定 位置而设置有弯曲部并改变高度。当空气流经传送管道时空气遇到阻力。弯曲部和高度变 化还导致湍流和滞止气穴。这导致空气压力的下降。已知入口处气压(大气压)和消耗位 置处气压之间的差异为传送系统的压降(ΔΡ)。压降还由其它气流障碍物导致——像过滤 器的设置和气流路径中的测量仪器。压降的减小确保了可在消耗位置更好地提供空气量。本发明通过使用根据所需的流率彼此隔开的过滤站来减小过滤站两侧的压降。使 用细度级别逐渐提高的多级过滤站来减小系统两侧的压降，而不是使用单个细过滤元件站。本发明的多站式过滤方法允许以紧凑的结构增加过滤面积并有效地增加了单元的颗粒 物截留能力、从而减小了过滤站两侧的压降。本发明在各过滤站中使用沿介质厚度具有逐 渐变细的介质结构的过滤介质。尺寸较大的颗粒在上游的较粗糙的介质外表面处被捕集， 而略细的颗粒可向内运动并然后被捕集。渐进的介质结构提供了更小的气流阻力，减小了 过滤器两侧的压降。综合测试显示，均勻介质结构的传统粗等级过滤器对于68，OOOCu. m/hr的气流导 致SOPa左右的压降，相比之下，在根据本发明的渐进介质结构类型的粗等级过滤器的情 形中，对于相同的流率，压降为30Pa左右。同样，均勻介质结构的中等等级过滤介质对于 68, OOOCu. m/hr的气流导致90_110Pa左右的压降，相比之下，在根据本发明的渐进介质结 构类型的中等等级过滤器的情形中，对于相同的流率，压降为40-50Pa左右。热交换器类型的冷却站设置在传送管道的侧壁之间，具有容纳和循环冷却流体的 管。当空气经过带散热片的冷却管道时发生热交换并且空气温度下降至系统的指定温度。 冷却管道的传热面积由特定应用的指定流率和所需温度决定。管道的定位和散热片的轮廓 选择为在传热表面和经过的空气之间存在长的接触、且同时对气流产生最小的阻力。 通过将空气冷却至15°C左右，可将在28-30°C左右的环境温度条件下的典型流率 68，OOOCu. m/hr 增加至约 72，OOOCu. m/hr。在安装好的情形下，速率为68，OOOCu. m/hr的渐进多站式过滤系统和冷却站在过 滤站和冷却站的两侧有约120Pa的低压降，并且预计在使用六个月后上升至约180Pa。在正 常的负荷条件下过滤介质的总预计使用寿命为36个月左右。已进行测试来确定经过现有技术以及根据本发明的各种装置和系统的质量流率。示例1 (根据本发明的带冷却的多过滤介质系统，在28-30°C的温度下)将渐进过滤介质组装在具有初滤站、中间过滤站和细滤站的测试台中。测试台在 第一过滤单元和第二过滤单元之间设置有根据本发明制造的一组表面积为16m2的冷却盘 管。制冷单元开启且冷却区域中的温度维持在28-30°C。未经过滤的大气通过离心式鼓风 机抽取并进入过滤器组的入口端。连续地记录各过滤器的入口侧和出口侧处的压力和温 度。调节冷却率以在测试过程中始终在冷却区域中保持28-30°C的稳定温度。计算并记录 通过过滤器的流率。实现的典型流率为68，OOOCu. m/hr且压降为40_50Pa。示例2 (带冷却的多过滤介质系统)在用相同级别的介质更换所有过滤介质后重复以上测试，但冷却区域维持在 15°C。在整个测试过程中调节冷却率以在冷却区域中维持15°C的稳定温度。计算并记录通 过过滤器的流率。实现的典型流率为72，OOOCu. m/hr且压降为40_50Pa。以上测试确证在未显著增加系统两侧的压降的情况下提高了质量流率。根据本发明实现的空气输出通常是清洁的，在4-30°C的温度下微粒尺寸不大于期 望的微米尺寸，其中ΔΡ(压力损失)低，并且增加了进入工艺装置或设备的空气的量。因此，增加了空气的量而未明显影响其它的空气参数。虽然本文着重强调了优选实施例的特定结构，但是可理解的是，在不背离本发明 的原理的前提下，可在优选实施例中作出许多更改。对于本领域的一般技术人员而言，根据 本文的公开内容，优选实施例中的这些和其它改变都是显而易见的，由此应当清楚地理解， 前述的内容应解释对本发明的说明而非限制。
权利要求
一种用于增加工艺用进气量的系统和设备，包括用于引导空气的导管，其具有空气入口和空气出口；所述导管限定位于所述入口和出口之间的内部空气路径，并且沿所述路径具有初滤站，其适于主要捕集尺寸大于约10微米的颗粒物；热交换器类型的冷却站，其适于将所经过的空气的温度降至约15℃；组合的除雾及中等过滤站，其适于分离所经过的空气中的所有水滴且适于主要捕集尺寸高达约15微米的颗粒物；以及细滤站，其适于主要捕集尺寸大于约2微米的颗粒物。
2.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述导管是 长管道，其横截面优选为矩形。
3.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述过滤站 包括气密地固定于所述管道的内壁的框架和气密地固定于所述框架的过滤介质。
4.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述除雾站 设置有用来收集和排出从所经过的空气中去除的水分的装置。
5.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述除雾站 和中间过滤站组合为一个单元。
6.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述过滤介 质的制造材料选自由天然纤维、人造纤维、纸、金属丝网、织物和陶瓷组成的材料的组。
7.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述过滤介 质包括多个层，所述多个层沿着从所述入口至出口的运行方向在每个所述过滤站处沿所述 路径以从相对粗糙至细的结构布置。
8.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述过滤介 质具有管状轮廓。
9.根据权利要求8的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述管状介 质设置有内袋。
10.根据权利要求1的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述冷却站 具有设置有外散热片的管。
11.根据权利要求10的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述散热 片设置有适于对流体流动形成低阻力的空气动力学轮廓。
12.根据权利要求10的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述冷却 管的制造材料选自由铜、铝、铜合金、铝合金和不锈钢组成的材料的组。
13.根据权利要求10的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，设置在冷 却管上的所述散热片的制造材料选自由铜、铝、铜合金、铝合金和不锈钢组成的材料的组。
14.根据权利要求10的用于增加工艺用进气量的系统和设备，其特征在于，所述冷却 管涂覆有适于改善传热和减少腐蚀的复合涂层。
15.一种如本文参照附图所述的用于增加工艺用进气量的系统和设备。
全文摘要
一种用于通过渐进式过滤和中间冷却增加工艺用进气量的系统和设备。
文档编号B01D46/42GK101965220SQ200780051236
公开日2011年2月2日 申请日期2007年12月13日 优先权日2006年12月15日
发明者A·拉热, S·阿南德 申请人:印度弗罗伊登柏格过滤技术私人有限公司