用於功率發生系統的渦輪膨脹機的製作方法

2023-05-26 16:51:36

專利名稱：用於功率發生系統的渦輪膨脹機的製作方法
技術領域：
本文公開的主題的實施例一般地涉及功率發生系統，且更特別地涉及渦輪膨脹機。
背景技術：
蘭金循環在閉式循環中使用工作流體以通過產生熱氣流而收集來自熱源或儲熱器的熱量，熱氣流通過渦輪而膨脹以產生功率。膨脹流在冷凝器中通過將熱量傳遞給儲冷器而進行冷凝，並且再次用泵加壓至加熱壓力以完成該循環。功率發生系統例如燃氣渦輪機或往復式發動機(初級系統)產生熱的排氣，熱的排氣或者用於後續功率生產過程(通過次級系統)或作為廢熱損失於環境中。例如可在廢熱回收系統中回收大型發動機的排氣，用於生產額外的功率，從而改善整體系統效率。圖1中顯示了以蘭金循環操作的普通廢熱功率發生系統。功率發生系統100包括熱交換器2 (也稱為鍋爐或蒸發器)、膨脹器4、冷凝器6和泵8。在操作過程中，從熱交換器2開始，外部熱源10(例如熱的煙道氣)加熱熱交換器2。 這造成所接收的加壓的液體介質12轉化成加壓的蒸氣14，該蒸氣14流向膨脹器4。膨脹器4接收加壓的蒸氣流14，並可隨著加壓的蒸氣膨脹而產生功率16。由膨脹器4釋放的膨脹的低壓蒸氣流18進入冷凝器6，冷凝器6使膨脹的低壓蒸氣流18冷凝成低壓液體流20。 然後低壓液體流20進入泵8，泵8既產生高壓液體流12又保持閉環系統流動。然後高壓液體流12流入熱交換器2中以繼續該過程。可用於蘭金循環中的一種工作流體是有機工作流體。此類有機工作流體被稱為有機蘭金循環(ORC)流體。ORC系統已經作為用於發動機以及小型和中型燃氣渦輪機的改型而部署，以捕獲來自熱煙道氣流的廢熱。此廢熱可用於次級功率發生系統中，從而除了由產生熱煙道氣的發動機獨自提供的功率之外還產生高達額外20%的功率。因為此類ORC流體可能與高溫燃氣渦輪機排氣(大約500攝氏度)發生直接接觸的安全性問題，需要採取措施以避免ORC流體(例如環戊烷)和燃氣渦輪機排氣之間的直接接觸。當前用於限制包含ORC工作流體的蒸發器中的熱交換表面的表面溫度的方法是將中間熱油環路引入熱交換系統，即避免ORC流體循環通過燃氣渦輪機的排氣煙囪。中間熱油環路可用於熱的煙道氣和可蒸發的ORC流體之間。在這種情況下，中間熱油環路用作中間熱交換器，即，熱量從熱的煙道氣傳遞至油，油處於其自身的閉環系統中，之後利用如以圖2的雙流體熱交換迴路200示出的單獨的熱交換器而將熱量從油傳遞至ORC流體。最初，經由泵208通過熱交換器210從儲油單元206泵送油。熱量作為例如渦輪202的排氣而被引入，並通過熱交換器210而排放並排出排氣煙囪204。在熱油環路 2 中，現在加熱的油繼續前進至使ORC流體蒸發的蒸發器212，並在油返回至儲油容器206 之前繼續穿過冷卻油並預熱ORC流體的預熱器元件214，蒸發器212定位在獨立的流體迴路 226 中。在ORC流體迴路226的操作中，從泵216開始，低壓ORC液體流進入泵216，泵216既產生高壓ORC液體流，又保持閉環系統流動。然後通過同流換熱器218和預熱器214泵送高壓ORC液體流，之後在熱交換器/蒸發器212處進行蒸發。這造成所接收的加壓ORC液體介質12轉化成流向膨脹器220的加壓的ORC蒸氣，膨脹器機械地聯接在發電機222(或相似裝置)上。膨脹器220接收加壓的ORC蒸氣流，用於幫助產生功率，並產生膨脹的低壓 ORC蒸氣流，ORC蒸氣流繼續後退穿過同流換熱器218併到冷凝器2M上，冷凝器2M使膨脹的低壓ORC蒸氣流冷凝成低壓ORC液體流。因此，中間熱油環路容許將ORC流體從直接暴露於熱的煙道氣隔離。另外，雖然用於中間熱油環路中的油是可燃的，但此油通常不如ORC工作流體可燃。然而，此熱油系統佔用了額外的物理空間，並且可為ORC系統成本的高達四分之一。如圖1和圖2中所見，對於蘭金循環有許多構件。如圖2中所示，發電機222可機械地聯接在膨脹器段220上，以產生用於使用的功率。圖3中顯示了一種用於將膨脹器段連接到發電機上的方法。最初，膨脹器220包括在流體膨脹期間旋轉的軸302。該軸302連接到齒輪箱304上，齒輪箱304將機械能量轉變成對於發電機222期望的轉速。該轉速和相關聯的能量經由軸306而從齒輪箱304傳遞給發電機222。在膨脹器220中，提供了乾燥氣體密封件308，以避免ORC流體(或蘭金循環中使用的其它介質)通過軸302進入膨脹器220的進入點而逸出到大氣中。乾燥氣體密封件可被描述為非接觸的幹運行的機械錶面密封件，其包括配合環或旋轉環和主環或固定環。在運轉過程中，旋轉環中的槽產生流體動力，流體動力造成固定環分開並在兩個環之間產生間隙。這些密封件被稱為「乾式密封件」， 因為它們不需要潤滑油，其尤其極大地減少了它們的維護需求。如同許多機械過程中一樣， 簡化系統和/或減少構件數量可降低成本。因此，用於減少發電系統的底座面積和成本的系統和方法是期望的。

發明內容
根據一個示例性實施例，有一種用於功率發生的系統。該系統包括渦輪膨脹機， 其構造成包括經由軸機械地聯接的膨脹器段、泵段和馬達-發電機段；膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側並構造成接收流體的蒸氣流，以使軸旋轉並產生流體的膨脹的蒸氣流；泵段流體地連接在冷凝器的出口側上並構造成接收流體的液體流，使流體的液體流加壓，並使流體在功率發生系統中循環；馬達-發電機段構造成產生和輸出電流。根據另一示例性實施例，有一種渦輪膨脹機。該渦輪膨脹機包括渦輪膨脹機，其只包括經由軸而機械地聯接的膨脹器段、泵段和馬達-發電機段，以及僅兩個流體入口和僅兩個流體出口，其中渦輪膨脹機不包括壓縮機段；膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側上並構造成接收流體的蒸氣流，以使軸旋轉並產生流體的膨脹的蒸氣流，其中膨脹器級包括一個或多個膨脹級；泵段流體地連接在冷凝器的出口側上並構造成接收流體的液體流，使流體的液體流加壓，並使流體在功率發生系統中循環，其中泵段包括一個或多個泵級；馬達-發電機段構造成產生和輸出電流；冷凝器流體地連接在膨脹器的出口側上並構造成接收流體的膨脹的蒸氣流並將其冷凝成流體的液體流；並且熱交換器流體地連接在泵段的出口側上並構造成接收流體的液體流，且產生流體的蒸氣流。根據另一示例性實施例，有一種用於功率發生的系統。該系統包括渦輪膨脹機， 其只包括經由軸而機械地聯接的膨脹器段、泵段和馬達-發電機段，渦輪膨脹機具有僅兩個流體入口和僅兩個流體出口並且不包括壓縮機段；膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側上並構造成接收流體的蒸氣流，使軸旋轉並產生流體的膨脹的蒸氣流，其中膨脹器級包括一個或多個膨脹級；泵段流體地連接在冷凝器的出口側上並構造成接收流體的液體流，使流體的液體流加壓，並使流體在功率發生系統中循環，其中泵段包括一個或多個泵級；馬達-發電機段構造成產生和輸出電流；冷凝器流體地連接在膨脹器的出口側上並構造成接收流體的膨脹的蒸氣流並將其冷凝成流體的液體流；並且熱交換器流體地連接在泵段的出口側上並構造成接收流體的液體流，且產生流體的蒸氣流。


附示了示例性實施例，其中圖1描繪了蘭金循環；圖2顯示了蘭金循環和中間熱油系統；圖3顯示了機械地連接在發電機上的膨脹器；圖4顯示了根據示例實施例的帶有渦輪膨脹機的蘭金循環；圖5顯示了根據示例實施例的帶有渦輪膨脹機的蘭金循環，其中渦輪膨脹機帶有兩個膨脹段；圖6顯示了根據示例實施例的帶有渦輪膨脹機和中間熱油環路的蘭金循環；圖7顯示了根據示例實施例的渦輪膨脹機；且圖8顯示了根據示例實施例的渦輪膨脹機，其中過程氣體進入串聯的兩個膨脹段。
具體實施例方式以下具體實施方式
參照了附圖。不同圖紙中的相同的標號標識相同或相似的元件。另外，圖紙並不一定按比例繪製。同樣，以下詳細描述並不限制本發明。相反，本發明的範圍由所附權利要求來限定。整個說明書中對「一個實施例」或「一實施例」的參考意味著結合實施例的特定特徵、結構或特性包括在本公開主題的至少一個實施例中。因而，短語「在一個實施例中」或 「在一實施例中」出現在整個說明書的各個地方並不一定指相同的實施例。此外，在一個或多個實施例中可將特定的特徵、結構或特性以任何合適的方式組合。如發明背景中所述並如圖1中所示，在功率發生系統中可使用蘭金循環來捕獲一部分廢熱能量。次級系統可用於捕獲一部分來自初級系統的廢棄能量，初級系統浪費了該能量。根據示例性實施例，可組合用於功率發生中的構件以降低本和底座尺寸，並防止汙染物質釋放到環境中，同時如圖4中所示仍然有效地產生功率。根據示例性實施例，圖4中所示的功率發生系統400包括熱交換器410、渦輪膨脹機402 (具有膨脹器段404、馬達-發生段406和泵段408)、冷凝器2M和同流換熱器218。 描述此閉環系統時，從熱交換器410開始，來自渦輪202的排氣在離開排氣煙囪204之前流過並加熱熱交換器410。這造成加壓的液體介質轉化成加壓的蒸氣，蒸氣流向渦輪膨脹機 402的膨脹器段404。膨脹器段404接收加壓的蒸氣流，隨著加壓的蒸氣膨脹這使得附接在軸上的葉輪旋轉(如圖7中所示)，這容許渦輪膨脹機402的馬達-發電機段406產生電流。在一種應用中，膨脹器段404的軸也是馬達-發電機段406的軸。另外，軸與渦輪膨脹機402的泵段408共享，用於提供由泵段408加壓液體介質所使用的能量。在另一示例性實施例中，各個段具有其自身的軸，但所有這些軸都彼此連接並共同旋轉。由膨脹器段404釋放的膨脹的低壓蒸氣流為了熱交換而流過同流換熱器218，之後進入冷凝器224，冷凝器2M將膨脹的低壓蒸氣流冷凝成低壓液體流。然後低壓液體流進入渦輪膨脹機402的泵段408中，其既產生高壓液體流，又保持閉環系統流動。然後將高壓液體流泵送至熱交換器410以繼續此過程。如線412所示，高壓液體流的一部分可進行分流並用於冷卻馬達-發電機段406。高壓液體流穿過同流換熱器218，並冷卻來自膨脹器段 404的流。圖4中還顯示了在該循環的各個級處的相對壓力且Ptl > P1 > P2。根據另一示例性實施例，如圖5中所示，渦輪膨脹機504可包括兩個膨脹級404和 502。示例性功率發生系統500以類似於圖4中所示的功率發生系統400的方式運轉。從圖5中的右邊至左邊，渦輪膨脹機504具有第一膨脹段404，馬達-發電機段406、第二膨脹段502和泵段408。過程氣體在進入渦輪膨脹機504之前分流，使得兩個膨脹器段都接收用於膨脹的過程氣體。如線412所示，高壓液體流的一部分被分流並用於冷卻馬達-發電機段406。圖5中還顯示了在該循環的各個級處的相對壓力，且Ptl > P1 > P2。根據示例性實施例，可用於蘭金循環中的一種工作流體是有機的工作流體，例如有機蘭金循環(ORC)流體。ORC流體的示例包括但不限於戊烷、丙烷、環己烷、環戊烷、丁烷、 例如R-M5fa的氟代烴、例如丙酮的酮、或例如甲苯或噻吩的芳香族化合物。然而，如發明背景部分提到的那樣，當直接暴露於高溫時有ORC流體降解的風險。因此根據示例性實施例，如圖6中所示，在使用示例性渦輪膨脹機402的功率發生系統中可使用中間熱油環路。 此示例性功率發生系統將如上面參照圖4和圖5所述結合如發明背景部分所述且在圖2中所示的中間熱油環路進行工作，並且出於簡單起見將不在本文進行更詳細地描述。根據圖6中所示的示例實施例，渦輪膨脹機402包括膨脹器段404、馬達-發電機段406和泵段408。渦輪膨脹機402是一種被密封的整體單元，使得沒有旋轉部件跨越渦輪膨脹機402的密封外殼。這容許在膨脹器段和發電機之間消除渦輪膨脹機402中的乾式氣體密封件。如圖7中所示，渦輪膨脹機402的這三個段經由軸616而機械地聯接，軸616可以是三個單獨但機械地聯接的軸。例如，膨脹器段404可具有軸610，軸610機械地連接在馬達-發電機段406中的軸612上，且軸612機械地聯接在泵段408的軸614上。在一個應用中，軸610，612和614被一體地製成單個軸。泵段408和膨脹器段404兩者均可具有多級，例如兩級或更多級。既然渦輪膨脹機402是整體單元，在膨脹器段402和馬達-發電機段404之間不需要存在齒輪箱(以及與齒輪箱相關聯的潤滑系統)。這些示例性實施例還可從圖5中所示的渦輪膨脹機504，通過組合示例性實施例，即在渦輪膨脹機504中使用單個軸或四個機械聯接的軸而獲得。根據示例性實施例，渦輪膨脹機402可具有僅兩個流體入口 602，606和僅兩個流體出口 604，608。通過在渦輪膨脹機402中具有這四個流體入口 /出口，極大地減少了從傳統系統到環境的過程氣體的損失，例如渦輪膨脹機402不包括傳統的易於發生危險氣體洩漏的環境密封件。另外，通過具有本文所述的示例性渦輪膨脹機402，與傳統的功率發生系統相比減少了運輸重量和設備底座尺寸。根據備選的示例實施例，如圖8中所示，渦輪膨脹機504可具有串聯地接收過程氣體的膨脹級。圖8顯示了接收來自管道802的過程氣體的第一膨脹段404。在膨脹之後，過程氣體離開第一膨脹段404，並如由管道804所示流向第二膨脹段502。在此膨脹之後，過程氣體如由管道806所示離開第二膨脹級502。此系統中的壓力由關係式P。> P1 > P2 > P3表徵。根據示例性實施例，馬達-發電機段406可以是高速發電機，例如3麗和/或6麗。 此馬達-發電機406可在膨脹器段404所產生的相同的旋轉速度下運轉，這容許不包括齒輪箱。馬達-發電機406的輸出可為直流或交流。根據一個示例性實施例，在馬達-發電機406中可使用磁軸承。根據一個備選的示例實施例，在馬達-發電機406中可使用油潤滑替代磁軸承。上述示例性實施例在本發明的所有方面都是說明性而非限制性的。因而本發明在詳細實施方面能夠具有許多變化，它們可從包含在本文中的細節描述由本領域技術人員得出。所有此類變化和修改都被認為處於所附權利要求所限定的精神和範圍內。除非明確地描述，否則本申請的細節描述中使用的要素、動作或指令都不應被理解為對本發明是關鍵的或必須的。另外，本文使用的用詞「一」意圖包括一個或更多事物。本文使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造和利用任何裝置或系統，並執行任何所含方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有並非不同於權利要求字面語言的結構元件，或者如果它們包括在權利要求字面語言範圍內的等效結構元件，則此類其它示例都屬於權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種用於功率發生的系統，所述系統包括渦輪膨脹機，其構造成包括經由軸而機械地聯接的膨脹器段、泵段和馬達-發電機段； 所述膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側上，並構造成接收流體的蒸氣流，使所述軸旋轉並產生所述流體的膨脹的蒸氣流；所述泵段流體地連接在冷凝器的出口側上，並構造成接收所述流體的液體流，對所述流體的所述液體流加壓，並使所述流體在所述功率發生系統中循環；且所述馬達-發電機段構造成產生並輸出電流。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括冷凝器，其流體地連接在所述膨脹器段的出口側上，並構造成接收所述流體的膨脹的蒸氣流並使所述流體的膨脹的蒸氣流冷凝成所述流體的所述液體流；和熱交換器，其流體地連接在所述泵段的出口側上，並構造成接收所述流體的所述液體流並產生所述流體的所述蒸氣流。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述渦輪膨脹機僅包括第一膨脹器段、馬達-發電機段、第二膨脹器段和泵段，它們按照此順序而彼此連接。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述泵段包括只有一個流體入口和一個流體出口的一個或多個級，所述膨脹器段包括只有一個流體入口和一個流體出口的一個級，且所述馬達-發電機段只有一個流體入口和一個流體出口。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述渦輪膨脹機被一體地密封，使得所述膨脹器段、馬達-發電機段和泵段的所有旋轉部件都完全保持在所述渦輪膨脹機的外殼內。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述膨脹器段中的膨脹器軸以與所述馬達-發電機段和所述泵段的相關聯的軸相同的速度旋轉。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述渦輪膨脹機不包括壓縮機段。
8.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述渦輪膨脹機只包括膨脹器段、馬達-發電機段和泵段。
9.一種用於功率發生中的渦輪膨脹機，所述渦輪膨脹機包括一體的外殼，其包含只有一個流體入口和一個流體出口的第一膨脹器段、只有一個流體入口和一個流體出口的泵段以及只有一個流體入口和一個流體出口的馬達-發電機段； 軸，其將所述膨脹器段、所述泵段和所述馬達-發電機段機械地聯接； 所述第一膨脹器段構造成使所述軸旋轉，接收流體的蒸氣流，並產生所述流體的膨脹的蒸氣流；泵段構造成接收所述流體的液體流，並對所述流體的所述液體流加壓；且所述馬達-發電機段構造成當被所述膨脹器段激勵時產生並輸出電流。
10.一種用於功率發生的系統，所述系統包括渦輪膨脹機，其僅包括只有一個流體入口和一個流體出口的膨脹器段、只有一個流體入口和一個流體出口的泵段以及只有一個流體入口和一個流體出口的馬達-發電機段，它們經由軸而機械地聯接，所述渦輪膨脹機不包括壓縮機段；所述膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側上，並構造成接收流體的蒸氣流，使所述軸旋轉並產生所述流體的膨脹的蒸氣流，其中所述膨脹器段包括一個或多個膨脹級；所述泵段流體地連接在冷凝器的出口側上，並構造成接收所述流體的液體流，對所述流體的液體流加壓，並使所述流體在所述功率發生系統中循環，其中所述泵段包括一個或多個泵級；且所述馬達-發電機段構造成產生並輸出電流；所述冷凝器流體地連接在所述膨脹器的出口側上，並構造成接收所述流體的膨脹的蒸氣流並使所述流體的膨脹的蒸氣流冷凝成所述流體的所述液體流；且所述熱交換器流體地連接在所述泵段的出口側上，並構造成接收所述流體的所述液體流並產生所述流體的所述蒸氣流。
全文摘要
本發明涉及用於功率發生系統的渦輪膨脹機，具體而言，涉及包括在功率發生系統中使用渦輪膨脹機的系統。該系統包括渦輪膨脹機，其包括經由軸而機械地聯接的膨脹器段、泵段和馬達-發電機段。膨脹器段流體地連接在熱交換器的出口側上，並構造成接收流體的蒸氣流，使軸旋轉並產生流體的膨脹的蒸氣流。泵段流體地連接在冷凝器的出口側上，並構造成接收流體的液體流，對流體的液體流加壓，並使流體在功率發生系統中循環。馬達-發電機段構造成輸出電流。
文檔編號F01D15/10GK102322300SQ20111013410
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月12日 優先權日2010年5月14日
發明者A·S·德爾格雷科, G·蘭迪, G·馬裡奧蒂, S·帕隆巴 申請人:諾沃皮尼奧內有限公司