CN1913294B - 发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发电设备，包含：由内藏式永磁(IPM)同步发电机组成的发电机，其采用没有在其间设置减速齿轮的方式连接到蒸气涡轮机；冷却装置，其使得用于冷却发电机的液体冷却剂流动；和频率转换器，将发电机所产生的电能转换为具有商用频率的电能，并且输出转换后的电能。所述冷却装置包含循环通道，该通道与用于储存液体冷却剂(油)的罐、对液体冷却剂进行冷却的冷却器和对液体冷却剂进行加压的泵相连接，并且液体冷却剂通过该循环通道循环，此外，此结构使得发电机能够在高转速工作，从而高效利用蒸气能量。

Description

发电设备

技术领域

本发明涉及发电设备，此设备借助由蒸气驱动的驱动装置来驱动发电机。

背景技术

为了将发电设备和系统互连，需要将产生的电能的频率设定为商用频率(50Hz或者60Hz)。为此，当商用频率是60Hz时，发电机的旋转速度被设定在3600rpm。

如果作为发电机驱动源的涡轮机是燃气涡轮机，则其驱动扭矩是由提供给其的燃料气体(或空气)的量所决定的；如果此涡轮机是蒸气涡轮机，其驱动扭矩是由提供给其的蒸气的量所决定的。然后发电机的驱动扭矩和负荷扭矩决定发电机的转速。但是，即使涡轮机的驱动扭矩足够大，由于如上所述必须将发电机的转速设定在3600rpm，需要在涡轮机的上游方向提供调节设备来调节燃气或者蒸气的数量，并且同时在涡轮机驱动轴上提供一个减速齿轮。

例如，日本专利公开号No.2000-1705548公开了一种结构，此结构包含用于调节供给燃料量的燃料流速控制阀120和降低涡轮机转速的减速齿轮122，如图中3所示。即，将由压缩机124压缩过的空气作为用于燃烧的空气供给燃烧器126，并且，将燃料通过燃料流量控制阀120也供给燃烧器126。这里提供了如下结构，将来自燃烧器126的燃烧气体供应给涡轮机128，驱动涡轮机128旋转，旋转速度被在涡轮机128驱动轴上设置的减速齿轮122降低，从而驱动发电机130。

另一方面，日本专利公开号No.2002-84795公开一种结构，在使用燃气涡轮机引擎140作为发电机142驱动源的一个发电设备中，产生频率高于商用频率的电能，所述高频电能由电能转换器144转换为频率为商用频率的电能，如图4所示。也就是说，在此发电设备中，发电机142由耐得住高转速的发电机构成，发电机142直接与燃气涡轮机140耦合，燃气涡轮机以几万～几十万rpm的转速被驱动，来产生大约1到3kHz的高频电能。然后，所述高频电能由整流电路146一次转换为直流电，并且进一步由逆变器148转换为与商用频率同步的交流输出，从而与系统互连。

但是，上述传统的发电设备有以下问题。也就是说，如日本专利公开号No.2000-170548公开的，借助燃料流速控制阀调节供给燃料量以便限制发电机的转速的结构引起如下问题，就是在有些情况下，供给涡轮机的燃料气体量受到限制或者蒸气被浪费地排出，导致燃料气体或者蒸气的能量利用不充分。而且，由于依照该公开的结构包含减速齿轮122来降低涡轮机转速，故此无法避免由减速齿轮122造成的机械损耗。此外，减速齿轮122的采用引起一个问题，即对其的维护需要劳动量。

另一方面，依照日本专利公开号No.2002-84795，由于发电机142能够在高转速下工作，燃气可以被充分利用，并且，由于发电机142直接与燃气涡轮机引擎140连接，此结构避免了在两者之间产生机械损耗。但是，由于燃气涡轮机引擎140设计用来在几万～几十万rpm的高转速提供驱动，并且燃气涡轮机引擎140直接与发电机142相连，引起发电机142发热的问题，导致不能在高转速下连续工作。

发明内容

本发明是考虑到前面所述问题而进行设计的，本发明的一个目标是充分利用蒸气能量以便发电机能够在高转速下连续工作。

为了达到上述目标，本发明提供了一种发电设备，包含：由蒸气驱动的驱动装置；由所述驱动装置驱动来产生电能的永磁同步发电机，永磁同步发电机与驱动装置连接，它们之间没有置入减速齿轮；循环冷却永磁同步发电机的液体冷却剂的冷却装置；和将所述永磁同步发电机产生的电能转换为商用频率的频率转换器。

依照本发明，由于通过频率转换器将由发电机产生的电能转换为具有商用频率的电能，能够避免为了产生预定频率的电能而对发电机转速进行限制。结果就是，驱动装置能够在依照供给发电设备的蒸气的流速所决定的转速下被驱动，导致没有浪费地利用蒸气。并且，由于永磁同步发电机被作为发电机来使用，这使得在高转速范围内完成高效发电成为可能，并且，由于驱动装置和发电机之间没有装入减速齿轮而直接相连，它们之间的机械损耗很小，因此也有助于提高生成电能的效率。此外，由于除了采用永磁同步发电机作为发电机以外对用于冷却永磁同步发电机的液体冷却剂进行循环冷却，有可能有效地抑制永磁同步发电机的发热。结果就是，永磁同步发电机能够在高转速下连续工作。

借助这个结构，蒸气涡轮机或者螺旋式膨胀机可以被作为驱动装置使用。

当永磁同步发电机是内藏式永磁同步发电机时，有可能进一步抑制永磁同步发电机的发热量。

冷却装置优选包含循环通道，该循环通道连接用于存储液体冷却剂的罐、用于冷却液体冷却剂的冷却器和以压力馈送液体冷却剂的泵，从而循环冷却剂。

借助这个结构，由于在循环液体冷却剂的同时对其制冷，因而有可能不消耗大量液体冷却剂而冷却永磁同步发电机。并且，能够通过泵的驱动来调节液体冷却剂的循环量，这样使得永磁同步发电机可以被适当冷却。

对于这个结构，循环通道优选地与在永磁同步发电机外壳主体部分处配置的冷却通道相连通。结果就是，由于永磁同步发电机被流过永磁同步发电机外壳主体部分的液体冷却剂所冷却，永磁同步发电机能够被有效地冷却。

冷却通道可以被设置在圆周和轴向方向上通过外壳的主体部分。借助这个结构，能够通过外壳的主体部分的内部来传送液体冷却剂，并且，因此均匀地冷却永磁同步发电机。

另外，优选地，依照本发明的发电设备进一步包含：将蒸气发生装置产生的蒸气引导到蒸气利用设备的主管道；连接到驱动装置入口侧的入口管道，入口管道与主管道连接；连接到驱动装置出口侧的出口管道，出口管道与主管道相连接。借助这个结构，流经主管道的蒸气流入入口管道，被供应给驱动装置，从驱动装置排出，并且通过出口管道返回主管道。

借助这个结构，由于在将蒸气供给到蒸气利用设备之前可以利用蒸气产生电能，因此能够提高蒸气发生装置产生的蒸气的利用率。特别地，对于连接到使用低压力蒸气的蒸气利用设备的主管道建立连接的情况，这个结构很有效。

如上所述，依照本发明，由于驱动装置能够在依照供应给发电设备的蒸气的流速所决定的转速下被驱动，并且能够抑制永磁同步发电机的发热，因此永磁同步发电机的运转能够保持在高转速。蒸气能量能够被有效利用。

附图说明

图1是示意地示出了依照本发明一个实施例的发电设备的总体结构的图；

图2是示出了所述发电设备配置的发电机和液体冷却剂罐的横截面图；

图3是显示一种传统发电设备的结构的图；和

图4是显示一种传统发电设备的结构的图。

具体实施方式

参考附图，现在将给出对本发明实施例的详细描述。

图1示出了依照本发明的发电设备20的实施例。如图1所示，发电设备20依靠由蒸气产生装置10所产生的蒸气的能量来产生电能，并且蒸气被蒸气利用设备12所使用。现在，将给出具体描述。

蒸气发生装置10和蒸气利用设备12通过蒸气流过的主管道14相互连接。主管道14配置有减压阀16。

蒸气发生装置10包含与主管道14平行连接的多个锅炉10a。由于这些单独的锅炉10a用作产生接近于例如2吨/小时的蒸气量的锅炉，因此锅炉10a分别由小的直流锅炉构成。

蒸气利用设备12是使用温度在例如150到200摄氏度的蒸气的设备，例如，热水器，小暖炉，卫浴设备，烘燥转桶，洗涤设备，厨房设备，消毒器。

依照本实施例的发电设备20包含蒸气涡轮机22、发电机24、频率转换器26、控制器28和冷却装置30，并且发电设备保存在外壳32内。应当指出的是，为外壳32配置了通风扇34。

例如，蒸气涡轮机22由轴向流涡轮机构成。选择蒸气涡轮机22，以使得通过所供给的最大蒸气量所获得的最大转速落在许可的转速范围之内。

蒸气涡轮机22配置有连接到蒸气涡轮机22入口侧的入口管道36，和连接到蒸气涡轮机22出口侧的出口管道38。入口管道36连接到主管道14的减压阀16的上游侧，出口管道38连接到主管道14的减压阀16的下游侧。借助这样的结构，由蒸气发生装置产生的蒸气的至少一部分被供应给蒸气涡轮机22，从蒸气涡轮机22排出的蒸气返回到主管道14。

在入口管道36上，从上游侧顺序安装有开/闭阀40，排水分离器42，流量调节阀44和紧急关闭阀46。开/闭阀40安装在接近于连接到主管道14的部分。排水分离器用来分离从流经入口管道36的蒸气的排水。流量调节阀44用来调节流经入口管道36的蒸气流量，并且由控制器28控制开/关。紧急关闭阀46用于完全关闭入口管道36，并且能够由控制器28控制。

开/闭阀50被提供在出口管道38上接近于连接到主管道14的部分。该开/闭阀50和在入口管道36上的开/闭阀40构成了开关装置，该开关装置转换是否将流经主管道14的蒸气供给入口管道36。也就是说，当将由蒸气发生装置10产生的蒸气直接供给到蒸气利用装置12时，关闭这些开/闭阀40和50，如果使用蒸气进行发电，则打开这些开/闭阀40和50。应当指出，开/闭阀40和50可以由以下两种开/闭阀构成，一种可以开关到两种状态即全开和全闭状态的开/闭阀，或者一种开度可以调节的开/闭阀。并且，作为开关工具，三向的阀门可以用来替代开/闭阀40和50。在这种情况下，三向的阀门被设置在相互连接主管道14和入口管道36的部分处，和相互连接主管道14与出口管道38的部分处。

在入口管道36上提供了压力传感器52，用来检测供应给蒸气涡轮机22的蒸气的压力。在出口管道38上提供了压力传感器56，用来检测从蒸气涡轮机22排出的蒸气的压力。

发电机24的转动轴60通过联接器62与蒸气涡轮机22的驱动轴64相耦合。也就是说，发电机24的转动轴60以没有接入减速齿轮的方式与蒸气涡轮机22的驱动轴64相连接。结果是，发电机24的工作转速等于蒸气涡轮机22的转速。

由发电机24产生的电能供应给频率转换器26。频率转换器26用于转换由发电机24产生的电能的频率，例如，将频率在10到100Hz的电能转换为频率是60Hz的商业电能。脉冲发生器66被提供在发电机24的转动轴60上，并且频率转换器26依照脉冲发生器66的输出值来提供对内部元件的切换控制，从而将交流电转换为直流电。然后，发电机26将此直流电能转换为具有商用频率的电能。从频率转换器26输出的电能通过变压器68与系统70互连。

控制器28基于来自压力传感器52和56的检测信号决定一个合适的转速。也就是说，蒸气流速与合适的转速之间的关系近似于一阶比例关系，并且，从而控制器28基于来自分别设置在蒸气涡轮机22的上游和下游的压力传感器52和56的检测信号，决定供给蒸气涡轮机22的蒸气流速，然后基于该蒸气流速决定合适的转速。频率转换器26基于由控制器28决定的合适转速输出转速控制信号给发电机24。结果是，发电机24以基于蒸气流速的合适转速工作。

冷却装置30用于冷却发电机24，并且包含循环通道72，该循环通道72用于循环液体冷却剂。在循环通道72上设置有液体冷却剂罐74，泵75和冷却器76。液体冷却剂罐74用于存储液体冷却剂。泵75用于给在液体冷却剂罐74中的液体冷却剂加压，并且从而泵75驱动液体冷却剂循环通过循环通道72。冷却器76用于冷却供应给发电机24的液体冷却剂，并且配置有用于流经冷却水的冷却水通道76a，流经冷却水通道76a的冷却水对液体冷却剂进行冷却。例如，使用油作为液体冷却剂。

发电机24包含发电机外壳80，外壳80包含近似成型为圆筒形的主体部分80a，和在主体部分80a两端的端壁部分80b，如图2所示，并且发电机被布置在液体冷却剂罐74上，使得主体部分80a的轴向是水平的。向内突出的圆柱型轮毂80c分别被提供在发电机外壳80的两个端壁部分80b，并且，转动轴60通过两个轮毂部分80c。在轮毂部分80c上分别提供了轴承82，使得转动轴60转动自如。

转动轴60被布置为水平延伸，从轮毂部分80c之一(在图2中是左侧的一个)向外延伸，并且通过联结器62与蒸气涡轮机22的驱动轴64耦合。

在发电机外壳80的端壁部分80b上分别形成加油孔80d，加油孔80d从发电机外壳80的顶端部分延伸到相应轮毂部分80c的内部。润滑油通过加油孔80d供应给轴承82。轴封部分84分别被提供在轮毂部分80c内轴承82的轴向外侧，来防止用于轴承82的润滑油漏出。另一方面，在发电机外壳80的底部提供有连通通道88，该连通通道使得发电机外壳80的内部与液体冷却剂罐74的顶部开口86相互连通，并且从轮毂部分80c内流出而进入到发电机外壳80里的润滑油，通过连通通道88向下流到液体冷却剂罐74中。也就是说，润滑油和用作液体冷却剂的油是一样的。应当指出，替代在发电机外壳80中形成连通通道88的结构，可以提供这样一种结构，即从发电机外壳80底端部分延伸出来一些管道(没有显示)，并且管道的最终端分别连接到液体冷却剂罐74中。

发电机24由内藏式永磁(IPM)同步发电机构成。也就是说，定子90被固定在发电机外壳80的主体部分80a，并且转子81被提供在定子90的内侧边缘。在转子91的内部嵌入有永磁体(没有显示)，并且转子91被固定在转动轴60上。应当指出，发电机24被选择为使得蒸气涡轮机22的最大转速落在允许转速范围内。

线圈93缠绕在定子90上，并且与电气设备端口95相连。连接到该电气设备端口95的是连接频率转换器26的导线。在线圈93上提供了温度传感器，在图中没有显示，并且温度传感器连接到电气设备端口96。连接到这个电气设备端口96的是连接到控制器28的导线。

在发电机外壳80的主体部分80a上提供了一个入口端口98和出口端口99，并且入口端口98和出口端口99通过形成于主体部分80a内的冷却通道100相互连接。入口端口98被提供在主体部分80a的一侧，并且与循环通道72中冷却器76一侧的终端相连。另一方面，出口端口99被提供在主体部分80a的另外一侧，并且与循环通道72中液体冷却剂罐74一侧的末端相连。

冷却通道100包含多个圆周方向的部分100a，它们在轴向上被间隔布置，并且在主体部分80a向圆周方向延伸，冷却通道还包含在轴向延伸的轴向部分100b，以便使得圆周方向部分100a相互连通。从而，通过入口端口98供给的液体冷却剂流经圆周方向部分100a和轴向方向部分100b，流向出口端口99。结果，发电机外壳80的主体部分80a被均匀冷却。

将对发电设备20的操作进行描述。通过驱动各锅炉10a产生的蒸气流经主管道14，被减压阀16减压，然后供应给蒸气利用设备12。于是，当进行发电时，在入口管道36上的开/闭阀40和在出口管道38上的开/闭阀50被打开，并且，从而由各锅炉10a所产生并流经主管道14的蒸气的一部分被转向到入口管道36。即使在这种情况下，由于仍然向蒸气利用设备12供给蒸汽，蒸气利用设备12可以利用蒸气。

蒸气涡轮机22由被转向到入口管道36的蒸气所驱动，使得发电机24的转动轴60转动，导致电能的产生。在这种情况下，供应给蒸气涡轮机22的蒸气流速由压力传感器52和56获得，并且由控制器28获得在此蒸气流速下的合理转速。从而，发电机24在合理的转速下工作。通过出口管道38，驱动了蒸气涡轮机22的蒸气与流经主管道14的蒸气汇聚，供应给蒸气利用设备12。也就是说，即使由蒸气利用设备12使用的蒸气量减少，由于开/闭阀40和开/闭阀50被打开以便利用蒸气发电，各锅炉10a有可能在接近最大效力状态下连续工作。因此，能够稳定驱动各锅炉10a，并且能够提高锅炉10a的使用效率。

在发电机24的操作中，发电机24的内部温度由温度传感器(没有示出)进行检测，并且，液体冷却剂在循环通道72中进行循环。也就是说，泵75的驱动导致在液体冷却剂罐74中的液体冷却剂送出，液体冷却剂在冷却器76处由冷却水通道76a的冷却水进行冷却，并且，被冷却了的冷却剂被供应给发电机24。然后，液体冷却剂流经入口端口98，并且流过冷却通道100的圆周方向部分100a和轴向部分100b，由此均匀地对发电机外壳80的主体部分80a进行冷却。结果是，由发电机24产生的热量被有效抑制。而后，已经流经冷却通道100的液体冷却剂通过出口端口99，流经循环通道72，返回液体冷却剂罐74。液体冷却剂继续这个循环。

由发电机24产生的电能通过电气设备端口95输出到频率转换器26。例如，电能的频率在10到100Hz。然后，输出由频率转换器26转换到具有商用频率的电能，并且通过变压器68互连到系统70。

如上所述，依照本发明，由于由发电机24产生的电能被频率转换器26转换为具有商用频率的电能，能够避免为了产生预定频率的电能而对发电机24的转速进行限制。结果是，蒸气涡轮机22能够以依照供应给发电设备20的蒸气流速所决定的转速来驱动，导致不浪费地利用蒸气。而且，由于发电机24由永磁同步发电机构成，因而能够在高转速范围内高效地产生电能，并且由于蒸气涡轮机22和发电机24没有在其间设置减速齿轮而直接连接，在其间的机械损耗很小，从而也有助于提高发电效能。此外，由于用于冷却发电机24的液体冷却剂被循环，加之采用永磁同步发电机作为发电机24，因此有可能有效地抑制发电机24发热。结果是，发电机24可以连续地在高转速下运转。

此外，依照本发明的实施例，由于发电机24由内藏式永磁同步发电机组成，有可能进一步抑制发电机24产生热量。

而且，依照本实施例，由于液体冷却剂在进行循环的同时被冷却，使得冷却发电机24可能不需要消耗大量液体冷却剂，并且由于能够通过驱动泵75的方式来调节液体冷却剂的循环量，发电机24可以被合理地冷却。

此外，依照本实施例，由于液体冷却剂的循环通道72与提供在发电机外壳80的主体部分80a处的冷却通道100相连通，发电机24可以被高效地冷却。并且，由于冷却通道100配置为从圆周和轴向方向通过发电机外壳80的主体部分80a，能够通过发电机外壳80的主体部分80a的内部来传送液体冷却剂，从而均匀地冷却发电机24。

而且，由于在将蒸气供给到蒸气利用设备12之前，利用蒸气发电，因而能够提高由锅炉10a产生的蒸气的利用效率。特别地，在与连接使用低压蒸气的蒸气利用设备12的主管道14建立连接的情况下，该结构很有效。

此外，尽管依照本实施例，蒸气涡轮机22由轴流式涡轮机组成，蒸气涡轮机22也可以由径向涡轮机代替组成。

依照本发明，任何流体机械可以用作驱动发电机的驱动装置，只要此机械能够利用蒸气流产生转动力。这样的流体机械的例子包括涡轮机和螺旋式膨胀机。因此，在图1所示的实施例中，蒸气涡轮机22可以被螺旋式膨胀机所替代。

Claims (6)

1.一种发电设备，包含：

由蒸气驱动的驱动装置；

由所述驱动装置驱动来产生电能的永磁同步发电机，所述永磁同步发电机以没有在其间设置减速齿轮的方式连接到所述驱动装置；

冷却装置，循环用于冷却所述永磁同步发电机的液体冷却剂；

控制器，基于供给驱动装置的蒸气流速决定合适的转速；

用于将所述永磁同步发电机产生的电能转换为具有商用频率电能的频率转换器，该频率转换器基于由控制器决定的合适转速输出转速控制信号给发电机，

其中所述驱动装置是螺旋式膨胀机。

2.依照权利要求1的发电设备，其中所述永磁同步发电机是内藏式永磁同步发电机。

3.依照权利要求1的发电设备，其中所述冷却装置包含循环通道，该循环通道与用于储存液体冷却剂的罐、对液体冷却剂进行冷却的冷却器和对液体冷却剂进行加压的泵相连接，从而令液体冷却剂进行循环。

4.依照权利要求3的发电设备，其中所述循环通道与提供在所述发电机外壳的主体部分上的冷却通道相互连通。

5.依照权利要求4的发电设备，其中所述冷却通道被设置为在圆周和轴向方向上通过所述外壳的所述主体部分。

6.依照权利要求1的发电设备，进一步包含：

引导由蒸气发生装置产生的蒸气到蒸气利用设备的主管道；

连接到所述驱动装置入口侧的入口管道，所述入口管道连接到所述主管道；并且，

连接到所述驱动装置出口侧的出口管道，所述出口管道连接到所述主管道，

其中，流经所述主管道的蒸气流入所述入口管道，供应给所述驱动装置，被从所述驱动装置排出，并且通过所述出口管道返回所述主管道。

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