[发明专利]一种超临界低温工质缸体轴封气轮机设备及使用方法

说明书

本发明实施例提供一种超临界低温工质缸体轴封气轮机设备及使用方法，属低温工质用途的气轮机；所述气轮机主蒸汽管道输入的气体温度，必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述气轮机排气管道输出的乏汽温度，达到所述低温发电工质的临界温度；所述气轮机主蒸汽管道输入的气体压力，必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述气轮机排气管道输出的乏汽压力，达到所述低温发电工质的临界压力；本实施例还提供一种采用气轮机缸体的高度密闭性结构进行轴端密封的轴封技术，来解决气轮机或膨胀机等旋转机械转轴两端泄漏难题，尤其是成本昂贵的低温工质；所述气轮机具有工质温度低、结构紧凑、体积小、效率高、成本低、扭矩力大等优势。

技术领域

本发明提供一种超临界低温工质缸体轴封气轮机设备及使用方 法，属于气体透平机械相关的技术领域。所述气体透平包括但不仅限 于气轮机、气动机、气体透平膨胀机、气体螺杆膨胀机及相类似的气 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 述一种低温工质气轮机设备，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。

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；这是一个非常巨大的损失和浪费。

对于低温余热发电，也有用沸点温度约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。

另外还有，汽轮机或膨胀机的缸体静止不动，汽轮机转子或者膨胀机 转子的转速非常快，高速旋转的转轴与静止不动的缸体之间需要进行轴封， 否则汽轮机输入的高压气体，就会顺着汽轮机转轴外泄，且泄漏压力很大。 汽轮机需要有轴封系统，传统有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷 子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封；高压进气端虽然装有轴封，但仍然不能 避免蒸汽通过轴封外漏；大型汽轮机的泄漏量每小时可达10吨以上。尤其是低温的有机工质，成本昂贵，因此轴封泄漏代价也相当大。

另外，传统的汽轮机是采用蒸汽作发电工质，高压蒸汽通过喷嘴， 驱动汽轮机的叶轮和转子高速旋转，输出机械能或者带动发电机高速 旋转输出电能；高压二氧化碳、高压氮气、高压空气等低温发电介子， 进入气轮机的输入端，通过喷嘴吹动气轮机转子上的叶轮，也一样能 够驱动气轮机叶轮和转子高速旋转，气轮机喷嘴和叶轮是不区分输入 的是高压水蒸汽，还是高压二氧化碳气，还是高压空气、高压氮气， 只要是高压的气体驱动，气轮机叶轮就会旋转；膨胀机也是一样。