一种燃气轮机进气过滤装置
技术领域
本实用新型涉及一种气液分离装置，特别是关于一种燃气轮机进气过滤装置。
背景技术
目前我国燃气电厂或天然气长输管道压气站中大多采用GE公司、Rolls-Royce公司、Solar公司的燃气轮机作为动力设备。这些进口燃气轮机普遍存在供货周期长、维修和保养成本高等问题，这就要求用户在使用过程中要严格按照操作规范的要求，同时更要满足生产厂家提出的进气气质要求。
当进入燃气轮机的气质条件较差时，气体内液滴等杂质会对燃烧系统和涡轮叶片造成磨损或腐蚀等危害，导致燃气轮机失效，从而严重影响发电机组的正常运行和安全生产。因此，当气体进入燃气轮机前，需对其进行净化处理。目前燃气轮机普遍采用进气气源过滤系统作为关键设备保护装置。目前常用的过滤系统由多只滤芯并列组成，滤芯以纤维为过滤材料，滤芯表面的空气流速控制在某一低数值，进气中的颗粒物粒子不断附着在滤芯外表面上，从而达到过滤气体中杂质的目的。滤芯作为过滤系统的核心元件，其性能优劣将直接影响整体机组的安全运行。由于滤芯为易耗件，约半年到一年更换一次，更换滤芯成本巨大。另外，当入口气质恶化时，滤芯的寿命会发生锐减的现象，使燃气轮机面临失效的风险，对电厂生产造成很大影响。燃气轮机原装进气过滤系统的滤芯采购周期长、单价高，且滤芯备件消耗量大，对备件储备及运行维护成本的控制造成了巨大压力。
在实际工程应用过程中，滤芯所在的大气环境是多变的，而大气中的污染物组成也较为复杂。大气中的污染物主要包括固相、气相、液相三类污染物。气相污染物包括氨、氯化物、硫化物等排放物质。液相污染物包括水蒸汽以及气液两相污染物形成的具有强腐蚀性的酸性液滴，这些污染物的存在，尤其是液相污染物会对燃气轮机进气通道和压气室产生腐蚀等危害。
如图1、图2所示，现有过滤装置采用的滤芯为圆筒状，顶部开口，圆周和底部封闭，滤芯采用多孔材料。在过滤过程中，含液气体在压差的作用下由滤芯的外侧表面通过多孔材料上的孔隙进入滤芯1内部，气体中的液滴被截留在滤芯1的外壁上，洁净的气体由滤芯1的开口端排出进入后续工艺。在过滤一段时间后，滤芯1外壁上的液滴颗粒的聚积使过滤芯的流通阻力增大，过滤速度降低，这时就要利用反吹系统实现滤芯的循环再生，现有技术过滤装置采用的反吹系统结构如图2所示，主要有轴向的反吹气体总管2和环向的反吹气体支管3构成，反吹管路深入到滤芯1内部，通过向滤芯1内部喷射高压气体，气体穿过滤芯管壁向外流动，与过滤气流方向相反，将滞留在管壁上的液滴层剥离，从而达到滤芯1的性能循环再生的目的。
综上所述，现有燃气轮机空气过滤系统技术缺陷主要体现在以下几个方面：1、对于沿海地区的燃气电厂而言，由于环境多盐雾且湿度高，进气量大，进气过滤系统的运行负荷较大，当冬季气温较低时，液相颗粒物的存在还会使滤芯表面结霜，引起燃气轮机空气过滤系统的滤芯的堵塞，导致滤芯残余阻力高、滤芯过滤性能下降、滤芯失效以及使用寿命降低等一系列问题，进而对燃气轮机的安全稳定运行带来严重影响和危害。2、为达到对气相颗粒物理想的过滤分离效果，燃气轮机空气过滤系统通常要安装800至1500套滤芯，而单套滤芯的过滤面积有限，整个过滤器的过滤通量较小。处理的工艺气气量越大，需要的滤芯数量越多，过滤系统的体积庞大，过滤系统装备的运维成本居高不下。3、过滤分离系统通常采用反吹气的方式实现性能循环再生，在反吹接近结束时，反吹气体速度逐渐减小，在这个过程中，滤芯内部的压力要小于其外面的压力，滤芯外部附近的气体会出现“回流”现象，即滤芯外壁附近的气体，瞬间形成的负压产生与过滤气流方向相同，但气体速度极快的卷吸情况，导致液滴堵塞滤芯的多孔通道，降低滤芯的使用寿命。
发明内容
针对现有燃气轮机空气过滤系统技术存在的滤芯的堵塞，滤芯失效以及使用寿命降低等一系列问题，本实用新型的目的是提供一种燃气轮机进气过滤装置，通过预分离装置减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，达到降低整套过滤系统负荷的目的，延长过滤系统使用寿命，进而保证燃气轮机系统安全稳定运行。
本实用新型的另一目的在于提供一种燃气轮机进气过滤装置，与现有技术相比能有效提升过滤面积与过滤通量，从而减少所需的滤芯数量，进而降低过滤系统的运维成本。
本实用新型的第三个目的在于提供一种燃气轮机进气过滤装置，减少滤芯外部附近的气体出现的“回流”现象，防止液滴堵塞滤芯的多孔通道，从而降低空气过滤系统的滤芯失效风险。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种燃气轮机进气过滤装置，其包括预分离装置、滤芯以及集气和引射装置；所述预分离装置设置在所述滤芯的底部，所述集气和引射装置设置在所述滤芯的顶部；所述滤芯包括滤芯筒体和设置在该滤芯筒体内的一套过滤管；所述过滤管呈环状布设在所述滤芯筒体内，且所述过滤管构成的截面呈三角波形状，三角形的底端为进气口或出气口；与所述预分离装置连接的所述滤芯筒体一端为进气口，另一端为出气口，进气口区域的三角形形成含液气体区，出气口区域的三角形形成洁净气体区，所述含液气体区与所述洁净气体区交替设置。
进一步，所述预分离装置包括筒体和直流式导叶；所述直流式导叶设置在所述筒体内，所述直流式导叶包括支撑体和叶片，所述叶片设置在所述支撑体上；所述叶片沿所述支撑体底端延伸至顶端，所述叶片由垂直段和螺旋段构成：位于所述支撑体底端和顶端的所述叶片均为所述垂直段，位于两所述垂直段之间设置为所述螺旋段，所述垂直段与所述螺旋段之间为平滑过渡；所述垂直段和螺旋段的外端均与所述筒体内壁相切。
进一步，所述支撑体的中部为圆柱状结构，两端为圆锥状结构。
进一步，所述筒体壁上，沿圆周方向间隔设置有若干用于排液滴的矩形槽缝。
进一步，所述筒体一端为含液气流进口端，另一端为出口端，所述出口端截面设置为上宽下窄的倒梯形状，所述出口端内部空间为气流均布空间。
进一步，所述预分离装置还包括设置在所述筒体外部的外壳；所述外壳与所述筒体外壁之间形成环形排液空间。
进一步，所述叶片的个数设置为5～9个；所述叶片的旋转角度范围为120°～150°；所述叶片的宽度比为0.4～0.8。
进一步，所述集气和引射装置包括装置外壳及设置在该装置外壳内若干截面为上窄下宽、渐阔的喇叭状通道，所述喇叭状通道呈环状布设在所述装置外壳内；位于相邻的两所述喇叭状通道之间沿轴向设置有若干环形通道；所述喇叭状通道的下端与所述滤芯出气口连通，所述喇叭状通道的上端为洁净气体出口或反吹气体进口。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型通过在滤芯底部设置预分离装置，可以减少进入空气过滤系统之前气体中的液相颗粒物，降低整套过滤系统负荷，延长过滤系统使用寿命，进而保证燃气轮机系统安全稳定运行。2、本实用新型的滤芯结构与现有技术采用的滤芯相比，在相同的外形几何尺寸下，可有效提升过滤面积与过滤通量，从而减少所需的滤芯数量，进而降低过滤系统的运维成本。3、本实用新型采用反吹系统与滤芯结构优化匹配，能够减少滤芯外部附近的气体会出现“回流”现象，防止液滴堵塞滤芯的多孔通道，从而降低空气过滤系统的滤芯失效风险。
附图说明
图1是现有技术燃气轮机进气过滤装置结构示意图；
图2是图1的C-C剖视图，为现有技术过滤装置采用的反吹系统结构示意图；
图3是本实用新型的燃气轮机进气过滤装置结构示意图；
图4是本实用新型燃气进气滤芯的预分离装置结构与工作原理示意图；
图5是预分离装置中预分离螺旋叶片结构示意图；
图6是预分离装置中预分离螺旋叶片工作原理示意图；
图7是图3的B-B剖视图；
图8是图3的A-A剖视图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图3所示，本实用新型提供一种燃气轮机进气过滤装置，能够减少燃气轮机空气过滤系统运行负荷且增加滤芯运行寿命，其包括预分离装置4、滤芯5以及集气和引射装置6。预分离装置4设置在滤芯5的底部，集气和引射装置6设置在滤芯5的顶部。其中：
如图4至图6所示，预分离装置4包括筒体7和直流式导叶；直流式导叶设置在筒体7内。直流式导叶包括支撑体8和叶片9，支撑体8的中部为圆柱状结构，两端为圆锥状结构。叶片9设置在支撑体8上；叶片9沿支撑体8底端延伸至顶端，叶片9由垂直段10和螺旋段11构成：位于支撑体8底端和顶端的叶片9均为垂直段10，位于两垂直段10之间设置为螺旋段11，垂直段10与螺旋段11之间为平滑过渡。叶片9的垂直段10和螺旋段11的外端均与筒体7内壁相切。
优选的，在筒体7壁上，沿圆周方向间隔设置有若干用于排液滴的矩形槽缝12。该矩形槽缝12与叶片9的螺旋段11对应设置。
优选的，筒体7一端为含液气流进口端，另一端为出口端，出口端截面设置为上宽下窄的倒梯形状，经过预处理后的含液气流由出口端进入滤芯5；出口端内部空间为气流均布空间13，其倒梯形结构能够降低预分离后气流的速度，减少气流对滤芯的冲击。
优选的，预分离装置4还包括设置在筒体7外部的外壳14；外壳14与筒体7外壁之间形成环形排液空间15。
优选的，叶片9的个数设置为5～9个，优选为设置6个。叶片9少时，气流通道的螺旋线稀疏，因此过流阻力较低，但是叶片9的造旋作用不充分，导致分离效率低；叶片9个数多时，叶片9之间的距离小，受到叶片9边界层的影响，导向叶片9对气流的造旋效果好，气流在过流通道内分布均匀，有利于分离，但是过流阻力会较高。故本实用新型采用叶片9的个数为5～9个。
优选的，叶片9的旋转角度范围为120°～150°。叶片9旋转角度是指某一叶片9与该叶片9旋转后到达另一位置时的夹角，如图5所示。叶片9旋转角度小，气流的旋转强度弱，产生的离心力小，不能有效的对液滴颗粒进行分离，叶片9的旋转角度大，旋转强度增加的同时也会导致较高的过流阻力，增加运行的能耗。故本实用新型采用叶片9的旋转角度范围为120°～150°。
优选的，叶片9的宽度比为0.4～0.8，宽度比是叶片最小宽度与叶片最大宽度的比值；叶片最小宽度是指位于支撑体8中部的叶片9宽度，叶片最大宽度是指位于支撑体8顶部的在同一轴线上的两个叶片9之间的距离。
如图6所示，L2为最小的宽度，L1为最大的宽度，对于相同尺寸的预分离器，L2与L1的比值较大时，气流的通过叶片9时的过流阻力小，气流通量大，但是叶片9对气流的加速效果不明显，分离效率相对较低，反之，当L2与L1的比值较小时，过流阻力较大，气流通量小，但是由于狭窄的流道有利于气流加速，气流旋转产生的离心力增加，一定程度上可以提高分离效率。故本实用新型采用叶片9的宽度比为0.4～0.8。
如图3、图7所示，滤芯5包括滤芯筒体16和设置在该滤芯筒体16内的一套过滤管17。过滤管17呈环状布设在滤芯筒体16内，且过滤管17构成的截面呈三角波形状，三角形的底端为进气口或出气口；与预分离装置4连接的滤芯筒体16一端为进气口，另一端为出气口，进气口区域的三角形形成含液气体区18，出气口区域的三角形形成洁净气体区19，含液气体区18与洁净气体区19交替设置。其中，过滤管17采用多孔材料制成。本实用新型采用的滤芯结构有效的增加了过滤面积，进而增加了单套滤芯的处理能力，在处理相同气量的情况下，所需的滤芯数量较少，因此能够降低过滤系统的运维成本。
如图3、图8所示，集气和引射装置6包括装置外壳及设置在该装置外壳内若干截面为上窄下宽、渐阔的喇叭状通道20，喇叭状通道20呈环状布设在装置外壳内。位于相邻的两喇叭状通道20之间沿轴向设置有若干环形通道21。喇叭状通道20的下端与滤芯5出气口连通，喇叭状通道20的上端为洁净气体出口22或反吹气体进口23。
基于上述过滤装置，本实用新型还提供一种燃气轮机进气过滤方法，其包括以下步骤：
S1、含液气流由预分离装置4底部进入，通过预分离装置4实现对液滴颗粒的部分分离；
分离方法为：
S11、气流沿着图6中所示的箭头的方向进入预分离器，在底部垂直段10叶片9a-b的导流下轴向进入预分离装置4的叶片9流道中，经过b点时，叶片9结构变为逆时针或顺时针的螺旋状，轴向气流运动方向改变，沿着螺旋线方向向上运动，旋转力度增加，使得运动的气流产生切向的向心力。
S12、气流进入叶片9螺旋段11的b-c起始段，叶片9流道的面积逐渐减小，气流速度增加，离心力增大。
S13、气流经b-c起始段进入螺旋段11c-d中段，该端为稳定段和过渡段，这一过程气流维持较高的速度向上运动，当快到达d点时，在叶片9的导向作用和加速作用下，含液气流的速度已足够大，液滴颗粒物在离心力的作用下被甩到叶片9的最外端，经过d点时，叶片9流道面积逐渐扩大，气流的速度减小，在这一过渡的过程中，气流的流动状态突然改变，在惯性力和离心力共同的作用下，液滴由位于d点附近的矩形槽缝12向外甩出，然后进入位于筒体与外壳14之间的环形排液空间15，从而实现了对气流中的液滴颗粒的部分预分离。
S14、气流经c-d中段进入叶片9螺旋段11的d-e末段，流道面积逐渐增加，气流速度减小，分离一部分液滴后的气流在垂直段10叶片9e-f段的导流作用下，从叶片9的末端出来后的气体已经不再旋转，进入到气流均布空间。
S2、含液气流经预分离后，液滴颗粒含量有所降低，由气流均布空间进入滤芯进行过滤：
含液气体在压差的作用下由滤芯的进气口区域通过多孔材料上的孔隙后进入滤芯的洁净气体区19，气体中的液滴被截留在滤芯的含液气体区18的过滤管17外壁上，洁净的气体通过位于滤芯顶部的集气和引射装置进入后续工艺。
S3、在过滤一段时间后，滤芯进气口区域多孔材料壁面上的液滴颗粒的聚积使过滤芯的流通阻力增大，过滤速度降低，利用反吹系统实现滤芯的循环再生；反吹气体由集气和引射装置顶部的反吹气体进口进入，通过喇叭状通道20实现气体增压，向对应的滤芯内部喷射高压气体，高压气体穿过过滤管17管壁向外流动，与过滤气流方向相反，将滞留在进气侧过滤管17壁上的液滴层剥离，从而达到滤芯的性能循环再生的目的。
上述步骤S3中，当反吹结束时，滤芯的进气侧外壁附近的气体出现回流，这种回流的速度很高，当回流的气体通过喇叭状通道20时，由于环形通道21的存在，各喇叭状通道20的压力保持平衡，对高速的回流气流形成“气膜”效应，增加回流气体的过流阻力，阻碍了气体的回流过程，从而避免了在反吹即将结束时因回流作用导致滤芯进气侧液滴重新沉降或穿嵌至滤芯多孔介质内部。而在实际的过滤过程中，过滤的气速是很低的，约为3-7m/s，由于过滤速度低，环形通道21形成的“气膜”效应不会影响过滤后的气体流动，而回流的速度很高，约70-150m/s，这种“气膜”效应会明显的抑制回流。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
