一种没有乏汽潜热的汽轮机设备的制作方法

本实用新型提供一种没有乏汽潜热的汽轮机设备，属于汽轮机设备的技术领域。尤其涉及一种低温工质汽轮机设备，同时也包括膨胀机、气动机和其他相类似的透平机械和设备。

背景技术：

1882年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式的汽轮机，汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸气的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点，被广泛应用在电站、航海和大型工业中。

为了提高汽轮机设备的功率和效率，130多年我们也不断在进行改进，进气温度和压力也在不断的提高，从低压汽轮机到高压汽轮机，再从亚临界到超临界汽轮机，汽轮机的功率最高做到1200MW，进气温度达到650℃，压力达到25MPa；纯凝式汽轮机低压缸排气温度低至30-45℃，排气压力低至10-13kPa，人们通过不断的提高汽轮机输入的进气温度和压力，和尽可能的降低汽轮机的排气温度和压力，可获得最大的焓差和最大的输出功率，这也是我们现有大型汽轮机设备提高发电效率的最重要途经。

现在发电站应用的纯冷凝汽轮机设备输出的乏汽温度，远低于水的沸点温度(低至约30℃)，排气压力也是真空压，目的是为了提高发电效率，尽可能多的发电输出，但其直接的后果就是造成大量的低品位乏汽潜热无法回收利用。因此，造成乏汽潜热所占的热量约为已利用热量的2～3倍，例如：某高压汽轮机进汽含热量约3433kJ/kg，这些热量中只有约837kJ/kg 是做功的，凝结水中含有约126kJ/kg热量，每公斤水约有2240kJ潜热能量是被冷却系统的冷却水带走，损失能量相当5倍0℃水加热到100℃的热水所吸收的能量；这是一个非常巨大的损失和浪费。其产生的大量低品位乏汽潜热需要用大量的水或者空气进行冷却，即不节能也不经济。

这些低品位潜热能量需通过冷却塔、空冷岛等冷却设备释放到环境中的空气或者水中，不但造成极其巨大的能量浪费，而且这些热能量释放到环境中还将会对环境造成热污染，冷却塔释放能量和蒸发大量水，这些水蒸汽蒸发并汇聚到一起后，就会形成大暴雨和洪灾。我们燃烧大量的煤炭，不但造成大量的发电成本白白的浪费；大量的煤炭燃烧后，烟囱所释放出来的极其大量的二氧化碳，二氧化硫等有害气体也严重破坏着我们的环境，全世界各地的发电厂都是发电功率庞大，因此也是形成雾霾和温室效应的一个极其重要原因，并造成环境变暖，冰川融化等极其严重的恶果。

我们发电就是将燃烧的煤炭热能量转为电能输出，为何要排放掉这样巨大体量的潜热和能量呢，申请人经过二十多年苦心探索，找到问题核心，人们为了获得更多的发电输出，不断的提高进气温度和压力，同时尽可能的降低乏汽温度和压力，现在的发电站乏汽温度已经远远低于其标准沸点，排气压力为负的真空压，在获取更多发电输出同时，乏汽中也形成极其巨大的低品位潜热能量无法被利用，只能够把潜热释放掉才能够实现乏汽冷凝成为水，同时这样做也导致汽轮机的末级叶片和次末级叶片长度增加，汽轮机体积庞大，汽轮机末端需维持高度真空，末级次末级叶片容易遭受冷凝水侵蚀等一系列的问题。本实用新型申请就是针对这些难题进行解决。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种没有乏汽潜热的汽轮机设备，申请人研究发现，精简优化掉汽轮机的末级叶片和次末级叶片，使汽轮机设备的工况区，或工作区域始终高于发电工质的临界温度，并使汽轮机排出的乏汽温度达到发电工质临界温度，乏汽潜热为0，潜热变显热，利用低温液体泵输出的低温液体工质，就能够实现乏汽的冷凝。相比传统汽轮机设备，不仅精简体积，而且降低传统汽轮机叶片过大造成颤振断裂的几率，提高了汽轮机设备的效率和可靠性，并且还能够降低汽轮机的成本。通过汽轮机设备、低温液体泵、乏汽回热器等设备协同作用，实现了一种没乏汽潜热的高效率发电系统，所述高效率的发电系统，没有传统朗肯循环发电系统中的冷却系统，在提高发电效率的同时，还能降低汽轮机成本和电站投资成本。

本实用新型的实施例是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供一种没有乏汽潜热的汽轮机设备，所述汽轮机设备由汽轮机进气端，汽轮机本体和汽轮机出气端构成；所述汽轮机进气端的工质温度及压力始终高于所述汽轮机出气端的乏汽温度和压力；

所述汽轮机设备进气端工质温度，始终高于工质的临界温度；

所述汽轮机设备的工况区，始终不低于发电工质的临界温度；

所述汽轮机设备出气端的乏汽温度，为发电工质的临界温度，也包括临界温度点附近温度(工质临界温度理论上说应该是一个极其精确的点，实际是不可能做到那么精确的，因此需要包括临界温度点附近的温度)，由此令所述汽轮机设备出气端的乏汽潜热为零；

所述汽轮机设备出气端连接乏汽回热器，所述乏汽回热器与低温液体泵输出的低温液体发电工质进行换热，令所述低温液体发电工质来冷却所述汽轮机设备的高温乏汽，并将乏汽还原成为液体。

所述汽轮机设备相对于传统汽轮机设备来说，设备体积小很多；传统汽轮机设备需要通过做功将工质乏汽温度降低到标准沸点以下，因此，导致汽轮机末级叶片和次末级叶片很长，造成汽轮机体积庞大，相对来说材料和制造成本较高，体积庞大；所述汽轮机设备从工质的临界温度点就被“去掉”，被去掉的部分是工质密度比较低和汽轮机体积庞大部分，去掉汽轮机尾部和临界温度以下部分，不但没有了乏汽潜热形成，并使汽轮机体积和重量及制造成本都得到降低。

进一步地，所述汽轮机设备的出气端还设置有乏汽回热器和低温液体工质存储器，以及低温液体泵和主换热器；

所述乏汽回热器的高温管路设置在所述汽轮机的出气端与所述低温液体工质存储器之间；所述乏汽回热器的低温管路设置在所述低温液体泵与所述主换热器之间；

所述低温液体工质存储器、所述低温液体泵、所述乏汽回热器的低温管路、所述主换热器，所述汽轮机设备、所述乏汽回热器的高温管路依次连接；所述乏汽回热器的高温管路的出口，连接所述低温液体工质存储器入口，形成闭环回路；

所述主换热器为发电工质与系统主热源进行换热的设备，包括并不局限于锅炉、核电锅炉、太阳光热发电的热交换装置、余热锅炉、高温烟气热水废液的热交换器及地热换热器的任意一种或多种组合。

进一步地，所述低温液体工质存储器还设置有工质降温装置，所述工质降温装置内的工质温度高于环境时，所述工质降温装置为冷却器，所述冷却器直接与环境空气或者水换热，令工质温度降低；

所述工质降温装置还包括依次连接的压缩机、热交换器和节流降压装置，主要用于低温液体工质存储器中工质的温度低于环境；

所述压缩机设在所述低温液体工质存储器与所述热交换器之间，所述节流降压装置设在所述热交换器与所述低温液体工质存储器之间，所述节流降压装置出口连接所述低温液体工质存储器，形成闭环；

所述热交换器的高温管路设在所述压缩机和所述节流降压装置之间，所述热交换器的低温管路设置在所述乏汽回热器的低温管路出口或者所述乏汽回热器的高温端，并将所述压缩机压缩产生的热能，释放到所述乏汽回热器的低温管路出口或者所述乏汽回热器的高温端的发电工质中，用于发电；

所述节流降压装置包括具有节流降压功能的节流阀、截止阀、膨胀阀、或者膨胀机设备；优选膨胀机设备。

所述节流降压装置的作用为膨胀制冷，与制冷机和空调设备中的节流阀和膨胀阀功能相同，不做赘述。优选膨胀机设备，可在制冷时，对所述压缩机设备的压力能进行回收和发电，且制冷效果更好。

进一步地，还包括一种汽轮机设备的密封，尤其涉及一种低温工质汽轮机的密封，其特征在于，所述低温工质汽轮机进气端，将轴承及其润滑设置在所述低温工质汽轮机的缸体内；用汽轮机外缸体的高度密闭性结构，令所述低温工质汽轮机进气端的漏气降到接近于零；取消掉现汽轮机设备所安装的，复杂的，并存有漏气的高压气封系统，用汽轮机外缸的高度密闭性结构，有效避免成本昂贵的低温发电工质从进气端口，及轴端的高压气封处泄漏掉。

进一步地，所述低温工质汽轮机设备出气端，将轴承及润滑以及发电机设备均隐藏到汽轮机设备的缸体内，并对汽轮机设备出气端的缸体做改进，以便于适合安置发电机；用汽轮机缸体的高度密闭结构，令所述汽轮机设备的进气端和出气端的气封密封漏气现象降到最低；

所述汽轮机设备的转轴两端移到汽轮机缸体内，避免高压低温发电工质从所述汽轮机设备转轴的两端泄漏；采用汽轮机缸体的高度密闭性结构，避免成本昂贵的低温发电工质从汽轮机的轴端泄漏掉。

进一步地，所述汽轮机的轴承及其润滑系统设在汽轮机缸体内，并与汽轮机的进气口和出气口保持有一定距离，利用两者之间的距离和在两者之间设置多重绝热材料和/或绝热结构，降低工质温度对轴承和润滑油的影响；保证轴承和润滑系统的温度始终在正常范围；

所述汽轮机缸体内的轴承及其润滑系统与汽轮机进气口和出气口之间，还设置有隔离结构和多重密封结构，避免润滑油泄漏出来，并污染到汽轮机设备进气端和汽轮机设备出气端的发电工质；

可选的，所述汽轮机设备缸体内的轴承和润滑系统还设置有润滑油泵和润滑油过滤装置，还设置有润滑油量探头，润滑油及轴承温度探头，润滑油压力及汽轮机设备缸体内部的压力探头；

所述润滑系统还包括有润滑油温度调节装置，所述润滑油温度调节装置为浸在润滑油中的换热管道及其系统构成，所述换热管道与外界换热，换热管道内的工质温度根据润滑油需要的温度调节；

可选的，所述润滑系统还包括润滑油在汽轮机缸体内适当位置储存，还包括有外部油管与缸体内润滑系统的连接装置，所述连接装置与缸体内的压力平衡后，对缸体内润滑系统补充或者更换润滑油。

进一步地，所述汽轮机设备还包括并不局限于膨胀机和气动机设备；所述膨胀机和所述气动机设备具有与汽轮机相同的进气端条件，设备本体和设备出气端条件，及具有与汽轮机设备相同。

可选的，所述低温工质汽轮机设备的静止部分和转动部分材料为耐低温材料，包括并不局限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢及合金钢，所述低温工质汽轮机设备结构上满足低温工质的热胀冷缩物理特性；

所述汽轮机设备静止部分的缸体外部和汽轮机乏汽出口还设有绝热层，绝热材料包括并不局限于泡沫材料、纤维材料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板、气凝胶；

所述低温工质汽轮机设备中的工质为标准沸点低于零摄氏度的二氧化碳、液氮、液空、液氢、液氦、甲烷、乙烷、氧气、氩气、普通简单气体、烃类气体物质、气体制冷剂纯净物、气体制冷剂混合物中的任意一种或多种组合。

第二方面，本实用新型实施例提供一种没有乏汽潜热的常温工质汽轮机的使用方法，目的是为了更好陈述说明所述汽轮机设备的新颖性、实用性和创新性，其特征在于，包括如下步骤：

所述低温液体工质存储器储存的发电工质为水，通过低温液体泵加高压到所述乏汽回热器的低温管路，与汽轮机输出的温度高达 (374℃，潜热为0)临界温度的乏汽换热，所述回热器低温管路中的水吸乏汽热能后，温度被提升到接近临界温度(374℃，换热器有 0.5℃以上的换热温差)，再从乏汽回热器低温管路输出至主换热器 (如锅炉设备)中加热到500℃以上，水吸热气化形成高温高压气体，输入并驱动所述汽轮机设备高速旋转做功；并带动发电机高速旋转输出电能或者带动机械设备输出机械能；所述汽轮机设备输出的乏汽，温度达到水的临界温度(374℃，乏汽中潜热为0)，潜热变显热，采用低温液体泵输出的水，冷却所述乏汽成为水，并返回到所述低温液体工质存储器中备用，如此完成一个发电的循环过程；

所述低温液体工质存储器中的水，再通过低温液体泵提升为高压到所述乏汽回热器的低温管路中，继续吸收汽轮机输出的(374℃) 乏汽热能，水温度被提升到接近临界温度，并从乏汽回热器的低温管路被输送至所述主换热器(锅炉设备)中，加热到500℃以上成高温和高压气体，驱动所述汽轮机设备高速旋转做功并带动发电机发电，如此不断的循环和不断的发电输出。

汽轮机设备的工况区，或者工作区域始终在(374℃)临界温度以上，所述汽轮机设备排出的乏汽温度为水的临界温度。

需要注意的是，乏汽温度超过临界温度，潜热也为0，但无形之中要造成一些资源的浪费；乏汽温度低于临界温度，乏汽中就会形成潜热，这些潜热不能够用乏汽回热器进行回热和发电，只能够释放掉 (或者有其他的用途)，这样做会降低系统的发电效率，当然，也有人想有其他的用途，选择汽轮机设备排出的乏汽温度控制在水的临界温度点是最佳方案，当然，因汽轮机设备和其他原因，导致汽轮机设备排出的乏汽温度在临界温度点附近，应该说也是一种正常的情况，也应该属于本实用新型实施例提供的技术范畴。

第三方面，本实用新型实施例为了更好的陈述说明所述汽轮机设备的新颖性、实用性和创新性，还提供了一种低温工质汽轮机设备的使用方法和工艺，包括如下步骤：

所述低温液体工质存储器中储存的低温工质为标准沸点低至 -180℃以下的液氮或者液体空气，通过低温液体泵加高压到所述乏汽回热器的低温管路，与低温工质汽轮机输出的温度达(-146℃)临界温度的乏汽换热，低温发电工质吸乏汽的热能，温度被提升到接近临界温度(-146℃，有0.5℃以上的换热温差)，并从乏汽回热器低温管路输出至所述主换热器(如余热锅炉)中加热；低温发电工质吸热气化形成高温高压空气，并驱动所述低温工质汽轮机高速旋转做功；并带动发电机高速旋转输出电能或者带动机械设备输出机械能；

所述低温工质汽轮机输出的乏汽，温度达到低温发电工质的临界温度(液氮临界温度-146℃)，汽化潜热为0，潜热变显热，用低温液体泵输出的，温度低至-180℃以下的液氮冷却所述乏汽，令所述乏汽冷却成为低温的液体，并且返回所述低温液体工质存储器中备用，如此完成一个发电的循环过程；

所述低温液体工质存储器中储存的低温液体(-180℃以下液氮)，通过所述低温液体泵再增加高压到达所述乏汽回热器的低温管路中，继续吸收低温工质汽轮机输出的乏汽热能(温度达-146℃临界温度)，低温发电工质的温度被提升到接近临界温度(-146℃，有0.5℃以上换热温差)，并从乏汽回热器的低温管路输出至所述主换热器中加热(如余热锅炉)；继续吸热气化成高温高压空气，驱动所述低温工质汽轮机高速旋转做功，并且带动发电机发电输出，如此不断的循环和不断的发电输出。

低温工质汽轮机设备排出的乏汽温度远远低于环境温度，采用传统的冷却方法无法实现温度极低的低温工质乏汽冷凝成为液体，代价也是很高，唯一的技术方案是对更加低温的发电工质液体进行回热，换热要求低温工质乏汽中的潜热必须为0，只有低温工质汽轮机设备排出的乏汽温度达到临界温度或者超过临界温度(也是属于本实用新型的技术范畴)，但是超过临界温度是一种资源浪费，因此低温工质汽轮机排出的乏汽温度控制在工质的临界温度点是最佳方案。

汽轮机设备或者膨胀机安装气封系统需要非常的精密，与汽轮机转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，间隙过大就会导致蒸汽的大量泄漏。即使现在的汽轮机设备和膨胀机设备的密封在不断的革新改进，漏气问题仍然得不到彻底解决，尤其小型汽轮机设备和小型膨胀机设备，转轴气封漏气的问题仍然比较严重。

缸体的密封性能远超过汽轮机设备气封和膨胀机气封的密闭性，但是传统汽轮机不放置在缸体内的原因是担心高温蒸汽进入润滑油，会导致润滑油的高温乳化。同时还担心润滑油泄漏进入到蒸汽系统，从而导致蒸汽系统的污染。因此，即使密封系统非常复杂，非常精密，成本也昂贵，操作过程中与汽轮机的转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，间隙过大就会导致蒸汽的大量泄漏。

这也现有密封技术面临的矛盾。只能够尽可能的做到极致，尽可能泄漏最小，但是在实践中，操作的技术人员担心气封与汽轮机的转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，故没有按照气封设计要求进行精密的调节，导致泄漏现象严重。低温发电工质成本远超水的成本，低温发电工质产生泄漏是件非常痛苦的事情。

汽轮机缸体的高度密封性能，要远超汽轮机的气封和膨胀机设备气封的密闭性，能满足低温发电工质对密封的苛刻要求，同时低温工质温度也不会那么容易造成润滑油乳化。为更好的控制润滑油温度，本实用新型实施例还采用增加轴承润滑与汽轮机进气口和出气口的距离，用两者之间距离和在两者之间设置绝热材料和/或多重的绝热结构，降低工质温度对轴承润滑产生的影响；保证轴承和润滑系统的温度始终都保持在正常范围。

进一步地，轴承及润滑系统与汽轮机进气口和出气口之间，还设置有隔离结构和多重密封，由于轴承和润滑都在汽轮机缸体的内部，因此，润滑油的压力与汽轮机缸体内部压力差很小，安装润滑油密封可有效的避免润滑油泄漏出来，污染到汽轮机进气端口和出气端口的发电工质；进一步地，还设置有润滑油量探头，润滑油及轴承温度探头，以及润滑油压力及缸体内部压力探头；

进一步地，所述润滑系统还设置有润滑油温度的控制调节装置，所述润滑油温度控制调节装置为浸在润滑油中的换热管道及其系统构成，换热管道内的工质温度可根据润滑油需要的温度进行调节，所述换热管道与外界进行换热。进一步地，还包括有外部油管与缸体内润滑系统的连接装置，所述连接装置与缸体内的压力实现平衡后，对缸体内润滑系统进行补充或者更换润滑油。

通过以上多重措施，在汽轮机设备的缸体内，轴承和润滑油被密闭在一个单独小空间里，轴承与汽轮机进气口和出气口存在着距离，利用两者之间距离和在两者之间设多重绝热材料和绝热结构、以及多重密封等措施，确保轴承和润滑油绝对的安全和温度可控制。

即使汽轮机中存在高温的水蒸汽，也不会对一个严格封闭的轴承润滑油多重绝热、多重密封的系统产生多少影响，在汽轮机缸体没有出现破裂和严重泄漏的情况下，高温高压蒸汽因两边的压力是完全平衡的，一般是不能够进入到轴承和润滑油这个多重封闭的系统中来，同时两者间又设置多重绝热结构和多重密封措施，缸体内压力相同，高温高压蒸汽很难到轴承这边来，同时润滑油也很难泄漏出去。

为了更好的保证轴承和润滑油温度恒定，润滑油系统还在轴承和润滑油封闭的空间里设置有换热管道和跟外部换热的温度控制系统，即使汽轮机蒸汽温度很高，通过保持一定的轴承距离和设置多重绝热材料、多重绝热结构以及多重密封。还有为轴承润滑油系统单独设计的冷却系统，即使汽轮机外缸体的高度密闭结构被破坏，高温高压蒸汽也只能大量的对外泄漏，想进入多重密闭和重重保护的轴承系统，短时间内要想破坏轴承润滑，并影响到汽轮机轴承润滑系统的温度，应该说难度很大。只要我们能够在一定的时间内，保证汽轮机设备的轴承润滑油绝对安全和温度可控，汽轮机设备就能够顺利的实现停机和进行检修，因此也就不会影响到汽轮机设备的安全。

采用以上多重技术方法，用缸体高度密闭性结构，能够很好的解决气封泄漏的难题，尤其对成本相对极其昂贵的低温发电工质来说，汽轮机设备和膨胀机设备的密封是一个非常头疼的事情，采用上述技术能够有效的解决难题，不但如此还能降低设备制造成本和体积。

本实用新型实施例的有益效果是：

本实用新型实施例提供一种没有乏汽潜热的汽轮机设备及使用方法，尤其是一种低温工质的汽轮机设备及使用方法。所述汽轮机设备的进气端工质温度始终高于发电工质临界温度；所述汽轮机设备工况区，始终不低于发电工质的临界温度；所述汽轮机设备出气端输出的乏汽温度为发电工质的临界温度(也包括临界温度点附近)，由此令所述汽轮机设备出气端的乏汽潜热为零，潜热变显热，再用低温液体发电工质来吸热，实现用低温的液体发电工质来冷凝乏汽；

所述汽轮机设备相对于传统汽轮机设备来说，设备体积小很多；传统汽轮机设备需通过不断的做功，将工质乏汽温度降低到工质的标准沸点以下，因此，导致汽轮机末级叶片和次末级叶片很长，并且造成汽轮机体积非常庞大，相对来说材料和制造成本也比较高；

所述汽轮机设备从工质的临界温度点就被“去掉”，被去掉的部分是工质密度和能量密度较低，并且是汽轮机设备体积庞大的部分，去掉汽轮机尾部及临界温度以下部分，不但没有了乏汽潜热的形成，并且将使汽轮机体积重量以及制造成本都得到很大降低。

所述汽轮机设备，为了达到相同的输出功率，需增加液体泵流量，液体泵流量增加所增加的耗电，相对于发电机输出来说是很小的付出获得巨大回报。所述汽轮机设备只利用进气温度到临界温度点以上的部分热能做功发电(放弃掉临界温度点之下的)。因超临界区域的能量密度是最高的，可实现最小的设备体积输出最大的有用功率。

所述低温工质汽轮机设备出气端连接乏汽回热器，所述乏汽回热器与低温液体泵输出的低温液体换热，令低温的液体发电工质来冷凝所述汽轮机设备输出的乏汽，并将乏汽还原成液体；

本方案中，当汽轮机设备出气端输出的乏汽温度为发电工质的临界温度，气相与液相差别消失，汽化热为零，采用低温液体泵输出的低温液体换热，实现乏汽冷凝成为低温液体，并且返回低温液体工质存储器中备用，形成闭环回路。

传统火力发电、生物质发电、余热发电系统，冷端设有损失能量的冷却系统，导致发电效率降低，本汽轮机设备及使用方法通过提高乏汽温度(达临界温度)，令汽化热为零，从而可以实现临界温度的乏汽对低温的液体发电工质进行换热和回热，采用该技术方法即能够实现温度达到临界温度的乏汽冷凝变成为低温液体，同时又省去了冷却塔系统，避免了能量的浪费，大大的提高了发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图；这是很容易做到的；

另外值得注意的是，所述低温液体泵，所述低温液体工质存储器，是指温度相对较低的液体，包括标准沸点低于0摄氏度的发电工质，同时也包括标准沸点高于0摄氏度的发电工质液体。

图1为一种传统常温汽轮机设备示意图，用作参考和对比使用；

图2为本实用新型实施例提供的一种没有乏汽潜热的常温汽轮机结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种没乏汽潜热的低温工质汽轮机，并且将汽轮机设备进气端轴承放置到缸体内的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供一种将汽轮机设备进气端轴承和出气端轴承及发电机放置到缸体内的低温工质汽轮机结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种没有乏汽潜热的汽轮机设备的使用方法和连接结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种具有低温工质降温装置的汽轮机设备的使用方法和连接结构示意图；

图标：1-汽轮机转轴；2-入口轴承座；3-入口轴承；4-输入端气封；5-汽轮机设备缸体；6-转子叶轮；7-汽轮机隔板；8-输出端气封； 9-出口轴承座；10-出口轴承；11-联轴器；12-发电机；

13-汽轮机进气端；14-汽轮机出气端；

15-进气端密封；16-出气端密封；18-出气端轴承润滑系统；19-进气端轴承润滑系统；20-进气端轴承多重绝热及密封系统；

21-低温液体工质存储器；22-低温液体泵；23-主换热器(如锅炉等)；

24-汽轮机设备；25-发电机；26-压缩机；27-节流降压装置；

100-乏汽回热器；101-乏汽回热器的低温管路；102-乏汽回热器的高温管路；200-热交换器；201-热交换器的低温管路；202-热交换器的高温管路；

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

图1为一种传统常温汽轮机设备示意图，用作参考和对比使用；汽轮机设备本体，包括：汽轮机转轴1；入口轴承座2；入口轴承3；输入端高压气封4；汽轮机设备缸体5；转子叶轮6；汽轮机隔板7；输出端气封8；出口轴承座9；出口轴承10；联轴器11；发电机12；

以上部件共同构成汽轮机设备的本体。所述汽轮机设备由汽轮机进气端13；上述汽轮机设备本体，汽轮机出气端14构成；

如图1所示，汽轮机进气端13输入(535℃以上)高温高压蒸汽，通过汽轮机本体24将高压蒸汽能量转变为高速旋转的机械能，驱动发电机25输出电能；所述进气端13输入的(535℃以上)高温高压蒸汽，进入所述传统汽轮机设备24以后进行做功，温度降低到图1 所标记的(374℃)的临界温度点后，传统汽轮机设备24仍继续做功和降低温度，直到蒸汽温度降低到水的沸点以下(因传统汽轮机末端为真空压力，真空度可达90％，低于沸点仍为蒸汽)，如图所示的 50℃后(电厂实际为30℃～45℃)，从汽轮机出气端14排出低品位的乏汽，通过凝汽器和冷却塔冷凝成为水，再通过水泵提升为高压输入锅炉，现在所有发电站几乎都是采用这种朗肯循环进行发电。

图2为本实用新型实施例提供的一种没有乏汽潜热的常温汽轮机结构示意图；图2与图1汽轮机进气端，汽轮机本体的前半部分和后面发电机部分与传统汽轮机相同，但汽轮机出气端乏汽明显不同；

图2中汽轮机进气端13仍然输入(535℃以上)高温高压蒸汽，通过汽轮机本体24将高温高压蒸汽能量转变为高速旋转的机械能，驱动发电机25输出电能；所述汽轮机进气端13输入(535℃以上) 高温高压蒸汽，进到所述汽轮机设备24以后不断的做功和降低温度，当温度降低到图2所标记的(374℃)临界温度点后，汽轮机设备直接排出(374℃)临界温度点的高温乏汽，临界温度点乏汽潜热为0，进入图5所示的乏汽回热器100，与低温液体泵22输出的冷水进行热交换，从而实现高温乏汽，冷凝成为液体的水；

如图5所示，汽回热器100由乏汽回热器的低温管路101和乏汽回热器的高温管路102构成，汽轮机设备排出的(374℃)高温乏汽，进入到乏汽回热器的高温管路102，与低温液体泵22输出到乏汽回热器的低温管路101中的冷水进行热交换；

导致的结果是：乏汽回热器的高温管路102的入口为(374℃) 高温乏汽，乏汽回热器的高温管路102的出口温度为低温液体泵22 输出的冷水温度(存在0.5℃以上的换热温差)；

乏汽回热器的低温管路101的入口为低温液体泵22输出的冷水，吸收高温乏汽的热能量后，乏汽回热器的低温管路101的出口为接近临界温度(374℃，存在0.5℃以上的换热温差)，乏汽回热器的低温管路101由于存在高压，温度又低于临界温度，因此多为液体状态。高温(374℃)的乏汽进入到乏汽回热器的高温管路102后，与低温液体泵22输出的冷水进行换热，温度很快降低到临界温度以下，由于汽轮机的排气压力作用，因此乏汽很快冷凝成为液体水。

因此，乏汽回热器100大部分是液体的换热，因为水的换热效率非常高，致乏汽回热器100的换热效率也非常高，因此换热温差可以低至0.5℃，具体的换热温差要取决于乏汽回热器100的换热面积，这涉及成本和换热器体积问题，在此不做具体界定。

如果为降低成本和缩小体积考虑，那么从乏汽回热器的高温管路 102输出到低温液体工质存储器21的温度就要高一点，需要增加一个冷却换热器降低一下水的温度，不然会导致低温液体工质存储器 21内的水温度会不断的进行温度叠加，达到沸点后就会形成水蒸发，由水蒸发和汽化潜热带走多余热能，需进行补水；因水温度升高不多，同时水的汽化潜热非常巨大，因此水的蒸发量也不大。

从乏汽回热器的低温管路101输出的近临界温度(374℃)的水，进入锅炉23加热到(535℃以上)高温高压蒸汽，进入所述汽轮机设备24继续做功并带动发电机输出电能。所述汽轮机设备的工况区或工作区域，始终不低于发电工质的临界温度。因此，所述汽轮机设备发电只用输入端(535℃以上)高温到(374℃)临界温度这段能量；

如需要达到与传统汽轮机设备一样的输出功率，有两个技术方案进行解决：一是所述汽轮机设备温度降到(374℃)临界温度点后，仍然拥有足够的压力，可以将该高压乏汽通过管道输入锅炉重新加热到(535℃以上)高温，然后再驱动第二汽轮机设备并带动发电机输出电能。如果第二汽轮机设备输出的乏汽压力仍然很高，还可以再输入锅炉重新加热到(535℃以上)高温，再驱动第三汽轮机设备并带动发电机输出电能，这样做输出的总功率会得到翻倍和明显提高。

将所述主换热器23改为太阳光热发电热交换装置及核电站锅炉即可，这种技术方案比较适合于太阳能光热发电和核电站(生物质、火力发电不太适合，因烟道能量损失较大)；采用这种技术方案，将没有了传统太阳能光热发电的冷却系统，及核电站的冷却塔等系统，不但提高电站效率经济利润，还能避免水蒸发和对环境的热污染。

如果就想采用一个汽轮机设备24也可以，只需要增加低温液体泵22的流量即可，通过增加流量提高发电输出功率。虽然增加流量会导致低温液体泵22电能消耗，但液体泵的电能消耗和巨大的汽轮机设备发电机输出的电能是没办法比的，汽轮机设备和发电机输出的电能要远覆盖掉低温液体泵22消耗的电能，计算一下就会明白。

另外，汽轮机设备在高温高压区域的能量密度非常高，高压状态工质密度也非常高，汽轮机设备叶片厚短，能承受住相对较大的能量密度，因此，这种没有乏汽潜热的汽轮机设备结构紧凑，体积比较小，但是驱动和扭矩力量大，因此具有体积小，输出动力强劲的优势。

图3为本实用新型实施例提供的一种没乏汽潜热的低温工质汽轮机，并将汽轮机设备进气端轴承放置到缸体内的结构示意图；

图3所示的低温工质汽轮机设备进气端入口轴承3及进气端轴承润滑系统19被放置到缸体内，利用汽轮机缸体5的高度密闭性结构，令所述低温工质汽轮机进气端的漏气降到接近于零；去掉汽轮机设备安装的复杂的，和存在大量漏气的输入端高压气封4，汽轮机进气端 13输入的气体压力非常高，输入端高压气封4再好都无法阻止气体泄漏，何况现在的输入端高压气封4的产品质量还不是很理想。去掉输入端高压气封4，可以缩减设备体积，降低汽轮机设备成本。用汽轮机外缸5的高度密闭性结构，可以有效避免成本昂贵的低温发电工质每时每刻的，从输入端高压气封4处泄漏掉。

汽轮机或膨胀机设备安装输入端高压气封4和输出端气封8需要非常的精密，高压气封与汽轮机转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，气封间隙过大就会导致蒸汽的大量泄漏。即使现在汽轮机和膨胀机设备的密封在不断革新改进，漏气问题仍然得不到彻底解决，尤其是小型汽轮机设备和膨胀机设备，转轴端气封漏气的问题非常严重。

汽轮机设备缸体5的密封性结构，要远超过汽轮机气封和膨胀机设备气封的密闭性能。但是传统汽轮机不放置在缸体内的原因是担心高温高压蒸汽进入轴承和润滑油系统，将会导致润滑油的高温乳化；同时还担心润滑油泄漏进入到蒸汽系统，从而导致蒸汽系统中存在润滑油的污染，因此，即使密封系统非常复杂，非常精密，成本昂贵，操作过程中与汽轮机的转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，间隙过大就会导致蒸汽的大量泄漏，这也是现有的密封技术所面临的最重要矛盾。只能够尽可能的做到极致，致使泄漏最小，但是在实践中，操作的技术人员担心气封与汽轮机的转轴过近会形成磨蹭甚至损坏，故没有按照气封设计要求进行精密的调节间隙，从而导致气体泄漏严重现象，低温发电工质成本要远超过水的成本，低温发电工质产生泄漏是件非常痛苦的事情，安装高压气封也会导致设备体积增加，成本增加。

汽轮机缸体5的高度密封性结构，要远远超过汽轮机设备的高压输入端高压气封4和输出端气封8，以及膨胀机设备的气封密闭性能，能够满足低温发电工质对密封性能的极其苛刻的需求，同时低温工质的温度也不会那么容易造成润滑油乳化。

本实用新型实施例还采用延长轴承与汽轮机进气口和出气口的距离，利用两者之间距离和在两者之间设置绝热材料和绝热结构，降低工质温度对轴承和润滑油产生影响；确保轴承和润滑系统的温度始终在正常范围。由于轴承和润滑都在汽轮机设备缸体5的内部，轴承润滑油的压力与汽轮机设备缸体5内部的压力差很小，安装多重润滑油密封可有效的避免润滑油泄漏出来。进一步地，还设置有润滑油量探头，润滑油及轴承温度探头，以及润滑油压力及缸体内部压力探头；

进一步地，所述润滑系统还设置有浸在润滑油中的换热管道及温度调节，进一步地，还包括有外部油管与缸体内润滑系统的连接装置，所述连接装置与缸体内的压力实现平衡后，对缸体内润滑系统进行补充或更换润滑油。

通过以上多重措施，在汽轮机设备的缸体内部，轴承和润滑油被密闭在一个单独空间里面，即使汽轮机中存在高温的水蒸汽，也不会对一个严格封闭的轴承和润滑油小空间系统产生多少的影响。两边的压力是完全平衡的，在汽轮机缸体没有出现破裂和严重泄漏情况下，高温高压蒸汽是不能够进入到轴承和润滑油这个封闭的系统中来的，并且设置了多重密封和多重绝热保护措施，即使汽轮机外缸体5的高度密闭结构被破坏，高温高压蒸汽也只能够大量对外发生气体泄漏，想进入多重密闭的和重重保护的轴承系统，应该说困难重重。只要在一定时间内保证汽轮机设备的轴承安全和温度可控，汽轮机设备就能够顺利的实现停机和检修，也就不会影响到汽轮机设备安全。

图3所述还提供一种低温工质汽轮机工艺，目的是为了更好的描述这种低温工质汽轮机的特性。所述低温液体工质存储器21储存的低温工质为标准沸点低至-180℃以下的液氮或者液体空气，通过低温液体泵22加高压到乏汽回热器的低温管路101，与低温工质汽轮机 24输出的乏汽(-146℃)临界温度换热，低温发电工质吸乏汽热，温度被提升到接近(-146℃，有0.5℃以上的换热温差)，并从乏汽回热器的低温管路101出口输出至主换热器23中加热；工质吸热气化形成高温高压气体驱动所述低温工质汽轮机24高速旋转做功；并带动发电机25高速旋转输出电能或带动机械设备输出机械能；

低温工质汽轮机24输出的乏汽，温度达发电工质临界温度(液氮临界温度-146℃)，汽化潜热为0，用低温液体泵22输出的温度低至-180℃以下的液氮冷却乏汽，令乏汽冷却成为低温的液体，再返回低温液体工质存储器21中备用，如此完成循环过程；

低温液体工质存储器21中储存的(-180℃以下的液氮)液体，再通过低温液体泵22加高压到所述乏汽回热器的低温管路101中，继续吸收低温工质汽轮机24输出的(-146℃临界温度)乏汽热能，低温发电工质的温度被提升到接近(-146℃)，从乏汽回热器的低温管路101输出至主换热器23中加热；继续吸热气化成高温高压气体，并驱动低温工质汽轮机24高速旋转做功和带动发电机25发电输出，如此不断的循环和不断的发电输出。

图4为本实用新型实施例提供一种将汽轮机设备进气端轴承和出气端轴承及发电机放置到缸体内的低温工质汽轮机结构示意图；

如图4所示，汽轮机出气端14，将出口轴承10和出气端轴承润滑系统18，以及发电机12也都隐藏到汽轮机设备缸体5内，目的是为了防止汽轮机出气端14发生低温工质泄漏现象；将出口轴承10 和出气端轴承润滑系统18，以及发电机12放到一个密闭的空间中再进行重重保护，使用的技术方法与图3汽轮机设备高压进气端相同，更加有利的条件是汽轮机出气端14的乏汽，温度和压力都相对较低，即使发电机12体积较大，由于乏汽压力小，因此汽轮机设备缸体5 的后部不需设计很厚，就能对后面轴承润滑和发电机进行很好保护，具体技术方法与图3相同，在此也就不再过多的重复赘述。

采用上述的技术方法，用汽轮机设备缸体5的高度密闭性结构，能够很好的解决气封泄漏难题，尤其成本相对昂贵的低温发电工质。汽轮机设备和膨胀机设备的密封是个很头疼的事情，采用上述技术方案能够有效的解决难题，并且还能够降低设备体积和制造成本。

图5为本实用新型实施例提供的一种没有乏汽潜热的汽轮机设备的使用方法和连接结构示意图；

为更好的进行说明，叙述以水作为发电工质；

所述低温液体工质存储器21储存的发电工质为水，通过低温液体泵22加高压到乏汽回热器的低温管路101中，与汽轮机设备24 输出的乏汽，温度高达(374℃，潜热为0)临界温度的乏汽换热，乏汽回热器的低温管路101中的水，吸乏汽热能，温度被提升到接近临界温度(373℃，有0.5℃以上换热温差)，从乏汽回热器的低温管路101输出至主换热器23(如锅炉设备)中加热(达500℃以上)，水吸热气化成高温高压，输入并驱动汽轮机设备24高速旋转做功；带动发电机25高速旋转输出电能或者带动机械设备输出机械能。

汽轮机设备24输出的乏汽，温度达到水的临界温度(374℃，潜热为0)，用低温液体泵22输出的低温水，冷却高温乏汽成为水。

如图5所示，汽回热器100由乏汽回热器的低温管路101和乏汽回热器的高温管路102构成，汽轮机设备24排出的(374℃)高温乏汽，进入到乏汽回热器的高温管路102，与低温液体泵22输出到乏汽回热器的低温管路101中的冷水进行热交换；

导致的结果是：乏汽回热器的高温管路102的入口为(374℃) 高温乏汽，乏汽回热器的高温管路102的出口温度，为低温液体泵 22输出的冷水温度(存在0.5℃以上的换热温差)；

乏汽回热器的低温管路101的入口为低温液体泵22输出的冷水，吸收高温乏汽的热能量后，乏汽回热器的低温管路101的出口为接近临界温度(374℃，存在0.5℃以上的换热温差)，乏汽回热器的低温管路101由于存在高压，温度又低于临界温度，因此多为液体状态。高温(374℃)的乏汽进入到乏汽回热器的高温管路102后，与低温液体泵22输出的冷水进行换热，温度很快降低到临界温度以下，由于汽轮机的排气压力作用，因此也很快冷凝成为液体。

从乏汽回热器的低温管路101输出的近临界温度(374℃)的水，进入锅炉加热到(500℃以上)高温高压蒸汽，进入汽轮机设备24 继续做功并带动发电机输出电能。如此不断循环和不断的发电输出，汽轮机设备24的工况区或者工作区域，始终不低于水的临界温度 (374℃以上)。因此，汽轮机设备发电只利用输入端(500℃以上) 高温到(374℃)临界温度这段能量。

图6为本实用新型实施例提供的一种具有低温工质降温装置的汽轮机设备的使用方法和连接结构示意图；

图6中所示的低温工质降温装置包括依次连接的压缩机26，热交换器200和节流降压装置27，

低温液体工质存储器21中蒸发的低温工质气体，被压缩机26 压缩成为高温高压，通过热交换器200将高温热能量置换到乏汽回热器的低温管路101输出的低温发电工质中，或者与乏汽回热器100 的高温端换热，将压缩机26产生的高温热能量置换到低温发电工质中用于发电。将压缩机26产生的高温热能量置换到乏汽回热器的低温管路101输出的低温发电工质中或与乏汽回热器100高温端换热，目的是提高效率。如果置换到乏汽回热器100低温端，就相当于自己跟自己换热，达不到降低工质温度和起到工质降温装置作用。

所述节流降压装置27包括具有节流降压功能的节流阀、截止阀、膨胀阀，其原理与制冷空调的节流阀和膨胀阀的膨胀制冷原理相同，这里就不再过多赘述；所述节流降压装置27优选膨胀机设备。在膨胀机设备27入口为压缩机26产生的高压，膨胀机27的出口为低压，完全能够实现压差发电，并且回收压缩机26产生的压力能，属于一种压缩机节能的技术方案。同时膨胀机设备27做功后，由于有能量输出，其结果是膨胀机设备27输出的工质温度更加的低。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。