一种模块化低温余热发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种模块化低温余热发电系统，其包括：过热器，设置有过热进口和过热出口，配置成将低温液态工质由过热进口引入，使工质在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态，再由过热出口排出过热器；发电主机，设置有进气口和排气口，进气口与过热出口相连接，配置成利用由过热器排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质由排气口排出；凝汽器，设置有凝汽进口和凝汽出口，凝汽进口与排气口相连接，凝汽出口与过热进口相连接，配置成将做功后的气态工质由凝汽进口引入，使工质在其内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由凝汽出口排出，以进行下一次做功循环。从而充分利用了热源的热量，提高了能源利用率。
【专利说明】
一种模块化低温余热发电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及发电领域，特别涉及一种模块化低温余热发电系统。
【背景技术】
[0002]当今能源严重短缺，因此提高能源的开发利用率已经成为重要课题。目前某些低温热源，如工业过程废热、太阳能、海洋温差、地热等清洁能源存储量大，来源广泛，具有很高的利用价值。然而，由于这些热源温度较低(90°C至150°C)，始终不能得到合理的利用，造成能源的浪费。
[0003]另外，现有的热栗发电机大多采用螺杆式膨胀机为发电机组，该发电机采用物理接触式轴承，润滑油路系统以及变速箱，系统结构存在摩擦损耗，影响到机组效率，轴承、变速箱以及油路系统保养和维护复杂，长期运行后磨损减少机组整体使用寿命。并且螺杆式膨胀机体积大，重量大，结构复杂，难以实现低温余热发电的小型化模块化的要求。
【实用新型内容】
[0004]鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种模块化低温余热发电系统。
[0005]本实用新型一个进一步的目的是要提高能源利用率。
[0006]本实用新型的另一个进一步目的是要降低能量损耗。
[0007]本实用新型的另一个进一步目的是要简化发电系统。
[0008]根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种模块化低温余热发电系统，其包括:过热器，设置有过热进口和过热出口，配置成将低温液态工质由过热进口引入，使工质在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态，再由过热出口排出过热器;发电主机，设置有进气口和排气口，进气口与过热出口相连接，配置成利用由过热器排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质由排气口排出；凝汽器，设置有凝汽进口和凝汽出口，凝汽进口与排气口相连接，凝汽出口与过热进口相连接，配置成将做功后的气态工质由凝汽进口引入，使工质在其内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由凝汽出口排出，以进行下一次做功循环。
[0009]可选地，上述模块化低温余热发电系统还包括:储液箱，设置于凝汽出口与过热进口之间，配置成存储低温液态工质；以及工质加压栗，与储液箱相连接，配置成将储液箱内部的低温液态工质加压，使其达到蒸发压力。
[0010]可选地，工质加压栗为立式离心管道栗。
[0011]可选地，上述模块化低温余热发电系统还包括:经济器，其内部设置有相互独立的回冷管道和回热管道，并且回冷管道串接于排气口以及凝汽进口之间，回热管道串接于储液箱的出口以及过热进口之间，以利用从排气口排出的气态工质对从凝汽出口排出的液态工质进行预热。
[0012]可选地，过热器、凝汽器以及经济器均为板式热交换器。
[0013]可选地，发电主机包括:磁悬浮轴承透平，配置成在气态工质的膨胀压力的推动下旋转;永磁同步发电机，永磁同步发电机转子的转轴与磁悬浮轴承透平的转轴相连接，并配置成将磁悬浮轴承透平旋转的机械能转化为电能；以及功率模块，与永磁同步发电机相连，配置成将永磁同步发电机产生的电能转化为设定的电压和频率。
[0014]可选地，发电主机还包括:径向传感器，配置成检测磁悬浮轴承透平的轴承与永磁同步发电机转子主轴的径向间隙；以及控制器，与径向传感器连接，并配置成根据径向传感器的检测结果调控磁悬浮轴承的磁场，以使得径向间隙始终保持在预设范围值内。
[0015]可选地，工质为氟利昂。
[0016]可选地，上述模块化低温余热发电系统还包括:箱体，用于容纳过热器、发电主机以及凝汽器，并且箱体上设置有热源接口、冷却接口以及电能输出口，其中热源接口，与过热器相连，并配置成将热源导入过热器;冷却接口，与凝汽器相连，并配置成将冷却介质导入凝汽器;以及电能输出口，与发电主机相连，并配置成输出电能。
[0017]可选地，上述模块化低温余热发电系统还包括:热源阀门，设置于热源接口与过热器之间，配置成控制热源的导入；以及冷却阀门，设置于冷却接口与凝汽器之间，配置成控制冷却介质的导入。
[0018]本实用新型提供了一种模块化低温余热发电系统。该模块化低温余热发电系统包括:过热器、发电主机以及凝汽器。工质进入过热器后，在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态。发电主机利用由过热器排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质导入凝汽器，做功后的气态工质在凝汽器内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由凝汽出口排出，并进行下一次做功循环。本实用新型的模块化低温余热发电系统通过工质与过热器内部的热源进行热交换，有效地利用了热源的热量，提高了能源利用率。
[0019]进一步地，经济器内部设置有相互独立的回冷管道和回热管道，并且回冷管道串接于排气口以及凝汽进口之间，回热管道串接于储液箱的出口以及过热进口之间。利用从排气口排出的气态工质对从凝汽出口排出的液态工质进行预热，充分利用了气态工质剩余的热量，提高了能源利用率，同时降低了气态工质的温度，有利于后续的冷却过程。并且，过热器、凝汽器以及经济器均为板式热交换器。利用板式热交换器的热交换面积大的特点，有利于热量的传递，提高了能源利用率。
[0020]更进一步地，上述磁悬浮轴承透平的转子轴承为磁悬浮轴承，轴承之间旋转无摩擦，减少了能量的损失，提高了能源利用率。
[0021]根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0022]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0023]图1是根据本实用新型一个实施例的一种模块化低温余热发电系统的示意图；以及
[0024]图2是根据本实用新型另一个实施例的一种模块化低温余热发电系统的示意图。
【具体实施方式】
[0025]本实施例首先提供了一种模块化低温余热发电系统，图1是根据本实用新型一个实施例的一种模块化低温余热发电系统的示意图，该模块化低温余热发电系统包括:过热器10、发电主机30以及凝汽器20。
[0026]过热器10设置有过热进口和过热出口，配置成将低温液态工质由过热进口引入，使工质在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态，再由过热出口排出过热器10。发电主机30设置有进气口和排气口，进气口与过热出口相连接，配置成利用由过热器10排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质由排气口排出。凝汽器20设置有凝汽进口和凝汽出口，凝汽进口与排气口相连接，凝汽出口与过热进口相连接，配置成将做功后的气态工质由凝汽进口引入，使工质在其内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由凝汽出口排出，以进行下一次做功循环。本实施例的模块化低温余热发电系统通过工质与过热器10内部的热源进行热交换，有效地利用了热源的热量，提高了能源利用率。热源可以使用低温热源，有效利用低温热源以避免能源浪费。
[0027]图2是根据本实用新型另一个实施例的一种模块化低温余热发电系统的示意图，本实施例的模块化低温余热发电系统在图1所示的模块化低温余热发电系统的基础上还增加设置:经济器40、储液箱50、工质加压栗60、箱体70以及阀门。
[0028]储液箱50设置于凝汽出口与过热进口之间，配置成存储低温液态工质。工质加压栗60与储液箱50相连接，配置成将储液箱50内部的低温液态工质加压，使其达到蒸发压力，以便于进入过热器10进行蒸发。在本实施例中，工质加压栗60为立式离心管道栗。
[0029]经济器40内部设置有相互独立的回冷管道41和回热管道42，并且回冷管道41串接于排气口以及凝汽进口之间，回热管道42串接于储液箱50的出口以及过热进口之间，并配置成利用从排气口排出的气态工质对从凝汽出口排出的液态工质进行预热。利用从排气口排出的气态工质对从凝汽出口排出的液态工质进行预热，充分利用了气态工质剩余的热量，提高了能源利用率，同时降低了气态工质的温度，有利于后续的冷却过程。
[0030]过热器10、凝汽器20以及经济器40均为板式热交换器。板式热交换器由一系列平行等间距设置的矩形波纹金属板组成，相邻两片金属板形成有容纳流体的空间。每片金属板的四个拐角处均设置有圆孔，供传热的两种流体通过。波纹金属板安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内，并用夹紧螺栓夹紧。金属板片的圆孔周缘安装有密封垫片，用于将流体通道密封以形成相互交错的两条流体通道。引导两种流体分别流入两条流体通道内，通过之间间隔的金属板进行热交换。
[0031]上述过热器10的其中一条流体通道供热源流通，另外一条供工质流通，以对工质进行加热;上述凝汽器20的其中一条流体通道供冷却介质流通，另外一条供工质流通，以对工质进行冷却。
[0032]在本实施例中，发电主机30包括:磁悬浮轴承透平31、永磁同步发电机32以及功率模块33。
[0033]磁悬浮轴承透平31配置成在气态工质的膨胀压力的推动下旋转。永磁同步发电机
32转子的转轴与磁悬浮轴承透平31的转轴相连接，并配置成将磁悬浮轴承透平31旋转的机械能转化为电能。功率模块33与永磁同步发电机32相连，配置成将永磁同步发电机32产生的电能转化为设定的电压和频率。上述设定的电压和频率为标准工频电压和频率。
[0034]上述磁悬浮轴承透平31的转子轴承为磁悬浮轴承，轴承之间存在间隙，旋转无摩擦，减少了能量的损失，提高了能源利用率。另外，透平的转子由两端的径向磁悬浮轴承和中间的止推磁悬浮轴承共同支撑。为了防止磁轴承失去磁性时刮伤轴承以及在主电源和UPS (Uninterruptible Power System不间断电源)电源都失电时能够保护设备，在轴承的两端还安装了抗摩擦轴承。
[0035]在本实施例中，永磁同步发电机32优选为稀土永磁高速发电机，运行速度20000r/min—60000r/min，可输出功率最大为100KW。高速发电机可以通过透平直接驱动，无需变速箱系统，从而减小了模块化低温余热发电系统的尺寸和重量，成本以及磨损，并且更易于组装集成。且不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率。采用稀土永磁发电机还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高了发电效率。
[0036]在本实施例中，功率输出模块为并联IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘三双极型功率管)电力电子模块，内置的控制器PWM(脉冲宽度调制)模块构成逆变器。由于低温余热发电热源并不稳定，磁悬浮发电机组输出为变频高压交流，经功率模块33转换为直流，经PWM控制整流滤波后转换为380V，50Hz工频交流电。由电子控制的功率模块33，替代了传统发电机组定速定频方式，减少了变速箱的成本，并提高了效率。
[0037]发电主机30还包括:径向传感器以及控制器(图中均未示出)。径向传感器配置成检测磁悬浮轴承透平31的轴承与永磁同步发电机32转子主轴的径向间隙。控制器与径向传感器连接，并配置成根据径向传感器的检测结果调控磁悬浮轴承的磁场，以使得径向间隙始终保持在预设范围值内。
[0038]永磁同步发电机32的主轴与磁悬浮轴承透平31同轴安装。透平由进气口进入的高压气体推动旋转，并带动主轴旋转驱动发电机。磁悬浮轴承径向支撑主轴旋转，永磁同步发电机32的首尾两端均安装有磁悬浮轴承，并均由径向传感器监测轴承间隙。控制器接收传感器监测结果，并相应地调控磁场大小，以使得轴承间隙在任何径向方向上都保持一致。
[0039]在本实施例中，工质为氟利昂。低温液态氟利昂存储于储液箱50中，通过立式离心管道栗加压，达到蒸发压力后进入过热器10，蒸发成为高压气态氟利昂。高压气态氟利昂进入发电主机30后，带动磁悬浮轴承透平31旋转，并转化为低压气态氟利昂。氟利昂沸点低并且性质稳定，能够充分利用低温热源做功，提高了能源利用效率。
[0040]上述模块化低温余热发电系统还包括:箱体70。箱体70用于容纳过热器10、发电主机30以及凝汽器20，并且箱体70上设置有热源接口、冷却接口以及电能输出口 71，其中热源接口与过热器10相连，配置成将热源导入过热器10;冷却接口与凝汽器10相连，配置成将冷却介质导入凝汽器10;电能输出口 71与发电主机30相连，配置成输出电能。在本实施例中，热源可以由箱体70上的热源接口导入，冷却介质由冷却接口导入，无需打开箱体70，对其内部系统进行操作，操作简单方便。将整个模块化低温余热发电系统整合入箱体70内部，使得发电系统结构更加稳定、紧凑。
[0041]上述模块化低温余热发电系统还包括多个阀门，其中包含热源阀门81以及冷却阀门82。热源阀门81设置于热源接口与过热器10之间，配置成控制热源的导入。冷却阀门82设置于冷却接口与凝汽器20之间，配置成控制冷却介质的导入。
[0042]本实用新型提供了一种模块化低温余热发电系统。该模块化低温余热发电系统包括:过热器10、发电主机30以及凝汽器20。工质进入过热器10后，在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态。发电主机30利用由过热器10排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质导入凝汽器20，做功后的气态工质在凝汽器20内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由凝汽出口排出，并进行下一次做功循环。本实用新型的模块化低温余热发电系统可以有效地利用低温余热，通过工质与热源热交换气化做功进行发电，提高了能源利用率。
[0043]进一步地，经济器40内部设置有相互独立的回冷管道41和回热管道42，并且回冷管道41串接于排气口以及凝汽进口之间，回热管道42串接于储液箱50的出口以及过热进口之间。利用从排气口排出的气态工质对从凝汽出口排出的液态工质进行预热，充分利用了气态工质剩余的热量，提高了能源利用率，同时降低了气态工质的温度，有利于后续的冷却过程。并且，过热器10、凝汽器20以及经济器40均为板式热交换器。板式热交换器通过之间间隔的金属板进行热交换，热交换面积大，有利于热量的传递，提高了能源利用率。
[0044]更进一步地，上述磁悬浮轴承透平31的转子轴承为磁悬浮轴承，轴承之间旋转无摩擦，减少了能量的损失，提高了能源利用率。另外，永磁同步发电机32为高速发电机，可以通过透平直接驱动，无需变速箱系统，减小了模块化低温余热发电系统的尺寸和重量，成本以及磨损，并且更易于组装集成。且不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率。
[0045]至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
【主权项】
1.一种模块化低温余热发电系统，其特征在于包括: 过热器，设置有过热进口和过热出口，配置成将低温液态工质由所述过热进口引入，使所述工质在其内部与热源进行热交换以转化为高压气态，再由所述过热出口排出所述过热器； 发电主机，设置有进气口和排气口，所述进气口与所述过热出口相连接，配置成利用由所述过热器排出的高压气态工质进行发电，并将做功后的气态工质由所述排气口排出；凝汽器，设置有凝汽进口和凝汽出口，所述凝汽进口与所述排气口相连接，所述凝汽出口与所述过热进口相连接，配置成将做功后的气态工质由所述凝汽进口引入，使所述工质在其内部与冷却介质进行热交换转化为低温液态，再由所述凝汽出口排出，以进行下一次做功循环。2.根据权利要求1所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于还包括:储液箱，设置于所述凝汽出口与所述过热进口之间，配置成存储所述低温液态工质；以及 工质加压栗，与所述储液箱相连接，配置成将所述储液箱内部的所述低温液态工质加压，使其达到蒸发压力。3.根据权利要求2所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于， 所述工质加压栗为立式离心管道栗。4.根据权利要求3所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于还包括: 经济器，其内部设置有相互独立的回冷管道和回热管道，并且 所述回冷管道串接于所述排气口以及所述凝汽进口之间，所述回热管道串接于所述储液箱的出口以及所述过热进口之间，以利用从所述排气口排出的所述气态工质对从所述凝汽出口排出的液态工质进行预热。5.根据权利要求4所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于， 所述过热器、所述凝汽器以及所述经济器均为板式热交换器。6.根据权利要求1所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于所述发电主机包括: 磁悬浮轴承透平，配置成在所述气态工质的膨胀压力的推动下旋转； 永磁同步发电机，所述永磁同步发电机转子的转轴与所述磁悬浮轴承透平的转轴相连接，并配置成将所述磁悬浮轴承透平旋转的机械能转化为电能；以及 功率模块，与所述永磁同步发电机相连，配置成将所述永磁同步发电机产生的电能转化为设定的电压和频率。7.根据权利要求6所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于所述发电主机还包括: 径向传感器，配置成检测所述磁悬浮轴承透平的轴承与所述永磁同步发电机转子主轴的径向间隙；以及 控制器，与所述径向传感器连接，并配置成根据所述径向传感器的检测结果调控磁悬浮轴承的磁场，以使得所述径向间隙始终保持在预设范围值内。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于， 所述工质为氟利昂。9.根据权利要求1至7中任意一项所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于还包括:箱体，用于容纳所述过热器、所述发电主机以及所述凝汽器，并且所述箱体上设置有热源接口、冷却接口以及电能输出口，其中所述热源接口，与所述过热器相连，并配置成将所述热源导入所述过热器；所述冷却接口，与所述凝汽器相连，并配置成将所述冷却介质导入所述凝汽器；以及电能输出口，与所述发电主机相连，并配置成输出电能。10.根据权利要求9所述的模块化低温余热发电系统，其特征在于还包括:热源阀门，设置于所述热源接口与所述过热器之间，配置成控制所述热源的导入；以及冷却阀门，设置于所述冷却接口与所述凝汽器之间，配置成控制所述冷却介质的导入。
【文档编号】F01K27/02GK205503203SQ201620152817
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】俞涛
【申请人】上海冰核时代科技中心（有限合伙）