CN108150233A - 一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机 - Google Patents

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霍耀武
王江峰
赵攀
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Abstract

本发明公开了一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，包括高压缸、减速器、中压缸、低压缸和电机；高压缸转速大于中压缸的转速；高压缸与减速器连接，减速器与中压缸连接，中压缸与低压缸设置在同一根传动轴上，传动轴的输出端与电机连接。该汽轮机高压缸采用高转速设计，有效解决了水和二氧化碳混合工质无法在常规汽轮机中做功的问题，然后通过减速机与中压缸和低压缸连接，有效降低了需要开发的部件数量，节省研发时间，实现了能力的最大化利用，有效提高能源的利用效率，对国家节能环保和能源安全有重要意义。

Description

一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机
【技术领域】
本发明涉及发电设备领域，特别涉及一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机。
【背景技术】
我国以煤炭为主的能源结构在短期内不会改变，传统的燃煤发电技术利用煤炭在锅炉中燃烧直接放热，将煤炭的化学能转化为热能来加热给水，产生水蒸汽推动汽轮机做功发电。常规的煤气化技术利用煤炭在气化炉中进行部分氧化、气化反应制取合成气。在以上两类过程中，煤炭能量品质损耗大，同时产生了大量的SOx、NOx和固体颗粒物等污染产物，加重了空气污染程度，减排成本高。迫切需要一种全新的煤炭高效清洁发电技术，以解决我国存在的能源短缺、环境污染问题。
新型煤气化技术利用超临界水高扩散性、高溶解性的优点，为煤的气化提供了均相反应环境，煤炭中的碳可以在超临界水中高效还原水中的氢，并实现完全气化，产生超临界水、二氧化碳和氢气混合工质。煤炭中所含的硫和氮及重金属元素以沉渣型式集中排出，并且可以作为资源加以有效利用，从源头上杜绝了各种污染物的产生与排放。煤炭高效气化反应产生的水、二氧化碳和氢气混合工质除了燃烧外，也可以通过氢气分离获得超临界水和二氧化碳混合工质，经过换热、微粒分离等过程后，进行热功转化发电。
由于水和二氧化碳混合工质的超临界特性，混合工质中二氧化碳的组分占到8-10％，而超临界二氧化碳密度远高于水蒸气，能量密度高，单位焓降大，做功能力也远大于水蒸气，根据水和二氧化碳混合工质汽轮机的设计功率及效率的要求，汽轮机转速为5000-10000转/分，远远大于汽轮机常规转速3000转/分，因此现有的汽轮机不能满足新型煤化气超临界混合工质的做功要求。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，能够适应超临界混合工质的做功要求，提高了汽轮机做功效率，增大了工质单位输出功。
本发明采用以下技术方案：
一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，汽轮机用于与超临界水汽化炉连接，包括高压缸、减速器、中压缸、低压缸和电机；高压缸转速大于中压缸的转速；高压缸与减速器连接，减速器与中压缸连接，中压缸与低压缸设置在同一根传动轴上，传动轴的输出端与电机连接；
高压缸的入口与超临界水汽化炉的超临界蒸汽出口连接，高压缸的出口与超临界水汽化炉的主蒸汽入口连接，超临界水汽化炉的主蒸汽出口与中压缸的入口连接，中压缸的出口与低压缸的入口连接。
进一步，所述低压缸包括第一低压缸和第二低压缸；第一低压缸和第二低压缸对称设置在传动轴上；第一低压缸和第二低压缸均与中压缸的出口连接。
进一步，所述高压缸的入口参数为20MPa，温度大于300℃，转速为5000-1000转/分。
进一步，所述中压缸和低压缸的转速均为3000转/分。
进一步，超临界混合工质在高压缸做功后，进入超临界水汽化炉并加热到主蒸汽温度，再依次进入中压缸和低压缸中做功。
进一步，所述低压缸的出口与抽吸系统连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，超临界混合工质进入高压缸中，由于高压缸采用高转速设计，因此能够满足超临界混合工质的做功需求，同时减小了高压缸的尺寸，提高了高压缸的热效率，进而提高了系统整体的热效率；高压缸的转速经过减速器后减速，实现了高压缸与中压缸的转速的一致，混合工质在超临界水汽化炉中重新加热至主蒸汽温度后再依次进入中压缸和低压缸做功，实现了能量的最大化利用。
中压缸和低压缸采用常规转速设计，有效降低了需要开发的部件数量，节省研发时间，降低了制造成本。
混合工质在中压缸做功以后体积膨胀，为平衡轴向推力，低压缸采取分缸对称布置，同时避免末级叶片过长带来的强度问题。
【附图说明】
图1是本发明汽轮机的结构示意图。
其中：1.超临界水汽化炉；2.高压缸；3.减速器；4.中压缸；5.低压缸；6.电机。
【具体实施方式】
本发明提供一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，实现了汽轮机排气中H2O/CO2的彻底分离，提高了能源的利用率。
如图1所示，一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，包括高压缸2、减速器3、中压缸4和低压缸5；其中，高压缸2与减速器3连接，减速器3与中压缸4连接，中压缸4与低压缸5设置在同一根传动轴上，传动轴带动电机6工作。
高压缸2的入口通过管道与超临界水汽化炉1的超临界蒸汽出口连接，高压缸2的出口通过管道与超临界水汽化炉1的主蒸汽入口连接，超临界水汽化炉1的主蒸汽出口与中压缸4的入口连接，中压缸4的出口与低压缸5的入口连接，低压缸5与抽吸系统连接。
低压缸5为两台，两台低压缸同轴对称设置，能够保证通流面积，避免低压末级叶片过长，同时使低压缸5轴向推力相互抵消，减小止推轴承的尺寸。
超临界混合工质入口参数压力为15-25MPa，温度大于300℃-400℃。
高压缸2的入口参数为20MPa，温度大于300℃；高压缸的转速为5000-1000转/分。
中压缸和低压缸的转速均为3000转/分。
下面对本发明提供的一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机的工作原理进行详细的描述。
煤炭和水经超临界水汽化炉1加热，发生气化反应后产生超临界水和二氧化碳的混合工质，超临界水和二氧化碳混合工质由超临界蒸汽出口流出，通过管道自高压缸的入口进入高压缸进行做功，做功完成后水和二氧化碳混合工质自高压缸的出口排出，为了最大限度进行能量回收，高压缸排出的水和二氧化碳混合工质通过管道从超临界水汽化炉1的主蒸汽入口进入到超临界水汽化炉1中，水和二氧化碳混合工质在超临界水汽化炉1中重新加热到与主蒸汽相同的温度，此时混合工质已经不是超临界状态，加热后的水和二氧化碳混合工质由临界水汽化炉1的主蒸汽出口排出，并通过管道进入中压缸做功，做功完成后由中压缸的出口排出，再次进入两台对称设置的低压缸5中进行做功带动传动轴旋转，传动轴带动发电机工作。
超临界混合工质进入高压缸2中，由于高压缸采用高转速设计，因此能够满足超临界混合工质的做功需求，同时减小了高压缸的尺寸，提高了高压缸的热效率，进而提高了系统整体的热效率；高压缸2经过减速器3后减速，实现高压缸2与中压缸4的保持转速一致，混合工质在中压缸做功以后体积急剧膨胀，因此低压缸5采取分缸布置，保证通流面积，避免低压末级叶片过长及轴向推力过大。
高压缸采用高转速设计，高压缸与中压缸之间设置减速器3完成转速变换，使得中压缸和低压缸仍采用常规转速设计，这样就可以连接常规发电机进行发电，有效解决了水和二氧化碳混合工质无法在常规汽轮机中做功的问题，同时有效减少了新部件的开发数量，降低了制造成本。
本发明提供的一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，对高压缸采用高转速设计，有效解决了水和二氧化碳混合工质无法在常规汽轮机中做功的问题，然后通过减速机与中压缸连接，中压缸仍采用常规转速设计，有效降低了需要开发的部件数量，节省研发时间。采用水和二氧化碳混合工质做功的汽轮机，提高了汽轮机发电效率，增大了工质单位输出功。
超临界二氧化碳密度远高于水蒸气，能量密度高，单位焓降大，做功能力也远远大于水蒸气，因此在相同功率的情况下，混合工质汽轮机的体积要远远小于蒸汽轮机的体积，也就可以降低高压缸的尺寸、负载的减少，减少膨胀级数，采用水和二氧化碳混合工质做功的汽轮机，流动效率可达92％，系统内效率可达90％，提高了汽轮机发电效率，增大了工质单位输出功，有效提高能源利用率，对国家节能环保和能源安全有重要意义。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种使用新型煤化气超临界混合工质的汽轮机，其特征在于：汽轮机用于与超临界水汽化炉(1)连接，包括高压缸(2)、减速器(3)、中压缸(4)、低压缸(5)和电机(6)；高压缸(2)转速大于中压缸(4)的转速；高压缸(2)与减速器(3)连接，减速器(3)与中压缸(4)连接，中压缸(4)与低压缸(5)设置在同一根传动轴上，传动轴的输出端与电机(6)连接；
高压缸(2)的入口与超临界水汽化炉(1)的超临界蒸汽出口连接，高压缸(2)的出口与超临界水汽化炉(1)的主蒸汽入口连接，超临界水汽化炉(1)的主蒸汽出口与中压缸(4)的入口连接，中压缸(4)的出口与低压缸(5)的入口连接。
2.根据权利要求1所述一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统，其特征在于，所述低压缸(5)包括第一低压缸和第二低压缸；第一低压缸和第二低压缸对称设置在传动轴上；第一低压缸和第二低压缸均与中压缸(4)的出口连接。
3.根据权利要求1所述一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统，其特征在于，所述高压缸(2)的入口参数为20MPa，温度大于300℃，转速为5000-1000转/分。
4.根据权利要求1所述一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统，其特征在于，所述中压缸和低压缸的转速均为3000转/分。
5.根据权利要求1所述一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统，其特征在于，超临界混合工质在高压缸(2)做功后，进入超临界水汽化炉(1)并加热到主蒸汽温度，再依次进入中压缸(3)和低压缸(5)中做功。
6.根据权利要求1所述一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统，其特征在于，所述低压缸(5)的出口与抽吸系统连接。
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