CN107131017A - 基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统及控制方法 - Google Patents

基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统及控制方法，转轴上安装有主轴流压缩机、再压缩轴流压缩机和轴流透平；冷却器的出口连接主轴流压缩机的入口，主轴流压缩机的出口依次连接低温回热器的第一通道、高温回热器的第一通道和热源，热源出口连接轴流透平的入口，轴流透平的出口依次连接高温回热器的第二通道、低温回热器的第二通道，低温回热器的第二通道的出口连接冷却器的入口和再压缩轴流压缩机的入口，再压缩轴流压缩机的出口连接高温回热器的第一入口。采用这种新型结构，使得结构体积小、结构简单紧凑并具有更高的效率，并且再压缩循环提高了系统回热度，进一步提高了系统效率。

Description

基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环 热力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及轴流式叶轮机械领域，特别涉及一种基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统及控制方法。
背景技术
传统透平发电机组往往采用空气或者蒸汽作为工质，其运行温度参数较高、透平体积较大并且所需配备的辅助系统复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统及控制方法，其体积小、结构简单紧凑且动力输出效率高，具有广阔应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，包括超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构、热源、低温回热器、高温回热器和冷却器；超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构包括启动电机、转轴、主轴流压缩机、再压缩轴流压缩机和轴流透平；启动电机通过离合器连接转轴的一端，转轴上安装有主轴流压缩机、再压缩轴流压缩机和轴流透平；冷却器的出口连接主轴流压缩机的入口，主轴流压缩机的出口连接低温回热器的第一入口，低温回热器的第一出口连接高温回热器的第一入口，高温回热器的第一出口连接热源入口，热源出口连接轴流透平的入口，轴流透平的出口连接高温回热器的第二入口，高温回热器的第二出口连接低温回热器的第二入口，低温回热器的第二出口连接冷却器的入口和再压缩轴流压缩机的入口，再压缩轴流压缩机的出口连接高温回热器的第一入口。
进一步的，转轴的另一端通过联轴器连接发电机。
进一步的，转轴上位于离合器和主轴流压缩机之间设有一个径向轴承，转轴上位于联轴器和轴流透平之间设有一个径向轴承和止推轴承。
进一步的，主轴流压缩机的入口以及轴流透平的出口均布置有干气密封；主轴流压缩机出口、再压缩轴流压缩机入口、再压缩轴流压缩机出口以及轴流透平入口均布置有迷宫密封。
进一步的，轴流透平与主轴流压缩机、再压缩轴流压缩机反向布置。
进一步的，主轴流压缩机采用双级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-1240kg/s，消耗功率范围为8-24MW；再压缩轴流压缩机采用单级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-2750kg/s，消耗功率范围为4-12MW；主轴流压缩机与再压缩轴流压缩机轮盘转速在3000-10000rpm范围内；轴流透平的级数范围在2-4级之间，透平入口二氧化碳工质的压力在18-26MPa之间，温度在500-780℃之间，级膨胀比在1.5-2.3之间，流量介于910-2750kg/s，输出功率范围为40-100MW，转速在3000-10000rpm范围内。
基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统的控制方法，包括：
在启动阶段，离合器闭合，主轴流压缩机由启动电机直接驱动；主轴流压缩机将超临界二氧化碳工质压缩，被压缩的二氧化碳工质经低温回热器的第一通道与高温回热器的第一通道预热、流经热源进一步加热后形成高温高压的超临界二氧化碳：压力达到18-26MPa，温度达到500-780℃；高温高压的超临界二氧化碳流入轴流透平膨胀做功，工质的内能转化为机械能，通过转轴输出做功；做完功的工质依次流经高温回热器的第二通道、低温回热器的第二通道以及冷却器回到主轴流压缩机入口；
其中，低温回热器中相互连通的第一入口和第一出口之间形成低温回热器的第一通道；低温回热器中相互连通的第二入口和第二出口之间形成低温回热器的第二通道；高温回热器中相互连通的第一入口和第一出口之间形成高温回热器的第一通道；高温回热器中相互连通的第二入口和第二出口之间形成高温回热器的第二通道。
进一步的，在正常运行阶段，离合器断开，主轴流压缩机与再压缩轴流压缩机由轴流透平驱动；
低温回热器的第二出口流出部分工质依次经过主轴流压缩机的压缩、低温回热器的第一通道与高温回热器的第一通道的预热、热源进一步加热后形成高温高压的超临界二氧化碳，流入轴流透平膨胀做功，为主轴流压缩机与再压缩轴流压缩机提供动力的同时又通过转轴输出做功，做完功的工质依次流经高温回热器的第二通道、低温回热器的第二通道以及冷却器回到主轴流压缩机入口；
同时，低温回热器的第二出口流出的另一部分工质经过再压缩轴流压缩机的压缩后与低温回热器的第一出口流出的工质在高温回热器的第一入口混合。
相对于现有技术，本发明具有以下效果：
1.本发明采用超临界二氧化碳作为工质，利用其密度大、粘性小的特点，整个热力系统具有循环体积小、结构简单、部件制造成本较低以及运行效率高的特点；
2.本发明采用了再压缩布雷顿循环的热力循环，其中工质分流的方式降低了低温回热器的端部温差，降低了冷却器带走的热量，进一步提高了系统循环的效率；
3.本发明在主轴流压缩机的入口以及轴流透平的出口布置了干气密封，在主轴流压缩机出口与再压缩轴流压缩机入口以及再压缩轴流压缩机出口以及轴流透平入口布置了迷宫密封，使得同轴结构中压缩机与透平的布置更紧凑，同时提高了结构的密封性。
附图说明
图1为本发明一种基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统的总示意图；
图2为超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的三维造型示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1所述，本发明基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，包括：启动电机1、离合器2、径向轴承3、干气密封4、主轴流压缩机5、迷宫密封6、再压缩轴流压缩机7、轴流透平8、止推轴承9、联轴器10以及发电机11。
启动电机1通过离合器2连接转轴的一端，转轴的另一端通过联轴器10连接发电机11，转轴上安装有主轴流压缩机5、再压缩轴流压缩机7和轴流透平8，构成超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构；转轴上位于离合器2和主轴流压缩机5之间设有一个径向轴承3，转轴上位于联轴器10和轴流透平8之间设有一个径向轴承3和止推轴承9。
主轴流压缩机5的入口以及轴流透平8的出口均布置有干气密封4；在主轴流压缩机5出口与再压缩轴流压缩机7入口以及再压缩轴流压缩机7出口以及轴流透平8入口布置了迷宫密封6；轴流透平8与主轴流压缩机5、再压缩轴流压缩机7反向布置，以减少止推轴承9的受力；径向轴承3可以采用静压轴承、动压径向轴承以及电磁轴承，止推轴承可以采用止推滚珠轴承、滚锥轴承、球面滚子轴承以及滚子止推轴承。
为了实现超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环，同轴结构还与热源12、低温回热器13、高温回热器14冷却器组成了热力系统。
冷却器15的出口连接主轴流压缩机5的入口，主轴流压缩机5的出口连接低温回热器13的第一入口，低温回热器13的第一出口连接高温回热器14的第一入口，高温回热器14的第一出口连接热源12入口，热源12出口连接轴流透平8的入口，轴流透平8的出口连接高温回热器14的第二入口，高温回热器14的第二出口连接低温回热器13的第二入口，低温回热器13的第二出口连接冷却器15的入口和再压缩轴流压缩机7的入口，再压缩轴流压缩机7的出口连接高温回热器14的第一入口。
其中，轴流透平8与主轴流压缩机5和再压缩轴流压缩机7通过转轴形成同轴结构；主轴流压缩机5、低温回热器13、高温回热器14、热源12、轴流透平8以及冷却器15形成主循环回路，再压缩轴流压缩机7、低温回热器13、高温回热器14、热源12以及轴流透平8形成再压缩循环回路。
本发明基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统的控制方法，包括：
在启动阶段，离合器2闭合，主轴流压缩机5由启动电机1直接驱动，主循环回路开始工作。主轴流压缩机5将超临界二氧化碳工质压缩至较高压力，高压力的二氧化碳经低温回热器13与高温回热器14预热、流经热源12进一步加热后，压力达到18-26MPa，温度达到500-780℃。高温高压的超临界二氧化碳流入轴流透平8膨胀做功，工质的内能转化为机械能，通过转轴带动发电机11进行发电。做完功的工质依次流经高温回热器14、低温回热器13以及冷却器15回到主轴流压缩机5入口。
在正常运行阶段，离合器2断开，主轴流压缩机5与再压缩轴流压缩机7由轴流透平8驱动，主循环回路与再压缩循环回路均开始工作。主循环回路类似于启动阶段，部分工质依次经过主轴流压缩机5的压缩、低温回热器13与高温回热器14的预热、热源12进一步加热后，流入轴流透平8膨胀做功，为主轴流压缩机5与再压缩轴流压缩机7提供动力的同时又通过发电机11进行发电，做完功的工质依次流经高温回热器14、低温回热器13以及冷却器15回到主轴流压缩机5入口；再压缩循环回路中，部分工质依次经过主轴流压缩机5的压缩后在高温回热器14的入口与主循环回路中的工质混合，然后经过高温回热器14的预热、热源12进一步加热后，流入轴流透平8膨胀做功，做完功的工质依次流经高温回热器14、低温回热器13后回到再压缩轴流压缩机7入口。
图2为本发明超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的三维造型示意图。主轴流压缩机5采用双级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-1240kg/s，消耗功率范围为8-24MW；再压缩轴流压缩机7采用单级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-2750kg/s，消耗功率范围为4-12MW；主轴流压缩机5与再压缩轴流压缩机7轮盘转速在3000-10000rpm范围内。轴流透平8的级数选取范围在2-4级之间，透平入口二氧化碳工质的压力在18-26MPa之间，温度在500-780℃之间，级膨胀比在1.5-2.3之间，流量介于910-2750kg/s，输出功率范围为40-100MW，转速在3000-10000rpm范围内。
采用本发明超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构，利用超临界二氧化碳密度大、粘性小的特点，使得整个热力系统具有循环体积小、结构简单、部件制造成本较低以及运行效率高的特点；同时采用了再压缩布雷顿循环的热力循环，其中工质分流的方式降低了低温回热器的端部温差，降低了冷却器带走的热量，进一步提高了系统循环的效率。
与传统透平发电机组的工质相比，以超临界二氧化碳为工质的动力输出结构具有压力高、温度低以及焓降小的特点，且涡轮系统和冷却设备的体积只有蒸汽系统对应设备的十分之一，所以能有效降低设备制造和运行成本。
作为闭式循环，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的透平排气仍然具有较高温度，所以为了提高效率通常采用回热的方式，而在简单布雷顿循环中，回热器两侧工质的比热容相差较大，使得冷侧工质升高的温度明显小于热侧工质下降的温度，这意味着工质在热源中仍需要吸收大量热量。而再压缩布雷顿循环相较于简单循环，最大特点采用了工质分流的方式降低了低温回热器的端部温差，在提高回热度的同时降低了冷却器带走的热量，所以能够有效的提高系统效率。

Claims (8)

1.基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构、热源(12)、低温回热器(13)、高温回热器(14)和冷却器(15)；
超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构包括启动电机(1)、转轴、主轴流压缩机(5)、再压缩轴流压缩机(7)和轴流透平(8)；启动电机(1)通过离合器(2)连接转轴的一端，转轴上安装有主轴流压缩机(5)、再压缩轴流压缩机(7)和轴流透平(8)；
冷却器(15)的出口连接主轴流压缩机(5)的入口，主轴流压缩机(5)的出口连接低温回热器(13)的第一入口，低温回热器(13)的第一出口连接高温回热器(14)的第一入口，高温回热器(14)的第一出口连接热源(12)入口，热源(12)出口连接轴流透平(8)的入口，轴流透平(8)的出口连接高温回热器(14)的第二入口，高温回热器(14)的第二出口连接低温回热器(13)的第二入口，低温回热器(13)的第二出口连接冷却器(15)的入口和再压缩轴流压缩机(7)的入口，再压缩轴流压缩机(7)的出口连接高温回热器(14)的第一入口。
2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，转轴的另一端通过联轴器(10)连接发电机(11)。
3.根据权利要求2所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，转轴上位于离合器(2)和主轴流压缩机(5)之间设有一个径向轴承，转轴上位于联轴器(10)和轴流透平(8)之间设有一个径向轴承和止推轴承(9)。
4.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，主轴流压缩机的入口以及轴流透平的出口均布置有干气密封(4)；主轴流压缩机出口、再压缩轴流压缩机入口、再压缩轴流压缩机出口以及轴流透平入口均布置有迷宫密封。
5.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，轴流透平与主轴流压缩机、再压缩轴流压缩机反向布置。
6.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统，其特征在于，主轴流压缩机采用双级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-1240kg/s，消耗功率范围为8-24MW；再压缩轴流压缩机采用单级压缩机，级压比在1.8-2.5之间，流量介于910-2750kg/s，消耗功率范围为4-12MW；主轴流压缩机与再压缩轴流压缩机轮盘转速在3000-10000rpm范围内；轴流透平的级数范围在2-4级之间，透平入口二氧化碳工质的压力在18-26MPa之间，温度在500-780℃之间，级膨胀比在1.5-2.3之间，流量介于910-2750kg/s，输出功率范围为40-100MW，转速在3000-10000rpm范围内。
7.权利要求1至6中任一项所述的基于超临界二氧化碳轴流压缩机与轴流透平同轴结构的循环热力系统的控制方法，其特征在于，包括：
在启动阶段，离合器(2)闭合，主轴流压缩机(5)由启动电机(1)直接驱动；主轴流压缩机(5)将超临界二氧化碳工质压缩，被压缩的二氧化碳工质经低温回热器(13)的第一通道与高温回热器(14)的第一通道预热、流经热源(12)进一步加热后形成高温高压的超临界二氧化碳：压力达到18-26MPa，温度达到500-780℃；高温高压的超临界二氧化碳流入轴流透平(8)膨胀做功，工质的内能转化为机械能，通过转轴输出做功；做完功的工质依次流经高温回热器(14)的第二通道、低温回热器(13)的第二通道以及冷却器(15)回到主轴流压缩机(5)入口；
其中，低温回热器(13)中相互连通的第一入口和第一出口之间形成低温回热器的第一通道；低温回热器(13)中相互连通的第二入口和第二出口之间形成低温回热器的第二通道；高温回热器(14)中相互连通的第一入口和第一出口之间形成高温回热器的第一通道；高温回热器(14)中相互连通的第二入口和第二出口之间形成高温回热器的第二通道。
8.权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在正常运行阶段，离合器(2)断开，主轴流压缩机(5)与再压缩轴流压缩机(7)由轴流透平(8)驱动；
低温回热器(13)的第二出口流出部分工质依次经过主轴流压缩机(5)的压缩、低温回热器(13)的第一通道与高温回热器(14)的第一通道的预热、热源(12)进一步加热后形成高温高压的超临界二氧化碳，流入轴流透平(8)膨胀做功，为主轴流压缩机(5)与再压缩轴流压缩机(7)提供动力的同时又通过转轴输出做功，做完功的工质依次流经高温回热器(14)的第二通道、低温回热器(13)的第二通道以及冷却器(15)回到主轴流压缩机(5)入口；
同时，低温回热器(13)的第二出口流出的另一部分工质经过再压缩轴流压缩机(7)的压缩后与低温回热器(13)的第一出口流出的工质在高温回热器(14)的第一入口混合。
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