CN111794818A - 一种低温工质发电系统和动力系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种低温工质发电系统和动力系统及设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；利用沸点低至零下‑196℃低温工质，令热空气降为冷空气，并实现温差发电，再结合LNG、甲醇等环保燃料燃烧加热低温工质，驱动低温工质气轮机或膨胀机高效的做功输出机械能，来解决汽车、火车、船舶等设备的动力和能源；申请人经过近二十多年的不断研究探索，最终找到了一种高效的，不消耗能量的，低成本的，低温工质发电和冷凝技术方法，同时也找到一种解决气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的新密封技术。

Description

一种低温工质发电系统和动力系统及设备

技术领域

本发明涉及低温热能回收利用及用低温介子作工质的发电技术领域，尤其涉及一种低温热能利用及燃烧发电的动力系统及新能源机动设备。

背景技术

目前的汽车多为燃油汽车，需要不断的添加燃油才能够运行，在堵车的城市中运行，有效热效率非常低，尤其是炎热的夏季，空调设备的投入更加剧了燃油的消耗；导致燃油汽车的效率变得更加的低。发动机噪音大，排放的尾气污染环境。未来随着国际市场燃油能源短缺和环保要求，燃油车将会很快退出汽车制造市场，取而代之是电动汽车。

电动汽车具有噪音较小，低噪音、节能、环保、经济、加速快、结构简单、维护方便、易保养等等优点；但也存在续航里程短、充电难、充电慢等问题。另外，大约5年左右动力电池就需要更换，而动力电池的回收又面临着回收成本高、回收技术难的困境。

氢燃料电池汽车表面看符合节能环保要求；但氢气制取提纯需耗巨大能量，系统效率低；氢气需约70MPa高压压缩也需耗能，进一步降低效率；还有氢气储存和氢气运输环节，以及使用环节都存在很大损耗，效率进一步降低；相对成熟的锂电池，氢燃料电池汽车储存成本高、运输风险大、加氢站基础设施等等都需要高昂投入；根据美国能源局公布的数据显示，到2020年燃料电池系统要达到的寿命目标为5000小时；在氢燃料电池发电过程中会用到金属铂作催化剂，金属铂稀缺造成价格很高，如未来大规模生产氢燃料电池，需求越大金属铂成本还会更加稀缺和高成本。还有高压储氢罐、超高压空压机、氢循环泵等关键零部件，技术难度高，产业链形成难，全国数量庞大的加氢站建设，未来投资都是极其巨大。

炎热夏季，尤其是非洲等赤道附近国家，热空气中蕴藏着大量热能；如何将空气或海水中蕴藏的热能有效利用是本申请想解决的问题。

在传统发电技术中，除采用水作发电工质，还有一种低温的有机朗肯循环，该发电技术采用沸点温度约15℃有机工质，可实现对80℃(甚至60℃)以上的热水和蒸汽进行余热发电；该技术与用水作发电工质原理大体相同，因为采用了约15℃沸点的有机工质和朗肯循环发电，因此能够对80℃甚至60℃以上的热水和蒸汽进行发电。

利用标准大气压沸点低于0摄氏度的低温发电工质进行超低温发电，国内和国际都还处于研究阶段，最大难点是气轮机或者膨胀机做功以后，低温乏汽的还原成为最大痛点。通常情况下，汽轮机做功后乏汽都采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中冷空气或冷水中；但是液氮等低温发电工质的乏汽温度要远远的低于环境温度，正常情况下是无法将极其低温潜热，释放到环境中的冷空气或者冷水中，因此也就无法冷凝和再进行朗肯循环。如果采用压缩机压缩乏汽或者用热泵将乏汽潜热，热泵到环境温度并释放到冷空气或冷水中，所付出的代价又太高。发电输出的电能都有可能不够压缩机及热泵所消耗的电能；因此，也就基本上没有人这样的去进行研究。很多从事发电技术和相关研究人员，学习和接触的都是采用水做发电工质，对低温液体工质绝大多数人员没去想，也有一些人认为这是不可能实现的，还有一部分人员认为这是“永动机”，因此也就不再去深入的研究。

本发明实施例采用更低沸点的二氧化碳、液氮、液空等更低温发电工质，不但可以实现更低温度的做功发电；同时CO2、液空、液氮，每吨成本仅几百元人民币，相对有机工质成本要低很多。

本实施例所提供的是采用极其低温的液体工质；例如液氮，通过低温液体泵施加高压到换热器中，与环境中的热空气或水充分换热，液氮吸收环境空气的热能，迅速气化成为高压气体，输入并驱动气轮机或膨胀机高速旋转做功，并带动发电机高速旋转发电和输出电能；热空气的温度也会迅速降低到大约0℃(甚至零下-30℃)；

液氮、液空等极其低温工质，吸收空气热能后，气化成高压气体，驱动低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功并带动发电机发电输出，将热空气中蕴藏的热能量转变为电能输出；本发明用夏季热空气降为冷空气的温差发电，再结合LNG、甲醇等环保燃料燃烧加热高效做功，来解决汽车、火车、船舶等机动设备的动力和能源；为解决这些难题，申请人经过近二十多年不断研究探索，最终找到一种高效的，不消耗能量的，低成本的，低温工质发电和冷凝技术方法，同时也找到一种解决气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的新密封技术。汽轮机通常指水蒸汽工质，因为本申请中为低温气体介子，工质中没有水蒸汽，因此也就将汽轮机改为气轮机，其它气体透平设备雷同，不再过多赘述；

发明内容

本发明实施例提供一种低温工质发电系统和动力系统及设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；

所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；

所述低温工质气轮机排气管道连接乏汽回热器，令低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机排气管道排出的，温度达到低温工质临界温度的高温乏汽；只有满足以上条件，所述低温工质气轮机或者膨胀机，以及所述低温工质发电系统和动力系统及设备才能正常的运转；因此，在没确定好这种低温工质发电系统和动力系统及设备的情况下，所述低温工质气轮机或膨胀机，也是无法进行研究和生产制造的。所述低温工质气轮机或膨胀机属一种高压气体透平机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、气体透平膨胀机、气体螺杆膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机选用耐低温材料。

本发明实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种低温工质发电系统和动力系统及设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道；所述乏汽回热器高温管道出口连接低温液体储罐入口，形成闭环；

所述低温液体泵设置在所述低温液体储罐与所述乏汽回热器低温管道之间；所述低温工质气轮机或膨胀机设置在所述主换热器与所述乏汽回热器高温管道之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道组合成为一个高换热效率的换热器设备；

进一步的，所述主换热器设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质气轮机或膨胀机之间，是与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于空气换热器、热水换热器、设备壳体换热器、受热管或锅炉的任意一种或多种组合；

进一步的，所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；所述低温工质气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出输出的，温度达到或略微高于所述低温工质临界温度的乏汽之间的焓差做功；

可选的，所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽，也包括在临界温度点附近的温度范围；临界温度是个极其精确的数据，实际不能做到，因此需要包括临界温度点附近的温度范围；

进一步的，所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道连接乏汽回热器高温管道，令低温液体泵输出到乏汽回热器低温管道中的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道排出的高温乏汽；所述乏汽回热器拥有较高换热效率，所述乏汽回热器单独设置，或者与所述低温工质气轮机或膨胀机进行组合；

可选的，所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；

所述低温工质气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

第二方面，本发明实施例为控制所述低温液体储罐中的低温液体发电工质的温度，所述低温液体储罐还设置有低温液体发电工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的低温液体储罐、压缩机、热交换器、和节流降压装置构成；所述节流降压装置出口连接所述低温液体储罐入口，形成循环；

进一步的，所述热交换器为一个释放热能的换热器设备，设在所述压缩机的出口与所述节流降压装置之间，并将所述压缩机压缩气体产生出来的热能，置换和释放到所述低温液体泵输出的低温发电工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中；或者释放到环境中的冷空气或冷水中(当低温液体工质沸点和临界点相对比较高时，热交换器与环境冷空气或冷水的换热更容易，直接释放到环境中的冷空气或冷水中更有利于压缩机节能)；

可选的，所述节流降压装置包括具有节流降压功能的节流阀、截止阀、膨胀阀、或者膨胀机设备；优选膨胀机设备。

第三方面，本发明实施例为控制所述乏汽回热器高温管道出口的工质温度升高，所述乏汽回热器还设置有热泵系统；其作用是控制乏汽回热器高温管道出口的工质温度，避免升高，从而降低所述低温液体储罐中的低温液体工质的温度，减少低温液体工质的蒸发；

进一步的，所述热泵系统由依次连通的热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器构成；所述蒸发器为吸低温源热能的换热器，设在乏汽回热器高温端和靠近乏汽回热器低温管道位置，将乏汽回热器低温管道的高温部分的热能量，热泵转移到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的低温工质中，或释放到环境中的冷空气或冷水中(当低温液体工质沸点和临界点相对比较高时，直接释放到环境中的冷空气或冷水中更有利于热泵压缩机节能的情况)。

第四方面，本发明实施例中，所述低温液体储罐为具有优良绝热性能的，并拥有安全阀保护措施的低温液体存储设备，所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温液体工质；包括但不仅限于二氧化碳、氨、甲烷、乙烷、液氮、液空、液氧、液氩、液氢，液氦、及低温制冷剂的任意一种或多种组合；所述低温液体储罐单独设置，或者与所述乏汽回热器进行组合；

所述低温液体储罐不但绝热性能优秀，为防止真空绝热被破坏或搁置时间长，导致外部热能进入到低温液体储罐，还在所述低温液体储罐上安装压力保护装置。当极其低温液体吸热气化以后，通过所述压力保护装置释放掉压力，没有超过低温液体储罐的允许压力，设备就很安全可靠。同时，低温液体气化吸收大量的汽化潜热，释放后也会迅速降低所述低温液体工质的温度，这样设置就更加安全了，从事发电的人员对此有些陌生，但对于搞低温空分的人员来说这不是技术难题，也都是很成熟的现有技术，在此也就不再过多赘述。

进一步的，所述低温液体储罐、乏汽回热器、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、压缩机、热交换器、节流降压装置、所述热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器；所述低温部件及相应的连接管道为耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；

进一步的，所述低温设备以及相应的连接管道外面，还包裹有绝热层；所述绝热层具有良好的绝热性能，包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫材料、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉；

优选的，还包括有冷箱，所述冷箱由高度绝热材料构成，并将所述低温设备放置在所述冷箱中；所述冷箱还设置有隔离；所述冷箱通过高度绝热的外壳对外部环境进行绝热，所述隔离再对不同温度的所述低温设备之间进行绝热和隔离。

第五方面，本发明实施例中，所述低温工质气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；进一步的，所述低温工质气轮机或者膨胀机采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

传统的汽轮机是采用蒸汽作工质，高压蒸汽通过喷嘴，驱动汽轮机叶轮和转子高速旋转，高压二氧化碳、高压氮气、高压空气等气体，通过喷嘴吹动气轮机转子上叶轮，也一样能够驱动气轮机叶轮和转子旋转，气轮机喷嘴和叶轮不区分输入是高压水蒸汽，高压二氧化碳，还是高压空气、高压氮气；只要是高压气体驱动，气轮机的叶轮就会旋转；其他气体透平机械设备，例如气动机、气体透平膨胀机、单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机等设备也都是一样，只要是有高压气体输入，不管是什么介子的气体，气轮机和膨胀机的转子都会高速旋转。

现有传统的气动机、单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、气体透平膨胀机等设备，在本体结构上与汽轮机略有不同，但都属于气体透平类设备，并且基本都属于小型的气体透平设备(只有汽轮机可大可小，且应用最为广泛)，但一般都应用于常温工质，如常温高压空气或者中高温水蒸汽或有机朗肯循环的有机发电工质，一般都没考虑到低温领域的应用。低温和常温不同，一些常温或者高温钢材只适用于常温及高温领域，但是应用于低温领域后，会出现变脆甚至裂口的可能性，这是现实情况中绝对不能允许的；必须选择耐低温材料才可以解决该问题，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

另外，还需要将传统气体透平设备原有设备尾部“全部砍掉”，只保留发电工质临界温度以上部分；所述低温工质超临界气体透平设备输入端所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温工质的临界温度；所述低温工质气体透平设备输出端所排出的乏汽，温度必须达到或者略微高于所述低温工质的临界温度；

值得注意的是，原有气体透平设备或气轮机设备，乏汽温度低于工质沸点，由此导致乏汽密度非常小，由此导致原有气体透平设备或气轮机设备尾部很大；将原有设备尾部“全部砍掉”后，所述气体透平设备或气轮机设备体积明显缩小，仅约原设备的约五分之一；

所述气体透平设备输出端排出的乏汽，温度必须达到低温发电工质临界温度，对本实施例来说，其改造方法与所述气轮机相同，设备体积将会更加小，驱动强劲；气轮机可大可小，通用性也更强，技术成熟，成本也较低，其他气体透平设备市场上数量较少，本实施例重点描述气轮机，其他设备相同，不再过多重复赘述。

所述低温工质膨胀机、气动机，与所述低温工质气轮机都属于一种气体透平机械，只是设备本体具体的结构略有不同；在本发明实施例中，所述低温工质膨胀机、气动机的输入端、输出端，管道连接方法和使用方法以及参数，与所述低温工质气轮机完全相同，因此也属于本发明实施例所提供的范畴；

第六方面，本发明实施例中，所述主换热器还包括燃烧加热系统，所述燃烧加热系统由燃料存储器，燃料供应和控制器、点火器、受热管或锅炉构成；所述燃烧加热系统单独设置或者与所述主换热器进行组合；所述燃料存储器中所储存的燃料，经过燃料供应和控制器调节，输送至所述受热管或锅炉中，点火器将燃料点燃，加热所述受热管或锅炉中的低温发电工质；进而驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；

所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于天然气、LNG、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、清洁煤气、生物燃料、氢燃料。

例如：所述燃料存储器是装载LNG液体的杜瓦罐，通过燃料供应和控制器，输出的天然气经点火器点燃后，加热所述受热管或锅炉管道中的低温发电工质；进而驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功输出机械能；或者带动发电机高速旋转对外输出电能；如是汽车这种比较小型的低温工质发电设备，受热管与所述主换热器进行组合，(如同家庭天然气炉)小型燃烧器不断的燃烧天然气，加热所述受热管中的工质，形成高温高压气体驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功输出机械能或者驱动发电机高速旋转输出电能；

由于系统中使用低温发电工质，所述高温受热管设置在最里面，受热管道外面还包裹有极其低温的低温工质主换热器管道，进行充分的吸热，将天然气燃烧所产生的热能量充分吸收，输出烟气为常温甚至低温；由于系统采用极其低温的液氮、液空等低温液体作发电工质，完全能够将天然气燃烧所产生的热能量“吸干榨净”，并且全部用于发电。同时还能吸收炎热夏季高温空气中蕴藏的一部分热能；当然不吸收环境热能也可以，也属本发明实施例提供的技术范畴；

由于系统中所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；令低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道排出的高温乏汽；由于该系统采用自己极其低温液体，冷凝自己临界温度的高温乏汽，没有对外界释放能量，因此该低温工质发电系统和动力系统及设备的效率很高；所述微小型的低温工质发电系统和动力系统及设备，可安装在电动汽车上驱动电动汽车或为电池充电；

第七方面，本发明实施例中，所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，就如同传统汽车发动机一样，由燃烧系统的燃料供应和控制器控制燃料的燃烧量，再由变速箱换挡调节速度；和/或驱动发电机高速旋转对外输出电能；所述发电机高速旋转输出的电能，连接到电源控制系统；所述电源控制系统再连接并驱动电动机；另外，所述电源控制系统还连接有储能设备，所述储能设备包括超级电容器储能系统和/或电池储能系统；

所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转，带动所述发电机输出电能，由所述电源控制系统进行控制调节；所述发电机输出电能优先提供和驱动所述电动机运行，电动汽车加速或者负荷过大，所述发电机输出的电力不够驱动电动机，由所述超级电容器储能系统和/或电池储能系统进行支援；当电动汽车减速或者等红绿灯停车期间，所述低温工质气轮机或膨胀机继续运转，将所述超级电容器储能系统和/或电池储能系统的亏电补满，在接近满电时储能设备发出指令，所述低温工质发电系统进入停止程序并且停止发电；

所述低温工质发电系统再次启动时，由所述储能设备中的超级电容器储能系统和/或电池储能系统提供电力，驱动所述低温液体泵及压缩机运行，所述低温工质发电系统进入发电程序并开始发电；优选的，所述储能设备同时设置超级电容器储能系统和电池储能系统；所述超级电容器储能系统，能为电动汽车提供启动时强大的电能输出，并且还能够适应电动汽车反反复复的充电与放电，且使用寿命很长；电池储能系统作为所述超级电容器储能系统的后续电能储备；当然，如果所述超级电容器储能系统容量足够大，还可不设电池储能。

第八方面，本发明实施例中，所述低温工质发电系统和动力系统及设备，还能够为火车、船舶、军舰等大型移动设备提供动力；所述发电系统和动力系统及设备，需要根据实际需求进行设计；对于这些大型移动设备来说，所述低温液体泵、所述压缩机也都是耗电巨大的设备，所述低温工质气轮机或膨胀机的输出功率也将是更加的巨大；在这种情况下，优选的，所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转，对外直接输出机械能，驱动火车、船舶长期运行；同时也驱动发电机，输出电能提供火车、船舶使用和连接储能设备，并为超级电容器储能系统和/或电池储能系统提供电能，以备下次火车、船舶设备启动时，能够为所述低温液体泵和压缩机电机提供充足的电能以及电能储备；确保火车、船舶等大型设备的各种电能需求。所述低温工质发电系统和动力系统及设备的有效热效率高，可增加火车船舶续航力。

第九方面，本发明实施例还提供有一种采用气轮机或膨胀机缸体高度密闭结构的轴封系统，所述气轮机或膨胀机由静止部分和转动部分构成；所述气轮机或膨胀机缸体轴封系统包括输入端轴封系统和输出端轴封系统；所述低温工质气轮机或膨胀机的输入端轴封系统，包括输入端缸体、输入端轴承和轴承座、输入端转轴、主蒸汽管道；所述输入端轴承和轴承座，包括有支撑轴承和推力轴承；

进一步的，在所述输入端轴承和轴承座的外面，还设置有绝热壳体；所述绝热壳体分上绝热壳体和下绝热壳体；所述下绝热壳体设在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内，并与所述气轮机或膨胀机的下汽缸紧密结合；所述输入端轴承和轴承座，安装在所述气轮机或膨胀机下汽缸内的所述下绝热壳体中；

进一步的，所述下绝热壳体与所述上绝热壳体设有法兰，通过所述法兰和螺栓紧固，所述下绝热壳体与所述上绝热壳体的内腔，形成一个密闭的绝热空间；所述输入端转轴、所述输入端轴承和轴承座以及润滑油，被密闭在所述绝热壳体构成的绝热空间内部；

进一步的，在所述绝热壳体包裹所述输入端转轴的接触位置，还设置有绝热壳体密封，所述绝热壳体密封阻止绝热壳体内的轴承润滑油，从绝热壳体密封处对外泄漏。

优选的，所述低温工质气轮机或膨胀机主蒸汽管道与输入端所述绝热壳体之间，还设置有轴封；所述绝热壳体与所主蒸汽管道之间，还设有输入端预留空间或者管道，所述输入端预留空间或管道设在下汽缸中，储存从绝热壳体密封处泄漏出来的润滑油，并通过第一管道阀门将所述泄漏出来的脏润滑油排出。

进一步的，所述气轮机或膨胀机的输出端，包括有气轮机或膨胀机排气管道、输出端缸体、输出端轴承和轴承座、联轴器、和发电机；所述低温工质气轮机或膨胀机，将输出端轴承和轴承座、联轴器、以及发电机，均隐藏设置到所述低温工质气轮机或膨胀机的输出端缸体内部；并对所述低温工质气轮机或膨胀机输出端缸体做安装发电机位置的改进，以便于适合安置发电机设备；

优选的，所述低温工质气轮机或膨胀机输入端，以及所述低温工质气轮机或膨胀机的输出端，均隐藏设置到所述低温工质气轮机或膨胀机的缸体内，利用所述低温工质气轮机或膨胀机缸体的高度密闭性，进行转轴两端的轴封，避免所述低温工质，从所述低温工质气轮机或膨胀机的转轴两端的轴封处泄漏。

优选的，所述绝热壳体的上绝热壳体与下绝热壳体通过所述法兰和螺栓紧固，内部形成一密闭绝热空间，并在所述上绝热壳体顶部设有润滑油注入孔，令所述轴承和轴承座的绝热空间内部注入润滑油；

优选的，所述绝热壳体还包括有与所述绝热壳体相连的润滑油输出管道、润滑油过滤器、润滑油冷却器和润滑油泵；所述润滑油泵输出的恒温润滑油，经润滑油输入管道输送至所述绝热壳体内的轴承和轴承座；并且为所述轴承和轴承座提供干净的恒温润滑油；绝热壳体内的高温和脏润滑油，经润滑油输出管道对外输出，并输送至润滑油过滤器和润滑油冷却器降温，再经润滑油泵加压返回，如此循环；

优选的，所述润滑油过滤器、所述润滑油冷却器，和所述润滑油泵设置在所述气轮机或膨胀机的缸体外部；或者设置在所述气轮机或膨胀机的缸体内部，可选的，当设置在缸体内部时需有换热管道与外界换热，以保障润滑油温度恒定；

优选的，在所述低温工质气轮机或膨胀机设备的缸体外部或者内部，还设置有润滑油温度探头、润滑油压力探头、润滑油量探头，以及气轮机或膨胀机缸体内部的压力探头；上述探头时刻探测和连锁保护所述低温工质气轮机或膨胀机设备的安全；

值得注意的是，对于成本较昂贵的低温发电工质来说，低温工质气轮机或膨胀机设备转轴两端的发电工质泄漏，不但降低发电效率和产生泄漏成本，同时低温液体工质的补充也非常的麻烦。为解决低温工质气轮机或膨胀机设备转轴两端的泄漏难题，申请人经过多年的研究发现，将低温工质气轮机或膨胀机设备的输入端和输出端都隐藏到低温工质气轮机或膨胀机设备缸体内，用缸体高度密闭性(可达近100％密封)，可彻底的解决低温工质气轮机或膨胀机设备转轴两端的泄漏难题。另外，对于其他旋转机械设备，高压流体输入端和输出端也能采用与所述低温工质气轮机设备相同的密封技术和方法，从而实现和达到设备轴封系统的近零泄漏；这些也都属于本发明实施例所提供的技术范围。

第十方面，本发明实施例为能够更好的说明所述低温工质发电系统和动力系统及设备，以及所述低温工质气轮机或膨胀机，具有实用性、新颖性、创造性，也为便于更好理解，本发明实施例还提供一种低温工质发电系统和动力系统及设备的工艺；

具体包括如下步骤：

所述低温液体储罐中储存的低温液体工质为标准大气压下，沸点温度低于零下-196℃的液氮或液空，通过所述低温液体泵加压，使所述低温液体发电工质的压力达到0.5Mpa以上，流经所述乏汽回热器低温管道，输至所述主换热器，如热空气换热器，热源温度达到0℃以上；所述低温液氮发电工质吸收所述热源能量，气化以后形成高压气体，输入并驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功；输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能；

所述低温工质气轮机或膨胀机输出的乏汽，温度必须达到所述液氮的临界温度-146℃以上，潜热为0；用所述低温液体泵输出的极其低温液氮，温度低至零下-196℃以下的液氮或液空，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机输出的临界温度高温乏汽，高温乏汽与零下-196℃以下极其低温的液氮或液空，在所述乏汽回热器中充分的进行换热，临界温度高温乏汽失去热能后，高温乏汽被冷凝成为低温的液氮或液空，返回到所述低温液体储罐中备用；

所述低温液体储罐中储存的液氮或液空，温度低至零下-196℃以下，通过所述低温液体泵施加压力，输至所述乏汽回热器的低温管路中，与所述乏汽回热器高温管路进行充分的换热，吸收所述低温工质气轮机或膨胀机排出的，温度达-146℃临界温度的高温乏汽热能，低温液体泵输出的所述低温液氮吸热能以后，温度被提升到接近临界温度，达到约-148℃，有0.5℃以上金属管壁换热温差；从乏汽回热器低温管道出口输至所述主换热器，如热空气换热器中吸热；形成高压气体输入并驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或者带动发电机输出电能；形成循环；

另外，所述低温液体储罐中储存的低温工质液氮或者液空，由于所述乏汽回热器的金属管壁存在换热温差等原因，造成所述乏汽回热器高温管道输出的液体温度偏高，返回到所述低温液体储罐中以后，会造成所述低温液体储罐中储存的低温液体温度不断升高，从而造成有一部分的低温液体工质蒸发流失，将导致低温液体工质越来越少，因此需要不断的对所述低温液体储罐补充低温液体工质；

为避免和减少这种情况发生，所述低温液体储罐还设置有低温液体工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的低温液体储罐、压缩机、热交换器、和节流降压装置构成；所述节流降压装置输出口连接所述低温液体储罐，形成循环；

所述低温液体储罐中，已经蒸发的低温工质气体通过管道引入到压缩机入口；通过所述压缩机压缩后温度升高，被输送至所述热交换器中；所述热交换器为释放热能量的换热设备，设在所述压缩机出口，并通过换热将所述压缩机压缩气体所产生的热能，释放到所述低温液体泵输出的低温工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中；或者释放到环境中冷空气或冷水中；

被所述压缩机压缩的气体，失去热能量后冷凝成为液体，通过所述节流降压装置降低压力后，返回到所述低温液体储罐中；

所述低温液体储罐中储存的低温液体，气化吸收大量的汽化热，所述压缩机不断的运行，将气体携带的大量汽化潜热能量压缩，产生的高温和能量，不断的通过所述热交换器将该高温热能量，置换和释放到所述低温液体泵输出的低温工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中用于发电；或者释放到环境中冷空气或冷水中；如此不断的循环和不断的进行降温。

所述动力系统及设备的所述主换热器还包括燃烧加热系统，燃料存储器中的燃料，经燃料供应和控制器的调节，点火器将燃料点燃，加热所述受热管或锅炉中的低温发电工质；进而驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速的旋转和做功，输出机械能或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；所述燃料包括但不仅限于天然气、LNG、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、清洁煤气、生物燃料、氢燃料。

所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能和/或驱动发电机高速旋转对外输出电能；所述发电机高速旋转输出电能，并且连接电源控制系统；所述电源控制系统连接驱动电动机；所述电源控制系统还连接有储能设备，所述储能设备包括但不仅限于超级电容器储能系统和/或电池储能系统；

在炎热夏季，所述低温工质发电系统和动力系统及设备，一方面通过低温液氮吸收环境热空气或水的热能做功发电，另外，当环境温度较低或者能量不够设备消耗的情况下，该系统通过燃烧设备所携带的燃料，加热所述主换热器，让系统能够继续做功发电；同时该系统和设备还设置有电源控制系统及储能设备，通过储能设备的电能储存与释放电能，满足系统对电动机转速的调节与控制。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例所提供一种低温工质发电系统和动力系统及设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；

本发明申请中，通过提高所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽达到临界温度，潜热为0，可以实现低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机输出的高温乏汽，从而令极其低温液体“自己冷却自己的”高温乏汽，因此这样做就不再需要消耗能量的压缩机和热泵系统。通过提高所述气轮机排出的乏汽温度，从而实现低温液体泵输出的极其低温液体，令气轮机排出的高温乏汽冷凝成为液体。

所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出乏汽达到临界温度，相比传统的汽轮机设备，不仅精简体积，而且还降低传统汽轮机叶片过长造成的颤振和断裂几率，减小故障，提高了气轮机设备的可靠性，还能降低汽轮机制造成本；通过气轮机设备、乏汽回热器、低温液体泵等设备协同作用，实现一种低温工质发电系统和动力系统及设备。

附图说明

为更清楚地阐述说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图；这是很容易做到的；

图1为本发明实施例提供的一种低温工质发电系统和动力系统及设备的基本系统连接示意图；

图2为本发明实施例提供的一种带低温液体储罐降温冷却装置的，并且带有燃烧加热系统，电源控制系统、和储能设备的一种低温工质发电系统和动力系统及设备的系统连接示意图；

图3为本发明实施例提供的一种增加乏汽回热器热泵系统的，一种低温工质发电系统和动力系统及设备的系统连接示意图；

图4为一种轴承在缸体外的低温氮气普通气轮机，乏汽温度低至氮气(-196℃)标准沸点的气轮机结构示意图，用作参考和对比；

图5为本发明实施例提供的一种“砍掉传统气轮机尾部”，输出端乏汽温度达到氮气(-146℃)临界温度的气轮机结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种将气轮机设备输入端轴承，输出端轴承及发电机，均放置到所述气轮机缸体内的结构示意图；

图7为本发明实施例提供一种将气轮机设备输入端轴承，输出端轴承及发电机均放置到所述气轮机缸体内，并且输出端乏汽温度达到氮气(-146℃)临界温度的低温工质气轮机结构示意图；

1、发电系统部分图标：1-低温液体储罐；2-低温液体泵；300-乏汽回热器；301-乏汽回热器低温管路；302-乏汽回热器高温管路；401-主换热器；402-燃烧加热系统；5-低温工质气轮机或膨胀机；6-发电机；600-电源控制系统；601-电动机；602-超级电容器储能系统和/或电池储能系统；7-压缩机；303-热交换器；8-节流降压装置；500-热泵压缩机；501-冷凝器的高温管道；503-节流装置；504-蒸发器；

2、低温工质气轮机部分图标：

(其它相关的高压气体透平设备与所述气轮机只是设备本体略不同，对本发明实施例特征来说改动相同，因此不再过多的重复赘述)：20-气轮机主蒸汽管道；21-气轮机排气管道；101-气轮机转轴；102-绝热壳体；103-输入端轴承和轴承座；104-轴封；105-气轮机设备缸体；106-转子叶轮；107-气轮机隔板；108-输出端轴封；9-输出端绝热壳体；10-输出端轴承和轴承座；11-联轴器；12-发电机；13-第三管道阀门；14-第三管道出口；15-第二管道出口；16-第二管道阀门；17-输出端预留空间或管道；18-输出端预留隔热区；19-输入端预留隔热区；22-绝热壳体密封；23-输入端预留空间或管道；24-第一管道阀门；25-第一管道出口；26-润滑油输出管道；27-润滑油储存器；28-润滑油过滤器；29-润滑油冷却器；30-润滑油泵；31-润滑油高压输入管道；32-输出端绝热壳体密封；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

图1为本发明实施例提供的一种低温工质发电系统和动力系统及设备的基本系统连接示意图；在图1中，低温液体储罐1中储存的发电工质为液氮或液空(-196℃以下)，通过低温液体泵2提升压力，流经乏汽回热器300的低温管路301，输送至主换热器4(如热空气换热器)中，换热后温度提升到0℃以上，低温液氮发电工质吸热形成高压气体驱动所述低温工质气轮机或膨胀机5高速旋转做功；输出机械能或带动发电机6高速旋转输出电能；所述低温工质气轮机或膨胀机5排出的乏汽，温度达到氮气的临界温度(约-146℃，潜热为0，潜热变显热)，用低温液体泵2输出的-196℃以下液氮，冷凝所述(-146℃以上)高温乏汽成为液氮(-193℃以下，金属壁有0.5℃以上换热温差)，返回到所述低温液体储罐1中备用；

低温液体储罐1中的液氮(-196℃以下)，通过低温液体泵2增压到所述乏汽回热器低温管路301中，吸收所述低温工质气轮机或膨胀机5输出到所述乏汽回热器高温管路302中的(-146℃以上)临界温度的高温乏汽热能，液氮温度被提升到接近临界温度(约-148℃，有0.5℃以上金属壁换热温差)，并从乏汽回热器低温管路301出口输至所述主换热器4中，与热空气或约30℃的热水换热，极其低温(约-148℃)氮气工质重新被换热到0℃以上，成为高压氮气或空气，驱动所述低温工质气轮机或膨胀机5高速旋转做功，输出机械能或带动发电机6发电，形成循环，不断发电输出；所述低温工质气轮机或膨胀机5的工况区，始终在液氮的(-146℃)临界温度以上。

图2为本发明实施例提供的一种带低温液体储罐降温冷却装置的，并且带有燃烧加热系统，电源控制系统、和储能设备的一种低温工质发电系统和动力系统及设备的系统连接示意图；

如图2所示，本发明实施例为控制和限制低温液体储罐1中低温液体发电工质的蒸发量，低温液体储罐1还设置有低温液体发电工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的低温液体储罐1，压缩机7，热交换器303，和节流降压装置8构成；所述节流降压装置出口连接所述低温液体储罐1，形成循环；

进一步的，所述热交换器303为释放热能的换热设备，设在所述压缩机7的出口与所述节流降压装置8之间，并将所述压缩机7压缩气体所产生出来的热能，置换和释放到所述低温液体泵2输出的低温发电工质中或者释放到乏汽回热器低温管道301出口与所述主换热器4之间的发电工质中；或者释放到环境中冷空气和冷水中(当低温发电工质的沸点较高时，有利压缩机7节能和工质冷凝)；

另外，如图2所示，所述主换热器401还包括燃烧加热系统402，所述燃烧加热系统由燃料存储器，燃料供应和控制器、点火器、受热管或锅炉构成；所述燃烧加热系统402单独设置或者与所述主换热器401进行组合；燃料存储器中的燃料，经过燃料供应和控制器调节，输送至受热管或锅炉中，由点火器将燃料点燃，加热所述受热管或锅炉中的低温发电工质；进而驱动所述低温工质气轮机或膨胀机5高速旋转做功，输出机械能或者驱动发电机6高速旋转对外输出电能；燃料存储器中燃料，最好为天然气LNG液体、甲醇、乙醇、液化石油气、生物燃料、氢燃料等清洁燃料，当然也可以是汽油、柴油等燃料；

另外，如图2所示，所述低温工质气轮机或膨胀机5高速旋转对外输出机械能，和/或驱动发电机6高速旋转对外输出电能；

所述发电机6高速旋转输出电能，连接电源控制系统600；所述电源控制系统600连接并驱动电动机601；所述电源控制系统600还连接有储能设备602，所述储能设备602包括超级电容器储能系统和/或电池储能系统；

图3为本发明实施例提供的一种增加乏汽回热器热泵系统的，一种低温工质发电系统和动力系统及设备的系统连接示意图；图3中的所述低温液体储罐降温冷却装置；所述燃烧加热系统402；所述电源控制系统600；和储能设备602都与图2相同，不再过多赘述；

在图3中，为控制所述乏汽回热器高温管道302出口的工质温度，所述乏汽回热器300还设置有热泵系统；其作用是控制乏汽回热器高温管道302出口的温度，从而降低所述低温液体储罐1中的低温液体发电工质的温度，减少所述低温液体储罐1中低温液体蒸发；

所述热泵系统由依次连通的热泵压缩机500，冷凝器501，节流装置503，蒸发器504构成；所述蒸发器504设置在乏汽回热器300高温端和靠近乏汽回热器低温管道301位置，将乏汽回热器300高温端和乏汽回热器低温管道301高温部分的热能量，热泵转移到乏汽回热器低温管道301出口与所述主换热器4之间的低温工质中；或者释放到环境中空气或者冷水中(适用于沸点相对较高的低温发电工质，释放到环境中冷空气和冷水中，有利热泵压缩机500的节能)。

图4为一种轴承在缸体外的低温氮气普通气轮机，乏汽温度低至氮气(-196℃)标准沸点的气轮机结构示意图，用作参考和对比；

如图4所示，传统方式的气轮机设备，气轮机转轴101两端轴承，包括输入端轴承和轴承座103，及输出端轴承和轴承座10，以及联轴器11和发电机12，一般都设在气轮机设备缸体105的外部；气轮机转轴101两端的轴端密封，是通过输入端轴封104和输出端轴封108来实现，传统轴封有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封；气轮机虽装有轴封但仍存在着泄漏问题，现大型汽轮机气封的泄漏量每小时可达10吨以上。这种泄漏量也是很大的，尤其是成本昂贵的低温液体工质，轴端汽封泄漏将是非常痛苦。

图4所示的一种传统朗肯循环的低温氮气工质气轮机，气轮机主蒸汽管道20，输入的气体温度为0℃以上，气体在气轮机设备中做功，温度也不断的降低，当温度降到图1中所标记的-146℃临界温度位置(潜热为0)，当气体温度低于氮气临界温度，乏汽中便开始有潜热，并且随着乏汽温度降低，氮气中所蕴藏的潜热也将越来越大，气轮机排气管道21的温度降低到氮气的-196℃沸点温度，潜热达199kj/kg，因乏汽温度非常低温，巨大的低品位潜热能很难释放出去，因此朗肯循环也就难以进行，这也是低温工质发电难以实现的最主要原因。

图5为本发明实施例提供的一种“砍掉传统气轮机尾部”，输出端乏汽温度达到氮气(-146℃)临界温度的气轮机结构示意图；

图5与图4的气轮机输入端，气轮机本体的前半部分和输出端发电机部分与传统气轮机相同，但所述气轮机末级叶片和次末级叶片被“全部砍掉”，排气管道所输出的乏汽温度达到或者略微高于氮气的(约-146℃)临界温度，所述气轮机设备的体积也将缩小很多；

图5中所述气轮机主蒸汽管道20仍然输入(0℃以上)高压氮气，通过所述气轮机本体将高温高压氮气能量转变为高速旋转的机械能，高压氮气在气轮机中不断的做功，温度和压力也会不断降低，当所述低温工质超临界气轮机温度降低到图5所标记的(-146℃)临界温度点后，所述低温工质超临界气轮机从排气管道直接排出(-146℃)的高温乏汽，潜热为0，输至图1中乏汽回热器300高温管路302入口，与低温液体泵2输出的极其低温液氮换热，用低温液体泵2输出的极其低温液氮，冷凝所述气轮机排出的高温乏汽。

图6为本发明实施例提供的一种将气轮机设备输入端轴承，输出端轴承及发电机，均放置到所述气轮机缸体内的结构示意图；

为解决气轮机设备转轴两端泄漏难题，申请人经过近20年研究发现，将气轮机输入端和输出端隐藏到气轮机缸体内，用所述气轮机缸体高度密闭结构(可达100％密封)，解决所述气轮机转轴两端的泄漏难题；

如图6所示，以高压进气口20和顶部A线往左所示意为所述气轮机设备的输入端；主蒸汽管道20与乏汽管道21之间为所述气轮机设备本体，如图中A线和C线中间的B部分所示；乏汽管道21和顶部C线往右所示意的为所述气轮机设备的输出端；

如图6所示的气轮机，绝热壳体102分上绝热壳体和下绝热壳体(图6所示为气轮机的下绝热壳体)；设置在气轮机转轴101的端头轴承位置，所述下绝热壳体设在下缸体内，且与气轮机缸体105的下缸体紧密结合；所述输入端轴承和轴承座103设在所述绝热壳体102的下绝热壳体中，支撑气轮机转轴101重量，还有推力轴承限制气轮机转轴101轴向移动；绝热壳体102与气轮机转轴101的接触位置，设有绝热壳体密封22，所述绝热壳体密封22阻止绝热壳体102内的轴承润滑油从绝热壳体密封22处对外产生泄漏；

可选的，高压进气口20与输入端之间还设有轴封104，可选的，所述轴封104与绝热壳体102之间，还设有输入端预留隔热区19，目的是隔离和降低高压主蒸汽管道20输入的高温，影响到绝热壳体102及里面的输入端轴承和轴承座103，由于绝热壳体102的上绝热壳体和下绝热壳体是密闭结构，压力与高压进气口20输入压力相同，因此高压进气口20输入的高压气体，很难进入到绝热壳体102内部。同时还有轴封104和绝热壳体密封22；所述绝热壳体密封22还可设置两个，这样设置可使主蒸汽管道20输入的高温高压气体很难进入，同时也可避免绝热壳体102中的润滑油很难泄漏出来；

可选的，在绝热壳体密封22与输入端预留隔热区19之间，还设有输入端预留空间或管道23，所述输入端预留空间或管道23隔离，同时储存从绝热壳体密封22处泄漏出来的润滑油，并通过第一管道阀门24和第一管道出口25将所述泄漏的润滑油排出；

优选的，如图6所示，所述绝热壳体102和下缸体105的外部，还设有与所述绝热壳体102相连的润滑油输出管道26、润滑油储存器27、润滑油过滤器28、润滑油冷却器29、及润滑油泵30和润滑油高压输入管道31，通过所述润滑油高压输入管道31将充足的，干净的，低温的(可控温度)润滑油，输送至所述绝热壳体102内，提供给输入端轴承和轴承座103，充足的，干净的，低温的润滑油保障；确保输入端轴承和轴承座103能够安全和稳定运行。

所述润滑油储存器27，润滑油过滤器28、润滑油冷却器29，可以进行组合，然后通过润滑油泵30和润滑油高压输入管道31，将润滑油输送至所述绝热壳体102内的轴承和轴承座103；

所述润滑油过滤器28、润滑油冷却器29、和润滑油泵30可设在气轮机设备的缸体105外部；也可设置在气轮机的缸体内部，当润滑油冷却器29设置在缸体内部时，所述润滑油冷却器29中有管道与外界联系，通过管道内的介子流动，将缸体内润滑油热量传递到缸体外，通过换热器冷却后返回到缸体内部。

优选的，将所述气轮机的输入端和输出端均放到气轮机设备的缸体105内部，用所述气轮机缸体的高度密闭性结构(近100％密封)进行气轮机转轴101的轴端密封，避免高压气体从所述气轮机转轴101两端的轴封处泄漏。所述气轮机的输出端实施方案如下：输出端轴承和轴承座10，设在远离输出端轴封108的位置；优选的，输出端预留隔热区18；输出端轴承和轴承座10设在输出端绝热壳体9中，输出端绝热壳体9与输入端结构相同，分下绝热壳体和上绝热壳体，所述下绝热壳体与气轮机设备缸体105的下缸体紧密结合，输出端上绝热壳体与下绝热壳体通过法兰和螺栓紧固，内部形成一个密闭的绝热空间；可选的，所述上绝热壳体顶部设润滑油注入孔，令所述轴承和轴承座10的绝热空间内注入润滑油；

优选的，输出端绝热壳体9与输出端102相同，不再过多赘述；需要说明的是，输出端绝热壳体9与转轴101拥有两个接触位置，因此输出端绝热壳体密封32有两个，如图3所示分别设置在与转轴101相接触的两个接触位置；所述输出端绝热壳体密封32阻止输出端绝热壳体9内的轴承润滑油从输出端绝热壳体密封32处对外泄漏；输出端气轮机转轴101的轴端，还设置有联轴器11与发电机12的转轴进行联轴，方便发电机12的检修和更换；

可选的，输出端预留空间或管道17分别设置在输出端绝热壳体9两侧的下缸体105内，储存从输出端绝热壳体密封32处泄漏出的润滑油，并通过第二管道阀门16和第三管道阀门13将泄漏出的润滑油排出；需说明，输出端发电机12产生电能，通过设在气轮机设备缸体105上的接线端子引出，不会影响所述气轮机的密封性能。

值得注意的是，在所述气轮机设备比较大型，输出端直接输出机械能的时候，只将所述气轮机高压的输入端转轴进行缸体轴封，输出端为低压，仍然采用传统的轴封系统；转轴直接输出机械能；

所述气轮机高压主蒸汽管道20和气轮机排气管道21，都是采用密闭性能优良的法兰和螺丝紧固，不会出现泄漏，因此本发明实施例所提供的气轮机设备拥有多重密封措施。值得注意的是，本发明实施例提供的转轴密封系统对于其他的旋转机械设备，高压气体输入端和输出端，也能采用与所述气轮机设备相同的密封技术和方法，从而实现和达到转轴密封系统的近零泄漏，也属于该范畴。该技术相对较独立，具有独立技术特征。在引用这些技术时，也需要得到申请人认可。

图7为本发明实施例提供一种将气轮机设备输入端轴承，输出端轴承及发电机均放置到所述气轮机缸体内，并且输出端乏汽温度达到氮气(-146℃)临界温度的低温工质气轮机结构示意图；

图7中，采用气轮机设备缸体进行轴端密封，该系统的密封性能(可达到近100％)与图6相同可以达到接近零泄漏；低温发电工质接近零泄漏，不但可以减少成本昂贵的低温发电工质流失，同时还能够提高所述低温工质发电系统和动力系统及设备的整体发电效率；

如图7所示，本发明实施例提供的低温工质气轮机，当温度降到发电工质氮气的临界温度(约-146℃，潜热为0)，就不再继续做功，而是直接通过低温工质气轮机排气管道21排出，此时乏汽中没潜热，潜热为0，潜热变显热。再用低温液体泵2输出的极其低温的液氮，冷凝临界温度的高温乏汽；乏汽高达工质的临界温度，因此所述低温工质气轮机排气管道21排出的乏汽也为正压力，不会存在真空问题；所述低温工质气轮机具有体积很小，动力强劲、成本低的优势。

乏汽回热器低温管路301出口，与乏汽回热器高温管路302之间，存在有0.5℃以上的换热温差；乏汽回热器高温管路302出口的温度，接近低温液体泵2输出的极其低温液氮的温度，从而实现达临界温度的高温乏汽还原成为极其低温的液氮；能够解决极其低温发电工质的乏汽还原成液体的难题，且冷凝过程不消耗能量，潜热也没被释放，因此该低温工质发电系统和动力系统及设备，有效热效率也非常高。

系统和设备的有效热效率提高，就意味着拥有该低温工质发电系统和动力系统及设备的电动汽车、火车、船舶能更加的节能，同时也意味着拥有该系统和设备的移动设备，能够实现续航里程增加。

Claims (10)

1.一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；

所述低温液体泵设置在所述低温液体储罐与所述乏汽回热器低温管道之间；所述低温工质气轮机或膨胀机设置在所述主换热器与所述乏汽回热器高温管道之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道组合成为一个高换热效率的换热器设备；

所述主换热器设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质气轮机或膨胀机之间，是与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于空气换热器、壳体换热器、受热管或锅炉的任意一种或多种组合；

所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；所述低温工质气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出输出的，温度达到或略微高于所述低温工质临界温度的乏汽之间的焓差做功；

所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道连接乏汽回热器高温管道，令低温液体泵输出到乏汽回热器低温管道中的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道排出的高温乏汽；所述乏汽回热器拥有较高换热效率，所述乏汽回热器单独设置，或者与所述低温工质气轮机或膨胀机进行组合；

所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；

所述低温工质气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

2.根据权利要求1所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，为控制和限制所述低温液体储罐中的低温液体发电工质的蒸发，所述低温液体储罐还设置有低温液体发电工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的所述低温液体储罐、压缩机、热交换器、和节流降压装置构成；所述节流降压装置出口连接所述低温液体储罐入口，形成循环；

所述热交换器为一个释放热能的换热器设备，设置在所述压缩机的出口与所述节流降压装置之间，并将所述压缩机压缩气体产生出来的热能，置换和释放到所述低温液体泵输出的低温发电工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中；或者释放到环境中的冷空气或冷水中；

所述节流降压装置包括具有节流降压功能的节流阀、截止阀、膨胀阀、或者膨胀机设备；优选膨胀机设备。

3.根据权利要求1-2所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，所述乏汽回热器还设置有热泵系统；其作用是避免乏汽回热器高温管道出口的工质温度升高，降低返回所述低温液体储罐中的低温液体工质的温度，减少低温液体工质蒸发；

所述热泵系统由依次连通的热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器构成；所述蒸发器为吸取低温源热能的换热器，设置在乏汽回热器高温端和靠近乏汽回热器低温管道位置，将乏汽回热器低温管道的高温部分的热能，热泵转移到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的低温工质中，或者释放到环境中的冷空气或冷水中。

4.根据权利要求1-3所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，所述低温液体储罐为具有优良绝热性能的，并拥有安全阀保护措施的低温液体存储设备，所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温液体工质；包括但不仅限于二氧化碳、氨、甲烷、乙烷、液氮、液空、液氧、液氩、液氢，液氦、及低温制冷剂的任意一种或多种组合；所述低温液体储罐单独设置，或者与所述乏汽回热器进行组合；

所述低温液体储罐、乏汽回热器、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、压缩机、热交换器、节流降压装置、所述热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器；以上所述设备的低温部件及相应的连接管道为耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；

所述低温设备以及相应的连接管道外面，还包裹有绝热层；所述绝热层具有良好的绝热性能，包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫材料、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉；

还包括有冷箱，所述冷箱由高度绝热材料构成，并将所述低温设备放置在所述冷箱中；所述冷箱还设置有隔离；所述冷箱通过高度绝热的外壳对外部环境进行绝热，所述隔离再对不同温度的所述低温设备之间进行绝热和隔离。

5.根据权利要求1所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，所述主换热器还包括燃烧加热系统，所述燃烧加热系统由燃料存储器，燃料供应和控制器、点火器、受热管或锅炉构成；所述受热管或锅炉单独设置或者与所述主换热器组合；

所述燃料存储器中所储存的燃料，经过燃料供应和控制器调节，输送至所述受热管或锅炉中，点火器点燃燃料，加热所述受热管或锅炉及管内的低温发电工质；进而驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或者驱动发电机高速旋转输出电能；

所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于LNG、天然气、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、生物燃料、氢燃料。

6.根据权利要求1-5所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能；和/或驱动发电机高速旋转输出电能；

所述发电机高速旋转输出电能，并连接电源控制系统；所述电源控制系统连接并驱动电动机；所述电源控制系统还连接有储能设备，所述储能设备包括有超级电容器储能系统和/或电池储能系统。

7.根据权利要求1所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，其特征在于，所述低温工质气轮机或膨胀机还包括有一种采用气轮机或膨胀机缸体高度密闭结构的轴封系统，所述气轮机或膨胀机由静止部分和转动部分构成；所述气轮机或膨胀机缸体轴封系统包括输入端轴封系统和输出端轴封系统；

所述低温工质气轮机或膨胀机的输入端轴封系统，包括输入端缸体、输入端轴承和轴承座、输入端转轴、主蒸汽管道；所述输入端轴承和轴承座，包括有支撑轴承和推力轴承；在所述输入端轴承和轴承座的外面，还设置有绝热壳体；所述绝热壳体分上绝热壳体和下绝热壳体；所述下绝热壳体设置在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内，并与所述气轮机或膨胀机的下汽缸紧密结合；所述输入端轴承和轴承座，安装在所述气轮机或膨胀机下汽缸内的所述下绝热壳体中；

所述下绝热壳体与所述上绝热壳体设有法兰，通过所述法兰和螺栓紧固，所述下绝热壳体与所述上绝热壳体的内腔，形成一个密闭的绝热空间；所述输入端转轴、所述输入端轴承和轴承座以及润滑油，被密闭在所述绝热壳体构成的绝热空间内部；在所述绝热壳体包裹所述输入端转轴的接触位置，还设置有绝热壳体密封，所述绝热壳体密封阻止绝热壳体内的轴承润滑油，从绝热壳体密封处对外泄漏。

8.根据权利要求7所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，以及所述气轮机或膨胀机设备，其特征在于，所述绝热壳体的上绝热壳体与所述下绝热壳体通过所述法兰和螺栓紧固，内部形成一密闭的绝热空间，并在所述上绝热壳体顶部设有润滑油注入孔，令所述轴承和轴承座的绝热空间内部注入润滑油；

所述绝热壳体还包括有与所述绝热壳体相连的润滑油输出管道、润滑油过滤器、润滑油冷却器和润滑油泵；所述润滑油泵输出的低温润滑油，经润滑油输入管道输送至所述绝热壳体内的轴承和轴承座；并且为所述轴承和轴承座提供干净的恒温润滑油；绝热壳体内的高温和脏润滑油，通过所述润滑油输出管道对外输出，并输送至润滑油过滤器和润滑油冷却器降温，再经过润滑油泵加压，形成循环；

所述润滑油过滤器、所述润滑油冷却器，和所述润滑油泵设置在所述气轮机或膨胀机的缸体外部；或者设置在所述气轮机或膨胀机的缸体内部，当设置在缸体内部时，可选的，有换热管道与外界换热，以保障润滑油温度恒定；可选的，在所述低温工质气轮机或膨胀机设备的缸体内部或外部，还设有润滑油温度探头、润滑油压力探头、润滑油量探头，及气轮机或膨胀机缸体内部的压力探头；

所述低温工质气轮机或膨胀机主蒸汽管道与输入端所述绝热壳体之间，还设置有轴封；所述绝热壳体与所主蒸汽管道之间，还设有输入端预留空间或者管道，所述输入端预留空间或者管道设在所述下汽缸中，储存从绝热壳体密封处泄漏出来的润滑油，并通过第一管道阀门将所述泄漏出来的脏润滑油排出。

9.根据权利要求7-8所述的一种低温工质发电系统和动力系统及设备，及所述的气轮机或膨胀机设备，其特征在于，所述气轮机或膨胀机的输出端，包括有气轮机或膨胀机排气管道、输出端缸体、输出端轴承和轴承座、联轴器、和发电机；所述低温工质气轮机或膨胀机，将输出端轴承和轴承座、联轴器、以及发电机，均隐藏设置到所述低温工质气轮机或膨胀机的输出端缸体内部；

所述低温工质气轮机或膨胀机的输入端，以及所述低温工质气轮机或膨胀机的输出端，均隐藏设置到所述低温工质气轮机或膨胀机的缸体内，利用所述低温工质气轮机或膨胀机缸体的高度密闭性结构，进行转轴两端的轴封，避免所述低温工质，从所述低温工质气轮机或膨胀机的转轴两端的轴封处泄漏。

10.一种低温工质发电系统和动力系统及设备的工艺，适用于权利要求1-9中任一项所述的低温工质发电系统和动力系统及设备，以及所述低温工质气轮机或膨胀机；包括如下步骤：

所述低温液体储罐中储存的低温液体工质为标准大气压下，沸点温度低于零下-196℃的液氮或液空，通过所述低温液体泵加压，使所述低温液体发电工质的压力达到0.5Mpa以上，流经所述乏汽回热器低温管道，输至所述主换热器，如热空气换热器，热源温度达到0℃以上；所述低温液氮发电工质吸收所述热源能量，气化后形成高压气体驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功；输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能；

所述低温工质气轮机或膨胀机输出的乏汽，温度必须达到所述液氮的临界温度约-146℃，潜热为0；用所述低温液体泵输出的极其低温液氮，温度低至零下-196℃以下的液氮或液空，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机输出的临界温度高温乏汽，高温乏汽与零下-196℃以下极其低温的液氮或液空，在所述乏汽回热器中充分的进行换热，临界温度高温乏汽失去热能后，高温乏汽被冷凝成为低温的液氮或液空，返回到所述低温液体储罐中备用；

所述低温液体储罐中储存的液氮或液空，温度低至零下-196℃以下，通过所述低温液体泵施加压力，输至所述乏汽回热器的低温管路中，与所述乏汽回热器高温管路进行充分的换热，吸收所述低温工质气轮机或膨胀机排出的，温度达-146℃临界温度的高温乏汽热能，低温液体泵输出的所述低温液氮吸热能以后，温度被提升到接近临界温度，达到约-148℃，有0.5℃以上金属管壁换热温差；从乏汽回热器低温管道出口输至所述主换热器，如热空气换热器中吸热；温度达到0℃以上，形成高压气体驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或者带动发电机输出电能；形成循环；

另外，所述低温液体储罐中储存的低温工质液氮或者液空，由于所述乏汽回热器的金属管壁存在换热温差等原因，造成所述乏汽回热器高温管道输出的液体温度偏高，返回到所述低温液体储罐中以后，会造成所述低温液体储罐中储存的低温液体温度不断升高，从而造成有一部分的低温液体工质蒸发流失，将导致低温液体工质越来越少，因此需要不断的对所述低温液体储罐补充低温液体工质；

为避免和减少这种情况发生，所述低温液体储罐还设置有低温液体工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的低温液体储罐、压缩机、热交换器、和节流降压装置构成；所述节流降压装置输出口连接所述低温液体储罐，形成循环；

所述低温液体储罐中，已经蒸发的低温工质气体通过管道引入到压缩机入口；通过所述压缩机压缩后温度升高，被输送至所述热交换器中；所述热交换器为释放热能的换热器设备，设在所述压缩机出口，并通过换热将所述压缩机压缩气体所产生的热能，释放到所述低温液体泵输出的低温工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中；或者释放到环境中冷空气或冷水中；

被所述压缩机压缩的气体，失去热能量后冷凝成为液体，通过所述节流降压装置降低压力后，返回到所述低温液体储罐中；

所述低温液体储罐中储存的低温液体，气化吸收大量的汽化热，所述压缩机不断的运行，将气体携带的大量汽化潜热能量压缩，产生的高温和能量，不断的通过所述热交换器将该高温热能量，置换和释放到所述低温液体泵输出的低温工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中用于发电；或者释放到环境中冷空气或冷水中；如此不断的循环；

所述主换热器还包括燃烧加热系统，燃料存储器中的燃料，经燃料供应和控制器的调节，点火器将燃料点燃，加热所述受热管或锅炉中的低温发电工质；形成高温高压气体驱动所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转和做功，输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述燃料包括但不仅限于天然气、LNG、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、清洁煤气、生物燃料、氢燃料；

所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，和/或带动发电机高速旋转对外输出电能；所述发电机高速旋转输出电能，并且连接到电源控制系统；所述电源控制系统连接驱动电动机；所述电源控制系统还连接有储能设备，所述储能设备包括但不仅限于超级电容器储能系统和/或电池储能系统；

在炎热夏季，所述低温工质发电系统和动力系统及设备，一方面通过低温液氮吸收环境热空气或水的热能做功发电，另外，当环境温度较低或者能量不够设备消耗的情况下，该系统通过燃烧设备所携带的燃料，加热所述主换热器，让系统能够继续做功发电；同时该系统和设备还设置有电源控制系统及储能设备，通过储能设备的电能储存与释放电能，满足系统对电动机转速的调节与控制。

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