首页 / 专利库 / 传感器与探测器 / 温度探头 / 一种低温工质超临界发电系统或者机动设备

一种低温工质超临界发电系统或者机动设备

阅读:1023发布:2020-09-12

专利汇可以提供一种低温工质超临界发电系统或者机动设备专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 实施例 涉及一种低温工质超临界发电系统或者机动设备,包括依次连通的低温工质 存储器 、低温工质 增压 机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成;所述气轮机排气管道出口,返回和连接低温工质存储器入口,形成闭路循环;工质沸点可以用低至零下-196℃液氮低温工质,先吸收热空气或 水 的 热能 ,再结合LNG等环保 燃料 燃烧加热低温发电工质,形成高压气体驱动低温工质超临界气轮机做功输出机械能或带动发 电机 发电,来解决 汽车 、火车、 船舶 等设备的动 力 和 能源 ; 申请 人 经过近二十多年不断研究探索,最终找到一种高效的低温工质超临界发电系统或机动设备,也找到一种采用气轮机缸体来解决气轮机 轴封 泄漏 难题的最新密封技术。,下面是一种低温工质超临界发电系统或者机动设备专利的具体信息内容。

1.一种低温工质超临界发电系统或者机动设备,其特征在于,包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成;所述低温工质超临界气轮机排气管道出口,返回和连接所述低温工质存储器入口,形成循环;
所述低温工质存储器设置有限压安全阀保护设备,并具有高效保温绝热的低温工质存储的容器;所存储的工质为标准大气压下,沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质;
所述低温工质增压机为提升流体压力的驱动设备;所述低温工质增压机设置在所述低温工质存储器与所述主换热器之间;
进一步地,还包括有低温液体;所述低温液体泵入口,连通所述低温工质存储器底部的低温发电工质液体;所述低温液体泵出口与乏汽回热器低温管道入口连通;所述低温液体泵单独设置,或者与所述低温工质增压机组合;
优选的,所述低温工质增压机出口与所述低温液体泵出口相连;或者所述低温工质增压机出口连接乏汽回热器低温管道出口,所述低温液体泵连接所述乏汽回热器低温管道入口;
所述主换热器设置在所述低温工质增压机与所述低温工质超临界气轮机之间;所述主换热器是与热源进行换热的主要设备;所述主换热器又分为低温主换热器,和/或高温主换热器或者锅炉
所述低温工质超临界气轮机的入口连接所述主换热器出口,所述低温工质超临界气轮机排气管道出口;连接低温工质存储器入口;
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度,必须明显高于所述低温发电工质的临界温度;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度,达到所述低温发电工质的临界温度;
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力,必须明显高于所述低温发电工质的临界压力;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力,达到或接近所述低温发电工质的临界压力;
达到或接近所述低温发电工质临界压力的低温发电工质,储存在所述低温工质存储器中,通过所述低温工质增压机提升压力;输送到所述主换热器中吸收外界的热能,体积迅速膨胀,形成高温高压气体输送至低温工质超临界气轮机中,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能
所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械,又称气体透平,所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机;
所述低温工质超临界气轮机设备的构造,需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性;
所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需采用耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温素体低温钢;
所述低温工质超临界气轮机的设备外,设有高效保温材料;包括但不仅限于泡沫材料、真空绝热板、纤维材料、玻璃、高棉。
2.根据权利要求1所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,其特征在于,还包括有乏汽回热器,所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温工质增压机与所述主换热器之间;所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间;所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的换热,共同组合成为一个高效换热的乏汽回热器;所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合。
3.根据权利要求1-2所述的低温工质发电系统或机动设备,其特征在于,所述高温主换热器或者锅炉还包括有燃烧系统,所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成;所述锅炉由炉膛燃烧器和所述高温主换热器管道构成;
所述燃料存储器中的燃料,经过控制器的调节与控制后,被输送至所述锅炉中燃烧,产生的高温热能量加热所述高温主换热器管道或者锅炉管道,所述高温主换热器管道或锅炉管道中的低温发电工质,受热后形成高温高压气体,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
所述燃料存储器中所储存的燃料,包括但不仅限于天然气、甲醇、乙醇汽油、柴油、液化石油气、生物燃料的任意一种;
进一步的,所述燃料存储器中所储存的燃料为低温液体燃料;所述温液体燃料包括但不仅限于液氢、LNG液体;
进一步的,所述低温液体燃料存储器与所述低温工质存储器中所储存的低温工质为相同的低温液体时,所述低温工质存储器与所述低温液体燃料存储器合并为一个相同的低温液体存储器。
4.根据权利要求1-3所述的低温工质发电系统或机动设备,其特征在于,还包括有低温液体燃料的燃烧系统,所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器,换热器,控制器,和锅炉构成;所述换热器数量为1的整数倍,设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间或者所述乏汽换热器与所述低温工质存储器之间,和/或设置在所述低温液体燃料存储器中;
所述低温液体燃料,包括但不仅限于LNG液体、液氢;
低温液体燃料储存在所述低温液体燃料存储器中,通过管道输送至所述换热器中与乏汽管道中的高温乏汽换热,或者在所述低温液体燃料存储器的底部设置有所述换热器,和/或在低温液体燃料存储器的顶部也设置有所述换热器;所述换热器与低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温高压乏汽换热,令高温高压乏汽冷凝成为液体返回低温工质存储器中;
与此同时,所述低温液体燃料存储器中的低温液体燃料吸收所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽的热能后,气化成为可燃气体,经所述控制器调节控制后,可燃气体被输送至所述锅炉中燃烧,加热所述锅炉高温主换热器管道中的低温发电工质,所述锅炉高温管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后,形成高温高压气体,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或带动发电机旋转对外输出电能;
进一步的,所述高温主换热器或者锅炉外,还包裹有低温主换热器,所述低温主换热器充分吸收锅炉中可燃气体燃烧产生出的热能,充分利用所述可燃气体燃烧所产生的热能量来进行发电做功;
优选的,所述低温主换热器,还与其他发热设备进行换热,充分的吸收所述其他发热设备的热能量,同时也令其他发热设备降温;
进一步的,所述低温主换热器,还与环境中的热空气或者环境中的热等介子换热,利用极其低温的所述低温发电工质来吸收环境中的热能做功,进一步的提高该系统的发电效率和发电输出;
进一步的,在炎热夏季,将所述低温主换热器设置在所述机动设备的内部,来实现空调或者制冷功能,包括但不仅限于汽车、火车、船舶客舱的顶部、以及需要有保鲜或者制冷设备的场所。
5.根据权利要求1-4所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,其特征在于,所述低温工质超临界发电系统或者机动设备还包括有控制系统和储能系统;
所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
所述发电机输出连接所述控制系统,所述控制系统连接电动机,由所述控制系统来控制所述电动机的启停及控制所述电动机转速;
进一步的,所述控制系统还连接有储能系统;所述储能系统包括但不仅限于超级电容储能系统和/或电池储能系统;
优选的,所述控制系统还控制所述低温工质增压机和/或所述低温液体泵和/或所述燃烧系统。
6.根据权利要求1-4所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,其特征在于,所述低温工质存储器,所述低温液体燃料存储器,为储存低温工质的压力容器;拥有限压阀和安全阀保护设备,壳体还设有高效的绝热保温材料;所存储的介子为标准大气压下,沸点温度低于零摄氏度的低温工质;
低温工质存储器、低温工质增压机、低温液体泵、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器、所述低温设备或者低温部件以及相应连接管道为耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温钢,铁素体低温钢;
所述低温设备或者低温部件及相应的连接管道外面,还设置有绝热层;所述绝热层具有良好的绝热性能,包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫材料、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉;
还包括有冷箱,所述冷箱由高效绝热保温材料构成,并将所述低温设备放置在所述冷箱中;所述冷箱还设置有隔离;所述冷箱通过高效绝热的外壳对外部环境进行绝热,所述隔离再对不同温度的所述低温设备之间进行绝热和隔离。
7.根据权利要求1所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,其特征在于,还包括有一种用气轮机缸体进行轴封的气轮机设备,所述气轮机由静止部分及转动部分构成;所述气轮机缸体轴封系统包括输入端轴封系统和输出端轴封系统;
所述气轮机的输入端轴封系统,包括输入端缸体、输入端轴承和轴承座、输入端转轴、主蒸汽管道;所述输入端轴承和轴承座包括有支撑轴承和推力轴承
在输入端轴承和轴承座的外面,还设置有绝热壳体;所述绝热壳体分上绝热壳体和下绝热壳体;所述下绝热壳体设在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内,并与所述气轮机的下汽缸紧密结合;所述输入端轴承和轴承座,安装在所述气轮机下汽缸内的下绝热壳体中;
所述下绝热壳体与所述上绝热壳体设有法兰,通过所述法兰和螺栓紧固,所述下绝热壳体与所述上绝热壳体的内腔,形成一个密闭的绝热空间;所述输入端转轴、所述输入端轴承和轴承座以及润滑油,被密闭在所述绝热壳体构成的绝热空间内部;
在所述绝热壳体包裹所述输入端转轴的接触位置,还设置有绝热壳体密封,所述绝热壳体密封阻止绝热壳体内的轴承润滑油,从绝热壳体密封处对外泄漏
8.根据权利要求7所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,和所述气轮机设备,其特征在于,所述绝热壳体的上绝热壳体与下绝热壳体通过所述法兰和螺栓紧固,内部形成一个密闭的绝热空间,并在所述上绝热壳体顶部设置有润滑油注入孔,令所述轴承和轴承座的绝热空间内部注入润滑油;
所述绝热壳体还包括有与所述绝热壳体相连的润滑油输出管道、润滑油过滤器、润滑油冷却器和润滑油泵;所述润滑油泵输出的低温高压润滑油,经润滑油输入管道输送至所述绝热壳体内的轴承和轴承座;并为所述轴承和轴承座提供干净恒温的润滑油;绝热壳体内的高温和脏润滑油,通过润滑油输出管道输出,并输送至润滑油过滤器和润滑油冷却器降温,再经过润滑油泵加压输送给轴承,形成循环;
所述润滑油过滤器、所述润滑油冷却器,和所述润滑油泵设置在所述气轮机的缸体外部;或者设置在所述气轮机的缸体内部,当设在缸体内部时,有换热管道与外界换热,以保障润滑油温度恒定;
所述气轮机设备的缸体内部或外部,还设有润滑油温度探头、润滑油压力探头、润滑油量探头,及所述气轮机缸体内部的压力探头;
优选的,所述气轮机主蒸汽管道与输入端绝热壳体之间设置有轴封;优选的,所述绝热壳体与所主蒸汽管道之间,设置有输入端预留空间或者管道,所述输入端预留空间或管道设在所述下汽缸中,储存从绝热壳体密封处泄漏出来的润滑油,并通过第一管道阀将泄漏出来的脏润滑油排出。
9.根据权利要求7-8所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,和所述气轮机设备,其特征在于,所述气轮机的输出端,包括有气轮机排气管道、输出端缸体、输出端轴承和轴承座、联轴器和发电机;所述气轮机将输出端轴承和轴承座、联轴器以及发电机,均隐藏设置到所述气轮机的输出端缸体内部;
所述气轮机输入端,及所述气轮机的输出端,均隐藏设置到所述气轮机缸体内,利用所述气轮机缸体的高度密闭结构,将转轴两端密封,避免所述低温工质从所述气轮机转轴两端的轴封处泄漏。
10.一种低温工质超临界发电系统或者机动设备的工艺,适用于权利要求1-9中任一项所述的低温工质超临界发电系统或者机动设备,和所述低温工质超临界气轮机或膨胀机;
包括如下步骤:
如所述低温工质存储器中储存的低温发电工质为临界压力下,临界温度为-147℃的液氮或液空;当所述低温工质存储器中的低温工质处于临界状态或者超临界状态时,气相与液相之间的差别消失,潜热为0;通过所述低温工质增压机加高压,输送至所述主换热器中,如热水换热器中加热,约-147℃的氮气温度提升达到30℃以上;压力达到5Mpa以上,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转做功,输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能;
与此同时,所述低温工质超临界气轮机中的高温高压气体,温度和压力也在不断的降低,当低温工质超临界气轮机中的气体温度降低到临界温度时(液氮工质的临界温度约-
147℃),压力降低到临界压力时(约3.4Mpa),所述低温工质超临界气轮机就不再继续做功,而是直接对外排出临界温度和临界压力的乏汽;此时乏汽虽是气体,但密度却接近液体密度,再次被所述低温工质增压机提升压力,输送至所述主换热器中继续加热,氮气温度达到
30℃以上;压力达5Mpa以上,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转做功,输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能;如此不断循环;
所述低温工质超临界气轮机输出端还设置有乏汽回热器,所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温工质增压机与所述主换热器之间;所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间;所述乏汽回热器的作用是将所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽中,多余的高温能量置换到所述低温工质增压机输出的低温发电工质中,一方面便于更加低温的高压乏汽流体返回所述低温工质存储器中备用;另外,所述低温工质超临界气轮机排气管道所输出的乏汽中多余的高温能量,又被重新利用;
所述主换热器还包括有燃烧系统,燃料存储器中的燃料,经燃料供应和控制器的调节,所述燃料被点燃后,燃烧加热所述锅炉管道中的低温发电工质;管道中所述低温发电工质受热形成高温高压气体,驱动所述低温工质超临界气轮机或膨胀机高速旋转输出机械能,或带动发电机高速旋转对外输出电能;所述燃料包括但不仅限于天然气、乙醇、汽油、柴油、石油气、气、生物燃料;
进一步的,还包括有低温液体燃料的燃烧系统,所述燃烧系统由依次连通的低温液体燃料存储器,换热器,控制器,和锅炉构成;所述换热器数量为1的整数倍,设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间或者所述乏汽换热器与所述低温工质存储器之间,和/或设置在所述低温液体燃料存储器内;
所述低温液体燃料,包括但不仅限于LNG液体、液氢;
低温液体燃料储存在所述低温液体燃料存储器中,通过管道输送至所述换热器中与乏汽管道中的高温乏汽换热,或者在所述低温液体燃料存储器的底部设置有换热器,及顶部设有所述换热器;所述换热器与所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温高压乏汽换热,令高温高压乏汽冷凝成液体返回所述低温工质存储器中;
与此同时,所述低温液体燃料存储器中的低温液体燃料吸热气化成为可燃气体,经所述控制器调节控制后,可燃气体被输送至所述锅炉中燃烧,加热所述锅炉高温主换热器管道中的低温发电工质,所述锅炉高温主换热器管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后形成高温高压气体,输入并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或者带动发电机旋转对外输出电能;
进一步的,所述高温主换热器或者所述锅炉外和所述锅炉烟道外,还包裹有低温主换热器,所述低温主换热器充分的吸收所述锅炉燃烧器中可燃气体燃烧所产生出来的所有热能量,充分的利用所述可燃气体燃烧所产生出来的所有热能量来做功发电;
优选的,所述低温主换热器,还与其他发热的设备进行换热,充分的吸收所述其他发热设备的热能,同时也令其他发热设备降温;
进一步的,所述低温液体燃料存储器与所述低温工质存储器中所储存的低温工质为相同的低温液体时,所述低温工质存储器与所述低温液体燃料存储器合并为一个相同的低温液体存储器;
进一步的,所述低温工质超临界气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
所述发电机输出连接所述控制系统,所述控制系统连接电动机,由所述控制系统控制所述电动机的启停及控制电动机的转速;
进一步的,所述控制系统还连接有储能系统;所述储能系统包括但不仅限于超级电容储能系统和/或电池储能系统;
优选的,所述控制系统还控制所述低温工质增压机和/或所述低温液体泵和/或控制所述燃烧系统;
在炎热夏季,所述低温工质超临界发电系统或者机动设备,一方面通过所述低温液氮发电工质吸收环境热空气或水的热能做功发电;进一步的,在炎热夏季,将所述低温主换热器设置在所述机动设备的内部来实现空调或者制冷功能,包括但不仅限于汽车、火车、船舶客舱的顶部、以及需要有保鲜或者制冷设备的场所;
另外,通过设备所携带的燃料燃烧,加热高温主换热器或者锅炉,让低温工质超临界发电系统或者机动设备能更加强劲输出机械能或者发电输出;该系统还设置有电能控制系统及储能设备,通过储能为所述低温工质增压机和/或低温液体泵提供电能,同时系统中电能储存与释放电能,满足系统对电动机转速的调节与控制;
对于船舶等大型移动设备来说,优选的,所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转,对外直接输出机械能;同时也驱动发电机输出电能提供火车、船舶使用和连接储能设备,为超级电容器储能系统和/或电池储能系统提供电能,以备下次火车、船舶设备启动时,能够为所述低温液体泵和压缩机电机提供充足的电能以及电能储备;确保火车、船舶等大型设备各种电能需求;由于本系统中没对外界释放能量,因此有效热效率很高;可明显增加电动汽车、火车、船舶续航力。

说明书全文

一种低温工质超临界发电系统或者机动设备

技术领域

[0001] 本发明涉及低温热能回收利用及用低温介子作工质的发电技术领域,尤其涉及一种低温热能利用以及燃烧发电的动系统及新能源机动设备。

背景技术

[0002] 目前的汽车多为燃油汽车,需要不断的添加燃油才能够运行,在堵车的城市中运行,有效热效率非常低,尤其是炎热的夏季,空调设备的投入更加剧了燃油的消耗;导致燃油汽车的效率变得更加的低。发动机噪音大,排放的尾气污染环境。未来随着国际市场燃油能源短缺和环保要求,燃油车将会很快退出汽车制造市场,取而代之将是电力驱动的汽车。
[0003] 电动汽车,电动公交车,电动旅游大巴车,具有噪音较小,低噪音、节能、环保、经济、加速快、结构简单、维护方便、易保养等等优点;但也存在续航里程短、充电难、充电慢等问题。另外,大约5年动力电池就需更换,而动力电池的回收又面临着回收成本高、回收技术难的困境。
[0004] 氢燃料电池汽车表面看符合节能环保要求;但氢气制取提纯需耗巨大能量,系统效率低;氢气需约70MPa高压压缩也需耗能,进一步降低效率;还有氢气储存和氢气运输环节,以及灌装使用的环节也都存在很大损耗,效率进一步降低;相对成熟的锂电池,燃料电池汽车储存成本高、运输险大、加氢站基础设施等等都需高昂资金投入;据美国能源局公布数据,到2020年燃料电池系统要达到的寿命目标为5000小时;在氢燃料电池发电过程中会用到金属铂作催化剂,金属铂稀缺造成价格很高,如未来大规模进行生产氢燃料电池,需求越大,金属铂成本还会更加稀缺和高成本。还有高压储氢罐、超高压空压机、氢循环等关键零部件,技术难度高,产业链形成难,全国数量庞大的加氢站建设,未来投资都是极其巨大。
[0005] 还有火车、轮船等设备;炎热夏季,尤其非洲等赤道附近国家,热空气中蕴藏着大量热能;更重要的是将空气或中蕴藏的热能有效利用,并高效利用携带燃料热能量,增加续航里程,是本申请想解决的问题。
[0006] 在传统发电技术中,除采用水作发电工质,还有一种低温的有机朗肯循环,该发电技术采用沸点温度约15℃有机工质,可实现对80℃(甚至60℃)以上的热水和蒸汽进行余热发电;该技术与用水作发电工质原理大体相同,因为采用了约15℃沸点的有机工质和朗肯循环发电,因此能够对80℃甚至60℃以上的热水和蒸汽进行发电。
[0007] 利用标准大气压沸点低于0摄氏度的低温发电工质进行超低温发电,国内和国际都还处于研究阶段,最大难点是气轮机或者膨胀机做功以后,低温乏汽的还原成为最大痛点。通常情况下,汽轮机做功后乏汽都采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中冷空气或冷水中;但是液氮等低温发电工质的乏汽温度要远远的低于环境温度,正常情况下是无法将极其低温潜热,释放到环境中的冷空气或者冷水中,因此也就无法冷凝和再进行朗肯循环。如果采用压缩机压缩乏汽或者用热泵将乏汽潜热,热泵到环境温度并释放到冷空气或冷水中,所付出的代价又太高。发电输出的电能都有可能不够压缩机及热泵所消耗的电能;因此,也就基本上没有人这样的去进行研究。很多从事发电技术和相关研究人员,学习和接触的都是采用水做发电工质,对低温液体工质绝大多数人员没去想,也有一些人认为这是不可能实现的,还有一部分人员认为这是“永动机”,因此也就不再去深入的研究。
[0008] 本发明实施例采用更低沸点的二、液氮、液空等更低温发电工质,不但可以实现更低温度的做功发电;同时CO2、液空、液氮,每吨成本仅几百元人民币,比有机工质近10万元成本低很多。
[0009] 本实施例所提供的是采用极其低温的液体工质;例如液氮,通过低温液体泵施加高压到换热器中,与环境中的热空气或水充分换热,液氮吸收环境空气的热能,迅速气化成为高压气体,输入并驱动气轮机或膨胀机高速旋转做功,并带动发电机高速旋转发电和输出电能;热空气的温度也会迅速降低到大约0℃(甚至零下-30℃);
[0010] 液氮、液空等极其低温工质,吸收空气热能后,气化成高压气体,驱动低温工质超临界气轮机或膨胀机高速旋转做功并带动发电机发电输出,将热空气中蕴藏的热能量转变为电能输出;本发明能够利用炎热夏季热空气降为冷空气的温差发电,再结合LNG、甲醇等环保燃料燃烧和进行高效率的发电做功,从而实现不断增加续航里程目的,来解决汽车、火车、船舶等机动设备的动力和能源以及续航的里程;为解决这些难题,申请人经过近二十多年不断研究探索,最终找到一种高效的低温工质超临界发电技术方法,同时也找到一种解决气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的新密封技术。汽轮机通常是指水蒸汽工质的,因为本申请中为低温气体介子,工质中没有水蒸汽,因此就将汽轮机改为气轮机,其它气体透平设备雷同,不再过多赘述;

发明内容

[0011] 本发明实施例提供一种低温工质发电系统和动力系统及设备,包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成;所述低温工质超临界气轮机排气管道出口,返回和连接所述低温工质存储器入口,形成循环;
[0012] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度,必须明显高于所述低温发电工质的临界温度;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度,达到所述低温发电工质的临界温度;
[0013] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力,必须明显高于所述低温发电工质的临界压力;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力,达到或接近低温发电工质的临界压力;
[0014] 所述低温工质超临界气轮机或膨胀机属一种高压气体透平机械,包括但不仅限于气轮机、气动机、气体透平膨胀机、气体螺杆膨胀机;所述低温工质气轮机或膨胀机选用耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温素体低温钢;所述低温工质超临界气轮机设备的构造,需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性;
[0015] 只有满足以上条件,所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机,以及所述低温工质发电系统或机动设备才能够正常的运转;因此,在没确定好这种低温工质发电系统或机动设备的情况下,所述低温工质超临界气轮机或膨胀机,也是无法进行研究和生产制造的;
[0016] 达到或接近所述低温发电工质临界压力的低温发电工质,储存在所述低温工质存储器中,通过所述低温工质增压机提升压力;输送到所述主换热器中吸收外界的热能,体积迅速膨胀,形成高温高压气体输送至低温工质超临界气轮机中,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
[0017] 本发明实施例是这样实现的:
[0018] 第一方面,本发明实施例提供一种低温工质超临界发电系统或者机动设备,包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成;所述低温工质超临界气轮机排气管道出口,返回和连接所述低温工质存储器入口,形成循环;
[0019] 所述低温工质存储器拥有限压及安全保护设备,且具有良好绝热性能的低温工质存储的压力容器;所存储的工质为标准大气压下,沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质;储存在所述低温工质存储器中的低温工质,压力达到所述低温发电工质临界压力,因此所述低温工质存储器必须是能承受压力的低温工质储存容器,同时还必须要设置限压阀及安全阀保护,同时还必须要具有良好的绝热性能;
[0020] 所述低温工质增压机为提升流体压力的驱动设备;所述低温工质增压机设置在所述低温工质存储器与所述主换热器之间;
[0021] 优选的,还包括有低温液体泵;所述低温液体泵入口连通所述低温工质存储器底部的低温发电工质液体;所述低温工质增压机入口连通所述低温工质存储器顶部的低温发电工质气体;所述低温液体泵出口与低温工质增压机出口连通;
[0022] 所述主换热器设置在所述低温工质增压机与所述低温工质超临界气轮机之间;所述主换热器是与热源进行换热的主要设备;所述主换热器又分为低温主换热器,和/或高温主换热器或者锅炉
[0023] 低温工质超临界气轮机入口连接所述主换热器出口,所述低温工质超临界气轮机排气管道出口;连接所述低温工质存储器入口;
[0024] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度,必须明显高于所述低温发电工质的临界温度;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度,达到所述低温发电工质的临界温度;
[0025] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力,必须明显高于所述低温发电工质的临界压力;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力,达到或接近所述低温发电工质的临界压力;
[0026] 达到或接近所述低温发电工质临界压力的低温发电工质,储存在所述低温工质存储器中,通过所述低温工质增压机提升压力;输送到所述主换热器中吸收外界的热能,体积迅速膨胀,形成高温高压气体输送至低温工质超临界气轮机中,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
[0027] 与此同时,所述低温工质超临界气轮机中的高温高压气体,温度和压力也在不断的降低,当低温工质超临界气轮机中的气体温度降低到临界温度时(液氮工质的临界温度约-147℃),压力降低到临界压力时(约3.4Mpa),所述低温工质超临界气轮机就不再继续做功,而是直接对外排出临界温度的乏汽;此时的乏汽虽然是气体,但乏汽的密度却接近于液体密度,返回所述低温工质存储器中储存备用;
[0028] 第二方面,本发明实施例中,所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械,又称气体透平,所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机;
[0029] 所述低温工质超临界气轮机设备的构造,需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性;
[0030] 所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需采用耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢;
[0031] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度,必须明显高于所述低温发电工质的临界温度;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度,达到所述低温发电工质的临界温度;
[0032] 值得注意的是,所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽温度,也包括临界温度点附近的温度;临界温度是极其精确的数据,实际不能做到精确,因此需包括临界温度点附近温度;
[0033] 进一步的,所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度达到所述低温发电工质的临界温度;所述达到除包括临界温度点附近的温度外,还包括超过临界温度;不同的低温工质特性不一样,氢气以及氦气的临界温度和标准沸点温度相差不大,并且临界压力很小,在这种情况下,低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽温度,达到甚至超过临界温度是很容易的,即使超过临界温度的量比较大,也都包括在达到的范畴;
[0034] 所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力,必须明显高于所述低温发电工质的临界压力;所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力,达到或接近所述低温发电工质的临界压力;
[0035] 值得注意的是,所述低温工质超临界气轮机或膨胀机排气管道输出的乏汽压力,达到或接近所述低温发电工质的临界压力;也包括临界温度点附近的压力;临界压力是极其精确的数据,实际不能做到精确,因此需要包括临界压力点附近的压力范围;
[0036] 进一步的,所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力,达到或者接近所述低温发电工质的临界压力;所述接近除包括临界温度点附近的压力外,还包括有未达到临界压力的范围;
[0037] 不同的后续工艺流程要求也是不一样,当乏汽有其他用途或者在所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽管路中设置有低温工质液体或气体吸热装置,能通过第三低温介子吸收乏汽中多余能量;由此导致乏汽压力低于临界压力,即使低于临界压力的量比较大,也都包括在达到或者接近临界压力的范畴;
[0038] 因为所述低温工质气轮机主蒸汽管道所输入的气体温度和压力,都明显的高于所述低温发电工质的临界温度和临界压力,因此所述低温工质气轮机被称之为低温工质超临界气轮机;
[0039] 优选的,所述低温工质超临界气轮机的设备外,还设置有高效保温材料;包括但不仅限于泡沫材料、真空绝热、纤维材料、玻璃、高氧棉;所述低温工质超临界气轮机乏汽低于环境,需保低温。
[0040] 第三方面,本发明实施例还包括有乏汽回热器,所述乏汽回热器的低温管道设在低温工质增压机与所述主换热器之间;所述乏汽回热器的高温管道设在所述低温工质超临界气轮机与低温工质存储器之间;所述乏汽回热器单独设置或与低温工质超临界气轮机组合。
[0041] 第四方面,本发明实施例还还包括有燃烧系统,所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成;
[0042] 所述燃烧系统还包括所述高温主换热器或者锅炉管道;
[0043] 所述燃料存储器中的燃料,经过控制器的调节与控制后,被输送至所述锅炉中燃烧,产生的高温热能加热所述高温主换热器管道或者锅炉管道,所述高温主换热器管道或锅炉管道中的低温发电工质,受热后形成为高温高压气体,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
[0044] 所述燃料存储器中所储存的燃料,包括但不仅限于天然气、甲醇、乙醇汽油、柴油、液化石油气、生物燃料的任意一种;
[0045] 第五方面,本发明实施例还还包括有低温液体燃料的燃烧系统,所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器,换热器,控制器,锅炉构成;所述换热器数量为1的整数倍,设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间或所述乏汽换热器与所述低温工质存储器之间,和/或设置在所述低温液体燃料存储器中;所述燃料存储器中所储存的燃料为低温液体燃料;所述温液体燃料包括但不仅限于液氢、LNG液体;
[0046] 低温液体燃料储存在所述低温液体燃料存储器中,通过管道输送至所述换热器中与乏汽管道中的高温乏汽换热,或者在所述低温液体燃料存储器的底部,和/或在低温液体燃料存储器的顶部设置有所述换热器;换热器与低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温高压乏汽换热,令高温高压乏汽冷凝成为液体返回低温工质存储器中;
[0047] 与此同时,所述低温液体燃料存储器中的低温液体燃料吸热气化成为可燃气体,经所述控制器调节控制后,可燃气体被输送至所述锅炉中燃烧,燃烧加热所述锅炉高温主换热器管道中的低温发电工质,所述高温主换热器或锅炉管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后形成高温高压气体,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或带动发电机旋转对外输出电能;
[0048] 进一步的,所述高温主换热器外,和/或锅炉的烟道外,还包裹有所述低温主换热器,所述低温主换热器充分的吸收锅炉中可燃气体燃烧所产生出来的热能量,充分的利用所述可燃气体燃烧所产生的所有热能量来进行发电;
[0049] 优选的,所述低温主换热器,还与其他发热设备进行换热,充分的吸收所述其他发热设备的热能量,同时也令其他发热设备降温;
[0050] 进一步的,所述低温主换热器,还与环境中的热空气或者环境中的热水等介子换热,利用极其低温的所述低温发电工质来吸收环境中的热能量做功,进一步的提高该系统的发电效率和发电输出;
[0051] 由于系统采用极其低温的液氮、液空等低温液体作发电工质,完全能够将天然气燃烧所产生的热能量“吸干榨净”,且全部用于发电;同时还能吸收炎热夏季高温空气中蕴藏的一部分热能;当然不吸收环境热能也可以,也属本发明实施例提供的技术范畴;
[0052] 进一步的,所述低温液体燃料存储器与所述低温工质存储器中所储存的低温工质为相同的低温液体时,所述低温工质存储器与所述低温液体燃料存储器合并为一个相同的低温液体存储器。
[0053] 进一步的,在炎热夏季,将所述低温主换热器设置在所述机动设备的内部,来实现空调或者制冷功能,包括但不仅限于设置在汽车、火车、船舶客舱顶部、及需要有保鲜或者制冷设备的场所;对于机动设备来说,空调和制冷设备的耗能相当巨大,该低温工质超临界发电系统或机动设备采用温度低至-196℃的极其低温液氮作为发电工质,由于低温工质温度极低,通过低温工质增压机提升压力后,输送至所述低温主换热器中,一方面用极其低温的发电工质实现空调和制冷设备的功能;另外一方面,极其低温的液氮吸收环境热能量后,气化形成高压输入所述低温工质超临界气轮机后,驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或者带动发电机旋转输出电能。
[0054] 第六方面,本发明实施例还还包括有控制系统和储能系统;
[0055] 所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机高速旋转对外输出电能;
[0056] 所述发电机输出连接所述控制系统,所述控制系统连接电动机,由所述控制系统控制所述电动机的启停及控制所述电动机转速;进而控制启动和停止,以及控制所述机动设备的运行速度;
[0057] 进一步的,所述控制系统还连接有储能系统;所述储能系统包括但不仅限于超级电容储能系统和/或电池储能系统;
[0058] 所述低温工质超临界发电系统或者机动设备启动时,由所述储能系统中的超级电容器储能系统和/或电池储能系统提供电力,驱动低温工质增压机、或所述低温液体泵运行,所述低温工质超临界发电系统或者机动设备进入发电程序并且开始做功发电;
[0059] 优选的,所述储能系统同时设置超级电容器储能系统和电池储能系统;所述超级电容器储能系统能为设备提供启动时强大电能输出,并且还能够适应设备反反复复的充电与放电,且使用寿命很长;电池储能系统作为所述超级电容器储能系统的后续电能储备;当然,如果所述超级电容器储能系统容量足够大,还可不设电池储能。
[0060] 优选的,所述控制系统还控制所述低温工质增压机和/或所述低温液体泵和/或所述燃烧系统;对于船舶等大型运输设备或机动设备,功率很大,因此一般不采用电动机来驱动,而是采用所述低温工质超临界气轮机高速旋转直接驱动设备,所述控制系统和所述储能系统,为所述低温工质增压机和/或所述低温液体泵提供驱动的能量,同时还能够通过控制所述燃烧系统,进而控制船舶运行速度;
[0061] 本发明实施例中,所述低温工质超临界发电系统或者机动设备,能够为火车、船舶、军舰等等大型移动设备提供动力;对于这些大型移动设备来说,需根据实际情况进行设计;低温工质增压机、低温液体泵也将是耗电巨大的设备,所述低温工质超临界气轮机的输出功率将更巨大;在这种情况下,优选的,所述低温工质超临界气轮机高速旋转直接输出机械能驱动火车、船舶长期运行;同时驱动发电机输出电能提供火车、船舶所有用电和连接储能设备,为超级电容器储能和/或电池储能系统提供电能,以备下次火车、船舶设备启动时,能够为所述低温工质增压机、低温液体泵提供充足的电能以及电能储备;确保火车、船舶等大型设备的各种电能需求。所述低温工质超临界发电系统或机动设备的效率很高,可增加汽车火车船舶的续航里程。
[0062] 第七方面,本发明实施例中,所述低温工质存储器为储存低温发电工质的压力容器;拥有限压及安全阀保护设备,壳体设有高效绝热保温材料;所存储的介子为标准大气压下,沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质;包括但不仅限于液氮、甲烷、液空、液氧、液氩、液氢,液氦的任意一种或多种组合;
[0063] 所述低温工质存储器为储存低温发电工质的压力容器,具有一定的耐压能力;由于低温发电工质的临界压力,通常都不是很高,因此一般低温液体储罐经过改进即可满足;为了控制所述低温工质存储器的内部压力,在所述低温工质存储器的壳体上,还设置有限压阀和/或安全阀保护设备,通过限压阀可以控制所述低温工质存储器内部的压力和温度;
同时这样设置也为防止真空绝热被破坏或搁置时间长,导致外部热能进入到低温液体储罐中造成温度和压力升高;没有超过所述低温工质存储器的允许压力,设备就很安全可靠;
[0064] 低温液体气化吸收大量的汽化潜热,释放后也会迅速降低所述低温液体工质的温度,这样设置就更加安全了,从事发电的人员对此有些陌生,但对于搞低温和空分的技术人员来说这不是技术难题,也都是很成熟的现有技术,在此也就不再过多赘述;
[0065] 优选的,所述低温工质存储器、低温液体泵、低温工质增压机、乏汽回热器、主换热器、低温工质超临界气轮机,所述低温设备或者低温部件以及相应的连接管道为耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温钢,铁素体低温钢;优选的,所述设备或低温部件及相应的连接管道外还设有绝热层;所述绝热层具有良好的绝热性能,包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉;
[0066] 可选的,还包括有冷箱,所述冷箱由高效绝热保温材料构成,并将所述低温设备放置在所述冷箱中;所述冷箱还设置有隔离;所述冷箱通过高度绝热的外壳对外部环境进行绝热,所述隔离再对不同温度的所述低温设备之间进行绝热和隔离。
[0067] 第八方面,本发明实施例中,所述低温工质超临界气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械,又称气体透平,因此,所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机;
[0068] 进一步的,所述气体透平采用耐低温材料,包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢;进一步的,所述气体透平的构造,需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性;
[0069] 传统气体透平是采用蒸汽作工质,高压蒸汽通过喷嘴,驱动汽轮机叶轮转子高速旋转,高压二氧化碳、高压氮气、高压空气等气体,通过喷嘴吹动气轮机转子叶轮,也一样能驱动气轮机叶轮转子旋转,气轮机喷嘴和叶轮不区分输入是高压水蒸汽,高压二氧化碳,还是高压空气、高压氮气;只要是高压流体驱动,气轮机的叶轮就会旋转;所述气体透平机械设备,如气动机、气体透平膨胀机、单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机等设备也都是一样,只要是有高压气体输入,不管是什么介子的气体,气轮机或者膨胀机的转子都会高速旋转。
[0070] 传统现有气动机、单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、气体透平膨胀机等设备,在本体结构上与汽轮机略有不同,但都属气体透平类设备,且基本都属小型气体透平(只有汽轮机可大可小,且应用最为广泛),但所有传统设备一般都应用于常温工质,如常温高压空气或者中高温水蒸汽或者有机朗肯循环的有机发电工质,但一般都没有考虑到低温领域的应用。低温和常温不同,一些常温或者高温钢材只适用于常温及高温领域,但是应用于低温领域后,会出现变脆甚至裂口的可能性,这是实际应用情况中是绝对不能够允许的;必须选择耐低温材料才能够解决该问题,包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。
[0071] 另外,所述低温工质气体透平设备,还需要将传统气体透平设备原有设备尾部“全部去掉”,只保留发电工质临界温度以上的部分;所述低温工质气体透平设备输入的高压气体,温度以及压力都必须要明显的高于低温发电工质的临界温度;所述低温工质气体透平设备输出端排出的乏汽,温度达到所述低温工质的临界温度;乏汽压力达到所述低温工质的临界压力;
[0072] 对于本发明实施例来说,其改造方法与所述气轮机相同,设备体积将会更小,驱动强劲;气轮机可大可小,通用性也更强,技术成熟,成本也比较低,其他的气体透平设备在市场上数量比较少,本发明实施例重点描述气轮机,其他设备相同,不再过多重复赘述。
[0073] 所述低温工质膨胀机、气动机,与所述低温工质超临界气轮机都属于气体透平机械,只是设备本体的结构略有不同;在本发明实施例中,所述低温工质膨胀机、气动机的输入端、输出端,管道连接方法和使用方法以及参数,与所述低温工质超临界气轮机完全相同,因此也属于本发明实施例所提供的范畴;
[0074] 第九方面,本发明实施例还提供有一种采用气轮机或膨胀机缸体高度密闭结构的轴封系统,所述气轮机或膨胀机由静止部分和转动部分构成;所述气轮机或膨胀机缸体轴封系统包括输入端轴封系统和输出端轴封系统;所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的输入端轴封系统,包括输入端缸体、输入端轴承和轴承座、输入端转轴、主蒸汽管道;所述输入端轴承和轴承座,包括有支撑轴承和推力轴承
[0075] 进一步的,在所述输入端轴承和轴承座的外面,还设置有绝热壳体;所述绝热壳体分上绝热壳体和下绝热壳体;所述下绝热壳体设在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内,并与所述气轮机或膨胀机的下汽缸紧密结合;所述输入端轴承和轴承座,安装在所述气轮机或膨胀机下汽缸内的所述下绝热壳体中;
[0076] 进一步的,所述下绝热壳体与所述上绝热壳体设有法兰,通过所述法兰和螺栓紧固,所述下绝热壳体与所述上绝热壳体的内腔,形成一个密闭的绝热空间;所述输入端转轴、所述输入端轴承和轴承座以及润滑油,被密闭在所述绝热壳体构成的绝热空间内部;
[0077] 进一步的,在所述绝热壳体包裹所述输入端转轴的接触位置,还设置有绝热壳体密封,所述绝热壳体密封阻止绝热壳体内的轴承润滑油,从绝热壳体密封处对外泄漏;优选的,所述绝热壳体与所主蒸汽管道之间,还设有输入端预留空间或者管道,所述输入端预留空间或管道设在下汽缸中,储存从绝热壳体密封处泄漏出来的润滑油,并通过第一管道阀将所述泄漏出来的脏润滑油排出;
[0078] 进一步的,所述气轮机或膨胀机的输出端,包括有气轮机或膨胀机排气管道、输出端缸体、输出端轴承和轴承座、联轴器和发电机;所述气轮机或膨胀机,将输出端轴承和轴承座、联轴器以及发电机,均隐藏设置到所述气轮机或膨胀机的输出端缸体内部;并对输出端缸体做安装发电机位置的改进,以便于适合安置发电机设备;
[0079] 优选的,所述气轮机或膨胀机输入端,以及所述气轮机或膨胀机的输出端,均隐藏设置到所述气轮机或膨胀机的缸体内,利用所述气轮机或膨胀机缸体的高度密闭性,进行转轴两端的轴封,避免所述低温工质,从所述气轮机或者膨胀机的转轴两端的轴封处泄漏。
[0080] 优选的,所述绝热壳体的上绝热壳体与下绝热壳体通过所述法兰和螺栓紧固,内部形成一密闭绝热空间,并在所述上绝热壳体顶部设有润滑油注入孔,令所述轴承和轴承座的绝热空间内部注入润滑油;
[0081] 优选的,所述绝热壳体还包括有与所述绝热壳体相连的润滑油输出管道、润滑油过滤器、润滑油冷却器和润滑油泵;所述润滑油泵输出的低温高压润滑油,经润滑油输入管道输送至所述绝热壳体内的轴承和轴承座;并为所述轴承和轴承座提供干净恒温的润滑油;绝热壳体内的高温和脏润滑油,通过润滑油输出管道输出,并输送至润滑油过滤器和润滑油冷却器降温,再经润滑油泵加压输给轴承,形成循环;
[0082] 优选的,所述润滑油过滤器、所述润滑油冷却器,和所述润滑油泵设置在所述气轮机的缸体外部;或者设置在所述气轮机或膨胀机的缸体内部,当设在缸体内部时,有换热管道与外界换热,以保障润滑油温度恒定;优选的,在所述气轮机或膨胀机设备的缸体外部或者内部,还设置有润滑油温度探头、润滑油压力探头、润滑油量探头,以及气轮机或膨胀机缸体内部的压力探头;上述探头时刻探测和连保护所述气轮机或者膨胀机设备的安全。
[0083] 值得注意的是,对于成本较昂贵的低温发电工质来说,所述气轮机或膨胀机设备转轴两端的发电工质泄漏,不但降低发电效率和产生泄漏成本,同时低温液体工质的补充也非常的麻烦。为解决低温工质超临界气轮机或膨胀机设备转轴两端的泄漏难题,申请人经过多年的研究发现,将低温工质超临界气轮机或膨胀机的输入端和输出端都隐藏到低温工质超临界气轮机或膨胀机设备缸体内,用缸体高度密闭性(可达近100%密封),可彻底解决低温工质超临界气轮机或膨胀机转轴两端的泄漏难题。另外,对于其他旋转机械设备,高压流体输入端和输出端也能采用与所述低温工质气轮机设备相同的密封技术和方法,从而实现和达到设备轴封系统的近零泄漏;这些也都属于本发明实施例所提供的技术范围。
[0084] 本发明实施例的有益效果是:
[0085] 本发明实施例所提供一种低温工质超临界发电系统或者机动设备,包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成;所述低温工质超临界气轮机排气管道出口,返回和连接所述低温工质存储器入口,形成循环;
[0086] 通过采用低温发电工质吸收环境热能,以及采用所述低温主换热器中的低温工质实现制冷,以及系统中没有设置对外界环境释放热能量的冷却塔设备,低温工质发电系统或机动设备的有效热效率提高,就意味着拥有该低温工质发电系统或机动设备的电动汽车、火车、船舶能够更加的节能,燃料燃烧产生的热能量充分的吸收和利用做功,有效热效率翻倍,也就意味着拥有该低温发电工质系统的移动设备,能够实现续航里程的增加和翻倍。附图说明
[0087] 为更清楚地阐述说明本发明实施例的技术方案,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发明的某些实施例,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;
[0088] 图1为本发明实施例提供的一种低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0089] 图2为本发明实施例提供的一种带乏汽回热器的低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0090] 图3为本发明实施例提供的一种带燃烧系统的低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0091] 图4为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,及低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0092] 图5为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,所述换热器设置在所述低温液体燃料存储器内的底部;
[0093] 图6为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,低温工质存储器与低温液体燃料存储器为相同的低温液体存储器;
[0094] 图7为一种轴承在缸体外的低温氮气普通气轮机,乏汽温度低至氮气(-196℃)标准沸点的气轮机结构示意图,用作参考和对比;
[0095] 图8为本发明实施例提供的一种“砍掉传统气轮机尾部”,输出端乏汽温度达到氮气(-147℃)临界温度的气轮机结构示意图;
[0096] 图9为本发明实施例提供的一种将气轮机设备输入端轴承,输出端轴承及发电机,均放置到所述气轮机缸体内的结构示意图;
[0097] 图10为本发明实施例提供一种将气轮机设备输入端轴承,输出端轴承及发电机均放置到所述气轮机缸体内,并且输出端乏汽温度达到氮气(-147℃)临界温度的低温工质气轮机结构示意图;
[0098] 发电系统部分图标:
[0099] 1-低温工质存储器;2-低温工质增压机;3-低温液体泵;4-主换热器;401-低温主换热器;402-锅炉(燃烧器);5-低温工质超临界气轮机(或膨胀机);6-发电机;600-控制系统;601-电动机;602-储能系统;7-乏汽回热器;701-乏汽回热器低温管路;702-乏汽回热器高温管路;900-低温液体燃料存储器;9-换热器(多个);901-低温燃料管道;902-高温乏汽管道;903-控制器;904-节流阀
[0100] 低温工质气轮机部分的图标:
[0101] (膨胀机等气体透平设备与所述气轮机只是设备本体略不同,对本发明实施例特征来说改动相同,因此不再过多的重复赘述)
[0102] 20-气轮机主蒸汽管道;21-气轮机排气管道;101-气轮机转轴;102-绝热壳体;103-输入端轴承和轴承座;104-轴封;105-气轮机设备缸体;106-转子叶轮;107-气轮机隔板;108-输出端轴封;9-输出端绝热壳体;10-输出端轴承和轴承座;11-联轴器;12-发电机;
13-第三管道阀门;14-第三管道出口;15-第二管道出口;16-第二管道阀门;17-输出端预留空间或管道;18-输出端预留隔热区;19-输入端预留隔热区;22-绝热壳体密封;23-输入端预留空间或管道;24-第一管道阀门;25-第一管道出口;26-润滑油输出管道;27-润滑油储存器;28-润滑油过滤器;29-润滑油冷却器;30-润滑油泵;31-润滑油高压输入管道;32-输出端绝热壳体密封;

具体实施方式

[0103] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0104] 图1为本发明实施例提供的一种低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;在图1中,如所述低温工质存储器1中储存的低温发电工质为临界压力下,临界温度为-147℃的液氮或液空;当所述低温工质存储器1中的低温工质处于临界状态超临界状态时,气相与液相之间差别消失,潜热为0;通过所述低温工质增压机2加高压,输送至所述主换热器4中,如热水换热器中加热,约-147℃的氮气温度提升达到30℃以上;压力达到5Mpa以上,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转做功,输出机械能或者带动发电机6高速旋转输出电能;与此同时,所述低温工质超临界气轮机5中的高温高压气体,温度和压力也在不断的降低,当低温工质超临界气轮机5中的气体温度降低到临界温度时(液氮工质的临界温度约-147℃),压力降低到临界压力时(约3.4Mpa),所述低温工质超临界气轮机5就不再继续做功,而是直接对外排出临界温度和临界压力的乏汽;
[0105] 此时乏汽虽是气体,但乏汽的密度却接近于液体密度,被所述低温工质增压机2提升压力,输送至所述主换热器4中继续加热,氮气温度达到30℃以上;压力达5Mpa以上,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转做功,输出机械能或者带动发电机6高速旋转输出电能;如此不断循环;
[0106] 所述发电机6输出连接所述控制系统600,所述控制系统600连接并驱动电动机601,由所述控制系统600控制所述电动机601的启停及控制所述电动机601的转速;
[0107] 进一步的,所述控制系统600还连接有储能系统602;所述储能系统602包括但不仅限于超级电容储能系统和/或电池储能系统;
[0108] 优选的,所述控制系统600还控制所述低温工质增压机2和/或(图2中)所述低温液体泵3和/或所述燃烧系统。
[0109] 图2为本发明实施例提供的一种带乏汽回热器的低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0110] 如图2所示,所述低温工质超临界气轮机5的输出端还设有乏汽回热器7,所述乏汽回热器低温管道701设置在所述低温工质增压机2与所述主换热器4之间;所述乏汽回热器高温管道702设置在所述低温工质超临界气轮机5与所述低温工质存储器1之间;所述乏汽回热器7的作用是将所述低温工质超临界气轮机5排气管道输出的高温乏汽中,多余的高温能量置换到所述低温工质增压机2输出的低温发电工质中,一方面便于更加低温的高压乏汽流体返回所述低温工质存储器1中备用;另外,所述低温工质超临界气轮机5排气管道所输出的乏汽中多余的高温能量,又被重新利用,没有被浪费;
[0111] 图3为本发明实施例提供的一种带燃烧系统的低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0112] 所述锅炉402还包括有燃烧系统,所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器900、控制器903、和燃烧器或者锅炉402构成;
[0113] 所述燃料存储器900中的燃料,经过控制器903的调节与控制后,被输送至所述燃烧器或锅炉402中燃烧,产生的高温热能量加热所述锅炉402管道,所述锅炉402管道中的低温发电工质,受热后形成为高温高压气体,驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转对外输出机械能,或者带动发电机6高速旋转对外输出电能;
[0114] 所述燃料存储器900中所储存的燃料,包括但不仅限于天然气、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、生物燃料的任意一种;
[0115] 图4为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,及低温工质超临界发电系统或者机动设备的连接示意图;
[0116] 图4中所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器900,换热器9(多个),控制器903,燃烧器或者锅炉402构成;所述换热器9数量为1的整数倍,设置在所述低温工质超临界气轮机5与所述低温工质存储器1之间或者所述乏汽换热器高温管道702出口与所述低温工质存储器1之间,
[0117] 所述低温液体燃料,包括但不仅限于LNG液体、液氢;
[0118] 低温液体燃料储存在所述低温液体燃料存储器900中,通过管道输送至所述换热器9中与乏汽管道中的高温乏汽换热,所述换热器9与低温工质超临界气轮机5排气管道输出的高温高压乏汽换热,令高温高压乏汽冷凝成为液体返回低温工质存储器1中;
[0119] 与此同时,所述低温液体燃料存储器900中的低温液体燃料吸热气化成为可燃气体,经所述控制器903调节控制后,可燃气体被输送至所述燃烧器或者锅炉402中燃烧,加热所述高温主换热器管道或者锅炉402管道中的低温发电工质,所述高温主换热器管道或者锅炉402中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后形成高温高压气体,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机5高速旋转对外输出机械能或者带动发电机6旋转对外输出电能;
[0120] 图5为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,所述换热器设置在所述低温液体燃料存储器内的底部;
[0121] 与图4区别,如图5添加一个换热器9,设置到所述低温液体燃料存储器900底部,和/或在低温液体燃料存储器900的顶部设置所述换热器9与低温工质超临界气轮机5排气管道输出的高温乏汽换热,令高温高压乏汽冷凝成为液体返回低温工质存储器1中;
[0122] 图6为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的燃烧系统,低温工质存储器与低温液体燃料存储器为相同的低温液体存储器;
[0123] 与图5区别,如图6所示,所述低温液体燃料存储器900与所述低温工质存储器1中所储存的低温工质(如低温液体燃料LNG)为相同的低温液体时,所述低温工质存储器1与所述低温液体燃料存储器900合并为一个相同的低温液体存储器1;同时增加节流阀904,通过所述节流阀904控制,实现低温工质存储器1中保持需要的压力。
[0124] 图7为一种轴承在缸体外的低温氮气普通气轮机,乏汽温度低至氮气(-196℃)标准沸点的气轮机结构示意图,用作参考和对比;
[0125] 如图7所示,传统方式的气轮机设备,气轮机转轴101两端轴承,包括输入端轴承和轴承座103,及输出端轴承和轴承座10,以及联轴器11和发电机12,一般都设在气轮机设备缸体105的外部;气轮机转轴101两端的轴端密封,是通过输入端轴封104和输出端轴封108来实现,传统轴封有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封;气轮机虽装有轴封但仍存在着泄漏问题,现大型汽轮机气封的泄漏量每小时可达10吨以上。这种泄漏也是很大的,尤其是成本昂贵的低温液体工质,轴端汽封泄漏将是非常痛苦。
[0126] 图7所示的一种传统朗肯循环的低温氮气工质气轮机,气轮机主蒸汽管道20,输入的气体温度为0℃以上,蒸汽在气轮机设备中做功,温度也不断的降低,当温度降到图1中所标记的-147℃临界温度位置(潜热为0),当气体温度低于氮气临界温度,乏汽中便开始有潜热,并且随着乏汽温度降低,氮气中所蕴藏的潜热也将越来越大,气轮机排气管道21的温度降低到氮气的-196℃沸点温度,潜热达199kj/kg,因乏汽温度非常低温,巨大的低品位潜热能很难释放出去,因此朗肯循环也就难以进行,这也是低温工质发电难以实现的最主要原因。
[0127] 图8为本发明实施例提供的一种“砍掉传统气轮机尾部”,输出端乏汽温度达到氮气(-147℃)临界温度的气轮机结构示意图;
[0128] 图8与图7的气轮机输入端,气轮机本体的前半部分和输出端发电机部分与传统气轮机相同,但所述气轮机末级叶片和次末级叶片被“全部砍掉”,排气管道所输出的乏汽温度达到或者略微高于氮气的(约-147℃)临界温度,所述气轮机设备的体积也将缩小很多;
[0129] 图8中所述气轮机主蒸汽管道20仍然输入(0℃以上)高压氮气,通过所述气轮机本体将高温高压氮气能量转变为高速旋转的机械能,高压氮气在气轮机中不断的做功,温度和压力也会不断降低,当所述低温工质超临界气轮机温度降低到图5所标记的(-147℃)临界温度点后,所述低温工质超临界气轮机从排气管道直接排出(-147℃)的高温乏汽,压力约为临界压力(约3.4MPa);此时的密度最大,拥有近似液体的密度,潜热为0,气相与液相之间的差别消失;
[0130] 图9为本发明实施例提供的一种将气轮机设备输入端轴承,输出端轴承及发电机,均放置到所述气轮机缸体内的结构示意图;
[0131] 为解决气轮机设备转轴两端泄漏难题,申请人经过近20年研究发现,将气轮机输入端和输出端隐藏到气轮机缸体内,用所述气轮机缸体高度密闭结构(可达100%密封),解决所述气轮机转轴两端的泄漏难题;
[0132] 如图9所示,以高压进气口20和顶部A线往左所示意为所述气轮机设备的输入端;主蒸汽管道20与乏汽管道21之间为所述气轮机设备本体,如图中A线和C线中间的B部分所示;乏汽管道21和顶部C线往右所示意的为所述气轮机设备的输出端;
[0133] 如图9所示的气轮机,绝热壳体102分上绝热壳体和下绝热壳体(图9所示为气轮机的下绝热壳体);设置在气轮机转轴101的端头轴承位置,所述下绝热壳体设在下缸体内,且与气轮机缸体105的下缸体紧密结合;所述输入端轴承和轴承座103设在所述绝热壳体102的下绝热壳体中,支撑气轮机转轴101重量,还有推力轴承限制气轮机转轴101轴向移动;绝热壳体102与气轮机转轴101的接触位置,设有绝热壳体密封22,所述绝热壳体密封22阻止绝热壳体102内的轴承润滑油从绝热壳体密封22处对外产生泄漏;
[0134] 可选的,高压进气口20与输入端之间还设有轴封104,可选的,所述轴封104与绝热壳体102之间,还设有输入端预留隔热区19,目的是隔离和降低高压主蒸汽管道20输入的温度,影响到绝热壳体102及里面的输入端轴承和轴承座103;由于绝热壳体102的上绝热壳体和下绝热壳体是密闭结构,压力与高压进气口20输入压力相同,因此高压进气口20输入的高压气体,很难进入到绝热壳体102内部。同时还有轴封104和绝热壳体密封22;所述绝热壳体密封22还可设置两个,这样设置可使主蒸汽管道20输入的高温高压气体很难进入,同时也可避免绝热壳体102中的润滑油很难泄漏出来;
[0135] 可选的,在绝热壳体密封22与输入端预留隔热区19之间,还设有输入端预留空间或管道23,所述输入端预留空间或管道23隔离,同时储存从绝热壳体密封22处泄漏出来的润滑油,并通过第一管道阀门24和第一管道出口25将所述泄漏的润滑油排出;
[0136] 优选的,如图9所示,所述绝热壳体102和下缸体105的外部,还设有与所述绝热壳体102相连的润滑油输出管道26、润滑油储存器27、润滑油过滤器28、润滑油冷却器29、及润滑油泵30和润滑油高压输入管道31,通过所述润滑油高压输入管道31将充足的,干净的,低温的(可控温度的)润滑油,输送至所述绝热壳体102内,提供给输入端轴承和轴承座103,充足的,干净的,低温的润滑油保障;确保输入端轴承和轴承座103能够安全和稳定运行。
[0137] 所述润滑油储存器27,润滑油过滤器28、润滑油冷却器29,可以进行组合,然后通过润滑油泵30和润滑油高压输入管道31,将润滑油输送至所述绝热壳体102内的轴承和轴承座103;
[0138] 可选的,所述润滑油过滤器28、润滑油冷却器29、和润滑油泵30可设在气轮机设备的缸体105外部;也可以设在气轮机的缸体内部,当润滑油冷却器29设置在缸体内部时,所述润滑油冷却器29中有管道与外界联系,通过管道内的介子流动,将缸体内润滑油热量传递到缸体外,通过换热器冷却后返回到缸体内部。
[0139] 优选的,将所述气轮机的输入端和输出端均放到气轮机设备的缸体105内部,用所述气轮机缸体的高度密闭性结构(近100%密封)进行气轮机转轴101的轴端密封,避免高压气体从所述气轮机转轴101两端的轴封处泄漏。所述气轮机的输出端实施方案如下:输出端轴承和轴承座10,设在远离输出端轴封108的位置;优选的,输出端预留隔热区18;输出端轴承和轴承座10设在输出端绝热壳体9中,输出端绝热壳体9与输入端结构相同,分下绝热壳体和上绝热壳体,所述下绝热壳体与气轮机设备缸体105的下缸体紧密结合,输出端上绝热壳体与下绝热壳体通过法兰和螺栓紧固,内部形成一个密闭的绝热空间;可选的,所述上绝热壳体顶部设润滑油注入孔,令所述轴承和轴承座10的绝热空间内注入润滑油;具体实施与输入端相同,不再过多赘述;需要说明的是,输出端绝热壳体9与转轴101拥有两个接触位置,因此输出端绝热壳体密封32有两个,如图3所示分别设置在与转轴101相接触的两个接触位置;所述输出端绝热壳体密封32阻止输出端绝热壳体9内的轴承润滑油从输出端绝热壳体密封32处对外泄漏;输出端气轮机转轴101的轴端,还设置有联轴器11与发电机12的转轴进行联轴,方便发电机12的检修和更换;
[0140] 优选的,输出端预留空间或管道17分别设置在输出端绝热壳体9两侧的下缸体105内,储存从输出端绝热壳体密封32处泄漏出的润滑油,并通过第二管道阀门16和第三管道阀门13将泄漏出的润滑油排出;需说明,输出端发电机12产生电能,通过设在气轮机设备缸体105上的接线端子引出,不会影响所述气轮机的密封性能。
[0141] 所述气轮机高压主蒸汽管道20和气轮机排气管道21,都是采用密闭性能优良的法兰和螺丝紧固,不会出现泄漏,因此本发明实施例所提供的气轮机设备拥有多重密封措施。值得注意的是,本发明实施例提供的转轴密封系统对于其他的旋转机械设备,高压气体输入端和输出端,也能采用与所述气轮机设备相同的密封技术和方法,从而实现和达到转轴密封系统的近零泄漏,也属于该范畴。该技术相对较独立,具有独立技术特征,在引用这些技术时,也需要得到申请人认可。
[0142] 图10为本发明实施例提供一种将气轮机设备输入端轴承,输出端轴承及发电机均放置到所述气轮机缸体内,并且输出端乏汽温度达到氮气(-147℃)临界温度的低温工质气轮机结构示意图;
[0143] 图10中,采用气轮机设备缸体进行轴端密封,该系统的密封性能(可达到近100%)与图9相同可以达到接近零泄漏;低温发电工质接近零泄漏,不但可以减少成本昂贵的低温发电工质流失,同时还能提高所述发电系统以及动力系统的整体发电效率;
[0144] 如图10所示,本发明实施例提供的低温工质超临界气轮机,当温度降到发电工质氮气的临界状态(约-147℃,压力约3.4MPa临界压力),就不再继续做功,而是直接通过低温工质超临界气轮机排气管道21排出,因此所述低温工质超临界气轮机具有体积小,动力强劲、成本低的优势;低温工质发电系统或机动设备的有效热效率提高,就意味着拥有该低温工质发电系统或机动设备的电动汽车、火车、船舶能更加的节能,燃料燃烧产生的热能量充分的吸收利用做功,同时还能够利用低温发电工质吸收环境空气能量,有效热效率翻倍,也意味着拥有该系统的机动设备,能够实现续航里程的增加和翻倍。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈