一种两级透平磁悬浮ORC发电系统的制作方法

一种两级透平磁悬浮orc发电系统
技术领域
1.本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种两级透平磁悬浮orc发电系统。


背景技术：

2.为了应对气候变化，节能减排已成为全球共识。节能减排在创造社会效益的同时，更重要的是可以为企业降低运营成本，创造可观的经济效益，提高企业的绿色竞争力。随着节能工作的不断深入，低温余热资源的利用日益成为节能工作的一个热点和难点。有机朗肯循环(orc)发电技术是一种使用有机工质(如r245fa、r134a等)的朗肯循环发电技术，系统主要部件包括：蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵。低温热源(80-300℃)在蒸发器中通过换热将液态有机工质加热，液态工质蒸发为气态，利用有机工质低沸点特性，可在较低的蒸发温度下，获得较高的蒸发压力，推动膨胀机做功，进而驱动发电机发电，将低品位热能转换为高品位电能，气态工质做功后压力降低，进入冷凝器，通过外部冷源将其冷凝为液态有机工质，再通过工质泵输送到蒸发器中，完成整个循环。
3.常规的中小型(单机组装机发电量《1mw)orc发电系统的膨胀机大部分为单级螺杆膨胀机或单级向心叶轮膨胀机，由于设计压比的限制，单级膨胀往往不能使气态有机工质充分膨胀，导致膨胀机利用的焓差较低，发电效率低。通过增加膨胀机的级数可以提高膨胀机的整体压比，使气态工质充分膨胀，获取较高焓差，提升orc系统发电效率。
4.常规orc发电技术中的膨胀机，多使用油润滑轴承，需要通过复杂的润滑油系统为轴承提供润滑和降温，并且系统中润滑油与工质混合，分离困难。同时润滑油进入换热器也会降低换热器的换热性能。
5.所以有必要发明一种能量利用率高、系统精简且成本适中的两级透平磁悬浮orc发电系统。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能量利用率高、系统精简且成本适中的两级透平磁悬浮orc发电系统。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明的一种两级透平磁悬浮orc发电系统，包括蒸发器、发电机、冷凝器和工质泵；所述工质泵连通设置在所述蒸发器进口端和所述冷凝器出口端之间；所述发电机的两侧分别设置有高压级透平和低压级透平；所述高压级透平、所述低压级透平连通设置在所述蒸发器出口端和所述冷凝器进口端之间。
8.进一步地，所述高压级透平、所述低压级透平与所述发电机之间均采用磁悬浮轴承传动连接。
9.进一步地，所述发电机采用永磁同步发电机；所述发电机的转子与所述高压级透平的叶轮同轴连接连接；所述发电机的转子与所述低压级透平的叶轮同轴连接。
10.进一步地，所述发电机与两侧的磁悬浮轴承采用闭式外壳包围。
11.进一步地，所述高压级透平和所述低压级透平串联设置；来自所述蒸发器的气态
工质顺次通过所述高压级透平、所述低压级透平后进入冷凝器中。
12.进一步地，所述蒸发器与所述高压级透平之间的工质输送管路上设置有第一控制阀；所述第一控制阀通过旁通管路将所述蒸发器的出口端与所述冷凝器的进口端之间连通。
13.进一步地，所述第一控制阀为一进两出的三通阀结构。
14.进一步地，所述第一控制阀包括第一功能阀和第二功能阀；所述第一功能阀对应设置在所述蒸发器出口端直接流向所述冷凝器进口端的管路上；所述第二功能阀对应设置在所述蒸发器出口端流向所述高压级透平的管路上。
15.进一步地，还包括换热器；所述换热器的冷源管路与所述冷凝器的冷源管路并联设置；所述换热器的进口端与所述工质泵出口端、所述蒸发器进口端之间的管路连通连接；所述换热器的出口端通过工质输送管流经所述发电机后与所述冷凝器的进口端连通连接。
16.进一步地，所述换热器的进口端管路上设置有第二控制阀；所述换热器的出口端管路上设置有第三控制阀。
17.有益效果：(1)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，透平采用磁悬浮轴承，无润滑油系统，orc系统结构简单，透平采用磁悬浮轴承，摩擦损失更低，发电效率高；
18.(2)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，两级透平对称布置于发电机两侧，结构受力平衡，振动小噪音低；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；
19.(3)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，在蒸发器、透平和冷凝器连接管路上设置三通控制阀或者透平阀门和旁通阀门的组合，通过切换透平/旁通模式，实现对透平的保护；
20.(4)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，发电机采用高速永磁同步发电机，发电机转子与膨胀机叶轮同轴设计，无需减速齿轮，膨胀机尺寸更小，效率更高；
21.(5)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，透平、发电机和磁悬浮轴承采用闭式外壳，不用联轴器和机械密封，减少工质的泄露；将高压低温液态工质输送到发电机腔体，用来冷却发电机；
22.(6)本发明的两级透平磁悬浮orc发电系统，通过换热器冷却管路可以强化发对发电机的冷却效果，使发电机温度控制在合理范围。
附图说明
23.图1为高压级透平、低压级透平串联设置示意图；
24.图2为高压级透平、低压级透平并联设置示意图；
25.图3为透平串联状态下第一功能阀、第二功能阀安装示意图；
26.图4为透平并联状态下第一功能阀、第二功能阀安装示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
28.一种两级透平磁悬浮orc发电系统，如图1-4所示，包括蒸发器1、发电机5、冷凝器6和工质泵7；所述工质泵7连通设置在所述蒸发器1进口端和所述冷凝器6出口端之间；所述
发电机5的两侧分别设置有高压级透平3和低压级透平4；所述高压级透平3、所述低压级透平4连通设置在所述蒸发器1出口端和所述冷凝器6进口端之间。
29.蒸发器1上设置有热源，用于把工质转化为气态便于驱动透平，而冷凝器上则设置有冷源，用于把驱动完透平的气态工质重新转化为液态，进而利用工质泵7将液态工质重新输送回蒸发器1，从而完成一个循环过程；将高压级透平3和低压级透平4设置于发电机5的两侧，其作用在于，可以令结构受力平衡，振动小噪音低，改善工作环境。
30.所述高压级透平3、所述低压级透平4与所述发电机5之间均采用磁悬浮轴承11传动连接。
31.磁悬浮轴承11的优势在于不需要润滑油，极大简化了维修维护工作，且摩擦损失更低，发电效率高。
32.所述发电机5采用永磁同步发电机；所述发电机5的转子与所述高压级透平3的叶轮同轴连接连接；所述发电机5的转子与所述低压级透平4的叶轮同轴连接。
33.同轴设计使得转子和叶轮结构之间无需减速齿轮，有利于设备整体的轻量化和小型化工作，效率更高。
34.所述发电机5与两侧的磁悬浮轴承11采用闭式外壳包围。
35.发电机5不用联轴器和机械密封，减少工质的泄露，其使用安全性显著提高。
36.所述高压级透平3和所述低压级透平4串联设置；来自所述蒸发器1的气态工质顺次通过所述高压级透平3、所述低压级透平4后进入冷凝器6中。
37.在实际安装中，高压级透平3和低压级透平4之间有两种布置方式，即串联和并联；串联的优势在于：可以对气态工质进行两级充分利用，有利于控制整体能耗，其工作方式更加经济；而并联的优势则在于：可以让两级透平都达到较高的功率，有利于整体发电能力的提升；在实际场地安装中，可以根据实际的生产需求来进行合理选择。
38.所述蒸发器1与所述高压级透平3之间的工质输送管路上设置有第一控制阀2；所述第一控制阀2通过旁通管路将所述蒸发器1的出口端与所述冷凝器6的进口端之间连通。
39.旁路管路的作用在于，可以在工质输送调试阶段将透平设备隔开，避免调试阶段供应不稳对透平的损害，提升安全性。
40.所述第一控制阀2为一进两出的三通阀结构。
41.利用三通阀结构，就可以灵活切换工质输送管路和旁通管路，显著提升调试效率。
42.所述第一控制阀2包括第一功能阀21和第二功能阀22；所述第一功能阀21对应设置在所述蒸发器1出口端直接流向所述冷凝器6进口端的管路上；所述第二功能阀22对应设置在所述蒸发器1出口端流向所述高压级透平3的管路上。
43.第一功能阀21、第二功能阀22的作用和三通阀相同，区别在于将蒸发器1管路下游的两路流向分别用专门的阀门控制，可以让操作更加清晰明确为，便于安全性监控。
44.还包括换热器9；所述换热器9的冷源管路与所述冷凝器6的冷源管路并联设置；所述换热器9的进口端与所述工质泵7出口端、所述蒸发器1进口端之间的管路连通连接；所述换热器9的出口端通过工质输送管流经所述发电机5后与所述冷凝器6的进口端连通连接。
45.将高压低温液态工质输送到发电机腔体，用来冷却发电机；通过换热器9的冷却管路可以强化发对发电机的冷却效果，使发电机温度控制在合理范围，其中换热器9可以采用板式换热器或者套管式换热器。
46.所述换热器9的进口端管路上设置有第二控制阀8；所述换热器9的出口端管路上设置有第三控制阀10。
47.通过换热器9上下游的阀门来对发动机冷却通路进行精确的控制，可以在对发动机进行工质输送前进行调试，增强使用稳定性。
48.下面以几个具体的实施例来来进一步说明。
49.实施案例1：
50.如图1所示，中低温热源通过蒸发器1将热量传递至系统内的有机工质，有机工质吸热蒸发，依次进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。
51.一种两级透平磁悬浮orc发电系统在启动操作流程：操作第一控制阀2，使系统处于旁通模式，即有机工质蒸汽不经过高压级透平3和低压级透平4；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，气态有机工质通过有机工质管路进入冷凝器6，在冷凝器6中经外部冷源冷却后，形成液态工质；通过工质泵7的增压，有机工质输送到蒸发器1内，完成循环。
52.当系统内透平的压差足以推动发电机正常运行时，操作三通控制阀，使系统处于透平模式，即有机工质经过高压级透平3和低压级透平4，有机工质先进入高压级透平3，膨胀做功后从高压级透平3出口进入低压级透平4，继续膨胀做功；有机工质依次进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。做功后的乏气进入冷凝器6冷凝为液态工质，通过工质泵7增压进入蒸发器1，完成整个循环。
53.一种两级透平磁悬浮orc发电系统的停机操作流程：操作第一控制阀2，使系统处于旁通模式，即有机工质蒸汽不经过高压级透平3和低压级透平4；气态有机工质通过第一控制阀2进入冷凝器6。并逐步减少进入蒸发器的热量，直至蒸发器1内的工质不再与热源进行换热，然后依次关闭工质泵7和冷凝器6的冷源。
54.当发电机5需要冷却时，打开第三控制阀10，工质泵7后的高压低温液态有机工质便能够进入发电机5，对其进行冷却和润滑。当发电机5温度持续升高时，在上述基础上，打开第二控制阀8，促使冷源经过换热器9进一步降低有机工质的温度，从而控制发电机5的温度维持在合理范围内。
55.实施案例2：
56.如图2所示，中低温热源通过蒸发器1将热量传递至系统内的有机工质，有机工质吸热蒸发，分别同时进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。
57.一种两级透平磁悬浮orc发电系统在启停操作流程和发电机的冷却方式均与实施案例1相同，此处不在赘述。
58.当系统内透平的压差足以推动发电机正常运行时，操作三通阀结构的第一控制阀2，使系统处于透平模式，即有机工质经过高压级透平3和低压级透平4，有机工质同时进入高压级透平3和低压级透平4，经过膨胀做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。做功后的乏气通过高压级透平3和低压级透平4出口汇聚成一路后，进入冷凝器6冷凝为液态工质，通过工质泵7增压进入蒸发器1，完成整个循环。
59.实施案例3：
60.如图3所示，中低温热源通过蒸发器1将热量传递至系统内的有机工质，有机工质
吸热蒸发，依次进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。
61.一种两级透平磁悬浮orc发电系统在启动操作流程：打开第一功能阀21，关闭第二功能阀22，使系统处于旁通模式，即有机工质蒸汽不经过高压级透平3和低压级透平4；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，气态有机工质通过有机工质管路进入冷凝器6，在冷凝器6中经外部冷源冷却后，形成液态工质；通过工质泵7的增压，有机工质输送到蒸发器1内，完成循环。
62.当系统内透平的压差足以推动发电机正常运行时，关闭第一功能阀21，打开第二功能阀22，使系统处于透平模式，即有机工质经过高压级透平3和低压级透平4，有机工质先进入高压级透平3，膨胀做功后从高压级透平3出口进入低压级透平4，继续膨胀做功；有机工质依次进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。做功后的乏气进入冷凝器6冷凝为液态工质，通过工质泵7增压进入蒸发器1，完成整个循环。
63.一种两级透平磁悬浮orc发电系统的停机操作流程：打开第一功能阀21，关闭第二功能阀22，使系统处于旁通模式，即有机工质蒸汽不经过高压级透平3和低压级透平4；气态有机工质通过第一控制阀2进入冷凝器6。并逐步减少进入蒸发器的热量，直至蒸发器1内的工质不再与热源进行换热，然后依次关闭工质泵7和冷凝器6的冷源。
64.当发电机5需要冷却时，打开第三控制阀10，工质泵7后的高压低温液态有机工质便能够进入发电机5，对其进行冷却和润滑。当发电机5温度持续升高时，在上述基础上，打开第二控制阀8，促使冷源经过换热器9进一步降低有机工质的温度，从而控制发电机5的温度维持在合理范围内。
65.实施案例4：
66.如图4所示，中低温热源通过蒸发器1将热量传递至系统内的有机工质，有机工质吸热蒸发，分别同时进入高压级透平3和低压级透平4内做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。
67.一种两级透平磁悬浮orc发电系统在启停操作流程和发电机的冷却方式均与实施案例3相同，此处不在赘述。
68.当系统内透平的压差足以推动发电机正常运行时，关闭第一功能阀21，打开第二功能阀22，使系统处于透平模式，即有机工质经过高压级透平3和低压级透平4，有机工质同时进入高压级透平3和低压级透平4，经过膨胀做功，推动透平旋转，带动发电机5发电。做功后的乏气通过高压级透平3和低压级透平4出口汇聚成一路后，进入冷凝器6冷凝为液态工质，通过工质泵7增压进入蒸发器1，完成整个循环。
69.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。