发电系统和通过操作这种发电系统来发电的方法
阅读说明：本技术 发电系统和通过操作这种发电系统来发电的方法 (Power generation system and method of generating power by operating such a power generation system ) 是由 H·奥曼 A·J·戈瑟尔斯 于 2020-02-11 设计创作，主要内容包括：本公开涉及一种发电系统,-液体泵部分(4),所述液体泵部分包括具有叶轮的旋转式液体泵(7),工作流体在所述叶轮中被加压并且所述叶轮由驱动轴(8)驱动；-蒸发器部分,所述蒸发器部分包括蒸发器(9),其中在所述旋转式液体泵(7)中被加压的工作流体通过添加来自热源的热量而在所述蒸发器中至少部分地被蒸发；-膨胀器部分(3),所述膨胀器部分包括具有入口端口(16)和旋转式膨胀器元件的旋转式膨胀器(11),在所述蒸发器部分中至少部分地蒸发的工作流体在所述旋转式膨胀器元件中被膨胀；和-发电机部分(5),所述发电机部分包括具有转子的旋转式发电机(13),其中,所述膨胀器部分(3)、所述液体泵部分(4)和所述发电机部分(5)可旋转地连接成使得所述旋转式膨胀器(11)的旋转式膨胀元件、所述旋转式液体泵(7)的叶轮和所述旋转式发电机(13)的转子之间的相对转速比被机械地保持,其特征在于：驱动所述旋转式液体泵(7)的叶轮的所述驱动轴(8)构造成设置有节流装置,所述节流装置允许进入所述旋转式液体泵(7)的工作流体的受控部分(15)从所述液体泵部分(4)流向所述膨胀器部分(3)和/或所述发电机部分(5)。(The present disclosure relates to an electric power generation system, -a liquid pump section (4) comprising a rotary liquid pump (7) having an impeller in which a working fluid is pressurized and which is driven by a drive shaft (8); -an evaporator section comprising an evaporator (9) in which a working fluid pressurized in the rotary liquid pump (7) is at least partially evaporated by adding heat from a heat source; -an expander section (3) comprising a rotary expander (11) having an inlet port (16) and a rotary expander element in which a working fluid at least partially evaporated in the expander section is expanded; and-a generator part (5) comprising a rotary generator (13) with a rotor, wherein the expander part (3), the liquid pump part (4) and the generator part (5) are rotatably connected such that a relative rotational speed ratio between the rotary expansion element of the rotary expander (11), the impeller of the rotary liquid pump (7) and the rotor of the rotary generator (13) is mechanically maintained, characterized in that: the drive shaft (8) driving the impeller of the rotary liquid pump (7) is configured to be provided with a throttling arrangement allowing a controlled portion (15) of the working fluid entering the rotary liquid pump (7) to flow from the liquid pump portion (4) to the expander portion (3) and/or the generator portion (5).)
技术领域
本发明涉及一种发电系统，该发电系统包括使工作流体膨胀的膨胀器部分、对该工作流体加压的液体泵部分、和发电机部分，其中膨胀器部分、液体泵部分和发电机部分可旋转地连接成使得膨胀器部分、液体介质部分和发电机部分之间的相对转速比被机械地保持。
具体地，该发电系统还包括半密封的闭合壳体，该壳体包封膨胀器部分、液体泵部分和发电机部分的所有旋转部件，但发电系统不限于此。
背景技术
已知在膨胀机器中通过将与工作流体的压力相关联的能量转换成膨胀器的机械动能而产生动力，该膨胀器是具有转子、活塞或类似物的涡轮机等。该动能能够在具有转子的旋转式发电机中进一步转化为电能，该转子借助于轴、联轴器、齿轮、皮带或类似物可旋转地连接到膨胀机器。膨胀机器能够由工作流体驱动，该工作流体在被称为朗肯循环或朗肯回路的闭合回路中循环。该闭合回路设置有液体泵以使工作流体依次循环通过
-蒸发器部分，该蒸发器部分包括一个或多个蒸发器，在所述蒸发器中来自液体泵的工作流体至少部分地转化为高压气体或蒸汽；
-膨胀器部分；
-冷凝器部分，包括连接到冷却剂(例如水或空气)的冷却回路的一个或多个冷凝器，以使工作流体能够完全冷凝成液体，该液体由液体泵再次泵送回流(pump around)用于后续循环。
为了闭合朗肯循环，液体泵部分的出口流体连接到蒸发器部分的入口，蒸发器部分的出口流体连接到膨胀器部分的入口，膨胀器部分的出口流体连接到冷凝器部分的入口，并且冷凝器的出口流体连接到液体泵部分的入口。
工作流体可以选择为有机工作流体，其中朗肯循环被称为有机朗肯循环(OrganicRankine Cycle)或ORC。有机工作流体的缺点是它们通常易爆炸、有毒或者昂贵。因此，在旋转式膨胀器和/或旋转式发电机的旋转部件穿过包含围绕膨胀器转子或发电机的工作流体的壳体并与环境空气接触的部位处需要机械轴密封。这种机械轴密封很昂贵并且通常需要大量维护。
避免在工作流体和环境空气之间使用机械轴密封的常见方法是设计膨胀器和发电机的紧凑的“半密封”或“集成”的组合。膨胀器和发电机的“半密封”或“集成”的组合是指膨胀器和发电机的组合容纳在壳体中，在所述壳体中膨胀器和发电机的所有旋转部件都完全被壳体包封，并且因此与环境空气的接触被隔离。其中，US 4185465和DE 102012016488中描述了膨胀器和发电机的半密封或集成组合的示例。EP 0004609示出了在制冷剂工作流体中螺杆式膨胀器、螺杆式压缩机和电动机的半密封的组合。JPH 05195808和CN206290297示出了膨胀器、发电机和液体泵的集成组合。
膨胀器、发电机和液体泵的集成组合的缺点是在包含膨胀器的膨胀器部分、包含发电机的发电机部分和包含液体泵的液体泵部分之间在壳体内发生不期望的工作流体的内部泄漏，这是因为在壳体的这些部分中工作流体的压力水平存在显著地差异。这种内部泄漏不仅降低了发电效率，而且当工作流体处于混合的液体-气体或混合的液体-蒸汽状态时，会由于剧烈闪蒸而降低发电系统的可靠性。此外，当工作流体的高压蒸汽从膨胀器部分或发电机部分泄漏到液体泵时，液体泵中会发生气蚀现象。此外，大量液体可能不经过蒸发器而经由液体泵的驱动轴从液体泵泄漏到冷凝器，导致发电效率降低，其中“发电效率”定义为膨胀器部分产生的机械能与蒸发器部分中传递给工作流体的热量和输送到液体泵的功的总和的比值。替代地，为避免经由液体泵的驱动轴而从液体泵泄漏而位于液体泵的驱动轴上的紧密密封易于磨损并且需要不期望的维护。
此外，如果发电机是永磁发电机，由于膨胀器、发电机和液体泵的集成组合的紧凑尺寸，该永磁发电机的磁体可能受到冷却不足的影响，从而导致性能的永久性损害。
EP 2386727公开了一种设计为朗肯循环的发电系统，该发电系统包括涡轮膨胀器，该涡轮膨胀器包括膨胀器部分、液体泵部分和电动发电机部分的集成组合，其中电动发电机部分由被液体泵部分加压的工作流体的一部分冷却。这种系统设计的缺点是发电机内部地暴露在液体泵部分的出口处的高工作流体压力下，这可能会对转子和发电机的其他内部零件造成永久性损害。
WO 82/02741公开了一种朗肯循环涡轮发电机系统，该发电机系统在密封壳体中在单个竖直轴上具有膨胀器部分、液体泵部分和发电机部分的集成组合，其中来自冷凝器的工作流体的一部分由液体泵部分上游的增压泵泵送到轴的轴承用于润滑和冷却目的。发电机的冷却是通过来自顶部轴承组件和液体泵部分中的液体泵的工作流体的泄漏来实现的。该系统的缺点是除了液体泵之外，还需要增压泵来对用于润滑和冷却轴承的那部分的工作流体加压，以便避免由于少量热量的增加导致的所述部分的工作流体的蒸发和在轴承腔中产生蒸汽，这会损害作为轴承中动力润滑剂的流体的正常功能。此外，转子和发电机的其他内部部件再次暴露在轴承腔中和液体泵部分的出口处的高工作流体压力下。