CN207246047U - 发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发电机组，其包括离心压缩机组、涡轮机组和发电机；所述涡轮机组的输出轴与发电机传动连接；所述涡轮机组的输出轴与所述离心压缩机组的大齿轮传动连接；所述离心压缩机组与所述涡轮机组通过管路连接，将所述涡轮机组排出的工质加压后，经过回热器和高温加热器后再送入涡轮机组，以驱动所述涡轮机组转动。本实用新型的发电机组填补了50MW‑200MW功率等级的超临界二氧化碳循环发电机组的空白；在50MW‑200MW功率等级内涡轮机组和发电机组之间不需要齿轮减速箱，使得机组简单高效；采用整体齿轮增速式压缩机，可让压缩机各级运行在最优转速，从而提高压缩机气动性能。其效率可以比单轴多级式压缩机高2‑3个百分点。

Description

发电机组

技术领域

本实用新型属于先进高效发电系统领域，涉及一种发电机组。

背景技术

高效环保的发电技术一直电力行业不断追求的目标。超临界二氧化碳循环发电技术由于热电效率高、能量密度大、系统简单，具有很高的经济性，被认为是替代现有水蒸气循环发电技术的最佳选择，是未来热电转换系统的趋势。该技术可广泛应用于太阳能发电、核电、化石能源发电以及余热回收等领域。

目前，针对于超临界二氧化碳循环发电技术的研究和专利主要集中在循环优化方面。而与之相匹配的发电机组设备的专利较少。美国GE公司提出了450MW的发电机组概念。采用的是背靠背式的轴流涡轮，通过联轴器分别与发电机和单轴式多级离心压缩机相连，运行转速为3600r/min。单轴多级离心式压缩机由主压缩机和再压缩机构成。主压缩机包括两级压缩，再压缩机包括四级压缩，级间通过回流器连接。该机组形式不需要齿轮箱，适合于大功率的发电机组。若功率降低，会导致压缩机和涡轮效率显著降低。此外，压缩机不方便实现中间冷却以提高循环效率。也不方便实现压缩机级进出口导叶可调的功能以拓宽压缩机运行范围。

韩国韩华公司提出了压缩机/涡轮一体式紧凑机组方案，单台机组最大功率能到25MW。该机组包括一个低速大齿轮和四个高速齿轮轴。其中两个高速齿轮轴两端分别背靠背的悬挂两个向心涡轮叶轮。另外两个高速齿轮轴两端分别背靠背的悬挂两个离心压缩机叶轮。涡轮将功率传递给大齿轮，大齿轮一方面驱动压缩机，另一方面直接驱动低速发电机发电。由于每个齿轮副的速比不一样，所以可以保证压缩机和涡轮都工作在最优转速下，从而使得气动效率最高。另外，可以方便的实现压缩机中间冷却和涡轮中间再热等提高循环效率的措施。但其缺点在于受大齿轮的尺寸限制，无法实现更高的输出功率。

目前尚无适合于50MW～200MW级功率等级的机组结构形式。而从国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知(国能新能【2016】223号)中批准建设的太阳能热发电示范项目名单中可知，太阳能光热发电的功率等级，大部分集中在50MW～100MW之间。未来可能会有更高的功率等级。

针对于现有技术中的该问题，急需一种发电机组，以填补50～200MW等级超临界二氧化碳循环发电机组的空缺。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种发电机组，可用于多种热电转换系统，实现发电机组高效宽范围的运行，同时实现高效快速启动。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：一种发电机组，其包括离心压缩机组、涡轮机组和发电机；

所述涡轮机组的输出轴与发电机传动连接；

所述涡轮机组的输出轴与所述离心压缩机组的大齿轮传动连接；

所述离心压缩机组与所述涡轮机组通过管路连接，将所述涡轮机组排出的工质加压后，经过回热器和高温加热器再送入涡轮机组，以驱动所述涡轮机组转动。

可选的，所述离心压缩机组包括一个主动齿轮轴和多个从动齿轮轴，所述主动齿轮轴和从动齿轮轴相互平行；所述主动齿轮轴上安装有大齿轮，所述从动齿轮轴上安装有小齿轮，所述大齿轮与小齿轮配合，从而在主动齿轮轴和从动齿轮轴之间形成增速传动；所述从动齿轮轴的两端均传动连接有离心压缩机级。

可选的，所述从动齿轮轴的数量为2个，包括第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴；所述离心压缩机组包括主压缩机和再压缩机；所述主压缩机和再压缩机均为两级压缩机，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴的两端传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第二从动齿轮轴的两端传动连接；或者，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接。

可选的，所述主压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述主压缩机第一级的排气口与所述主压缩机第二级的进气口连通，所述主压缩机第二级的排气口与气体喷射器的低压入口连通；所述再压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述再压缩机第一级的排气口与再压缩机第二级的进气口连通，所述再压缩机第二级的排气口与气体喷射器的高压入口连通，所述气体喷射器的排气口通过高温加热器与涡轮机组的进气口连通。

可选的，所述发电机组还包括高温回热器、低温回热器和冷却器；所述气体喷射器的排气口通过高温回热器和高温加热器与涡轮机组的进气口连通；所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器、低温回热器和冷却器与所述主压缩机第一级的进气口连通；而且所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器和低温回热器与所述再压缩机第一级的进气口连通；而且所述主压缩机第一级的排气口通过低温回热器与气体喷射器的低压入口连通。

本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的发电机组填补了50MW-200MW功率等级的超临界二氧化碳循环发电机组的空白；在50MW-200MW功率等级内涡轮机组和发电机组之间不需要齿轮减速箱，使得机组简单高效；采用整体齿轮增速式压缩机，可让压缩机各级运行在最优转速，从而提高压缩机气动性能。其效率可以比单轴多级式压缩机高2-3个百分点。

附图说明

图1为本实用新型的发电机组的结构示意图；

图中标记示意为：1-高温加热器；2-涡轮机组；3-高温回热器；4-低温回热器；5-冷却器；6-主压缩机第一级；7-主压缩机第二级；8-再压缩机第一级；9-再压缩机第二级；10-低速大齿轮；11-气体喷射器；12-发电机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种发电机组，尤其是一种50～200MW等级的超临界二氧化碳循环发电机组，包括离心压缩机组、涡轮机组和发电机。

所述涡轮机组的输出轴与发电机传动连接，而且与所述离心压缩机组的大齿轮传动连接，以在所述涡轮机组工作时，能够带动所述发电机转动，并使得所述发电机工作，而且也能够带动离心压缩机组工作。

所述涡轮机组为单轴多级的轴流涡轮，或者对于小功率等级的机组，由于涡轮机组的进口体积流量较小，此时所述涡轮机组可以包括向心涡轮和多级轴流涡轮，所述向心涡轮与多级轴流涡轮串联连接，本实施例中，所述向心涡轮为所述涡轮机组的第一级，高温高压的工质通过向心涡轮膨胀之后，体积流量增大，并驱动与其串联的多级轴流涡轮转动；所述涡轮机组的涡轮转速为3000r/min或者3600r/min。可以直接和普通的发电机通过联轴器进行联接，不需要齿轮减速器。

本实施例中，所述涡轮机组可以由一个缸组成，高温高压的工质通过进气室流入第一级涡轮喷嘴膨胀加速，推动涡轮动叶旋转，随后进入后续级涡轮喷嘴膨胀做功，最后通过排气室排出。

当然，所述涡轮机组也可以由两个缸组成，包括高压缸和低压缸。高温高压的工质进入高压缸膨胀之后被引出，在换热器或燃烧室中被加热，高温中压的工质再进入低压缸膨胀做功，这样可以提高循环效率。

当所述涡轮机组包括两个缸时，多级轴流涡轮的部分级被放入高压缸，部分级被放入低压缸；或者向心涡轮被放入高压缸，多级轴流涡轮被放入低压缸等。

与所述涡轮机组通过管路连接，将所述涡轮机组排出的工质加压后经过回热器和高温加热器后再送入涡轮机组，以驱动所述涡轮机组转动；本实施例中，所述回热器可以包括高温回热器和/或低温回热器，例如二氧化碳分别进入主压缩机压缩和再压缩机压缩，主压缩机压缩后需要分别经过低温回热器和高温回热器，而再压缩机压缩后经过高温回热器即可。

所述离心压缩机组为整体齿轮增速式压缩机组，即所述离心压缩机组包括一个主动齿轮轴和多个从动齿轮轴，所述主动齿轮轴和从动齿轮轴相互平行；作为一个实施例，所述从动齿轮轴的数量为2个，所述主动齿轮轴上安装有大齿轮，所述从动齿轮轴上安装有小齿轮，所述大齿轮与小齿轮配合，从而在主动齿轮轴和从动齿轮轴之间形成增速传动；更优选地，所述从动齿轮轴的两端均传动连接有离心压缩机级。本实施例中，所述离心压缩机级包括进口导叶、离心叶轮(半开式或者闭式)、叶片扩压器或者无叶扩压器和排气蜗壳，离心压缩机级的进口导叶和出口叶片扩压可以通过调节机构进行角度调节，以改变压缩机的工作状态，满足不同工况下的运行要求。

本实施例中，所述从动齿轮轴包括第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴；所述离心压缩机组包括主压缩机和再压缩机；所述主压缩机和再压缩机均为两级压缩机，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴的两端传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第二从动齿轮轴的两端传动连接；或者，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接。

本实施例中，所述第一从动齿轮轴与第二从动齿轮轴的转速不同，也就是说，安装于所述第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴上的齿轮的齿数是不同的，从而满足压缩机级的最佳转速，实现最佳效率。

优选地，所述主压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述主压缩机第一级的排气口与所述主压缩机第二级的进气口连通，所述主压缩机第二级的排气口与气体喷射器的低压入口连通；所述再压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述再压缩机第一级的排气口与再压缩机第二级的进气口连通，所述再压缩机第二级的排气口与气体喷射器的高压入口连通，所述气体喷射器的排气口通过高温加热器与涡轮机组的进气口连通。

本实施例中，所述发电机组还包括高温回热器、低温回热器和冷却器；所述气体喷射器的排气口通过高温回热器和高温加热器与涡轮机组的进气口连通；所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器、低温回热器和冷却器与所述主压缩机第一级的进气口连通；而且所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器和低温回热器与所述再压缩机第一级的进气口连通；而且所述主压缩机第一级的排气口通过低温回热器与气体喷射器的低压入口连通。

本实施例的发电机组在工作时，循环工质从主压缩机进入，经过进口导叶，流入高速旋转的离心叶轮，高速高压的工质从叶轮排出后经过扩压器减速增压，随后通过蜗壳收集后排出进入第二级进口。为了降低压缩功耗，主压缩机第一级和主压缩机第二级之间可以增加中间冷却器，降低主压缩机第二级进口温度，相似地，所述再压缩机第一级和再压缩机第二级之间可以增加中间冷却器。

在正常运行工况下，主压缩机和再压缩机的进出口压力基本一致。但主压缩进口温度要低于再压缩机进口温度，所以主压缩的能量头低于再压缩机。但是在启动过程中，主压缩机和再压缩机进口压力基本相等，进口温度基本相等或者差别较小。由于两个压缩机的相对转速不变，所以主压缩的能量头低于再压缩机，也就是说主压缩机的出口压力低于再压缩机的出口压力。由于主压缩机经过低温回热器后的出口和再压缩机的出口最终是连在一起的。由于再压缩出口压力高，会导致主压缩机进入喘振状态。

在实际过程中，可以通过调整主压缩机和再压缩机的进口导叶和出口叶片扩压器来使二者出口压力接近。另一方面，设置一个气体喷射器，通过高压的再压缩机排气抽吸低压的主压缩机排气，最后形成一个中压的混合排气。可避免采用阀门降压造成较大的损失。这样，在启动过程中可以尽快使得二氧化碳工质在大流量，高压力的状态下流动，加速启动过程，同时保护主压缩机不会喘振。

本实用新型的发电机组在稳定运行的工况下，高压的二氧化碳流体经过高温换热器之后变成高温高压的二氧化碳流体。经过涡轮机组之后膨胀输出功率；涡轮机组的转速为3000r/min或3600r/min。

涡轮机组中膨胀后的低压二氧化碳流体，依然具有较高温度，依次经过高温回热器和低温回热器，将热量传递给低温侧的流体。

从低温回热器出来的流体分为两路。一路通过管路进入冷却器，通过循环冷却水或其他冷源将二氧化碳流体冷却到更低的温度，随后，进入到主压缩机的第一级，压缩后通过管路进入到主压缩机第二级，经过两级主压缩机压缩后的高压二氧化碳流体通过管路进入低温回热器，被涡轮机组排气或余热废热在低温回热器中加热，加热后的流体通过管路进入气体喷射器的低压入口。

另一路低压二氧化碳流体通过管路进入到再压缩机的第一级，压缩后通过管路进口再压缩机第二级，经过再压缩机两级压缩之后，通过管路进入到气体喷射器的高压入口，两股流体混合之后通过管路进入到高温回热器，气流被高温回热器加热后进入到高温换热器加热。

在稳定运行过程中，由于主压缩机和再压缩机的排气压力基本相等，调整气体喷射器的喉部面积，气体喷射器仅仅起掺混作用，降低流体的混合损失。在稳定运行过程中，若要降低机组输出功率，可通过改变主压缩机和再压缩机的进口导叶的角度，使得压缩机进口气流为正预旋。若采用叶片扩压器方案，同时调整叶片扩压器的安装角度。在保证压比一致的情况下，降低压缩机的流量。同时降低高温换热器的换热量，从而改变发电系统的输出功率。

在启动过程中，首先关闭涡轮机组的进出口阀门，打开涡轮的旁通管路，充入二氧化碳流体，保证涡轮机组中的流体密度较低，发电机切换到电动机的状态，驱动涡轮机组以及主压缩机和再压缩机，此时高温换热器尚未工作，所以主压缩机第一级和再压缩机第一级的进口温度、压力基本相等，由于主压缩机的能量头低于再压缩机的能头。

所以主压缩机的排气管路内的流体压力明显低于再压缩机的排气管路的流体压力，再压缩机的排气管路内的高压气流在气体喷射器中加速降压，在喉部位置将主压缩机的排气管路中的低压流体吸入，随后混合减速增压，并被输送至涡轮机组；所述气体喷射器的排出管路中的流体压力介于再压缩机的排气管路的流体压力和主压缩机的排气管路的流体压力之间，这样能充分利用高压流体的能量，使得输入同样的功率给压缩机组时，能获得更大的二氧化碳循环流量，提高系统启动的效率，降低系统启动时间，保证启动过程压缩机安全运行。

待压缩机稳定运行后，高温加热器开始工作。随后，涡轮机组的进出口阀门打开，旁通管路关闭。涡轮机组和发电机同时驱动离心压缩机组工作。随着温度升高，循环流量增大，涡轮机组的输出功增大。发电机切换到发电机状态，涡轮机组驱动离心压缩机组和发电机，对外输出电功率。

本实施例的发电机组，其离心压缩机组通过进口导叶和出口叶片扩压器联调，有效增加了压缩机流量调节范围，同时保证大部分工况下压缩机具有较高的效率。压缩机出口采用气体喷射器，可以加速启动过程，同时保护主压缩机不会喘振，提高启动效率。涡轮机组极易实现压缩机中间冷却和涡轮中间再热的措施，可以提高循环效率。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种发电机组，其特征在于，包括离心压缩机组、涡轮机组和发电机；

所述涡轮机组的输出轴与发电机传动连接；

所述涡轮机组的输出轴与所述离心压缩机组的大齿轮传动连接；

所述离心压缩机组与所述涡轮机组通过管路连接，将所述涡轮机组排出的工质加压后经过回热器和高温加热器后再送入涡轮机组，以驱动所述涡轮机组转动。

2.根据权利要求1所述的发电机组，其特征在于，所述离心压缩机组包括一个主动齿轮轴和多个从动齿轮轴，所述主动齿轮轴和从动齿轮轴相互平行；所述主动齿轮轴上安装有大齿轮，所述从动齿轮轴上安装有小齿轮，所述大齿轮与小齿轮配合，从而在主动齿轮轴和从动齿轮轴之间形成增速传动；所述从动齿轮轴的两端均传动连接有离心压缩机级。

3.根据权利要求2所述的发电机组，其特征在于，所述从动齿轮轴的数量为2个，包括第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴；所述离心压缩机组包括主压缩机和再压缩机；所述主压缩机和再压缩机均为两级压缩机，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴的两端传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第二从动齿轮轴的两端传动连接；或者，所述主压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接，所述再压缩机的两级离心叶轮分别与第一从动齿轮轴和第二从动齿轮轴传动连接。

4.根据权利要求3所述的发电机组，其特征在于，所述主压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述主压缩机第一级的排气口与所述主压缩机第二级的进气口连通，所述主压缩机第二级的排气口与气体喷射器的低压入口连通；所述再压缩机第一级的进气口与涡轮机组的排气口连通，所述再压缩机第一级的排气口与再压缩机第二级的进气口连通，所述再压缩机第二级的排气口与气体喷射器的高压入口连通，所述气体喷射器的排气口通过高温加热器与涡轮机组的进气口连通。

5.根据权利要求4所述的发电机组，其特征在于，还包括高温回热器、低温回热器和冷却器；所述气体喷射器的排气口通过高温回热器和高温加热器与涡轮机组的进气口连通；所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器、低温回热器和冷却器与所述主压缩机第一级的进气口连通；而且所述涡轮机组的排气口分别通过高温回热器和低温回热器与所述再压缩机第一级的进气口连通；而且所述主压缩机第一级的排气口通过低温回热器与气体喷射器的低压入口连通。