CN103443407B - 针对用于有机兰金循环中的涡轮膨胀器的密封系统 - Google Patents

针对用于有机兰金循环中的涡轮膨胀器的密封系统 Download PDF

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Abstract

描述了用于控制周围空气渗入有机兰金系统中和过程气体从有机兰金系统中漏出的方法和系统。第一密封机构例如双重干燥气体密封件可用于防止过程气体在有机兰金系统操作时漏出。第二密封机构例如可膨胀的静止环形密封件可用于防止周围空气在有机兰金系统处于停止时渗入。一个或多个压力传感器可设在有机兰金系统中，以确定例如，是否已经发生周围空气的渗入和是否需要系统净化。

Description

针对用于有机兰金循环中的涡轮膨胀器的密封系统
技术领域
本文公开的主题的实施例大体上涉及发电系统，且更具体而言，涉及涡轮膨胀器。
背景技术
兰金循环使用闭环中的工作流体，以聚集来自加热源或热容器的热，且生成膨胀经过涡轮以生成电力的热气流。膨胀流通过传递热到冷容器而在冷凝器中冷凝，且又泵压至加热压力以完成循环。发电系统如燃气涡轮或往复式发动机(主系统)产生热排出气体，热排出气体在随后的电力产生过程(通过辅助系统)中使用或作为废热散失到周围。例如，大型发动机的排气可在用于产生附加电力的废热回收系统中回收，因而改善整体系统效率。图1中示出了以兰金循环操作的普通的废热发电系统。
发电系统1包括热交换器2(也称为锅炉或蒸发器)、涡轮膨胀器4、冷凝器6和泵8。在操作中，从热交换器2开始，外部热源10例如热烟道气体加热热交换器2。这引起接收到的加压的液体介质12变成流向涡轮膨胀器4的加压的蒸气14。涡轮膨胀器4接收加压的蒸气流14，且在加压的蒸气膨胀时可生成电力16。由涡轮膨胀器4释放的膨胀的更低压力的蒸气流18进入冷凝器6，冷凝器6将膨胀的更低压力的蒸气流18压缩成更低压力的液体流20。然后，更低压力的液体流20进入泵8，该泵8既生成更高压力的液体流12，又保持闭环系统流通。然后，更高压力的液体流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工作流体为有机工作流体，如，环戊烷。在此背景下，有机工作流体有时被称为有机兰金循环(ORC)流体，且使用ORC流体的系统有时被称为ORC系统。为了安全起见，不期望环戊烷与周围的空气相互作用。
例如，应解决用于ORC系统中的涡轮膨胀器中的两种泄漏问题。当ORC系统在操作时，图1的环路内的压力与周围环境相比而相对较高，因此期望容纳ORC流体例如环戊烷而免于从系统逸出(漏出)。当ORC系统未操作即处于停止模式时，则图1的环路内的压力与周围环境相比而相对较低，因此期望避免周围空气渗入ORC系统。
因此，用于更有效地操作发电系统的系统和方法是所期望的。
发明内容
描述了用于控制环境空气渗入例如有机兰金系统中和过程气体从有机兰金系统中漏出的的方法和系统。第一密封机构例如双重干燥气体密封件可用于防止过程气体在有机兰金系统操作时漏出。第二密封机构例如可膨胀的静止环形密封件可用于防止周围空气在有机兰金系统处于停止时渗入。一个或多个压力传感器可设在有机兰金系统中，以确定例如，是否已经发生周围空气的渗入和是否需要系统净化。
根据实施例，一种用于经由涡轮机的轴而控制气体的渗入和漏出的方法，包括：密封该轴以防过程气体在系统操作时漏出、密封该轴以防周围空气在涡轮机处于停止模式时渗入、以及探测涡轮机内的气体的压力以监测是否已经发生渗入。
根据另一个实施例，一种用于发电的系统，包括：具有连接到齿轮箱的至少一个轴的涡轮机、构造成密封至少一个轴以防过程气体在系统操作时漏出的第一密封机构、构造成密封至少一个轴以防周围空气在系统处于停止模式时渗入的第二密封机构、以及构造成探测系统内的气体的压力以监测是否已经发生渗入的至少一个传感器。
根据又一个实施例，一种发电系统，包括：用于密封涡轮机的轴以防过程气体在系统操作时漏出的器件、用于密封该轴以防周围空气在系统处于停止模式时渗入的器件、以及用于探测系统内的气体的压力以监测是否已经发生渗入的器件。
附图说明
所附附图示出了示例性实施例，在附图中：
图1绘出了兰金循环；
图2示出了根据示例性实施例的有机兰金循环；
图3示出了根据示例性实施例的分别用于防止在操作期间过程气体的漏出和在停止期间周围空气的渗入的第一密封机构和第二密封机构；
图4绘出了双重干燥气体密封件；以及
图5为绘出根据示例性实施例的用于控制过程气体的漏出和周围空气的渗入的方法的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参照所附附图。不同附图中的相同参考标号标示相同或相似的元件。此外，附图不需要按比例绘制。另外，以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围被所附权利要求限定。
在整个说明书中，参照"一个实施例"或"实施例"意味着结合实施例描述的特定特点、结构或特征包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"不必表示相同的实施例。此外，可以以任何适合的方式将特定的特点、结构或特征组合在一个或多个实施例中。
如背景中描述的和图1中示出的那样，兰金循环可用于发电系统中，以捕获一部分废热能量。为了解决上述两个基本上相反的密封要求，即，操作密封要求和停止密封要求，示例性实施例提供了复合密封布置，该复合密封布置密封涡轮膨胀器4以防周围空气的渗入和过程气体的漏出两者。更具体而言，为了当系统操作时解决ORC流体的潜在漏出，示例性实施例应用了第一密封机构，例如，双重干燥气体密封件。为了当系统处于停止时解决周围空气的潜在渗入，还可提供第二密封机构，例如，可膨胀的静止密封环。注意，尽管本文描述的第一密封机构和第二密封机构主要适于分别缓解漏出和渗入，但它们还将提供分别针对渗入和漏出的一些附加密封保护。此外，如果密封机构不适当地执行，则控制传感器和反馈电路用于控制系统，以适于响应于探测到的系统内的压力水平，例如，用以提供与周围空气渗入相关联的警报和控制。
注意，尽管本文描述的实施例提到了涡轮膨胀器中的密封布置的使用，但本发明不限于此。更具体而言，根据这些实施例的密封布置可应用于其它涡轮机，例如，压缩机等。
现将参照图2描述用于发电的示例性系统200(其中为了简单和简洁，已经移除了常规兰金系统的一些构件)，在该系统中此类示例性涡轮膨胀器带有根据这些实施例的密封布置。首先，系统加压，且工作流体通过泵202而在闭环兰金循环系统中循环(沿由箭头所示的方向)。工作流体例如ORC流体被泵送到蒸发器204，工作流体在蒸发器204处蒸发。然后，该加压的蒸气到达涡轮膨胀器206，在该示例中，涡轮膨胀器206具有第一膨胀级208和第二膨胀级210，然而本发明同样适用于具有不同构造(例如，具有仅一个级或两个以上的级)的涡轮膨胀器或其它涡轮机。
第一膨胀级208包括入口导叶212，该入口导叶212调节进入第一膨胀级208的加压的蒸气的量/速率。加压的蒸气在膨胀期间消耗了一些能量，且行进到第二膨胀级210上，经过另一个入口导叶214而进入第二膨胀级210，该入口导叶214也调节进入第二膨胀级210的蒸气的量/速率。当蒸气在膨胀级208和210中膨胀时，执行了旋转它们连接到齿轮箱220(例如，经由相应的轮(未示出))的相应的轴216、218的工作。单个轴222将齿轮箱220连接到发电机224。然后，电力226从发电机224输出。
回到图2的兰金循环部分，膨胀的蒸气离开第二膨胀级210，且离开涡轮膨胀器206前往换热器228，换热器228允许工作流体的热交换。然后，工作流体经过兰金循环(未示出)的其它步骤前往泵202，以重复该循环。传感器230代表压力监测传感器，且控制器234控制发电系统的设置并提供警报，下文将更详细地描述传感器和控制器两者。尽管示出了两个压力传感器230，但可提供更多或更少的压力传感器。根据一个仅为示范性的实施例，压力传感器或变换器230还可以或备选地置于由参考标号216和218(也与轴相关联)指示的位置处。
图3中示出了根据实施例的用于密封例如涡轮膨胀器206中的轴216和/或218的示例性密封筒300。其中，密封筒包括第一过程曲径式密封件302和第二过程曲径式密封件306，第一过程曲径式密封件302设置在系统的LP级的排出口304的上游，第二过程曲径式密封件306在输入端口308的上游，该输入端口308向双重干燥气体密封件310的外侧提供缓冲气体。举例来说，本文中也被称为第一密封机构的示例且下文参照图4更详细地描述的双重干燥气体密封件310邻近于图3中的过程曲径式密封件306而设置，且经由端口312而供给密封气体例如ORC过程气体。密封筒300还包括可膨胀的静止密封环314，该可膨胀的静止密封环314根据实施例可操作以当系统处于停止时密封系统，且为根据该实施例的第二密封机构的示例。此外，相对于周围空气在启动时渗入系统中，双重干燥气体密封件310可操作为可膨胀的静止密封环314的备用件。
根据该示例性实施例，可膨胀的静止密封环314设置在双重干燥气体密封件310与排出到大气的加压的排出口316之间。根据一个示例性实施例，压力传感器230可设置在加压的排出口230内，以进行可如下所述地使用的密封系统的该部分内的气体压力的测量。缓冲密封318也可包括在密封筒300中。
如图4中所示，可用作第一密封机构310的示例性串联型(也称为双重)干燥气体密封系统400包括第一密封件402和第二密封件404，该两者均包含在单个包装中。在系统200的正常操作期间，第一密封件402操作成包含处理气体的总压力，而第二密封件4044用作备用件，该备用件设计成仅在第一密封件402失效或过度泄漏时操作。大体上，来自第一气体源406的调节的气体流注入密封件402的上游，以将干燥气体密封件400与过程气体例如环戊烷隔离。处于串联400的第二密封件404可接收来自源408的更低压力的气体。各个密封件402、404通常分别包括固定盘410、412和活动盘414、416。
根据实施例，控制系统234还结合密封布置200来使用。在兰金循环设备或系统200的延长的关机期间，存在空气将由于周围空气与ORC流体(例如，环戊烷)的蒸气压力之间的压力差而渗入系统的风险。为了解决该可能性，根据一个实施例的控制系统包括至少一个压力变换器或传感器230，其测量(a)例如图1的有机兰金系统的环路内、涡轮膨胀器内或该两者内的气体压力。如果探测到的气体压力高于ORC流体(例如，环戊烷)的预期的蒸气压力，则控制系统向例如由操作者读取的用户界面断定或指示空气已经渗入系统和应净化系统的信号。在系统的操作期间，压力测量可例如用于验证所保持的干燥气体密封件的完整性，即，如果穿过密封件的压力变化增加到某一阈值之上，则这可能意味着密封件完整性已经失效/正在失效。
因此，如图5中所示，用于经由在一种系统(例如，有机兰金循环系统)操作的涡轮机的轴而控制气体的渗入和漏出的复合方法可包括某些步骤。其中，在步骤500处，例如，经由双重干燥气体密封件而密封例如涡轮膨胀器的轴以防过程气体当系统在操作时漏出。在步骤502处，还密封该轴以防周围空气在系统处于停止模式时渗入。此外，如由步骤504所示，探测系统内的气体压力，以监测是否已经发生渗入。
注意，尽管前述示例性实施例已经集中于示例性有机兰金循环系统，但根据这些实施例的密封系统和方法不限于有机兰金循环系统。例如，但没有限制，此类密封系统和方法还可应用或提供到液化天然气(LNG)系统。
上述示例性实施例旨在在所有方面都示出本发明，而不是限制本发明。因此，本发明能够具有详细的实施方式的许多变型，变型可由由本领域中的技术人员从本文包含的描述中推导出。所有的此类变型和修改都被认为是在如由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。除非明确地这样描述，否则本申请的描述中使用的元件、动作或指令不应被理解为对本发明是关键的或必需的。此外，如本文中使用的那样，冠词"a"旨在包括一个或多个项。
所撰写的说明书使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构要素，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于经由涡轮机的轴而控制气体的渗入和漏出的方法，所述方法包括以下步骤：
密封所述轴以防过程气体在所述涡轮机操作时漏出；
密封所述轴以防周围空气在所述涡轮机处于停止模式时渗入；以及
探测所述涡轮机内的气体的压力，以监测是否已经发生所述渗入。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮机为有机兰金循环系统的一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，探测所述气体的所述压力的步骤还在所述有机兰金循环系统的环路内的所述涡轮机的外侧执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过程气体为环戊烷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮机为涡轮膨胀器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，密封所述轴以防所述过程气体漏出的步骤通过使用双重干燥气体密封件而执行。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括：
如果所述有机兰金循环系统内的所述气体的所述探测到的压力高于预定阈值，则执行针对所述有机兰金循环系统的净化操作的信号。
8.一种用于发电的系统，包括：
涡轮机，所述涡轮机具有连接到齿轮箱的至少一个轴；
第一密封机构，所述第一密封机构构造成密封所述至少一个轴，以防过程气体在所述系统操作时漏出；
第二密封机构，所述第二密封机构构造成密封所述至少一个轴，以防周围空气在所述系统处于停止模式时渗入；以及
至少一个传感器，所述传感器构造成探测所述系统内的气体的压力，以监测是否已经发生所述渗入。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个传感器设置在所述涡轮机内。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一个传感器设置在有机兰金循环系统的环路内的所述涡轮机的外侧。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述过程气体为环戊烷。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述涡轮机为涡轮膨胀器。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一密封机构为双重干燥气体密封件。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括：
控制器，所述控制器构造成接收来自所述至少一个传感器的测量，且构造成如果所述有机兰金循环系统内的所述气体的所述探测到的压力高于预定阈值，则执行针对所述有机兰金循环系统的净化操作的信号。
15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括：
冷凝器，所述冷凝器流体地连接到所述涡轮膨胀器的出口侧，且构造成接收膨胀的蒸气流且将该膨胀的蒸气流冷凝成液体流；
泵，所述泵流体地连接到所述冷凝器的出口侧，构造成接收所述液体流，以将所述液体流加压且使所述液体流循环到热交换器；以及
所述热交换器，所述热交换器流体地连接到所述泵的出口侧，且构造成接收所述加压的液体流且使所述加压的液体流蒸发成加压的蒸气流。
16.一种发电系统，包括：
用于密封涡轮机的轴以防过程气体在所述系统操作时漏出的器件；
用于密封所述轴以防周围空气在所述系统处于停止模式时渗入的器件；以及
用于探测所述系统内的气体的压力以监测是否已经发生所述渗入的器件。
17.根据权利要求16所述的发电系统，其特征在于，用于探测所述气体的所述压力的所述器件在所述涡轮机内执行。
18.根据权利要求16所述的发电系统，其特征在于，用于探测所述气体的所述压力的所述器件在有机兰金循环系统的环路内的所述涡轮机的外侧执行。
19.根据权利要求16所述的发电系统，其特征在于，所述过程气体为环戊烷。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述涡轮机为涡轮膨胀器。
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