CN116979726A - 一种用于大型发电设备的余热利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机冷却系统技术领域，特别涉及一种用于大型发电设备的余热利用系统。其技术方案为：一种用于大型发电设备的余热利用系统，包括下集液环管，下集液环管上连接有与空心的定子线棒的一端连接的下绝缘引管，定子线棒的另一端连接有上绝缘引管，上绝缘引管连接有上集汽环管，上集汽环管连接有出汽管，出汽管的另一端连接有冷凝器，冷凝器的壳程的另一端连接有下液管，下液管的另一端与下集液环管连接；所述出汽管上连接有压缩机；所述下液管上套设有换热套管，换热套管上设置有进口和出口，出口与冷凝器的管程进口通过管道连接。本发明提供了一种用于大型发电设备的余热利用系统。
Description
技术领域
本发明属于电机冷却系统技术领域，特别涉及一种用于大型发电设备的余热利用系统。
背景技术
我国是水电大国，目前已有超过4万座水电站，全国每10度电中，就有约2度来自水电。自2014年以来，我国的水电装机容量和发电量一直稳居世界第一，截止2022年底，我国水电累计装机容量达到4.135亿千瓦。
随着水力发电技术的进步，水电机组单机容量功率越做越大，目前国内的水电机组大多能达到百兆瓦级别，目前最大的白鹤滩机组能达到千兆瓦级别。水电机组在运行过程中，线棒与铁芯会产生铜耗和铁耗等功率损耗，同时机组会产生大量的热量。为了实现机组安全稳定运行，通常采用不同冷却方式降低机组运行温度。水电机组常用的冷却方式有三种：全空冷，即定子绕组、定子铁心和转子均为空冷；半水冷，即定子绕组水冷，定子铁心和转子空冷；蒸发冷却，即定子绕组采用蒸发冷却，定子铁心和转子空冷。
在现有冷却方式下，热量通过冷却系统换热后最终都消散在外界环境，并没有得以充分利用，这些热量损失会造成巨大的能量浪费。以三峡水电站为例进行初步估算，每台机组功率约为80万千瓦，总装机容量2250万千瓦，运行过程中机组本身会产生铁耗、铜耗等各种损耗，并且绝大部分以热的形式体现，热量损耗按水电机组功率的1％计算，即8000千瓦/台，总计机组产生的热量可达22.5万千瓦。由此看来，我国的发电机余热资源十分丰富，若将此余热能源充分利用，可以提高综合能源利用率，这也是节能降耗的主要路径。
目前国内有相似专利及应用案例，如CN201821642834.2《一种发电机余热利用生产蒸汽装置》，使用时发电机开始工作，经过一段时间的工作后，所述定子总成和所述转子总成会产生热量，会加热镶嵌在所述发电机壳体内的所述蒸汽管，利用余热加热产生蒸汽，蒸汽顺着所述蒸汽管排出壳体之外，提供给其他设备并加以利用。但是，通过分析，该专利不具备可行性。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于大型发电设备的余热利用系统。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于大型发电设备的余热利用系统，包括下集液环管，下集液环管上连接有与空心的定子线棒的一端连接的下绝缘引管，定子线棒的另一端连接有上绝缘引管，上绝缘引管连接有上集汽环管，上集汽环管连接有出汽管，出汽管的另一端连接有冷凝器，冷凝器的壳程的另一端连接有下液管，下液管的另一端与下集液环管连接；所述出汽管上连接有压缩机；所述下液管上套设有换热套管，换热套管上设置有进口和出口，出口与冷凝器的管程进口通过管道连接。
冷却介质由下集液环管进入循环管路，随后流经下绝缘引管至发电机的空心定子线棒内部。当发电机运行时，电流产生的热量使得定子绕组温度上升，线棒内部介质加热至沸点，气化的气液二相流体密度小于沸腾的集液管中液态介质的密度，在重力的作用下，产生压差。当压差超过沿程阻力时，密度较小的气液二相流体将汇集于定子线棒上端及上集汽环管，液态介质在定子线棒下层及下集液环管。
有机工质经定子空心线棒吸热后，以气液二相流体状态汇集至上集汽环管，再由出汽管进入到外部高温蒸汽热泵系统。常压气态工质经压缩机加压后，变为高温高压的状态，随后进入冷凝器与外部水源换热。工质的潜热能量与冷凝器中的水热交换吸收后重新形成高温液态工质。为进一步提高能量利用率，同时确保二次循环中工质温度低于沸点，在下液管处设置换热套管，提高水源进水口温度。
产生热蒸汽的水源在进入冷凝器前，首先与换热套管进行对流换热提高温度，随后在冷凝器中吸收高温高压工质热量后发生相变，产生微压饱和蒸汽，经汽液分离器后排出，可用于供热水、蒸汽、发电使用等。
本发明利用有机工质对定子线棒的热量进行吸收，吸热能力比传统冷却系统及余热利用系统所采用的冷却水更高。冷却介质直接从定子线棒内流通，散热能力与换热效率比空气冷却器更高。本发明将发电设备与高温蒸汽热泵技术结合，利用有机工质进行余热吸收，后续并通过压缩机加压，得到高温高压热源；与常温水热交换后，可直接得到高温蒸汽。输出蒸汽/热水的温度和产量都比普通余热利用方式更高。
作为本发明的优选方案，所述出汽管上还连接有油分离器，油分离器位于压缩机靠近上集汽环管的一侧。在进入压缩机前，为确保有机工质为气态工质，在出汽管与压缩机之间增设油分离器。
作为本发明的优选方案，所述下液管上连接有节流阀，节流阀位于换热套管靠近下集液环管的一侧。节流阀对有机工质起到降温、节流、减压的作用。经节流阀的低温液态工质回到下集液环管进行余热利用的二次循环。
作为本发明的优选方案，所述冷凝器的管程出口通过管道连接有气液分离器。冷凝器的给水吸收高温气态工质的热量后发生相变，产生微压饱和蒸汽经汽液分离器后排出。蒸汽可直接对外供电、供热，或进入下一级水蒸汽增压装置进行压缩。汽液分离器中的液态水经循环水泵送回冷凝器进行吸热相变。
作为本发明的优选方案，所述气液分离器分离出的高温蒸汽用于供热水或蒸汽或发电。
作为本发明的优选方案，进入定子线棒的有机介质为五氟丙烷。本发明将循环冷却系统中的冷却介质由水改为低沸点有机介质，如R245fa，即五氟丙烷，沸点为50℃。
作为本发明的优选方案，发电机的若干定线棒均连接下绝缘引管和上绝缘引管，若干下绝缘引管均与下集液环管连接，若干上绝缘引管均与上集汽环管连接。
作为本发明的优选方案，所述换热套管的进口通入水源。
本发明的有益效果为：
本发明利用有机工质对定子线棒的热量进行吸收，吸热能力比传统冷却系统及余热利用系统所采用的冷却水更高。冷却介质直接从定子线棒内流通，散热能力与换热效率比空气冷却器更高。本发明将发电设备与高温蒸汽热泵技术结合，利用有机工质进行余热吸收，后续并通过压缩机加压，得到高温高压热源；与常温水热交换后，可直接得到高温蒸汽。输出蒸汽/热水的温度和产量都比普通余热利用方式更高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的原理图。
图中：1-下集液环管；2-下绝缘引管；3-定子线棒；4-上绝缘引管；5-上集汽环管；6-出汽管；7-油分离器；8-压缩机；9-冷凝器；10-下液管；11-换热套管；12-水源；13-节流阀；14-气液分离器；15-高温蒸汽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1～图3所示，本实施例考虑将发电设备冷却系统与高温蒸汽15热泵系统耦合，以有机工质作为电机的冷却介质，在中空的定子线棒3中吸收电机产生的热量。再进一步压缩提高温度，使其变为高温可用的热源，最后通过冷凝器9换热，将电机产生的热量用于供热水、蒸汽、发电等，实现电机的余热利用。同时用热泵将电机内部的热量带走，还能节省电机原本采取冷却器降温带来的能耗，达到节能降耗的效果，为“双碳”目标作出贡献。
具体地，本实施例提出一种用于大型发电设备的余热利用系统，包括水电机组的蒸发冷却内部循环管路和外部高温蒸汽15热泵系统。蒸发冷却内部循环管路由下集液环管1、下绝缘引管2、定子线棒3、上绝缘引管4、上集汽环管5、出汽管6组成。外部高温蒸汽15热泵系统由油分离器7、压缩机8、冷凝器9、气液分离器14、下液管10、节流阀13组成。
下集液环管1上连接有与空心的定子线棒3的一端连接的下绝缘引管2，定子线棒3的另一端连接有上绝缘引管4，上绝缘引管4连接有上集汽环管5，上集汽环管5连接有出汽管6，出汽管6的另一端连接有冷凝器9，冷凝器9的壳程的另一端连接有下液管10，下液管10的另一端与下集液环管1连接；所述出汽管6上连接有压缩机8和油分离器7，油分离器7位于压缩机8靠近上集汽环管5的一侧；所述下液管10上连接有节流阀13，节流阀13位于换热套管11靠近下集液环管1的一侧；所述下液管10上套设有换热套管11，换热套管11上设置有进口和出口，出口与冷凝器9的管程进口通过管道连接，冷凝器9的管程出口通过管道连接有气液分离器14。发电机的若干定线棒均连接下绝缘引管2和上绝缘引管4，若干下绝缘引管2均与下集液环管1连接，若干上绝缘引管4均与上集汽环管5连接。
本发明利用有机工质对定子线棒3的热量进行吸收，吸热能力比传统冷却系统及余热利用系统所采用的冷却水更高。冷却介质直接从定子线棒3内流通，散热能力与换热效率比空气冷却器更高。本发明将发电设备与高温蒸汽15热泵技术结合，利用有机工质进行余热吸收，后续并通过压缩机8加压，得到高温高压热源；与常温水热交换后，可直接得到高温蒸汽15。输出蒸汽/热水的温度和产量都比普通余热利用方式更高。
有机工质经定子线棒3吸热后，以气液二相流体状态汇集至上集汽环管5，再由出汽管6进入到外部高温蒸汽15热泵系统。在进入压缩机8前，需确保有机工质为气态工质，故在出汽管6与压缩机8之间增设了油分离器7。常压气态工质经压缩机8加压后，变为高温高压的状态，随后进入冷凝器9与外部水源12换热。工质的潜热能量与冷凝器9中的水热交换吸收后重新形成高温液态工质。最后，为进一步提高能量利用率，同时确保二次循环中工质温度低于沸点，在下液管10处设置换热套管11，提高水源12进水口温度；同时，设置节流阀13对有机工质进行减压降温，然后进入下集液环管1开始二次循环。
产生热蒸汽的水源12在进入冷凝器9前，首先与换热套管11进行对流换热提高温度，随后在冷凝器9中吸收高温高压工质热量后发生相变，产生微压饱和蒸汽，经汽液分离器后排出，可用于供热水、蒸汽、发电使用等。
本发明将循环冷却系统中的冷却介质由水改为低沸点有机介质，如R245fa，即五氟丙烷，沸点为50℃。定子线棒33在正常工作情况下，温度达到70℃。
有机工质侧：由于有机工质在沸腾蒸发的时候温度不变且低于定子线棒3绕组温度，即有机工质沸点及蒸发后的温度均为50℃，无法直接进行余热利用。故在空心的定子线棒3内部蒸发后的有机工质需要通过压缩机8进行升温加压，成为高温高压的饱和气态工质，温度约105℃左右。然后在冷凝器9中利用有机工质相变的潜热能量换热，换热完成后105℃高温气态工质转变为105℃高温液态工质。最后需要对高温液态工质进行降温、降压处理，首先采用套管换热的方式，将冷凝器9进水水源12与下液管10进行对流换热，起到一次降温的作用。然后再设置节流阀13，起到降温、节流、减压的作用。最后得到低温液态工质，回到下集液环管1进行余热利用的二次循环。
补水-蒸汽侧：冷凝器9给水吸收高温气态工质的热量后发生相变，产生微压饱和蒸汽，经汽液分离器后排出，蒸汽出口可直接对外供电、供热，或进入下一级水蒸汽增压装置进行压缩；汽液分离器中的液态水经循环水泵送回冷凝器9进行吸热相变。
本发明以绝缘性能好、低沸点的有机介质替代水作为冷却介质，由下集液环管1进入循环管路，随后流经下绝缘引管2至发电机定子的空心的定子线棒3内部。当发电机运行时，电流产生的热量使得定子绕组温度上升，定子线棒3内部介质加热至沸点，气化的气液二相流体密度小于沸腾的集液管中液态介质的密度，在重力的作用下，产生压差。当压差超过沿程阻力时，密度较小的气液二相流体将汇集于定子线棒3上端及上集汽环管5，液态介质在定子线棒3下层及下集液环管1。本发明开拓水电机组余热利用产业，填补国内相应技术空白。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：包括下集液环管(1)，下集液环管(1)上连接有与空心的定子线棒(3)的一端连接的下绝缘引管(2)，定子线棒(3)的另一端连接有上绝缘引管(4)，上绝缘引管(4)连接有上集汽环管(5)，上集汽环管(5)连接有出汽管(6)，出汽管(6)的另一端连接有冷凝器(9)，冷凝器(9)的壳程的另一端连接有下液管(10)，下液管(10)的另一端与下集液环管(1)连接；所述出汽管(6)上连接有压缩机(8)；所述下液管(10)上套设有换热套管(11)，换热套管(11)上设置有进口和出口，出口与冷凝器(9)的管程进口通过管道连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：所述出汽管(6)上还连接有油分离器(7)，油分离器(7)位于压缩机(8)靠近上集汽环管(5)的一侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：所述下液管(10)上连接有节流阀(13)，节流阀(13)位于换热套管(11)靠近下集液环管(1)的一侧。
4.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：所述冷凝器(9)的管程出口通过管道连接有气液分离器(14)。
5.根据权利要求4所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：所述气液分离器(14)分离出的高温蒸汽(15)用于供热水或蒸汽或发电。
6.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：进入定子线棒(3)的有机介质为五氟丙烷。
7.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：发电机的若干定线棒均连接下绝缘引管(2)和上绝缘引管(4)，若干下绝缘引管(2)均与下集液环管(1)连接，若干上绝缘引管(4)均与上集汽环管(5)连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于大型发电设备的余热利用系统，其特征在于：所述换热套管(11)的进口通入水源(12)。
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| CN119906186A (zh) * | 2025-01-17 | 2025-04-29 | 中国科学院电工研究所 | 包含顶置控压机构的蒸发冷却系统及控制方法 |
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| CN119906186A (zh) * | 2025-01-17 | 2025-04-29 | 中国科学院电工研究所 | 包含顶置控压机构的蒸发冷却系统及控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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