一种基于高效径向透平的分布式余压发电系统的制作方法

本实用新型属于分布式余压发电技术领域，主要在能量参数不匹配的余压利用方面应用。

背景技术：

能源作为人类社会发展的原动力和物质基础的保障，是社会发展和技术进步不可或缺的基本条件，是人类生存和发展的重要物质基础。目前，在全世界范围内，对于能源的依赖有目共睹，并日益加剧。我国能源生产量和消费量均已居世界前列，但在能源利用方式上尚存一系列突出问题：能源结构不合理、能源利用率不高、可再生能源开发利用比例低。要求我们着力提高能源开发、转化和利用的效率，推动能源生产和利用方式的变革，加速我国低碳环保，资源节约型社会的建立。近年来，积极循环再利用二次能源已经成为降低能耗、节约能源、降低成本的有效措施。对余压余热的回收利用，则是其中行之有效的重要手段之一。

余压发电技术主要利用天然气或水蒸气在降压降温过程中的压差能量及热能驱动透平膨胀机做功，将其转化为机械能，并由其驱动发电机发电从而实现能量的转换并输出电能。该技术不仅能够做到节能、提高资源利用率，而且对环境不造成任何形式的污染。目前，国内对余压发电的应用较多的领域是在冶金业里的高炉煤气中，通过高炉煤气发电装置（trt）将冶炼炉中所产生的高温气体携带的能量进行回收利用。

在目前技术条件下的工业级生产当中，常常面对供用双方参数不匹配的情况，此前常见的解决方法是通过减温减压阀，将供方的参数降低至用户端所需的参数，如申请号为201110454265.5的中国专利。虽然使用减温减压阀可以解决供用双方参数不匹配的问题，但是却使得所供蒸汽的㶲下降，白白浪费了蒸汽做功能力，而从能源利用角度看这种现象造成了可避免的不必要的浪费。

技术实现要素：

针对使用减温减压阀带来的蒸汽品质下降的问题，本实用新型提出了高效无油运行径向透平发电系统，回收损失的能量发电可供给用户使用，以提高系统运行的经济性。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于高效径向透平的分布式余压发电系统，包括高蒸汽压力用户侧和低蒸汽压力用户侧，其特征在于，所述高蒸汽压力用户侧连接有蒸汽管道，且在蒸汽管道上安装有一号电动压力调节阀、疏水阀和流量计；所述蒸汽管道经主路管道与透平膨胀机的进气口连接，且在主路管道上安装有一号电动截止阀和电动流量调节阀，所述透平膨胀机的出气口与低蒸汽压力用户侧连接，在透平膨胀机的出口管路上安装有二号电动压力调节阀和背压阀；所述蒸汽管道经急停旁路管道连接至低蒸汽压力用户侧，且在急停旁路管道上安装有二号电动截止阀；所述透平膨胀机、发电机、变频器依次连接。

进一步而言，所述发电机为永磁发电机。

进一步而言，所述透平膨胀机的出口管路与急停旁路管道汇合并连接至低蒸汽压力用户侧，且在透平膨胀机的出口管路上安装有止回阀，用于防止急停旁路管道内蒸汽倒流入透平膨胀机的出口。

工作原理：当气体具有一定的压力和温度时，就具有由压力而体现的势能和由温度所体现的动能，这两种能量总称为内能。透平膨胀机主要的作用是利用气体在其内部进行绝热膨胀而消耗气体本身的内能，从而实现对外做功。

工作方法如下：当蒸汽进入透平膨胀机后，蒸汽由进气管路进入蜗壳，经喷嘴环叶片通道进入叶轮处，蒸汽膨胀做功使叶轮旋转从而输出机械功，带动转子旋转而切割磁感线产生电能，然后乏汽经扩压室排出。实用新型采用径向透平可以减小高温气流对透平机本体的冲击，适应较大蒸汽流量，提高系统的发电量；采用静压气浮轴承，轴承摩擦系数小，转速可高于30000rpm，远高于一般的透平设备；采用高速大功率永磁发电机，取消齿轮箱设计，无需润滑油，辅以变频技术可灵活满足用户电力需求。

此余压发电系统的主体部分采用一个大的撬装进行封装，撬装内包括主路管道、急停旁路管道和透平膨胀机的出口管路。在主路管道上，当透平膨胀机正常工作时，一号电动截止阀处于打开状态，当透平膨胀机故障时，一号电动截止阀迅速关闭，以保护透平膨胀机；通过调节电动流量调节阀的开度来控制进入透平膨胀机的蒸汽流量，从而达到调节透平膨胀机输出功率的目的。在急停旁路管道上，当透平膨胀机正常工作时，二号电动截止阀处于关闭状态，当透平膨胀机故障时，将二号电动截止阀打开，用以泄压泄流，从而达到保护整个设备的目的。透平膨胀机的出口管路上安装有背压阀和止回阀，背压阀主要用来稳定透平膨胀机的出口压力，从而保证透平膨胀机出入口具有稳定的压力差；止回阀防止急停旁路蒸汽倒流入透平出口。

此余压发电系统从供方蒸汽出口到撬装的这段蒸汽管道上，主要包含一号电动压力调节阀、疏水阀、流量计以及仪表等。疏水阀是用来排除管路上的水滴等，保证进入透平膨胀机的蒸汽质量；一号电动压力调节阀是用来调节进入撬装的蒸汽压力，以满足进入透平膨胀机的压力要求；流量计用来监测蒸汽管道内的蒸汽流量，并根据发电功率要求进行调节。

此余压发电系统采用先进气动设计的径向透平装置替代原有的减温减压阀，透平热效率达到82%以上，透平膨胀机是径向流体运动，在叶轮旋转期间流体侧向移动；之后被置换的流体向上或向下移动，朝向叶轮返回中心；这样流体运动的结果是转子具有较小的机械应力（并且具有较小的热应力）。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：本实用新型将供热管道的余压损失的能量转换为可用的电能，带来了可观的直接经济效益。此外，本实用新型的应用，还有利于电厂开拓更广阔的用户市场，使得能源站的负荷增加，燃机系统得以在高效率点运行，从而提高了燃机发电效率，进一步提高系统运行的综合经济性。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例中透平膨胀机前端结构示意图。

图中：高蒸汽压力用户侧1、一号电动压力调节阀2、疏水阀3、流量计4、一号电动截止阀5、电动流量调节阀6、二号电动截止阀7、透平膨胀机8、二号电动压力调节阀9、背压阀10、发电机11、变频器12、低蒸汽压力用户侧13、蜗壳14、喷嘴环叶片通道15、叶轮16、轴承17、蒸汽管道21、主路管道22、急停旁路管道23。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中的基于高效径向透平的分布式余压发电系统，包括高蒸汽压力用户侧1和低蒸汽压力用户侧13，高蒸汽压力用户侧1连接有蒸汽管道21，且在蒸汽管道21上安装有一号电动压力调节阀2、疏水阀3和流量计4；蒸汽管道21经主路管道22与透平膨胀机8的进气口连接，且在主路管道22上安装有一号电动截止阀5和电动流量调节阀6，透平膨胀机8的出气口与低蒸汽压力用户侧13连接，在透平膨胀机8的出口管路上安装有二号电动压力调节阀9和背压阀10；蒸汽管道21经急停旁路管道23连接至低蒸汽压力用户侧13，且在急停旁路管道23上安装有二号电动截止阀7；透平膨胀机8、发电机11、变频器12依次连接。

本实施例中，透平膨胀机8的出口管路与急停旁路管道23汇合并连接至低蒸汽压力用户侧13，且在透平膨胀机8的出口管路上安装有止回阀，用于防止急停旁路管道23内蒸汽倒流入透平膨胀机8的出口。

工作方法如下：参见图2，当蒸汽进入透平膨胀机8后，蒸汽由进气管路进入蜗壳14，经喷嘴环叶片通道15进入叶轮16处，蒸汽膨胀做功使叶轮16旋转从而输出机械功，带动转子旋转而切割磁感线产生电能，然后乏汽经扩压室排出；在主路管道22上，当透平膨胀机8正常工作时，一号电动截止阀5处于打开状态，当透平膨胀机8故障时，一号电动截止阀5迅速关闭，以保护透平膨胀机8；在急停旁路管道23上，当透平膨胀机8正常工作时，二号电动截止阀7处于关闭状态，当透平膨胀机8故障时，将二号电动截止阀7打开，用以泄压泄流，从而达到保护整个设备的目的。

通过调节电动流量调节阀6的开度来控制进入透平膨胀机8的蒸汽流量，从而达到调节透平膨胀机8输出功率的目的。

透平膨胀机8是径向流体运动，在叶轮16旋转期间流体侧向移动；之后被置换的流体向上或向下移动，朝向叶轮16返回中心；这样流体运动的结果是转子具有较小的机械应力。

本实施例中，此余压发电系统采用静压气浮轴承17，把主轴悬浮在空气中，并可以稳定高精度的旋转，轴承17摩擦系数小，不需要润滑油，无噪音，防碰撞保护，有卓越的速度控制性能，转速可高于30000rpm，远高于一般的透平设备。

此余压发电系统采用高速大功率永磁发电机11，取消齿轮箱设计，无需润滑油，单台功率可达到300kw等级，辅以变频技术自由提供用户需求的电力。

此余压发电系统适用于分布式的小功率用户，故采用单级叶轮16的透平膨胀机8。采用单级叶轮16后，将不可避免的产生轴向力不平衡的问题。特别是在启动情况下，轴向力会出现突变现象。如果平衡机构不能迅速平衡轴向力，将会影响轴承17寿命，甚至会直接破坏设备。传统的轴向力平衡方法有止推轴承17、平衡孔或平衡管、叶轮16对称布置、背副叶片以及平衡盘和平衡鼓等。但是传统方法都不能完全平衡全部不平衡轴向力，特别是在变工况和启动情况下轴向力突变，平衡会更加困难。本余压发电系统通过平衡腔供气、推理盘和独特叶轮16设计三个方法结合来平衡轴向力。

供气系统的设计：空气压缩机给空气压缩罐供气保证压力。空气压缩罐给平衡腔，气浮轴承17，干气密封分别供气。此余压发电启动及变工况状态下：调节平衡腔供气压力保证轴向力平衡；紧急停机状态下，终止供气，关闭平衡腔，并将平衡腔内气体通过旁路排空。

本实施例中，基于高效径向透平的分布式余压发电系统，主要用来解决供需双方蒸汽压力需求不匹配问题，这里特指供方压力较高、用户压力较低的情况。

供方即高蒸汽压力用户侧1的蒸汽参数为2.5mpa压力，250℃，蒸汽量为2t/h，到达用户蒸汽入口处的蒸汽参数为2.28mpa压力，198℃；而低蒸汽压力用户侧13所需供热参数为1.0mpa压力，180℃，蒸汽量为2t/h。此时在用户处安装本余压发电系统，具体实施步骤如下：

1、启动时先通蒸汽进行暖管，并打开疏水阀3，将管道内水分排出；

2、通过调节系统的一号电动截止阀5，使得蒸汽由进气管进入蜗壳14；

3、蒸汽经喷嘴环叶片通道15进入工作叶轮16，膨胀做功使叶轮16旋转从而输出机械功，带动发电机转子旋转而切割磁感线产生电能；

4、调节系统的一号电动压力调节阀2和二号电动压力调节阀9，保证透平膨胀机8前后稳定的压力差；

5、调节系统的电动流量调节阀6，满足用户的功率需求；

6、透平膨胀机8故障时，打开急停旁路管道23上的二号电动截止阀7，关闭主路管道22上的一号电动截止阀5，紧急停机。

将供方即高蒸汽压力用户侧1的蒸汽通过蒸汽管道21输送给透平膨胀机8，透平膨胀机8带动发电机11转动做功，将蒸汽的内能转换为电能，就地供低蒸汽压力用户侧13使用或者通过并网柜输送给电网，可大幅度提高系统的能源利用率和经济性。

虽然本实用新型以实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本实用新型的保护范围。