低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种透平发电系统，具体涉及一种低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统，属于能源利用技术领域。


背景技术：

2.现有技术中，富余的低压蒸汽，一是用于食堂、浴室的生活用热，利用效率很低，浪费了宝贵的热能资源和水。二是采用富余的低压蒸汽驱动汽轮机发电，一般都是采用多级轴流透平，带动发电机发电。轴流透平一般功率较大，多在1mw以上。效率低，不适应变工况运行条件。
3.本技术人的公开号为cn114413643a的专利申请中，记载了一种烧结环冷机或带冷机尾端低温烟气联合余热锅炉，联合余热锅炉可利用2种以上不同温度的余热烟气，进入联合余热锅炉的不同温度段，采用能源梯级利用的原理，产生较高参数的水蒸汽和较多的有机工质蒸汽，用于后续分别推动水蒸汽透平发电机组和有机工质蒸汽透平发电机组；可将余热烟气能源充分利用，排烟温度达到80℃水平。基于该联合余热锅炉的技术方案，亟需设计一种透平发电系统，高效利用低压蒸汽，所述蒸汽温度为160～220℃，蒸汽压力为0.4～0.6mpa，进一步实现梯级利用发电应用。


技术实现要素：

4.鉴于上述事实，本实用新型的目的是针对现有技术中低压蒸汽还需进一步开发利用，实现梯级利用发电的技术问题，进而设计了一种低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.方案：低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统，包括透平发电设备和能源梯级利用的低温联合余热锅炉，两者循环连接；所述透平发电设备包括n级径向透平，n为2的倍数，且大于等于4，还包括发电机、多个主动高速小齿轮、从动大齿轮、冷凝器i、凝结水泵；每两级径向透平安装在一个主动高速小齿轮的转轴两端，主动高速小齿轮与从动大齿轮啮合，从动大齿轮通过联轴器与发电机连接，驱动发电机发电；1级至n级的径向透平通过管路i相连接，管路i上未设置加热设备，1级径向透平的进口端通过管路ii与能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端连通，管路ii上设置有调节阀i，n级径向透平的出口端通过管路iii与能源梯级利用的低温联合余热锅炉的给水端连通，管路iii上设置有冷凝器i、凝结水泵和调节阀ii。
7.进一步地：能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端的蒸汽温度为160～220℃，蒸汽压力为0.4～0.6mpa。
8.上述方案，能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽，利用多级径向透平，充分发挥了能源低级利用的优势，实现了低温余热的高效利用。
9.进一步地：所述径向透平采用高转速盘式结构透平。如此设置叶片高度较小，便于
透平间连接。
10.进一步地：所述径向透平与主动高速小齿轮的转轴连接处设置止推轴承。如此设置，克服了2级径向透平的轴向推力。
11.进一步地：所述管路i上设置汽水分离器。如此设置，适用于低压饱和蒸汽进汽。
12.进一步地：所述管路ii与管路iii之间连接有旁通管路，旁通管路与管路iii的连接点位于n级径向透平与冷凝器i之间，旁通管路与管路ii的连接点位于能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端与调节阀i之间，旁通管路上安装有旁通阀。
13.进一步地：所述低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统，包括orc发电系统，所述orc发电系统与能源梯级利用的低温联合余热锅炉的有机工质换热部循环连接。
14.进一步地：所述orc发电系统包括工质罐、工质泵、径向透平机、冷凝器ii和发电机；所述工质罐、工质泵、有机工质换热部、径向透平机、冷凝器通过有机工质管路循环连接，发电机与径向透平机同轴连接，发电机与径向透平机共用主轴，且不需要油路润滑系统。
15.进一步地：所述能源梯级利用的低温联合余热锅炉内由上至下设有烟气热水换热部和有机工质换热部，烟气热水换热部包括上至下连通的高温段换热部和低温段换热部，有机工质换热部与orc发电系统循环连接，能源梯级利用的低温联合余热锅炉的下部连接有排烟管路；烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气通过烟道传送至能源梯级利用的低温联合余热锅炉的顶部，烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气下沉过程依次与高温段换热部、低温段换热部和有机工质换热部换热；烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气通过烟道传送至能源梯级利用的低温联合余热锅炉的中部，烧结环冷机或烧结带冷机5段下沉过程依次低温段换热部和有机工质换热部换热；烧结环冷机或烧结带冷机4、5段烟气和有机工质换热部换热时的烟气温度降为145-160℃；所述排烟管路内的烟气温度达到80℃水平。
16.进一步地：所述烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气温度为240～280℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气温度为150～180℃。
17.本实用新型所达到的效果为：
18.本实用新型提出一种低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统，用于钢铁行业的烧结环冷机或带冷机尾端的低温烟气的余热利用发电。联合余热锅炉产生的低压蒸汽驱动的串联多级径向透平发电系统，利用工艺生产富余的低温低压水蒸汽，进入串联多级径向透平，驱动变速箱齿轮，再带动发电机发电，过程中无需任何再热设备。串联多级径向透平排出的乏汽，进入冷凝器凝结成水，可回用于工艺生产。本技术能够将低参数蒸汽变废为宝，并能回收凝结水，是高效节能、节水的创新技术。串联多级径向透平具有效率高、适应性强(可用于饱和蒸汽发电)、结构简单、能够快速启停、容易做到无人值守等优良特性，具有较高的市场推广价值。
19.具体地：
20.1.采用内效率89％的径向透平，提高余热利用效率。
21.2.采用高转速径向透平，提高单级焓降，减少透平级数，降低造价。
22.3.径向透平设置止推轴承，克服2级不同径向透平的轴向推力。
23.4.级间设置汽水分离装置，适用于饱和蒸汽进汽。
24.5.可快速启停，适用于参数波动大的低压蒸汽。
25.6.容易实现无人值守，降低运行成本。
26.7.能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽，蒸汽温度为160～220℃，蒸汽压力为0.4～0.6mpa，利用多级径向透平，充分发挥了能源低级利用的优势，实现了低温余热的高效利用。
27.8.可以利用联合余热锅炉产生的低压蒸汽，以及低温orc高速径向透平发电机组一起，组成高效的能源梯级利用低温余热发电系统。
附图说明
28.图1为本实用新型的透平发电设备的结构示意图；
29.图2为本实用新型的透平发电设备与能源梯级利用的低温联合余热锅炉联合利用示意图；
30.图3为本实用新型透平发电设备、能源梯级利用的低温联合余热锅炉与orc发电系统联合利用示意图。
31.其中：1-能源梯级利用的低温联合余热锅炉；2-工质罐；3-工质泵；4-径向透平机；5-冷凝器ii；6-高速发电机；7-径向透平(其中，7-1径向透平、7-2径向透平、7-3径向透平、7-4径向透平)；8-发电机；9-主动高速小齿轮；10-烟气热水换热部；11-有机工质换热部；12-高温段换热部；13-低温段换热部；14-从动大齿轮；15-冷凝器i；16-凝结水泵；17-管路i；18-管路ii；19-管路iii；20-调节阀i；21-调节阀ii；22-旁通管路；23-旁通阀。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
33.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
35.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
36.此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，
可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-3并结合实施例来详细说明本技术。
38.下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施例。
39.实施例1：本实施例的低压蒸汽驱动的非再热串联多级径向透平发电系统，包括透平发电设备、orc发电系统、能源梯级利用的低温联合余热锅炉1，透平发电设备与能源梯级利用的低温联合余热锅炉1两者循环连接；能源梯级利用的低温联合余热锅炉的有机工质换热部11与orc发电系统循环连接；
40.所述透平发电设备包括4级径向透平7，分别为径向透平7-1、径向透平7-2、径向透平7-3、径向透平7-4，还包括发电机8、多个主动高速小齿轮9、从动大齿轮14、冷凝器i15、凝结水泵16；
41.所述能源梯级利用的低温联合余热锅炉1内由上至下设有烟气热水换热部10和有机工质换热部11，烟气热水换热部10包括上至下连通的高温段换热部12和低温段换热部13；
42.所述orc发电系统包括工质罐2、工质泵3、径向透平机4、冷凝器ii5和高速发电机6。
43.所述透平发电设备的径向透平7-1和径向透平7-2安装在一个主动高速小齿轮9的转轴两端，径向透平7-3和径向透平7-4安装在另一个主动高速小齿轮9的转轴两端，主动高速小齿轮9与从动大齿轮14啮合，从动大齿轮14通过联轴器与发电机8连接，驱动发电机8发电；径向透平7-1、径向透平7-2、径向透平7-3、径向透平7-4顺次通过管路i17相连接，管路i17上未设置加热设备，径向透平7-1的进口端通过管路ii18与能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端1-1连通，管路ii18上设置有调节阀i20，径向透平7-4的出口端通过管路iii19与能源梯级利用的低温联合余热锅炉的给水端1-2连通，管路iii19上设置有冷凝器i15、凝结水泵16和调节阀ii21；
44.能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端1-1的蒸汽温度为200℃，蒸汽压力为0.5mpa。
45.所述径向透平7采用高转速盘式结构透平；所述径向透平7与主动高速小齿轮9的转轴连接处设置止推轴承；述管路i17上设置汽水分离器。
46.另外，管路ii18与管路iii19之间连接有旁通管路22，旁通管路22与管路iii19的连接点位于n级径向透平7与冷凝器i15之间，旁通管路22与管路ii18的连接点位于能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端1-1与调节阀i20之间，旁通管路22上安装有旁通阀23。
47.所述orc发电系统的工质罐、工质泵、有机工质换热部11、径向透平机4、冷凝器ii5通过有机工质管路循环连接，高速发电机6与径向透平机4同轴连接，高速发电机6与径向透平机4共用主轴，且不需要油路润滑系统。
48.所述能源梯级利用的低温联合余热锅炉1的下部连接有排烟管路；烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气通过烟道传送至能源梯级利用的低温联合余热锅炉1的顶部，烧结环冷
机或烧结带冷机4段烟气下沉过程依次与高温段换热部12、低温段换热部13和有机工质换热部11换热；烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气通过烟道传送至能源梯级利用的低温联合余热锅炉1的中部，烧结环冷机或烧结带冷机5段下沉过程依次低温段换热部13和有机工质换热部11换热；烧结环冷机或烧结带冷机4、5段烟气和有机工质换热部11换热时的烟气温度降为150℃；所述排烟管路内的烟气温度达到80℃；
49.所述烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气温度为260℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气温度为160℃。
50.本实施例的热力系统的原理是：
51.低压水蒸汽依次进入各级串联的径向透平7做功，每2级径向透平7设计成相同转速，悬挂安装在同一个主动高速小齿轮9的两端轴上，驱动同一个从动大齿轮14，从动大齿轮14通过联轴器驱动发电机8发电。每级径向透平7之间，不需设置回热器和再热器，但可以设置汽水分离器，能有效提高发电效率。乏汽由最后一级径向透平7-4排入冷凝器i15，再由循环冷却水冷凝成水，由凝结水泵16送往能源梯级利用的低温联合余热锅炉，加热后产生蒸汽，再进入串联多级径向透平做功，如此循环利用。
52.串联多级径向透平发电系统和联合余热锅炉、有机工质(orc)高速径向透平发电机组一起，组成一整套完整的高效低温余热发电系统；该系统充分发挥能源梯级利用的原理优势，实现低温余热的高效利用。
53.以一台0.5mpa(a)、200℃，12t/h的低压水蒸汽进汽为例，串联多级径向透平发电系统设计计算结果如下表：
54.透平机组由四级径向透平组成，转子设置止推轴承，部件轴向窜动小，后期维护成本低。设计排汽压力8kpa(a)。
55.表：串联多级径向透平发电系统设计计算结果
56.57.实施例2：本实施例与实施例1的不同在于，能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端1-1的蒸汽温度为160℃，蒸汽压力为0.4mpa；烧结环冷机或烧结带冷机4、5段烟气和有机工质换热部换热时的烟气温度降为145℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气温度为240℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气温度为150℃。
58.实施例3：本实施例与实施例1的不同在于，能源梯级利用的低温联合余热锅炉的低压蒸汽出口端1-1的蒸汽温度为220℃，蒸汽压力为0.6mpa；烧结环冷机或烧结带冷机4、5段烟气和有机工质换热部换热时的烟气温度降为160℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机4段烟气温度为280℃；所述烧结环冷机或烧结带冷机5段烟气温度为180℃。
59.实施例4：本实施例与实施例1的不同在于，所述透平发电设备包括6级径向透平7。
60.实施例5：本实施例与实施例1的不同在于，所述透平发电设备包括8级径向透平7。
61.实施例6：本实施例与实施例1的不同在于，所述透平发电设备包括10级径向透平7。
62.以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。
63.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。