CN103075218B - 余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了余热发电系统，发电机采用永磁发电机，立式安装,膨胀机采用径向轴流式透平膨胀机,膨胀机和发电机同轴并且通过法兰连接在一起，发电机设连接在膨胀机下方，发电机上法兰与轮背之间设有膨胀机法兰，并形成迷宫密封，定子铁心两侧分别设有定子外挡液板和定子内挡液板，定子内挡液板的下部与发电机下法兰相连，在发电机机壳上还分别开有与工质泵连接的发电机冷却液进口和与冷凝器连接的发电机冷却液出口，所述发电机定子铁心的外壁与发电机机壳之间形成用于冷却定子铁心的环形通道，发电机冷却液出口与定子绕组下端部所在的空间相通,发电机采用氟利昂工质直接冷却，冷却系统采用溢流式结构，结构简单，冷却效果好。

Description

余热发电系统

技术领域

本发明涉及余热发电技术领域，特别涉及一种新的余热发电系统。

背景技术

能源是一个国家维持正常运转的动力，其重要性不言而喻。能源安全关系到一个国家的经济命脉与国防安全，早已上升为一个国家的基本发展战略，因此能源作为一种战略物资，为世人所瞩。当前，世界各国都非常重视能源的有效利用，一些发达国家的能源利用率都占50％以上，美国的能源利用率已超过60％，而我国只有30％左右。目前我国的能源消耗浪费严重，使用率低，经济的发展是建立在资源与能源的高度消耗上。以每万元GDP标煤消耗量计算，日本为2.5，德国为2.7，我国却高达18.5，相当于发达国家的6倍以上。我国能源利用率低的一个重要原因是能源没有达到梯级利用，大量的余热资源没有得到充分利用，而提高能源利用效率的关键措施是节能科学技术进步。在工业生产过程中存在着大量的余热余压资源：很多工业锅炉由于生产工艺方面的要求需要减压运行；许多换热设备的排气温度较高。目前，常用的技术手段主要是预热空气、干燥、生产热水和蒸汽等，但在许多情况下现场没有干燥、热水和蒸汽的需求，造成余热无法利用，如果能将余热转化为电能，则能够方便使用，具有广泛的适用性。而传统的利用余热蒸汽直接驱动蒸汽轮机或燃气轮机带动发电机组发电的方法只适用于高、中温余热的回收利用，对于各工业领域存在的大量低温小规模余热资源尚缺乏有效的技术手段进行回收发电。因此，寻求实用有效的热力循环方式和高端高效的热力设备已成为了解决此问题的重要研究课题之一。

人们对太阳能利用主要的途径有三种，光电转化、光热转化，光化学转化。虽然采用光伏发电是最早的发电方式，但是业界公认，转化率非常低，大规模应用的转化水平才10%-14%。而这种国外积极倡导的绿色发电技术的背后，隐藏着高能耗、高污染的生产过程。太阳能电池板，采用多晶硅和单晶硅制成，生产过程需要很大的能耗。由于太阳能资源的分散，太阳能热力发电系统遇到的首要问题是为了获取高温高压蒸汽驱动动力机械做功通常需要有大面积的集热器才能使水加热到超过100℃变成蒸汽。这就迫切需要建立一套能利用低于100℃热源的发电系统，可以大大降低投资在太阳能集热器的成本，使得太阳能热电提高市场竞争力。

地热能发电一般利用地热蒸汽或者热水。地热发电系统有扩容法和中间介质法，扩容法是将地热蒸汽通过闪蒸器降压扩容，然后通入汽轮机做功；而中间介质法是将地热热水或蒸汽作为闭式有机物朗肯循环的热源来进行发电。我国高温和中温地热资源分布较少，绝大部分集中在90到100℃，所以多数只是用来取暖烘干，如何开发利用这些低温地热，成了当前必须解决的问题。随着能源的枯竭，90到100℃地热的开发必将提上日程。掌握低温发电系统的关键技术，对充分利用地热这种可再生能源具有重要意义。

利用低温热能发电的技术主要是基于朗肯循环的热力发电系统设计，如有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)、水蒸汽扩容循环、Kalina循环、氨吸收式动力制冷复合循环等。其中，ORC的研究和应用最为广泛，它是采用不同的低沸点有机物(或者混合物)作为工质，可回收不同温度范围的低温热能，对于低温及中温的焓热，ORC技术比常规的水蒸汽朗肯循环有很多优点，主要是在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显热/潜热比例不相等，ORC技术中此比例大，因此采用ORC技术比水蒸气循环会回收较多的热量。

目前，低热热源发电技术和设备主要集中在几个发达国家手里，比如美国的UTC和以色列的Omart，这些发电设备价格高，而且相关技术对国内封锁。目前，只有西藏地热电站引进过以色列的两台有机工质发电机组，国内其他地方尚没有应用该发电机组。国内也有两家厂商开发低温热源发电机组，膨胀机采用的是螺杆膨胀机，由于螺杆膨胀机本身固有的缺陷，导致机组效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有国产ORC余热发电机组效率低的技术问题，提供一种余热发电系统。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：余热发电系统，包括发生器、膨胀机、发电机、冷凝器和工质泵，发电机采用氟利昂冷却，即采用的冷却工质和膨胀机中做功的工质相同，冷却结构采用溢流式布置，冷却液上进下出，冷凝器的输出端通过工质泵连接到发生器；所述膨胀机具有与发生器连接的膨胀机进口以及顶端设置并与冷凝器连接的膨胀机出口，膨胀机包含蜗壳、喷嘴和叶片，膨胀机出口下方设有叶轮固定螺栓用于固定轮背；发电机连接在膨胀机下方，发电机包括发电机机壳、发电机上法兰、发电机下法兰，发电机上法兰与轮背之间设有膨胀机法兰，并形成迷宫密封，防止发电机和膨胀机内的工质互相流通；在发电机机壳内设有永磁转子和定子铁心，定子铁心的上端为定子绕组上端部、下端为定子绕组下端部，液体工质可以浸泡定子绕组下端部，但是不会进入转子中，定子铁心两侧分别设有定子外挡液板和定子内挡液板，以及与定子内挡液板连接的液体防溅出盖，定子内挡液板的下部与发电机下法兰相连，在发电机机壳上还分别开有与工质泵连接的发电机冷却液进口和与冷凝器连接的发电机冷却液出口，所述发电机定子铁心的外壁与发电机机壳之间形成用于冷却定子铁心的环形通道，所述定子外挡液板的上端高于定子绕组上端部，发电机冷却液进口的位置高于定子外挡液板并低于液体防溅出盖，发电机冷却液出口与定子绕组下端部所在的空间相通。

发电系统采用膨胀机产生动力，膨胀机采用径向轴流式结构。

所述膨胀机、发电机采用同轴结构，即直连。

发电机采用立式安装。

所述发电机底座的高度高于冷凝器。方便发电机冷却液顺利的流入冷凝器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：主要面向对象为工厂余热，太阳能和地热能等中低温热源，热源既可以是热水也可以是蒸汽，温度高于80℃均可。膨胀机和发电机冷却液为同一种工质，可以是R245fa，R134a等低沸点氟利昂类工质，也可以是异丁烷等碳氢化合物类工质；新的发电机结构中，发电机为永磁电机，效率高。膨胀机采用径向轴流式透平膨胀机，具有加工容易，成本低，效率高的优点，而且能适应热源多变的场合。发电机与膨胀机采用同轴结构，即直连，没有减速，转速高，系统体积小，能量密度大，而且效率高。由于膨胀机在做功时，对发电机主轴有一个向上的轴向力，因此，为减小轴向力，提高系统效率，发电机采用立式安装。采用立式安装的话，发电机主轴，永磁转子等能抵消掉一部分轴向力，减小轴承摩擦损耗，提高系统效率。发电机和膨胀机采用法兰连接，系统全封闭，工质不会泄漏。膨胀机和发电机之间采用迷宫密封，防止发电机和膨胀机内的工质相互交换，影响系统性能。

附图说明

图1发电机结构图；

图2余热发电系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1和图2所示，余热发电系统，包括发生器1、膨胀机2、发电机3、冷凝器4和工质泵5，发电机3的高度高于冷凝器4，冷凝器4的输出端通过工质泵5连接到发生器1；膨胀机2具有与发生器1连接的膨胀机进口A以及顶端设置并与冷凝器4连接的膨胀机出口E，膨胀机2设有蜗壳B、喷嘴C和叶片D，膨胀机出口E下方设有叶轮固定螺栓F用于固定叶轮；发电机3连接在膨胀机2下方，发电机3包括发电机机壳K、发电机上法兰J、发电机下法兰W，发电机上法兰J与轮背G之间设有膨胀机法兰I，并形成迷宫密封H；在发电机机壳K内设有永磁转子R和定子铁心Q，定子铁心Q的上端为定子绕组上端部P、下端为定子绕组下端部U，定子铁心Q两侧分别设有定子外挡液板O和定子内挡液板N，以及与定子内挡液板N连接的液体防溅出盖M，定子内挡液板N的下部与发电机下法兰W相连，在发电机机壳K上还分别开有与工质泵5连接的发电机冷却液进口L和与冷凝器4连接的发电机冷却液出口T，发电机定子铁心Q的外壁与发电机机壳K之间形成用于冷却定子铁心Q的环形通道，定子外挡液板O的上端高于定子绕组上端部P，发电机冷却液进口L的位置高于定子外挡液板O并低于液体防溅出盖M，发电机冷却液出口T与定子绕组下端部U所在的空间相通。

本实施例工作过程如下：来自工厂，地热或者太阳能的中低温热源，温度在80-200℃之间的热水或者蒸汽均可以，热源通入发生器1后加热低沸点工质（R245fa，R134a和异丁烷中的一种），低沸点工质受热后由液态变成气态，通过管道引入膨胀机2，推动膨胀机转动做功，膨胀机2和发电机3同轴，由膨胀机2带动发电机3转动发电。膨胀机2内做完功的气体进入冷凝器4，利用外界冷水将气体工质冷凝为液态。液态工质经工质泵5加压后回到发生器1继续产生蒸汽做功。

从工质泵出来的工质分两路，一路进入发生器1，另一路进入发电机3用于冷却发电机3。发电机冷却系统的入口设置在上部，出口设置在下部，冷却系统采用溢流布置的方式。冷却发电机用工质从发电机冷却液进口L进入发电机，发电机定子铁心Q的外壁和发电机机壳K之间形成了一个环形通道，环形通道的宽度为2-3mm，此环形通道用于冷却液流通冷却定子铁心Q。由于进口L高于定子外挡液板O（溢流板）而低于液体防溅出盖M，从进口L进来的液体先流进定子外挡液板O（溢流板）和定子内挡液板N组成的环形空腔内，液体先没过定子绕组上端部P，对定子绕组进行很好的冷却。由于定子外挡液板O（溢流板）的上端高于定子绕组上端部P，随着液体的增多，液体产生溢流，顺着定子外挡液板O（溢流板）流出，流出的液体进入发电机定子铁心Q的外壁和发电机机壳K之间形成的环形通道，用来冷却定子铁心Q。定子内挡液板N的下部与发电机下法兰W相连，在下部组成一个封闭圆环。液体工质可以浸泡定子绕组下端部U，但是不会进入转子中。由于发电机内部产热加热冷却用的工质，因此工质会有部分汽化产生气体，一部分汽化后的气体直接进入冷凝器，另一部分进入发电机转子和主轴空间，随着气体的陆续进入，发电机内压力达到平衡，此后就很少有气体再进入转子和主轴空间。由于只是气体而不是液体与转子和主轴接触，气体的摩擦阻力小，系统效率高。另外，为了便于发电机内的冷却工质排出，发电机的高度要高于冷凝器，最好是发电机直接坐在冷凝器上。

发电机采用氟利昂冷却，所采用的冷却工质和膨胀机中做功的工质相同。即使膨胀机和发电机之间的迷宫密封效果不好，工质发生相互泄漏也不会影响系统内工质的纯度，更不会发生工质向外界泄漏。发电机冷却结构采用溢流式布置，冷却液上进下出。溢流式冷却结构采用液体防溅出盖M防止从发电机冷却液进口L进入的液体流到发电机的转子中。定子内挡液板N的上部与液体防溅出盖M相连，防止液体进入转子。定子内挡液板N的下部与发电机下法兰W相连，在下部组成一个封闭圆环。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.余热发电系统，其特征在于：包括发生器(1)、膨胀机(2)、发电机(3)、冷凝器(4)和工质泵(5)，发电机(3)的底座在冷凝器(4)上方，冷凝器(4)的输出端通过工质泵(5)连接到发生器(1)；所述膨胀机(2)具有与发生器(1)连接的膨胀机进口(A)以及顶端设置并与冷凝器(4)连接的膨胀机出口(E)，膨胀机(2)包括蜗壳(B)、喷嘴(C)和叶片(D)，膨胀机出口(E)下方设有叶轮固定螺栓(F)用于固定叶轮；

发电机(3)连接在膨胀机(2)下方，发电机(3)包括发电机机壳(K)、发电机上法兰(J)、发电机下法兰(W)，发电机上法兰(J)与轮背(G)之间设有膨胀机法兰(I)，并形成迷宫密封(H)；在发电机机壳(K)内、发电机(3)的主轴(S)周围设有永磁转子(R)和定子铁心(Q)，定子铁心(Q)的上端为定子绕组上端部(P)、下端为定子绕组下端部(U)，定子铁心(Q)两侧分别设有定子外挡液板(O)和定子内挡液板(N)，以及与定子内挡液板(N)连接的液体防溅出盖(M)，定子内挡液板(N)的下部与发电机下法兰(W)相连，在发电机机壳(K)上还分别开有与工质泵(5)连接的发电机冷却液进口(L)和与冷凝器(4)连接的发电机冷却液出口(T)，所述发电机定子铁心(Q)的外壁与发电机机壳(K)之间形成用于冷却定子铁心(Q)的环形通道，所述定子外挡液板(O)的上端高于定子绕组上端部(P)，发电机冷却液进口(L)的位置高于定子外挡液板(O)并低于液体防溅出盖(M)，发电机冷却液出口(T)与定子绕组下端部(U)所在的空间相通。

2.如权利要求1所述的余热发电系统，其特征在于：所述膨胀机(2)、发电机(3)采用同轴结构，即直连。

3.如权利要求1所述的余热发电系统，其特征在于：所述发电机(3)采用立式安装。

4.如权利要求1所述的余热发电系统，其特征在于：所述发电机(3)采用氟利昂冷却，采用的冷却工质和膨胀机中做功的工质相同，冷却结构采用溢流式布置，冷却液上进下出。