CN103547771B - 用于通过有机朗肯循环产生电能的有机朗肯循环设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过有机朗肯循环产生电能的有机朗肯循环设备包括：热交换器(3)，用于在高温源与有机工作流体之间进行热交换以加热和蒸发所述工作流体；径向流出型膨胀式涡轮机(4)，被供给从热交换器(3)流出的经汽化的工作流体以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换为机械能；冷凝器(6)，在该冷凝器中，从涡轮机(4)流出的工作流体在被冷凝并且输送至泵(2)并接着供给至热交换器(3)。

Description

用于通过有机朗肯循环产生电能的有机朗肯循环设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备和方法。
已知基于热力学朗肯循环(ORC-有机朗肯循环)的设备，该设备以简单且可靠的方式将热能转换为机械能和/或电能。在这些设备中，优选地使用有机类型(具有高分子量或中等分子量)的工作流体来代替传统的水/蒸汽系统，因为有机流体不仅能够以相对低的温度(通常在100℃与300℃之间)转换热源，而且能够以较高的温度、以更有效的方式转换热源。因此，最近发现ORC转换系统在不同领域中越来越广泛地应用，诸如在地热领域中、在工业能量回收中、在用于从生物质和聚光太阳能发电(CSP)产生能量的设备中、在再汽化器(regasifier)中等。
背景技术
用于通过有机朗肯循环(ORC)转换热能的已知类型的设备通常包括：至少一个热交换器，在高温源与工作流体之间进行热交换以加热、蒸发(并且可能过度加热)工作流体；至少一个涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个发电机，可操作地连接至涡轮机，其中由涡轮机产生的机械能被转换成电能；至少一个冷凝器，其中，从涡轮机出来的工作流体被冷凝并输送到至少一个泵；工作流体被从泵供给至热交换器。
例如在公开文献US4458493和WO 2010/106570中描述了用于高分子量气体和蒸汽膨胀的已知类型的涡轮机。在第US4458493号专利中公开的涡轮机为多级型，其中，第一轴向级接着的是径向的向心级。相反，在文献WO 2010/106570中公开的涡轮机为轴向型，并且该涡轮机包括具有用于将工作流体从入口运送至出口的外围螺旋管(volute)的箱体、第一定子和可能的其他定子、绕轴线旋转并且承载第一转子以及可能的其他转子的涡轮机轴。管状元件以悬臂式从箱体延伸并且与涡轮机轴同轴。支承单元位于管状元件与涡轮机轴之间并且除了该轴以外能够从管状元件全部抽出。
更普遍地，当前用于热力学ORC循环的已知膨胀箱体的类型为轴向的一级型和多级型以及为径向的一级型和多级向心型或流入型。
文献WO2011/007366示出了在ORC热力学循环的领域中使用的用于产生能量的涡轮机，其包括在彼此后面轴向地布置的三个径向级。
文献EP2080876示出了涡轮机组（turbomachine），特别是多级式涡轮压缩机，其包括两个涡轮机（其中一个为径向内流式涡轮机）和两个压缩机。
文献US1,488,582示出了设置有一个高压部和一个低压部的涡轮机，在该涡轮机中，流体流逐渐从轴向方向偏离至径向方向。
文献US2010/0122534示出了用于能量回收的封闭式或环状回路系统，其包括径向内流式涡轮机。
发明内容
在该范围内，本申请人感到有必要：
-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，增大在所述涡轮机内部发生的能量转换的效率；
-关于目前在ORC设备中使用的涡轮机，降低结构复杂性和提高涡轮机的可靠性。
更具体地，本申请人感到有必要减小由于工作流体的泄漏和通风引起的损耗以及热耗，以改善在涡轮机中以及更一般地在ORC设备中的能量转换处理和涡轮机的总效率。
本申请人发现上述目标可以在用于通过有机朗肯循环（ORC）产生能量的设备和方法的领域中使用径向离心式或流出式膨胀涡轮机来实现。
更具体地，本发明涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的设备，该设备包括：具有高分子量的有机工作流体；至少一个热交换器，用于在高温源与工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；至少一个膨胀式涡轮机，被供给从热交换器流出的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；至少一个冷凝 器，在该至少一个冷凝器中，从所述至少一个涡轮机流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵；然后工作流体被供给至所述至少一个热交换器；所述设备的特征在于膨胀式涡轮机为径向流出类型。
具有高分子量的有机工作流体可以选自包括碳氢化合物、酮、硅氧烷或含氟材料（包括全氟材料）的组，并且通常具有包括在150g/mol与500g/mol之间的分子量。优选地，该有机工作流体为全氟-2-甲基戊烷（具有没有毒性且不易燃的附加优点）、全氟1,3二甲基环己烷、六甲基二硅氧烷或八甲基三硅氧烷。
在另一方面，本发明涉及一种用于通过有机朗肯循环产生能量的方法，该方法包括：i）通过至少一个热交换器供给有机工作流体以在高温源与所述工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；ii）将从热交换器流出的汽化的有机工作流体供给至至少一个膨胀式涡轮机，以根据朗肯循环将存在于工作流体中的热能转换成机械能；iii）将从所述至少一个膨胀式涡轮机流出的有机工作流体供给至至少一个冷凝器，在该至少一个冷凝器处，工作流体被冷凝；iv）将从冷凝器流出的有机工作流体输送至所述至少一个热交换器；所述方法的特征在于，在步骤ii）中，工作流体从膨胀式涡轮机的入口至出口所遵循的路线至少部分为径向流出路线。
本申请人已经确定径向流出式涡轮机为最适合于所涉及的应用（即，最适合于高分子量的工作流体在ORC循环中的膨胀）的机器，这是因为：
-ORC循环中的膨胀的特征在于低热焓变化，并且作为本发明的目标的径向流出式涡轮机适合于具有低热焓变化的应用，因为该径向流出式涡轮机相对于轴向和/或径向流入式机器执行更少的工作，而圆周速度和反应程度相同；
-ORC循环中的膨胀的特征在于由于表征上述循环、适中温度或无论如何不与例如燃气轮机中的温度一样高的温度的低热焓变化所引起的转子的低旋转速度和低圆周速度，并且径向流出式涡轮机非常适用于具有低机械应力和热应力的情况。
-因为一般地朗肯循环以及特别是ORC循环的特征在于高体积膨胀率，由于轮径在流动方向增长的事实，因而径向流出式涡轮机优化了机器叶片的高度，尤其是第一级的高度；因此，全部且不堵塞的进入通常几乎是可能的。
-由于径向流出式涡轮机的结构形状使得能够在单个盘（disc）上获得若干膨胀级，因此能够减少由于次级流和泄漏引起的损耗并且同时能够达到降低得更多的成本。
-此外，为径向流出式配置的膨胀式涡轮机使得在最后膨胀级上扭转叶片是多余的，因此简化了机器结构。
根据优选实施例，膨胀式涡轮机包括：固定箱体，具有轴向入口和径向外围出口；仅一个转子盘，安装在该箱体中并且绕旋转轴线“X-X”旋转；至少一个第一系列的转子叶片，安装在转子盘的正面上且围绕旋转轴线“X-X”布置；以及至少一个第一系列的定子叶片，安装在箱体上，面向转子盘并且围绕旋转轴线“X-X”布置。
优选地，膨胀式涡轮机包括：至少一个第二系列的转子叶片，相对于第一系列的转子叶片布置在径向外部位置处；以及至少一个第二系列的定子叶片，相对于第一系列的定子叶片布置在径向外部位置处。
不同于轴向式机器，作为本发明的目标的径向流出式涡轮机仅需要一个也用于多级机器的盘，因此，由于通风而提供了较少的损耗并且成本大大降低。由于上述紧密性，能够保持大幅减小的间隙（play），这导致了泄漏减少，并且因此损耗由于溢出而变得更小。热损耗也是更小。
此外，径向离心式涡轮机的叶片不必扭转，并且这总体上涉及对于所述叶片和涡轮机的较低生产成本。
根据优选实施例，径向流出式膨胀式涡轮机包括挡板（baffle），该挡板在轴向入口处固定地安装在箱体上并且适于使轴向流朝向第一系列定子叶片径向偏离。
优选地，挡板具有面向流入物的凸表面。
优选地，挡板在其径向外围部处承载第一系列的定子叶片。
除了在第一定子入口处限制流体动力损耗之外，挡板还旨在防止具有较高压力的流体碰撞活动部件。该手段还减少了由于转子盘上的摩擦引起的损耗并且当不同于设计状况的状况发生时允许更大的灵活性。
优选地，转子盘的正面和箱体的承载定子叶片的面在移动离开旋转轴线“X-X”时彼此脱离。
优选地，膨胀式涡轮机包括相对于定子或转子叶片放置在径向外部位置处的扩散器。
为流出式配置的径向涡轮机有利于实现扩散器在排放时使得能够恢复动能，并且因此机器的总效率更大。
在替选实施例中，膨胀式涡轮机包括优选地布置在转子盘的径向外周上的至少一个径向流出级和至少一个轴向级。
从对根据本发明的用于通过有机朗肯循环产生能量的设备和方法的优选的但非排他性的实施例的详细描述中，其他特征和优点将变得更明显。
附图说明
在下文中，将参照作为非限制性示例给出的附图陈述这些配置的详细描述，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的用于通过有机朗肯循环产生能量的设备的基本配置；
图2为属于图1中的设备的涡轮机的截面侧视图；
图3为图2中的涡轮机的局部截面正视图。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的用于通过有机朗肯循环产生能量的设备一般由附图标记1标识。
设备1包括环状回路，具有高分子量或中等分子量的有机工作流体在该环状回路中流动。该流体可以选自包括碳氢化合物、酮、碳氟化合物和硅氧烷的组。优选地，该流体是具有包括在150g/mol与500g/mol之间的分子量的全氟流体。
图1示出了具有基本配置的朗肯循环的回路，并且考虑了：泵2、热交换器或者热能交换器3、连接至发电机5的膨胀式涡轮机4、冷凝器6。
泵2允许有机工作流体从冷凝器6进入热交换器3。在热交换器3中，流体被加热、蒸发并接着以气相供给至涡轮机4，在涡轮机4中，实现了存在于工作流体中的热能转换为机械能、然后通过发电机5转换为电能。在涡轮机4的下游，工作流体在冷凝器6中冷凝并再一次通过泵2输送至 热交换器。
由于泵2、热交换器3、发电机5和冷凝器6是已知类型，因此在本文中将不会对泵2、热交换器3、发电机5和冷凝器6进一步描述。
有利地，膨胀式涡轮机4为单级或多级径向流出类型，即，其包括一个或多个径向流出膨胀级、或者至少一个径向流出级和至少一个轴向级。换句话说，工作流体流在涡轮机4的径向上更靠内的区域中沿着轴向方向进入涡轮机4，并且在膨胀的状态下在涡轮机4本身的径向上更靠外的区域中沿着径向或轴向方向流出。在进入与退出之间的过程中，该流在膨胀时移动离开涡轮机4的旋转轴线“X-X”。
图2和图3中示出了径向流出式涡轮机的优选但非限制性的实施例。该涡轮机4包括固定箱体7，该固定箱体7由通过螺栓10（图3）结合在一起的圆形箱体前半部8和箱体后半部9构成。套筒11以悬臂形式从箱体后半部9露出。
转子12容纳于由箱体前半部8和箱体后半部9定界的内部容积中，该转子12受轴13刚性约束，轴13又借助于轴承14可旋转地支承在套筒11中，以使得转子12绕旋转轴线“X-X”自由旋转。
轴向入口15在旋转轴线“X-X”处形成在箱体前半部8中，并且在箱体7的外围径向部分处，形成有在扩散器16外部的径向外围出口。
转子12包括紧固至轴13的单个转子盘17，单个转子盘17垂直于旋转轴线“X-X”并且具有朝向箱体前半部8转动的正面18和朝向箱体后半部9转动的背面19。在转子盘17的正面18与箱体前半部8之间定界了有机工作流体的通道容积20。补偿室21限于转子盘17的背面19与箱体后半部9之间。
转子盘17的正面18承载三个系列的转子叶片22a、22b、22c。每个系列包括绕旋转轴线“X-X”布置的多个平面的转子叶片。第二系列的转子叶片22b相对于第一系列转子叶片22a布置在径向外部位置处，并且第三系列的转子叶片22c相对于第二系列的转子叶片22b布置在径向外部位置处。三个系列的定子叶片24a、24b、24c安装在箱体前半部8的朝向转子17转动的内面23上。每个系列均包括绕旋转轴线“X-X”布置的多个平面的定子叶片。第一系列的定子叶片24a相对于第一系列的转子叶片 22a布置在径向内部位置处。第二系列的定子叶片24b相对于第一系列的转子叶片22a布置在径向外部位置处且相对于第二系列的转子叶片22b布置在径向内部位置处。第三系列的定子叶片24c相对于第二系列的转子叶片22b布置在径向外部位置处且相对于第三系列的转子叶片22c布置在径向内部位置处。因此，涡轮机4具有三级。
在涡轮机1内部，具有凸圆形状的挡板25使进入轴向入口15的工作流体流偏离，挡板25在转子盘17前面固定地安装在箱体7上并且与旋转轴线“X-X”同轴地布置，挡板25的凸面面向轴向入口15和流入的流。挡板25从旋转轴线“X-X”开始轴向地延伸直到第一系列的定子叶片24a为止。第一系列的定子叶片24a集成到挡板25的外围部分中并且具有安装在箱体前半部8的内面23上的端部。更详细地，挡板25通过与凸状/凹状中央部分25a和径向最外部分25b径向对称的凸状薄板限定，凸状/凹状中央部分25a的凸面面向箱体前半部8和轴向入口15，径向最外部分25b是环形的且是凹状/凸状的并且其凹面面向箱体前半部8。箱体前半部8和挡板25的径向最外部分25b限定将工作流体引导至涡轮机4的第一级（第一系列的转子叶片22a和第一系列的定子叶片24a）的喇叭形管道（diverging duct）。
转子盘8的正面18和箱体前半部8的承载定子叶片24a、24b、24c的面23从所述第一级开始在移动离开旋转轴线（X-X）过程中彼此脱离，并且径向上最外面的叶片具有比径向上最里面的叶片的叶片高度大的叶片高度。
涡轮机4还包括用于恢复动能的扩散器26，扩散器26相对于第三级（第三系列的转子叶片22c和第三系列的定子叶片24c）放置在径向外部位置处，并且由转子盘8的正面18和箱体前半部8的相对面23限定。与出口凸缘28连通的螺旋管27在扩散器26的出口处放置在箱体7的径向外周上。
根据未示出的替选实施例，代替第三径向级，流入物穿过安装在转子外周上的轴向级。
所示出的涡轮机4还包括补偿装置，该补偿装置针对由工作流体在转子7上施加且通过轴13在止推轴承14上施加的轴向推力。该装置还包括：测压元件（loading cell）29，轴向地介于在套筒11与止推轴承14之间； 弹簧30，适于保持止推轴承14压在测压元件29上；PLC（可编程逻辑控制器）（未示出），可操作地连接至测压元件29；以及调节阀31，位于与补偿室21以及另一室33连通的管道32中，该室33形成在箱体前半部8中并且达到与工作流体从第一级通过通道孔34在出口处的压力一样的压力。该装置实现了根据所检测的轴向推力对允许工作流体从另一室33进入补偿室21的反馈调节，从而在受控条件下保持轴承上的轴向负荷。
工作流体在与平滑且为圆形的箱体前半部8同轴的位置处从轴向入口15进入。如图2所示，在涡轮机4内部，流体流偏离了挡板25并且导向至与挡板25且与箱体前半部8成为一体的第一系列的定子叶片24a。

Claims (7)

1.一种用于通过有机朗肯循环ORC产生电能的ORC设备，所述设备包括：
-至少一个热交换器(3)，用于在高温源与有机工作流体之间进行热交换，以加热和蒸发所述工作流体；
-至少一个膨胀式涡轮机(4)，被供给从所述热交换器(3)出来的经汽化的工作流体，以根据朗肯循环将存在于所述工作流体中的热能转换为机械能；
-发电机(5)，所述膨胀式涡轮机(4)连接至所述发电机(5)；
-至少一个冷凝器(6)，在所述至少一个冷凝器中，从至少一个所述涡轮机(4)流出的工作流体被冷凝并且输送到至少一个泵(2)；所述流体接着被供给至所述至少一个热交换器(3)；
所述设备的特征在于，所述膨胀式涡轮机(4)为径向流出类型，其中，在所述膨胀式涡轮机(4)的入口(15)与出口(16)之间的路线中，所述工作流体在膨胀时移动离开所述膨胀式涡轮机(4)的旋转轴线(X-X)；其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括：固定箱体(7)，具有轴向入口(15)和径向外围出口(16)；仅一个转子盘(17)，安装在所述箱体(7)中并且绕旋转轴线(X-X)旋转；至少一个第一系列的转子叶片(22a)，安装在所述转子盘(17)的正面(18)上且围绕所述旋转轴线(X-X)布置；以及至少一个第一系列的定子叶片(24a)，安装在所述箱体(7)上，面向所述转子盘(17)并且围绕所述旋转轴线(X-X)布置；
其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括挡板(25)，所述挡板(25)在所述轴向入口(15)处固定地安装在所述箱体(7)上并且适于使轴向流体流朝向所述第一系列的定子叶片(24a)径向偏离。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)是多级式涡轮机。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括：至少一个第二系列的转子叶片(22b，22c)，相对于所述第一系列的转子叶片(22a)布置在径向外部位置处；以及至少一个第二系列的定子叶片(24b，24c)，相对于所述第一系列的定子叶片(24a)布置在径向外部位置处。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述挡板(25)具有凸表面(25a)。
5.根据权利要求1或4所述的设备，其中，所述挡板(25)在其径向外围部分处承载所述第一系列的定子叶片(24a)。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述转子盘(17)的正面(18)和所述箱体(7)的承载所述定子叶片(24a，24b，24c)的面(23)在移动离开所述旋转轴线(X-X)时彼此脱离。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述膨胀式涡轮机(4)包括扩散器(27)，所述扩散器相对于所述定子叶片(24a，24b，24c)和所述转子叶片(22a，22b，22c)放置在径向外部位置处。
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