[发明专利]用于在朗肯循环中使有机工作流体膨胀的方法和涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在朗肯循环中使有机工作流体膨胀的方法以及一种允许实施此类方法的涡轮机。本申请案主张在2011年12月20日提交的第BS2012A000008号意大利专利申请案的优先权。

背景技术

朗肯类型的热力学循环通常利用首字母缩略词ORC“有机朗肯循环”来标识，所述循环在对应的设备中用于使用具有高分子质量的有机工作流体以热能为起始来产生电能。

例如，ORC设备用于以固体生物质为起始来联合产生电能和热能，可替代地使用工业过程的废热、来自原动机或地热源的热回收。

例如，供应有生物质的ORC设备通常包括：

-供应有燃料生物质的燃烧室；

-经提供以将燃烧烟气/气体的一部分热量给予热传递流体(例如，导热油)的热交换器，所述热量通过中间电路来传递；

-经提供以将中间热传递流体的一部分热量给予将蒸发的工作流体的热交换器；

-供应有汽态工作流体的涡轮机；以及

-通过涡轮机启动的用于产生电能的发电机。

在燃烧室中，热传递流体(例如，导热油)被加热到高达通常等于约300℃的温度。热传递流体在闭合回路中循环，从而穿过前面提到的有机工作流体在其中蒸发的热交换器。工作流体的蒸汽在涡轮机中膨胀，从而产生机械能，随后所述机械能通过连接到涡轮机自身的轴上的发电机转化成电能。随着在涡轮机中对应的膨胀将结束，工作流体的蒸汽在适当的冷凝器中凝结，从而将热量给予在设备下游作为热载体用于(例如)区域加热的在80℃到90℃下的冷却流体(通常是水)。工作流体供应到热传递流体所穿过的热交换器，从而完成在闭合回路中的循环。

所产生的电能可以用以启动设备的辅助装置和/或它可以被引入到配电网络中。

在以涡轮机中的工作流体的高膨胀比及高焓变为特征的ORC设备中，涡轮机配备有三个或更多个级，其中利用术语“级”来意指定子叶片阵列以及对应的转子叶片阵列的组合件。

随着涡轮机级的数目增加超过一定限度，使用串联连接的两个涡轮机将会便于单个发电机的启动。因此，采用两个二者均具有三个级的涡轮机，而不是将单个涡轮机中的级的数目增加至(例如)多达六个级或更多。

例如，在由申请人设计的用于产生5MW功率的设备中，使用利用对应的轴相对于单个发电机在相反的两侧连接到该单个发电机上的两个轴流式涡轮机(一个在高压下且另一个在低压下)，而不是使用具有六个级的既定以3.000rpm旋转的单个轴流式涡轮机。

如前面所描述的一个解决方案，具有若干个涡轮机的解决方案具有超过一个技术和经济类的缺点。设备必须配备有用于将涡轮机耦合到发电机上的多个异径管、除高压进气阀之外用于使蒸汽流入低压涡轮机中的阀门、用于涡轮机之间的流体连接的隔热管道、双轴承等。这引起生产成本，以及用于启动、停止和操作设备的技术困难的增加。

美国专利申请案2008/0252077描述了用于应用到ORC设备中的涡轮机(第11段)。所述涡轮机是径向向心式的，具有单个级，因此工作流体的膨胀实质上经过涡轮机自身的轴线发生；排出实质上在轴向方向上发生。

在与前面所描述的领域不同的领域中，已经提出配备有与轴向级交替的径向级的燃气涡轮机。

例如，美国专利3,462,953描述了用于航空应用因此未根据朗肯循环操作的燃气涡轮机，其包括在进入涡轮机中的第一径向级和退出涡轮机的轴向级之中插入的转子叶片阵列。这些转子叶片经布置以使气体从径向膨胀方向转移到轴向膨胀方向上。

文档US 4,435,121、WO 2006/048401、DE 554163以及US 2011/085887描述了现有技术。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于在朗肯循环中使有机工作流体膨胀使得能够解决已知解决方案的缺点的涡轮机和方法。

因此，在其第一方面中，本发明涉及根据权利要求1所述的方法。

具体来说，本发明涉及一种用于在朗肯循环中使有机工作流体膨胀的方法，其包括将工作流体供应到配备有多个级的非向心式涡轮机上的步骤，每个级通过与约束到关于对应的旋转轴线旋转的轴上的转子叶片阵列交替的定子叶片阵列来界定。有利的是，所述方法包括以下其它步骤：

a)通过一个或多个径向级诱导工作流体的第一次膨胀，

b)使叶片阵列(称为角叶片)中的工作流体从实质上径向的起始膨胀方向转移到实质上轴向以及(相对于与所述角叶片成一体的观测器)切向的膨胀方向上，以及