CN102322300A - 用于功率发生系统的涡轮膨胀机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于功率发生系统的涡轮膨胀机，具体而言，涉及包括在功率发生系统中使用涡轮膨胀机的系统。该系统包括涡轮膨胀机，其包括经由轴而机械地联接的膨胀器段、泵段和马达-发电机段。膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧上，并构造成接收流体的蒸气流，使轴旋转并产生流体的膨胀的蒸气流。泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上，并构造成接收流体的液体流，对流体的液体流加压，并使流体在功率发生系统中循环。马达-发电机段构造成输出电流。
Description
技术领域
本文公开的主题的实施例一般地涉及功率发生系统，且更特别地涉及涡轮膨胀机。
背景技术
兰金循环在闭式循环中使用工作流体以通过产生热气流而收集来自热源或储热器的热量，热气流通过涡轮而膨胀以产生功率。膨胀流在冷凝器中通过将热量传递给储冷器而进行冷凝，并且再次用泵加压至加热压力以完成该循环。功率发生系统例如燃气涡轮机或往复式发动机(初级系统)产生热的排气，热的排气或者用于后续功率生产过程(通过次级系统)或作为废热损失于环境中。例如可在废热回收系统中回收大型发动机的排气，用于生产额外的功率，从而改善整体系统效率。图1中显示了以兰金循环操作的普通废热功率发生系统。
功率发生系统100包括热交换器2(也称为锅炉或蒸发器)、膨胀器4、冷凝器6和泵8。在操作过程中，从热交换器2开始，外部热源10(例如热的烟道气)加热热交换器2。这造成所接收的加压的液体介质12转化成加压的蒸气14，该蒸气14流向膨胀器4。膨胀器4接收加压的蒸气流14，并可随着加压的蒸气膨胀而产生功率16。由膨胀器4释放的膨胀的低压蒸气流18进入冷凝器6，冷凝器6使膨胀的低压蒸气流18冷凝成低压液体流20。然后低压液体流20进入泵8，泵8既产生高压液体流12又保持闭环系统流动。然后高压液体流12流入热交换器2中以继续该过程。
可用于兰金循环中的一种工作流体是有机工作流体。此类有机工作流体被称为有机兰金循环(ORC)流体。ORC系统已经作为用于发动机以及小型和中型燃气涡轮机的改型而部署，以捕获来自热烟道气流的废热。此废热可用于次级功率发生系统中，从而除了由产生热烟道气的发动机独自提供的功率之外还产生高达额外20％的功率。
因为此类ORC流体可能与高温燃气涡轮机排气(大约500摄氏度)发生直接接触的安全性问题，需要采取措施以避免ORC流体(例如环戊烷)和燃气涡轮机排气之间的直接接触。当前用于限制包含ORC工作流体的蒸发器中的热交换表面的表面温度的方法是将中间热油环路引入热交换系统，即避免ORC流体循环通过燃气涡轮机的排气烟囱。
中间热油环路可用于热的烟道气和可蒸发的ORC流体之间。在这种情况下，中间热油环路用作中间热交换器，即，热量从热的烟道气传递至油，油处于其自身的闭环系统中，之后利用如以图2的双流体热交换回路200示出的单独的热交换器而将热量从油传递至ORC流体。最初，经由泵208通过热交换器210从储油单元206泵送油。热量作为例如涡轮202的排气而被引入，并通过热交换器210而排放并排出排气烟囱204。在热油环路228中，现在加热的油继续前进至使ORC流体蒸发的蒸发器212，并在油返回至储油容器206之前继续穿过冷却油并预热ORC流体的预热器元件214，蒸发器212定位在独立的流体回路226中。
在ORC流体回路226的操作中，从泵216开始，低压ORC液体流进入泵216，泵216既产生高压ORC液体流，又保持闭环系统流动。然后通过同流换热器218和预热器214泵送高压ORC液体流，之后在热交换器/蒸发器212处进行蒸发。这造成所接收的加压ORC液体介质12转化成流向膨胀器220的加压的ORC蒸气，膨胀器机械地联接在发电机222(或相似装置)上。膨胀器220接收加压的ORC蒸气流，用于帮助产生功率，并产生膨胀的低压ORC蒸气流，ORC蒸气流继续后退穿过同流换热器218并到冷凝器224上，冷凝器224使膨胀的低压ORC蒸气流冷凝成低压ORC液体流。
因此，中间热油环路容许将ORC流体从直接暴露于热的烟道气隔离。另外，虽然用于中间热油环路中的油是可燃的，但此油通常不如ORC工作流体可燃。然而，此热油系统占用了额外的物理空间，并且可为ORC系统成本的高达四分之一。
如图1和图2中所见，对于兰金循环有许多构件。如图2中所示，发电机222可机械地联接在膨胀器段220上，以产生用于使用的功率。图3中显示了一种用于将膨胀器段连接到发电机上的方法。最初，膨胀器220包括在流体膨胀期间旋转的轴302。该轴302连接到齿轮箱304上，齿轮箱304将机械能量转变成对于发电机222期望的转速。该转速和相关联的能量经由轴306而从齿轮箱304传递给发电机222。在膨胀器220中，提供了干燥气体密封件308，以避免ORC流体(或兰金循环中使用的其它介质)通过轴302进入膨胀器220的进入点而逸出到大气中。干燥气体密封件可被描述为非接触的干运行的机械表面密封件，其包括配合环或旋转环和主环或固定环。在运转过程中，旋转环中的槽产生流体动力，流体动力造成固定环分开并在两个环之间产生间隙。这些密封件被称为“干式密封件”，因为它们不需要润滑油，其尤其极大地减少了它们的维护需求。如同许多机械过程中一样，简化系统和/或减少构件数量可降低成本。
因此，用于减少发电系统的底座面积和成本的系统和方法是期望的。
发明内容
根据一个示例性实施例，有一种用于功率发生的系统。该系统包括：涡轮膨胀机，其构造成包括经由轴机械地联接的膨胀器段、泵段和马达-发电机段；膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧并构造成接收流体的蒸气流，以使轴旋转并产生流体的膨胀的蒸气流；泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上并构造成接收流体的液体流，使流体的液体流加压，并使流体在功率发生系统中循环；马达-发电机段构造成产生和输出电流。
根据另一示例性实施例，有一种涡轮膨胀机。该涡轮膨胀机包括：涡轮膨胀机，其只包括经由轴而机械地联接的膨胀器段、泵段和马达-发电机段，以及仅两个流体入口和仅两个流体出口，其中涡轮膨胀机不包括压缩机段；膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧上并构造成接收流体的蒸气流，以使轴旋转并产生流体的膨胀的蒸气流，其中膨胀器级包括一个或多个膨胀级；泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上并构造成接收流体的液体流，使流体的液体流加压，并使流体在功率发生系统中循环，其中泵段包括一个或多个泵级；马达-发电机段构造成产生和输出电流；冷凝器流体地连接在膨胀器的出口侧上并构造成接收流体的膨胀的蒸气流并将其冷凝成流体的液体流；并且热交换器流体地连接在泵段的出口侧上并构造成接收流体的液体流，且产生流体的蒸气流。
根据另一示例性实施例，有一种用于功率发生的系统。该系统包括：涡轮膨胀机，其只包括经由轴而机械地联接的膨胀器段、泵段和马达-发电机段，涡轮膨胀机具有仅两个流体入口和仅两个流体出口并且不包括压缩机段；膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧上并构造成接收流体的蒸气流，使轴旋转并产生流体的膨胀的蒸气流，其中膨胀器级包括一个或多个膨胀级；泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上并构造成接收流体的液体流，使流体的液体流加压，并使流体在功率发生系统中循环，其中泵段包括一个或多个泵级；马达-发电机段构造成产生和输出电流；冷凝器流体地连接在膨胀器的出口侧上并构造成接收流体的膨胀的蒸气流并将其冷凝成流体的液体流；并且热交换器流体地连接在泵段的出口侧上并构造成接收流体的液体流，且产生流体的蒸气流。
附图说明
附图图示了示例性实施例，其中：
图1描绘了兰金循环；
图2显示了兰金循环和中间热油系统；
图3显示了机械地连接在发电机上的膨胀器；
图4显示了根据示例实施例的带有涡轮膨胀机的兰金循环；
图5显示了根据示例实施例的带有涡轮膨胀机的兰金循环，其中涡轮膨胀机带有两个膨胀段；
图6显示了根据示例实施例的带有涡轮膨胀机和中间热油环路的兰金循环；
图7显示了根据示例实施例的涡轮膨胀机；且
图8显示了根据示例实施例的涡轮膨胀机，其中过程气体进入串联的两个膨胀段。
具体实施方式
以下具体实施方式参照了附图。不同图纸中的相同的标号标识相同或相似的元件。另外，图纸并不一定按比例绘制。同样，以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求来限定。
整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合实施例的特定特征、结构或特性包括在本公开主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”出现在整个说明书的各个地方并不一定指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中可将特定的特征、结构或特性以任何合适的方式组合。
如发明背景中所述并如图1中所示，在功率发生系统中可使用兰金循环来捕获一部分废热能量。次级系统可用于捕获一部分来自初级系统的废弃能量，初级系统浪费了该能量。根据示例性实施例，可组合用于功率发生中的构件以降低本和底座尺寸，并防止污染物质释放到环境中，同时如图4中所示仍然有效地产生功率。
根据示例性实施例，图4中所示的功率发生系统400包括热交换器410、涡轮膨胀机402(具有膨胀器段404、马达-发生段406和泵段408)、冷凝器224和同流换热器218。描述此闭环系统时，从热交换器410开始，来自涡轮202的排气在离开排气烟囱204之前流过并加热热交换器410。这造成加压的液体介质转化成加压的蒸气，蒸气流向涡轮膨胀机402的膨胀器段404。膨胀器段404接收加压的蒸气流，随着加压的蒸气膨胀这使得附接在轴上的叶轮旋转(如图7中所示)，这容许涡轮膨胀机402的马达-发电机段406产生电流。在一种应用中，膨胀器段404的轴也是马达-发电机段406的轴。另外，轴与涡轮膨胀机402的泵段408共享，用于提供由泵段408加压液体介质所使用的能量。在另一示例性实施例中，各个段具有其自身的轴，但所有这些轴都彼此连接并共同旋转。
由膨胀器段404释放的膨胀的低压蒸气流为了热交换而流过同流换热器218，之后进入冷凝器224，冷凝器224将膨胀的低压蒸气流冷凝成低压液体流。然后低压液体流进入涡轮膨胀机402的泵段408中，其既产生高压液体流，又保持闭环系统流动。然后将高压液体流泵送至热交换器410以继续此过程。如线412所示，高压液体流的一部分可进行分流并用于冷却马达-发电机段406。高压液体流穿过同流换热器218，并冷却来自膨胀器段404的流。图4中还显示了在该循环的各个级处的相对压力且P0＞P1＞P2。
根据另一示例性实施例，如图5中所示，涡轮膨胀机504可包括两个膨胀级404和502。示例性功率发生系统500以类似于图4中所示的功率发生系统400的方式运转。从图5中的右边至左边，涡轮膨胀机504具有第一膨胀段404，马达-发电机段406、第二膨胀段502和泵段408。过程气体在进入涡轮膨胀机504之前分流，使得两个膨胀器段都接收用于膨胀的过程气体。如线412所示，高压液体流的一部分被分流并用于冷却马达-发电机段406。图5中还显示了在该循环的各个级处的相对压力，且P0＞P1＞P2。
根据示例性实施例，可用于兰金循环中的一种工作流体是有机的工作流体，例如有机兰金循环(ORC)流体。ORC流体的示例包括但不限于戊烷、丙烷、环己烷、环戊烷、丁烷、例如R-245fa的氟代烃、例如丙酮的酮、或例如甲苯或噻吩的芳香族化合物。然而，如发明背景部分提到的那样，当直接暴露于高温时有ORC流体降解的风险。因此根据示例性实施例，如图6中所示，在使用示例性涡轮膨胀机402的功率发生系统中可使用中间热油环路。此示例性功率发生系统将如上面参照图4和图5所述结合如发明背景部分所述且在图2中所示的中间热油环路进行工作，并且出于简单起见将不在本文进行更详细地描述。
根据图6中所示的示例实施例，涡轮膨胀机402包括膨胀器段404、马达-发电机段406和泵段408。涡轮膨胀机402是一种被密封的整体单元，使得没有旋转部件跨越涡轮膨胀机402的密封外壳。这容许在膨胀器段和发电机之间消除涡轮膨胀机402中的干式气体密封件。如图7中所示，涡轮膨胀机402的这三个段经由轴616而机械地联接，轴616可以是三个单独但机械地联接的轴。例如，膨胀器段404可具有轴610，轴610机械地连接在马达-发电机段406中的轴612上，且轴612机械地联接在泵段408的轴614上。在一个应用中，轴610，612和614被一体地制成单个轴。泵段408和膨胀器段404两者均可具有多级，例如两级或更多级。既然涡轮膨胀机402是整体单元，在膨胀器段402和马达-发电机段404之间不需要存在齿轮箱(以及与齿轮箱相关联的润滑系统)。这些示例性实施例还可从图5中所示的涡轮膨胀机504，通过组合示例性实施例，即在涡轮膨胀机504中使用单个轴或四个机械联接的轴而获得。
根据示例性实施例，涡轮膨胀机402可具有仅两个流体入口602，606和仅两个流体出口604，608。通过在涡轮膨胀机402中具有这四个流体入口/出口，极大地减少了从传统系统到环境的过程气体的损失，例如涡轮膨胀机402不包括传统的易于发生危险气体泄漏的环境密封件。另外，通过具有本文所述的示例性涡轮膨胀机402，与传统的功率发生系统相比减少了运输重量和设备底座尺寸。
根据备选的示例实施例，如图8中所示，涡轮膨胀机504可具有串联地接收过程气体的膨胀级。图8显示了接收来自管道802的过程气体的第一膨胀段404。在膨胀之后，过程气体离开第一膨胀段404，并如由管道804所示流向第二膨胀段502。在此膨胀之后，过程气体如由管道806所示离开第二膨胀级502。此系统中的压力由关系式P0＞P1＞P2＞P3表征。
根据示例性实施例，马达-发电机段406可以是高速发电机，例如3MW和/或6MW。此马达-发电机406可在膨胀器段404所产生的相同的旋转速度下运转，这容许不包括齿轮箱。马达-发电机406的输出可为直流或交流。根据一个示例性实施例，在马达-发电机406中可使用磁轴承。根据一个备选的示例实施例，在马达-发电机406中可使用油润滑替代磁轴承。
上述示例性实施例在本发明的所有方面都是说明性而非限制性的。因而本发明在详细实施方面能够具有许多变化，它们可从包含在本文中的细节描述由本领域技术人员得出。所有此类变化和修改都被认为处于所附权利要求所限定的精神和范围内。除非明确地描述，否则本申请的细节描述中使用的要素、动作或指令都不应被理解为对本发明是关键的或必须的。另外，本文使用的用词“一”意图包括一个或更多事物。
本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所含方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果它们包括在权利要求字面语言范围内的等效结构元件，则此类其它示例都属于权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种用于功率发生的系统，所述系统包括：
涡轮膨胀机，其构造成包括经由轴而机械地联接的膨胀器段、泵段和马达-发电机段；
所述膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧上，并构造成接收流体的蒸气流，使所述轴旋转并产生所述流体的膨胀的蒸气流；
所述泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上，并构造成接收所述流体的液体流，对所述流体的所述液体流加压，并使所述流体在所述功率发生系统中循环；且
所述马达-发电机段构造成产生并输出电流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
冷凝器，其流体地连接在所述膨胀器段的出口侧上，并构造成接收所述流体的膨胀的蒸气流并使所述流体的膨胀的蒸气流冷凝成所述流体的所述液体流；和
热交换器，其流体地连接在所述泵段的出口侧上，并构造成接收所述流体的所述液体流并产生所述流体的所述蒸气流。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述涡轮膨胀机仅包括第一膨胀器段、马达-发电机段、第二膨胀器段和泵段，它们按照此顺序而彼此连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵段包括只有一个流体入口和一个流体出口的一个或多个级，所述膨胀器段包括只有一个流体入口和一个流体出口的一个级，且所述马达-发电机段只有一个流体入口和一个流体出口。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮膨胀机被一体地密封，使得所述膨胀器段、马达-发电机段和泵段的所有旋转部件都完全保持在所述涡轮膨胀机的外壳内。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述膨胀器段中的膨胀器轴以与所述马达-发电机段和所述泵段的相关联的轴相同的速度旋转。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮膨胀机不包括压缩机段。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮膨胀机只包括膨胀器段、马达-发电机段和泵段。
9.一种用于功率发生中的涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机包括：
一体的外壳，其包含只有一个流体入口和一个流体出口的第一膨胀器段、只有一个流体入口和一个流体出口的泵段以及只有一个流体入口和一个流体出口的马达-发电机段；
轴，其将所述膨胀器段、所述泵段和所述马达-发电机段机械地联接；
所述第一膨胀器段构造成使所述轴旋转，接收流体的蒸气流，并产生所述流体的膨胀的蒸气流；
泵段构造成接收所述流体的液体流，并对所述流体的所述液体流加压；且
所述马达-发电机段构造成当被所述膨胀器段激励时产生并输出电流。
10.一种用于功率发生的系统，所述系统包括：
涡轮膨胀机，其仅包括只有一个流体入口和一个流体出口的膨胀器段、只有一个流体入口和一个流体出口的泵段以及只有一个流体入口和一个流体出口的马达-发电机段，它们经由轴而机械地联接，所述涡轮膨胀机不包括压缩机段；
所述膨胀器段流体地连接在热交换器的出口侧上，并构造成接收流体的蒸气流，使所述轴旋转并产生所述流体的膨胀的蒸气流，其中所述膨胀器段包括一个或多个膨胀级；
所述泵段流体地连接在冷凝器的出口侧上，并构造成接收所述流体的液体流，对所述流体的液体流加压，并使所述流体在所述功率发生系统中循环，其中所述泵段包括一个或多个泵级；且
所述马达-发电机段构造成产生并输出电流；
所述冷凝器流体地连接在所述膨胀器的出口侧上，并构造成接收所述流体的膨胀的蒸气流并使所述流体的膨胀的蒸气流冷凝成所述流体的所述液体流；且
所述热交换器流体地连接在所述泵段的出口侧上，并构造成接收所述流体的所述液体流并产生所述流体的所述蒸气流。
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