CN106014519B - 蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动联合发电或机械做功设备，设备为通过一台汇流式圆柱齿轮箱，两根输入轴用悬臂结构分别布置两种不同做功介质的透平膨胀机驱动，通过一根输出轴输电或直接做功；有机朗肯循环热源即饱和蒸汽先通过蒸汽透平冲转做功后进入蒸发器与有机工质换热，然后有机工质进入工质透平冲转做功最后回凝汽器通过工质泵完成内循环，热源蒸汽在蒸发器换热后回冷却塔再经过余热锅炉或者直接经过余热锅炉完成外循环。蒸汽循环系统不仅起到利用高品位热源的作用，还起到对热源参数的调节以及提高蒸发器换热效率的作用；有机朗肯循环起到对低品位热源进一步利用的节能环保作用。

Description

蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统

技术领域

本发明适用于蒸汽透平与有机朗肯循环设备余热利用领域，具体涉及蒸汽透平与有机朗肯循环设备发电或做功输出，是蒸汽透平与有机朗肯循环设备核心动力模块。

背景技术

目前国内对低品质热源利用率不高，造成很大的能源浪费，不符合当前国内外节能环保的宏观形势；现阶段国内对低品质热源利用主要采用螺杆膨胀机以及有机朗肯循环系统发电，其中有机朗肯循环系统发电设备的核心动力模块也分成两种，分别为螺杆机与向心透平；由于螺杆机结构与有机朗肯循环系统特性，两种主要余热利用设备都存在一些不可忽视的短板：

1)螺杆膨胀机发电或以螺杆机为动力模块的有机朗肯循环系统发电，由于螺杆机结构的局限性，造成机组功率密度比较低，热源不能充分有效利用。

2)以向心透平为动力模块的有机朗肯循环系统发电则由于系统特性对于热源参数的稳定有一定的要求，或者有时热源本身品质较好，在已有型号的ORC机组不能充分适用该热源，通常在蒸发器进口通过减温减压装置进行调节，造成不必要的浪费。

3)余热综合利用设备一般使用场地有限，对设备的整体布局以及安装运输有了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，以解决现有技术中存在的热源不能被充分利用的技术问题。

本发明提供的蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，包括蒸汽透平子系统、工质透平子系统和双驱动装置；

所述双驱动装置包括两个工质输入端和一个动力输出端，且两个所述工质输入端输入的动力叠加后从所述动力输出端输出；

所述蒸汽透平子系统包括余热锅炉、蒸汽透平、所述双驱动装置的一侧工质输入端、蒸发器的一侧、凝结性水泵和给水泵，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

所述工质透平子系统包括所述蒸发器的另一侧、所述双驱动装置的另一侧工质输入端、工质透平、凝汽器和工质泵，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

需要说明的是，所述蒸汽透平中的蒸汽热源还可以替换为烟气；

整套系统内的蒸汽全部可替换为烟气。

本发明的可选技术方案为，所述双驱动装置的两个工质输入端具有第一工质输入口、第一工质输出口、第二工质输入口和第二工质输出口；所述蒸发器具有第一侧入口、第一侧出口、第二侧入口和第二侧出口；

所述第一工质输入口与所述余热锅炉的出口连接，所述第一工质输出口与所述蒸发器的第一侧入口连接；

所述第二工质输入口与所述蒸发器的第二侧出口连接，所述第二工质输出口与所述凝汽器的入口连接。

本发明的可选技术方案为，所述双驱动装置为双涡轮驱动设备；

所述双涡轮驱动设备包括箱体、第一输入轴、第二输入轴、输出轴、第一涡轮组以及第二涡轮组；

第一输入轴、第二输入轴和所述输出轴均设置在所述箱体内部，且所述第一输入轴和所述第二输入轴分别通过齿轮或齿轮组与所述输出轴连接，使两个所述输入轴的动力叠加后通过所述输出轴的输出；

所述第一涡轮组与所述第一输入轴连接，并在所述箱体的外表面悬臂布置；所述第二涡轮组与所述第二输入轴连接，并在所述箱体的外表面悬臂布置。

本发明的可选技术方案为，所述第一涡轮组包括第一涡壳、第一喷嘴、第一叶轮和第一壳体，所述第一涡壳通过螺栓与所述第一壳体固定在箱体的一侧端面，所述第一喷嘴位于所述第一涡壳的末端，并通过防转销与所述第一壳体固定在所述第一涡壳上；所述第一叶轮设置在所述第一壳体内部，并与所述第一输入轴同轴固定连接；所述第一蜗壳的两端分别作为第一工质输入口和第一工质输出口；

所述第二涡轮组包括第二涡壳、第二喷嘴、第二叶轮和第二壳体，所述第二涡壳通过螺栓与所述第二壳体固定在箱体的一侧端面，所述第二喷嘴位于所述第二涡壳的末端，并通过防转销与所述第二壳体固定在所述第二涡壳；所述第二蜗壳的两端分别作为第二工质输入口和第二工质输出口。

本发明的可选技术方案为，所述第一涡轮组与所述第二涡轮组分别设置在所述箱体相对的两个侧面，所述第一输入轴、所述第二输入轴与所述输出轴之间采用汇流式齿轮传动的连接类型。

本发明的可选技术方案为，所述蒸汽透平子系统的凝结性水泵与所述给水泵之间还连接有除氧器，所述除氧器还设置有用于补水的入口。

本发明的可选技术方案为，所述蒸汽透平子系统和所述工质透平子系统内的各部件间通过管道和阀门连接。

本发明的可选技术方案为，所述第一涡轮组、所述第二涡轮组与所述箱体连接为一体。

本发明的可选技术方案为，所述输出轴的轴径分别大于所述第一输入轴的轴径和所述第二输入轴的轴径。

本发明的可选技术方案为，所述第一叶轮与所述第一输入轴采用过盈或者键或型面或端面齿连接；所述第二叶轮与所述第二输入轴采用过盈或者键或型面或端面齿连接；

需要说明的是，所述余热锅炉内输出热源蒸汽，经过所述蒸汽透平和所述双涡轮驱动装置的第二涡轮组的出口进入所述蒸发器，在所述第二涡轮组内带动所述第一叶轮旋转，进而带动所述第一输入轴转动，由于齿轮或齿轮组的动力传递，由输出轴输出做功，即在所述第二涡轮组内将部分热能转化成机械能，然后余热热源蒸汽通过所述蒸发器进入所述第一涡轮组的入口，在所述第一涡轮组内带动所述第二叶轮旋转，进而带动所述第二输入轴转动，由于齿轮或齿轮组的动力传递，由输出轴输出做功，即在所述第一涡轮组内将部分热能转化成机械能，做功剩余的热源蒸汽为低品位热源，低品位热源再通过蒸发器流入工质透平子系统，与工质透平子系统的有机工质进行热能换热，使工质透平内的有机工质升温升压将热能转化为机械能，低品位热源低温液化并经过凝汽器和工质泵再进入所述蒸发器，再由所述蒸发器流经所述凝结性水泵和所述给水泵，回到所述余热锅炉进行热源蒸汽的循环转化。

需要说明的是：所述第一涡轮组、所述第二涡轮组分别悬臂布置在所述箱体的两端，两个所述涡轮的进口方向相同，以保证所述第一叶轮和所述第二叶轮相对所述输出轴的旋转方向相同，传动类型采用汇流式齿轮布局方式，所述第一输入轴和所述第二输入轴分别布置在所述输出轴两侧；两个涡轮组中涡壳与壳体连接并一起通过螺栓固定在箱体两侧端面，叶轮与输入轴采用过盈或者键或型面或端面齿连接，喷嘴通过密封壳体及防转销固定在涡壳上；输入轴端采用机械密封结构密封。

所述的第一涡轮组、第二涡轮组与箱体连接一体；热源蒸汽先为第一涡轮组提供压力能做功后再为第二涡轮组的有机工质提供热能换热，使有机工质升温升压推动第二涡轮组旋转做功。第二涡轮组的入口与蒸发器出口用管道相连，蒸发器入口与第一涡轮组的出口相连。

本发明的有益效果为：

本发明可广泛用于各领域的不同低品位参数热源，是一种梯级利用节能系统集成技术；

从蒸汽透平做功外循环的角度考虑，有机朗肯循环到对蒸汽循环系统余热进一步利用；从工质透平做功内循环的角度考虑，由于系统特性对于热源参数的稳定有一定的要求，或者热源本身品质较好，在ORC机组不能充分使用该热源时，蒸汽透平可实现减温减压功能，没有造成不必要的能量损失；

本发明两种透平驱动双输入单输出齿轮箱做功，齿轮传动效率高，辅机配置简单、一体化布局结构紧凑、安装运输方便，输出端能够与单台发电机联接，方便电能传输和并网，降低成本；输出端能够与水泵和风机等设备联接，可用作驱动，调节蒸发器输出同时实现CHP或CCHP。其中，ORC为有机朗肯循环工质透平系统的英文缩写；CHP为大型热电联产的英文缩写；CCHP为冷热电三联供的英文缩写，即指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用余热锅炉或者余热等向用户供热、供冷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统方案图。

图2为本发明的驱动装置的结构示意图。

图3为本发明的驱动装置的结构半剖图。

图4为本发明的箱体内的汇流式齿轮传动机构简图。

附图标记：

1-第一涡壳； 2-第一叶轮；

3-第一喷嘴； 4-第一壳体；

5-机械密封； 6-第一输入轴；

7-齿轮； 8-第二输入轴；

9-机械密封； 10-第二壳体；

11-第二喷嘴； 12-第二叶轮；

13-第二涡壳； 14-输出轴；

15-箱体； 16-余热锅炉；

17-蒸汽透平； 18-凝结性水泵；

19-除氧器； 20-给水泵；

21-蒸发器； 22-工质透平；

23-凝汽器； 24-工质泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1-4所示，本实施例提供的一种蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，包括蒸汽透平子系统、工质透平子系统和双驱动装置；

双驱动装置包括两个工质输入端和一个动力输出端，且两个工质输入端输入的动力叠加后从动力输出端输出；

蒸汽透平子系统包括余热锅炉16、蒸汽透平17、双驱动装置的一侧工质输入端、蒸发器21的一侧、凝结性水泵18和给水泵20，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

工质透平子系统包括蒸发器21的另一侧、双驱动装置的另一侧工质输入端、工质透平22、凝汽器23和工质泵24，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

需要说明的是，蒸汽透平17中的蒸汽热源还可以替换为烟气；

整套系统内的蒸汽全部可替换为烟气。

本实施例的可选技术方案为，双驱动装置的两个工质输入端具有第一工质输入口、第一工质输出口、第二工质输入口和第二工质输出口；蒸发器21具有第一侧入口、第一侧出口、第二侧入口和第二侧出口；

第一工质输入口与余热锅炉16的出口连接，第一工质输出口与蒸发器21的第一侧入口连接；

第二工质输入口与蒸发器21的第二侧出口连接，第二工质输出口与凝汽器23的入口连接。

本实施例的可选技术方案为，双驱动装置为双涡轮驱动设备；

双涡轮驱动设备包括箱体15、第一输入轴6、第二输入轴8、输出轴14、第一涡轮组以及第二涡轮组；

第一输入轴6、第二输入轴8和输出轴14均设置在箱体15内部，且第一输入轴6和第二输入轴8分别通过齿轮7或齿轮组与输出轴14连接，使两个输入轴的动力叠加后通过输出轴14的输出；

第一涡轮组与第一输入轴6连接，并在箱体15的外表面悬臂布置；第二涡轮组与第二输入轴8连接，并在箱体15的外表面悬臂布置。

本实施例的可选技术方案为，第一涡轮组包括第一涡壳1、第一喷嘴3、第一叶轮2和第一壳体4，第一涡壳1通过螺栓与第一壳体4固定在箱体15的一侧端面，第一喷嘴3位于第一涡壳1的末端，并通过防转销与第一壳体4固定在第一涡壳1上；第一叶轮2设置在第一壳体4内部，并与第一输入轴6同轴固定连接；第一蜗壳的两端分别作为第一工质输入口和第一工质输出口；

第二涡轮组包括第二涡壳13、第二喷嘴11、第二叶轮12和第二壳体10，第二涡壳13通过螺栓与第二壳体10固定在箱体15的一侧端面，第二喷嘴11位于第二涡壳13的末端，并通过防转销与第二壳体10固定在第二涡壳13；第二蜗壳的两端分别作为第二工质输入口和第二工质输出口。

本实施例的可选技术方案为，第一涡轮组与第二涡轮组分别设置在箱体15相对的两个侧面，第一输入轴6、第二输入轴8与输出轴14之间采用汇流式齿轮传动的连接类型。

本实施例的可选技术方案为，蒸汽透平子系统的凝结性水泵18与给水泵20之间还连接有除氧器19，除氧器19还设置有用于补水的入口。

本实施例的可选技术方案为，蒸汽透平子系统和工质透平子系统内的各部件间通过管道和阀门连接。

本实施例的可选技术方案为，第一涡轮组、第二涡轮组与箱体15连接为一体。

本实施例的可选技术方案为，输出轴14的轴径分别大于第一输入轴6的轴径和第二输入轴8的轴径。

本实施例的可选技术方案为，第一叶轮2与第一输入轴6采用过盈或者键或型面或端面齿连接；第二叶轮12与第二输入轴8采用过盈或者键或型面或端面齿连接；

需要说明的是，余热锅炉16内输出热源蒸汽，经过蒸汽透平17和双涡轮驱动装置的第二涡轮组的出口进入蒸发器21，在第二涡轮组内带动第一叶轮22旋转，进而带动第一输入轴6转动，由于齿轮或齿轮组的动力传递，由输出轴14输出做功，即在第二涡轮组内将部分热能转化成机械能，然后余热热源蒸汽通过蒸发器21进入第一涡轮组的入口，在第一涡轮组内带动第二叶轮12旋转，进而带动第二输入轴8转动，由于齿轮7或齿轮组的动力传递，由输出轴14输出做功，即在第一涡轮组内将部分热能转化成机械能，做功剩余的热源蒸汽为低品位热源，低品位热源再通过蒸发器21流入工质透平子系统，与工质透平子系统的有机工质进行热能换热，使工质透平22内的有机工质升温升压将热能转化为机械能，低品位热源低温液化并经过凝汽器23和工质泵24再进入蒸发器21，再由蒸发器21流经凝结性水泵18和给水泵20，回到余热锅炉16进行热源蒸汽的循环转化。

需要说明的是：第一涡轮组、第二涡轮组分别悬臂布置在箱体15的两端，两个涡轮的进口方向相同，以保证第一叶轮2和第二叶轮12相对输出轴14的旋转方向相同，传动类型采用汇流式齿轮布局方式，第一输入轴6和第二输入轴8分别布置在输出轴14两侧；两个涡轮组中涡壳与壳体连接并一起通过螺栓固定在箱体15两侧端面，叶轮与输入轴采用过盈或者键或型面或端面齿连接，喷嘴通过密封壳体及防转销固定在涡壳上；输入轴端采用机械密封5结构密封。

第一涡轮组、第二涡轮组与箱体15连接一体；热源蒸汽先为第一涡轮组提供压力能做功后再为第二涡轮组的有机工质提供热能换热，使有机工质升温升压推动第二涡轮组旋转做功。第二涡轮组的入口与蒸发器21出口用管道相连，蒸发器21入口与第一涡轮组的出口相连。

本实施例的有益效果为：

本实施例的设备可广泛用于不同参数较低品位热源，是一种对低品位热源利用率大效率比较高的余热综合利用环保技术，发电能够满足其厂区基本要求或者作为辅助动力输出；设备整体布局合理紧凑，安装运输方便；

蒸汽透平17做功循环与有机朗肯循环两套系统有机结合互补，提高热源利用率，减少损耗，同时两套相似结构的涡轮通过汇流式齿轮箱一根轴输出的布局方式，提高了机械效率，并且整体结构简单，便于安装、检修和调整。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于，包括蒸汽透平子系统、工质透平子系统和双驱动装置；

所述双驱动装置包括两个工质输入端和一个动力输出端，且两个所述工质输入端输入的动力叠加后从所述动力输出端输出；

所述蒸汽透平子系统包括余热锅炉、蒸汽透平、所述双驱动装置的一侧工质输入端、蒸发器的一侧、凝结性水泵和给水泵，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

所述工质透平子系统包括所述蒸发器的另一侧、所述双驱动装置的另一侧工质输入端、工质透平、凝汽器和工质泵，且上述各部件顺次连接并形成独立的循环系统；

所述双驱动装置的两个工质输入端具有第一工质输入口、第一工质输出口、第二工质输入口和第二工质输出口；所述蒸发器具有第一侧入口、第一侧出口、第二侧入口和第二侧出口；

所述第一工质输入口与所述余热锅炉的出口连接，所述第一工质输出口与所述蒸发器的第一侧入口连接；

所述第二工质输入口与所述蒸发器的第二侧出口连接，所述第二工质输出口与所述凝汽器的入口连接；

所述双驱动装置为双涡轮驱动设备；

所述双涡轮驱动设备包括箱体、第一输入轴、第二输入轴、输出轴、第一涡轮组以及第二涡轮组；

第一输入轴、第二输入轴和所述输出轴均设置在所述箱体内部，且所述第一输入轴和所述第二输入轴分别通过齿轮或齿轮组与所述输出轴连接，两个所述输入轴的动力叠加后通过所述输出轴输出；

所述第一涡轮组与所述第一输入轴连接，并在所述箱体的外表面悬臂布置；所述第二涡轮组与所述第二输入轴连接，并在所述箱体的外表面悬臂布置；

所述第一涡轮组与所述第二涡轮组分别设置在所述箱体相对的两个侧面，所述第一输入轴、所述第二输入轴与所述输出轴之间采用汇流式齿轮传动的连接类型；

所述第一涡轮组包括第一涡壳，所述第一涡壳的两端分别作为第一工质输入口和第一工质输出口；

所述第二涡轮组包括第二涡壳，所述第二涡壳的两端分别作为第二工质输入口和第二工质输出口。

2.根据权利要求1所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述第一涡轮组还包括第一喷嘴、第一叶轮和第一壳体，所述第一涡壳通过螺栓与所述第一壳体固定在箱体的一侧端面，所述第一喷嘴位于所述第一涡壳的末端，并通过防转销与所述第一壳体固定在所述第一涡壳上；所述第一叶轮设置在所述第一壳体内部，并与所述第一输入轴同轴固定连接；

所述第二涡轮组还包括第二喷嘴、第二叶轮和第二壳体，所述第二涡壳通过螺栓与所述第二壳体固定在箱体的一侧端面，所述第二喷嘴位于所述第二涡壳的末端，并通过防转销与所述第二壳体固定在所述第二涡壳。

3.根据权利要求1或2所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述蒸汽透平子系统的凝结性水泵与所述给水泵之间还连接有除氧器，所述除氧器还设置有用于补水的入口。

4.根据权利要求1或2所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述蒸汽透平子系统和所述工质透平子系统内的各部件间通过管道和阀门连接。

5.根据权利要求1所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述第一涡轮组、所述第二涡轮组与所述箱体连接为一体。

6.根据权利要求1所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述输出轴的轴径分别大于所述第一输入轴的轴径和所述第二输入轴的轴径。

7.根据权利要求2所述蒸汽透平与有机朗肯循环工质透平双驱动系统，其特征在于：所述第一叶轮与所述第一输入轴采用键或型面或端面齿连接；所述第二叶轮与所述第二输入轴采用键或型面或端面齿连接。