[发明专利]一种低温工质超临界气轮机或膨胀机及使用方法

说明书

本发明实施例提供一种低温工质超临界气轮机或膨胀机及使用方法，属于一种特殊用途的气轮机或膨胀机。所述气轮机主蒸汽管道输入的气体，温度需明显高于低温工质的临界温度；所述气轮机排气管道输出的乏汽，温度须达到或略微高于所述低温工质的临界温度；所述气轮机的工况区域，始终都处在所述低温工质的临界温度以上。所述气轮机排气管道连接乏汽回热器，令低温液体泵输出的低温液体冷凝临界温度的高温乏汽；另外，本发明实施例还提供一种采用气轮机外缸体进行轴端密封的技术方法，以解决气轮机或膨胀机等旋转机械转轴两端泄漏难题，尤其是昂贵的低温工质；所述气轮机或膨胀机具有结构紧凑、体积较小、成本低、扭矩力大等优势。

技术领域

本发明提供一种低温工质超临界气轮机或膨胀机以及使用方法，属一种气体透平的机械和相关的技术领域。汽轮机一般指蒸汽轮机，本发明实施例发电工质中没水，因此改成气轮机，包括但不仅限于气轮机、气动机、气体透平膨胀机、气体螺杆膨胀机和其他相类似的气体透平机械设备；除气轮机以外，其他气体透平机械设备一般都为小型气体透平，且成本相对较高，在实际应用也相对比较少；气轮机可大型也可做成小型设备，应用比较普及；因此，本发明实施例重点描述传统的气轮机设备，其他气体透平设备雷同。

背景技术

1882年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式的汽轮机，汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸气的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点，被广泛应用在电站、船舶航海和大型工业中。

为了提高汽轮机设备的功率和效率，100多年我们也不断在进行改进，进气温度和压力在不断的提高，从低压汽轮机到高压汽轮机，再从亚临界到超临界汽轮机，汽轮机的功率最高做到1200MW，进气温度达到650℃，压力达到25MPa；纯凝式汽轮机低压缸排气温度低至30-45℃，排气压力低至10-13kPa，人们通过不断的提高汽轮机进气温度和压力，和尽可能的降低汽轮机的排气温度和压力，从而获得最大的焓差和发电输出。

现在发电站应用的纯冷凝汽轮机设备输出的乏汽温度，远低于水的沸点温度(低至约30℃)，目的是为了提高发电效率，尽可能多的发电输出，但其直接的后果就是造成大量的低品位乏汽潜热无法回收利用。

例如：某高压汽轮机进汽含热量3433kJ/kg左右，这些热量中只有约837kJ/kg是做功的，凝结水中含有约126kJ/kg热量，每公斤水约有2240kJ潜热能量是被冷却系统的冷却水带走，造成乏汽潜热所占的热量约为已利用热量的2～3倍；这是一个非常巨大的损失和浪费。其产生的大量低品位乏汽潜热需要用大量的水或者空气进行冷却，即不节能也不经济。

我们发电就是要将燃烧煤炭产生的热能量转为电能输出，为何要排放掉如此巨大的潜热能量呢，申请人经过近二十多年苦心探索发现，人们为了获得更多的发电输出，不断的提高进气温度和压力，同时尽可能的降低乏汽温度和压力，现在的大型发电站乏汽温度已经远远的低于其标准沸点，排气压力多为负的真空压，在获取更多发电输出同时，乏汽中也形成极其巨大的低品位潜热能量无法被利用，只能把潜热释放掉才能实现乏汽冷凝成为水，同时这样做，还会导致汽轮机的末级叶片和次末级叶片长度增加，汽轮机体积庞大，汽轮机末端需维持高度真空，末级次末级叶片容易遭受冷凝水侵蚀等一系列的问题，本发明申请就是针对这些难题进行解决。

我们发电通常采用水用作发电的工质，余热发电大部分也是用水做发电工质，发电效率也是很低；对于低温余热发电，也有采用沸点温度约15℃的有机工质ORC朗肯循环，可实现80℃以上热水发电；对于标准大气压下，沸点温度低于0摄氏度的低温发电工质，国内和国际都还处于研究阶段，对于搞发电工作的技术人员来说，低温发电工质的储存是一个难点，极其低温的发电工质，沸点远低于环境温度，设备里的低温介子放置在环境中就会气化，形成高压气体就无法再使用和发电了；另外还有一个最大难点，就是气轮机做功以后，低温乏汽再还原为液体是最大的痛点。