渦輪機及其操作方法
【專利摘要】根據實施例，提供了一種使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機（2）。渦輪機（2）包括平衡活塞部分（18），其被配置用于利用其溫度低于被引入到渦輪機（2）內的工作流體的溫度的流體優(yōu)化軸承（J1，J2）上的轉子（11）的軸向載荷，其中，在渦輪機（2）形成有流動路徑，其中，流經平衡活塞部分（18）的流體的至少一部分被從流經的中途抽取，并且被抽取的流體的至少一部分被推動而流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片（14）的通道的中途。
【專利說明】渦輪機及其操作方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于2012年7月20提交的日本專利申請N0.2012-161941并且要求該申請的優(yōu)先權，該申請的全部內容被弓I用方式并入。
【技術領域】
[0003]這里描述的實施例總體上涉及渦輪機及其操作方法。
【背景技術】
[0004]當在火電系統中采用單流式渦輪機時，在一個方向上的推力負荷變得很大。因此要求安裝具有迷宮式結構的平衡活塞部分以優(yōu)化推力軸承上的載荷。
[0005]已知了包括迷宮式封裝以防止高壓高溫蒸氣在轉子穿過殼體處的貫通部分處泄露的雙殼體結構的單流式汽輪機，所述高壓高溫蒸氣流到殼體內并且在殼體中的葉片渦輪機級處膨脹。轉子包括轉子葉片和平衡活塞。內殼體包括定子葉片，并且與轉子葉片一起形成高壓葉片渦輪機級來包圍轉子。在轉子穿過內殼體的貫通部分處，迷宮式封裝被設置于內殼體的迷宮式環(huán)與平衡活塞之間。
[0006]用于泄露蒸氣的回收管被設置于內殼體和外殼體之間的蒸氣室中，所述泄露蒸氣從迷宮式封裝的中途穿過迷宮式環(huán)到達低壓葉片渦輪機級的蒸氣入口，并且具有通向低壓葉片渦輪機級的噴口。從迷宮式封裝部分泄露的蒸氣被從中途抽取而從噴口通過回收管流到低壓葉片渦輪機級并且進行膨脹。
[0007]類似于上述的汽輪機需要裝備有回收管，用于回收從迷宮式封裝部分泄露的蒸氣。另外，回收管需要由抗高溫的材料形成，因為泄露的蒸氣是熱的。
[0008]在一些情況下，希望提供一種能夠以簡單的結構高效率操作的渦輪機以及操作渦輪機的方法。

【發(fā)明內容】

[0009]根據一個實施例，提供了一種使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機。渦輪機包括平衡活塞部分，其被配置用于利用其溫度低于被引入到渦輪機內的工作流體的溫度的流體優(yōu)化軸承上的轉子的軸向載，其中，在渦輪機形成有流動路徑，其中，流經平衡活塞部分的流體的至少一部分被從流經的中途抽取，并且被抽取的流體的至少一部分被推動而流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片的通道的中途。
[0010]根據一個實施例，潤輪機還包括包圍轉子的第一殼體；和包圍第一殼體的第二殼體，其中，被抽取的流體的所述至少一部分在經過第一殼體和第二殼體之間后流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片的通道的中途。
[0011]根據一個實施例，被抽取的流體的所述至少一部分在經過第一殼體和第二殼體之間后流到密封部分，所述密封部分被配置用于防止工作流體從轉子和固定部分之間的間隙泄露。[0012]還提供一種用于使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機中的渦輪機操作方法。所述方法包括通過平衡活塞部分，利用其溫度低于引入到渦輪機內的工作流體的溫度的流體，優(yōu)化軸承上的轉子的軸向載荷；和將流經平衡活塞部分的流體的至少一部分從流經的中途抽取，并且推動被抽取的流體的至少一部分流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片的通道的中途。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是示出了根據實施例的火電系統的示意性結構的方框圖；和
[0014]圖2是示出了圖1中示出的火電系統中的渦輪機的主要部分的結構的豎直斷面圖。
【具體實施方式】
[0015]下面參考附圖描述實施例。
[0016]近來，已經開發(fā)出具有環(huán)境高度調和性的火電系統的實施方式，它能夠使用CO2作為渦輪機的操作流體，并且同時執(zhí)行動力產生以及CO2的分離和回收。
[0017]通過使用，例如，超臨界壓力的CO2構建氧氣燃燒的再循環(huán)系統并且通過有效地使用C02，不排放NOx的零排放系統能夠被實施。
[0018]在這種火電系統中，例如，天然氣(甲烷，等)和氧氣被引入到燃燒器中進行燃燒，通過燃燒產生的高溫CO2被用作工作流體用于轉動渦輪機并且產生電力，從渦輪機排放的氣體(CO2和水蒸氣)被冷卻器冷卻，并且水分被從氣體中分離。然后，通過高壓泵壓縮CO2以獲得高壓CO2,并且大部分高壓CO2被通過熱交換器加熱并且循環(huán)到燃燒器中，而高壓CO2的剩余部分被回收并且用于其它目的。
[0019]圖1是示出了根據實施例的火電系統的示意性結構的方框圖。
[0020]圖1中示出的火電系統是具有環(huán)境高度調和性的火電系統，能夠使用CO2作為渦輪機的操作流體并且同時執(zhí)行動力產生以及CO2的分離和回收。在此火電系統中，通過使用超臨界壓力的CO2構建氧氣燃燒的再循環(huán)系統并且通過有效地使用CO2，不排出NOx的零排放系統被實現。
[0021]圖1中示出的火電系統包括作為主要構成元件的燃燒器1，渦輪機2，發(fā)電機3，熱交換器4，冷卻器5，濕氣分離器6，和高壓泵7。燃燒器I可與渦輪機2是一體的。
[0022]燃燒器I引入通過再循環(huán)渦輪機2的排出氣體而獲得的高壓CO2，引入并且燃燒燃料甲烷和氧氣，并且產生高溫(例如，約1150° C)C02。
[0023]渦輪機2將從燃燒器I產生的高壓CO2作為工作流體引入到渦輪機內，借助于轉子葉片推動高壓CO2膨脹并且使轉子旋轉。另一方面，渦輪機2從熱交換器4內部流動路徑的中途引入低溫(例如，約400° OCO2到渦輪機內作為冷卻和密封流體，推動低溫CO2執(zhí)行轉子葉片及其外圍部分(內殼體，等)的冷卻功能以及用于防止工作流體泄露到外面去的密封功能，并且排出已經完成膨脹、冷卻和密封的氣體(CO2和水蒸氣)。
[0024]發(fā)電機3與渦輪機2共軸地設置并且由于渦輪機2的旋轉而產生電力。
[0025]熱交換器4通過熱交換從自渦輪機2排出的氣體(CO2和水蒸氣)取得熱量并且將熱量供給到再次引入到渦輪機2內的C02。在這種情況下，熱交換器4將，例如，約700° C的CO2供給至燃燒器I并且將從熱交換器4內部流動路徑的中途獲得的，例如，約400° C的CO2供給至渦輪機2。
[0026]冷卻器5進一步冷卻被熱交換器4從中獲取了熱量的氣體。
[0027]濕氣分離器6從冷卻器5冷卻的氣體分離水分并且輸出水分被從中移除了的C02。
[0028]高壓泵7壓縮水分被通過濕氣分離器6從中移除了的CO2，輸出高壓CO2,將大部分高壓CO2供給至熱交換器4用于重新引入到渦輪機內，并且將高壓CO2的剩余部分供給至其它設備。
[0029]在此結構中，當通過再循環(huán)渦輪機2的排出氣體而獲得的高壓CO2被引入到燃燒器I內并且燃料甲烷和氧氣被引入并且燃燒時，產生高溫CO2。在燃燒器I中產生的高溫CO2被從渦輪機2的上游級側的上部作為工作流體引入，而從熱交換器4內部流動路徑的中途供給的低溫CO2被從渦輪機2的上游級側的下部作為冷卻和密封流體引入。高溫CO2在渦輪機2內膨脹并且借助于轉子葉片推動渦輪機旋轉，同時低溫CO2冷卻和密封轉子葉片和轉子葉片的周邊部分(內殼體，等)。當渦輪機2的轉子轉動時，發(fā)電機3產生電力。
[0030]已經結束膨脹、冷卻和密封的氣體(CO2和水蒸氣)被從渦輪機2排出，熱量被通過熱交換器4從氣體獲取,氣體進一步通過冷卻器5冷卻,水分被通過濕氣分離器6從氣體分離，并且水分被從中移除了的CO2被排出。水分被通過濕氣分離器6從中移除了的CO2被高壓泵7壓縮并且輸出為高壓C02。大部分高壓CO2被供給至熱交換器4用于重新引入渦輪機內，并且高壓CO2的剩余部分被供給至其它設備。供給至熱交換器4的高壓CO2被熱交換器4給予熱量并且被供給至燃燒器I，溫度低于被供給的高壓CO2的溫度的高壓CO2被供給至渦輪機2。
[0031]在此結構中，在不單獨提供用于分離和回收CO2的設備(CCS)的情況下，高純度的高壓CO2可被回收。另外，回收的CO2可被存儲，并且能夠被有效利用，也就是，應用于石油采掘現場用的EOR (提高石油采收率，Enhanced Oil Recovery)。
[0032]圖2是示出了圖1中示出的火電系統中的渦輪機2的主要部分的結構的豎直斷面圖。圖2中虛線指示的箭頭代表冷卻和密封流體的流動。渦輪機2下部分中的箭頭被示出用于簡要說明，但在渦輪機2的上部分中具有相同的冷卻和密封流體的流動。
[0033]圖2中示出的渦輪機2是使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機，并且包括，作為主要構成元件，其中軸S通過軸承(軸頸，推力軸承，等)Jl和J2支撐于其內的轉子(回轉構件)11，包圍轉子11的內殼體(固定部分)12A和12B，和包圍內殼體(固定部分)12A和12B的外殼體(固定部分)13。內殼體12A包括將內殼體支撐在外殼體13上的隔壁12C。內殼體12B包括將內殼體支撐在外殼體13上的隔壁12D。
[0034]轉子11包括多級轉子葉片14。內殼體12A和12B包括根據多級轉子葉片14在轉子11側上的位置設置的定子葉片15。
[0035]被配置用于防止工作流體通過回轉構件和固定部分之間的間隙泄露到外面的輪形間隔密封部分16A和16B被設置于相應內殼體12A，12B的端部和轉子11的貫通部分之間。
[0036]被配置用于防止工作流體或冷卻和密封流體泄露到外面的軸封式密封部分17A和17B被設置于外殼體13的兩個端部與轉子11的貫通部分之間。
[0037]被配置用于優(yōu)化軸承Jl和J2上的轉子11的軸向載荷的平衡活塞部分18被設置于上游級側上輪形間隔密封部分16A與軸封式密封部分17A之間。
[0038]供給管21A設置于渦輪機2的上游級側的上部，高壓、高溫CO2通過供給管21A被作為工作流體引入。供給管21B設置于渦輪機2的上游級側的下部，壓力高于工作流體的壓力的低溫CO2通過供給管21B被作為冷卻和密封流體引入。排氣管21C設置于渦輪機2的下游級側的下部，已經完成膨脹以及冷卻和密封的氣體(CO2和水蒸氣)被通過排氣管21C排出。
[0039]貫通孔22設置于內殼體12A，通過供給管21B引入的流體的一部分被允許通過貫通孔22流到輪形間隔密封部分16A側和平衡活塞部分18側。另外，平衡活塞抽取孔23設置于內殼體12A，在平衡活塞部分18處流動的流體的至少一部分在流動過程中被通過平衡活塞抽取孔23抽取，并且被允許在內殼體12A，12B和外殼體13之間流動，更具體地，被允許流到由內殼體12A和12B，外殼體13，和隔壁12C，12D包圍的空間內。
[0040]間隙24設置于內殼體12A和內殼體12B之間，流經平衡活塞抽取孔23的流體的一部分經過間隙24被允許流到路徑的中途(例如，特定的下游級)，工作流體經過以及設置多級轉子葉片14和定子葉片15的位置。
[0041]貫通孔25設置于隔壁12D，流經平衡活塞抽取孔23的流體的一部分被允許通過貫通孔25通過由內殼體12B，外殼體13，隔壁12D和軸S包圍的空間流到輪形間隔密封部分16B。
[0042]在此結構中，當高溫CO2被作為工作流體引入到供給管21A時，引入到供給管21A內的工作流體經過轉子11和內殼體12A，12B，膨脹并且借助于轉子葉片14推動轉子11旋轉。相比之下，當低溫CO2被作為冷卻和密封流體引入到供給管21B時，引入到供給管21B內的流體的一部分流到多級定子葉片15內側(噴嘴，等)，以冷卻定子葉片15。另外，引入到供給管21B內的流體的另一部分經過貫通孔22。
[0043]經過貫通孔22的流體的一部分流到輪形間隔密封部分16A，并且作為密封流體密封輪形間隔密封部分16A以防止工作流體從輪形間隔密封部分16A泄露。另外，經過貫通孔22的流體的另一部分流到平衡活塞部分18。
[0044]流到平衡活塞部分18的流體的至少一部分被通過平衡活塞抽取孔23抽取，并且通過平衡活塞抽取孔23流到由內殼體12A和12B，外殼體13和隔壁12C，12D包圍的空間。
[0045]通過平衡活塞抽取孔23流到該空間內的流體的一部分，在冷卻四周的同時，經過間隙24，流到路徑的中途(例如，特定的下游級)，工作流體經過以及設置轉子葉片14和定子葉片15的位置，與來自上游級側的工作流體匯合并且與工作流體一起膨脹，并且借助于轉子葉片14推動轉子旋轉。另外，通過平衡活塞抽取孔23流到該空間內的流體的一部分通過貫通孔25流到由內殼體12B，外殼體13，隔壁12D和軸S包圍的空間，進一步流到輪形間隔密封部分16B，并且作為密封流體密封以防止工作流體從輪形間隔密封部分16B泄露。
[0046]換句話說，通過在冷卻和密封流體經過平衡活塞部分18的級處抽取冷卻和密封流體的至少一部分經過平衡活塞抽取孔23仍具有足夠的壓力，不但可以通過將要被抽取的流體冷卻定子葉片15和密封輪形間隔密封部分16A，而且可以通過抽取的流體冷卻內殼體12A，12B，外殼體13等或平衡殼體的溫度，類似于工作流體進行膨脹，以及密封輪形間隔密封部分16B，。
[0047]為此，在不引入來自完全不同系統的用于冷卻內殼體12A，12B，外殼體13等和密封輪形間隔密封部分16B的流體的情況下，必須的冷卻和密封能夠進行，并且能夠企圖改進潤輪機的輸出。
[0048]已經完成膨脹、冷卻和密封的大部分氣體(CO2和水蒸氣)被通過排氣管21C排出。
[0049]如上所述，根據實施例，渦輪機可以簡單的結構高效率地操作。
[0050]雖然已經描述了一些實施例，但這些實施例只通過示例呈現，并且不意于限制本發(fā)明的范圍。相反，這里描述的新穎實施例可以體現為多種其它形式；另外，在不偏離本發(fā)明的實質的情況下，對這里描述的實施例形式的各種省略、替代和變化可以被制造。附屬的權利要求及其等效內容意于覆蓋落在本發(fā)明的范圍和實質內的形式和修改。
【權利要求】
1.一種使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機(2)，包括: 平衡活塞部分(18)，其被配置用于利用其溫度低于被引入到渦輪機(2)內的工作流體的溫度的流體優(yōu)化軸承(Jl，J2)上的轉子(11)的軸向載荷， 其中，在渦輪機(2)形成有流動路徑，其中，流經平衡活塞部分(18)的流體的至少一部分被從流經的中途抽取，并且其中，被抽取的流體的至少一部分被推動而流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片(14)的通道的中途。
2.如權利要求1所述的渦輪機(2)，還包括: 包圍轉子(11)的第一殼體(12A，12B);和 包圍第一殼體(12A，12B)的第二殼體(13)， 其中，被抽取的流體的所述至少一部分在經過第一殼體(12A，12B)和第二殼體(13)之間后流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片(14)的通道的中途。
3.如權利要求2所述的渦輪機(2)，其中，被抽取的流體的所述至少一部分在經過第一殼體(12A，12B)和第二殼體(13)之間后流到密封部分(16B)，所述密封部分被配置用于防止工作流體從轉子(11)和固定部分之間的間隙泄露。
4.一種用于使用CO2作為工作流體的單流式渦輪機(2)中的渦輪機操作方法，其中，所述方法包括: 通過平衡活塞部分(18)，利用其溫度低于引入到渦輪機(2)內的工作流體的溫度的流體，優(yōu)化軸承(Jl，J2)上的轉子(11)的軸向載荷；和 將流經平衡活塞部分(18)的流體的至少一部分從流經的中途抽取，并且推動被抽取的流體的至少一部分流入被工作流體流經并且設有多級轉子葉片(14)的通道的中途。
【文檔編號】F02C7/06GK103573414SQ201310072106
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年3月7日 優(yōu)先權日:2012年7月20日
【發(fā)明者】前田秀幸, 田島嗣久, 巖井章吾, 沖園信博, 佐藤巖太郎, 鶴田和孝, 岡村直行 申請人:株式會社東芝