CN110080831A - 超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构及方法 - Google Patents

超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构及方法，所述布局结构中，透平机与主轴采用同轴布置，二氧化碳压缩机由主轴提供动力通过行星齿轮调速装置驱动与主轴同轴布置，或由主轴经过机械传动装置再通过行星齿轮调速装置驱动与主轴旁轴布置；所述行星齿轮调速装置包括行星齿轮副和调速器；调速器的输入耦合到行星齿轮副中进行输出转速的调节。实现了透平主轴驱动多台二氧化碳压缩机的同轴或旁轴布置方式，需要调速的情况下，多台压缩机可单独调节转速，调速装动力输入最终转化为驱动压缩机的动力，从整体上提升超临界二氧化碳热力循环的热效率和经济效益。

Description

超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结 构及方法
技术领域
本发明涉及发电系统布局和机械传动与调速方法，具体为超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构及方法。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环为基础的具有多级压缩、再热及再压缩的循环系统，是一类最具发展前景的热力发电循环方式，与常规热力发电采用的水蒸气朗肯循环相比，具有系统简单、设备体积小和更高循环热效率等显著优越性。
目前的研究表明，最优化的超临界二氧化碳循环中有多台压缩机与透平机存在。透平机一般工作在额定转速，各压缩机也按照额定工作参数进行设计，额定工况下与透平机工作在相同转速，然而对于非额定工况下，各压缩机需要根据不同工况独立调整转速达到与透平最优化的匹配，以保证系统的正常循环和高的循环效率。若采用变频电动机等外部动力驱动压缩机，虽实现了易于调节的特性，但由于超临界二氧化碳的压缩机耗功巨大，其驱动系统与调节系统的设备投资、体积、功耗与损失也将十分巨大，结果将是极大地降低超临界二氧化碳循环系统在设备体积和循环热效率上的优越性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构及方法，结构简单，设计合理，调速方便，能够实现独立调速。
本发明是通过以下技术方案来实现：
超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，透平机与主轴采用同轴布置，二氧化碳压缩机由主轴提供动力通过行星齿轮调速装置驱动与主轴同轴布置，或由主轴经过机械传动装置再通过行星齿轮调速装置驱动与主轴旁轴布置；
所述行星齿轮调速装置包括行星齿轮副和调速器；调速器的输入耦合到行星齿轮副中进行输出转速的调节。
优选的，所述行星齿轮副的太阳轮、行星轮架和齿圈，分别与主轴、二氧化碳压缩机和调速器任意组合连接。
进一步，所述调速器采用外部动力驱动的变频电动机、液力或机械变速动力装置。
进一步，所述行星齿轮调速装置还包括离合装置，所述离合装置用于锁止太阳轮、行星轮架和齿圈中的任意两个。
优选的，主轴上串联多个透平机，并且采用双伸轴设置。
优选的，所述的机械传动装置采用皮带传动或齿轮传动。
超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速方法，透平机带动主轴等速转动，主轴直接或通过机械传动装置驱动行星齿轮调速装置的动力输入端，行星齿轮调速装置的调速器由外部动力提供可调节的转速输入，行星齿轮调速装置的动力输入端转速与调速器输入转速决定输出驱动二氧化碳压缩机的转速，改变调速器的转速实现调节二氧化碳压缩机的转速。
优选的，当二氧化碳压缩机不需要转速调节时，利用行星齿轮调速装置的离合装置锁止行星齿轮副的太阳轮、行星轮架和齿圈中任意两个，使其等速转动，即实现二氧化碳压缩机与主轴或机械传动装置的等速驱动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明布局结构，实现了透平主轴驱动多台二氧化碳压缩机的同轴或旁轴布置方式，需要调速的情况下，多台压缩机可单独调节转速，调速装动力输入最终转化为驱动压缩机的动力，避免了采用大功率变频电动机在设备投资、体积、功耗与损失方面的不利因素，保证了超临界二氧化碳热力循环发电系统布置的灵活性、驱动的高效率和设备的小型化，最终从整体上提升超临界二氧化碳热力循环的热效率和经济效益。
进一步的，在无需调速的情况下，行星齿轮调速装置可锁止，实现无动力消耗的1：1传动方式。
附图说明
图1为本发明实例中所述布局结构的示意图；
图2为本发明实例中所述行星齿轮调速装置的结构传动示意图。
图中，1为二氧化碳透平机、2为二氧化碳压缩机、3为行星齿轮调速装置、4为机械传动装置、5为主轴、行星齿轮副31、离合装置32、调速器33。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明一种超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其包括二氧化碳透平机1、二氧化碳压缩机2、行星齿轮调速装置3、机械传动装置4和主轴5；
所述的透平机1与主轴5采用同轴布置，二氧化碳压缩机2由主轴5提供动力通过行星齿轮调速装置3驱动，或由主轴5经过机械传动装置4再通过行星齿轮调速装置3驱动。其中，机械传动装置4能够采用齿轮传动或者皮带传动从主轴5上获取动力。
所述行星齿轮调速装置3包括行星齿轮副31、离合装置32和调速器33；行星齿轮副31的太阳轮、行星轮架和齿圈，与主轴5、二氧化碳压缩机2和调速器33的联结可根据实际需要任意组合。本优选实例中给出一种联结，太阳轮与调速器33联结，齿圈与主轴5联结，行星轮架与二氧化碳压缩机2联结。
所述行星齿轮调速装置3利用其太阳轮、行星轮架和齿圈的三个自由度分别联结主轴、压缩机和调速器33，联结可根据调速范围与其他要求进行组合，行星齿轮调速装置3通过调速器33输入不同的转速实现二氧化碳压缩机2的调速功能，并由离合装置32提供行星齿轮副31的锁止功能。
行星齿轮调速装置3具有离合装置32，本优选实例中可以采用牙嵌式离合器或者摩擦式离合器，可以将行星齿轮副31的三个自由度锁止，成为不需消耗额外动力的1：1的传动机构，所述离合装置32通过分别连接行星齿轮副31的太阳轮、行星轮架和齿圈中的任意两个，将行星齿轮副31的太阳轮、行星轮架和齿圈任意两个锁止，即可实现1：1的传动。
行星齿轮调速装置3具有调速器33，调速器33是由外部动力驱动的具有转速调节功能的装置，所述调速器33可由变频电动机、液力或机械变速动力装置等构成。本优选实例中，调速器33的输出端能够与行星齿轮副31的太阳轮直接联结进行调速。
本发明的具体工作过程为：
如图2所示，透平机1带动主轴5等速转动，主轴5直接或通过机械传动装置驱动行星齿轮调速装置3的动力输入端，行星齿轮调速装置3的调速器33由外部动力提供可调节的转速输入，行星齿轮调速装置3的动力输入端转速与调节器输入转速决定了输出驱动压缩机的转速，改变调速器的转速就可以实现调节压缩机2的转速，当压缩机2不需要转速调节时，利用行星齿轮调速装置3的离合装置32锁止行星齿轮副31的太阳轮、行星轮架和齿圈中任意两个，使它们等速转动，即可实现二氧化碳压缩机2与主轴5或机械传动装置4的等速驱动。
本发明采用二氧化碳透平机与主轴同轴布置，由主轴通过行星齿轮调速装置驱动二氧化碳压缩机，实现压缩机与主轴的同轴或旁轴布置。行星齿轮调速装置通过调速器转速的变化实现压缩机的调速功能，在不需要调速时行星齿轮调速装置的离合器能够锁止行星齿轮副，实现无动力消耗的1：1转速驱动压缩机。实现了透平主轴驱动多台二氧化碳压缩机并可独立调速的布置方式，提高了超临界二氧化碳热力循环发电系统布置的灵活性、驱动的高效率和设备的小型化，最终从整体上提升超临界二氧化碳热力循环的热效率和经济效益。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，透平机(1)与主轴(5)采用同轴布置，二氧化碳压缩机(2)由主轴(5)提供动力通过行星齿轮调速装置(3)驱动与主轴(5)同轴布置，或由主轴(5)经过机械传动装置(4)再通过行星齿轮调速装置(3)驱动与主轴(5)旁轴布置；
所述行星齿轮调速装置(3)包括行星齿轮副(31)和调速器(33)；调速器(33)的输入耦合到行星齿轮副(31)中进行输出转速的调节。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，所述行星齿轮副(31)的太阳轮、行星轮架和齿圈，分别与主轴(5)、二氧化碳压缩机(2)和调速器(33)任意组合连接。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，所述调速器(33)采用外部动力驱动的变频电动机、液力或机械变速动力装置。
4.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，所述行星齿轮调速装置(3)还包括离合装置(32)，所述离合装置(32)用于锁止太阳轮、行星轮架和齿圈中的任意两个。
5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，主轴(5)上串联多个透平机(1)，并且采用双伸轴设置。
6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速布局结构，其特征在于，所述的机械传动装置(4)采用皮带传动或齿轮传动。
7.超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速方法，其特征在于，透平机(1)带动主轴(5)等速转动，主轴(5)直接或通过机械传动装置(4)驱动行星齿轮调速装置(3)的动力输入端，行星齿轮调速装置(3)的调速器(33)由外部动力提供可调节的转速输入，行星齿轮调速装置(3)的动力输入端转速与调速器(33)输入转速决定输出驱动二氧化碳压缩机(2)的转速，改变调速器(33)的转速实现调节二氧化碳压缩机(2)的转速。
8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳热力循环发电系统压缩机的驱动调速方法，其特征在于，当二氧化碳压缩机(2)不需要转速调节时，利用行星齿轮调速装置(3)的离合装置(32)锁止行星齿轮副(31)的太阳轮、行星轮架和齿圈中任意两个，使其等速转动，即实现二氧化碳压缩机(2)与主轴(5)或机械传动装置(4)的等速驱动。
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