CN111794819A - 一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，属于低温热机技术领域，尤其涉及用低品位热源进行高效率发电的系统，主要应用于超低温余热发电、热水发电、冷水机等领域。ORC朗肯循环用沸点15℃工质，可实现80℃以上热水发电；本系统采用更低沸点的二氧化碳甚至液空或液氮，工质沸点低至到零下‑196℃，可实现15℃‑20℃以上热水发电；本实施例核心是解决低温发电工质的冷凝还原难题，及低温工质汽轮机或膨胀机轴端泄漏等难题；使本发明实施例形成一套完整高效低品位能源发电的低温发电系统或者动力系统。具有热源温度低，建设成本低，效率高的优势。

Description

一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备

技术领域

本发明涉及低温余热发电、超低温余热发电、热水发电、冷水机等技术领域，尤其涉及一种采用低温工质CO2或液氮等等介子的低温超临界发电技术；通过极其低温工质CO2或液氮吸收低品位热源的热能发电输出，是一种高效率低温热机发电系统或动力系统及设备。

背景技术

传统余热发电系统，大部分是采用水作发电工质，水通过水泵加压输送到锅炉中，吸收高温余热能量后气化形成高压蒸汽，然后输入和驱动汽轮机高速旋转输出机械能或带动发电机旋转输出电能。汽轮机排出的低温乏汽，通常采用冷却塔与环境中的冷水或冷空气换热，将乏汽中潜热能量释放掉，冷凝还原成为水以后，再通过水泵输送给锅炉重新加热成蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机输出电能，汽轮机排出的乏汽再通过冷却塔系统，将乏汽中的潜热能量释放到环境中的冷水或冷空气中，乏汽被冷凝成水后，再通过水泵加压到锅炉中加热，如此循环不断的发电输出。

用水作发电工质的发电技术和余热发电，可对中高品位余热资源进行吸收热能和发电；由于废余热资源是工业生产过程中多余和免费的热源，同时国家对这种环保的余热发电项目扶持，所以在工业市场中应用较多。

缺点是余热发电效率低，低温余热效率通常只有10％左右，对于温度较高余热资源，发电效率也就20％左右，约80-90％热能量通过冷却塔释放到环境冷空气或冷水中，造成巨大的热资源浪费，并对环境形成热污染。

市场上除采用水作发电工质，还有一种低温的有机朗肯循环，该发电采用沸点温度约15℃的有机工质，可实现对80℃以上的热水和蒸汽进行余热发电，该有机朗肯循环与用水作发电工质的原理大体相同。螺杆膨胀机排出的乏汽，也是采用环境中的冷空气或者冷水实现冷凝还原。采用螺杆膨胀机替代汽轮机，同时因有机朗肯循环发电用约15℃沸点的低沸点工质，所以能够对80℃(甚至60℃)以上热水和热蒸汽进行发电。

该低温有机朗肯循环的优势是能对80℃以上的低品位余热进行发电。缺点也是需要采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中的冷空气或者冷水中，不但对环境造成了热污染，同时还导致发电效率明显降低，一般仅8-10％左右的有效热效率，最高效率也就约20％，近80～90％的热能量被白白浪费和释放到环境中。同时该低温余热发电技术，采用(每吨约10万元)昂贵有机工质；因此该余热发电产品不但效率低，同时发电工质也成本昂贵。

对于标准大气压沸点温度低于0摄氏度的低温发电工质，国内和国际都还处于研究阶段，对于搞发电的技术人员来说，低温发电工质的储存是一个难点，极其低温液体的发电工质，沸点温度远低于环境，设备里面的低温液体放置在环境中就会气化，形成高压气体后就无法使用和发电了；还有一个最大难点是气轮机做功后，低温乏汽的还原也成为最大痛点。

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；但是低温发电工质的乏汽温度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，因此也就无法实现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以及热泵所消耗的巨大电能，代价实在太高。因此，这种低温工质发电系统或者动力系统，基本上没有人去研究。很多从事发电的技术人员，学习和看到的都采用水做发电工质，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。

另外还有，汽轮机缸体静止不动，汽轮机转子(或者膨胀机转子)的转速非常快，高速旋转的转轴与静止不动的缸体之间需要进行严格的密封，否则汽轮机输入的超高压气体，就会顺汽轮机转轴外泄，且泄漏压力很大。汽轮机需要有轴封系统，传统有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封；高压进气端虽然装有轴封，但仍然不能避免蒸汽通过轴封外漏。现大型汽轮机泄漏量每小时可达10吨以上。

自密封系统，汽轮机启动和停机过程中，高压端轴封没有蒸汽，则需引用经过减温减压的新蒸汽，同时送入高压端和低压端轴封中，系统达到80％左右负荷后再结合自密封等系统，整个轴封系统也是相当复杂。其余的少量漏气再经过几道轴封片后，由信号管排放至大气，运行中可通过观察信号管的冒汽情况来监视轴封工作的好坏。尤其是低温的有机发电工质，(每吨成本达10万元左右)因此轴封的泄漏成本也是相当昂贵。

本发明实施例采用更低沸点的二氧化碳、液空、液氮等更低温度的发电工质，不但可以实现更低温度的余热发电；同时CO2、液空、液氮，每吨成本仅为几百元人民币，相对有机工质成本低很多。

标准大气压下，沸点温度低于0℃的低温液体发电工质，对于搞发电的技术人员来说，极其低温的液氮或者液空工质，沸点要远低于环境温度，除了气化形成气体无法使用外，还有一个最大痛点是低温发电工质驱动气轮机做功后，极其低温的乏汽如何还原成液体是最大难点。为了解决这些难题，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，低温工质冷凝技术和方法，同时也找到了一种解决所述低温工质气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的最新密封技术。(备注：汽轮机通常是指水蒸汽工质的，由于低温工质气化以后为气体，一般是不含有水蒸汽的气体，因此特将“汽轮机”改成“气轮机”)

发明内容

低温工质的储存难题，对于长期从事发电的技术研发人员来说，每天接触的都是沸点为100℃的水，低温液体工质的沸点温度很低，放置在环境中会气化；但对于搞空分的相关技术人员来说，低温液氮、液氧、液氩甚至液氢、液氦的储存，采用真空绝热等技术就能够很好的解决；不但如此，为防止真空绝热被破坏或者搁置时间长，造成外部热能进入低温液体储罐，一般都会在所述低温液体储罐上安装压力保护装置。当极低温液体吸热气化后，通过压力保护装置释放掉压力，同时，低温液体气化吸收大量汽化潜热，释放后也会迅速降低低温液体温度，这些技术对于搞低温和搞空分技术人员来说不是技术难题，这些也是相关领域非常成熟的现有技术，在此就不再过多赘述。

但是，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的研发和生产制造，市场上还没有公司和厂家生产，还属于空白市场，也不属于现有技术，没有解决极其低温发电工质的冷凝难题，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机也就不知如何设计，之前也没有这方面的市场需求，因此所述低温工质超临界气轮机或膨胀机也就没人去进行研究和开发。

所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排气管道排出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温工质临界温度；所述低温工质超临界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，冷凝所述低温工质超临界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，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，以及所述低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，才能够正常的进行运转；因此，在没确定好低温工质超临界发电系统或动力系统及设备的情况下，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，也是无法进行研究和生产制造的。

所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界气轮机或膨胀机选用耐低温材料，包括并不局限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

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超临界发电系统或动力系统及设备，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、低温工质超临界气轮机或膨胀机、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，形成一个闭环系统；

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；所述低温工质超临界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一个换热效率很高的换热设备；

进一步的，所述主换热器设在所述乏汽回热器低温管道出口与所述气轮机或膨胀机之间，为与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于锅炉、余热锅炉、热交换装置、冷却器、冷凝器、凝汽器、烟气换热器、风道换热器、空气换热器、热水换热器、工业废气和废液热交换器、设备冷却器、地热换热器的任意一种或多种组合；

进一步的，所述低温工质超临界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；所述低温工质超临界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；

可选的，低温工质超临界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，因此需包括临界温度点附近的温度范围；

所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质超临界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；

进一步的，所述低温工质超临界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，冷凝所述低温工质超临界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超临界气轮机或膨胀机进行组合；

可选的，所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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空气和冷水中(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的节能)；

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和限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蒸发量；

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；所述蒸发器吸取低温热源的能量，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端部分的热能量，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，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绝热性能极佳的，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、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，并且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、低温液体泵、乏汽回热器、主换热器、低温工质超临界气轮机或膨胀机、压缩机、热交换器、节流降压装置、和所述热泵系统的热泵压缩机、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；

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，所述低温工质超临界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，所述低温工质超临界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发电工质，高压蒸汽通过喷嘴，驱动汽轮机的叶轮和转子高速旋转，高压二氧化碳、高压氮气、高压空气等低温工质，通过喷嘴吹动气轮机转子上的叶轮，也一样能够驱动气轮机叶轮和转子高速旋转，气轮机喷嘴和叶轮是不区分输入的是高压水蒸汽，高压二氧化碳气，还是高压空气、高压氮气；只要是高压的气体驱动，气轮机的叶轮就会旋转；其他的气体透平机械设备，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，只要是有高压的气体输入，不管是什么气体，气轮机和膨胀机的转子都会高速旋转。

现有传统气动机、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，但都属气体透平类设备，并且基本属于小型的气体透平等设备(只有汽轮机可大可小，且应用最广泛)，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者有机朗肯循环的有机发电工质，但是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，就会出现变脆甚至裂口的可能性，这是现实情况绝对不能够允许的，必须选择耐低温材料才可以解决该难题，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输入的高压气体，温度需明显高于所述低温工质的临界温度；所述低温工质超临界气体透平设备输出端排出的乏汽，温度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，因此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。

所述低温工质超临界膨胀机、气动机，与所述低温工质超临界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，所述低温工质超临界膨胀机的输入端、输出端，管道连接方法和使用方法以及参数，与所述低温工质超临界气轮机完全相同，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；所述低温工质超临界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，所述低温工质超临界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；所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，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超临界气轮机或膨胀机的输出端缸体内部；并对所述低温工质超临界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，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机输入端，及所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的输出端，均隐藏设置到所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的缸体内，利用所述低温工质超临界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，从所述低温工质超临界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，在所述低温工质超临界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超临界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，低温工质汽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是非常的麻烦。为解决低温工质汽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，将低温工质汽轮机或膨胀机设备的输入端和输出端都隐藏到低温工质汽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汽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汽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；这些也都是属于本发明实施例所提供的技术范围。

第七方面，本发明实施例为能够更好的说明所述低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，以及所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，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超临界发电系统或动力系统及设备的工艺；

包括如下步骤：

例如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的低温管道，输送至所述主换热器，如余热锅炉中加热，热源温度达到0℃以上；所述低温液体发电工质吸收所述热源的能量，气化后形成高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界气轮机或膨胀机输出的乏汽，温度必须达到所述氮气或者空气的临界温度-146℃以上，潜热为0；用所述低温液体泵输出的极其低温液体，温度低至零下-196℃以下的液氮或液空，冷凝所述低温工质超临界气轮机或膨胀机输出的，临界温度的高温乏汽，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，冷凝成低温的液氮或液空，返回至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，温度为零下-196℃以下，通过所述低温液体泵加压，输送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，吸收所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排出的，温度达-146℃以上临界温度的高温乏汽热能，低温液体泵输出的所述低温液体发电工质吸热以后，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，如余热锅炉中继续加热；形成高压气体输入并驱动所述低温工质超临界气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或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，失去热能量后大部分冷凝成为液体，通过所述节流降压装置降低压力后，返回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和冷水中；形成循环。

第八方面，值得注意的是，本发明实施例所述低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，能够采用极低温液氮(液空等低温工质)作为发电工质，由于液氮温度极低，可以实现0摄氏度以上的热水发电和热空气发电；因此，所述低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，完全可应用于冷水机、空调等领域，甚至还可应用于电动汽车、船舶领域。通过极低温液氮(或液空)吸取环境空气的热能进行发电；在电动汽车底盘和/或车厢壳体内预埋换热管道，与环境空气换热和吸收热能发电；所述发电设备或者动力设备安装到电动汽车，(或者火车、船舶等移动设备)上驱动设备或者给设备充电。这些都是很容易想到的，因此也属本发明实施例所提供的保护范畴。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供一种低温工质发电系统或者动力系统，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、低温工质超临界气轮机或者膨胀机、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低温液体储罐入口，形成闭环；

所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机主蒸汽管道，与所述主换热器出口管道连通；所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道，与所述乏汽回热器高温管道入口连通；

所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机设备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；所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机排气管道输出的乏汽，温度必须达到或者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者膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；

本发明申请中，通过提高所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机排气管道输出的乏汽达到临界温度(潜热为0)，就可以实现低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝所述低温工质超临界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”，因此这样做就不再需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液体。

所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机排气管道输出的乏汽达到临界温度，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，并且还能够降低汽轮机的制造成本。

通过气轮机设备、乏汽回热器、低温液体泵等设备协同作用，实现一种高效率发电系统及动力系统。所述发电系统不需要有传统朗肯循环发电系统中的冷却塔系统，也不需要有消耗巨大电能的压缩机，通过设置乏汽回热器和提高乏汽温度，然后再用低温液体泵输出的极其低温液体冷却自己临界温度的高温乏汽；因此可以解决二氧化碳、氮气、空气等乏汽的冷凝难题，也为实现低品位热能高效率发电、热水发电、低品位余热资源的利用打开大门。

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一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备的连接示意图；

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低温工质发电系统或者动力系统设备连接示意图；

图3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及乏汽回热器热泵系统的低温工质发电系统或者动力系统示意图；

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超临界气轮机结构示意图；

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；4-主换热器；5-低温工质超临界气轮机；6-发电机；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、低温工质超临界气轮机部分图标：

(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。

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或者动力系统设备连接示意图；在图1中，低温液体储罐1中储存的发电工质为液氮(约零下-196℃)，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(如凝汽器)中加热到约0℃以上，低温发电工质吸热形成高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机(或膨胀机)5高速旋转做功；输出机械能或者带动发电机6高速旋转输出电能；所述低温工质超临界气轮机5排出的乏汽，温度达到氮气的临界温度(约-146℃以上，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℃以上的)高温乏汽成为液氮(约-193℃，金属壁有0.5℃以上的换热温差)，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(约-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，吸收所述低温工质超临界气轮机5输出到所述乏汽回热器高温管路302中的(约-146℃)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，重新加热到0℃以上，成为高温高压氮气，驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转做功，输出机械能或带动发电机6发电，如此不断循环，不断发电输出；所述低温工质超临界气轮机5的工况区，始终在氮的(-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低温工质发电系统或者动力系统设备连接示意图；

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，形成一个闭环回路；

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和临界温度相对较高时，优选的，所述热交换器303的低温管道设置在环境中冷空气或者冷水中，并且将所述压缩机7压缩气体所产生出来的热能，直接释放到环境中的冷空气和冷水中，有利于压缩机7的节能和低温工质迅速冷却；

所述节流降压装置8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；

图3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及乏汽回热器热泵系统的低温工质发电系统或者动力系统示意图；所述低温液体储罐降温冷却装置与图2相同，不再过多赘述；

图3中，本发明实施例为控制和限制所述乏汽回热器高温管道302出口的工质温度升高，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出口的温度升高，从而降低所述低温液体储罐1中的低温液体发电工质的蒸发量；

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℃，蒸汽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，因乏汽温度非常的低，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，但是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略微高于(约-146℃)的临界温度，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)的高压氮气，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℃)临界温度的高温乏汽，潜热为0，输送至图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；

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。

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(可控温度的)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，将缸体内润滑油的热量传递到缸体外，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，设输出端预留隔热区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还包括有与输出端绝热壳体9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，和润滑油泵30；润滑油泵30输出的低温高压润滑油经润滑油输入管道31送至输出端绝热壳体9内，为输出端轴承和轴承座10提供充足的，干净的，低温的润滑油，确保输出端轴承和轴承座10能够安全和稳定运行，具体实施与输入端相同，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。

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，该技术相对较独立，本发明实施例所提供的技术方案，还可应用到其他旋转设备的产品上，因此也属于本发明实施例所提供的，具有独立的技术特征。在引用这些技术特征时，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超临界气轮机结构示意图；

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，同时还能提高所述发电系统以及动力系统的整体发电效率；

如图7所示，本发明实施例提供的低温工质超临界气轮机，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超临界气轮机排气管道21排出，此时乏汽中没有潜热，潜热为0，潜热变显热。再用低温液体泵输出的极其低温液氮，冷凝临界温度的高温乏汽；因此所述低温工质超临界气轮机具有体积小，动力强劲、成本低的优势；同时也为实现低品位热能发电、热水发电、热空气发电、超低温余热资源的利用打开了大门。

Claims (8)

1.一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，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、低温工质超临界气轮机或膨胀机、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；所述低温工质超临界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超临界气轮机或膨胀机之间，是与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于锅炉、余热锅炉、热交换装置、冷却器、冷凝器、凝汽器、烟气换热器、风道换热器、空气换热器、热水换热器、工业废气和废液热交换器、设备冷却器、地热换热器的任意一种或多种组合；

所述低温工质超临界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；所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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，冷凝所述低温工质超临界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超临界气轮机或膨胀机进行组合；

所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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超临界发电系统或动力系统及设备，其特征在于，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；

所述热交换器为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；

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超临界发电系统或动力系统及设备，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超临界发电系统或动力系统及设备，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、低温液体泵、乏汽回热器、主换热器、低温工质超临界气轮机或膨胀机、压缩机、热交换器、节流降压装置、和所述热泵系统的热泵压缩机、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超临界发电系统或动力系统及设备，其特征在于，所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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。

6.根据权利要求5所述的一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，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，在所述低温工质超临界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；

所述低温工质超临界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。

7.根据权利要求5-6所述的一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，和所述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；所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，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超临界气轮机或膨胀机的输出端缸体内部；

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

8.一种低温工质超临界发电系统或动力系统及设备的工艺，适用于权利要求1-7中任一项所述低温工质超临界发电系统或动力系统及设备，和所述低温工质超临界气轮机或膨胀机；包括如下步骤；

例如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的低温管道，输送至所述主换热器，如余热锅炉中加热，热源温度达到0℃以上；所述低温液体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超临界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；

所述低温工质超临界气轮机或膨胀机输出的乏汽，温度必须达到所述氮气或者空气的临界温度约-146℃，潜热为0；用所述低温液体泵输出的极其低温液体，温度低至零下-196℃以下的液氮或液空，冷凝所述低温工质超临界气轮机或膨胀机输出，达临界温度高温乏汽，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者液空，温度为零下-196℃以下，通过所述低温液体泵加压力，输送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，吸收所述低温工质超临界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体发电工质吸热能后，温度被提升到接近临界温度，达到约-148℃左右，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，如余热锅炉中继续加热；温度达到0℃以上，形成高压气体驱动所述气轮机或膨胀机高速旋转做功，输出机械能或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，失去热能量后绝大部分冷凝成液体，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；形成循环。

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