CN109695588A - 一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，主要应用于超临界二氧化碳压缩机的实验测试，压缩机测试单元提供闭式循环条件；引射回收单元伺服于压缩机测试单元的压缩机主机轴端阶梯错齿密封，使得从机械密封末端泄漏气体经过单级/两级引射回收至主流循环；SCO₂调制单元为循环系统提供气源，对低温液态二氧化碳进行增压并加热，制备超临界二氧化碳工质，作为压缩机实验测试工质；滑油单元为压缩机主机及相关配套的设备提供合适参数的润滑油，保证压缩机及齿轮箱轴承运行正常；冷却单元保持整个循环系统运行的热平衡。本发明适合于超临界工质的高压、闭式循环实验平台。

Description

一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统

技术领域

本发明提出了一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，主要应用于超临界二氧化碳压缩机的实验测试，包括但不限于轴流式以及离心式压缩机，也可以拓展应用于超临界/亚临界流体压缩机，属于压缩机机械领域。

背景技术

压缩机(Compressor)是热力循环系统的核心部件之一，为循环中的流体工质提供能量，将动能转变为流体工质的压力能，是各类循环系统的“心脏”，其运行效率及稳定性是循环系统的关键。近年来，超临界/跨临界二氧化碳压缩机作为特定化工循环、制冷循环、动力循环的核心部件，成为了叶轮机械领域的研究热点。压缩机实验测试平台是研究压缩机性能、改进压缩机设计的主要科研工具，对超临界二氧化碳压缩机的技术发展具有重要意义。

超临界二氧化碳压缩机实验平台是一种高压、闭式循环实验平台。在能源动力领域，压气机大多以空气为压缩工质，其相应的实验平台也以开式循环为主，特点是压气机进/口直接大气环境相连，相对于闭式循环，无需设计独立的工质系统，实验台建设和运行难度远小于闭式循环；在化工领域，压缩工质多为化工产品，需要闭式循环的运行环境，但压缩机进口压力相对较低，运行状态远离临界点，使得其在压缩机起动以及运行控制上面临的技术挑战也无法与超临界二氧化碳压缩机实验平台相比。

综上所述，现有压缩机/压气机实验平台的技术并不能满足超临界二氧化碳压缩机实验平台的技术要求，需要开发一种适合于超临界工质的高压、闭式循环实验平台。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，满足超临界二氧化碳压缩机实验要求。

具体的技术方案为：

一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，包括压缩机测试单元、引射回收单元、SCO₂调制单元、滑油单元、冷却单元；“SCO₂”指的是“超临界二氧化碳”；

所述的压缩机测试单元，提供闭式循环条件；

所述的引射回收单元伺服于压缩机测试单元的压缩机主机轴端阶梯错齿密封，使得从机械密封末端泄漏气体经过单级/两级引射回收至主流循环；

所述的SCO₂调制单元为循环系统提供气源，对低温液态二氧化碳进行增压并加热，制备超临界二氧化碳工质，作为压缩机实验测试工质；

所述的滑油单元为压缩机主机及相关配套的设备提供合适参数的润滑油，保证压缩机及齿轮箱轴承运行正常；

所述的冷却单元保持整个循环系统运行的热平衡。

其中，所述的压缩机测试单元包括压缩机主机、第一电加热器、缓冲罐、水冷却器、稳压罐、进口减压阀、出口调节阀、系统放空阀、压缩机放空阀、压缩机防喘阀；所述的压缩机主机与SCO₂调制单元的超临界二氧化碳储罐连接；超临界二氧化碳储罐依次与进口减压阀、第一电加热器、缓冲罐连接成环路；第一电加热器还依次与稳压罐、压缩机主机、出口调节阀、水冷却器、缓冲罐连接成环路；缓冲罐上还连接有系统放空阀、压缩机放空阀；压缩机主机与出口调节阀之间还安装有压缩机防喘阀；压缩机主机与引射回收单元连接；所述的冷却单元与水冷却器连接。

进一步的，所述的SCO₂调制单元，包括低温液态二氧化碳储罐、增压泵、第二电加热器、超临界二氧化碳储罐、屏蔽泵；低温液态二氧化碳储罐用来存储用于调制超临界二氧化碳的低温、低压液态二氧化碳，设置液位传感器，低温液态二氧化碳储罐依次连接增压泵、第二电加热器、超临界二氧化碳储罐；超临界二氧化碳储罐与用户循环对接；屏蔽泵将超临界二氧化碳储罐、第二电加热器连接成环路。

所述的引射回收单元，包括依次连接的射流经收缩管、混合管、扩张管；所述的混合管还连接引射管。

本发明提供的一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，具有的技术效果有：提供了一种超临界二氧化碳压缩机实验系统，解决了以下问题：

(1)实现了超临界二氧化碳闭式循环运行；

(2)实现了超临界二氧化碳压缩机起动运行；

(3)实现了超临界二氧化碳压缩机进口状态控制(超临界/亚临界状态)；

(4)实现了大规模超临界二氧化碳工质调制与再生

超临界二氧化碳工质实时补充；

(5)阻止了超临界二氧化碳机械密封泄漏至大气环境，避免了二氧化碳泄漏可能造成的人员伤亡；

(6)实现了超临界二氧化碳机械密封泄漏气回收，减小了机械密封循环泄漏率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的压缩机测试单元结构示意图；

图3为现有技术的超临界二氧化碳气态调制流程；

图4为本发明的超临界二氧化碳调制单元结构示意图；

图5为本发明初始调制阶段的调制系统结构示意图；

图6为本发明再生调制超临界二氧化碳调制系统流程图；

图7为本发明补充调制超临界二氧化碳调制系统流程图；

图8某单级超临界二氧化碳压缩机内部结构剖面图；

图9为本引射回收单元结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

实验系统主要构成：

如图1所示，一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，包括压缩机测试单元1、引射回收单元2、SCO₂调制单元3、滑油单元4、冷却单元5。

压缩机测试单元1是该实验循环系统的核心，为实验工质提供闭式循环条件，如图2所示，所述的压缩机测试单元1包括压缩机主机10、第一电加热器12、缓冲罐13、水冷却器14、稳压罐15、进口减压阀16、出口调节阀20、系统放空阀17、压缩机放空阀18、压缩机防喘阀19；所述的压缩机主机10与SCO₂调制单元的超临界二氧化碳储罐34连接；超临界二氧化碳储罐34依次与进口减压阀16、第一电加热器12、缓冲罐13连接成环路；第一电加热器12还依次与稳压罐15、压缩机主机10、出口调节阀20、水冷却器14、缓冲罐13连接成环路；缓冲罐13上还连接有系统放空阀17、压缩机放空阀18；压缩机主机10与出口调节阀20之间还安装有压缩机防喘阀19；压缩机主机10与引射回收单元2连接；所述的冷却单元5与水冷却器14连接。

所述的引射回收单元2伺服于压缩机测试单元1的压缩机主机10轴端阶梯错齿密封，使得从机械密封末端泄漏气体经过单级/两级引射回收至主流循环，整个循环系统的泄漏量显著降低。所述的引射回收单元2，包括依次连接的射流经收缩管20、混合管21、扩张管22；所述的混合管21还连接引射管23。

所述的SCO₂调制单元3，是循环系统的气源，主要作用是对低温液态二氧化碳约2MPa，253K，进行增压并加热，制备超临界二氧化碳工质约8MPa 308K，并作为压缩机实验测试工质。SCO₂调制单元3包括低温液态二氧化碳储罐31、增压泵32、第二电加热器33、超临界二氧化碳储罐34、屏蔽泵35；低温液态二氧化碳储罐31用来存储用于调制超临界二氧化碳的低温、低压液态二氧化碳，设置液位传感器，低温液态二氧化碳储罐1依次连接增压泵32、第二电加热器33、超临界二氧化碳储罐34；超临界二氧化碳储罐34与用户循环36对接；屏蔽泵35将超临界二氧化碳储罐34、第二电加热器33连接成环路。

滑油单元4为压缩机主机10及相关配套的设备如：齿轮箱提供合适参数的润滑油，保证压缩机及齿轮箱轴承运行正常。

冷却单元5保持整个循环系统运行的热平衡。一方面，冷却单元5需要对滑油单元4进行冷却，以保证滑油温度稳定；另一方面，由于压缩机属于耗功设备，根据热力学第一定律，循环系统如果保持长期稳定运行，则需要保证输入系统的能量＝输出系统的能量，因此冷却单元从压缩机测试单元1中带走的能量应该等于超临界二氧化碳压缩机的输入功率。

实验系统主要流程：

压缩机起动准备：SCO₂调制单元3将调制好的工质约8MPa 308K充入超临界二氧化碳储罐34；

压缩机起动阶段：以缓冲罐13为循环气源，通过进口减压阀16以及第一电加热器12，调节缓冲罐13内的温度、压力，逐渐升高压缩机转速至工作转速，随后调节缓冲罐13至正常运行温度及压力，并将循环气源切换至超临界二氧化碳储罐34；

压缩机实验测试条件控制：达到正常运行工况后，可以改变压缩机进、出口工况进行不同工作条件下压缩机的实验测试。通过调节冷却单元5循环水量调节水冷却器14冷却功率，控制超临界二氧化碳储罐34内温度；通过控制出口调节阀20开度，控制超临界二氧化碳储罐34内温度。最后，通过进口减压阀16、第一电加热器12精确控制稳压罐15内工质状态，达到实现压缩机进口工况超临界、亚临界的调节。

压缩机防喘/退喘：压缩机实验过程中，极有可能面临压缩机喘振的情况，该实验设置了压缩机出口防喘阀19，当压缩机实验流量接近或低于预测喘振流量时，打开出口防喘阀19、全开压缩机出口调节阀20；

压缩机紧急停机：当压缩机出现严重故障，需要紧急停机时，打开压缩机放气阀18、出口防喘阀19，电动机停机

压缩机实验过程中，根据实验进口条件及超临界二氧化碳储罐34内剩余工质量，适时打开SCO₂调制单元3，对超临界二氧化碳储罐34进行补充。

SCO₂调制单元3详细说明:

商业二氧化碳主要以气态二氧化碳钢瓶或者液态二氧化碳槽车的方式进行供应，没有调制好的超临界二氧化碳出售，需要引入专门的一种超临界二氧化碳调制装置。

超临界二氧化碳调制方式包括：气态充装、液态充装。目前，工业上应用的超临界二氧化碳调制方式主要以气态调制为主，如图3所示，该种方式以二氧化碳气瓶为气源，并直接对气态二氧化碳进行升压，直至超临界状态，调制过程中没有相变，工艺简单，仅需要二氧化碳气瓶以及一台增压泵便可完成超临界状态的调制，并且在超临界二氧化碳储罐上缠绕伴热带便可长期维持超临界状态。但由于二氧化碳气瓶储气量即为有限，且更换气瓶进行充装的步骤较为繁琐，因此该种方式受限于超临界二氧化碳的调制规模，仅适用于小规模实验以及工业应用。对于应用大量超临界二氧化碳工质的工业场景，亟需一种以液态二氧化碳为充装工质，且安全、快速、连续的超临界二氧化碳调制方式。

本专利以超临界二氧化碳液态充装方式为基础，通过创新充装系统、充装方法，实现了一种用于不同调制需求、不同调制规模、不同容器材质的通用型超临界二氧化碳调制方法。所述的超临界二氧化碳调制系统，如图4所示，主要由低温液态二氧化碳储罐31、增压泵32、第二电加热器33、超临界二氧化碳储罐34、屏蔽泵35、用户循环36。低温液态二氧化碳储罐1用来存储用于调制超临界二氧化碳的低温、低压液态二氧化碳，为了实现充装量监控，该储罐需要设置液位传感器，包括但不限于差压式液位计、浮子式液位计。增压泵32用于将低温低压液态二氧化碳升至低温超临界压力液态二氧化碳，增压泵的泵送能力决定了调制系统的升压能力与调制速度，搭建该调制系统的首要工作便是根据实际需求，选择适当的增压泵，这是保证调制系统安全、稳定运行的关键。第二电加热器33将低温液态二氧化碳加热至超临界二氧化碳，其加热功率应于增压泵的泵送能力相匹配，重点需要考虑电加热器对液态二氧化碳加热的均匀性。超临界二氧化碳储罐34用来存储超临界二氧化碳工质。屏蔽泵35将超临界二氧化碳储罐34内的工质循环起来，并泵入电加热器，完成超临界二氧化碳状态的再生与维持。

本专利所涉及的超临界二氧化碳调制方法涉及超临界二氧化碳调制的各个阶段，包括：初始调制、再生调制、补充调制。

初始调制阶段：该阶段调制系统如图5所示，增压泵32、第二电加热器33、超临界二氧化碳储罐34均处于真空或常压状态，对于碳钢材质的超临界二氧化碳储罐34，直接充注低温液态二氧化碳可能导致工质温度进一步降低，在超临界二氧化碳储罐34内形成低温，削弱碳钢材料的承压性能，甚至发生安全事故。因此，对于碳钢材料的超临界二氧化碳储罐34，在初始充装阶段，需要将液态低温二氧化碳加热至气态二氧化碳状态再充注至超临界二氧化碳储罐34。

首先，需要根据实际情况计算本次充装所需要的充装量，并记录低温液态二氧化碳储罐31初始液位，评估低温液态二氧化碳剩余量，若余量充足，则进行超临界二氧化碳初始调制。

然后，对增压泵32及低温液态二氧化碳管路进行预冷处理，并向增压泵32、第二电加热器33内充注低温液态二氧化碳。开启电加热器，控制增压泵泵送流量，保持充入超临界二氧化碳储罐34的二氧化碳处于过热状态，直至超临界二氧化碳储罐34达到超临界状态。

最后，再次记录低温液态二氧化碳储罐31，计算二氧化碳实际充装量，并与本次所需充装量进行对比，进而选择继续充装或者对超临界二氧化碳进行适量排空，最终达到调制要求。

再生调制阶段：完成初始调制后，超临界二氧化碳储罐34内温度、压力、充装量均达到调制要求。但在实际应用中，超临界二氧化碳调制完毕后，实验或生产活动往往要间隔一段时间进行。在此期间，超临界二氧化碳储罐34向环境散热，长时间静置，当储罐内温度降至临界点以下，则超临界状态不能保持。在北方冬季，大型储罐散热量较大，若采用伴热带持续保持超临界状态，会造成系统维护成本增加，因此，需要超临界二氧化碳调制系统在超临界二氧化碳储罐34处于亚临界状态时，能够完成超临界状态的再生复现。该阶段调制系统流程图如图6所示，超临界二氧化碳储罐34脱离超临界状态后，处于两相混合状态，在重力条件下自由分层，屏蔽泵35抽取超临界二氧化碳储罐34内饱和液态二氧化碳，泵送至第二电加热器33并发生相变，饱和液相二氧化碳转化为饱和气相二氧化碳，超临界二氧化碳储罐34内状态沿饱和线上升，直至达到超临界状态，完成超临界二氧化碳再生调制。

补充调制阶段：用户循环36利用超临界二氧化碳储罐34内的超临界二氧化碳工质完成各类循环，但循环过程中，难免会出现超临界工质的泄漏或消耗，导致超临界二氧化碳储罐34内压力逐渐降低，甚至降至超临界压力以下。故而需要如图7所示的补充调制循环，通过增压泵32将低温液态二氧化碳直接升压至超临界压力以上，随后通过第二电加热器33将高压低温液态二氧化碳加热至高温高压的超临界二氧化碳，并补充至超临界二氧化碳储罐34以及用户循环36。

引射回收单元2详细说明：

普通空气工质透平机械常采用机械密封进行轴端密封，但机械密封应用于超临界二氧化碳透平机械主要引起本方面问题：1、超临界二氧化碳压缩机密封腔内压力高，机械密封泄漏量大，循环系统维护成本急剧增加；2、二氧化碳是一种无色无味的气体，虽然本身并无毒性，但机械密封泄漏气不经回收，直接排到实验环境，会导致二氧化碳浓度过高，使现场工作人员有神志不清甚至窒息死亡的可能性。为了使机械密封在超临界二氧化碳透平机械上能够高效、安全、稳定运行，需要开发一种超临界二氧化碳泄漏气回收装置。

本专利所描述的引射回收单元2适用于超临界二氧化碳压缩机循环系统内压缩机轴端密封气的回收，但同样也适应于其他超临界流体透平机械的密封气回收。图8所示为某单级超临界二氧化碳压缩机内部结构剖面图，压缩机主机10由压缩机叶轮101、机械密封102、主轴103以及轴承104组成。超临界二氧化碳压缩机正常运行时，压缩机出口压力在一般在10MPa以上，高压密封气体经由压缩机叶轮101向轴端泄漏，经过机械密封102的减压，密封气到达轴承104润滑腔之前，已经降至低压，并通过引射器2，将压缩机主轴103内的低压密封气引射出压缩机本体。

引射回收单元2简图如图9所示。引射回收单元2为整个回收系统的核心部件，利用一股高速高能高压气引射另一股低速低能低压气的，射流经收缩管20经过近似的等焓流动迸入混合管21，流速增加，静压下降，在引射管23附近形成低压区，从而引射低压气，并通过边界的掺混作用，将能量传递给被引射流。掺混形成的混合区逐渐扩大而充满整个混合室，再经过一段混合过程，至混合室出口，流动几乎成为均匀流，后面还有一段扩张管22，以便降低流速，提高静压，完成引射过程。

Claims (4)

1.一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，其特征在于，包括压缩机测试单元(1)、引射回收单元(2)、SCO₂调制单元(3)、滑油单元(4)、冷却单元(5)；

所述的压缩机测试单元(1)，提供闭式循环条件；

所述的引射回收单元(2)伺服于压缩机测试单元(1)的压缩机主机(10)轴端阶梯错齿密封，使得从机械密封末端泄漏气体经过单级/两级引射回收至主流循环；

所述的SCO₂调制单元(3)为循环系统提供气源，对低温液态二氧化碳进行增压并加热，制备超临界二氧化碳工质，作为压缩机实验测试工质；

所述的滑油单元(4)为压缩机主机(10)及相关配套的设备提供合适参数的润滑油，保证压缩机及齿轮箱轴承运行正常；

所述的冷却单元(5)保持整个循环系统运行的热平衡。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，其特征在于，所述的压缩机测试单元(1)包括压缩机主机(10)、第一电加热器(12)、缓冲罐(13)、水冷却器(14)、稳压罐(15)、进口减压阀(16)、出口调节阀(20)、系统放空阀(17)、压缩机放空阀(18)、压缩机防喘阀(19)；

所述的压缩机主机(10)与SCO₂调制单元的超临界二氧化碳储罐(34)连接；超临界二氧化碳储罐(34)依次与进口减压阀(16)、第一电加热器(12)、缓冲罐(13)连接成环路；

第一电加热器(12)还依次与稳压罐(15)、压缩机主机(10)、出口调节阀(20)、水冷却器(14)、缓冲罐(13)连接成环路；

缓冲罐(13)上还连接有系统放空阀(17)、压缩机放空阀(18)；

压缩机主机(10)与出口调节阀(20)之间还安装有压缩机防喘阀(19)；

压缩机主机(10)与引射回收单元(2)连接；

所述的冷却单元(5)与水冷却器(14)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，其特征在于，所述的SCO₂调制单元(3)，包括低温液态二氧化碳储罐(31)、增压泵(32)、第二电加热器(33)、超临界二氧化碳储罐(34)、屏蔽泵(35)；

所述的低温液态二氧化碳储罐(31)用来存储用于调制超临界二氧化碳的低温、低压液态二氧化碳，设置液位传感器，低温液态二氧化碳储罐(1)依次连接增压泵(32)、第二电加热器(33)、超临界二氧化碳储罐(34)；超临界二氧化碳储罐(34)与用户循环(36)对接；

所述的屏蔽泵(35)将超临界二氧化碳储罐(34)、第二电加热器(33)连接成环路。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳压缩机实验循环系统，其特征在于，所述的引射回收单元(2)，包括依次连接的射流经收缩管(20)、混合管(21)、扩张管(22)；所述的混合管(21)还连接引射管(23)。