CN212837970U - 一种两级透平气悬浮orc发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两级透平气悬浮ORC发电系统，包括循环连接的蒸发器、膨胀发电机组、冷凝器、工质泵与蒸发器；膨胀发电机组包括高压级透平、气悬浮轴承发电机以及低压级透平；高压级透平出口与低压级透平入口连通；蒸发器为组合式满液蒸发器；蒸发器的预热段出口与膨胀发电机组的发电机之间通过供液冷却管路与其旁路相连；蒸发器的蒸发段出口与膨胀发电机组之间通过进气管路及其旁路相连。本发明中采用的膨胀机为两级透平气悬浮膨胀机，实现无油运行结构简单，发电效率高；膨胀机配有旁通管路和控制阀门，有效保护膨胀机并且两级透平对称布置其结构受力平衡且两级透平串联设计适用于ORC高膨胀压比工况，系统发电效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及工业余热回收和清洁能源技术领域，具体涉及一种两级透平气悬浮ORC发电系统。
背景技术
有机朗肯循环(ORC)是采用低沸点有机工质(如制冷剂)，利用较低温度的热源完成有机工质相变，实现朗肯循环发电的技术。液态有机工质在蒸发器(有时称为余热换热器) 中被低温余热加热，产生高温高压气体，经过膨胀机膨胀驱动发电机产生电能，经过膨胀机后的低温低压气态工质在冷凝器中冷却成液体，经冷媒泵加压送回到蒸发器，完成一个循环。ORC余热发电技术面临的问题是循环效率低，发电量少，运行维护成本高、投资回报期长。其中膨胀发电机是制约ORC机组性能的关键设备，膨胀发电机主要有两个类型，螺杆机和向心透平膨胀机。螺杆机可以低速运行，直接驱动工频发电机发电，而向心透平高速旋转经齿轮箱减速后驱动工频电机发电。
现有技术，申请号为2019108354914，发明名称为基于静压气浮轴承的ORC循环系统的发明公开了一种径向膨胀发电机组，该膨胀发电机组中采用两级向心透平，对称布置在电机两侧，一侧为高压级透平，另一侧为低压级透平；该膨胀发电机组的发电机转轴的支撑采用静压气浮轴承，静压气浮轴承的润滑液采用系统中的制冷剂，无润滑油污染，降低了轴承损失；气悬浮轴承技术是指，通过一定压力的流体在轴承滑动副表面形成流体膜，达到支撑负荷和润滑、冷却效果的轴承技术。该膨胀发电机组的冷却制冷剂从电机底部进入，从排放口后排入到冷凝器中。上述的现有技术中存在以下问题：（1）当热源的流量与压力变化很大的情况时，通过冷却泵或/储液器直接进入电机的冷却系统的冷却剂压力也会有较大波动，使得气悬浮轴承无法正常稳定工作；（2）需要通过冷媒泵将冷却剂输入电机的冷却回路，结构比较冗繁，不利于推广利用。因此需要一种能够根据系统的运行参数，切换进入发电状态或者关机状态，切换进入设置稳压泵的供液冷却管路，有效的防止事故的发生，提高能量的转换效率。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
本发明的目的在于提供一种两级透平气悬浮ORC发电系统，其中的膨胀发电机组采用静压气浮轴承，摩擦损失更低，发电效率高；通过采用两级的透平结构，实用高膨胀比工况，系统效率更高；进气结构的采用旁通回路实现对膨胀机的保护；供液冷却管路设置带旁路的稳压泵，通过电磁阀控制通断，保证气悬浮轴承供压稳定。
2、技术方案：
一种两级透平气悬浮ORC发电系统，包括循环连接的蒸发器、膨胀发电机组、冷凝器、工质泵以及蒸发器；其特征在于：所述膨胀发电机组包括高压级透平、气悬浮轴承发电机以及低压级透平；所述高压级透平的出口与低压级透平的入口连通。
所述蒸发器为组合式满液蒸发器；组合式满液蒸发器内腔中设有带有均液孔的内部隔板将蒸发器分隔成连通的上下两部分，上部为满液式蒸发段，下部为工质预热段。
所述蒸发器的预热段出口与膨胀发电机组的发电机之间通过供液冷却管路相连；所述供液冷却管路包括依次连接的蒸发器预热段出口、稳压泵电磁阀以及稳压泵；所述供液冷却管路还包括与稳压泵电磁阀以及稳压泵所在管路并联的旁通供液冷却管路；所述旁通供液冷却管路包括稳压泵旁通电磁阀；稳压泵电磁阀与稳压泵旁通电磁阀为联锁状态。所述蒸发器的蒸发段出口与膨胀发电机组之间设有进气管路；所述进气管路包括依次连接的蒸发器的蒸发段出口、进气阀、高压透平进气口；所述进气管路还包括进气管路的旁通路；所述进气管路的旁通路包括依次连接的蒸发器的蒸发段出口、旁通阀以及低压透平的出口。
进一步地，所述膨胀发电机组为一体式发电机组，其中气悬浮轴承发电机为变转速永磁发电机；所述变转速永磁发电机内的转子随转轴转动；转轴两端分别安装叶轮形成两个透平；其中的一个透平的出气管与另一个透平的进气管相连，相应的形成高压级透平与低压级透平。
一种两级透平气悬浮ORC发电系统的控制方法，包括：
步骤一：系统开始运行，进气阀为闭合状态，旁通阀为开启状态，热源进入蒸发器后，将液态工质加热蒸发，先通过旁通阀进入冷凝器被冷凝；检测蒸发器出口气态工质的温度和压力，检测冷凝器内部工质温度和压力，通过温度和压力，得到蒸发器出口工质和冷凝器出口工质焓值，计算得到两者焓差，根据焓差和流量计算出此时理论上的发电量，并将该发电量与预设的膨胀机启动发电量进行对比，如果大于等于膨胀机启动发电量，则打开进气阀，关闭旁通阀，工质气体先进入高压级透平，初步膨胀后进入低压级透平。
步骤二：检测工质泵出口工质气压，如果该压气压值高于预设的冷却管道气压，打开稳压泵电磁阀，闭合稳压泵旁通电磁阀；如果该气压低于预设的冷却管道气压，则闭合稳压泵管路电磁阀，打开稳压泵旁通电磁阀，通过稳压泵增压使气悬浮轴承得到的压力保持稳定。
步骤三：停机时，热源流量降低，蒸发器换热量降低，进入膨胀机的有机工质的温度和压力逐渐降低，当此时的发电量低于预设停机发电量值，旁通阀由闭合状态打开，进气阀由打开状态闭合，蒸发器出口有机工质直接进入冷凝器被冷凝，直至热源停止进入蒸发器，系统完全停机。
3、有益效果：
（1）本发明中采用的膨胀机为两级透平气悬浮膨胀机，ORC系统实现无油运行，结构简单，发电效率高；并且膨胀机两级透平对称布置于发电机两侧，结构受力平衡；膨胀机两级透平串联设计，适用于ORC高膨胀压比工况，系统发电效率更高。
（2）本发明中的蒸发器为集成储液罐、预热器、蒸发器一体的组合式蒸发器，极大简化系统的复杂程度，缩小机组尺寸，降低成本。
（3）本发明中设置了膨胀机旁通管路，实现启停机状态膨胀机保护；通过具有储液的组合式满液蒸发器同时供液冷却管路给电机冷却和气悬浮轴承供压。
（4）本发明中的供液冷却管路设置带旁路的稳压泵，保证热源波动较大工况下系统稳定运行。
附图说明
图1为本发明的整体结构连接图；
图2为本发明中的组合式满液蒸发器的结构简图。
具体实施方式
如附图1至附图2所示，一种两级透平气悬浮ORC发电系统，包括循环连接的蒸发器、膨胀发电机组、冷凝器、工质泵以及蒸发器；其特征在于：所述膨胀发电机组包括高压级透平、气悬浮轴承发电机以及低压级透平；所述高压级透平的出口与低压级透平的入口连通。
所述蒸发器为组合式满液蒸发器；组合式满液蒸发器内腔中设有带有均液孔的内部隔板将蒸发器分隔成连通的上下两部分，上部为满液式蒸发段，下部为工质预热段。
所述蒸发器的预热段出口与膨胀发电机组的发电机之间通过供液冷却管路相连；所述供液冷却管路包括依次连接的蒸发器预热段出口、稳压泵电磁阀以及稳压泵；所述供液冷却管路还包括与稳压泵电磁阀以及稳压泵所在管路并联的旁通供液冷却管路；所述旁通供液冷却管路包括稳压泵旁通电磁阀；稳压泵电磁阀与稳压泵旁通电磁阀为联锁状态。所述蒸发器的蒸发段出口与膨胀发电机组之间设有进气管路；所述进气管路包括依次连接的蒸发器的蒸发段出口、进气阀、高压透平进气口；所述进气管路还包括进气管路的旁通路；所述进气管路的旁通路包括依次连接的蒸发器的蒸发段出口、旁通阀以及低压透平的出口。
进一步地，所述膨胀发电机组为一体式发电机组，其中气悬浮轴承发电机为变转速永磁发电机；所述变转速永磁发电机内的转子随转轴转动；转轴两端分别安装叶轮形成两个透平；其中的一个透平的出气管与另一个透平的进气管相连，相应的形成高压级透平与低压级透平。
一种两级透平气悬浮ORC发电系统的控制方法，包括：
步骤一：系统开始运行，进气阀为闭合状态，旁通阀为开启状态，热源进入蒸发器后，将液态工质加热蒸发，先通过旁通阀进入冷凝器被冷凝；检测蒸发器出口气态工质的温度和压力，检测冷凝器内部工质温度和压力，通过温度和压力，得到蒸发器出口工质和冷凝器出口工质焓值，计算得到两者焓差，根据焓差和流量计算出此时理论上的发电量，并将该发电量与预设的膨胀机启动发电量进行对比，如果大于等于膨胀机启动发电量，则打开进气阀，关闭旁通阀，工质气体先进入高压级透平，初步膨胀后进入低压级透平。
步骤二：检测工质泵出口工质气压，如果该压气压值高于预设的冷却管道气压，打开稳压泵电磁阀，闭合稳压泵旁通电磁阀；如果该气压低于预设的冷却管道气压，则闭合稳压泵电磁阀，打开稳压泵旁通电磁阀，通过稳压泵增压使气悬浮轴承得到的压力保持稳定。
步骤三：停机时，热源流量降低，蒸发器换热量降低，进入膨胀机的有机工质的温度和压力逐渐降低，当此时的发电量低于预设停机发电量值，旁通阀由闭合状态打开，进气阀由打开状态闭合，蒸发器出口有机工质直接进入冷凝器被冷凝，直至热源停止进入蒸发器，系统完全停机。
具体实施例：
ORC系统的发电原理为：热源通在蒸发器1中通过换热将热能传递给有机工质，有机工质吸热蒸发，进入膨胀机做功，推动透平旋转，带动发电机发电。
本系统启动时，蒸发器1内部液态有机工质吸收热源热量蒸发变为气态工质，系统旁通阀3打开状态，进气阀2关闭状态，有机工质蒸汽通过旁通管路进入冷凝器7，在冷凝器7中经外部冷源冷却，冷凝成液态工质，再通过工质泵7运转，将有机工质泵入组合式满液蒸发器1的预热段，通过供液冷却管路，将高压工质输送到发电机6腔体和气悬浮轴承，用来冷却发电机和气悬浮轴承供气。
通过蒸发器和冷凝器的压差计算得到的发电量大于预设发电量时，进气阀2打开，旁通阀3关闭，有机工质先进入高压级透平4，膨胀做功后从高压透平4出口进入低压级透平5，继续膨胀做功发电，做功后的乏气进入冷凝器7冷凝为液态工质，通过工质泵8泵入蒸发器1中，完成整个循环。
系统需要停机时，旁通阀3从关闭状态打开，进气阀2从打开状态关闭，气态有机工质通过旁通阀3进入冷凝器7。直至外部热源关闭，蒸发器1不再换热，工质泵8停止。
本系统中，供液冷却管路具有稳压泵11，针对热源的流量和压力波动较大的工况，通过稳压泵11保证供液冷却管路的压力稳定，使气悬浮轴承得到的压力保持稳定。其中稳压泵电磁阀12、旁通稳压泵电磁阀13为联锁状态，保持一开一关。通过电磁阀切换，控制稳压泵的启动和停止。
图2为组合式满液蒸发器的内部结构示意图，换热器下部为预热段，具有储液功能。换热器内部通过带有均液孔的内部隔板将筒体壳程分隔成上下两部分，上部为满液式蒸发段18，下部为工质预热段19。图中实线为有机工质的运行方向，虚线为热源的流向。图中14位热源进口，15为热源出口，16为工质进口，17为工质出口。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种两级透平气悬浮ORC发电系统，包括循环连接的蒸发器（1）、膨胀发电机组、冷凝器（7）、工质泵（8）以及蒸发器（1）；其特征在于：
所述膨胀发电机组包括高压级透平（4）、气悬浮轴承发电机（6）以及低压级透平（5）；所述高压级透平（4）的出口与低压级透平（5）的入口连通；
所述蒸发器（1）为组合式满液蒸发器（1）；组合式满液蒸发器（1）内腔中设有带有均液孔的内部隔板将蒸发器（1）分隔成连通的上下两部分，上部为满液式蒸发段，下部为工质预热段；
所述蒸发器（1）的预热段出口与膨胀发电机组的发电机之间通过供液冷却管路相连；所述供液冷却管路包括依次连接的蒸发器（1）预热段出口、稳压泵电磁阀（12）以及稳压泵（11）；所述供液冷却管路还包括与稳压泵电磁阀（12）以及稳压泵所在管路并联的旁通供液冷却管路；所述旁通供液冷却管路包括稳压泵旁通电磁阀（13）；稳压泵电磁阀（12）与稳压泵旁通电磁阀（13）为联锁状态；
所述蒸发器（1）的蒸发段出口与膨胀发电机组之间设有进气管路；所述进气管路包括依次连接的蒸发器（1）的蒸发段出口、进气阀（2）、高压透平进气口；所述进气管路还包括进气管路的旁通路；所述进气管路的旁通路包括依次连接的蒸发器（1）的蒸发段出口、旁通阀（3）以及低压透平的出口。
2.根据权利要求1所述的一种两级透平气悬浮ORC发电系统，其特征在于：所述膨胀发电机组为一体式发电机组，其中气悬浮轴承发电机为变转速永磁发电机；变转速永磁发电机内的转子随转轴转动；转轴两端分别安装叶轮形成两个透平；其中的一个透平的出气管与另一个透平的进气管相连，相应的形成高压级透平（4）与低压级透平（5）。
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