CN111980770A - 一种低温工质超临界发电系统或者动力设备 - 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者动力设备，属于低温热机发电的技术领域，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、火力发电、动力设备等领域；ORC朗肯循环用沸点15℃工质，可实现80℃以上热水发电；本系统使用更低沸点的二氧化碳甚至液空或液氮，工质沸点低至到‑196℃，可实现10℃以上的热源发电；本发明实施例核心是解决低温发电工质的冷凝还原难题，以及低温工质气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设备；具有热源温度低，成本低，效率高的优势。

Description

一种低温工质超临界发电系统或者动力设备

技术领域

本发明涉及余热发电、生物质发电、火力发电、动力设备等技术领域，尤其涉及一种采用低温工质液空或者液氮的低温超临界发电技术；通过液氮等低温工质，吸收20℃以上热源的热能并发电输出，是一种高效率的低温热机发电系统或者动力设备。

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，蒸汽冷凝还原成水后，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，如此不断的循环，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，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8-12％左右，对于温度较高的余热资源，发电效率也就20％左右，近80-90％热能量通过冷却塔释放到环境空气或冷水中，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，也是采用环境中空气或冷水实现冷凝还原。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8-12％的有效热效率，最高效率也就约20％，近80-90％的热能量被白白的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)昂贵的有机工质；因此该余热发电产品不但效率低，同时发电工质成本昂贵。

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空气或冷水中；但是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的潜热，释放到环境中的空气或者冷水中，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设备，基本上没有人去研究。很多从事发电的技术人员，学习和看到的都是用水做发电工质，用低温液体工质绝大多数人员都没有去想，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。尤其是低温的有机发电工质，(每吨成本高达10万元)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，不但可实现更低温度的发电；同时C02、液空、液氮，每吨成本仅几百元，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。为解决这些技术难题，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，这些技术对搞低温和搞空分的技术人员来说不是技术难题，这些也是相关领域很成熟的现有技术，在此就不再过多赘述。

但是，所述低温工质超临界气轮机的研发和生产制造，市场上还没有公司和厂家去做，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，所述低温工质气轮机(或膨胀机)也就不知道如何设计，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有人去进行研究和开发。

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者动力设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、主换热器、低温工质超临界气轮机构成；所述低温工质超临界气轮机排气管道排出的乏汽，进入所述低温液体储罐入口，形成循环；或者对外输出；

低温氮气对外输出是为其他用途；例如一些需要纯净低温氮气的场所；对外输出部分氮气可满足实际需求；本申请重点为发电循环；

进一步的，还设置有乏汽回热器，所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温液体泵与所述主换热器之间；所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机排气管道的出口与低温液体储罐之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的进行换热，构成高效换热的乏汽回热器；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组合到一起；

所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；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发电工质；

所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；

所述主换热器设置在所述乏汽回热器低温管道与所述低温工质超临界气轮机之间；所述主换热器是与热源进行换热的主要设备；

所述主换热器又分为低温主换热器和/或高温主换热器；所述低温主换热器包括但不仅限于热水换热器、冷凝器、冷却器、风道换热器、空气换热器、设备冷却器、地热换热器、工业废气和废液热交换器的任意一种或多种组合；所述高温主换热器包括但不仅限于中高温热交换装置、锅炉、余热锅炉、核电锅炉的任意一种或多种组合；

所述高温主换热器输入的能量越大，温度越高，系统输出的机械能和电能就会越大；

所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；

所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，温度必须明显高于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，温度达到或者接近所述低温工质的临界温度；

储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过所述低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收外界的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能。

第二方面，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温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，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、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设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；

所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

所述低温工质超临界气轮机的设备外，设有高效保温材料；包括但不仅限于泡沫材料、真空绝热、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉。

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输入的高压气体，温度必须明显高于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，温度达到或者接近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排气管道输出的，温度达到或者接近所述低温工质临界温度的乏汽之间焓差做功；驱动所述低温工质超临界气轮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；

第三方面，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道所输出的乏汽温度，达到或者接近所述低温发电工质的临界温度；采用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或膨胀机排气管道输出的达到或接近临界温度的高温乏汽，令所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道输出的高温乏汽冷凝成为液体，经乏汽回热器高温管道出口的节流阀，节流降压制冷后，将低压低温的冷凝液体返回到所述低温液体储罐中储存备用；

每种低温工质的物性不同，设备的成本以及效率也不同，因此低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽，经乏汽回热器充分的换热后；会呈现液体、气液混合、甚至全部为气体几种情况；如果完全是高压液体，直接用节流阀，节流降压制冷后，将低压低温的冷凝液体返回到所述低温液体储罐中储存备用；优选的，也可以采用所述膨胀机(或叶轮机)，将高压流体中的压力能量回收，同时对高压流体实现更低温的深冷；

值得注意的是，膨胀机厂家不同，工艺不同，所提出要求也不同，高压液体对膨胀机叶轮冲击很大，受到工艺和材料的限制，有厂家就要求膨胀机输入必须是气体，有厂家可带小部分液体，甚至还有厂家的膨胀机输入可以全部为液体；对于高压液体还可以采用叶轮机，所述叶轮机定义为是一种膨胀机叶轮设备，即叶轮机为膨胀机；

所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽为高压；与低温液体泵输出的极其低温液体充分的换热，高温高压乏汽冷凝成为高压低温流体；驱动乏汽回热器高温管道出口的叶轮机(即膨胀机)做功，输出机械能或者带动发电机输出电能；所述膨胀机在实现节流降压的同时，消耗所述高压低温流体的内能对外做功，在对外做功同时实现更加深层的制冷；并将低压低温的液体，返回到所述低温液体储罐中备用；采用膨胀机制冷，输出的温度更深冷，该技术通常应用在空分和深冷领域中，空分中的深冷是靠压缩机来实现高压，该技术是靠所述低温工质超临界气轮机排出的高压，高压方式两者完全不同；

进一步的，所述乏汽回热器高温管道的出口位置；节流阀和膨胀机，两个设备都具有节流减压及制冷功能；节流阀结构简单，成本低，但不能做功和深冷，适用于小型发电设备；所述膨胀机不但能实现节流减压功能；所述膨胀机的入口为高压，膨胀机出口为低压，所述膨胀机在实现节流降压的同时，还能够消耗高压流体的内能对外做功，在对外做功发电的同时，实现更加深层制冷；并将更低温的冷凝液体，返回到所述低温液体储罐中储存备用；优选的，本发明实施例所述节流阀和膨胀机同时采用，两个设备为并联；由于所述膨胀机能够利用压力做功，并实现更加深层制冷，乏汽压力没有达到临界压力也可以，但是必须要有一定的压力，所述膨胀机才能够正常工作，因此本发明实施例包括低于临界压力或者达到或者高于临界压力的范围；

进一步的，所述节流阀入口与所述膨胀机入口之间还设置有气液分离器；液体密度大，气体密度小，所述气液分离器设置为较简单的重力气液分离器，所述气液分离器输出的液体连通所述节流阀入口；所述气液分离器输出的高压气体，输入并驱动所述膨胀机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；在做功的同时消耗所述高压流体内能深冷，令低温低压液体返回所述低温液体储罐中储存备用。

第四方面，本发明实施例所述的低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，和第二节流阀或者第二膨胀机构成；所述压缩机单独设置或者与所述膨胀机同轴连接；或者在同轴连接的膨胀机和所述压缩机轴上，再同轴连接一套电动发电一体机；所述压缩机启动或者压缩机压缩动力不够时，所述电动发电一体机表现为电动机输出动力驱动压缩机；当所述膨胀输出大于所述压缩机需求，所述电动发电一体机表现为发电机将所述膨胀输出的机械能转变为电能输出；

进一步的，所述压缩机与所述膨胀机为同轴连接的一体设备；所述膨胀机高速旋转驱动同轴连接的压缩机高速旋转；所述压缩机吸收从低温液体储罐中蒸发出来的低温气体并进行压缩，通过设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机之间的冷凝器，将所述压缩机压缩气体所产生的热能，释放到所述膨胀机入口的低温工质中，令所述膨胀机所输入的流体成为全部气体或者绝大部分为气体；

所述低温液体储罐中的低温液体蒸发出来的低温气体，携带大量的气化潜热，经低温液体储罐顶部收集及管道输送至所述压缩机后，被压缩机压缩并通过所述冷凝器冷凝成为液体，再经第二节流阀或第二膨胀机节流降压制冷后，返回低温液体储罐中备用；如此不断循环，不断的将低温液体储罐中蒸发出来的气体压缩，并冷凝还原成为低温液体；不断的降低所述低温液体储罐中液体的温度，令所述低温液体储罐中储存的低温发电工质，始终都保持为低温的液体状态。

第五方面，本发明实施例中，还包括有燃烧系统，所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成；所述锅炉由燃烧器和所述高温主换热器管道构成；

所述燃料存储器中的燃料，经过控制器的调节与控制后，被输送至所述锅炉中燃烧，产生的高温热能量加热所述高温主换热器管道或者锅炉管道；所述高温主换热器管道或锅炉管道中的低温发电工质，受热后形成高温高压气体，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；

所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于天然气、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、生物燃料的任意一种；

进一步的，还包括有低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器，换热器，控制器，和锅炉构成；所述换热器设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间，或者单独设置吸收环境中空气的热能；所述低温液体燃料，包括但不仅限于LNG液体、液氢；

储存在所述低温液体燃料存储器中的低温液体燃料，通过管道输送至所述换热器中吸收环境中空气的热能后气化形成可燃气体；或者与乏汽管道中的高温乏汽换热，令高温高压乏汽冷凝成为液体返回所述低温液体储罐中；与此同时，所述低温液体燃料吸收所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽的热能后气化成为可燃气体，经所述控制器调节控制后，可燃气体被输送至所述锅炉中燃烧，加热所述锅炉高温主换热器管道中低温发电工质，所述高温管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后，形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或者带动发电机旋转对外输出电能；

进一步的，所述高温主换热器或者锅炉外，还包裹低温主换热器，所述低温主换热器充分吸收锅炉中可燃气体燃烧产生出的热能，充分利用所述可燃气体燃烧所产生出来的热能量来进行做功和发电；

进一步的，所述低温主换热器还与其他发热设备进行换热，充分的吸收其他发热设备的热能量，同时也令其他发热设备降温；

进一步的，所述低温主换热器，还与环境中的热空气或者环境中的热水等介子换热，利用极其低温的所述低温发电工质来吸收环境中的热能做功，进一步的提高该系统的发电效率和发电输出。

第六方面，本发明实施例中，所述低温液体储罐为拥有安全阀保护措施的，并具有良好绝热性能的，低温液体存储的压力容器；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；所述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；

所述低温液体储罐不但绝热性能优良，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中，还在低温液体储罐壳体上设有压力保护装置。当极其低温液体吸热气化后，通过所述压力保护装置释放掉压力，没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，这样设置就更加的安全了。

低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器、低温工质超临界气轮机或膨胀机、节流阀或膨胀机、压缩机、冷凝器、第二节流阀或第二膨胀机、低温液体燃料存储器；上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；

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；

所述低温设备或者低温部件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的材料构成，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。

第七方面，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，所述气体透平还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，以上的所述气体透平采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；

传统气体透平是采用蒸汽作工质，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叶轮，也一样能驱动气轮机叶轮转子旋转，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；只要是高压流体驱动，气轮机的叶轮就会旋转；所述气体透平机械设备，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，气轮机或者膨胀机的转子都会高速旋转。

传统现有气动机、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，且基本都属小型气体透平(只有汽轮机可大可小，且应用最为广泛)，但所有传统设备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，但一般都没有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，这是实际应用情况中是绝对不能够允许的；必须选择耐低温材料才能够解决该问题，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。

另外，所述气体透平或者所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，还需要将传统气体透平设备原有设备尾部“全部去掉”，只保留发电工质临界温度以上的部分；所述低温工质超临界气体透平设备输入的高压气体，温度以及压力都必须要明显的高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气体透平设备输出端排出的乏汽，温度达到或者接近所述低温工质的临界温度；

进一步的，所述气体透平设备的排气管道连接乏汽回热器高温管道入口，令低温液体泵输送至乏汽回热器低温管道的极其低温液体，冷凝所述气体透平设备排气管道所排出的，温度达到或者接近所述低温工质临界温度的高温乏汽；

所述气体透平设备或者膨胀机输出端排出的乏汽，温度达到或者接近所述低温发电工质的临界温度，对于本发明实施例来说，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，成本也比较低，其他的气体透平设备在市场上数量比较少，因此本发明实施例重点描述气轮机，其他设备相同，不再过多重复赘述。

所述气体透平膨胀机、气动机，与所述低温工质超临界气轮机都属于气体透平机械，只是设备本体的结构略有不同；在本发明实施例中，所述低温工质超临界膨胀机、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，与所述低温工质超临界气轮机都相同，因此也属于本发明实施例所提供的范畴；

第八方面，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；优选的，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低温高压润滑油，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；并为所述轴承和轴承座提供干净恒温的润滑油；绝热壳体内的高温和脏润滑油，通过润滑油输出管道输出，并输送至润滑油过滤器和润滑油冷却器降温，再经润滑油泵加压输给轴承，形成循环；

进一步的，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，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；

进一步的，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超临界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超临界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。

第九方面，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者动力设备，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者动力设备的工艺；具体内容如同权利要求10所述的内容；

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设备或者动力设备，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者膨胀机、乏汽回热器高温管道、节流阀或者膨胀机构成；所述节流阀或者膨胀机的出口，返回和连接到所述低温液体储罐的入口，形成闭路循环；

所述低温工质超临界气轮机的主蒸汽管道输入的高压气体温度，必须明显高于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所输出的乏汽温度，达到或者接近所述低温发电工质的临界温度；本发明申请中，通过提高所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度，就可以实现低温液体泵输出的极低温液体，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”。通过提高所述气轮机排出的乏汽温度以及乏汽压力，令低温液体泵输出的极低温液体冷凝气轮机排出的高温高压乏汽成液体；

进一步的，所述低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，和第二节流阀或者第二膨胀机构成；所述压缩机单独设置或者与设置在乏汽回热器高温管道出口与低温液体储罐之间的所述膨胀机同轴连接；

进一步的，还包括有燃烧系统，所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成；所述锅炉由燃烧器和所述高温主换热器管道构成；进一步的，还包括有低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器，换热器，控制器，和锅炉构成；

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或者接近临界温度，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。

通过所述低温工质超临界气轮机设备、乏汽回热器、低温液体泵等设备协同作用，实现一种高效率的发电系统或者动力设备。所述发电系统不需有传统朗肯循环发电系统中的冷却塔系统，通过设置乏汽回热器和提高乏汽温度及压力，然后再采用低温液体泵输出的极其低温液体冷却自己的高温高压乏汽；再结合所述膨胀机实现更加深冷还原，因此可解决二氧化碳、氮气、空气等低温工质乏汽的冷凝难题，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；

同时，该系统还可以燃烧沼气、天然气、液化石油气、生物燃料、垃圾、废轮胎、秸秆、汽油、柴油、以及煤炭、核燃料；热源温度越高，机械能输出或者带动发电机发电的输出就会越大；系统中没有冷却塔系统；几乎没有能量对外排放，因此该发电系统和设备的效率很高。

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带节流阀的低温工质超临界发电系统或者动力设备的连接示意图；

图2为本发明实施例提供的一种带节流膨胀机深冷的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；

图3为本发明实施例提供的一种带节流阀、膨胀机深冷以及同轴压缩机深冷的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；

图4为本发明实施例提供的一种带膨胀机深冷和压缩机深冷以及燃烧系统的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；

图5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6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(-147℃)临界温度的气轮机结构示意图；

图7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8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(-147℃)临界温度的低温工质超临界气轮机结构示意图；

发电部分图标：1-低温液体储罐；2-低温液体泵；3-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；401-低温主换热器；402-高温主换热器或者锅炉；5-低温工质超临界气轮机；6-发电机；7-节流阀；77-膨胀机；78-同轴压缩机；8-发电机；9-冷凝器；10-第二节流阀或第二膨胀机；100-低温液体燃料存储器；110-换热器；111-控制器；

气轮机部分图标：

(其它所述气体透平设备与所述气轮机只是设备本体略有一些不同，对本发明实施例特征来说改动相同，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。

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带节流阀的低温工质超临界发电系统或者动力设备的连接示意图；在图1中，低温液体储罐1中储存的发电工质为液氮(约-196℃)，通过低温液体泵2提升压力，流经乏汽回热器低温管路301，输送至主换热器4的低温主换热器401(如热水换热器)中加热到0℃以上；低温发电工质液氮吸热形成高压气体，压力达到3Mpa以上，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，温度达到或者接近氮气约-147℃临界温度(潜热0)，乏汽压力达到约1Mpa高压，(根据需要乏汽压力还可更高)用低温液体泵2输出的-196℃液氮，冷凝约-147℃高温高压乏汽成为液氮，经节流阀7节流降压制冷，输出低温低压的液氮返回低温液体储罐1中备用；

所述低温液体储罐1中约-196℃以下的液氮，通过低温液体泵2增压输送至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输送至乏汽回热器高温管路302中约-147℃，约1Mpa左右的高压高温乏汽热能，液氮温度被提升到约-148℃，并从乏汽回热器低温管路301出口输至所述主换热器4中，再重新加热到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。

图2为本发明实施例提供的一种带节流膨胀机深冷的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；图2与图1基础上唯一区别，本发明实施例将节流阀7，更换成为膨胀机77，所述膨胀机77能够利用约1Mpa左右的高压流体及压力能量进行做功(根据需要，乏汽压力还可以更高)；所述低温工质超临界气轮机5排气管道输出的高温高压乏汽；在所述乏汽回热器高温管道302中充分的换热冷凝，所述高压流体输送至膨胀机77，所述膨胀机77入口流体为高压，出口流体为低压，通过所述膨胀机77的节流降压和做功，令呈低压低温的液氮返回所述低温液体储罐1中；因膨胀机77的输入端与输出端存在巨大压差，驱动所述膨胀机77高速旋转，输出机械能或带动发电机8输出电能；又因所述膨胀机高速旋转对外做功，消耗所述低温工质流体的内能，导致返回到所述低温液体储罐1中的低温工质液体温度更加低；更有利于所述低温液体储罐1中低温液体降温，以及所述低温液体泵2输出的更加低温的液氮，冷凝乏汽回热器高温管道302中的高温高压乏汽，更有利于高温高压乏汽的冷凝；同时所述膨胀机7高速旋转，输出机械能或者带动发电机8输出电能；

图3为本发明实施例提供的一种带节流阀、膨胀机深冷以及同轴压缩机深冷的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；在图2和图1基础上，所述膨胀机77高速旋转，驱动同轴连接的压缩机78高速旋转；压缩机78的管道入口连通低温液体储罐1的顶部，将低温液体储罐1中蒸发的气体收集，并压缩成高压高温气体，输送至冷凝器9中冷凝成为液体，通过第二节流阀或者第二膨胀机10节流降压制冷后，令低压低温的液氮返回低温液体储罐1中，如此不断的循环，不断为低温液体储罐1中的低温液体降温；

所述冷凝器9设置在所述乏汽回热器高温管路302出口与所述膨胀机77入口之间，将压缩机78压缩气体产生的高温能量输入并驱动所述膨胀机77高速旋转，输出机械能或者带动发电机8输出电能；优选的，所述发电机8为电动发电一体机；当所述压缩机78启动或者动力不够时，电动发电一体机8表现为电动机输出动力驱动压缩机78；当所述膨胀77输出大于所述压缩机78需求时，所述电动发电一体机8表现为发电机，将所述膨胀输出的机械能转变为电能输出。

图4为本发明实施例提供的一种带膨胀机深冷和压缩机深冷以及燃烧系统的低温工质发电系统或者动力设备的连接示意图；

在图3基础上，还包括有燃烧系统或者低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器100，换热器110，控制器111，和高温主换热器或者锅炉402构成；

低温液体燃料存储器100中的LNG低温液体，通过管道输送至换热器110中吸收环境空气热能或者高温乏汽热能，气化后形成可燃气体(普通常温燃料不需要换热器110)，经控制器111控制调节，输送至锅炉402，燃烧加热高温主换热器或者锅炉402，受热管道的温度达到200℃以上，令所述高温主换热器或者锅炉402受热管道中的低温发电工质气化形成高压，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转对外输出机械能或带动发电机6旋转对外输出电能；

图5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5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5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，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5中所标记的-147℃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6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(-147℃)临界温度的气轮机结构示意图；

图6与图5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-147℃)临界温度，所述气轮机设备的体积也将缩小很多；

图6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(-147℃)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(-147℃)的高温乏汽，潜热为0，输至图1所示乏汽回热器高温管路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7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7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7所示的气轮机，绝热壳体102分上绝热壳体和下绝热壳体(图7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7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；也可以设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；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，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8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(-147℃)临界温度的低温工质超临界气轮机结构示意图；

图8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7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8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-147℃，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2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；

同时，该系统还可以燃烧沼气、天然气、液化石油气、生物燃料、垃圾、废轮胎、秸秆、汽油、柴油、以及煤炭、核燃料；热源温度越高，机械能输出或者带动发电机发电的输出就会越大；该系统中没有冷却塔散热系统；几乎没有能量对外排放，因此该发电系统和设备的效率很高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温工质超临界发电系统或者动力设备，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、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，形成循环；

所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；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发电工质；

所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；

所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温液体泵与所述主换热器之间；所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机排气管道的出口与低温液体储罐之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的换热，构成高效换热的乏汽回热器；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组合；

所述主换热器是与热源进行换热的主要设备，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；

所述主换热器又分为低温主换热器和/或高温主换热器；所述低温主换热器包括但不仅限于热水换热器、冷凝器、冷却器、风道换热器、空气换热器、设备冷却器、地热换热器、工业废气和废液热交换器的任意一种或多种组合；所述高温主换热器包括但不仅限于中高温热交换装置、锅炉、余热锅炉、核电锅炉的任意一种或多种组合；

所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；

所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，温度必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽温度，达到或者略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主蒸汽管输入的高压气体，压力必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽压力，达到或者接近所述低温发电工质的临界压力；

储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过所述低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收外界的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带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温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，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、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设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；

所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，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所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，还包括有节流阀，所述节流阀设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐入口之间；

所述节流阀为一种节流降压装置，所述节流降压装置包括但不仅限于节流阀、截止阀、膨胀阀。

3.根据权利要求1-2所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，还包括有膨胀机或者叶轮机，所述膨胀机或叶轮机设在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐入口之间；

所述膨胀机为一种节流降压装置，所述膨胀机包括但不仅限于透平膨胀机、螺杆膨胀机，所述膨胀机的入口为高压，出口为低压，所述膨胀机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；

所述膨胀机在实现节流降压同时，消耗高压流体内能对外做功，膨胀机在对外做功同时，实现对流经膨胀机的高压流体更深制冷，并将更低温的低温工质液体，返回到低温液体储罐中储存备用；

所述膨胀机单独设置，所有高压流体进入所述膨胀机做功，高压流体经所述膨胀机实现节流降压，同时消耗所述高压气体的内能对外做功和实现深冷，令乏汽的液体返回低温液体储罐中储存备用；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；

优选的，所述膨胀机与所述节流阀同时设置；所述膨胀机与所述节流阀为并联关系，共同设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐入口之间；

进一步的，当所述乏汽回热器高温管道出口所输出的高压乏汽流体为气液混合状态时，优选的，高压液体通过所述节流阀节流降压后返回低温液体储罐中储存；高压气体经所述膨胀机节流降压，同时消耗所述高压气体的内能做功和深冷，令乏汽的液体返回低温液体储罐中储存；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；

进一步的，所述节流阀入口与所述膨胀机入口之间还设置有气液分离器，所述气液分离器输出的液体连通所述节流阀入口；所述气液分离器输出的高压气体，输入并驱动所述膨胀机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；在做功的同时消耗所述高压流体的内能，令低温低压液体返回所述低温液体储罐中储存备用。

4.根据权利要求1-3所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，所述低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，第二节流阀或者第二膨胀机或叶轮机构成；所述压缩机单独设置或同轴连接膨胀机；或者在同轴连接的膨胀机和压缩机转轴上，再同轴连接一套电动发电一体机；所述压缩机启动或压缩机动力不够时，所述电动发电一体机为电动机，消耗电能输出动力驱动所述压缩机；当所述膨胀机输出机械能大于所述压缩机的动力需求时，所述电动发电一体机则为发电机，将所述膨胀机高速旋转产生的多余机械能转为电能输出；

优选的，所述压缩机与所述膨胀机为同轴连接的一体设备；所述膨胀机高速旋转驱动同轴连接的压缩机高速旋转；所述压缩机吸收从低温液体储罐中蒸发出来的低温气体并进行压缩，通过设置在乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机之间的冷凝器，将压缩机压缩气体所产生出来的热能，释放到膨胀机入口前端的低温工质流体中；

所述膨胀机单独设置时，所述冷凝器设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机入口之间；当系统中设置有所述节流阀时，所述冷凝器设置在气液分离器高压气体出口与所述膨胀机之间；

令所述冷凝器高温端与所述膨胀机入口端的高压流体换热，令所述冷凝器的低温端与乏汽回热器高温管道出口的高压流体换热；所述冷凝器连接所述压缩机出口的一端为冷凝器高温端；

所述低温液体储罐中的低温液体所蒸发出的气体，携带着大量的气化潜热，经低温液体储罐顶部收集以及管道输送至所述压缩机后，被压缩机压缩并通过所述冷凝器，令高压气体冷凝成液体，再经第二节流阀或第二膨胀机节流降压制冷后，返回低温液体储罐中；

优选的，当用第二膨胀机实现节流降压做功和实现更加深冷时，所述第二膨胀机入口为高压流体，出口为低压流体，驱动所述第二膨胀机或叶轮机高速旋转做功输出机械能，并对所流经的高压流体更深制冷，令更低温液体返回所述低温液体储罐中储存备用；进一步的，所述第二膨胀机同轴连接第二压缩机，所述第二压缩机为增压机，设置在压缩机与所述冷凝器之间；提升冷凝器中流体工质的压力；

进一步的，所述降温装置或者所述压缩冷凝系统还有提高低温液体储罐中气体密度的技术方案，所述技术方案通过提高低温工质超临界气轮机排气管道排出乏汽的压力，进而提高膨胀机的输出压力，提高低温液体储罐中的气体密度；令所述压缩机不断的将低温液体储罐中的高密度气体压缩，经冷凝器释放能量后还原成为液体；经第二节流阀或第二膨胀机或叶轮机节流降压后，返回低温液体储罐中。

5.根据权利要求1-4所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，还包括有余热系统或者太阳能光热系统或者燃烧系统；所述余热资源包括但不仅限于各种工业余热资源、地热；所述工业余热资源、太阳能光热系统，加热主换热器管道中的低温发电工质，所述主换热器管道中的低温发电工质吸收余热或者太阳能所产生的高温热能后，形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或带动发电机旋转输出电能；

进一步的，所述燃烧系统，由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成；所述锅炉由燃烧器和高温主换热器管道构成；

所述燃料存储器中的燃料，经过控制器的调节与控制后，被输送至所述锅炉的燃烧器中燃烧，产生的高温热能量加热所述高温主换热器管道；所述高温主换热器管道中的低温发电工质，受到高温加热后形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；

所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于沼气、天然气、液化石油气、生物燃料、垃圾、废轮胎、秸秆、汽油、柴油、以及煤炭燃料、原子能核燃料的任意一种或者多种组合；

进一步的，还包括有低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器，换热器，控制器，和锅炉构成；所述换热器单独设置吸收环境中空气的热能；或者设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温液体储罐之间，吸收高温乏汽的热能；所述低温液体燃料包括但不仅限于LNG液体、液氢；

储存在低温液体燃料存储器中的低温液体燃料，通过管道输送至所述换热器中吸收环境中空气的热能后气化形成可燃气体；或者与乏汽管道中的高温乏汽换热，一方面令高温高压乏汽冷凝成为液体返回所述低温液体储罐中；与此同时，所述低温液体燃料吸收所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽热能后气化成为可燃气体，经过所述控制器调节控制后，可燃气体被输送至锅炉燃烧器中燃烧，加热所述锅炉中高温主换热器管道中的低温发电工质，所述高温主换热器管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧所产生的高温热能后，形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或者带动发电机旋转对外输出电能；

进一步的，高温主换热器和/或锅炉烟道外，还设置有低温主换热器，所述低温主换热器充分吸收锅炉中可燃气体燃烧所产生出来的热能，充分利用可燃气体燃烧所产生出的热能量进行做功和发电；

进一步的，所述低温主换热器还与其他发热设备进行换热，充分的吸收其他发热设备的热能量，同时也令其他发热设备降温；

进一步的，所述低温主换热器，还与环境中的热空气或者环境中的热水等介子换热，利用极其低温的所述低温发电工质，吸收环境中空气的热能做功，进一步的提高该系统的发电效率和发电输出。

6.根据权利要求1-5所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，所述低温液体储罐为拥有安全阀保护措施的，并具有良好绝热性能的低温液体存储的压力容器；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；所述低温液体工质包括但不仅限于二氧化碳、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、低温液体泵、乏汽回热器、低温工质超临界气轮机、节流阀、膨胀机；低温液体燃料存储器，以上所述低温设备或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；

所述低温设备或者低温部件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的材料构成，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。

7.根据权利要求1所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，其特征在于，还包括有一种采用气轮机缸体进行轴封的气轮机，所述气轮机由静止部分及转动部分构成；所述气轮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；所述下绝热壳体设在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内，并与所述气轮机的下汽缸紧密结合；所述输入端轴承和轴承座，安装在所述气轮机下汽缸内的下绝热壳体中；

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所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备，以及所述气轮机设备，其特征在于，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，内部形成一个密闭的绝热空间，并在所述上绝热壳体顶部设置有润滑油注入孔，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高压润滑油，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；并为所述轴承和轴承座提供干净的低温润滑油；绝热壳体内的高温和脏润滑油，通过润滑油输出管道输出，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输给轴承，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的缸体外部；或者设置在所述气轮机的缸体内部，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，所述低温工质超临界气轮机设备的缸体内部或者外部，还设置有润滑油温度探头、润滑油压力探头、润滑油量探头，以及所述气轮机缸体内部的压力探头；

优选的，所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道与输入端所述绝热壳体之间还设置有轴封；优选的，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所述的低温工质超临界发电系统或者动力设备和所述气轮机设备，其特征在于，所述气轮机的输出端，包括有气轮机排气管道、输出端缸体、输出端轴承和轴承座、联轴器和发电机；所述气轮机，将输出端轴承和轴承座、联轴器以及发电机，均隐藏设置到所述气轮机的输出端缸体内部；

所述气轮机的输入端，以及所述气轮机的输出端，均隐藏设置到所述气轮机缸体内，利用所述气轮机缸体的高度密闭结构进行转轴两端的轴封，避免低温工质从所述气轮机转轴两端的轴封处泄漏。

10.一种低温工质超临界发电系统或者动力设备的工艺，适用于权利要求1-9中任一项所述低温工质超临界发电系统或者动力设备，以及所述气轮机；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-196℃的液氮或者液空，通过所述低温液体泵加高压，使所述低温液体发电工质的压力达到3Mpa以上，流经乏汽回热器低温管道，输送至所述低温主换热器中，与50℃以上的热源充分换热，氮气温度达到0℃以上；所述低温液氮发电工质吸收热水热源能量后，气化形成高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转做功；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排气管道输出的乏汽，温度达到所述液氮约-147℃的临界温度；采用低温液体泵输出的极其低温液体，温度低至-196℃以下的液氮或者液空，冷凝所述低温工质超临界气轮机输出的达到近临界温度的高温高压乏汽；高温乏汽与零下-196℃以下的极其低温液氮或液空在所述乏汽回热器中充分的换热；达到临界温度的高温高压乏汽失去热能后，冷凝成低温高压的液氮或者液空，经所述节流阀节流降压制冷后，令呈低温低压的液氮或者液空，返回到所述低温液体储罐中储存备用；

所述低温液体储罐中储存的液氮或液空，温度低至-196℃以下，通过所述低温液体泵加高压，输送至所述乏汽回热器的低温管路中，与乏汽回热器高温管道进行充分的换热，吸收低温工质超临界气轮机排出的，达到约-147℃临界温度的高温高压乏汽热能；低温液体泵输出的极其低温液氮或者液空，吸收达到或者接近临界温度的高温乏汽的热能后，温度被提升到约-150℃，乏汽回热器存有0.5℃以上金属管壁换热温差；约-150℃低温发电工质从乏汽回热器低温管道出口输送至所述低温主换热器，与约50℃以上热源充分的换热，液氮或者液空低温发电工质的温度达到0℃以上；再经所述燃烧系统的锅炉燃烧加热高温主换热器到200℃以上，所述高温热源包括垃圾、秸秆生物质、天然气燃烧发电、以及汽油柴油、煤炭燃烧发电；温度越高发电输出越大，形成高温高压氮气或高压空气，输入并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或带动发电机输出电能；

优选的，因所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的为达到或接近临界温度的高压乏汽；在所述乏汽回热器高温管道出口还设置有膨胀机，所述膨胀机输入口为高压流体，通过所述膨胀机节流降压后，令呈低温低压的液氮或者液空返回到所述低温液体储罐中；

因所述膨胀机的输入端与输出端存在巨大压差，驱动所述膨胀机高速旋转，输出机械能或者带动发电机输出电能；因所述膨胀机高速旋转对外做功，消耗掉低温工质流体蕴藏的内能，由此导致返回低温液体储罐中的低温工质温度将更加的低温；更加有利于所述低温液体储罐中的低温液体工质保持低温，及低温液体泵输出更加低温的液氮或者液空，令低温工质超临界气轮机输出的高温高压乏汽冷凝；

进一步的，所述低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，第二节流阀或第二膨胀机；所述膨胀机高速旋转，同轴连接并驱动压缩机高速旋转，所述压缩机入口连通低温液体储罐顶部，将所述低温液体储罐中蒸发的气体收集并压缩成为高压高温气体，输送至所述冷凝器中冷凝；

所述冷凝器设置在乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机之间，所述冷凝器将压缩机产生的热能量释放到所述膨胀机输入前端的低温工质中，令所述低温工质吸热气化；输入并且驱动所述膨胀机做功，输出机械能或者带动发电机输出电能；所述冷凝器出口连接第二膨胀阀或者第二膨胀机，通过所述第二膨胀阀或者第二膨胀机的节流降压制冷，令低压低温的液体返回低温液体储罐中，如此循环，不断为低温液体储罐中的低温发电工质进行降温；

所述低温主换热器和/或高温主换热器，为对外吸收热源能量的主设备；所述低温主换热器吸收低温热源热能，包括但不仅限于热水余热、高温空气余热、高温尾气余热、发热设备余热、地热、太阳能光热的任意一种或多种组合；

优选的；所述低温主换热器先吸收低温热源的热能，包括一些余热资源的热能量，然后再通过高温主换热器吸收高温热源的热能；

所述高温主换热器吸收高温热源热能量；包括有锅炉燃烧系统，包括但不仅限于生物质燃烧发电、垃圾燃烧发电、汽油柴油燃烧发电、煤炭燃烧发电、核燃料燃烧发电；热源温度越高，发电输出就会越大，该系统适用于低温热源，但更适用于高温热源的发电系统以及设备，或者动力系统以及动力设备；由于本系统中没有对外界释放出能量，因此该低温工质超临界发电系统或者动力设备的有效热效率很高。

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