CN112922707A - 动力涡轮发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力涡轮发电装置，动力涡轮发电装置用于使用发动机所排出的排气进行发电，动力涡轮发电装置包括动力涡轮、飞轮、发电机和调节组件，动力涡轮用于接收发动机所排出的排气，排气能够带动动力涡轮转动，动力涡轮能够通过转动带动飞轮转动，飞轮能够通过转动带动发电机发电，发动机所排出的排气经由调节组件达到动力涡轮，调节组件能够调节进入动力涡轮的排气的排气量。本发明的动力涡轮发电装置可以实现发动机余热发电的平滑输出，能有效调节发动机负荷工况发生变化引起的发电频率、电压的变化，输出满足船舶电网发电品质要求的电能，保证发电机在网运行的可靠性。

Description

动力涡轮发电装置

技术领域

本发明属于船用柴油机废气后处理应用技术领域，具体地涉及一种动力涡轮发电装置。

背景技术

船舶柴油机作为船舶主机，既是船舶燃料消耗源，也是船舶动力供给源。柴油机余热发电的相关技术是降低船舶EEDI指数(新船能效设计指数)以及实现节能减排的关键技术之一。目前应用于船舶主机余热回收发电的技术主要包括动力涡轮发电技术、蒸汽朗肯循环发电技术等。

动力涡轮发电技术的应用，主要是基于船舶主机对低负荷工况区域高效的要求和目前涡轮增压技术的提高，船舶在高负荷工况下，为了保证涡轮增压器不超速，采用旁通部分涡轮前排气的运行方式，因此造成了部分高温高压排气能量的浪费。动力涡轮发电机组则在不影响主机运行的前提下，充分回收这部分排气的压力能和温度能，转化为高品位的电能。但是，由于海况的变化会引起船舶主机工况的变化，而动力涡轮入口管路上阀门控制的响应速度很难让动力涡轮随船舶主机工况的变化而稳定运行，特别是在负荷突加或甩负荷时，难以实现稳定性，这使动力涡轮发电机组的发电品质难以满足并网的要求。

此问题使动力涡轮发电机组的应用受到很大的限制，使得动力涡轮发电机组无法单独在船舶上应用。目前国外多采用动力涡轮与蒸汽朗肯循环中的汽轮机联合运行以通过汽轮机的调速来保证发电品质，或者通过降额发电的方式保证发电品质。

因此，需要提供一种动力涡轮发电装置，以至少部分地解决上述技术问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，本发明公开了一种动力涡轮发电装置，所述动力涡轮发电装置用于使用发动机所排出的排气进行发电，所述动力涡轮发电装置包括：

动力涡轮，所述动力涡轮用于接收所述发动机所排出的排气，排气能够带动所述动力涡轮转动；

飞轮，所述飞轮与所述动力涡轮相连，所述动力涡轮能够通过转动带动所述飞轮转动；

发电机，所述发电机与所述飞轮相连，所述飞轮能够通过转动带动所述发电机发电；以及

调节组件，所述发动机所排出的排气经由所述调节组件达到所述动力涡轮，所述调节组件能够调节进入所述动力涡轮的排气的排气量。

本发明的动力涡轮发电装置可以实现发动机余热发电的平滑输出，具有寿命长、无污染，动态特性好等优点，能有效调节发动机负荷工况发生变化引起的发电频率、电压的变化，输出满足船舶电网发电品质要求的电能，保证发电机在网运行的可靠性，这也提高动力涡轮发电装置应用的灵活性，实现船舶节能减排。

可选地，所述发电机通过齿轮箱与所述飞轮相连。这样，能够平稳地传递机械能。

可选地，所述齿轮箱包括：

第一齿轮，所述第一齿轮与所述飞轮同轴且相连，所述飞轮能够通过转动带动所述第一齿轮转动；以及

第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合且所述第二齿轮的直径大于所述第一齿轮的直径，所述第二齿轮与所述发电机相连，所述第二齿轮能够通过转动带动所述发电机发电。

由此可以避免因为发动机负荷突加或者甩负荷而造成的发电机运行不稳定。

可选地，还包括罩壳，所述飞轮和所述齿轮箱均设置在所述罩壳的内部。这样可以保护飞轮。

可选地，所述调节组件包括控制单元、启动阀和旁通阀，所述控制单元能够控制所述启动阀和所述旁通阀，其中，所述启动阀设置在所述发动机的排气端和所述动力涡轮之间，所述旁通阀设置在所述启动阀和大气之间。由此，可以灵活控制进入到动力涡轮中的发动机的排气量。

可选地，当所述发动机的运行负荷等于与所述动力涡轮相匹配的设计负荷时，所述控制单元控制所述启动阀开启至预定开度，所述控制单元控制所述旁通阀关闭。由此可以保证动力涡轮的效率。

可选地，所述调节组件还包括能够被所述控制单元控制的调节阀，所述调节阀与所述启动阀并联。由此可以进一步调节进入动力涡轮的排气量。

可选地，当所述发动机的所述运行负荷低于所述设计负荷时，所述控制单元控制所述调节阀以使得所述调节阀的开度变大；当所述发动机的所述运行负荷高于所述设计负荷时，所述控制单元控制所述调节阀以使得所述调节阀的开度减小。由此可以灵活调节进入动力涡轮的排气量。

可选地，所述调节阀构造为微调阀。这样可以精确调节进入动力涡轮的排气量。

可选地，所述动力涡轮用于与涡轮增压器并联设置在所述发动机的排气端与大气之间，所述发动机所排出的排气一部分进入所述涡轮增压器，一部分进入所述动力涡轮。由此可以避免发动机排气所携带的能量的浪费。

附图说明

本发明实施方式的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。

在附图中，

图1为根据本发明的一个优选实施方式的动力涡轮发电装置的原理图；

图2为根据本发明的一个优选实施方式的动力涡轮发电装置的主视图；以及

图3为图2所示的动力涡轮发电装置的左视图。

附图标记说明：

1：动力涡轮 2：飞轮

3：齿轮箱 4：发电机

5：启动阀 6：旁通阀

7：调节阀 8：涡轮增压器

9：启动阀操作端 10：第一齿轮

11：第二齿轮

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。

本发明提供一种的带储能调速功能的动力涡轮发电装置，动力涡轮发电装置可以用于使用发动机排出的排气进行发电。发动机可以为船舶柴油机，船舶柴油机在工作过程中产生烟气，烟气携带大量的能量。

图1示例性地示出了根据本发明的一个优选实施方式的动力涡轮发电装置的工作原理。如图1可以看到，动力涡轮发电装置与涡轮增压器8一同设置在发动机的排气端，以实现动力涡轮发电装置与涡轮增压器8的所使用的排气的能量的合理分配，且保证在变工况下的发电品质。其中，涡轮增压器8利用发动机所排出的大部分排气来促进发动机的进气。具体地，涡轮增压器8包括同轴设置的涡轮和增压器，发动机所排出的排气使得涡轮转动，涡轮带动增压器运转从而提高发动机的进气量，该技术内容为本领域的技术人员所熟知，在此不再赘述。

发动机所排的排气量有时过大，为了保证涡轮增压器8不超速，发动机排气可以供给至动力涡轮发电装置，动力涡轮发电装置能够使用发动机的排气进行发电。

动力涡轮发电装置包括动力涡轮1和发电机4。动力涡轮1用于接收发动机所排出的排气，动力涡轮1和涡轮增压器8并联设置在发动机的排气端与大气之间，发动机所排出的排气一部分进入涡轮增压器8，一部分进入动力涡轮1，从动力涡轮1排出的排气可以与涡轮增压器8出口的排气混合后排出系统。由此可以避免发动机排气所携带的能量的浪费。

在动力涡轮发电装置工作时，发动机的排气(即对应于图2和图3中的涡轮进气)能够供给至动力涡轮1，排气可带动动力涡轮1转动，排气的能量转换为了机械能。进一步地，动力涡轮1能够通过转动带动与动力涡轮1相连的发电机4转动运行从而发电，机械能进一步转化为电能，这样便实现了动力涡轮发电装置使用发动机的排气进行发电的功能。

而发动机可能无法保证排气均匀，为了使得动力涡轮1均匀运转从而保证发电机4能够平稳发电，动力涡轮发电装置还包括飞轮2，飞轮2设置在发电机4和动力涡轮1之间。动力涡轮1的输出端可以与飞轮2相连，这样，动力涡轮1能够通过转动带动飞轮2转动。飞轮2具有较大转动惯量。当动力涡轮1的转速增高时，飞轮2的动能增加，把能量贮蓄起来。当动力涡轮1转速降低时，飞轮2动能减少，把能量释放出来。优选地，如图2和图3所示，动力涡轮1可以与飞轮2同轴连接，从而保证运转的稳定性。当然，动力涡轮1和飞轮2之间也可以通过联轴器连接，能够保证动力涡轮1有效带动飞轮2运转。

飞轮2与发电机4相连，飞轮2能够通过转动带动与飞轮2相连的发电机4转动运行从而发电，机械能进一步转化为电能。这样，当海况变化引起发动机工况变化时，飞轮2可以实现速控、储能两种功能，减少动力涡轮1运转过程的速度波动，从而保证发电机4在发动机排气时的工况变化而稳定运行。

为了提高发电效率，发电机4还可以通过齿轮箱3与飞轮2相连，从而平稳地传递机械能。具体地，如图1所示，齿轮箱3可以包括第一齿轮10和第二齿轮11，第一齿轮10可以与飞轮2相连。优选地，飞轮2与第一齿轮10之间可以同轴连接，飞轮2能够通过转动带动第一齿轮10转动，从而保证飞轮2与第一齿轮10各自的运转的稳定性。当然，飞轮2和第一齿轮10之间也可以通过联轴器连接，能够保证飞轮2有效带动第一齿轮10运转。

第二齿轮11可以与第一齿轮10啮合且第二齿轮11的直径大于第一齿轮10的直径，第二齿轮11与发电机4相连，从而使得第二齿轮11能够通过转动带动与第二齿轮11相连的发电机4转动运行从而发电，机械能转化为电能。由此可以避免因为发动机负荷突加或者甩负荷而造成的发电机4运行不稳定。第二齿轮11和发电机4之间可以通过联轴器对中连成一体，能够保证第二齿轮11有效带动发电机4运转，从而保证发电机4有效发电。

进一步地，在未图示的实施方式中，为了降低飞轮2被损坏的可能性，动力涡轮发电装置还包括罩壳，飞轮2和齿轮箱3均可以设置在罩壳的内部，从而使得罩壳保护齿轮箱3和飞轮2。可选地，为了减少动力涡轮1、飞轮2、齿轮箱3和发电机4在运转过程中产生的共振，动力涡轮1、飞轮2、齿轮箱3和发电机4可以集成安装至公共底座上。

动力涡轮发电装置还包括调节组件，发动机所排出的排气经由调节组件达到动力涡轮1，调节组件用于调节进入动力涡轮1的排气的排气量。

优选地，调节组件包括启动阀5、旁通阀6和控制单元，控制单元用于控制启动阀5和旁通阀6。其中，启动阀5设置在发动机的排气端与动力涡轮1之间，旁通阀6设置在启动阀5和大气之间。由此，可以灵活控制进入到动力涡轮1中的发动机的排气量。

通常，发动机设置有设计负荷，当发动机以设计负荷运行时，发动机所排的排气正好满足涡轮增压器8和动力涡轮1正常运转的需要。当发动机的运行负荷等于与动力涡轮1相匹配的设计负荷时，控制单元能够控制启动阀5逐步开启至预定开度，比如可以通过操作图3所示的启动阀操作端9来调节启动阀5的开度。控制单元还能够控制旁通阀6逐步关闭。这样，发动机的排气能够通过启动阀5全部进入到动力涡轮1中，而不通过旁通阀6释放至大气中，从而不浪费。

控制单元可以控制启动阀5以调节启动阀5的开度，从而控制动力涡轮1和飞轮2的转速，直至满足并网转速，并且飞轮2在运转过程中存储的能量能够有利于转速的调节。

当然，当发动机的运行负荷明显高于设计负荷时，在控制单元控制启动阀5以调节启动阀5的开度的同时，也可相应地控制打开旁通阀6，使得多余的排气直接通过旁通阀6排出至外界大气，也就是说，通过旁通阀6排出至大气的排气不经过动力涡轮1。这样，当进入动力涡轮1的气体超过负载所需气量时，旁通阀6可以将多余气体旁通排放至大气中。

为了进一步准确地控制动力涡轮1的转速，调节组件还包括调节阀7，调节阀7能够被控制单元控制。调节阀7和启动阀5并联设置在发动机的排气端与动力涡轮1之间。同样的，当发动机的运行负荷明显高于设计负荷时，在控制单元控制调节阀7以调节调节阀7的开度的同时，也可相应地控制打开旁通阀6，使得多余的排气经由调节阀7流动至旁通阀6再排出至外界大气。

启动阀5可以构造为粗调阀，调节阀7可以构造为精细控制的微调阀。调节阀7可以被设置和成形用于给动力涡轮1输送少量(与启动阀5相比)或经过精密调节的排气量，从而灵活调节进入动力涡轮1的发动机的排气的量。当控制单元控制启动阀5开启至预定开度时，控制单元可以控制调节阀7开启，以更精准地控制进入动力涡轮1中的排气量。

动力涡轮发电装置处于在网状态，分配负载增加时，发动机的运行负荷低于设计负荷时，控制单元能够控制调节阀7以使得调节阀7的开度变大。这样，可以增加进入动力涡轮1的排气量，提高动力涡轮1的转速，提高发电效率。

进一步地，即使因为负载增加导致动力涡轮1的转速跌落，但由于动力涡轮1和发电机4之间设置有飞轮2，转速跌落远小于不带飞轮2的情况，飞轮2可以释放能量，从而为调节各调节阀的开度提供有效的响应时间，尤其是对于突加工况，飞轮2作用的效果将更加明显。

当动力涡轮发电装置稳定运行过程中，用户发出减载信号，发动机的运行负荷高于设计负荷时，控制单元能够控制调节阀7以使得调节阀7的开度减小。这样，可以减少进入动力涡轮1的排气量，避免动力涡轮1超速。

由于载荷减小，动力涡轮1的转速上升，但由于动力涡轮1和发电机4之间设置有飞轮2，飞轮2能够储能，大大降低了转速的超速幅度，再结合控制单元控制各个调节阀，从而保证动力涡轮1和发电机4的安全稳定运行，尤其是对于突卸工况，飞轮2作用的效果将更加明显。

通过调节组件的调节作用，即使发动机的排气量不均匀，也不会影响动力涡轮发电装置的平稳运行，在发动机的排气量不均匀的情况下，动力涡轮发电装置的发电机4也能够平稳发电，有效地保证了发电品质。

本发明的动力涡轮发电装置，能够解决现有的根据动力涡轮发电机组匹配发动机的过程中存在的技术难点，飞轮2储能结合动力涡轮1的入口处阀组的调速，在瞬态变化工况下起到储能作用，以提高调速性能，解决排气能量分配、发电品质控制、传动连接的问题，发电机4的调速满足船舶发电调速要求，可大大提高动力涡轮发电装置与发动机排气系统的匹配适应性，保证发动机不同负荷、变负荷和排气波动情况下动力涡轮发电装置的发电品质。

本发明的动力涡轮发电装置可以实现发动机余热发电的平滑输出，具有寿命长、无污染，动态特性好等优点，能有效调节发动机负荷工况发生变化引起的发电频率、电压的变化，输出满足船舶电网发电品质要求的电能，保证发电机4在网运行的可靠性，这也提高动力涡轮发电装置应用的灵活性，实现船舶节能减排。

当然，本发明的动力涡轮发电装置还用于回收其它领域高温高压烟气的余热，且能够将烟气携带的能量用于发电，能适应热源的变化。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种动力涡轮发电装置，其特征在于，所述动力涡轮发电装置用于使用发动机所排出的排气进行发电，所述动力涡轮发电装置包括：

动力涡轮，所述动力涡轮用于接收所述发动机所排出的排气，排气能够带动所述动力涡轮转动；

飞轮，所述飞轮与所述动力涡轮相连，所述动力涡轮能够通过转动带动所述飞轮转动；

发电机，所述发电机与所述飞轮相连，所述飞轮能够通过转动带动所述发电机发电；以及

调节组件，所述发动机所排出的排气经由所述调节组件达到所述动力涡轮，所述调节组件能够调节进入所述动力涡轮的排气的排气量。

2.根据权利要求1所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述发电机通过齿轮箱与所述飞轮相连。

3.根据权利要求2所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述齿轮箱包括：

第一齿轮，所述第一齿轮与所述飞轮同轴且相连，所述飞轮能够通过转动带动所述第一齿轮转动；以及

第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合且所述第二齿轮的直径大于所述第一齿轮的直径，所述第二齿轮与所述发电机相连，所述第二齿轮能够通过转动带动所述发电机发电。

4.根据权利要求2所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，还包括罩壳，所述飞轮和所述齿轮箱均设置在所述罩壳的内部。

5.根据权利要求1所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述调节组件包括控制单元、启动阀和旁通阀，所述控制单元能够控制所述启动阀和所述旁通阀，其中，所述启动阀设置在所述发动机的排气端和所述动力涡轮之间，所述旁通阀设置在所述启动阀和大气之间。

6.根据权利要求5所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，当所述发动机的运行负荷等于与所述动力涡轮相匹配的设计负荷时，所述控制单元控制所述启动阀开启至预定开度，所述控制单元控制所述旁通阀关闭。

7.根据权利要求6所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述调节组件还包括能够被所述控制单元控制的调节阀，所述调节阀与所述启动阀并联。

8.根据权利要求7所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，

当所述发动机的所述运行负荷低于所述设计负荷时，所述控制单元控制所述调节阀以使得所述调节阀的开度变大；

当所述发动机的所述运行负荷高于所述设计负荷时，所述控制单元控制所述调节阀以使得所述调节阀的开度减小。

9.根据权利要求7所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述调节阀构造为微调阀。

10.根据权利要求1所述的动力涡轮发电装置，其特征在于，所述动力涡轮用于与涡轮增压器并联设置在所述发动机的排气端与大气之间，所述发动机所排出的排气一部分进入所述涡轮增压器，一部分进入所述动力涡轮。

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