一种有机朗肯循环变频发电装置及压缩空气储能系统

1.本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环变频发电装置及压缩空气储能系统。


背景技术：

2.在世界各国能源短缺和环境污染等问题日益严峻的背景下，开发清洁能源并提高能源利用效率已成为人类社会普遍关注的话题。有机朗肯循环不仅能有效实现高品位冷能到高品位电能的转化，还具有结构简单、操作成本低、环境友好、可靠性高、运行方便和发电效率高等优点，近年来正逐渐成为研究的热点。
3.常见的理想有机朗肯循环由四个过程构成：1)工质泵内的等熵加压过程；2)蒸发器内的定压加热过程；3)透平的等熵膨胀过程；4)冷凝器内的定压放热过程。因此该循环仅需工质泵、蒸发器、透平及冷凝器四个部件构成。其中工质泵和透平是系统主要旋转部件，其效率对系统效率有重要影响。但是，现有技术中的工质泵与透平二者存在以下问题：1)工质泵和透平都是通过传动轴与电机传动相连。导致其二者的通流部分需要采用径向进/排气装置，导致工质流场折转不均匀，降低流动效率的问题。2)现有的工质泵和透平由于通过传动轴与电机传动相连，会在转轴与静止通流部件之间形成动静间隙，从而提高工质泄漏的可能性。而且，如果发电装置采用含氟工质，还会对大气臭氧层造成破坏。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的有机朗肯循环变频发电装置具有工质流动效率低、容易发生工质泄漏，以及可能对大气臭氧层造成破坏的问题。为此，本发明提供一种有机朗肯循环变频发电装置，包括：
5.集成电机式工质泵，用于对工质升压，所述集成电机式工质泵包括：工质泵电机和工质泵；所述工质泵电机的工质泵电机转子固定设置在所述工质泵的工质泵轮盘上；
6.蒸发器，与所述集成电机式工质泵的工质出口相连通，升压后的工质经过所述蒸发器吸收高温热源的热量并使所述工质相变气化；
7.集成电机式透平，与所述蒸发器相连通，利用所述蒸发器排出的高温高压工质膨胀做工发电；所述集成电机式透平包括：透平电机和透平；所述透平电机的透平电机转子固定设置在所述透平的透平轮盘上；
8.冷却器，与所述集成电机式透平的工质出口相连通，用于对工质冷却；
9.储液罐，分别与所述冷却器和所述集成电机式工质泵相连通，用于储存冷却后的工质并为所述集成电机式工质泵提供所述工质。
10.可选的，所述工质泵电机的工质泵电机定子固定在所述工质泵的泵体外壳上；和/或，
11.所述透平电机的透平电机定子固定在所述透平的透平外壳上。
12.可选的，所述透平还包括：透平静叶和透平动叶；所述透平电机定子设置在所述透
平静叶上，所述透平电机转子设置在所述透平动叶上。
13.可选的，有机朗肯循环变频发电装置，还包括：
14.电网，所述电网通过工质泵变频器与所述集成电机式工质泵相连，为所述集成电机式工质泵供电；所述集成电机式透平通过透平变频器与所述电网相连，所述集成电机式透平为所述电网供电。
15.可选的，所述蒸发器吸收工业废热，从而为工质供热。
16.可选的，所述工质泵电机为同步电机，或者为异步电机；和/或，
17.所述工质泵为叶片式轴流工质泵，或者为叶片式离心工质泵。
18.可选的，所述透平电机为同步电机，或者为异步电机；和/或，
19.所述透平为轴流涡轮、离心涡轮，或者为向心涡轮。
20.可选的，所述工质泵变频器为四象限形式；
21.所述工质泵在正常运行状态下，所述工质泵变频器用于将所述电网的电能转化为所述工质泵所需的电能，以驱动所述工质泵运行；
22.所述工质泵在异常运行状态下，所述工质泵变频器用于驱动所述工质泵电机进入拖动模式，实现对所述工质泵的紧急制动。
23.可选的，所述透平变频器为四象限形式；
24.所述透平在正常运行状态下，所述透平变频器用于将所述透平电机发出的电能转化为工频电能以满足所述电网要求；
25.在所述透平启动过程中，所述透平进入电动模式，所述透平变频器为所述透平供电，以驱动所述透平达到设计转速；
26.在所述透平甩负荷故障时，所述透平变频器驱动所述透平制动，以防止透平飞车。
27.可选的，所述工质泵电机的工质泵电机转子设置在所述工质泵的工质泵叶轮上；所述工质泵的工质泵叶轮通过工质泵转轴转动设置在所述泵体外壳上。
28.一种压缩空气储能系统，包括：
29.有机朗肯循环变频发电装置；以及，
30.压缩空气储能机构，所述压缩空气储能机构与所述蒸发器相连通，为所述蒸发器供热。
31.本发明技术方案，具有如下优点：
32.1.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，包括：
33.集成电机式工质泵，用于对工质升压，所述集成电机式工质泵包括：工质泵电机和工质泵；所述工质泵电机的工质泵电机转子固定设置在所述工质泵的工质泵轮盘上；
34.蒸发器，与所述集成电机式工质泵的工质出口相连通，升压后的工质经过所述蒸发器吸收高温热源的热量并使所述工质相变气化；
35.集成电机式透平，与所述蒸发器相连通，利用所述蒸发器排出的高温高压工质膨胀做工发电；所述集成电机式透平包括：透平电机和透平；所述透平电机的透平电机转子固定设置在所述透平的透平轮盘上；
36.冷却器，与所述集成电机式透平的工质出口相连通，用于对工质冷却；
37.储液罐，分别与所述冷却器和所述集成电机式工质泵相连通，用于储存冷却后的工质并为所述集成电机式工质泵提供所述工质。
38.在本发明中，为了解决现有技术中，有机朗肯循环变频发电装置的工质泵和透平都需要通过传动轴与电机传动相连，从而造成发电装置工质流动效率低、容易发生工质泄漏，以及可能对大气臭氧层造成破坏的问题。在本发明中，通过上述集成电机式工质泵和集成电机式透平可以使有机朗肯循环变频发电装置无需轴端密封装置，进而减少了制造成本，避免了轴端泄露。另外，上述集成电机式工质泵和集成电机式透平也无需联轴器，进一步减少了制造成本，减少了联轴器损失。此外，上述集成电机式工质泵以及上述集成电机式透平由于取消了工质泵电机和工质泵的轴系连接，防止通流部分的流向转折，避免了流动损失。
39.2.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，所述工质泵电机的工质泵电机定子固定在所述工质泵的泵体外壳上；所述透平电机的透平电机定子固定在所述透平的透平外壳上。
40.在本发明中，通过将工质泵电机定子固定在所述工质泵的泵体外壳上，并将透平电机的透平电机定子固定在所述透平的透平外壳上。可以有效地保证固定设置在所述透平的透平轮盘上的透平电机转子，与透平电机定子形成相对转动。并且，固定设置在所述工质泵的工质泵轮盘上的工质泵电机转子，与工质泵电机定子形成相对转动。保证集成电机式工质泵和集成电机式透平稳定可靠地工作。
41.3.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，所述透平还包括：透平静叶和透平动叶；所述透平电机定子设置在所述透平静叶上，所述透平电机转子设置在所述透平动叶上。
42.在本发明中，通过将透平电机定子设置在透平静叶上，并将透平电机转子设置在透平动叶上。即可实现透平静叶和透平动叶相对转动过程中，上述透平电机转子可以相对于透平电机定子转动，从而实现发电。上述结构简单可靠，还可以有效地提高发电效率。
43.4.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，还包括：电网，所述电网通过工质泵变频器与所述集成电机式工质泵相连，为所述集成电机式工质泵供电；所述集成电机式透平通过透平变频器与所述电网相连，所述集成电机式透平为所述电网供电。
44.在本发明中，通过设置上述电网，并通过变频器将电网分别与集成电机式工质泵和集成电机式透平相连通。上述结构可以有效地实现：电网为集成电机式工质泵供电，以及集成电机式透平为电网供电。
45.5.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，所述蒸发器吸收工业废热，从而为工质供热。
46.在本发明中，电网为集成电机式工质泵供电，从而对工质升压。升压后的工质经过蒸发器吸收高温热源的热量并使工质相变气化。随后，上述高温工质进入集成电机式透平膨胀做功发电，该电能经变频后传输至电网上。在上述过程中，由于系统利用蒸发器从工业废热等高温热源获得了热量，因此系统从电网上获得的用于驱动集成电机式工质泵的电能小于系统从集成电机式透平回馈到电网上的电能，进而实现了本发明中的有机朗肯循环变频发电装置向电网净发电。
47.6.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，所述工质泵变频器为四象限形式；所述工质泵在正常运行状态下，所述工质泵变频器用于将所述电网的电能转化为所述工质泵所需的电能，以驱动所述工质泵运行；所述工质泵在异常运行状态下，所述工质泵变频器
用于驱动所述工质泵电机进入拖动模式，实现对所述工质泵的紧急制动。
48.在本发明中，工质泵变频器为四象限形式，所以可以实现：工质泵在正常运行状态下，驱动工质泵运行；工质泵在异常运行状态下，驱动工质泵电机进入拖动模式，实现对工质泵的紧急制动。进而提高了系统运行的机动性和安全性。
49.7.本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置，所述透平变频器为四象限形式；所述透平在正常运行状态下，所述透平变频器用于将所述透平电机发出的电能转化为工频电能以满足所述电网要求；在所述透平启动过程中，所述透平进入电动模式，所述透平变频器为所述透平供电，以驱动所述透平达到设计转速；在所述透平甩负荷故障时，所述透平变频器驱动所述透平制动，以防止透平飞车。
50.在本发明中，透平变频器为四象限形式，所以可以实现：在透平启动过程中，驱动透平加速从而快速达到设计转速；在透平在正常运行状态下，将透平电机发出的电能转化为工频电能从而为电网供电；在透平甩负荷故障时，驱动透平制动，以防止透平飞车。进而提高了系统运行的机动性和安全性。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
52.图1为本发明提供的有机朗肯循环变频发电装置结构示意图；
53.图2为本发明提供的集成电机式透平内部结构示意图；
54.图3为本发明提供的集成电机式工质泵内部结构示意图。
55.附图标记说明：
56.1－集成电机式工质泵；2－工质泵电机；3－工质泵；4－蒸发器；5－集成电机式透平；6－透平电机；7－透平；8－冷却器；9－储液罐；10－电网；11－工质泵变频器；12－透平变频器；13－工质泵电机转子；14－透平电机转子；15－工质泵电机定子；16－泵体外壳；17－透平电机定子；18－透平外壳；19－透平静叶；20－透平动叶；21－工质泵叶轮；22－工质泵转轴。
具体实施方式
57.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
58.实施例1
59.本实施例中提供一种有机朗肯循环变频发电装置，如图1所示，其包括：
60.集成电机式工质泵1，用于对工质升压，如图3所示，所述集成电机式工质泵1包括：工质泵电机2和工质泵3；所述工质泵电机2的工质泵电机转子13设置在所述工质泵3的工质泵叶轮21上；所述工质泵电机2的工质泵电机定子15固定在所述工质泵3的泵体外壳16上；所述工质泵3的工质泵叶轮21通过工质泵转轴22转动设置在所述泵体外壳16上。且，上述工
质泵电机2为同步电机；工质泵3为叶片式轴流工质泵；
61.蒸发器4，与所述集成电机式工质泵1的工质出口相连通，升压后的工质经过所述蒸发器4吸收高温热源的热量并使所述工质相变气化；上述蒸发器4吸收工业废热，从而为工质供热；
62.集成电机式透平5，与所述蒸发器4相连通，利用所述蒸发器4排出的高温高压工质膨胀做工发电；所述集成电机式透平5包括：透平电机6和透平7；所述透平电机6的透平电机转子14固定设置在所述透平7的透平轮盘上；在本发明中，如图2所示：所述透平7还包括：透平静叶19和透平动叶20；所述透平电机定子17设置在所述透平静叶19上，所述透平电机转子14设置在所述透平动叶20上。另外，所述透平电机6的透平电机定子17还固定在所述透平7的透平外壳18上。另外，上述透平电机6为同步电机，透平7为轴流涡轮；
63.冷却器8，与所述集成电机式透平5的工质出口相连通，用于对工质冷却；
64.储液罐9，分别与所述冷却器8和所述集成电机式工质泵1相连通，用于储存冷却后的工质并为所述集成电机式工质泵1提供所述工质；
65.电网10，所述电网10通过工质泵变频器11与所述集成电机式工质泵1相连，为所述集成电机式工质泵1供电；所述集成电机式透平5通过透平变频器12与所述电网10相连，所述集成电机式透平5为所述电网10供电。
66.在本实施例中为了保证系统运行的机动性和安全性，所述工质泵变频器11为四象限形式；所述工质泵3在正常运行状态下，所述工质泵变频器11用于将所述电网10的电能转化为所述工质泵3所需的电能，以驱动所述工质泵3运行；所述工质泵3在异常运行状态下，所述工质泵变频器11用于驱动所述工质泵电机2进入拖动模式，实现对所述工质泵3的紧急制动。
67.另外，所述透平变频器12为四象限形式；所述透平7在正常运行状态下，所述透平变频器12用于将所述透平电机6发出的电能转化为工频电能以满足所述电网10要求；在所述透平7启动过程中，所述透平7进入电动模式，所述透平变频器12为所述透平7供电，以驱动所述透平7达到设计转速；在所述透平7甩负荷故障时，所述透平变频器12驱动所述透平7制动，以防止透平飞车。
68.当然，本实施例对透平电机6的透平电机定子17的设置位置不做具体限定，在其它实施例中，透平电机定子17还可以设置在透平外壳18和透平静叶19二者其一上；或者，透平电机定子17还可以设置在透平外壳18内部的固定架上。
69.当然，本实施例对有机朗肯循环变频发电装置是否通过电网10实现供电和储电不做具体限定，在其它实施例中，机朗肯循环变频发电装置还可以通过变频器向电池供电。
70.当然，本实施例对蒸发器4的高温热源来源不做具体限定，在其它实施例中，蒸发器4还可以通过自然界的热源为工质供热。
71.当然，本实施例对工质泵电机2的电机类型不做具体限定，在其它实施例中，所述工质泵电机2还可以为异步电机。
72.当然，本实施例对工质泵3的类型不做具体限定，在其它实施例中，所述工质泵3还可以为叶片式离心工质泵。
73.当然，本实施例对透平电机6的电机类型不做具体限定，在其它实施例中，所述透平电机6还可以为异步电机。
74.当然，本实施例对透平7的类型不做具体限定，在其它实施例中，所述透平7还可以为离心涡轮，或者为向心涡轮。
75.当然，本实施例对透平7的类型不做具体限定，在其它实施例中，
76.实施例2
77.一种压缩空气储能系统，包括：有机朗肯循环变频发电装置；以及，压缩空气储能机构，所述压缩空气储能机构与所述蒸发器4相连通，为所述蒸发器4供热。
78.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，包括：集成电机式工质泵(1)，用于对工质升压，所述集成电机式工质泵(1)包括：工质泵电机(2)和工质泵(3)；所述工质泵电机(2)的工质泵电机转子(13)固定设置在所述工质泵(3)的工质泵轮盘上；蒸发器(4)，与所述集成电机式工质泵(1)的工质出口相连通，升压后的工质经过所述蒸发器(4)吸收高温热源的热量并使所述工质相变气化；集成电机式透平(5)，与所述蒸发器(4)相连通，利用所述蒸发器(4)排出的高温高压工质膨胀做工发电；所述集成电机式透平(5)包括：透平电机(6)和透平(7)；所述透平电机(6)的透平电机转子(14)固定设置在所述透平(7)的透平轮盘上；冷却器(8)，与所述集成电机式透平(5)的工质出口相连通，用于对工质冷却；储液罐(9)，分别与所述冷却器(8)和所述集成电机式工质泵(1)相连通，用于储存冷却后的工质并为所述集成电机式工质泵(1)提供所述工质。2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述工质泵电机(2)的工质泵电机定子(15)固定在所述工质泵(3)的泵体外壳(16)上；和/或，所述透平电机(6)的透平电机定子(17)固定在所述透平(7)的透平外壳(18)上。3.根据权利要求2所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述透平(7)还包括：透平静叶(19)和透平动叶(20)；所述透平电机定子(17)设置在所述透平静叶(19)上，所述透平电机转子(14)设置在所述透平动叶(20)上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，还包括：电网(10)，所述电网(10)通过工质泵变频器(11)与所述集成电机式工质泵(1)相连，为所述集成电机式工质泵(1)供电；所述集成电机式透平(5)通过透平变频器(12)与所述电网(10)相连，所述集成电机式透平(5)为所述电网(10)供电。5.根据权利要求4所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述蒸发器(4)吸收工业废热，从而为工质供热。6.根据权利要求1所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述工质泵电机(2)为同步电机，或者为异步电机；和/或，所述工质泵(3)为叶片式轴流工质泵，或者为叶片式离心工质泵。7.根据权利要求1所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述透平电机(6)为同步电机，或者为异步电机；和/或，所述透平(7)为轴流涡轮、离心涡轮，或者为向心涡轮。8.根据权利要求4所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述工质泵变频器(11)为四象限形式；所述工质泵(3)在正常运行状态下，所述工质泵变频器(11)用于将所述电网(10)的电能转化为所述工质泵(3)所需的电能，以驱动所述工质泵(3)运行；所述工质泵(3)在异常运行状态下，所述工质泵变频器(11)用于驱动所述工质泵电机(2)进入拖动模式，实现对所述工质泵(3)的紧急制动。9.根据权利要求4所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述透平变频器(12)为四象限形式；
所述透平(7)在正常运行状态下，所述透平变频器(12)用于将所述透平电机(6)发出的电能转化为工频电能以满足所述电网(10)要求；在所述透平(7)启动过程中，所述透平(7)进入电动模式，所述透平变频器(12)为所述透平(7)供电，以驱动所述透平(7)达到设计转速；在所述透平(7)甩负荷故障时，所述透平变频器(12)驱动所述透平(7)制动，以防止透平飞车。10.根据权利要求2所述的有机朗肯循环变频发电装置，其特征在于，所述工质泵电机(2)的工质泵电机转子(13)设置在所述工质泵(3)的工质泵叶轮(21)上；所述工质泵(3)的工质泵叶轮(21)通过工质泵转轴(22)转动设置在所述泵体外壳(16)上。11.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：权利要求1至10中任一项所述的有机朗肯循环变频发电装置；以及，压缩空气储能机构，所述压缩空气储能机构与所述蒸发器(4)相连通，为所述蒸发器(4)供热。

技术总结
本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环变频发电装置及压缩空气储能系统，发电装置包括：集成电机式工质泵，集成电机式工质泵；工质泵电机的工质泵电机转子固定设置在工质泵的工质泵轮盘上；蒸发器，与集成电机式工质泵的工质出口相连通，升压后的工质经过蒸发器吸收高温热源的热量并使工质相变气化；集成电机式透平；集成电机式透平；透平电机的透平电机转子固定设置在透平的透平轮盘上；冷却器，用于对工质冷却；储液罐，用于储存冷却后的工质并为集成电机式工质泵提供工质。上述结构可以有效地解决现有技术中的有机朗肯循环变频发电装置具有工质流动效率低、容易发生工质泄漏，以及可能对大气臭氧层造成破坏的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：王星 徐玉杰 李文 朱阳历 陈海生
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/6/7