CN110469376B - 布雷顿循环发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电系统技术领域，公开了一种布雷顿循环发电系统及方法，其中布雷顿循环发电系统包括依次连接的压缩机、加热器和透平，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，压缩机和透平均设置于密封壳体内，密封壳体连接于引射器的被引射流体进口，压缩机的出口连接于引射器的引射源流体进口；引射器的出口连接于回热器的第一换热侧的进口，回热器的第一换热侧的出口连接于加热器的进口；透平的出口连接于回热器的第二换热侧的进口，回热器的第二换热侧的出口连接于压缩机的进口。该布雷顿循环发电系统利用密封壳体将旋转机械的动密封转化为静密封，同时通过引射器将泄漏工质和主流工质混合，充分回收泄漏工质的热量。

Description

布雷顿循环发电系统及方法

技术领域

本发明涉及发电系统技术领域，尤其涉及一种布雷顿循环发电系统及方法。

背景技术

超临界CO₂布雷顿循环已经成为国内外研究的热点，具有极高的热效率和功率容积比，是未来取代蒸汽循环的主流技术路线，但是由于超临界CO₂类似气体的低粘度和类似液体的高密度，导致超临界CO₂布雷顿循环中出现了动密封难度大、运行工况偏离设计值等难以解决的问题，通过原因分析发现旋转机械由于转速高、流体粘度小导致密封困难，尤其是透平运行温度高、运行压力高，其密封难度更甚于压缩机，常用的干气密封、迷宫密封等方式已无法满足密封要求。同时，运行工况偏离的问题还由于换热设备无法按照设计工况运行，通常采用多微细通道(直径1～2毫米)并联的换热模式以保证高承压能力(20MPa以上)，常用的微细管管壳式换热器、印刷电路板换热器等都存在入口对应成百上千个通流管道的问题，由于工质泄漏过多导致流速降低，也加剧了微通道之间流量分配的不均性，实际各通道流量偏差可达30％以上。

常规解决方案是，首先，采用间断式补气系统，一旦压力低于某一限值则开启补气系统，通过充注高压超临界CO₂保持系统内稳定的运行流量，但该方案使压缩机和透平中的流量处于时时波动状态，导致机组效率严重偏离额定值，甚至导致失速风险。其次，在换热器封头位置增设均流板或节流件，导致系统总阻力进一步增大。以上措施都会增加压缩机耗功，导致系统内流量出现显著波动，直接影响循环效率和经济性，且甚至导致旋转机械设备破损失效等问题。

发明内容

本发明实施例提供一种布雷顿循环发电系统及方法，用以解决现有的布雷顿循环发电系统中旋转机械动密封困难、易泄漏的问题，以回收并利用泄漏工质。

本发明实施例提供一种布雷顿循环发电系统，包括依次连接的压缩机、加热器和透平，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，所述压缩机和所述透平均设置于所述密封壳体内，所述密封壳体连接于所述引射器的被引射流体进口，所述压缩机的出口连接于所述引射器的引射源流体进口；所述引射器的出口连接于所述回热器的第一换热侧的进口，所述回热器的第一换热侧的出口连接于所述加热器的进口；所述透平的出口连接于所述回热器的第二换热侧的进口，所述回热器的第二换热侧的出口连接于所述压缩机的进口。

其中，所述引射器包括至少一级引射单元，每级所述引射单元均包括引射管和驱动进气组件；所述驱动进气组件包括依次连接的驱动进气管、喷嘴和驱动扩张段，所述驱动扩张段伸入所述引射管内；所述驱动进气管在周向上设有多个进气支管，每个所述进气支管的进口均连接于所述压缩机的出口，每个所述进气支管的出口均与所述驱动进气管相切。

其中，多个所述进气支管沿所述驱动进气管的轴线呈中心对称分布。

其中，所述引射管包括依次连接的引射段、混合收缩段和扩压段，所述驱动扩张段设置于所述引射段内。

其中，所述引射器包括多级所述引射单元，相邻两级所述引射单元的所述引射管相互连接；上一级所述引射单元的所述扩压段的出口连接于下一级所述引射单元的所述引射段的进口。

其中，所述引射段的内壁面在周向上安装有旋流叶片。

其中，所述回热器的第一换热侧的进口均匀地设置有多个微细通道。

其中，还包括冷却器，所述冷却器的进口连接于所述回热器的第二换热侧的出口，所述冷却器的出口连接于所述压缩机的进口。

其中，所述压缩机和所述透平采用磁浮轴承或者气浮轴承。

本发明实施例还提供一种利用上述布雷顿循环发电系统的方法，包括：

在所述布雷顿循环发电系统运行前，将密封壳体抽真空后，注入布雷顿循环工质，直至所述密封壳体内的实测压力值达到预设压力值；

运行所述布雷顿循环发电系统，保持所述密封壳体内的所述实测压力值与所述预设压力值的差值小于或者等于预设压差值。

本发明实施例提供的布雷顿循环发电系统及方法，其中布雷顿循环发电系统包括依次连接的压缩机、加热器和透平，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，利用密封壳体对透平和压缩机进行全密封，从透平和压缩机中泄漏的工质进入到密封壳体，密封壳体连接于引射器的被引射端，以将泄漏工质作为被引射流体；压缩机的出口连接于引射器的引射端，以将主流工质作为引射源，低压的泄漏工质在高压的主流工质的高速射流作用下，经过混合和升压后进入回热器。该布雷顿循环发电系统利用密封壳体将旋转机械的动密封转化为静密封，同时通过引射器将泄漏工质和主流工质混合，充分回收泄漏工质的热量，大幅简化了气体间断性补充装置，实现了系统零泄漏，同时保证了换热器及旋转机械均运行于设计工况，达到系统内设备运行稳定性、经济性和安全性同步提升的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种布雷顿循环发电系统的原理示意图；

图2是本发明实施例中的一种引射器的结构示意图；

图3是本发明实施例中的驱动进气管和进气支管的侧视图；

图4是本发明实施例中的回热器的微细通道流量分配结果图；

附图标记说明：

1：压缩机； 11：电机； 2：加热器；

21：热源； 3：透平； 31：发电机；

4：密封壳体； 5：回热器； 6：引射器；

61：引射管； 611：引射段； 612：混合收缩段；

613：扩压段； 614：旋流叶片； 62：驱动进气组件；

621：驱动进气管； 622：喷嘴； 623：驱动扩张段；

624：进气支管； 7：冷却器； 8：泄漏工质流体；

9：主流工质流体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

图1是本发明实施例中的一种布雷顿循环发电系统的原理示意图，图2是本发明实施例中的一种引射器的结构示意图，如图1～图2所示，本发明实施例提供的一种布雷顿循环发电系统，包括依次连接的压缩机1、加热器2和透平3，还包括密封壳体4、回热器5和至少一台引射器6，压缩机1和透平3均设置于密封壳体4内，密封壳体4连接于引射器6的被引射流体进口，压缩机1的出口连接于引射器6的引射源流体进口。引射器6的出口连接于回热器5的第一换热侧的进口，回热器5的第一换热侧的出口连接于加热器2的进口。透平3的出口连接于回热器5的第二换热侧的进口，回热器5的第二换热侧的出口连接于压缩机1的进口。

具体地，压缩机1的转轴连接有电机11，构成压缩机组；透平3的转轴连接有发电机31，构成透平发电机组，且电机11和发电机31均连接有外部的水冷系统(图中未示出)，水冷系统设置于密封壳体4之外，可以直接采用电厂现有的水冷系统，只需要将电机11和发电机31通过冷却水管连接至水冷系统即可，保证电机运行不超温。加热器2可以采用间接式换热器，加热器2的第一换热侧的进口连接于回热器5的第一换热侧的出口，加热器2的第一换热侧的出口连接于透平3的进口。加热器2的第二换热侧可以采用常规燃料燃烧、太阳能集热或者其他产热能源作为热源21。

密封壳体4可以为一个总壳体，将压缩机组和透平发电机组全部封装在一个总壳体内。密封壳体4也可以为多个分开的子壳体，压缩机组和透平发电机组分别封装在各自的子壳体内。本实施例以密封壳体4为两个子壳体来具体说明，其余情况与之类似，不再赘述。密封壳体4内可以无需采用冷却设备对泄漏工质流体8进行降温，以便充分回收系统热量。

回热器5可以采用间接式换热器，回热器5的第一换热侧串联接入压缩机1和加热器2之间，回热器5的第二换热侧串联接入透平3和压缩机1之间。引射器6的数量可以为一个或者多个，当引射器6的数量为多个时，则多个引射器6之间相互并联，即每个引射器6的被引射流体进口均连接于密封壳体4，每个引射器6的引射源流体进口均连接于压缩机1的出口，每个引射器6的出口均连接于回热器5的第一换热侧的进口。引射器6可以为单级引射器，也可以为多级引射器。本实施例中以一个单级引射器为例进行说明，其余情况与之类似，不再赘述。本实施例中使用的布雷顿循环工质可以为超临界CO₂，氦气或者氮气，本实施例中以超临界CO₂为例进行说明，其余情况与之类似，不再赘述。

运行时，主流工质流体9(高压超临界CO₂)从压缩机1的出口流出，进入引射器6的引射源流体进口，作为引射源；同时，压缩机1的轴端会泄漏出部分的泄漏工质流体8(低压CO₂气体)至左侧的密封壳体4内，透平3的轴端也会泄漏出部分的泄漏工质流体8至右侧的密封壳体4内。通过在两个密封壳体4上分别设置引出管，将泄漏工质流体8汇合后引出至引射器6的被引射流体进口，作为被引射流体。利用高压高速的主流工质流体9在射流作用下携带低压的泄漏工质流体8，降速升压至系统运行要求的压力，再进入回热器5的第一换热侧，利用透平3排气的热量加热，然后再经过加热器2进行加热升温，接着进入透平3，将工质流体中蕴有的能量转换为机械能，再通过发电机31将机械能转换为电能输出。透平3的排气进入回热器5的第二换热侧对压缩后的气体进行加热，以提高热效率，最后再重新进入压缩机1，进行下一个循环。

本实施例提供的一种布雷顿循环发电系统，包括依次连接的压缩机、加热器和透平，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，利用密封壳体对透平和压缩机进行全密封，从透平和压缩机中泄漏的工质进入到密封壳体，密封壳体连接于引射器的被引射端，以将泄漏工质作为被引射流体；压缩机的出口连接于引射器的引射端，以将主流工质作为引射源，低压的泄漏工质在高压的主流工质的高速射流作用下，经过混合和升压后进入回热器。该布雷顿循环发电系统利用密封壳体将旋转机械的动密封转化为静密封，同时通过引射器将泄漏工质和主流工质混合，充分回收泄漏工质的热量，大幅简化了气体间断性补充装置，实现了系统零泄漏，同时保证了换热器及旋转机械均运行于设计工况，达到系统内设备运行稳定性、经济性和安全性同步提升的效果。

进一步地，如图2和图3所示，引射器6包括至少一级引射单元，即引射器6可以为单级引射器或者多级引射器。每级引射单元均包括引射管61和驱动进气组件62。驱动进气组件62包括依次连接的驱动进气管621、喷嘴622和驱动扩张段623，驱动扩张段623伸入引射管61内。驱动进气管621在周向上设有多个进气支管624，每个进气支管624的进口均连接于压缩机1的出口，每个进气支管624的出口均与驱动进气管621相切。

具体地，将引射器6的射流源入射方式由现有的直流入射改为切向入射，主流工质流体9由两个或者多个与驱动进气管621相切的进气支管624引入引射器6，形成强力的切向流场，然后依次通过驱动进气管621的收缩段、喷嘴622和驱动扩张段623进行加速，在驱动扩张段623的出口形成高速且带有强切向二次流的射流，进而在强剪切力作用下携带泄漏工质流体8，在引射管61内进行混合，降速升压至系统运行要求的压力，再进入回热器5的第一换热侧的进口。

同时，射流源流体(即主流工质流体9)和被引射气体(即泄漏工质流体8)具有强烈的旋流二次流作用，且被引射气体在降温的同时升压，导致被引射气体整体大幅收缩，牵引加速主流超临界CO₂向外侧移动。同时，由于强旋流作用导致出现大范围中心回流区，使超临界流体发生偏转，无法直接冲进封头入口正对的微细通道，进而可以将更多流体输送到边缘的微细通道。

在回热器5内，由于被引射的泄漏工质流体8的温度高而压力低，在混合升压过程中与主流工质流体9交混。一方面，密度差加剧了强旋流离心力作用，高密度的主流工质流体9被向回热器5的进口封头边沿甩出，被引射的泄漏工质流体8处于主流工质流体9的外侧，交混过程中温度降低且压力升高导致比容骤降产生整体收缩现象，牵引加速主流工质流体9向回热器5的进口封头边缘处移动；另一方面，在回热器5的第一换热侧的进口处，气流旋流扩张过程会出现中心回流现象，使中心区流体流向发生偏转，因而会将更多流体输送到边缘微细通道处。以上两方面共同导致各微细通道之间的流量差减小。在一个具体的实施例中，回热器5的微细通道流量分配结果参见图4，如图4所示，最大流量偏差不大于6％，同时将泄漏工质流体8的工质和热量完全回收。

本实施例利用了高速射流作用、旋流二次流、流体升压收缩、中心区回流等综合作用，在回收旋转机械泄漏的超临界CO₂同时，将大部分超临界CO₂直接输送到边缘微细通道处，同步解决系统中轴端动密封泄漏和换热器流量分配不均的问题。

更进一步地，如图3所示，多个进气支管624沿驱动进气管621的轴线呈中心对称分布。具体地，进气支管624的数量可以为两个及以上，本实施例中以四个为例进行说明，四个进气支管624沿驱动进气管621的周向均匀分布，呈四角切圆的形式。

进一步地，引射管61包括依次连接的引射段611、混合收缩段612和扩压段613，驱动扩张段623设置于引射段611内。具体地，引射段611和混合收缩段612均为渐缩管，扩压段613为渐扩管。主流工质流体9通过喷嘴622和驱动扩张段623，在驱动扩张段623的出口形成高速切向流动，然后在引射段611内形成强剪切力的引射作用。更进一步地，引射段611的前端还设有一个圆管过渡段，用以安装驱动进气组件62，使引射管61同轴套设于驱动进气组件62外。

更进一步地，引射器6可以为多级引射器，即包括多组引射单元，相邻两组引射单元的引射管61相互连接，上一个引射单元的扩压段613的出口连接于下一个引射单元的引射段611的进口。

具体地，第一级引射单元的圆管过渡段连接于密封壳体4，上一级引射单元的扩压段613连接于下一级引射单元的圆管过渡段，最后一级引射单元的扩压段613连接于回热器5的第一换热侧的进口。

更进一步地，如图2所示，引射段611的内壁面在周向上安装有旋流叶片614。具体地，旋流叶片614的旋流方向与驱动扩张段623的出口的主流工质流体9(即高压超临界CO₂流体)的旋流方向一致。泄漏工质流体8进入引射段611后，在旋流叶片614的作用下，产生切向速度，与主流工质流体9共同进入混合收缩段612。此时，被引射的泄漏工质流体8处于主流工质流体9的外侧，且气体均处于强旋流状态，再经过混合收缩段612和扩压段613降速升压后直接进入回热器5的第一换热侧的进口。

进一步地，回热器5的第一换热侧的进口均匀地设置有多个微细通道(图中未示出)。具体地，回热器5可以采用微细管管壳式换热器或者印刷电路板换热器，其进口均对应成百上千个微细通道。通过设置多个微细通道(直径1mm～2mm)并联的换热模式，可以保证高承压能力(20MPa以上)。

更进一步地，回热器5的第一换热侧的进口的封头结构可以为半球形或圆变方形，可以使强旋流在该空间内进行充分发展扩张。

进一步地，压缩机1和透平3为同轴配置或者分轴配置。具体地，压缩机组和透平发电机组可以共轴配置，即共用电机11或者发电机31；也可以分轴配置，即不共用电机11或者发电机31。本实施例中采用分轴配置。

进一步地，如图1所示，还包括冷却器7，冷却器7的进口连接于回热器5的第二换热侧的出口，冷却器7的出口连接于压缩机1的进口。通过设置冷却器对透平3的排气进行冷却。

进一步地，压缩机1和透平3采用磁浮轴承或者气浮轴承。因而泄漏的CO₂不会被其他工质污染，所以无需净化便可直接回收。

进一步地，压缩机1和透平3的轴端均采用迷宫密封。由于干气密封存在系统复杂、辅助设备多的问题，因此本实施例采用较为简单的迷宫密封。

本发明实施例还提供一种利用上述布雷顿循环发电系统的方法，包括：

在布雷顿循环发电系统运行前，将密封壳体4抽真空后，注入布雷顿循环工质，直至密封壳体4内的实测压力值达到预设压力值；

运行布雷顿循环发电系统，保持密封壳体4内的实测压力值与预设压力值的差值小于或者等于预设压差值。

具体的，在运行前向密封壳体4内充满1MPa的常温高纯CO₂，运行过程中密封壳体4内的压力始终保持在1MPa左右，泄漏工质流体8在动密封段泄漏后会由10MPa以上降低至1MPa左右，经降压后温度也会显著降低，最高温度不超过200℃，该密封壳体4不存在耐温材料和动密封问题，且密封壳体4内的背压可以显著减少密封内外压差，在运行环境下的静密封完全可达到零泄漏。

在一个具体的实施例中，首先将透平3和压缩机1通过密封壳体4进行全密封，密封壳体4内可以保持1MPa的背压，以显著减少密封内外压差，进而减少泄漏量。然后将泄漏气体通过引出管引入至引射器6的被引射流体进口，由压缩机1的出口高压流体作为射流源，入口射流源设置为强切向旋流，通过一级或多级引射作用将泄漏工质流体8不经降温和净化直接进行回收的同时，综合利用旋流离心力、外扩张效应、泄漏气体升压收缩等效应，将更多的超临界CO₂输送到回热器5的第一换热侧的进口封头边缘处的微细通道，从而解决微细通道流量分配不均匀问题。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的布雷顿循环发电系统及方法，其中布雷顿循环发电系统包括依次连接的压缩机、加热器和透平，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，利用密封壳体对透平和压缩机进行全密封，从透平和压缩机中泄漏的工质进入到密封壳体，密封壳体连接于引射器的被引射端，以将泄漏工质作为被引射流体；压缩机的出口连接于引射器的引射端，以将主流工质作为引射源，低压的泄漏工质在高压的主流工质的高速射流作用下，经过混合和升压后进入回热器。该布雷顿循环发电系统利用密封壳体将旋转机械的动密封转化为静密封，同时通过引射器将泄漏工质和主流工质混合，充分回收泄漏工质的热量，大幅简化了气体间断性补充装置，实现了系统零泄漏，同时保证了换热器及旋转机械均运行于设计工况，达到系统内设备运行稳定性、经济性和安全性同步提升的效果。

进一步地，布雷顿循环发电系统在回收轴端泄漏的CO₂的同时，使各微细通道流量分配均匀，并未引入其他升压泵、阻力件等装置。第一，系统通过增设承压容器和引射装置，实现了泄漏气体和热量的全回收和零泄漏；第二，压缩机和透平等旋转机械可运行在稳定工况，不会出现流量时时波动的现象，保证了设备的高效性和安全性；第三，换热器设计余量大幅释放，换热器体积、重量、成本都显著降低。综上，整个系统效率、安全性和经济性均可显著提升。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种布雷顿循环发电系统，包括依次连接的压缩机、加热器和透平，其特征在于，还包括密封壳体、回热器和至少一台引射器，所述压缩机和所述透平均设置于所述密封壳体内，所述密封壳体连接于所述引射器的被引射流体进口，所述压缩机的出口连接于所述引射器的引射源流体进口；

所述引射器的出口连接于所述回热器的第一换热侧的进口，所述回热器的第一换热侧的出口连接于所述加热器的进口；所述透平的出口连接于所述回热器的第二换热侧的进口，所述回热器的第二换热侧的出口连接于所述压缩机的进口；

所述引射器包括至少一级引射单元，每级所述引射单元均包括引射管和驱动进气组件；所述驱动进气组件包括依次连接的驱动进气管、喷嘴和驱动扩张段，所述驱动扩张段伸入所述引射管内；所述驱动进气管在周向上设有多个进气支管，每个所述进气支管的进口均连接于所述压缩机的出口，每个所述进气支管的出口均与所述驱动进气管相切；

所述引射管包括依次连接的引射段、混合收缩段和扩压段，所述驱动扩张段设置于所述引射段内；

所述引射段的内壁面在周向上安装有旋流叶片；

所述回热器的第一换热侧的进口均匀地设置有多个微细通道。

2.根据权利要求1所述的布雷顿循环发电系统，其特征在于，多个所述进气支管沿所述驱动进气管的轴线呈中心对称分布。

3.根据权利要求1所述的布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述引射器包括多级所述引射单元，相邻两级所述引射单元的所述引射管相互连接；上一级所述引射单元的所述扩压段的出口连接于下一级所述引射单元的所述引射段的进口。

4.根据权利要求1所述的布雷顿循环发电系统，其特征在于，还包括冷却器，所述冷却器的进口连接于所述回热器的第二换热侧的出口，所述冷却器的出口连接于所述压缩机的进口。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述压缩机和所述透平采用磁浮轴承或者气浮轴承。

6.一种利用如权利要求1至5中任一项所述的布雷顿循环发电系统的方法，其特征在于，包括：

在所述布雷顿循环发电系统运行前，将密封壳体抽真空后，注入布雷顿循环工质，直至所述密封壳体内的实测压力值达到预设压力值；

运行所述布雷顿循环发电系统，保持所述密封壳体内的所述实测压力值与所述预设压力值的差值小于或者等于预设压差值。