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一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备

阅读:174发布:2022-11-08

专利汇可以提供一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备专利检索,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的制冷系统及 制冷设备 ,属于超低温 热机 发电技术领域;本系统使用更低沸点的液空或液氮等极其低温的发电工质,沸点低至-196℃,临界 温度 也低至零下-147℃,可以实现10℃以上热 水 或者热空气发电;本实施例核心是利用 临界状态 解决极低温工质循环,并且采用低温工质气轮机缸体 轴封 解决 泄漏 难题等等;使本实施例形成一套完整高效的超低温发电系统;尤其涉及利用炎热夏季高温空气或水所蕴藏的 热能 高效发电的技术;主要应用于炎热夏季大型办公楼、学校医院、商场、机场、高 铁 站等需制冷 空调 的场所及领域,更适合赤道附近高温区域。,下面是一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备专利的具体信息内容。

1.一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,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;
所述主换热器设在低温工质增压机与低温工质超临界气轮机之间;所述主换热器是与待冷却介子或者待冷却设备或者载冷剂进行换热的主要设备,充分吸收所述待冷却介子或待冷却设备或载冷剂的热能,实现所述待冷却介子或待冷却设备或载冷剂的温度降低;
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量,体积迅速膨胀,形成高温高压气体输送至所述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、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的制冷系统及制冷设备,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到一起。
3.根据权利要求1-2所述的低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,其特征在于,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。
4.根据权利要求1-3所述的低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,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,以及锅炉构成;所述换热器数量为1的整数倍,设置在低温工质超临界气轮机与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。
5.根据权利要求1所述的低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,其特征在于,所述主换热器是与待冷却介子或待冷却设备或载冷剂换热的主要设备,充分吸收待冷却介子或待冷却设备或载冷剂的热能,令待冷却介子或待冷却设备或载冷剂的温度降低;同时主换热器中的低温发电工质吸热气化形成高压,输入并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转,输出机械能或带动发电机高速旋转输出电能;
所述主换热器还包括有道换热系统或者空气换热系统;由主换热器或者由主换热器与风扇构成;所述风扇高速旋转,令热空气加速与所述主换热器充分的换热;热空气变成为冷空气进入风道,被输送至需要制冷的地方;同时主换热器管道中的低温工质吸收空气热能,气化形成高温高压气体,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能;
优选的,所述主换热器还设置有载冷剂循环,所述载冷剂循环包括依次连接的液体泵、所述主换热器、低温载冷剂管道、制冷换热器、热载冷剂管道;所述热载冷剂管道连接所述液体泵,形成循环;
所述热载冷剂管道中的高温液体载冷剂,通过所述液体泵加压,与所述主换热器中的低温发电工质充分的换热,失去热能量的低温液体载冷剂,通过所述低温载冷剂管道,被输送至各各制冷换热器中,所述各制冷换热器设置在各待冷却空间中或者各办公室房间中,经过充分的换热后,所述制冷换热器中的低温载冷剂吸热变成为高温载冷剂,并汇集到所述热载冷剂管道中,再通过所述液体泵加压,与所述主换热器中的低温发电工质充分的换热,如此不断的循环。
6.根据权利要求1-5所述的低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,其特征在于,所述低温工质存储器为储存低温发电工质的压力容器;拥有限压阀和安全阀保护设备,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;
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、热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器、热泵节流阀或膨胀机,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;
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;
优选的,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;优选的,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的制冷系统及制冷设备,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的制冷系统及制冷设备,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者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所述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的制冷系统及制冷设备,和所述的气轮机设备,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的制冷系统及制冷设备的工艺,适用于权利要求1-9中任一项所述低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,和所述低温工质超临界气轮机设备;
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液态或者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,如热换热器中加热,约-147℃的氮气温度提升达到0℃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压力的乏汽;此时乏汽虽是气体,但乏汽密度接近液体密度,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0℃以上;压力达5Mpa以上,驱动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高速旋转输出电能;如此不断循环,不断吸收热水热能和发电输出;
进一步的,所述低温工质超临界气轮机输出端还设有乏汽回热器,所述乏汽回热器低温管道设在低温工质增压机与主换热器之间;所述乏汽回热器高温管道设在低温工质超临界气轮机与低温工质存储器之间;所述乏汽回热器的作用是将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返回所述低温工质存储器中备用;另外,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,没有被浪费;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到一起;
当低温工质存储器中的低温工质,温度低于临界温度,并且低于该压力下的沸点温度,所述低温工质存储器中的下半部分为液体时,优选的,系统中还设置有低温液体泵;所述低温液体泵入口与所述低温工质存储器底部的液体工质连通;所述低温液体泵出口与低温工质增压机出口或者所述主换热器连通;当所述低温工质存储器中的低温工质处于临界状态或(略微)超临界状态时,气相与液相之间的差别消失,所述低温液体泵与所述低温工质增压机也合并成为一个增压设备;
所述低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,还包括有热泵系统,所述热泵由依次连通的热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器、热泵节流阀或膨胀机构成;所述热泵蒸发器设置在所述低温工质超临界气轮机出口与所述低温工质存储器之间,所述热泵冷凝器设置在所述低温工质增压机与所述主换热器之间;所述低温热泵系统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,多余的高温能量热泵转移到所述低温工质增压机输出的低温发电工质中;一方面可以使更加低温度的高压乏汽流体返回所述低温工质存储器中储存和备用;另外,所述低温工质超临界气轮机排气管道所输出的高温乏汽中多余的高温能量,又被重新利用和做功发电,没被扔掉和浪费;
优选的,所述主换热器设置有载冷剂循环,所述载冷剂循环包括依次连接的液体泵、所述主换热器、低温载冷剂管道、制冷换热器、热载冷剂管道;所述热载冷剂管道连接所述液体泵,形成循环;
所述热载冷剂管道中的高温液体载冷剂,通过所述液体泵加压,与所述主换热器中的低温发电工质充分的换热,失去热能量的低温液体载冷剂,通过所述低温载冷剂管道,输送至各各制冷换热器中,所述各制冷换热器设置在各待冷却空间中或者各办公室房间中,经过充分的换热后,所述制冷换热器中的低温载冷剂吸热变成高温载冷剂,并汇集到所述热载冷剂管道中,再通过所述液体泵加压,与所述主换热器中的低温发电工质充分的换热,如此不断的循环。

说明书全文

一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备

技术领域

[0001] 本发明涉及制冷技术和制冷设备以及热机发电的相关领域,尤其涉及一种采用超低温工质发电的节能制冷系统和制冷设备及工艺。

背景技术

[0002] 随着时代的发展,制冷行业已经成为衡量一个社会经济实、科技平与人民生活质量的重要标志之一,制冷技术在工业、农业、科学技术及国防等领域具有越来越重要的作用。
[0003] 制冷就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度,并维持这个低温的过程;现有制冷系统一般由4个基本部分,即压缩机冷凝器、节流部件、蒸发器组成。由管将四大件按一定顺序连接成一个封闭系统,系统内充注一定量的制冷剂。现在一般采用的是水、、CO2、R12、R22、R134a、R290、R404、R407C、R433b、R410和R600a等制冷剂,这些都是更节能、环保、高效的制冷剂,俗称氢制冷剂,无毒,不会对臭层产生任何破坏;但是由于都是烷类,但都具有可燃与爆炸性质。
[0004] 一般制冷机的制冷原理,是压缩机的把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽,使蒸汽的体积减小,压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽,使之压力升高后送入冷凝器,在冷凝器中冷凝成压力较高的液体,经节流节流后,成为压力较低的液体后,再送入蒸发器,在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽,再送入压缩机的入口,从而完成制冷循环。传统的制冷空调,是将室内热能转移到室外,额外加消耗的电能,一起被室外机散发到室外,采用的是热能“转移法”来实现室内、机场、办公楼、酒店、高站、学校、医院等场所的温度降低。目前的制冷技术,基本都需消耗能量,从而实现“热能转移”与制冷。
[0005] 在炎热夏季,室内空气或者室外环境温度都相对比较高。人们在炎热的夏天感觉非常不舒服,因此好多人都购买空调等制冷设备进行防暑降温。但是空调和制冷设备的耗能很大;尤其是大型飞机场、大型会议室,大型礼堂、电影院、酒店宾馆、大型商场商店、图书馆、会堂、医院、展览馆,以及高铁站、汽车站、轮船中,也都不同程度地安装有空调和制冷设备,这些大型空调设备的耗电量也是非常的惊人。炎热夏季,空气和海水中蕴藏着大量热能,尤其是非洲等赤道国家;如何将空气或海水中蕴藏的大量热能有效利用和发电是本申请亟须解决的问题。
[0006] 另外,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,该发电技术采用了沸点温度约15℃的有机工质,可以实现对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的原理大体相同,因为采用了约15℃沸点的有机工质朗肯循环发电,所以才能够对80℃(甚至60℃)以上的热水和热蒸汽进行发电。
[0007] 对于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,最大难点是汽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液空、或者液氮等更加低温的发电工质,不但可以实现更低温度的热能发电;同时液空、液氮,每吨成本仅几百元,相对有机工质(近10万元)成本低很多。
[0009] 传统的制冷空调设备都是采用消耗能量的逆卡诺热泵技术;炎热的夏季,消耗一部分电能并将室内的热能转移到室外,属于一种“热能量转移”的技术范畴;本实施例所提供的是采用极其低温发电工质,如液氮液空,通过所述低温工质增压机提升压力,输送至所述主换热器中与炎热夏季环境中空气或环境中热水充分换热,液氮吸收炎热夏季的环境热空气(或者温水)的热能后,温度达到0℃以上,迅速气化形成高压气体,输入并驱动气轮机或膨胀机等气体透平设备,高速旋转输出机械能,或者带动发电机高速旋转发电和输出电能;
[0010] 在炎热的夏季,室内外环境中的热空气(或者约30℃的温水)与换热器中极其低温的液氮(沸点约-196℃,临界温度约-147℃)充分换热,温度会迅速的降低到大约0℃(甚至零下-20℃都有可能),如果与约30℃水换热,温度需要控制在0℃以上,除制外最好不要让水结冰;本发明实施例是通过极其低温的发电工质,与炎热夏季空气或水换热,吸收炎热夏季的热空气或者水的能量(水在此相当于是一种载冷剂,也包括其他载冷剂)。液空、液氮等极其低温工质,吸收热空气或水的热能后,气化形成高压气体,驱动低温工质超临界气轮机或膨胀机高速旋转输出机械能或带动发电机输出电能,将炎热夏季的热空气或温热水等低温热源蕴藏的热能量转为电能输出;
[0011] 本申请是利用炎热夏季热空气或者热水降低为冷空气或冷水的温差发电;为解决这些难题,申请人经过近二十多年的不断研究探索,最终找到一种高效的低温工质超临界发电的技术,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。

发明内容

[0012] 本发明实施例提供一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,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,返回和连接低温工质存储器入口,形成闭路循环;
[0013] 所述主换热器设置在低温工质增压机与低温工质超临界气轮机之间;所述主换热器是与热空气或者载冷剂进行换热的主要设备;
[0014] 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;
[0015] 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;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;
[0016] 达到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量,体积膨胀,形成高温高压气体输送至所述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] 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,以及所述低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,才能够正常的进行运转;因此,在没有确定好这种超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的情况下,所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机,也是无法进行研究和生产制造的。
[0018] 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;
[0019] 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;
[0020] 所述低温工质超临界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、铁素体低温钢;
[0021] 汽轮机通常指水蒸汽,因本申请中为低温气体介子,工质中没水蒸汽,因此就将汽轮机改为气轮机,其它气体透平设备雷同,不再赘述;
[0022] 本发明实施例是这样实现的:
[0023] 第一方面,本发明实施例提供一种超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,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,返回和连接低温工质存储器入口,形成循环;
[0024] 所述低温工质存储器拥有限压及安全阀保护设备,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;
[0025] 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;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;
[0026] 所述低温工质增压机为提升流体压力的驱动设备;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;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空气或者载冷剂进行换热的主要设备;在所述低温工质超临界发电系统或者设备中,主要目的除实现制冷功能还有发电输出的功能,因此,在实现吸热实现制冷功能,所述主换热器还可再继续串联太阳光热换热器或余热换热器等热源,从而实现更多发电;
[0027] 进一步的,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;连接所述低温工质存储器入口;
[0028] 达到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量,体积膨胀,形成高温高压气体输送至所述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;
[0029] 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,但是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;
[0030] 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;
[0031] 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;
[0032] 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;
[0033] 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;
[0034] 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;
[0035] 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;
[0036] 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;
[0037] 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;
[0038] 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;
[0039] 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;或者在所述乏汽管道中设置有低温热泵,能通过低温热泵将乏汽中多余的能量转移,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;
[0040] 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;
[0041] 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。
[0042] 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置在低温工质增压机与主换热器之间;所述乏汽回热器的高温管道设置在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。
[0043] 第四方面,本发明实施例中,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;所述低温液体泵出口与所述低温工质增压机出口连通;所述低温液体泵单独设置,或者与所述低温工质增压机设置在一起。
[0044] 第四方面,本发明实施例中,所述主换热器是与待冷却介子或者待冷却设备进行充分换热的主要设备,吸收所述待冷却介子或者待冷却设备或者载冷剂的热能,实现所述待冷却介子或者待冷却设备或者载冷剂的温度降低;同时所述主换热器中的低温发电工质吸热气化形成高压,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转,输出机械能或带动发电机输出电能;
[0045] 所述主换热器还包括有道换热系统或者空气换热系统;由主换热器或者由风扇和主换热器构成;所述风扇高速旋转,令热空气与所述主换热器充分的换热;热空气变成为冷空气进入风道,被输送至需要制冷的地方;主换热器管道中的低温工质吸收热空气的热能,气化形成高温高压气体,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转做功,输出机械能或者带动发电机高速旋转输出电能;
[0046] 本实施例为能够更好的实现制冷换热效果和传递所述主换热器产生的冷量,所述主换热器还设置有载冷剂循环,所述载冷剂循环包括依次连接的液体泵、所述主换热器、低温载冷剂管道、制冷换热器、热载冷剂管道构成,所述热载冷剂管道连接所述液体泵;
[0047] 所述液体泵将液体热载冷剂(水或其它低凝固点的液体载冷剂)输送至所述主换热器,与所述主换热器中极低温发电工质充分换热,将所述热载冷剂液体变成低温载冷剂,通过低温载冷剂管道输送至待冷却物体或者空间;包括但不仅限于办公楼及酒店各房间、学校、医院、体育场馆等等,各房间设有阀控制各个房间的制冷量,因炎热夏季空气中蕴藏的热能量,将低温载冷剂(水或其它低凝固点的液体载冷剂)变成热载冷剂,再通过所述液体泵施加压力后,被输送至所述主换热器中与极其低温发电工质充分的换热,将所述热载冷剂液体变成低温载冷剂,如此循环不断的实现各房间的制冷;
[0048] 第五方面,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;
[0049] 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;
[0050] 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、热泵蒸发器、热泵压缩机、热泵冷凝器、热泵节流阀或膨胀机,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;
[0051] 优选的,所述设备或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;
[0052] 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。
[0053] 第六方面,本实施例中,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为机械功的旋转动力机械,因此还包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机;
[0054] 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;
[0055] 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;
[0056] 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。
[0057] 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。
[0058] 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;
[0059] 对于本实施例来说,其改造方法与所述气轮机相同,设备体积将会更加小,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,本实施例重点描述气轮机,其他设备相同,不再过多重复赘述。
[0060] 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;
[0061] 第七方面,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
[0062] 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;
[0063] 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;
[0064] 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;
[0065] 优选的,所述气轮机或膨胀机主蒸汽管道与输入端所述绝热壳体之间,还设置有轴封;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,并通过第一管道阀门将所述泄漏出来的脏润滑油排出;
[0066] 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;
[0067] 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。
[0068] 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;
[0069] 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;
[0070] 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;或设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;
[0071] 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。
[0072] 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设备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),可彻底的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。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超临界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。
[0073] 第八方面,本发明实施例为能够更好的说明低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,和所述低温工质超临界气轮机,具有实用性、新颖性、创造性,也为便于更好理解,本发明实施例还提供一种低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的工艺;具体实施如权利要求10所述内容:
[0074] 本发明实施例的有益效果是:
[0075] 本发明实施例提供一种超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备,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,返回和连接低温工质存储器入口,形成闭路循环;
[0076] 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,达到所述低温发电工质的临界压力;达到临界压力的所述低温发电工质,密度接近液体,储存在所述低温工质存储器中,经低温工质增压机提升压力;输送到主换热器中吸收外界的热能量,体积膨胀,形成高温高压气体输送至所述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;
[0077] 所述低温工质超临界气轮机或者膨胀机排气管道输出的乏汽达到临界温度及临界压力,相比传统的汽轮机设备,不仅精简体积,而且还降低传统汽轮机叶片过长造成的颤振和断裂几率,减小故障,提高了气轮机设备的可靠性,并且还能够降低汽轮机的制造成本。
[0078] 通过所述低温工质增压机、所述主换热器、所述低温工质超临界气轮机设备、乏汽回热器等设备协同作用,实现一种高效率的发电系统。通过提高乏汽温度及压力,当所述低温工质存储器中的低温工质处于临界状态时,气相与液相之间的差别消失;采用低温工质增压机提升压力,就能输出临界温度(约-147℃)低温发电工质,对低温热源及中温热源吸热,驱动低温工质超临界气轮机输出机械能或者带动发电机输出电能;
[0079] 在炎热夏季,室内外环境中的热空气(或者水或者载冷剂等等)与换热器中的超低温发电工质充分换热后,空气温度会降低到约0℃(甚至零下-20℃),为实现超低温工质超临界发电的制冷技术和制冷设备的应用打开大门,尤其适合赤道附近的高温区域(为多发电还可添加太阳能光热及余热);同时也为大型办公楼、酒店、机场、高铁站、大型医院、学校、体育场馆、商场、电影院等需要制冷空调的场所及领域;采用超低温发电的制冷系统及制冷设备应用打开大门。附图说明
[0080] 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;
[0081] 图1为本发明实施例提供的一种超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的系统连接示意图;
[0082] 图2为本发明实施例提供的一种带乏汽回热器的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;
[0083] 图3为本发明实施例提供的一种带低温液体泵和乏汽回热器的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;
[0084] 图4为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;
[0085] 图5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;
[0086] 图6为本实施例提供的一种“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;
[0087] 图7为本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;
[0088] 图8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的临界状态的低温工质超临界气轮机结构示意图;
[0089] 发电制冷部分图标:
[0090] 1-低温工质存储器;2-低温工质增压机;3-乏汽回热器;301-乏汽回热器低温管道;302-乏汽回热器高温管道;4-主换热器;42-高温主换热器或者锅炉;400-液体泵;401-低温载冷剂管道;402-制冷换热器;403-热载冷剂管道;5-低温工质超临界气轮机;6-发电机;7-低温液体泵;900-低温液体燃料存储器;9-换热器;901-换热器低温管道;903-控制器
[0091] 低温工质气轮机部分的图标:
[0092] (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)
[0093] 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-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

[0094] 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。
[0095] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明实施例而了解。本发明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。
[0096] 图1为本实施例提供的一种超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的系统连接示意图;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达到液氮的临界温度(约-147℃),压力达到临界压力(约3.4Mpa),气相与液相之间的差别消失,密度与液体接近,通过所述低温工质增压机2提升压力,约-147℃的低温发电工质被输送至主换热器4的中加热到0℃以上,所述低温发电工质迅速吸热形成高压气体,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;所述低温工质超临界气轮机5排出的乏汽,温度达氮气临界温度(约-147℃),压力达临界压力(约3.4Mpa),气相与液相的差别消失,密度与液体接近,返回低温工质存储器1中储存备用;
[0097] 所述低温工质增压机2继续提升压力,约-147℃的低温发电工质被输送至主换热器4的中继续加热到0℃以上,所述风扇加速热空气与所述主换热器4中极其低温发电工质充分的换热,所述低温发电工质吸热迅速形成高压气体,压力达到5Mpa以上,输入并驱动所述低温工质超临界气轮机(或膨胀机)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,不断发电输出。
[0098] 图2为本实施例提供的一种带乏汽回热器的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;图2与图1的唯一区别,是增加一个乏汽回热器3,所述乏汽回热器高温管道302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;所述乏汽回热器低温管道301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3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,多余的高温和能量置换到所述低温工质增压机2输出的低温工质中,一方面便于更加低温的高压乏汽返回所述低温工质存储器1中备用;另外,低温工质超临界气轮机5排气管道所输出的高温乏汽中多余的高温和能量,又被重新利用没被浪费;乏汽回热器3单独设置,或与低温工质超临界气轮机5组合;
[0099] 图3为本实施例提供的一种带低温液体泵和乏汽回热器的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;
[0100] 如图3所示与图1基础上的区别,是增加一个低温液体泵7;所述低温液体泵7入口,连通所述低温工质存储器1底部的低温发电工质液体;所述低温液体泵7出口与所述低温工质增压机2出口连通;所述低温液体泵7单独设置,或与所述低温工质增压机2设在一起;
[0101] 在图3中,由于所述低温液体泵7出口与所述低温工质增压机2出口输出的低温工质温度低至-147℃,与所述主换热器4(载冷剂循环换热,温度提升到约0℃,高温高压氮气(空气)输入并驱动所述低温工质超临界气轮机(或膨胀机)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;
[0102] 所述低温工质超临界气轮机5排出的乏汽,温度略微低于氮气临界温度(约-147℃),压力也略微低于氮气的临界压力(约3.4Mpa),与所述低温工质增压机2或者热泵系统共同作用,令所述低温工质存储器1中上半部分为高压气体,下半部分为液体,所述低温液体泵7入口,连通所述低温工质存储器1底部的低温发电工质液体;所述低温工质增压机2入口,连通所述低温工质存储器1顶部的低温发电工质高压气体;所述低温工质增压机2与所述低温液体泵7共同作用提升压力,将低温的发电工质输送至所述主换热器4中加热,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;如此循环;
[0103] 所述热载冷剂管道403中的高温液体载冷剂,通过所述液体泵400加压,与所述主换热器4中的低温发电工质充分的换热,失去热能量的低温液体载冷剂,通过所述低温载冷剂管道401,输送至各各制冷换热器402中,所述各制冷换热器402设置在各待冷却空间中或者办公室房间中,经过充分的换热后,所述制冷换热器402中的低温载冷剂吸热变成为高温载冷剂,并汇集到所述热载冷剂管道403中,在通过所述液体泵400加压,与所述主换热器4中的低温发电工质充分的换热,如此不断的循环;
[0104] 图4为本发明实施例提供的一种带低温液体燃料的超低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的连接示意图;
[0105] 如图4所示,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,控制器903,高温主换热器或者锅炉42构成;所述换热器9数量为1的整数倍,设置在低温工质超临界气轮机5与低温工质存储器1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900中;
[0106] 所述低温液体燃料,包括但不仅限于LNG液体、液氢;
[0107] 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或者901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900的底部设置有所述换热器9,和/或在低温液体燃料存储器900的顶部也设置有所述换热器9;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;
[0108] 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收所述低温工质超临界气轮机5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903调节控制后,可燃气体被输送至所述锅炉42中燃烧,加热所述锅炉高温主换热器42管道中的低温发电工质,所述锅炉高温管道42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高速旋转输出机械能或带动发电机6旋转输出电能;
[0109] 进一步的,所述高温主换热器或者锅炉42外,还包裹有低温主换热器4,所述低温主换热器4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产生的热能来发电做功。
[0110] 图5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;
[0111] 如图5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。
[0112] 图5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,这也是低温工质超临界发电难以实现的最主要原因。
[0113] 图6为本实施例提供的一种“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;
[0114] 图6与图5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;
[0115] 图6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;
[0116] 图7为本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;
[0117] 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;
[0118] 如图7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;
[0119] 如图7所示的气轮机,绝热壳体102分上绝热壳体和下绝热壳体(图7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;
[0120] 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;
[0121] 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;
[0122] 优选的,如图7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。
[0123] 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;
[0124] 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。
[0125] 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;
[0126] 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转轴联轴,方便发电机12检修和更换;
[0127] 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。
[0128] 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。
[0129] 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。
[0130] 图8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的临界状态(温度约-147℃,压力约3.4MPa临界压力)的低温工质超临界气轮机结构示意图;图8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7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,同时还能提高系统的整体发电效率;
[0131] 如图8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;也为低温工质超临界发电的制冷系统及制冷设备的开发利用打开大门;
[0132] 在炎热夏季,室内外环境中的热空气(或者水)与换热器中的超低温发电工质换热后,空气温度会降低到约0℃(甚至零下-20℃),为实现超低温工质超临界发电的制冷技术和制冷设备应用打开大门;同时也为大型办公楼、酒店、机场、高铁站、大型医院、学校、体育场馆、商场、电影院等需制冷空调的场所及领域,尤其适合赤道附近的高温区域;采用超低温发电的制冷系统或制冷设备应用打开大门。
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