CN103573414A - 涡轮机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，提供了一种使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机（2）。涡轮机（2）包括平衡活塞部分（18），其被配置用于利用其温度低于被引入到涡轮机（2）内的工作流体的温度的流体优化轴承（J1，J2）上的转子（11）的轴向载荷，其中，在涡轮机（2）形成有流动路径，其中，流经平衡活塞部分（18）的流体的至少一部分被从流经的中途抽取，并且被抽取的流体的至少一部分被推动而流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片（14）的通道的中途。

Description

涡轮机及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2012年7月20提交的日本专利申请No.2012-161941并且要求该申请的优先权，该申请的全部内容被引用方式并入。
技术领域
这里描述的实施例总体上涉及涡轮机及其操作方法。
背景技术
当在火电系统中采用单流式涡轮机时，在一个方向上的推力负荷变得很大。因此要求安装具有迷宫式结构的平衡活塞部分以优化推力轴承上的载荷。
已知了包括迷宫式封装以防止高压高温蒸气在转子穿过壳体处的贯通部分处泄露的双壳体结构的单流式汽轮机，所述高压高温蒸气流到壳体内并且在壳体中的叶片涡轮机级处膨胀。转子包括转子叶片和平衡活塞。内壳体包括定子叶片，并且与转子叶片一起形成高压叶片涡轮机级来包围转子。在转子穿过内壳体的贯通部分处，迷宫式封装被设置于内壳体的迷宫式环与平衡活塞之间。
用于泄露蒸气的回收管被设置于内壳体和外壳体之间的蒸气室中，所述泄露蒸气从迷宫式封装的中途穿过迷宫式环到达低压叶片涡轮机级的蒸气入口，并且具有通向低压叶片涡轮机级的喷口。从迷宫式封装部分泄露的蒸气被从中途抽取而从喷口通过回收管流到低压叶片涡轮机级并且进行膨胀。
类似于上述的汽轮机需要装备有回收管，用于回收从迷宫式封装部分泄露的蒸气。另外，回收管需要由抗高温的材料形成，因为泄露的蒸气是热的。
在一些情况下，希望提供一种能够以简单的结构高效率操作的涡轮机以及操作涡轮机的方法。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机。涡轮机包括平衡活塞部分，其被配置用于利用其温度低于被引入到涡轮机内的工作流体的温度的流体优化轴承上的转子的轴向载，其中，在涡轮机形成有流动路径，其中，流经平衡活塞部分的流体的至少一部分被从流经的中途抽取，并且被抽取的流体的至少一部分被推动而流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片的通道的中途。
根据一个实施例，涡轮机还包括包围转子的第一壳体；和包围第一壳体的第二壳体，其中，被抽取的流体的所述至少一部分在经过第一壳体和第二壳体之间后流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片的通道的中途。
根据一个实施例，被抽取的流体的所述至少一部分在经过第一壳体和第二壳体之间后流到密封部分，所述密封部分被配置用于防止工作流体从转子和固定部分之间的间隙泄露。
还提供一种用于使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机中的涡轮机操作方法。所述方法包括通过平衡活塞部分，利用其温度低于引入到涡轮机内的工作流体的温度的流体，优化轴承上的转子的轴向载荷；和将流经平衡活塞部分的流体的至少一部分从流经的中途抽取，并且推动被抽取的流体的至少一部分流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片的通道的中途。
附图说明
图1是示出了根据实施例的火电系统的示意性结构的方框图；和
图2是示出了图1中示出的火电系统中的涡轮机的主要部分的结构的竖直断面图。
具体实施方式
下面参考附图描述实施例。
近来，已经开发出具有环境高度调和性的火电系统的实施方式，它能够使用CO2作为涡轮机的操作流体，并且同时执行动力产生以及CO2的分离和回收。
通过使用，例如，超临界压力的CO2构建氧气燃烧的再循环系统并且通过有效地使用CO2，不排放NOX的零排放系统能够被实施。
在这种火电系统中，例如，天然气（甲烷，等）和氧气被引入到燃烧器中进行燃烧，通过燃烧产生的高温CO2被用作工作流体用于转动涡轮机并且产生电力，从涡轮机排放的气体（CO2和水蒸气）被冷却器冷却，并且水分被从气体中分离。然后，通过高压泵压缩CO2以获得高压CO2，并且大部分高压CO2被通过热交换器加热并且循环到燃烧器中，而高压CO2的剩余部分被回收并且用于其它目的。
图1是示出了根据实施例的火电系统的示意性结构的方框图。
图1中示出的火电系统是具有环境高度调和性的火电系统，能够使用CO2作为涡轮机的操作流体并且同时执行动力产生以及CO2的分离和回收。在此火电系统中，通过使用超临界压力的CO2构建氧气燃烧的再循环系统并且通过有效地使用CO2，不排出NOX的零排放系统被实现。
图1中示出的火电系统包括作为主要构成元件的燃烧器1，涡轮机2，发电机3，热交换器4，冷却器5，湿气分离器6，和高压泵7。燃烧器1可与涡轮机2是一体的。
燃烧器1引入通过再循环涡轮机2的排出气体而获得的高压CO2，引入并且燃烧燃料甲烷和氧气，并且产生高温（例如，约1150°C）CO2。
涡轮机2将从燃烧器1产生的高压CO2作为工作流体引入到涡轮机内，借助于转子叶片推动高压CO2膨胀并且使转子旋转。另一方面，涡轮机2从热交换器4内部流动路径的中途引入低温（例如，约400°C）CO2到涡轮机内作为冷却和密封流体，推动低温CO2执行转子叶片及其外围部分（内壳体，等）的冷却功能以及用于防止工作流体泄露到外面去的密封功能，并且排出已经完成膨胀、冷却和密封的气体（CO2和水蒸气）。
发电机3与涡轮机2共轴地设置并且由于涡轮机2的旋转而产生电力。
热交换器4通过热交换从自涡轮机2排出的气体（CO2和水蒸气）取得热量并且将热量供给到再次引入到涡轮机2内的CO2。在这种情况下，热交换器4将，例如，约700°C的CO2供给至燃烧器1并且将从热交换器4内部流动路径的中途获得的，例如，约400°C的CO2供给至涡轮机2。
冷却器5进一步冷却被热交换器4从中获取了热量的气体。
湿气分离器6从冷却器5冷却的气体分离水分并且输出水分被从中移除了的CO2。
高压泵7压缩水分被通过湿气分离器6从中移除了的CO2，输出高压CO2，将大部分高压CO2供给至热交换器4用于重新引入到涡轮机内，并且将高压CO2的剩余部分供给至其它设备。
在此结构中，当通过再循环涡轮机2的排出气体而获得的高压CO2被引入到燃烧器1内并且燃料甲烷和氧气被引入并且燃烧时，产生高温CO2。在燃烧器1中产生的高温CO2被从涡轮机2的上游级侧的上部作为工作流体引入，而从热交换器4内部流动路径的中途供给的低温CO2被从涡轮机2的上游级侧的下部作为冷却和密封流体引入。高温CO2在涡轮机2内膨胀并且借助于转子叶片推动涡轮机旋转，同时低温CO2冷却和密封转子叶片和转子叶片的周边部分（内壳体，等）。当涡轮机2的转子转动时，发电机3产生电力。
已经结束膨胀、冷却和密封的气体（CO2和水蒸气）被从涡轮机2排出，热量被通过热交换器4从气体获取，气体进一步通过冷却器5冷却，水分被通过湿气分离器6从气体分离，并且水分被从中移除了的CO2被排出。水分被通过湿气分离器6从中移除了的CO2被高压泵7压缩并且输出为高压CO2。大部分高压CO2被供给至热交换器4用于重新引入涡轮机内，并且高压CO2的剩余部分被供给至其它设备。供给至热交换器4的高压CO2被热交换器4给予热量并且被供给至燃烧器1，温度低于被供给的高压CO2的温度的高压CO2被供给至涡轮机2。
在此结构中，在不单独提供用于分离和回收CO2的设备（CCS）的情况下，高纯度的高压CO2可被回收。另外，回收的CO2可被存储，并且能够被有效利用，也就是，应用于石油采掘现场用的EOR（提高石油采收率，Enhanced Oil Recovery）。
图2是示出了图1中示出的火电系统中的涡轮机2的主要部分的结构的竖直断面图。图2中虚线指示的箭头代表冷却和密封流体的流动。涡轮机2下部分中的箭头被示出用于简要说明，但在涡轮机2的上部分中具有相同的冷却和密封流体的流动。
图2中示出的涡轮机2是使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机，并且包括，作为主要构成元件，其中轴S通过轴承（轴颈，推力轴承，等）J1和J2支撑于其内的转子（回转构件）11，包围转子11的内壳体（固定部分）12A和12B，和包围内壳体（固定部分）12A和12B的外壳体（固定部分）13。内壳体12A包括将内壳体支撑在外壳体13上的隔壁12C。内壳体12B包括将内壳体支撑在外壳体13上的隔壁12D。
转子11包括多级转子叶片14。内壳体12A和12B包括根据多级转子叶片14在转子11侧上的位置设置的定子叶片15。
被配置用于防止工作流体通过回转构件和固定部分之间的间隙泄露到外面的轮形间隔密封部分16A和16B被设置于相应内壳体12A，12B的端部和转子11的贯通部分之间。
被配置用于防止工作流体或冷却和密封流体泄露到外面的轴封式密封部分17A和17B被设置于外壳体13的两个端部与转子11的贯通部分之间。
被配置用于优化轴承J1和J2上的转子11的轴向载荷的平衡活塞部分18被设置于上游级侧上轮形间隔密封部分16A与轴封式密封部分17A之间。
供给管21A设置于涡轮机2的上游级侧的上部，高压、高温CO2通过供给管21A被作为工作流体引入。供给管21B设置于涡轮机2的上游级侧的下部，压力高于工作流体的压力的低温CO2通过供给管21B被作为冷却和密封流体引入。排气管21C设置于涡轮机2的下游级侧的下部，已经完成膨胀以及冷却和密封的气体（CO2和水蒸气）被通过排气管21C排出。
贯通孔22设置于内壳体12A，通过供给管21B引入的流体的一部分被允许通过贯通孔22流到轮形间隔密封部分16A侧和平衡活塞部分18侧。另外，平衡活塞抽取孔23设置于内壳体12A，在平衡活塞部分18处流动的流体的至少一部分在流动过程中被通过平衡活塞抽取孔23抽取，并且被允许在内壳体12A，12B和外壳体13之间流动，更具体地，被允许流到由内壳体12A和12B，外壳体13，和隔壁12C，12D包围的空间内。
间隙24设置于内壳体12A和内壳体12B之间，流经平衡活塞抽取孔23的流体的一部分经过间隙24被允许流到路径的中途（例如，特定的下游级），工作流体经过以及设置多级转子叶片14和定子叶片15的位置。
贯通孔25设置于隔壁12D，流经平衡活塞抽取孔23的流体的一部分被允许通过贯通孔25通过由内壳体12B，外壳体13，隔壁12D和轴S包围的空间流到轮形间隔密封部分16B。
在此结构中，当高温CO2被作为工作流体引入到供给管21A时，引入到供给管21A内的工作流体经过转子11和内壳体12A，12B，膨胀并且借助于转子叶片14推动转子11旋转。相比之下，当低温CO2被作为冷却和密封流体引入到供给管21B时，引入到供给管21B内的流体的一部分流到多级定子叶片15内侧（喷嘴，等），以冷却定子叶片15。另外，引入到供给管21B内的流体的另一部分经过贯通孔22。
经过贯通孔22的流体的一部分流到轮形间隔密封部分16A，并且作为密封流体密封轮形间隔密封部分16A以防止工作流体从轮形间隔密封部分16A泄露。另外，经过贯通孔22的流体的另一部分流到平衡活塞部分18。
流到平衡活塞部分18的流体的至少一部分被通过平衡活塞抽取孔23抽取，并且通过平衡活塞抽取孔23流到由内壳体12A和12B，外壳体13和隔壁12C，12D包围的空间。
通过平衡活塞抽取孔23流到该空间内的流体的一部分，在冷却四周的同时，经过间隙24，流到路径的中途（例如，特定的下游级），工作流体经过以及设置转子叶片14和定子叶片15的位置，与来自上游级侧的工作流体汇合并且与工作流体一起膨胀，并且借助于转子叶片14推动转子旋转。另外，通过平衡活塞抽取孔23流到该空间内的流体的一部分通过贯通孔25流到由内壳体12B，外壳体13，隔壁12D和轴S包围的空间，进一步流到轮形间隔密封部分16B，并且作为密封流体密封以防止工作流体从轮形间隔密封部分16B泄露。
换句话说，通过在冷却和密封流体经过平衡活塞部分18的级处抽取冷却和密封流体的至少一部分经过平衡活塞抽取孔23仍具有足够的压力，不但可以通过将要被抽取的流体冷却定子叶片15和密封轮形间隔密封部分16A，而且可以通过抽取的流体冷却内壳体12A，12B，外壳体13等或平衡壳体的温度，类似于工作流体进行膨胀，以及密封轮形间隔密封部分16B，。
为此，在不引入来自完全不同系统的用于冷却内壳体12A，12B，外壳体13等和密封轮形间隔密封部分16B的流体的情况下，必须的冷却和密封能够进行，并且能够企图改进涡轮机的输出。
已经完成膨胀、冷却和密封的大部分气体（CO2和水蒸气）被通过排气管21C排出。
如上所述，根据实施例，涡轮机可以简单的结构高效率地操作。
虽然已经描述了一些实施例，但这些实施例只通过示例呈现，并且不意于限制本发明的范围。相反，这里描述的新颖实施例可以体现为多种其它形式；另外，在不偏离本发明的实质的情况下，对这里描述的实施例形式的各种省略、替代和变化可以被制造。附属的权利要求及其等效内容意于覆盖落在本发明的范围和实质内的形式和修改。

Claims (4)

1.一种使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机（2），包括：
平衡活塞部分（18），其被配置用于利用其温度低于被引入到涡轮机（2）内的工作流体的温度的流体优化轴承（J1，J2）上的转子（11）的轴向载荷，
其中，在涡轮机（2）形成有流动路径，其中，流经平衡活塞部分（18）的流体的至少一部分被从流经的中途抽取，并且其中，被抽取的流体的至少一部分被推动而流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片（14）的通道的中途。
2.如权利要求1所述的涡轮机（2），还包括：
包围转子（11）的第一壳体（12A，12B）；和
包围第一壳体（12A，12B）的第二壳体（13），
其中，被抽取的流体的所述至少一部分在经过第一壳体（12A，12B）和第二壳体（13）之间后流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片（14）的通道的中途。
3.如权利要求2所述的涡轮机（2），其中，被抽取的流体的所述至少一部分在经过第一壳体（12A，12B）和第二壳体（13）之间后流到密封部分（16B），所述密封部分被配置用于防止工作流体从转子（11）和固定部分之间的间隙泄露。
4.一种用于使用CO2作为工作流体的单流式涡轮机（2）中的涡轮机操作方法，其中，所述方法包括：
通过平衡活塞部分（18），利用其温度低于引入到涡轮机（2）内的工作流体的温度的流体，优化轴承（J1，J2）上的转子（11）的轴向载荷；和
将流经平衡活塞部分（18）的流体的至少一部分从流经的中途抽取，并且推动被抽取的流体的至少一部分流入被工作流体流经并且设有多级转子叶片（14）的通道的中途。
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