兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法

摘要

本发明提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法，兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组包括：涡轮机、发电机、冷凝组件、工质泵和蒸发组件；涡轮机采用大功率向心式涡轮机。所述涡轮机的驱动端与所述发电机连接，用于带动所述发电机发电；所述涡轮机的工质出口连接到所述冷凝组件的热源进口；所述冷凝组件的热源出口连接到所述工质泵的工质进口；所述冷凝组件配置冷源进口和冷源出口。具有以下优点：在集成应用中，通过工厂的组装以及预置，降低了施工难度，缩短了工期，降低了施工成本。同时为了使膨胀过程达到高效率，涡轮机采用向心式，实现兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的研发并在项目上集成应用。

说明书

技术领域

本发明属于中低温余热发电技术领域，具体涉及一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法。

背景技术

在能源短缺问题日益突显的今天，能源浪费情况应逐渐减小，并将工业生产中的余热、工艺过程中热量尽可能的回收，使基于理论学科的新能源、新技术被广泛应用。

目前，针对中低温领域的余热回收，机型容量不足。在大量热源面前，只能采用多个系统回收或只能回收部分热量的方式；如果只回收部分热量，具有中低温余热回收效率低的问题；如果采用多个系统回收中低温余热，具有回收系统占地面积大，不易安装以及成本高的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组，包括：涡轮机(1)、发电机(2)、冷凝组件(3)、工质泵(4)和蒸发组件(5)；

所述蒸发组件(5)的冷源进口连接到所述工质泵(4)的工质出口；所述蒸发组件(5)的冷源出口连接到所述涡轮机(1)的工质进口；所述蒸发组件(5)的热源进口与工业低温余热的输送口连接；所述蒸发组件(5)的热源出口连接工业低温余热的输出口连接；

所述涡轮机(1)的驱动端与所述发电机(2)连接，用于带动所述发电机(2)发电；所述涡轮机(1)的工质出口连接到所述冷凝组件(3)的热源进口；所述冷凝组件(3)的热源出口连接到所述工质泵(4)的工质进口；所述冷凝组件(3)配置冷源进口和冷源出口；

其中，所述涡轮机(1)采用大功率向心式涡轮机。

优选的，所述蒸发组件(5)包括串联的预热器(5.1)、蒸发器(5.2)以及过热器(5.3)；

所述工质泵(4)的工质出口连接到所述预热器(5.1)的冷源进口；所述预热器(5.1)的冷源出口连接到所述蒸发器(5.2)的冷源进口；所述蒸发器(5.2)的冷源出口连接到所述过热器(5.3)的冷源进口；所述过热器(5.3)的冷源出口连接到所述涡轮机(1)的工质进口；

工业低温余热的输送口连接到所述过热器(5.3)的热源进口；所述过热器(5.3)的热源出口连接到所述蒸发器(5.2)的热源进口；所述蒸发器(5.2)的热源出口连接到所述预热器(5.1)的热源进口；所述预热器(5.1)的热源出口，为工业低温余热的输出口；由此实现工质泵(4)输出的工质与工业低温余热的热交换。

优选的，所述预热器(5.1)为壳管式换热器；所述预热器(5.1)的水程侧设置档流折板。

优选的，所述蒸发器(5.2)采用满液式蒸发器(5.2)，所述蒸发器(5.2)的换热管为碳钢换热管，碳钢换热管表面轧制翅片，强化换热。

优选的，所述过热器(5.3)采用壳管式换热器，壳管式换热器的换热管为碳钢换热管，壳管式换热器与管板连接采用焊接加胀接。

优选的，所述冷凝组件(3)采用蒸发式冷凝器，包括风机、换热盘管、水泵以及水箱；

气态工质作为热媒，连接到所述换热盘管的热媒侧；水箱内的水作为冷媒，在水泵的作用下，连接到所述换热盘管的冷媒侧，通过所述换热盘管，实现热媒和冷媒的换热；风机安装于换热后冷媒的出口位置。

优选的，所述工质泵(4)采用屏蔽式泵。

优选的，还包括蒸发器过热器撬块(A)、预热器撬块(B)、涡轮机发电机撬块(C)和冷凝组件撬块(D)；

所述兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组为双层结构，上层设置冷凝组件撬块(D)，所述冷凝组件(3)装配于所述冷凝组件撬块(D)上面；

下层设置蒸发器过热器撬块(A)、预热器撬块(B)和涡轮机发电机撬块(C)；其中，蒸发器过热器撬块(A)的上方，装配所述蒸发组件(5)的蒸发器(5.2)的过热器(5.3)；预热器撬块(B)的上方，装配所述预热器(5.1)；涡轮机发电机撬块(C)的上方，装配所述涡轮机(1)和所述发电机(2)。

优选的，蒸发器过热器撬块(A)在工厂组装完成，通过现场预留地脚螺栓，与混凝土基础连接；

预热器撬块(B)位于涡轮机发电机撬块(C)的正下方；预热器撬块(B)与涡轮机发电机撬块(C)通过螺栓连接，在工厂内完成组装；预热器撬块(B)通过现场预留地脚螺栓，与混凝土基础连接；

在一层撬块安装完毕后，在一层撬块的顶部进行二层混凝土基础建设；二层混凝土基础完成后，通过现场预留地脚螺栓，实现冷凝组件撬块(D)与二层混凝土基础连接。

本发明还提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的发电方法，包括以下步骤：

步骤1，工业低温余热进入到蒸发组件(5)内，与工质泵(4)输出的有机工质进行换热，工业低温余热放热后排出；有机工质吸热，从液态变为高压气态，进入到涡轮机(1)内；

步骤2，高压气体进入涡轮机(1)内，驱动涡轮机(1)动作，进而带动发电机(2)发电；具体方法为：

高压气体进入涡轮机(1)内，高压气体流经涡轮机(1)的蜗壳、导流叶片进入到向心式涡轮中，在向心式涡轮中进行膨胀，将高压气体的压力能和速度能转换为机械能，从而带动发电机(2)旋转，对外输出电能；

步骤3，膨胀做功后的气体进入冷凝组件(3)中，冷凝为液体；具体方法为：

膨胀做功后的气体进入冷凝组件(3)的换热盘管内部，与换热盘管外部的水进行换热，气体冷凝为低压液体；

步骤4，低压液体通过工质泵(4)进入到蒸发组件(5)内，完成有机郎肯循环。

本发明提供的兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法具有以下优点：

在集成应用中，通过工厂的组装以及预置，降低了施工难度，缩短了工期，降低了施工成本。同时为了使膨胀过程达到高效率，涡轮机采用向心式，实现兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的研发并在项目上集成应用。

附图说明

图1为本发明提供的兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的原理示意图；

图2为本发明提供的兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决国内低温余热回收领域，缺少大容量机组，以及采用多个机组占地面积大和成本高的问题，本发明提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组，在集成应用中，通过工厂的组装以及预置，降低了施工难度，缩短了工期，降低了施工成本。同时为了使膨胀过程达到高效率，涡轮机采用向心式，实现兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的研发并在项目上集成应用。具体的，参考图1和图2，兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组包括：涡轮机1、发电机2、冷凝组件3、工质泵4和蒸发组件5；

蒸发组件5的冷源进口连接到工质泵4的工质出口；蒸发组件5的冷源出口连接到涡轮机1的工质进口；蒸发组件5的热源进口与工业低温余热的输送口连接；蒸发组件5的热源出口连接工业低温余热的输出口连接；

涡轮机1的驱动端与发电机2连接，用于带动发电机2发电；涡轮机1的工质出口连接到冷凝组件3的热源进口；冷凝组件3的热源出口连接到工质泵4的工质进口；冷凝组件3配置冷源进口和冷源出口；

下面分别对涡轮机1、发电机2、冷凝组件3、工质泵4和蒸发组件5详细介绍：

(一)涡轮机1

涡轮机1采用大功率向心式涡轮机。

具体的，本发明中，涡轮机1采用大功率向心式涡轮透平技术，透平是一种将工质(蒸汽、燃气等)的热能通过膨胀转换为机械功的旋转式机械部件，广泛的应用于热力循环系统中。透平机主要由蜗壳、导流叶片和涡轮组成，工作时，高温高压的蒸汽通过环形的蜗壳收集起来，分配流量并提高蒸汽的流速，随后蒸汽进入到导流叶片中，导流叶片是一组可调节角度的叶片，气流在这里进一步加速，将压力能转换为动能，随后气流进入到涡轮中，将动能及压力能转换为机械能，膨胀对旋转轴系做功，输出能量。根据气流流动形式，目前将透平主要分为轴流式和向心式。

轴流式透平机适用于大的蒸汽流量，在多级串联形式下可达到高膨胀比，膨胀比为进气压力/排气压力。向心式透平机适用于较大蒸汽流量和较高的膨胀比。国内目前的技术情况，采用轴流式较多，但因级数较多，转动部件多，且结构较复杂，体积较大，在相同压比下，效率低，制造难度大并且经济型不高。向心式多采用一级结构，结构较为简单，在相同压比下，效率高，但工作转速较高，对设计及材料要求高。

本发明采用大容量向心式涡轮，采用三元流逆向设计，采用可变气量调节技术，并经过CFD模拟仿真设计技术验证，实现了高等熵效率，在大流量气量下保证了透平机的膨胀性能。

(二)蒸发组件5

蒸发组件5包括串联的预热器5.1、蒸发器5.2以及过热器5.3；

工质泵4的工质出口连接到预热器5.1的冷源进口；预热器5.1的冷源出口连接到蒸发器5.2的冷源进口；蒸发器5.2的冷源出口连接到过热器5.3的冷源进口；过热器5.3的冷源出口连接到涡轮机1的工质进口；

工业低温余热的输送口连接到过热器5.3的热源进口；过热器5.3的热源出口连接到蒸发器5.2的热源进口；蒸发器5.2的热源出口连接到预热器5.1的热源进口；预热器5.1的热源出口，为工业低温余热的输出口；由此实现工质泵4输出的工质与工业低温余热的热交换。

其中，预热器5.1为壳管式换热器；采用碳钢换热管，换热管与管板连接采用焊接加胀接，保证管头处的密封；预热器5.1的水程侧设置档流折板。两台串联，每台水侧为一流程，外部通过管路连接。

蒸发器5.2采用满液式蒸发器5.2，蒸发器5.2的换热管为碳钢换热管，碳钢换热管表面轧制翅片，强化工质与水的换热，换热管与管板连接采用焊接加胀接，保证管头处的密封，水侧采用四流程。蒸发器蒸发温度为70-150℃。

过热器5.3采用壳管式换热器，壳管式换热器的换热管为碳钢换热管，壳管式换热器与管板连接采用焊接加胀接，保证管头处的密封，水侧采用一流程。

(三)冷凝组件3

冷凝组件3采用蒸发式冷凝器，包括风机、换热盘管、水泵以及水箱；

气态工质作为热媒，连接到换热盘管的热媒侧；水箱内的水作为冷媒，在水泵的作用下，连接到换热盘管的冷媒侧，通过换热盘管，实现热媒和冷媒的换热；风机安装于换热后冷媒的出口位置。，冷凝组件3冷凝温度为10-50℃。

工作时，气态工质在换热盘管内流动，管外喷淋水蒸发吸收管内工质热量，将工质由气态冷却为液态。循环水由水泵将水箱中的水输送到蒸发式冷凝器顶部的喷嘴淋处，由喷嘴喷淋到换热盘管的外表面，形成水膜，吸热后蒸发为水蒸气，通过顶部的风机送出到外界大气环境中，未蒸发的液态水分落入到底部的水箱，再循环使用。

(四)工质泵4

工质泵4采用屏蔽式泵，无外部密封结构。电机利用屏蔽套将电机的转子和定子隔开，转子在内部通过轴与叶轮连接。

(五)撬块

还包括蒸发器过热器撬块A、预热器撬块B、涡轮机发电机撬块C和冷凝组件撬块D；

兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组为双层结构，上层设置冷凝组件撬块D，冷凝组件3装配于冷凝组件撬块D上面；

下层设置蒸发器过热器撬块A、预热器撬块B和涡轮机发电机撬块C；其中，蒸发器过热器撬块A的上方，装配蒸发组件5的蒸发器5.2的过热器5.3；预热器撬块B的上方，装配预热器5.1；涡轮机发电机撬块C的上方，装配涡轮机1和发电机2。

蒸发器过热器撬块A在工厂组装完成，通过现场预留地脚螺栓，与混凝土基础连接；

预热器撬块B由预热器、工质泵以及辅助设备包括油系统、控制系统组成，预热器撬块B位于涡轮机发电机撬块C的正下方；预热器撬块B与涡轮机发电机撬块C通过螺栓连接，在工厂内完成组装，整体宽度与高度按整体运输要求。预热器撬块B通过现场预留地脚螺栓，与混凝土基础连接；

在一层撬块安装完毕后，在一层撬块的顶部进行二层混凝土基础建设；二层混凝土基础完成后，通过现场预留地脚螺栓，实现冷凝组件撬块D与二层混凝土基础连接。

本发明提供的兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组，采用优化集中技术，分为上下两层，一层主要零部件包括涡轮机、发电机、蒸发组件5及工质泵，为模块化和撬装化，机组在工厂完成生产预组装后，运送至现场。二层为冷凝组件3，通过预置混凝土平台，现场以地脚螺栓连接。上下两层采用钢管连接，管路在工厂预置成半成品，现场对接处配做，保证施工质量。

本发明还提供一种兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组的发电方法，包括以下步骤：

步骤1，工业低温余热进入到蒸发组件5内，与工质泵4输出的有机工质(R245fa)进行换热，工业低温余热放热后排出；有机工质吸热，从液态变为高压气态，进入到涡轮机1内；

步骤2，高压气体进入涡轮机1内，驱动涡轮机1动作，进而带动发电机2发电；具体方法为：

高压气体进入涡轮机1内，高压气体流经涡轮机1的蜗壳、导流叶片进入到向心式涡轮中，在向心式涡轮中进行膨胀，将高压气体的压力能和速度能转换为机械能，从而带动发电机2旋转，对外输出电能；

步骤3，膨胀做功后的气体进入冷凝组件3中，冷凝为液体；具体方法为：

膨胀做功后的气体进入冷凝组件3的换热盘管内部，与换热盘管外部的水进行换热，气体冷凝为低压液体；

步骤4，低压液体通过工质泵4进入到蒸发组件5内，完成有机郎肯循环。

本发明提供的兆瓦级向心涡轮式中低温余热发电机组以及发电方法具有以下优点：

(1)本发明实现了基于有机郎肯循环系统的兆瓦级机组，采用大功率向心涡轮，适用于功率范围为500kW-1600kW功率段内，通过运行参数计算，膨胀机等熵效率高达85％以上。

(2)本发明采用集成式结构，减小了项目占地，降低了投资。

(3)本发明采用优化集成技术，分为上下两层，上层在现场施工安装；下层在工厂完成生产预组装，减小现场组装工作量，缩短了项目施工周期。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。