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CN106014509A - 一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组 - Google Patents

一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组 Download PDF

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王俊峰
黄彦平
昝元峰
郎雪梅
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Nuclear Power Institute of China
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Nuclear Power Institute of China
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Abstract

本发明公开了一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，该机组主要由透平膨胀机和高速发电机组成，透平膨胀机和高速发电机通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压和低压边界构成的压力外壳内，实现了对外零泄漏。透平膨胀机部分主要由高压外壳、透平膨胀机叶轮、齿密封、注气管线、干气密封等核心部件构成。高速发电机部分主要由左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承、右侧径向轴承、低压外壳、抽吸泵等核心部件构成。透平膨胀机部分与高速发电机部分通过齿密封和干气密封相连通。本发明提出的透平发电机组具有结构简单、体积小、高效率、零泄漏等优点，适合作为超临界二氧化碳发电系统的透平发电机组。

Description

一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组
技术领域
本发明涉及一种叶轮机械与发电设备，具体涉及一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组。
背景技术
超临界二氧化碳发电技术是替代传统蒸汽发电技术，实现能源利用向更高效和低成本发展的重要方向。超临界二氧化碳发电系统主要包括压气机、热源设备或热交换器、透平发电机组、冷却器等核心设备。其中透平发电机组的主要功能是将处于高温状态的超临界二氧化碳工质的内能转换为旋转机械的动能，并进一步将旋转机械的动能转换为电能，是系统的核心设备之一。
该系统中的透平发电机组一般运行在二氧化碳工质的临界点参数之上，具有运行压力高、背压高、焓降小、流量大等特点，且从运行角度考虑一般要求系统具有结构紧凑、体积小、辅助系统少、低泄漏甚至零泄漏等特征。传统透平发电机组无论在工质特点、运行参数方面，还是在结构、泄漏等技术要求方面，都与该系统中所需透平发电机组相差较大。为了满足超临界二氧化碳发电系统对透平发电机组的技术要求，本申请提出一种结构简单紧凑、高效率、辅助系统少、零泄漏的透平发电机组。
发明内容
本发明的目的是开发一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，实现结构简单紧凑、高效率、辅助系统少、零泄漏的目标，满足超临界二氧化碳发电系统对透平发电机组的技术需求。
本申请提供的以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，主要由透平膨胀机、高速发电机两大部分组成。其工作原理为：透平膨胀机在运行时将高温高压工质的内能通过降压膨胀转换为叶轮的转动动能，叶轮通过轴承带动高速发电机转子旋转，切割磁力线产生电能。透平膨胀机和高速发电机通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压和低压边界构成的压力外壳内，实现了对外零泄漏。
具体技术方案如下：
一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，所述透平发电机组由透平膨胀机和高速发电机两部分组成；所述透平膨胀机和高速发电机通过同一主轴连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内；
所述透平膨胀机部分由高压外壳、透平膨胀机叶轮、齿密封、注气管线、干气密封部件构成；所述高速发电机部分由左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承、右侧径向轴承、低压外壳、抽吸泵部件构成；
具体的结构为，沿透平膨胀机叶轮至高速发电机的主轴方向从左至右，紧贴透平膨胀机叶轮的右侧布置齿密封，间隔一段距离布置干气密封，注气管线布置于齿密封和干气密封之间，透平膨胀机叶轮、齿密封、干气密封、注气管线均位于高压外壳内；干气密封右侧依次布置左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承、右侧径向磁力轴承，且左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承和右侧径向轴承布置于低压外壳内；
所述高压外壳与低压外壳通过齿密封和干气密封相连通。
本申请中，所述注气管线将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封与干气密封之间的腔室；使透平膨胀机内的高温二氧化碳不能向该腔室泄漏，确保轴承工作在正常温度范围内，同时提高透平膨胀机的工作效率。
本申请中，所述抽吸泵从高速发电机转子与定子之间的腔室内抽取工质至机组外，保证腔室内处于较低压力状态，降低转子高速旋转引起的风阻损失，提高整机效率。
优选地，本申请中所述高速发电机采用二氧化碳作为冷却介质。
优选地，本申请中所述轴承为磁力轴承；当应用对象功率等级较大，同时对结构简化、工质纯净度和泄漏量控制要求较低时，所述左侧径向轴承、轴向轴承或右侧径向轴承可以为油润滑轴承或气箔轴承。当所述左侧径向轴承、轴向轴承或右侧径向轴承为油润滑轴承时，透平发电机组还包括与油润滑轴承相连的供油系统。
本申请中，根据系统功率等级的不同，所述透平膨胀机可以为径流式或轴流式。
本申请中，根据应用对象对泄漏量的控制要求，所述齿密封与干气密封相结合，形成一个密封系统。
本申请中，所述发电机组还包括与注气管线相连的气源：设置在发电机组所在的循环系统的高压低温点或发电机组外的高压二氧化碳存储罐，即所述气源既可以从发电机组所在的循环系统的高压低温点获取，也可以从发电机组外额外设置的高压二氧化碳存储罐里获取。
优选地，本申请中所述的高压低温为压力高于7MPa，温度低于100℃。
本申请中，抽吸泵抽取高速发电机腔室内的工质至机组外时，根据应用对象需要既可抽吸至发电机组所在的循环系统冷却器的入口位置，也可抽吸至发电机组外额外设置的压力容器或大气。因此，所述发电机组还包括与抽吸泵连接的循环系统冷却器或压力容器或大气。当抽吸泵抽吸至循环系统冷却器的入口位置时，系统内工质质量处于平衡状态，无需额外的补气系统。抽吸至额外设置的压力容器或大气时，需要额外的补气系统实时向系统注气，确保发电机组内工质质量处于平衡状态。即所述抽吸泵与压力容器或大气连接时，发电机组还包括补气系统，所述补气系统实时向系统注气，确保发电机组内工质质量处于平衡状态。
有益效果：本申请提出的以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，采用同轴高转速整体密闭设计，最大程度地实现了透平发电机组的简单、小型化和零泄漏，设计了注气和抽吸系统，提高了机组效率，用于超临界二氧化碳发电系统可满足系统的总体要求并实现较高的效率。
附图说明
图1为以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组的结构示意图。
图中：1-高压外壳，2-透平膨胀机叶轮，3-齿密封，4-干气密封，5-左侧径向轴承，6-高速发电机，7-轴向轴承，8-右侧径向轴承，9-注气管线，10-低压外壳，11-抽吸泵，12-主轴。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其主要由透平膨胀机、高速发电机两大部分组成。工作原理为：透平膨胀机在运行时将高温高压工质的内能通过降压膨胀转换为叶轮的转动动能，叶轮通过轴承带动高速发电机转子旋转，切割磁力线产生电能。透平膨胀机和高速发电机通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压和低压边界构成的压力外壳内，实现了对外零泄漏。
具体来讲，如图1所示，为以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组的结构示意图，其主要由高压外壳1、透平膨胀机叶轮2、齿密封3、干气密封4、左侧径向轴承5、高速发电机6、轴向轴承7、右侧径向轴承8、注气管线9、低压外壳10、抽吸泵11等部件构成。透平膨胀机叶轮2、高速发电机6通过同一个主轴12相连接。高压外壳1与低压外壳10通过齿密封3和干气密封4相连通。
从图1还可以看出，沿透平膨胀机叶轮2至高速发电机6的主轴方向从左至右，紧贴透平膨胀机叶轮2的右侧布置齿密封3，间隔一定距离布置干气密封4，注气管线9布置于齿密封3和干气密封4之间，透平膨胀机叶轮2、齿密封3、干气密封4、注气管线9均位于高压外壳1内。干气密封4右侧依次布置左侧径向轴承5、高速发电机6、轴向轴承7、右侧径向轴承8，并全部置于低压外壳10内。注气管线9将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封3与干气密封4之间的腔室，保证高压外壳1内的高温二氧化碳不向该腔室泄漏，确保轴承工作在正常温度范围内。抽吸泵11从低压外壳10内抽取密封泄漏工质至机组外，保证低压外壳10内处于较低压力状态，降低风阻损失，提高整机效率，确保结构完整性。
在实际应用中，所述透平膨胀机即透平膨胀机叶轮2既可以采用径流式，也可采用轴流式。
在实际应用中，所述高速发电机6采用二氧化碳作为冷却介质。
在实际应用中，优选地，所述左侧径向轴承5、轴向轴承7、右侧径向轴承8为磁力轴承；根据应用对象的不同需求，左侧径向轴承5、轴向轴承7、右侧径向轴承8还可以采用油润滑轴承或气箔轴承，其中油润滑轴承需要额外添加一套供油系统。
在实际应用中，根据应用对象的不同需求，所述齿密封3与干气密封4相结合，形成一个密封系统。
在实际应用中，抽吸泵11抽取高速发电机6腔室内的工质至机组外时，根据应用对象需要既可抽吸至设置在发电机组所在的循环系统冷却器的入口位置，也可抽吸至额外设置的压力容器或大气。抽吸至循环系统冷却器的入口位置时，发电机组内工质质量处于平衡状态，无需额外的补气系统。抽吸至额外设置的压力容器或大气时，需要额外的补气系统实时向系统注气，确保发电机组内工质质量处于平衡状态。
在实际应用中，注气管线9的气源既可以从发电机组外的循环系统的高压低温点获取，也可以从额外设置的高压二氧化碳存储罐里获取。
优选地，本申请中所述的高压低温为压力高于7MPa，温度低于100℃。
本发明提出的透平发电机组具有系统简单、体积小、高效率、零泄漏等优点，适合作为超临界二氧化碳发电系统的透平发电机组。

Claims (10)

1.一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述透平发电机组由透平膨胀机和高速发电机两部分组成；所述透平膨胀机和高速发电机通过同一主轴连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内；
所述透平膨胀机部分由高压外壳、透平膨胀机叶轮、齿密封、注气管线、干气密封构成；
所述高速发电机部分由左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承、右侧径向轴承、低压外壳、抽吸泵构成；
沿透平膨胀机叶轮至高速发电机的主轴方向从左至右，紧贴透平膨胀机叶轮的右侧布置齿密封，间隔一段距离布置干气密封，注气管线布置于齿密封和干气密封之间，透平膨胀机叶轮、齿密封、干气密封、注气管线均位于高压外壳内；干气密封右侧依次布置左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承、右侧径向轴承，且左侧径向轴承、高速发电机、轴向轴承和右侧径向轴承布置于低压外壳内；
所述高压外壳与低压外壳通过齿密封和干气密封相连通。
2.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述注气管线将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封与干气密封之间的腔室；所述抽吸泵从高速发电机转子与定子之间的腔室内抽取工质至机组外。
3.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述高速发电机采用二氧化碳作为冷却介质。
4.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述左侧径向轴承、轴向轴承和右侧径向轴承为磁力轴承、油润滑轴承或气箔轴承中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述左侧径向轴承、轴向轴承或右侧径向轴承为油润滑轴承时，透平发电机组还包括与油润滑轴承相连的供油系统。
6.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述齿密封与干气密封相结合，形成一个密封系统。
7.根据权利要1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述发电机组还包括与注气管线相连的气源：设置于发电机组所在的循环系统的高压低温点或发电机组外的高压二氧化碳存储罐。
8.根据权利要2或7所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述高压低温为压力高于7MPa，温度低于100℃。
9.根据权利要求2所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述发电机组还包括与抽吸泵连接的设置于透平发电机组所在循环系统的冷却器或发电机组外的压力容器或大气。
10.根据权利要求9所述的一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组，其特征在于，所述抽吸泵与压力容器或大气连接时，发电机组还包括补气系统，所述补气系统实时向发电机组内注气，确保发电机组内工质质量处于平衡状态。
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