CN103711533B - 用于机械驱动应用的有机兰金循环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机械驱动应用的有机兰金循环。描述了一种用于产生机械功率的联合热力系统。系统包括燃气涡轮(1)和由燃气涡轮(1)驱动的涡轮机(2)。系统还包括具有涡轮膨胀机(13)的热力有机兰金循环(5)。热传递布置(9a、9、11)将热从燃气涡轮的排放燃烧气体传递到热力有机兰金循环，其中，热转换成用于驱动从动涡轮机的机械功率。

Description

用于机械驱动应用的有机兰金循环
技术领域
在本文中公开的主题的实施例大致涉及用于通过热回收产生机械功率的系统。
背景技术
作为普通水-蒸汽兰金循环的备选方案，使用有机兰金循环(ORC)用于废热回收过程，并且用于驱动发电机，从而将废热转变成有用的电能。
图1示出用于产生电能的联合燃气涡轮-ORC循环。有机兰金循环用于从燃气涡轮排气中回收废热并且借助于双闭合回路系统来将它转换成电能。参考标号101指示例如用作发电机的原动机的燃气涡轮，发电机以102示意性地示出。燃气涡轮101的排放燃烧气体在热交换器103中冷却，并且借助于第一闭合回路104从其中抽取热。在第一闭合回路104中，使用透热油作为热传递流体，以将由燃气涡轮101释放的热传递到在第二闭合回路105中循环的流体。第一闭合回路104包括泵106和三个串联地布置的热交换器107、108和108a，其中，热从透热油传递到在第二闭合回路105中循环的流体。
第二闭合回路105是基于兰金原理的热力循环，其中，工作流体是有机流体，具体而言是重质碳氢化合物，例如环戊烷，或者具有合适的特性的制冷剂流体。
在第二闭合回路105中循环的工作流体分别在三个串联地布置的热交换器108a、108和107中被加热、蒸发、以及过热，并且在涡轮膨胀机109中膨胀。流体的热力特性允许进行干膨胀，即，在涡轮膨胀机109的排出口侧处的流体仍然处于气态。同流换热器(recuperator)110定位在涡轮膨胀机109的下游。在同流换热器110中，热的膨胀流体与冷的高压液体交换热，该高压液体通过使冷凝器112中的膨胀流体冷凝，然后借助于泵113在热力循环的所需上压力下泵送冷凝物而获得。由泵113输送的液体被泵送穿过同流换热器110，然后穿过预热器、蒸发器和过热器交换器108a、108、107，从而接通回路。
涡轮膨胀机109机械地连接于发电机115，发电机115将可在涡轮膨胀机109的输出轴上获得的机械功率转换成电功率。
在两个闭合回路中循环的透热油和有机流体允许有效地利用低温热源来在较广的功率输出范围内产生电能。
发明内容
本公开的实施例提供一种用于产生机械功率的联合热力系统，包括：燃气涡轮；涡轮机，其由所述燃气涡轮驱动；热力有机兰金循环，其包括涡轮膨胀机；热传递布置，其用于将热从所述燃气涡轮的排放燃烧气体传递到所述热力有机兰金循环；从动涡轮机，其由所述涡轮膨胀机驱动。有利地，所述涡轮膨胀机是整体齿轮式(integrally geared)多级涡轮膨胀机。在一些实施例中，由燃气涡轮和有机兰金循环的涡轮膨胀机驱动的涡轮机各自可包括一个或多个压缩机，例如离心压缩机或压缩机组。
两个热力循环都用于机械驱动目的。系统有利地用于如下设备中，即，其中需要机械功率用于驱动一个或多个涡轮机，并且其中既不需要产生也不便产生电功率。使用有机兰金循环使得系统特别适合用于水无法获得或不足以运行水-蒸汽兰金循环的地方。
系统可用于油-气装置和设备中。例如，燃气涡轮和涡轮膨胀机可用来驱动管道压缩站或天然气液化系统的压缩机。
根据又一方面，本公开还涉及一种用于产生机械功率且驱动涡轮机的方法，包括以下步骤：
提供燃气涡轮；
使用所述燃气涡轮产生机械功率，并且使用机械功率驱动涡轮机；
将热从所述燃气涡轮的排放燃烧气体传递到有机兰金循环；
借助于多级整体齿轮式多级涡轮膨胀机，使用所述有机兰金循环产生机械功率，并且使用机械功率驱动涡轮机。
一种用于产生机械功率的联合热力系统，包括：燃气涡轮；涡轮机，其由燃气涡轮驱动；热力有机兰金循环，其包括整体齿轮式多级涡轮膨胀机；热传递布置，其用于将热从燃气涡轮的排放燃烧气体传递到热力有机兰金循环；从动涡轮机，其由涡轮膨胀机驱动。
优选地，从动涡轮机是压缩机，并且优选为离心压缩机。
优选地，热传递布置包括闭合热传递回路、在热传递回路中循环的热传递流体，从而将热从排放燃烧气体传递到热力有机兰金循环。
优选地，由燃气涡轮驱动的涡轮机包括压缩机或压缩机组。
优选地，包括机械变速器，以将整体齿轮式多级涡轮膨胀机与由涡轮膨胀机驱动的涡轮机机械地联接。
优选地，机械变速器包括具有两个驱动入口轴和一个从动出口轴的齿轮箱。
优选地，两个驱动入口轴的第一入口轴连接到整体齿轮式多级涡轮膨胀机的第一级的第一叶轮上。
优选地，两个驱动入口轴的第二入口轴连接到整体齿轮式多级涡轮膨胀机的第二级的第二叶轮上。
优选地，第一级是整体齿轮式多级涡轮膨胀机的高压级。
优选地，第二级是整体齿轮式多级涡轮膨胀机的低压级。
优选地，出口轴连接到从动涡轮机的轴上。
一种用于产生机械功率且驱动涡轮机的方法，包括以下步骤：提供燃气涡轮；使用燃气涡轮产生机械功率，并且使用机械功率驱动涡轮机；将热从燃气涡轮的排放燃烧气体传递到有机兰金循环；借助于多级整体齿轮式多级涡轮膨胀机，使用有机兰金循环产生机械功率，并且使用机械功率驱动涡轮机。
优选地，该方法还包括以下步骤：提供包括闭合热传递回路的热传递布置；使在热传递回路中循环的热传递流体循环；借助于热传递流体，将热从排放燃烧气体传递到热力有机兰金循环。
特征和实施例在此在下面公开，并且在所附权利要求中进一步阐述，所附权利要求形成本描述的整体部分。以上简要描述阐述了本发明的多种实施例的特征，以便可更好地理解下面的详细描述，并且以便可更好地意识到本发明对本领域的贡献。当然，存在本发明的其他特征，其将在下面描述，而且将在所附权利要求中阐述。在这方面，在详细解释本发明的若干实施例之前，要理解的是，本发明的多种实施例在它们的应用方面不限于结构的细节，而且不限于在以下描述中阐述的或在图中示出的构件的布置。本发明能够具有其他实施例，而且能够以多种方式实践和执行。而且，要理解的是，在本文中采用的措词和术语是用于描述目的，而不应被视为限制。
因而，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的构思可容易地用作用于设计实现本发明的若干目的的其他结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是认为权利要求包括此种等同结构，只要它们不偏离本发明的精神和范围。
附图说明
将容易地获得本发明的公开的实施例及其许多附带的优点的更完整的理解，因为当结合附图来考虑时，通过参照以下详细描述，将更好地理解本发明的公开的实施例及其许多附带的优点，其中：
图1示出根据相关技术的联合燃气涡轮-ORC系统；
图2示出根据本公开的、用于机械驱动目的的联合燃气涡轮-ORC系统；
图3和图4示意性地示出两级涡轮膨胀机的主要特征。
具体实施方式
示范实施例的以下详细描述参照了附图。不同图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。另外，图未必按比例绘制。而且，以下详细描述不限制本发明。而本发明的范围是由所附权利要求限定的。
贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的参照表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，贯穿说明书在各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指的是相同的(多个)实施例。而且，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
参照图2，参考标号1表示用于驱动负载2的燃气涡轮。在一些示范实施例中，负载可为压缩机或压缩机组。例如，燃气涡轮1可用来驱动天然气液化设备或管道压缩站中的一个或多个压缩机。在一些实施例中，燃气涡轮1可为重型涡轮。在其他实施例中，燃气涡轮1可为航改式(aeroderivative)燃气涡轮。
燃气涡轮1产生高温燃烧气体。在将燃烧气体排出到大气中之前，使用下面在此公开的有机兰金循环来至少部分地回收包含在燃烧气体中的废热。
为了回收热，在图2的示范实施例中，燃烧气体在排出到大气中之前流动穿过热回收交换器3。
第一闭合回路4用来从热交换器3中移除热，并且将它传递到第二闭合回路5。在第一闭合回路4中，例如透热油的热传递流体用来将从燃烧气体中移除的热传递到第二闭合回路5中。参考标号6表示第一闭合回路4的循环泵。
第二闭合回路5是热力循环，并且更具体而言是有机兰金循环。在第二闭合回路5中循环的过程流体经受热力转变，包括冷凝、泵送、加热、蒸发、过热、膨胀，以使热能转变成机械能。例如环戊烷的合适的工作流体或能够用于有机兰金循环中的另一种合适的有机流体在第二闭合回路5中循环。
在一些示范实施例中，第二闭合回路5包括循环泵7、预热器9a、蒸发器9、过热器11、涡轮膨胀机13、同流换热器15和冷凝器17。如本领域技术人员已知的那样，在回路中可存在额外的构件，例如膨胀容器。
在第二闭合回路5中循环的液态工作流体被循环泵7在第一高压水平下泵送。加压流体在预热器9a、蒸发器9和过热器11中借助于在第一闭合回路4中循环的流体所回收的热而被加热。可提供不同数量和布置的热交换器，例如仅两个热交换器，分别是加热器和过热器。
在过热器11的出口处，在第二闭合回路5中循环的工作流体处于过热的气态、高压状态。然后高压过热工作流体在涡轮膨胀机13中膨胀。在第二低压水平下离开涡轮膨胀机13的排放流体流动穿过热同流换热器15，并且最终在冷凝器17中冷凝。例如借助于冷凝工作流体与外部空气或水之间的热交换来实现冷凝。
在同流换热器15中，包含在离开涡轮膨胀机13的膨胀流体中的低温热与由循环泵7输送的处于液态的冷的加压流体进行交换。
在图2中示出的示范实施例中，涡轮膨胀机13用作用于驱动负载的机械驱动器。涡轮膨胀机13可借助于机械变速器19而机械地连接到从动涡轮机21上。例如，从动涡轮机21可为压缩机，例如离心压缩机或轴流式压缩机。在其他实施例中，涡轮机21可为泵或另一种从动涡轮机。
在一些示范实施例中(未示出)，可省略第一闭合回路4。在这种情况下，热从燃气涡轮排出口直接传递到有机兰金循环。加热器9和过热器11可结合到热交换器3中。获得热损耗降低且系统的总体效率提高的更紧凑的设备。
在一些实施例中，涡轮膨胀机13可为多级的整体齿轮式涡轮膨胀机。在图2中，涡轮膨胀机13表示为两级的整体齿轮式涡轮膨胀机。
因而，包含在从燃气涡轮1排出的燃烧气体中的一部分热转变成有用的机械功率，从而提高系统的总体效率，以及由此产生的总机械功率。
已经描述了上述热回收系统用于改进燃气涡轮设备的效率，其中，燃气涡轮的热燃烧气体在排放到大气中之前被冷却。燃烧气体的温度范围适于使用有机兰金循环来将热转变成机械功率。热力循环不需要水，并且因此可用于无法获得水并且不可使用普通的蒸汽循环的情况。
例如离心压缩机的从动涡轮机21例如可用来处理LNG系统中的制冷剂流体，或者可用来运送管道中的气体。
图3和图4示意性地示出可用于图2中的ORC循环5中的两级涡轮膨胀机13的主要特征。涡轮膨胀机13包括第一高压级13A和第二低压级13B。工作流体进入涡轮膨胀机13的第一高压级13A，离开第一涡轮膨胀机级13A，以穿过管道24而输送到涡轮膨胀机13的第二低压级13B的入口。
机械变速器19设置在两级涡轮膨胀机13与从动涡轮机21之间。
在图3的示范实施例中，机械变速器19包括具有两个驱动入口轴和一个从动出口轴的齿轮箱20。所述驱动入口轴是整体齿轮式多级涡轮膨胀机13的轴。出口轴连接于从动涡轮机21的轴。参考标号31A表示第一入口轴，涡轮膨胀机13的第一高压级13A的第一叶轮连接在其上。因此，第一入口轴31A以涡轮膨胀机13的第一高压级的叶轮的旋转速度旋转。涡轮膨胀机13的第二低压级13B的叶轮连接在第二入口轴31B上，第二入口轴31B以涡轮膨胀机13的第二低压级13B的叶轮的旋转速度旋转。
图4以根据图3的线IV-IV的正视图示出机械变速器19的示意性图示，如在图4中最佳地显示的那样，齿轮箱20包括安装在第一入口轴31A上的第一齿轮33A和安装在第二入口轴31B上的第二齿轮33B。两个齿轮33A和33B与中心冕状轮34啮合。齿轮箱20的第三齿轮33C安装在输出轴19A上，输出轴19A例如通过接头22而连接于从动涡轮机21的轴。
第一齿轮33A、第二齿轮33B和第三齿轮33C有利地具有小于中心冕状轮34的直径的直径。
在一些实施例中，第三齿轮33C具有小于中心冕状轮34的直径的直径，以便增大连接到从动涡轮机21上的输出轴19A的旋转速度。
输出轴19A的较高速度允许容易地驱动需要以较高的旋转速度旋转的离心压缩机21。
第一齿轮33A和第二齿轮33B具有不同的直径，以便对涡轮膨胀机13的所述第一和第二级的各个叶轮提供最佳旋转速度。
有利地，该整体齿轮式解决方法在LNG系统或管道压缩站中特别有用。
另外，图3和图4的实施例改进膨胀阶段的效率，因为各个叶轮可以以其最佳旋转速度旋转。
此外，包括多个叶轮的实施例允许利用高压过热工作流体的全部压降。
虽然已经在图中示出并且结合若干示范实施例在上面精确且详细地充分描述了在本文中描述的主题的公开实施例，但对本领域技术人员将是显而易见的是，许多修改、改变和省略是可行的，而不实质性地偏离在本文中阐述的新颖教导、原理和构思、以及在所附权利要求中陈述的主题的优点。因此，公开的新方案的恰当范围应当仅由所附权利要求的最宽解释决定，以便包含所有此种修改、改变和省略。此外，任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (9)

1.一种用于产生机械功率的联合热力系统，包括：
燃气涡轮；
涡轮机，其包括压缩机或压缩机组并且由所述燃气涡轮驱动；
热力有机兰金循环，其包括整体齿轮式多级涡轮膨胀机；
热传递布置，其用于将热从所述燃气涡轮的排放燃烧气体传递到所述热力有机兰金循环，其中所述热传递布置包括闭合热传递回路，热传递流体在所述闭合热传递回路中循环，从而将热从所述排放燃烧气体传递到所述热力有机兰金循环；
从动涡轮机，其包括压缩机并且由所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机驱动；以及
机械变速器，用于将所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机与由所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机驱动的所述从动涡轮机机械地联接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械变速器包括具有两个驱动入口轴和一个从动出口轴的齿轮箱。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述两个驱动入口轴的第一入口轴连接到所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机的第一级的第一叶轮上。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述两个驱动入口轴的第二入口轴连接到所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机的第二级的第二叶轮上。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一级是所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机的高压级。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二级是所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机的低压级。
7.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述从动出口轴连接到所述从动涡轮机的轴上。
8.一种用于操作根据权利要求1-7中任一项所述的联合热力系统的方法，包括以下步骤：
提供燃气涡轮；
使用所述燃气涡轮产生机械功率，并且使用所述燃气涡轮的机械功率驱动涡轮机；
将热从所述燃气涡轮的排放燃烧气体传递到热力有机兰金循环；
借助于整体齿轮式多级涡轮膨胀机，使用所述热力有机兰金循环产生机械功率，并且使用所述整体齿轮式多级涡轮膨胀机的机械功率驱动从动涡轮机。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：提供包括闭合热传递回路的热传递布置；使在所述闭合热传递回路中循环的热传递流体循环；借助于所述热传递流体，将热从所述排放燃烧气体传递到所述热力有机兰金循环。
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