CN108730752A - 防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法 - Google Patents

防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法，该装置包括罐体、进口管道、出口管道、过渡管道、收缩段、加热器、安全阀、检测段、检测段截止阀、排空阀、取样段截止阀、取样段、单向段、逆止阀、压力表和温度表，该装置通过控制系统实现气体存储、气体取样、提供单向冷却气源、超压排放、自动快速排空、温度和压力检测、防相变自动加热功能，该装置可显著降低了罐体内气体的旋涡强度，将稳定流过罐体的流体的气动损失降至最低，同时当超临界二氧化碳系统发生透平紧急停车事故时，该装置可保证在提供冷却用二氧化碳气体的全过程中不发生相变。

Description

防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳循环系统的低压储罐技术领域，具体一种可降低涡流压力损失、防止液化的高温高压超临界二氧化碳循环系统的低压储罐装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳系统中的最低压力应大于临界压力7.39MPa，所以低压储罐的工作压力应该在7.39MPa以上。在高设计参数的超临界二氧化碳系统中，为了稳定系统关键位置气体的压力、温度参数，使超临界二氧化碳系统的旋转设备处于最佳工作状态的作用，必须要使用低压罐体储存一定质量的超临界状态的二氧化碳。除了稳压作用以外，储罐还应具有以下功能：1、为系统发生透紧急停车事故时供必要的冷却用二氧化碳气体；2、系统气体取样；3、气体状态监测。由于上述超临界二氧化碳罐体需要满足超临界二氧化碳系统特有的功能，未有前人根据超临界二氧化碳系统中的相关功能对罐体进行针对性设计，使之达到满足超临界二氧化碳系统中的低压储罐的功能要求。例如，罐体内存在以下两个问题未得到解决：1、超临界二氧化碳气流进出罐体时在罐体内形成了三维大尺度旋涡，使罐体内存在附加涡流压力损失，在一定程度上降低了系统循环效率；2、在超临界二氧化碳透平紧急事故工况，罐体提供冷气时会出现相变，使储罐内的气体不能按要求供应。如能降低低压罐体的大尺度三维涡流带来的附加压损，可以提高系统的循环效率；如果能防止事故工况罐体内气体发生相变可以使冷气气流稳定流向透平，带走透平上的多余热量，保证透平的安全。尚无现有技术可以解决高设计参数的超临界二氧化碳循环系统的有效降低低压储罐内的附加涡流压力损失和事故工况罐体内发生相变的难题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法，通过在超临界二氧化碳低压罐体内设置过渡管道、收缩段、加热器、安全阀、检测段、检测段截止阀、排空阀、取样段截止阀、取样段、单向段、逆止阀、压力表和温度表，实现降低罐体内涡流效应和附加压力损失，可提升高设计参数下的超临界二氧化碳循环系统循环效率，同时通过控制系统实现气体存储、气体取样、提供单向冷却气源、超压排放、自动快速排空、温度和压力检测、防相变自动加热功能。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置，包括罐体1、进口管道2、出口管道3、过渡管道4、收缩段5、加热器6、安全阀7、检测段8、检测段截止阀9、排空阀10、取样段截止阀11、取样段12、单向段13、逆止阀14、压力表15和温度表16，其中罐体1上下两侧外壁连接上设置主流流体进出的进口管道2和出口管道3，进口管道2和出口管道3之间连接位于罐体1内的过渡管道4，过渡管道4与出口管道3通过位于罐体1内的收缩段5相连，罐体1两侧内壁分别与过渡管道4的进气端、收缩段5出气端相连，罐体1内设置加热器6，罐体1的顶部与检测段8相连，检测段8上分别设置检测段截止阀9和排空阀10，检测段截止阀9与罐体1之间的检测段8上设置安全阀7、压力表15和温度表16，检测段截止阀9与排空阀10之间的检测段8与取样段12相连，取样段12上设置有取样段截止阀11，罐体1与单向段13相连，单向段13设置有逆止阀14，还包括实现气体存储、气体取样、提供单向冷却气源、超压排放、自动快速排空、温度和压力检测、防相变自动加热功能的控制系统。
所述过渡管道4为光滑过渡管道，过渡管道4的中心线的延长线或者中心线切线的延长线与罐体1外侧的进口管道2和出口管道3的中心线重合，过渡管道4的出气端位于收缩段5的进气端的内侧，过渡管道4出口的中心线的延长线与收缩段5的中心线重合。
所述加热器6的通路和断路由罐体控制系统控制，控制系统将加热器6的工作时间设定为恒定时间段，控制系统根据检测的温度和压力信号自动做出判断加热器6是否开启，每次发出开启加热器6命令，加热器6工作恒定时间段，随后由控制系统发出停止加热命令，加热器6停止工作。
所述的防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置的控制方法，罐体1的控制系统实时对罐体1的压力表15和温度表16进行检查，当压力表15显示罐体内压力大于7.4MPa时，加热器6不启动；当压力表15显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，温度表16显示罐体内温度大于31℃时，加热器6不启动；当压力表15显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，且温度表16显示罐体内温度等于或低于31℃时，加热器6启动一次，对罐体加热预设恒定时间段，随后由控制系统发出停止加热命令，加热器6停止工作；加热器6加热停止后，对罐体的压力表15和温度表16进行再次检测；检测后，根据罐体的压力表15和温度表16检测结果，重复执行上述操作过程。
和现技术相比较，本发明的有益效果在于：
本发明提出了用于高设计参数的防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置及控制方法，通过借助光滑的过渡段管道极大了减少了高速流体与罐体内静止流体的接触，降低了罐体内的涡流效应，降低了主流流体流经罐体时的压力损失，从这个意义上讲提高了超临界临界二氧化碳循环系统的循环效率，同时通过借助加热器、压力表、温度表和控制系统采用本发明提出了控制逻辑可以实现罐体内温度和压力的控制，确保罐体内不产生气态向液态的相变，使事故工况时罐体最大限度的为透平提供冷气，确保系统中透平的安全。
此外该发明通过在顶部安装安全阀使罐体具有超压自动泄压保护功能，在罐体顶部设置了检测段，通过并2个阀门与主罐体隔离形成独立腔室，便于为取样段提供气体样本供科研人员分析气体成分；当罐体需要快速排气时，取样段阀门关闭，同时打开检测段两个阀门，罐体内的气体可以直接从顶部排出。
附图说明
图1是本发明防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置的示意图。
1为罐体；2为进口管道；3为出口管道；4为过渡管道；5为收缩段；6为加热器；7为安全阀；8为检测段；9为检测段截止阀；10为排空阀；11为取样段截止阀；12为取样段；13为单向段；14为逆止阀；15为压力表；16为温度表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明一种防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置，包括罐体1、进口管道2、出口管道3、过渡管道4、收缩段5、加热器6、安全阀7、检测段8、检测段截止阀9、排空阀10、取样段截止阀11、取样段12、单向段13、逆止阀14、压力表15和温度表16，其中罐体1上下两侧外壁连接上设置主流流体进出的进口管道2和出口管道3，进口管道2和出口管道3之间连接位于罐体1内的过渡管道4，过渡管道4与出口管道3通过位于罐体1内的收缩段5相连，罐体1两侧内壁分别与过渡管道4的进气端、收缩段5出气端相连，罐体1内设置加热器6，罐体1的顶部与检测段8相连，检测段8上设置检测段截止阀9、排空阀10，在检测段截止阀9与罐体1之间的检测段8上设置安全阀7、压力表15和温度表16，在检测段截止阀9与排空阀10之间的检测段8与取样段12相连，取样段12上设置有取样段截止阀11，罐体1与单向段13相连，单向段13设置有逆止阀14，该装置通过控制系统实现气体存储、气体取样、提供单向冷却气源、超压排放、自动快速排空、温度和压力检测、防相变自动加热功能。
作为本发明的优选实施方式，所述过渡管道4为光滑过渡管道，过渡管道4的中心线的延长线或者中心线切线的延长线与罐体1外侧的进口管道2和出口管道3的中心线重合，过渡管道4的出气端位于收缩段5的进气端的内侧，过渡管道4出口的中心线的延长线与收缩段5的中心线重合。
作为本发明的优选实施方式，所述加热器6的通路和断路由罐体控制系统控制，控制系统根据设定时间控制加热器6每次的工作时间。
本发明防相变低压损超临界二氧化碳低压储罐装置的工作原理如下：
在工作时，主流流体依次从进口管道2、过渡管道4、收缩段5、出口管道3流过，与罐体1中的静止超临界二氧化碳气体接触面积很小，罐体内的阻力损失小。在顶部罐体1顶部的检测段8上安装有安全阀7，当罐体1内压力不超过罐体1可承受的最大压力时，安全阀不工作，当罐体1内压力超过罐体1可承受的最大压力时，罐体1自动启动泄压保护功能；在罐体1顶部设置了检测段8，通过并2个阀门与主罐体隔离形成独立腔室，科研人员可以根据需要随时从取样段提取气体样本对气体成分进行分析；当罐体1需要快速排气时，取样段12的阀门11关闭，同时打开检测段8的检测段截止阀9和排空阀10，罐体内的气体可以直接从顶部排出。在事故工况时，罐体内的气体经过单向段13和逆止阀14最终进入透平。罐体1的控制系统实时对罐体的压力表15和温度表16进行检查，当压力表15显示罐体内压力大于7.4MPa时，加热器6不启动；当压力表15显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，温度表16显示罐体内温度大于31℃时，加热器6不启动；当压力表15显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，且温度表16显示罐体内温度等于或低于31℃时，加热器6启动一次，对罐体加热预设恒定时间段，随后加热器6在控制系统的停止命令下停止加热；加热器6停止加热后，对罐体的压力表15和温度表16进行再次检测；检测后，根据罐体的压力表15和温度表16检测结果，重复执行上述操作过程。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置，其特征在于：包括罐体(1)、进口管道(2)、出口管道(3)、过渡管道(4)、收缩段(5)、加热器(6)、安全阀(7)、检测段(8)、检测段截止阀(9)、排空阀(10)、取样段截止阀(11)、取样段(12)、单向段(13)、逆止阀(14)、压力表(15)和温度表(16)，其中罐体(1)上下两侧外壁连接上设置主流流体进出的进口管道(2)和出口管道(3)，进口管道(2)和出口管道(3)之间连接位于罐体(1)内的过渡管道(4)，过渡管道(4)与出口管道(3)通过位于罐体(1)内的收缩段(5)相连，罐体(1)两侧内壁分别与过渡管道(4)的进气端、收缩段(5)出气端相连，罐体(1)内设置加热器(6)，罐体(1)的顶部与检测段(8)相连，检测段(8)上设置检测段截止阀(9)和排空阀(10)，检测段截止阀(9)与罐体(1)之间的检测段(8)上设置安全阀(7)、压力表(15)和温度表(16)，检测段截止阀(9)与排空阀(10)之间的检测段(8)与取样段(12)相连，取样段(12)上设置有取样段截止阀(11)，罐体(1)与单向段(13)相连，单向段(13)设置有逆止阀(14)，还包括实现气体存储、气体取样、提供单向冷却气源、超压排放、自动快速排空、温度和压力检测、防相变自动加热功能的控制系统。
2.根据权利要求1所述的防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置，其特征在于：所述过渡管道(4)为光滑过渡管道，过渡管道(4)的中心线的延长线或者中心线切线的延长线与罐体(1)外侧的进口管道(2)和出口管道(3)的中心线重合，过渡管道(4)的出气端位于收缩段(5)的进气端的内侧，过渡管道(4)出口的中心线的延长线与收缩段(5)的中心线重合。
3.根据权利要求1所述的防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置，其特征在于：所述加热器(6)的通路和断路由罐体控制系统控制，控制系统将加热器(6)的工作时间设定为恒定时间段，控制系统根据检测的温度和压力信号自动做出判断加热器(6)是否开启，每次发出开启加热器(6)命令，加热器(6)工作恒定时间段，随后由控制系统发出停止加热命令，加热器(6)停止工作。
4.权利要求1至3任一项所述的防相变低压损的超临界二氧化碳低压储罐装置的控制方法，其特征在于：罐体(1)的控制系统实时对罐体(1)的压力表(15)和温度表(16)进行检查，当压力表(15)显示罐体内压力大于7.4MPa时，加热器(6)不启动；当压力表(15)显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，温度表(16)显示罐体内温度大于31℃时，加热器(6)不启动；当压力表(15)显示罐体内压力等于或低于7.4MPa时，且温度表(16)显示罐体内温度等于或低于31℃时，加热器(6)启动一次，对罐体加热预设恒定时间段，随后加热器6在控制系统的停止命令下停止加热；加热器(6)停止加热后，对罐体的压力表(15)和温度表(16)进行再次检测；检测后，根据罐体的压力表(15)和温度表(16)检测结果，重复执行上述操作过程。
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