工业流体高余压回收水力透平发电装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及工业流体高余压回收水力透平发电装置，有效解决余压利用水力透平的级数多、尺寸大、难于与发电机直联的问题，其结构是，多级水力透平上部的进口段经第一阀门与高压液体管道连接，多级水力透平通过主轴与三相同步交流发电机直接相连，多级水力透平下部的出口尾水管与第二阀门相连通，第二阀门与低压液体管道相连通，高压液体管道的高压端A与低压液体管道的低压侧B之间装有减压管道机构，控制器分别与第一阀门、第二阀门、减压管道机构的第三阀门、第四阀门相连，构成阀门控制结构，本发明结构简单，新颖独特，适用于脱碳、脱硫等工艺环节的高余压流体条件，单级利用水力比能高、相对级数少，具有超低比转速性能、可与发电机直联。
【专利说明】工业流体高余压回收水力透平发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业流体高余压回收发电领域，特别是包括多级超低比转速水力透平、发电机和工业流体减压安全保证机构的一种工业流体高余压回收水力透平发电装置。
【背景技术】
[0002]在石油、化工生产的脱碳、脱硫工艺过程中，需要通过减压阀把高压流体变为低压流体，在减压过程中，损失掉了大量的工业余压，造成无谓的浪费。化工脱碳、脱硫工艺的余压的特点是高余压，其范围在100-1500m水头之间，一套化工生产线的余压能量可达数百kff至数千kW。在提倡节能、低碳和环保的时代，回收工业余压是减少产品能耗和碳排放、增加企业效益的有效之举。目前，应用于气体余热余压的回收利用技术与专利已较多，但在液态流体高余压回收方面还很匮乏。
[0003]目前已有的流体余压回收技术主要是采用反转水泵作为水力透平，或基于泵设计原理开发的余压回收水力透平，这些技术主要存在两个问题，其一是，以反转泵作为透平运行，效率低下，稳定性差；其二是，基于泵的设计原理开发的水力透平，在性能上与工业高余压利用的技术条件不符合，造成水力透平尺寸大、级数多，或者其转速过高，与发电机不匹配，需要采用减速机与发电机联结，安装使用不方便，因此，发电装置上的改进和创新势在必行。
【发明内容】
[0004]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种工业流体高余压回收水力透平发电装置，可有效解决余压利用水力透平的级数多、尺寸大、难于与发电机直联的问题。
[0005]本发明解决的技术方案是，以超低比转速的多级水力透平、高压液体管道、阀门、三相同步交流发电机和控制器构成，多级水力透平上部的进口段经第一阀门与高压液体管道连接，多级水力透平通过主轴与三相同步交流发电机直接相连，多级水力透平下部的出口尾水管与第二阀门相连通，第二阀门与低压液体管道相连通，高压液体管道的高压端A与低压液体管道的低压侧B之间装有减压管道机构，控制器分别与第一阀门、第二阀门、减压管道机构的第三阀门、第四阀门相连，构成阀门控制结构。
[0006]本发明结构简单,新颖独特,适用于脱碳、脱硫等工艺环节的高余压流体条件,单级利用水力比能高、相对级数少，具有超低比转速性能、可与发电机直联，安装使用方便，是发电设备上的创新。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明的剖面主视图。
【具体实施方式】[0008]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0009]由图1所示，本发明以超低比转速的多级水力透平、高压液体管道、阀门、三相同步交流发电机和控制器构成，多级水力透平5上部的进口段3经第一阀门2与高压液体管道I连接，多级水力透平5通过主轴6与三相同步交流发电机4相连，高压液体流经多级水力透平5产生旋转机械能，多级水力透平5按超低比转速设计，以直联方式拖动三相同步交流发电机4发出三相交流电，多级水力透平5下部的出口尾水管7与第二阀门8相连通，第二阀门8与低压液体管道9相连通，经过多级水力透平5做功后的低压液体通过水力透平的出口尾水管7，再经过多级水力透平出口的第二阀门8进入与第二阀门8相连通的低压液体管道9内，高压液体管道I的高压端A与低压液体管道9的低压侧B之间装有减压管道机构，控制器13分别与第一阀门2、第二阀门8、减压管道机构的第三阀门14、第四阀门11相连，构成阀门控制结构，当多级水力透平构成的发电机构因故跳闸突然关闭时，阀门联调的控制器13在逐渐打开减压管路低压侧的第四阀门11和高压侧的第三阀门14的同时，逐渐关闭第一阀门2和第二阀门8，液体经减压阀12减压后流到低压管道去，既保证了脱硫或脱碳液体的不中断，又保证了多级水力透平的安全控制，不受用于发电的多级水力透平停机的影响。
[0010]为了保证使用效果，所述的多级水力透平5是由多个按超低比转速设计的单级水力透平依次串联构成多级水力透平组合结构，每级超低水力透平均是由机壳、转轮和导叶构成，转轮5-3装在主轴6上，机壳5-2的进水口处内装有导叶5-1，转轮与导叶装在机壳5-2内的中心；所述的减压管道机构是由第三阀门14、减压阀12、第四阀门11依次串联在一起，第三阀门14的进水口与高压液体管道I的高压端A相连，第四阀门11的出水口与低压液体管道9的低压侧B相连构成；所述的第一阀门2、第二阀门8、第三阀门14、第四阀门11均为结构相同的电动阀门。
[0011]所述的高压液体管道I上装有高压管道的压力表15，用于监视高压液体管道的压力，低压液体管道9上装有低压管道的压力表10，用于监视低压液体管道的压力，并为阀门联动的控制器提供信号。
[0012]所述的水力透平每个单级转轮的超低比转速为50-70m.kW。
[0013]所述的控制器13为市售的单片机控制器(CPU)，型号为80C51或MSP430。
[0014]由上述可以看出，本发明为多级水力透平按照超低比转速混流式水轮机(如申请号为200910064891.6的冷却塔风机驱动专用超低比转速混流式水轮机转轮)的方式设计，使单级转轮具备100-200m可利用水头的能力，同时，其转速在1500-3000r/min之间，可以与三相同步发电机直联。
[0015]为保障工业流体减压系统的安全，本发明在原脱碳(或脱硫)减压管路的基础上增设一个余压发电旁通管路，在旁通管路上装置多级液力透平发电机组。在发电管路与原减压管路上各安装一套电动阀门，并在两套管路间装一个阀门联调的控制器，以保障脱碳(或脱硫)减压系统在任何情况下都能正常工作。其工作原理是，在发电状态时，阀门联调的控制器把高余压的脱碳(或脱硫)液切换到发电旁通管路，驱动多级水力透平发电机组发电，并由水力透平实现减压；在发电装置因故停机时，阀门联调控制器自动关闭发电管路的阀门，把脱碳(或脱硫)液切换到原减压阀管路，用减压阀实现减压。
[0016]在系统发电状态时，水力透平进口段3经进口阀门2与高压液体管道I连接，高压液体流经多级水力透平5产生旋转机械能。多级水力透平5按超低比转速设计，与三相同步交流发电机4的转速相匹配，多级水力透平5通过主轴6直接驱动同步发电机4发出三相交流电。经过多级水力透平5做功后的低压液体通过水力透平尾水管7，再经过多级水力透平的出口阀门8连接到低压液体管道上。
[0017]本发明经实际使用，效果非常好，见如下试验1、2:
试验1:
工业流体高余压发电装置针对某化工厂脱碳减压系统，脱碳液为醋酸丙烯酯，系统为发电装置提供的余压为2.8MPa，提供的流量为880 m3/h (0.244m3/s)。采用2级水力透平对余压进行回收利用，单级水力透平的比转速为65m.kW，单级转轮利用的余压为1.4MPa。水力透平的转轮标称直径D1为0.32m，额定转速为1500r/min。多级水力透平的总出力为570KW，直联驱动出力为490kW三相同步交流发电机组进行发电。发电装置安装时，高压脱碳液通过直径为400mm的管路与发电装置的进口连接，发电后的液体经出口用直径400mm的出水管再回到原减压管路中。发电机组的出口电压为三相交流400V，直接并入化工厂的400V系统中。机组退出系统时，阀门联调控制器在关闭发电装置进口阀门的同时，打开减压管路阀门，使减压系统正常工作，不受机组停机的影响。
[0018]试验2:
工业流体高余压发电装置针对某化工厂脱硫系统。系统为发电装置提供的余压为12.0MPa,提供的流量为360mVh (0.lm3/s)，采用6级水力透平对余压进行回收利用。单级水力透平的比转速为50m.kW，利用的余压为2.0MPa0水力透平的转轮标称直径D1为0.22m,额定转速为3000r/min。多级水力透平的总出力为900KW，直联驱动出力为765kW三相同步交流发电机组进行发电。发电装置安装时，高压液体通过直径为200mm的管道与发电装置的进水口连接，发电后的液体经出口用直径200_的出水管再回到原减压管路中。发电机组的出口电压为三相交流400V，直接并入化工厂的400V系统中。机组退出系统时，阀门联调控制器在关闭发电装置进口阀门的同时，打开减压管道阀门，使减压系统正常工作，不受机组停机的影响。
[0019]本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果:
1、本发明的关键是多级水力透平按照超低比转速设计，使单级水力透平具有较高的流体比能，单级转轮的比转速在5(T70m.kW之间，可利用10(T200m水头。多级水力透平可以在较少级数的情况下实现对高余压的回收利用，同时，其转速保持在150(T3000r/minz之间，与常用的三相交流同步发电机的转速相匹配，可以实现与发电机的无减速机直联，提高了装置效率及可靠性。
[0020]2、本发明的工业流体余压发电装置具有阀门联调控制器，具有脱碳(或脱硫)系统安全保证功能。脱硫(或脱碳)是化工生产的重要环节，决不能随意中断。本余压发电设置了安全保障控制机构，确保在发电机组突然关闭时，在关闭发电机组进水阀的同时，打开原减压管路阀门，减压系统正常畅通，不受机组停机的影响。
[0021]本发明的有益效果是可广泛应用于各类流体高余压的场合，回收无谓丢弃的能量，为企业增加效益，有良好的经济和社会效益。
【权利要求】
1.一种工业流体高余压回收水力透平发电装置，以超低比转速的多级水力透平、高压液体管道、阀门、三相同步交流发电机和控制器构成，其特征在于，多级水力透平(5)上部的进口段(3)经第一阀门(2)与高压液体管道(I)连接，多级水力透平(5)通过主轴(6)与三相同步交流发电机(4)相连，高压液体流经多级水力透平(5)产生旋转机械能，多级水力透平(5)按超低比转速设计，与三相同步交流发电机(4)的转速相匹配，发出三相交流电，多级水力透平(5)下部的出口尾水管(7)与第二阀门(8)相连通，第二阀门(8)与低压液体管道(9)相连通，经过多级水力透平(5)做功后的低压液体通过水力透平的出口尾水管(7)，再经过多级水力透平出口的第二阀门(8)进入与第二阀门(8)相连通的低压液体管道(9)内，高压液体管道(I)的高压端(A)与低压液体管道(9)的低压侧(B)之间装有减压管道机构，控制器(13)分别与第一阀门(2)、第二阀门(8)、减压管道机构的第三阀门(14)、第四阀门(11)相连，构成阀门控制结构，当多级水力透平构成的发电机构因故跳闸突然关闭时，阀门联调的控制器(13)在逐渐打开减压管路低压侧的第四阀门(11)和高压侧的第三阀门(14)的同时，逐渐关闭第一阀门(2)和第二阀门(8)，液体经减压阀(12)减压后流到低压管道去，既保证了脱硫或脱碳液体的不中断，又保证了多级水力透平的安全控制，不受用于发电的多级水力透平停机的影响。
2.根据权利要求1所述的工业流体高余压回收水力透平发电装置，其特征在于，所述的多级水力透平(5)是由多个按超低比转速设计的单级水力透平依次串联构成多级水力透平组合结构，每个超低比转速设计的水力透平是由机壳、转轮和导叶构成，多级转轮(5-3)均装在主轴(6 )上，机壳(5-2 )的进水口处内装有导叶(5-1)，转轮与导叶装在机壳(5-2 )内的中心。
3.根据权利要求1所述的工业流体高余压回收水力透平发电装置，其特征在于，所述的减压管道机构是由第三阀门(14)、减压阀(12)、第四阀门(11)依次串联在一起，第三阀门(14)的进水口与高压液体管道(I)的高压端(A)相连，第四阀门(11)的出水口与低压液体管道(9)的低压侧(B)相连构成。
4.根据权利要求1所述的工业流体高余压回收水力透平发电装置，其特征在于，所述的第一阀门(2)、第二阀门(8)、第三阀门(14)、第四阀门(11)均为结构相同的电动阀门。
5.根据权利要求1所述的工业流体高余压回收水力透平发电装置，其特征在于，所述的高压液体管道(I)上装有高压管道的压力表(15)，用于监视高压液体管道的压力，低压液体管道(9)上装有低压管道的压力表(10)，用于监视低压液体管道的压力，并为阀门联动的控制器提供信号。
6.根据权利要求1所述的工业流体高余压回收水力透平发电装置，其特征在于，所述的水力透平每个单级转轮的超低比转速为50-70m.kW。
【文档编号】F03B15/02GK103452734SQ201310411617
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】陈德新, 庞辉春, 戴健, 李延频 申请人:河南新飞纪元科技有限公司