CN106121753A - 用于闭环布雷顿循环的改进控制概念 - Google Patents

用于闭环布雷顿循环的改进控制概念 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于闭环布雷顿循环的改进控制概念。具体而言，提供一种用于发电装置的改进的闭环布雷顿循环(100)，其包括加热器(110)、至少一个涡轮(120)、同流换热器(150)、至少一个冷却器(160)、至少一个压缩机(170)、旁路线(180)以及闭合回路中的瓣阀布置(190)，工作流体在闭合回路中循环以经由发电机(132)产生电力。根据需要，诸如，在电网负载断开的情况下，涡轮(120)、压缩机(170)和发电机(132)配置到的轴系的速度也需要降低，而不对循环中的压降有任何影响。为此，非密封的瓣阀布置(190)尽可能地靠近每个涡轮入口(122)配置在加热器(110)和该至少一个涡轮(120)之间的每个管道(140)上。

Description

用于闭环布雷顿循环的改进控制概念
技术领域
本公开内容大体上涉及闭环布雷顿循环(Brayton cycle)，且更具体地涉及用于闭环布雷顿循环的改进控制概念，其具有在发电机从电网断开期间控制这样的循环中的气流的特定优点。
背景技术
众所周知，在闭式布雷顿循环发电装置中将热量转化成电力的工作流体是气体。
在一种这样公知的闭式布雷顿循环发电装置循环10中，如图1的现有技术中所示，包括轴3上的至少一个压缩机1和涡轮2，冷却器4、同流换热器5和加热器6设置在闭环循环中以操作并经由发电机7(其同样配置在轴3上)产生电力来传输到电网。这种循环还包括压缩机附近的旁路控制布置8，以及布置在循环10中的存储系统9。然而，循环10的效率对压降非常敏感，并因此当这样时需要适当的关注。
在电网中的缓慢功率波动期间，电网负载变动通过由存储系统9增加或者移除循环中的气体进行补偿。气体从闭环移除并存储在存储系统9中以减少负载。气体从存储系统9得到并注入闭环中以增加负载。通过改变闭环中的气体量，有可能改变气体密度且因此改变质量流，即，功率。然而，这些变化是缓慢的。
此外，在电网负载中的突然急剧减少的情况下，发电机7与电网断开。发电机7的阻力转矩移除。但是由于存储系统9过于缓慢地减小涡轮2转矩，结果，来自涡轮2的驱动转矩和来自发电机7的阻力转矩之间的平衡是正的，即，轴系3将加速并且其转速将危险地提高，如果不注意，这可能会使转子破裂。通常在这种情况下，旁路控制布置8打开，从而连接压缩机排放至压缩机入口，其增加压缩机1(阻力转矩)所需要的功率并因此减少涡轮2和发电机7以及压缩机1之间的功率不平衡。循环10的高压体积被抽气以在循环中达到压力平衡，因而减少涡轮2的驱动转矩。
因此，存在克服前述缺陷对于涡轮的气流更好和更快地控制的需求。
发明内容
本公开内容公开了一种闭环布雷顿循环的改进控制，其将在以下简要概要中介绍以提供本公开内容的意在克服所述缺陷但包括其所有的优点的一个或多个方面的基本理解，随同提供一些额外的优点。本概要不是本公开内容的排他性综述。意在既非确定本公开内容的关键或决定性元件，也非限定本公开内容的范围。相反，本概要的唯一目的在于以简要形式介绍本公开内容的一些概念、其方面和优点作为后文介绍的更详细描述的序言。
本公开内容的大体目的在于提供一种改进的闭环布雷顿循环，其适于用在各种系统中，诸如气体冷却的核反应堆系统、太阳能操作的系统、化石燃料操作的系统等。此外，本公开内容的目的在于描述用于闭环布雷顿循环的改进控制概念，其能够更好地迅速控制到涡轮的气流并在压降即闭环布雷顿循环效率上具有边际影响。在变型中，可能显著减小旁路阀的尺寸。
在本发明的一个方面，提供了一种用于发电装置的闭环布雷顿循环的改进控制概念。循环可包括在其中流动以用于发电装置的操作的工作流体。在示例性布置中，循环可包括加热器、至少一个涡轮、同流换热器、至少一个冷却器、至少一个压缩机、旁路线、存储控制系统以及非密封的瓣阀布置。加热器可适于供应热至在循环中流动的工作流体，并且包括入口和出口。涡轮可在压缩的加热工作流体的膨胀时操作，并且经由轴系驱动地连接至可变负载。该至少一个涡轮中的每一个可包括入口和出口。该至少一个涡轮的每个入口可经由管道连接至加热器的出口。
此外，同流换热器可适于经由出口连接至涡轮以接收到该处冷却的膨胀工作流体。同流换热器还可经由加热器的入口连接至加热器。此外，冷却器可连接至同流换热器以进一步冷却工作流体。而且，可由该至少一个涡轮驱动的在轴系上的压缩机可连接到冷却器以接收和压缩工作流体来传送至同流换热器。同流换热器通过从涡轮接收的膨胀工作流体对压缩工作流体进行加热，并将其供应至加热器。
涡轮可操作为产生动力以运行可变负载发电机和压缩机布置，以用于循环的操作和根据负载需求向电网提供电力。然而，当电网负载中存在突然的变化/下降时，涡轮还需要保护，因为在这种情况下，可变负载发电机与电网突然断开，导致极高速的涡轮和随后使其损坏。
该目的可由非密封的瓣阀布置通过减少流动穿过回路的工作流体的量实现。非密封的瓣阀布置可以尽可能地靠近每个涡轮入口配置在加热器和该至少一个涡轮之间的每个管道上来管理穿过非密封的瓣阀布置的工作流体的质量流，以在发电机与电网断开时控制轴系速度。
根据实施例，管道可包括凹部，其中瓣阀布置可适于容纳在凹部中，以在正常操作时大致最大限度地降低循环中的压降。
根据实施例，非密封的瓣阀布置包括瓣状部件和附接节段。附接节段可包括瓣轴，其可枢转地附接至瓣状部件。附接节段能够允许非密封的瓣阀布置在凹部中附接在管道上。根据实施例，瓣状部件在打开位置完全覆盖凹部并使工作流体能够从管道完全流动到该至少一个涡轮。此外，在实施例中，瓣状部件在关闭位置是非密封的，其允许管道部分地关闭以使从管道通往该至少一个涡轮的工作流体的质量流能够调整。
根据实施例，瓣状部件定形为对应于管道的形状，以在正常操作时大致最大限度地降低循环中的压降。
根据实施例，非密封的瓣阀布置190可为自关闭非密封的瓣阀布置，其适于响应于发电机与电网的断开部分地关闭。
根据实施例，关闭非密封的瓣阀布置可使用电子模块来控制。
根据实施例，循环还可包括覆盖布置，其适于覆盖凹部和非密封的瓣阀布置并且阻止工作流体从循环流出。
这些与本公开内容的其他方面一起，连同表征本公开内容的新颖性的各种特征，在本公开内容中特别地指出。为了使本公开内容、其操作优点以及其使用得到更好的理解，应当参照附图和描述的主题，其中说明了本公开内容的示例性实施例。
附图说明
结合附图参照以下详细描述和权利要求将更好地理解本公开内容的优点和特征，其中相似元件利用相似符号标记，并且其中：
图1示出常规闭环布雷顿循环；
图2是根据本发明的实施例的改进的闭环布雷顿循环的简图；以及
图3A、图3B和图3C示出根据本发明的额外实施例的与管道有关的关闭和打开位置中的非密封阀布置及其构件。
相似的参考标号表示贯穿附图的若干视图的描述的相似部分。
参考标号列表：
100 改进的闭环布雷顿循环
110 加热器
112 加热器的入口
114 加热器的出口
120 涡轮
122 涡轮的入口
124 涡轮的出口
130 可变的负载/发电机
132 轴系
140 管道
142 凹部
150 同流换热器
160a，160b 冷却器(预冷器；中间冷却器)
170a，170b 压缩机(高压；低压)
180 旁路线
182 阀布置
190 非密封的瓣阀布置
192 瓣状部件
194 附接节段
196 瓣轴
198 覆盖布置
200 存储控制系统
201 容器
202，204 阀。
具体实施方式
为了本发明的透彻理解，结合附图对包括所附权利要求的以下详细描述进行参考。在以下描述中，为了说明的目的，阐释了许多特定细节以便提供本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言将明白的是，本公开内容可不带有这些特定细节来实施。在其他情况下，仅以框图形式示出结构和装置，以避免使本发明模糊。在本说明书中参照的“一个实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“各个实施例”意思是结合实施例描述的特定特征、结构或者特性被包括在本公开内容的至少一个实施例中。在说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中，”不一定都涉及相同的实施例，也不一定是其它实施例的互相排他的单独或备选的实施例。此外，描述了可由一些实施例呈现而不由其他的实施例呈现的各种特征。类似地，描述了可为一些实施例要求但可不为其他实施例的要求的各种要求。
尽管为了说明的目的，下述说明包含许多细节，但本领域技术人员将认识到对这些细节的许多变化和/或改变位于本发明的范围内。类似地，尽管本公开内容的许多特征互为依据描述，或者彼此关联描述，本领域技术人员将认识到许多这些特征可以与其他特征独立提供。因此，本公开内容的该描述在对于本公开内容而言无任何一般性损失并无限定性影响的情况下阐释。此外，本文使用的相对用语不代表任何顺序、高度或者重要性，而是为了区别一个部件与另一个部件。此外，本文的用语“一个”、“一种”或者“多个”不代表数量限制，但是代表所述项目的至少一个的存在。
参照图2，描绘了根据本公开内容的示例性实施例的改进的闭环布雷顿循环100的示意图(后文称为‘循环100’)，其包括在其中流动用于发电装置的操作的工作流体。图2示出的示例性实施例描绘了以其最简化形式的循环100，其可包括加热器110，至少一个涡轮120，同流换热器150，至少一个冷却器160a、160b，至少一个压缩机，诸如低压170a以及高压170b，旁路线180，存储控制系统200以及非密封的瓣阀布置190，在闭环中工作流体在其中循环。
加热器110可适于向循环100中流动的工作流体提供热。加热器110包括入口112和出口114。加热器110可为气体加热器，其包含热源以加热流过其的工作流体。在一个实施例中，加热器110可为核反应堆且热源可为钠。然而，本发明当然不限制于核反应堆作为热源的使用。可以采用其他合适和常规的热源。此外，工作流体可为气体。
此外，涡轮120、冷却器160a、160b以及压缩机170a、170b，其中每一者可根据需要为单级或者多个级。轴系连接132或者其他合适的机械驱动器件将涡轮120联接至压缩机170a、170b。类似地，具有合适密封件(未示出)的轴连接132穿出至可变负载130，其可为用于产生电功率的发电机。由涡轮120驱动的压缩机170a和170b连接到冷却器160a、160b以接收和压缩工作流体。
此外，同流换热器150适于经由出口124连接至涡轮120，以从涡轮120接收膨胀的工作流体来将其冷却至一定程度。同流换热器150进一步经由加热器110的入口112连接至加热器110。同流换热器150还连接到冷却器160a(预冷器)，其中来自同流换热器150的冷却的工作流体进一步冷却并传送至低压压缩机170a进行压缩。根据要求，来自低压压缩机170a的压缩流体进一步冷却到冷却器160b(中间冷却器)中，并传送至高压压缩机170b用于进一步压缩冷却的工作流体。这样高度压缩和冷却的工作流体被允许穿过同流换热器150，其在那里接收来自涡轮120的膨胀工作流体的热，以加热至一定程度。来自同流换热器150的加热的工作流体供应至加热器110进行进一步加热，并供应至涡轮以用于经由发电机130进行发电。
涡轮120可操作以产生功率来运行用于循环100的操作的发电机(130)和压缩机(170a、170b)布置，并根据负载要求(即，满载，部分负载，或者无负载条件)向电网供应电力。例如：在满载条件下，涡轮120可以产生1300兆瓦(MW)的功率，其中700MW的功率可以由压缩机170a、170b使用，且剩余的600MW由发电机132使用以产生电力并将其传送给电网。然而，当负载降低时，发电机132所需要的功率将下降，且因此可能需要存储控制系统200。
如上文所论述，存储控制系统200(存储200)可用于电网中的慢功率变化。存储200配置为平行于压缩机170a、170b周围的旁路线180。存储控制系统200可包括一系列工作流体存储容器201以及阀布置202、204以使其能够响应于负载中的变化存储和释放来自存储容器201、来自或到压缩机170a、170b的工作流体。当电网负载降低时，工作流体将从压缩机170a、170b的高压侧撤回到容器中，并且当负载升高时，容器201中的工作流体将馈送回压缩机170a、170b的低压侧。
仍如上文所论述，在电网负载突然急剧降低的情况下，可利用旁路线180。如所述的那样，旁路线180可配置在压缩机周围，本文是压缩机170a和170b周围。旁路线190包括适于响应于发电装置上负载的变化而调节的阀布置182。特别地，如图2中所示，高压压缩机170b的出口连接到低压压缩机170b的入口，同时穿过预冷器160a。当负载变化发生时，阀布置182(其可为自动控制的)打开以允许压缩气体以受控方式从高压压缩机170b流至低压压缩机170b，从而绕过压缩的工作流体以流至加热器110且然后流至涡轮120以减少从涡轮的功率输出，如上文所述的那样。然而，旁路线180(如上文所论述)可导致轴系速度显著增加正常速度的大约20％。
因此，改进的控制概念循环100包括非密封的瓣阀布置190。非密封的瓣阀布置190(瓣阀190)尽可能地接近每个涡轮入口122配置在加热器110和涡轮120之间的每个管道140上。当发电机130与电网断开时，瓣阀190可以关闭，并且，显著降低涡轮的驱动转矩，或者与旁路线190结合或者单独地。不密封的瓣阀190保持一些通风流在涡轮120中以避免由于风阻影响导致过热。
瓣阀190设计为在正常操作期间最大限度降低压降且因此不会显著影响循环效率。
根据如图3A、图3B和图3C中所示的实施例，瓣阀190适于配置在管道140中。对于这种配置，管道140包括凹部142，瓣阀190可容纳在凹部142中，如图3A和图3B所示，以最大限度降低压降。
在实施例中，如图3C所示，瓣阀190包括瓣状部件192和附接节段194。附接节段194包括瓣轴196，其可枢转地附接瓣状部件192。附接节段194能够允许瓣阀布置190在凹部142处附接在管道140上。在关闭位置，瓣阀190是非密封的，其中瓣状部件192配置为可枢转地沿着瓣轴196摆动，其使瓣状部件192能够按照需要部分地打开，以允许具有调整的质量流的工作流体从管道140经过。
在实施例中，当发电机130连接到电网(满载条件)时，如图3A中所示，瓣状部件192处于打开位置，其完全容纳凹部142并允许工作流体从管道142完全流动到至少一个涡轮120以最大限度降低压降。此外，在实施例中，一旦发电机与电网断开(部分或者无负载状态)，如图3B所示，瓣状部件192处于关闭位置，其中它是非密封的，这允许管道142部分地关闭，以使从管道142通往涡轮120的工作流体的质量流能够调整，以避免由于风阻导致过热。
在循环100中，一旦发电机130与电网断开，由于非密封的瓣阀布置190，发电机130的阻力转矩突然消失，并且同时由于非密封的瓣阀布置190的关闭导致入口涡轮120流减少，涡轮120的驱动转矩分成接近一半。结果，涡轮120的驱动转矩和压缩机170a、170b的阻力转矩之间的功率平衡变为显著负的。因此轴系132速度可以立即下降并可以几乎是无超速的。
在一个实施例中，瓣状部件192定形为响应于管道140的形状。例如，如果管道140的形状是圆柱形的，则瓣状部件192也定形为圆柱形的，以在正常操作期间最大限度降低压降，即因此它不会显著影响循环效率。
在一个实施例中，瓣阀布置190可为自关闭瓣阀布置，其适于响应发电机130的突然断开部分地关闭，以用于调整从管道140通往涡轮120的工作流体的质量流。自关闭瓣阀布置可使用电子模块来控制。例如，一旦接收的信号对应于发电机130与电网的断开，电子模块可触发瓣阀190的关闭，
根据实施例，循环100进一步包括覆盖布置198，其适于覆盖凹部和瓣阀布置190以及阻碍工作流体从循环100流出。
本公开内容的循环100在如上所述的各种范围中是有利的。当发电机与电网突然断开时，循环可能能够更好地控制闭环布雷顿循环且更确切地轴转速。基于上述描述，由于非密封的瓣阀布置，在发电机与电网断开的情况下，轴系几乎不经历超速。除了上述内容之外，本发明还减少或消除常规设计中需要的关联管道的大型旁路阀。此外，压缩机、冷却器、中间冷却器不会由于这种非密封的瓣阀布置而经历大量溢流。具有非密封的瓣阀布置的本系统能够在几百毫秒内在涡轮的驱动转矩内降低。
本公开内容的特定实施例的前述描述已经提出以用于说明和描述的目的。它们并不意在为详尽的或者限制本公开内容为公开的确切形式，并且明显地，鉴于上述教导可能会有很多修改和变型。选择和描述了实施例以便最好地说明本发明的原理及其实际应用，由此使本领域技术人员能够最好地利用本公开内容，且具有各种修改的各种实施例适于构想的特定用途。可以理解的是在情形可认为或变得有利时构想各种省略和等同物的替换，但是这些意在覆盖不脱离本公开内容的权利要求的精神或者范围的应用或者实施方式。

Claims (8)

1.一种用于发电装置的改进的闭环布雷顿循环(100)，所述循环(100)具有在其中流动以用于操作的工作流体，所述循环(100)包括：
具有入口(112)和出口(114)的加热器(110)，所述加热器(110)适于供应热至在所述循环(100)中流动的所述工作流体；
至少一个涡轮(120)，其可在压缩的加热工作流体的膨胀时操作，并且经由轴系(132)驱动地连接至可变负载(130)，所述至少一个涡轮(120)中的每一个具有入口(122)和出口(124)，其中所述至少一个涡轮(120)的每个入口(122)经由管道(140)连接至所述加热器(110)的出口(114)；
同流换热器(150)，其经由所述出口(124)连接至所述涡轮(120)以接收到该处冷却的膨胀工作流体，并经由所述加热器(110)的入口(112)连接至所述加热器(110)；
至少一个冷却器(160)，其连接至同流换热器(150)以进一步冷却所述工作流体；
至少一个压缩机(170)，其在所述轴系(132)上并且由所述至少一个涡轮(120)驱动，所述压缩机(170)连接到所述至少一个冷却器(160)以接收和压缩所述工作流体来传送至所述同流换热器(140)，以通过来自所述涡轮(120)的膨胀工作流体加热并供应至所述加热器(110)；以及
非密封的瓣阀布置(190)，其尽可能地靠近每个涡轮入口(122)配置在所述加热器(110)和所述至少一个涡轮(120)之间的每个管道(140)上来管理穿过所述非密封的瓣阀布置(190)的工作流体的质量流，以在所述可变负载(130)与电网断开时控制所述轴系(132)速度。
2.根据权利要求1所述的循环(100)，其特征在于，所述管道(140)包括凹部(142)，其中所述非密封的瓣阀布置(190)容纳在所述凹部(142)中以在正常操作时大致最大限度地降低所述循环中的压降。
3.根据权利要求2所述的循环(100)，其特征在于，所述非密封的瓣阀布置(190)包括：
瓣状部件(192)；和
附接节段(194)，其具有瓣轴(196)以可枢转地附接所述瓣状部件(192)，所述附接节段(194)使所述非密封的瓣阀布置(190)能够附接在所述管道(140)上以容纳在所述凹部(142)处，
其中所述瓣状部件(192)在打开位置完全覆盖所述凹部(142)并允许所述工作流体从所述管道(142)完全流到所述至少一个涡轮(120)，并且
其中所述瓣状部件(192)在关闭位置是非密封的，其允许所述管道(142)部分地关闭以使从所述管道(142)通往所述至少一个涡轮(120)的工作流体的质量流能够调整。
4.根据权利要求3所述的循环(100)，其特征在于，所述瓣状部件(192)定形为对应于所述管道(140)的形状以在正常操作时大致最大限度地降低所述循环中的压降。
5.根据权利要求3所述的循环(100)，其特征在于，所述非密封的瓣阀布置(190)是自关闭非密封的瓣阀布置，其适于响应于所述可变负载(130)与所述电网的断开而部分地关闭。
6.根据权利要求5所述的循环(100)，其特征在于，所述自关闭非密封的瓣阀布置经由电子模块控制。
7.根据权利要求3所述的循环(100)，其特征在于，所述循环还包括覆盖布置(198)，其适于覆盖所述凹部和所述非密封的瓣阀布置(190)并且阻止所述工作流体从所述循环(100)流出。
8.根据权利要求3所述的循环(100)，其特征在于，所述非密封的瓣阀布置(190)在关闭位置中是非密封的，其中所述瓣状部件(192)配置为可沿所述瓣轴(196)枢转地摆动，这使所述瓣状部件(192)能够部分地打开以允许具有调整质量流的工作流体从所述管道(140)经过。
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