CN207761714U - 一种背压式向心汽轮机发电装置 - Google Patents
一种背压式向心汽轮机发电装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种背压式向心汽轮机发电装置，包括高压蒸汽进口管道、低压排气管道；在高压蒸汽进口管道至低压排气管道上设置向心式汽轮机，向心式汽轮机通过减速箱与发电机连接。该系统将进口管道输送而来的高压蒸汽通过向心式汽轮机降压并发电后按所需的背压输送给蒸汽用户，从而在不影响用户用汽的情况下利用高压蒸汽能量来产生电能，产生良好的经济效益；所产生的电能可用于厂内用电，如为厂内水泵、风机等耗能设备提供动力；向心式汽轮机具有效率高、投资低、易于运行维护的特点；设置有旁通管道，以便在汽轮机故障停机时开启，保证用户正常用汽并保护汽轮机不会超速运行；低压排气管道之前带有喷水减温装置，用于将汽轮机排气冷却至用户所需的温度。
Description
技术领域
本实用新型属于节能及能源回收利用的技术领域。具体地，本实用新型涉及一种背压式向心汽轮机发电装置。
背景技术
随着国民经济产业结构的升级调整及节能减排的需要，我国各种企业中数量庞大的工业锅炉亟待加以改造升级。特别是随着国家制订了越来越严格的控制空气污染的政策，各式各样的高耗能燃煤工业锅炉已经到了非治不可的地步。这些锅炉普遍容量较小，平均蒸发量约11吨每小时，实际运行效率只有65%左右，急需通过技术改造来降低煤耗，控制污染。
具体来说，大量的工业锅炉广泛分布在造纸、印染、纺织、化工、石油等行业中，为生产过程提供蒸汽。在很多情况下需要对锅炉所提供的蒸汽进行减温减压以满足下游生产要求，一般采用减压阀减压并喷水进行冷却。由于高压蒸汽未经做功过程而直接从较高压力降至较低压力，其较高品位的能量并未得到利用，形成严重浪费。
在现有技术中，利用工业锅炉产生的蒸汽经背压式或抽凝式汽轮机发电后，再以用户需要的背压向下游生产过程输送蒸汽是一种能显著提高能源利用率并产生良好经济效益的热电联产方式。目前这类汽轮机一般为轴流式结构，在小型工业锅炉的蒸汽流量和发电量范围内，由于轴流汽轮机需要采用与大功率机型相似的结构，使得单位千瓦制造成本较高，占地面积大，进排气布置一般为双层结构，需要一定的土建工作量。同时由于轴流式汽轮机叶片旋转速度所限，不能实现高转速，因而用于背压式发电时运行效率较低，常常只有50%左右。
综上所述，现有技术中蒸汽背压式发电的热电联产方式存在投资建设成本高、运行效率低且维护复杂的缺点。这就需要发展新的背压式发电技术，从而降低汽轮机投资建设成本，提高运行效率，产生良好经济回报，这将是各类工业锅炉节能改造升级的发展应用趋势。
发明内容
本实用新型提供一种背压式向心汽轮机发电装置，其目的是提高背压式蒸汽发电系统能量利用效率并降低系统投资。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的背压式向心汽轮机发电装置，安装于产生蒸汽的锅炉与蒸汽用户之间，包括高压蒸汽进口管道、低压排气管道，在所述的高压蒸汽进口管道至低压排气管道之间安装向心式汽轮机，所述的向心式汽轮机通过减速箱与发电机连接。
所述的向心式汽轮机设置蒸汽旁路管道，所述的蒸汽旁路管道的一端与高压蒸汽进口管道连通，另一端与向心式汽轮机的排气管道汇合。
所述的高压蒸汽进口与向心式汽轮机之间的蒸汽管道上设置主汽阀与主汽调节阀；所述的蒸汽旁路管道上设置旁路管道调节阀。
所述的低压排气管道之前带有喷水减温装置，与向心式汽轮机的排气管道及旁通管道连接。
所述的向心式汽轮机包括汽轮机进气管道、进气蜗壳、汽轮机出口管道；所述的向心式汽轮机设有喷嘴环和叶轮；所述的喷嘴环安装于叶轮外侧并与叶轮轴向位置一致；所述的进气蜗壳沿圆周方向环绕在喷嘴环外侧；所述的汽轮机进气管道与进气蜗壳连接；所述的汽轮机出口管道与叶轮同轴。
所述的叶轮由外缘至汽轮机出口管道之间设置有叶片；所述的叶片在叶轮外缘处的切线与叶轮径向方向一致；所述的叶片在汽轮机出口管道处的弯曲方向与叶轮旋转方向相反。
所述的喷嘴环具有喷嘴叶片；所述的喷嘴叶片的宽度由喷嘴环外缘至内缘保持不变；所述的喷嘴叶片从喷嘴环外缘向内缘处形成的连线与叶轮旋转方向一致。
所述蒸汽用户为蒸汽烘干装置、蒸汽加热器、蒸汽式溴化锂制冷机、使用蒸汽的生产线中的任意一个或任意多个。
本实用新型采用上述技术方案，利用工业锅炉输出的蒸汽与用户所需蒸汽之间的压差及温差，通过向心式汽轮机产生动力并带动发电机产生电能，由于使用减速箱与发电机连接，向心式汽轮机可采用高转速，运行效率高，在充分利用蒸汽的高品位热能之后再输送给用户，显著提高能源利用率，产生良好经济收益；所产生的电能可为工厂内各种用电设备供电，如为水泵、风机等耗能设备提供动力；向心式汽轮机制造成本低，占地面积小，可模块化安装，显著减少土建工作量，并且运行维护简单、费用低；设有旁通管道，在发电机组出现故障或检修时开启，不影响后端用户正常用气，也起到防止汽轮机超速的作用；在低压排气管道前设置喷水减温装置，根据汽轮机运行状态，当排气为过热蒸汽时，根据需要喷水，将蒸汽温度降至用户需要的温度，保证对用户供气的安全稳定。
附图说明
附图内容及图中标记的简要说明如下：
图1是本实用新型的装置组成示意图；
图2是本实用新型的向心式汽轮机的剖面示意图；
图3是本实用新型的向心式汽轮机的叶轮示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1 所示，本实用新型为一种背压式向心汽轮机发电装置，安装于产生蒸汽的锅炉与蒸汽用户之间，该系统包括高压蒸汽进口管道(1)、低压排气管道(11) 及蒸汽用户。为实现利用高压蒸汽与低压排气之间的压差发电并实现高品位蒸汽热能利用的目的，本发明采取的技术方案为：
如图1 所示，本实用新型的背压式向心汽轮机发电装置，在所述的高压蒸汽进口管道(1)至低压排气管道(11)之间安装向心式汽轮机(4)，所述的向心式汽轮机(4)通过减速箱(5)与发电机(6)连接。所述减速箱(5)通过齿轮变速装置将向心式汽轮机(4)的转速转换成带动发电机(6)运行所需的转速。
所述的向心式汽轮机(4)设置蒸汽旁路管道(9)，所述的蒸汽旁路管道(9)的一端与高压蒸汽进口管道(1)连通，另一端与向心式汽轮机(4)的排气管道(7)汇合。
所述的高压蒸汽进口管道(1)与向心式汽轮机(4)之间的蒸汽管道上设置主汽阀(2)与主汽调节阀(3)；所述的蒸汽旁路管道(9)上设置旁路管道调节阀(8)。
所述的低压排气管道(11)之前带有喷水减温装置(10)，与向心式汽轮机(4)的排气管道(7)及旁通管道(9)连接。
如图2 所示，所述的向心式汽轮机(4)包括汽轮机进气管道(12)、进气蜗壳(13)、汽轮机出口管道(14)；所述的向心式汽轮机(4)设有喷嘴环(15)和叶轮(16)；所述的喷嘴环(15)安装于叶轮(16)外侧并与叶轮(16)轴向位置一致；所述的进气蜗壳(13)沿圆周方向环绕在喷嘴环(15)外侧；所述的汽轮机进气管道(12)与进气蜗壳(13)连接；所述的汽轮机出口管道(14)与叶轮(16)同轴。
所述的汽轮机进气管道(12)与高压蒸汽进口管道(1)连接；所述的叶轮(16)通过转轴与减速箱(5)的输入轴相连接；所述减速箱(5)的输出轴与发电机(6)同轴连接。
所述的叶轮(16)由外缘至汽轮机出口管道(14)之间设置有叶片(17)；所述的叶片(17)在叶轮(16)外缘处的切线与叶轮(16)径向方向一致；所述的叶片(17)从叶轮(16)外缘开始到汽轮机出口管道(14)处，逐渐向旋转方向的反向弯曲；所述的叶片(17)在汽轮机出口管道(14)处的弯曲方向与叶轮(16)旋转方向相反。通过这样的叶片弯曲方式，使得蒸汽在叶轮中得到膨胀和加速，从而以合适的流动速度和角度推动叶轮旋转并做功。
所述的喷嘴环(15)具有喷嘴叶片(18)；所述的喷嘴叶片(18)的宽度由喷嘴环(15)外缘至内缘保持不变；所述的喷嘴叶片(18)从喷嘴环(15)外缘向内缘处形成的连线与叶轮(16)旋转方向一致。喷嘴叶片的宽度和安装方向使得蒸汽在流经喷嘴环时得到充分加速，能够以适当的速度和角度流入叶轮并推动叶轮旋转做功。
所述的蒸汽用户为蒸汽烘干装置、蒸汽加热器、蒸汽式溴化锂制冷机、使用蒸汽的生产线中的任意一个或任意多个，或者蒸汽用户为其他用汽设备。经过背压式向心汽轮机减压降温并发电后，蒸汽的压力与蒸汽用户所需要的压力相同。根据锅炉蒸汽参数和汽轮机的运行工况，当汽轮机排气为过热蒸汽，高于蒸汽用户需要的温度时，通过喷水减温装置对汽轮机排气进行喷水，将排气温度降至用户所需温度。
本实用新型的工作原理是：在高压蒸汽流经向心式汽轮机并降压至汽轮机排气压力的过程中，高压蒸汽与低压排气之间的焓值之差就是单位质量的蒸汽可产生的电能，如下式：
W=(Hin-Hout)*Cm
式中：
Hin—高压蒸汽进口焓值；
Hout—低压排气焓值；
Cm—综合考虑减速箱和发电机损失后的机械效率，一般取值为0.9-0.93。
上式中的焓值差Hin-Hout又可通过下式计算：
Hin-Hout=(Hin-Hout,is)*Ct
式中：
Hout,is—高压蒸汽按等熵过程减压至汽轮机排气压力时的焓值；
Ct—向心式汽轮机的内效率，一般取值为0.72-0.85。
本实用新型的工作原理如图1 所示：
高压蒸汽由高压蒸汽进口管道(1)流入，在高压蒸汽进口管道(1)处设置有主汽阀(2)，用于停机或故障时切断汽轮机进口管道(12)，阻止蒸汽进入向心式汽轮机(4)；在主汽阀(2)后设置有主汽调节阀(3)，用于调节进入向心式汽轮机(4)的蒸汽流量大小。
高压蒸汽流经主汽阀(2)和主汽调节阀(3)后通过汽轮机进气管道(12)流入进气蜗壳(13)，在进气蜗壳(13)内流向转变为环绕喷嘴环(15)圆周方向的旋流，然后由喷嘴环(15)的外缘流入喷嘴环(15)。高压蒸汽在喷嘴环(15)内压力降低并实现膨胀，加速到一定流速后按喷嘴叶片(18)方向的引导流入叶轮(16)。蒸汽在叶轮(16)内继续膨胀加速，并借助其流速和压力推动叶片(17)，使叶轮(16)旋转做功，当蒸汽到达汽轮机出口管道(14)处时，已基本降至蒸汽用户所要求的压力，经汽轮机出口管道(14)排出。叶轮(16)在较高转速下旋转，通过减速箱(5)降低转速后，带动发电机(6)发电，输出电能。
降压后的蒸汽经汽轮机排气管道(7)进入喷水减温装置(10)，根据锅炉所提供的蒸汽参数及向心式汽轮机(4)运行工况的变化，如果向心式汽轮机(4)排气温度过高，蒸气仍为过热状态，则通过在喷水减温装置(10)中喷入适量水，利用水的汽化吸热来降低蒸汽温度，达到蒸汽用户的要求。
所述的背压式向心汽轮机发电装置还设置有蒸汽旁路管道(9)，蒸汽可通过旁路管道(9)绕过向心式汽轮机(4)，经旁路管道的减压阀(8)减压后直接进入喷水减温装置(10)。这样在向心式汽轮机发电系统出现故障时，通过开启旁路管道(9)保证对蒸汽用户供汽的要求，并起到防止向心式汽轮机(4)超速的作用。当本系统需要停机检修时，也可通过开启旁路管道(9)保证对蒸汽用户正常供汽。
实施案例一：
向心式汽轮机可通过减速箱带动发电机发电，也可拖动风机、水泵等耗能设备。向心式汽轮机可以直接连接和驱动被拖动设备，也可以通过变速装置将向心式汽轮机转速转换成所需要的转速后驱动被拖动设备。
实施案例二：
某印染厂生产过程中需要使用蒸汽进行烘干，每小时需消耗蒸汽20吨。锅炉所提供蒸汽的压力为2.35 MPa，温度400℃，生产过程实际需要压力为0.6 MPa的饱和蒸汽。原使用方式为通过减压阀减压并喷水降温后直接输送至生产线。在改造后安装向心式汽轮机发电系统，通过向心式汽轮机降压至生产所需压力，在此过程中利用蒸汽热能产生电能，用于厂内设备用电，然后由喷水减温装置将蒸汽降温至饱和状态后输送至生产线。
发电量计算：
汽轮机进口处蒸汽焓值：3242.6 kJ/kg；汽轮机排气焓值：2988.2 kJ/kg，排气温度：265℃；
每千克汽轮机排气需喷入水的质量：0.088 kg；
当实际用气量为20 t/h时，流经向心式汽轮机的蒸汽流量：18.4 t/h
向心式汽轮机发电功率：1150 kW；所输出电能用于厂内耗能设备的用电；按年运行7000小时计算，每年可节省805万千瓦时的工业用电量，产生显著经济效益。
向心式汽轮机的控制系统可根据蒸汽流量变化自动控制汽轮机维持在稳定转速，该系统可与锅炉的控制监测系统集成，无需专人值守。向心式汽轮机结构简单，可长期稳定运行，维护工作量小。当汽轮机发电机组出现故障需要停机时，旁路管道开启，防止汽轮机超速。旁路管道也可保证在系统停机检修时不影响对用户输送蒸汽。通过喷水减温装置，能够保证蒸汽温度满足蒸汽用户的需要。综上所述，向心式汽轮机具有投资成本低，维护简单，费用低，运行效率高的特点，能充分利用高压蒸汽的高品位热能产生电能，为厂内设备供电，或直接驱动水泵、风机等耗能设备，因此应用本发明能够产生显著的经济效益。
以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型的具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种背压式向心汽轮机发电装置，安装于产生蒸汽的锅炉与蒸汽用户之间，包括高压蒸汽进口管道(1)、低压排气管道(11)，其特征在于：在所述的高压蒸汽进口管道(1)至低压排气管道(11)之间安装向心式汽轮机(4)，所述的向心式汽轮机(4)通过减速箱(5)与发电机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的向心式汽轮机(4)设置蒸汽旁路管道(9)，所述的蒸汽旁路管道(9)的一端与高压蒸汽进口管道(1)连通，另一端与向心式汽轮机(4)的排气管道(7)汇合。
3.根据权利要求2所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的高压蒸汽进口管道(1)与向心式汽轮机(4)之间的蒸汽管道上设置主汽阀(2)与主汽调节阀(3)；所述的蒸汽旁路管道(9)上设置旁路管道调节阀(8)。
4.根据权利要求1所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的低压排气管道(11)之前带有喷水减温装置(10)，与向心式汽轮机(4)的排气管道(7)及蒸汽旁路管道(9)连接。
5.根据权利要求1所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的向心式汽轮机(4)包括汽轮机进气管道(12)、进气蜗壳(13)、汽轮机出口管道(14)；所述的向心式汽轮机(4)设有喷嘴环(15)和叶轮(16)；所述的喷嘴环(15)安装于叶轮(16)外侧并与叶轮(16)轴向位置一致；所述的进气蜗壳(13)沿圆周方向环绕在喷嘴环(15)外侧；所述的汽轮机进气管道(12)与进气蜗壳(13)连接；所述的汽轮机出口管道(14)与叶轮(16)同轴。
6.根据权利要求5所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的叶轮(16)由外缘至汽轮机出口管道(14)之间设置有叶片(17)；所述的叶片(17)在叶轮(16)外缘处的切线与叶轮(16)径向方向一致；所述的叶片(17)在汽轮机出口管道(14)处的弯曲方向与叶轮(16)旋转方向相反。
7.根据权利要求5所述的背压式向心汽轮机发电装置，其特征在于：所述的喷嘴环(15)具有喷嘴叶片(18)；所述的喷嘴叶片(18)的宽度由喷嘴环(15)外缘至内缘保持不变；所述的喷嘴叶片(18)从喷嘴环(15)外缘向内缘处形成的连线与叶轮(16)旋转方向一致。
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| CN109751093A (zh) * | 2017-11-02 | 2019-05-14 | 长兴永能动力科技有限公司 | 一种背压式向心汽轮机发电系统 |
| CN110017184A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-16 | 华电电力科学研究院有限公司 | 一种基于强化学习算法的分布式余压发电系统及其控制方法 |
| CN110118106A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-08-13 | 华电电力科学研究院有限公司 | 一种基于高效径向透平的分布式余压发电系统及工作方法 |
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