СИСТЕМА И СПОСОБ СМАЗКИ ОБЪЕМНЫХ РАСШИРИТЕЛЬНЫХ МАШИН
SYSTEM AND METHOD OF GREASING OF VOLUMETRIC EXPANSION MACHINES

Область техники
Настоящее изобретение относится к объемным расширительным машинам и, в частности, к способу их смазки.
Уровень техники
По состоянию техники известна эксплуатация расширительных машин, например паровых турбин, в частности при помощи органического цикла Рэнкина (ORC), с целью выработки электрической энергии посредством применения органических сред, например органических сред с низкой температурой испарения, которые при одинаковых температурах имеют по сравнению с водой, применяемой в качестве рабочей среды, в общем случае более высокие давления испарения. Установки с органическим циклом Рэнкина представляют собой реализацию кругового процесса Клаузиуса-Рэнкина, в котором, например, электрическую энергию получают принципиально посредством адиабатических и изобарических изменений состояния рабочей среды. При этом посредством испарения, расширения и последующей конденсации рабочей среды получают механическую энергию и преобразуют ее в электрическую энергию. Принципиально рабочую среду доводят при помощи питательного насоса до рабочего давления, и в испарителе к ней подводят энергию в форме тепла, которое предоставляется в распоряжение посредством сжигания или посредством потока отводимого тепла. От испарителя рабочая среда протекает через напорную трубу к расширительной машине, в которой она расширяется до более низкого давления. В завершение расширенный пар рабочей среды протекает через конденсатор, в котором происходит теплообмен между парообразной рабочей средой и охлаждающей средой, после чего подвергнутую конденсации рабочую среду при помощи питательного насоса подводят в круговом процессе обратно к испарителю.
Особый класс расширительных машин представляют собой объемные расширительные машины, которые обозначают также как вытеснительные расширительные машины, и которые включают в себя рабочую камеру, при этом во время увеличения объема этой рабочей камеры в процессе расширения рабочей среды совершается работа. Эти расширительные машины реализованы, например, в форме поршневых расширительных машин, винтовых расширительных машин или спиральных расширителей. Такие объемные расширительные машины применяют, в частности, в системах с органическим циклом Рэнкина малой мощности (например, от 1 до 500 кВт электрической мощности). Однако, в отличие от турбин, объемные расширительные машины требуют смазки при помощи смазочного средства, в частности поршня или же обкатывающихся друг по другу профилей расширительной полости, а также подшипников качения и подверженных скольжению стенок рабочей камеры. Применение смазочного средства благоприятным образом приводит также к уплотнению рабочей полости расширительной машины, вследствие чего меньшее количество пара теряется вследствие перетекания внутри расширительной машины, и, таким образом, коэффициент полезного действия повышается.
На фиг.1 показана принципиальная схема системы смазки, известной по состоянию техники. Рабочую среду подают от испарителя 1 к расширительной машине 2. В расширительной машине 2 парообразная рабочая среда расширяется, и высвобождающаяся энергия преобразуется посредством генератора 3 в электрическую энергию. Посредством циркуляционного масляного насоса 4 к расширительной машине 2 подводят смазочное средство, например смазочное масло. Смазочное средство выходит совместно с расширившейся рабочей средой из расширительной машины 2. Смазочное средство присутствует в расширившейся рабочей среде в форме мелко распределенного масляного тумана, и отделяется от рабочей среды в маслоотделителе 5, так что рабочая среда, по существу не содержащая масла, подается из маслоотделителя 5 в конденсатор 6. Подвергнутую конденсации рабочую среду при помощи питательного насоса 7 снова подводят в испаритель 1. Полученное обратно масло при помощи циркуляционного масляного насоса 4 снова подводят в расширительную машину 2.
Однако известная система смазки имеет следующие недостатки. Так как смазочное средство (смазочное масло) отделяют на стороне низкого давления после прохождения через расширительную машину 2, требуется наличие циркуляционного масляного насоса 4, который, поскольку смазочное средство должно подводиться на стороне высокого давления расширительной машины 2, должен преодолеть такую же разность давлений, как питательный насос 7, транспортирующий рабочую среду, вследствие чего возникают высокие затраты на оборудование с соответствующей стоимостью. Кроме того, необходим относительно большой маслоотделитель 5, так как выходящий из расширительной машины 2 отработавший пар имеет меньшую по сравнению с подводимым в расширительную машину 2 свежим паром плотность, например плотность, меньшую более чем на порядок величины. Кроме того, отделение смазочного средства от отработавшего пара рабочей среды при помощи циклонных отделителей или отражательных пластин всегда выполняют со значительным изменением направления потока отработавшего пара, содержащего смазочное средство, вследствие чего, в сочетании с относительно большим объемным потоком отработавшего пара, возникают потери давления, которые приводят к противодавлению, действующему на расширительную машину 2, и, таким образом, к снижению ее коэффициента полезного действия.
Кроме того, относительно большой маслоотделитель 5 вследствие относительно большой массы или же относительно большого объема отработавшего пара имеет определенную инерционность, которая неблагоприятно сказывается при пуске установки или изменении нагрузки. Кроме того, смазочное средство, в общем случае распыленное в свежий пар в жидком состоянии примерно при температуре отработавшего пара, нежелательным образом уменьшает температуру свежего пара и его энтальпию.
Таким образом, существует потребность, положенная в качестве задачи в основу настоящего изобретения, предложить способ смазки объемных расширительных машин, при котором упомянутые выше проблемы устранены или по меньшей мере уменьшены.
Раскрытие изобретения
Упомянутая выше задача решена посредством способа смазки расширительной машины, который включает в себя следующие этапы. Рабочую среду, содержащую смазочное средство, подают от теплообменника (испарителя). Рабочая среда частично или полностью находится в парообразном состоянии. По меньшей мере часть смазочного средства отделяют от рабочей среды, подаваемой от испарителя и содержащей смазочное средство. Рабочую среду с содержанием смазочного средства, уменьшенным вследствие отделения по меньшей мере части смазочного средства, подают в расширительную машину.
В отличие от состояния техники согласно изобретению по меньшей мере часть смазочного средства отделяют от рабочей среды, подаваемой от испарителя. В противоположность этому по состоянию техники это отделение происходит от рабочей среды, выходящей из расширительной машины. Наличие циркуляционного масляного насоса в способе согласно изобретению является излишним. Кроме того, устройство отделения смазочного средства, применяемое для отделения по меньшей мере части смазочного средства от подаваемой от испарителя рабочей среды, может быть выполнено меньшим по сравнению с известным состоянием техники, так как отделение смазочного средства осуществляется из свежего пара, а не из отработавшего пара. Кроме того, согласно изобретению температура и энтальпия свежего пара не снижаются нежелательным образом вследствие добавления относительно холодного смазочного средства.
Согласно одному усовершенствованию способ согласно изобретению включает в себя подачу по меньшей мере части отделенного смазочного средства в расширительную машину. В то время как часть смазочного средства, остающаяся в рабочей среде, подводимой в расширительную машину, служит для смазки обкатывающихся друг по другу или скользящих деталей рабочей камеры объемной расширительной машины, согласно этому усовершенствованию по меньшей мере часть отделенного смазочного средства подают в места смазки расширительной машины.
Предложенный в изобретении способ может выгодным образом применяться для смазки объемной расширительной машины установки с органическим циклом Рэнкина (ORC). Таким образом, рабочая среда может подготавливаться в форме органической рабочей среды. Например, в качестве рабочей среды могут служить фторированные углеводороды. В то время как рабочую среду обычно подают от испарителя к расширительной машине по существу в парообразной форме, согласно данному усовершенствованию смазочное средство присутствует в рабочей среде, подаваемой от испарителя и содержащей смазочное средство, в жидком состоянии, в форме масляных капель, которые увлекаются паром рабочей среды. Затем масляные капли по меньшей мере частично отделяют от рабочей среды и накапливают их при помощи устройства отделения смазочного средства, прежде чем рабочая среда поступит в расширительную машину, так что масляные капли могут подаваться в места смазки расширительной машины. Смазочным средством в форме масляных капель может быть, например, синтетический сложный эфир (см. также детальное описание ниже).
Так как смазочное средство вместе с рабочей средой проходит через испаритель, оно имеет после отделения из по существу парообразной рабочей среды высокую температуру, так что оно, когда накапливается в устройстве отделения смазочного средства, находится под относительно высоким давлением. Это высокое давление приводит к тому, что смазочное средство свободно и, в частности без необходимости перекачивания при помощи отдельного насосного устройства, может протекать к местам смазки расширительной машины, в частности к смазываемым подшипникам.
С другой стороны, как уже было упомянуто, смазочное средство, подаваемое от устройства отделения смазочного средства в места смазки расширительной машины, является относительно горячим. Так как это может выгодным образом применяться для отвода тепла от мест смазки расширительной машины, согласно одному варианту выполнения способ согласно изобретению включает в себя охлаждение отделенного смазочного средства перед подачей в места смазки расширительной машины.
При этом тепло смазочного средства (например, смазочного масла) может отдаваться непосредственно в охлаждающую среду (например, воздух). Тепло может выходить в окружающий воздух непосредственно от трубы, в которой смазочное средство подают в места смазки расширительной машины, или же теплопередачу улучшают, например, посредством снабжения труб ребрами. В этом случае тепло уже не используется в процессе.
Другую возможность представляет собой применение для охлаждения холодной рабочей среды. При этом может быть предусмотрено, что смазочное средство и рабочая среда протекают через теплообменник. При этом тепло переходит от смазочного средства в холодную рабочую среду перед подачей ее в испаритель, и, таким образом, снова используется в процессе.
Таким образом, охлаждение смазочного средства, подаваемого в места смазки расширительной машины, может по меньшей мере частично осуществляться при помощи рабочей среды, подаваемой в испаритель и содержащей смазочное средство. Рабочая среда находится перед испарителем в жидкой форме и поэтому содержит смазочное средство в растворенном виде. В этой форме она является, по сравнению с состоянием после испарителя, относительно холодной. Таким образом, она может быть, например, по меньшей мере частично проведена через охлаждающие ребра, которые предусмотрены вокруг трубопровода, в котором отделенное смазочное средство протекает к местам смазки расширительной машины, и, вследствие этого, она может охлаждать смазочное средство на пути транспортировки к расширительной машине.
Упомянутая выше задача решена также путем предложения устройства, которое включает в себя:
испаритель, который выполнен для того, чтобы испарять рабочую среду, содержащую смазочное средство, и подавать ее в расширительную машину; и
устройство отделения смазочного средства, которое выполнено для того, чтобы отделять по меньшей мере часть смазочного средства из рабочей среды, подаваемой от испарителя в расширительную машину и содержащей смазочное средство.
Кроме того, устройство отделения смазочного средства может быть выполнено для того, чтобы по меньшей мере часть отделенного смазочного средства подводить в соответствующие места смазки расширительной машины, например смазываемые подшипники расширительной машины.
Согласно одному усовершенствованию устройством согласно изобретению является устройство, работающее с органическим циклом Рэнкина, в котором находит применение органическая рабочая среда.
Расширительная машина может быть выбрана из группы, состоящей из поршневой расширительной машины, винтовой расширительной машины, спирального расширителя, пластинчатой расширительной машин и расширителя Рута.
Кроме того, устройство согласно изобретению может включать в себя трубопровод, в котором смазочное средство, отделенное в устройстве отделения смазочного средства, проводится к местам смазки расширительной машины, и охлаждающие ребра, которые окружают трубопровод.
Кроме того, предложена паровая электростанция, например геотермальная паровая электростанция или паровая электростанция со сжиганием биомассы, которая включает в себя устройство согласно одному из вариантов выполнения, приведенных выше.
Следующие признаки и примерные варианты выполнения, а также преимущества настоящего изобретения поясняются подробнее ниже при помощи чертежей. Понятно, что содержание настоящего изобретения не исчерпывается этими вариантами выполнения. Кроме того, понятно, что отдельные или все описанные ниже признаки могут также комбинироваться друг с другом другим способом.
На чертежах изображено:
фиг.1 - система смазки для объемной расширительной машины по состоянию техники,
фиг.2 - примерная система смазки для объемной расширительной машины согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг.2, согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения система смазки для объемной расширительной машины включает в себя устройство отделения смазочного средства, ниже обозначенное как маслоотделитель 10, который промежуточно включен между испарителем 20, подающим полностью или частично испарившуюся рабочую среду, и расширительной машиной 30, которая во взаимодействии с генератором 40 служит для получения электрической энергии. В то время как по состоянию техники, как это описано выше со ссылкой на фиг.1, отделение смазочного средства осуществляют из потока отработавшего пара, согласно изобретению по меньшей мере часть смазочного средства отделяют из подводимого к расширительной машине 30 свежего пара рабочей среды, содержащей смазочное средство. В маслоотделителе 10 могут быть предусмотрены соответствующие отделяющие щитки таким образом, что в рабочей среде, поступающей в расширительную машину 30, еще имеется достаточное количество смазочного средства (смазочного масла), так что может обеспечиваться надежная смазка обкатывающихся друг по другу или скользящих деталей рабочей камеры объемной расширительной машины 30. Альтернативно отделение смазочного средства в маслоотделителе 10 может осуществляться по существу полностью, и надлежащее количество смазочного средства снова подводят в свежий пар рабочей среды перед поступлением в расширительную машину 30.
В маслоотделителе 10 накапливается отделенное смазочное масло. Так как оно после протекания через испаритель совместно с рабочей средой доведено до высокой температуры, оно находится в маслоотделителе 10 под высоким давлением, так что оно может свободно протекать через соответствующий трубопровод к расширительной машине 30, чтобы смазывать там соответствующие места смазки последней. Наряду со смазкой подшипников может также происходить отвод тепла потерь от подшипников. Для этого может быть благоприятным охлаждение смазочного масла перед транспортировкой к местам смазки расширительной машины 30 или во время нее. Это охлаждение может осуществляться, например, при помощи охлаждающих ребер, которые предусмотрены вокруг трубопровода к местам смазки расширительной машины 30. Охлаждение может также осуществляться посредством теплового взаимодействия с возвращаемой питательным насосом 50 рабочей средой, которая после расширения в расширительной машине 30 проходит с целью конденсации через конденсатор 60. Альтернативно тепло может непосредственно уходить от трубопровода, в котором смазочное средство подают к местам смазки расширительной машины, в окружающий воздух. Согласно следующему альтернативному варианту может быть предусмотрено, что смазочное средство и рабочая среда протекают через теплообменник. При этом тепло переходит от смазочного средства в холодную рабочую среду.
В частности, смазочное средство присутствует в рабочей среде, когда ее подводят в испаритель 20 при помощи питательного насоса 50, в растворенной форме. Это может достигаться путем надлежащего выбора рабочей среды и смазочного средства. В частности, рабочая среда может подготавливаться в форме фторированного углеводорода, например R134a, R245fa, а смазочное средство - в форме синтетического сложного эфира, например масла из серии Reniso Triton SE/SEZ оферента Fuchs, при этом следует обратить внимание на то, чтобы в обусловленном эксплуатацией диапазоне температур не происходили разрывы смешиваемости с соответствующим фазовым разделением рабочей среды и смазочного средства. Смазочное масло имеет в общем случае существенно более высокую по сравнению с рабочей средой температуру кипения, так что оно после прохождения через испаритель 20 присутствует в рабочем паре рабочей среды в жидкой каплеобразной форме.
Поскольку согласно описанному варианту выполнения отделенное в маслоотделителе 10 смазочное масло находится под высоким давлением, так что оно может свободно протекать вследствие давления к расширительной машине 30, отсутствует необходимость применения дополнительного насосного устройства для смазочного средства. Кроме того, через маслоотделитель 10 протекает меньший по сравнению с состоянием техники объем в единицу времени, так что маслоотделитель может быть выполнен сравнительно компактным, вследствие чего образуется экономия места и стоимости. Кроме того, уменьшаются потери давления после расширительной машины 30, и, таким образом, может быть увеличен перепад давления на расширительной машине 30 по сравнению с традиционной конфигурацией при расположении маслоотделителя 10 после расширительной машины 30, так что коэффициент полезного действия расширительной машины 30 может быть повышен. Кроме того, смазочное средство остается непосредственно в свежем паре рабочей среды, или же подводится к ней при температуре свежего пара, так что в отличие от состояния техники применение смазочного средства не приводит к снижению температуры и энтальпии свежего пара.
Кроме того, предложенная в изобретении смазка объемной расширительной машины существенно улучшает режим пуска установки с органическим циклом Рэнкина. При пуске установки с органическим циклом Рэнкина холодную рабочую среду подводят в испаритель 20, в котором вследствие испарения образуется тепловое давление. В рамках процесса пуска пар подводят в конденсатор 60 через байпасный трубопровод (на фиг.2 не показан). Жидкое смазочное средство, например смазочное масло из маслоотделителя 10, также подводят в конденсатор. Сжиженная рабочая среда, а также смазочное масло протекают в питательную емкость, откуда их подают при помощи питательного насоса 50 в испаритель 20. Смазочное масло может также непосредственно подаваться в питательную емкость с целью растворения в рабочей среде. Таким образом, весь имеющийся в распоряжении запас смазочного средства может быть проведен с экономией времени через испаритель и доведен до рабочей температуры.