CN110566297A - 超临界二氧化碳布雷顿循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热能发电技术领域，公开了一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括压缩机、回热器、热源、透平机和冷却器，回热器包括预热侧和回热侧，压缩机、预热侧、热源、透平机、回热侧和冷却器依次连接，还包括引射器，引射器的高压射流入口与压缩机的出口连接，引射器的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，引射器的出口与冷却器的入口连接。本发明提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，在循环中采用引射器，大幅简化了补气系统，有效减少了旋转或耗功部件，长期运行具有良好可靠性和经济性，实时快速响应补气，简单实用，克服了间歇性补气导致的循环流量实时大幅波动，在冷却器前进行补气还可以适当降低冷却器热负荷，减少冷却水消耗。
Description
技术领域
本发明涉及热能发电技术领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环系统是当前最有前途的新型循环形式，可应用于核能、太阳能、火电、地热等多种能源领域，具有极高的热电效率和紧凑度，是有望取代蒸汽循环的最佳能源转换方式。但该技术在向工程应用转化过程中却面临诸多问题，其中最为关键的问题之一是循环工质泄漏问题，由于超临界CO2循环中的透平、压缩机等旋转机械存在轴颈小、转速高、工质粘度低等特征，导致无论常规迷宫式密封或是干气密封都无法达到满意的效果。超临界CO2循环由于循环工质泄漏所引发的补气问题已成为导致该技术迟迟无法大规模工程应用的关键瓶颈问题。
发明内容
本发明实施例提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，用以解决现有的超临界二氧化碳循环系统的由于循环工质泄漏所引发的补气问题。
本发明实施例提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括压缩机、回热器、热源、透平机和冷却器，所述回热器包括预热侧和回热侧，所述压缩机、所述预热侧、所述热源、所述透平机、所述回热侧和所述冷却器依次连接，还包括引射器，所述引射器的高压射流入口与所述压缩机的出口连接，所述引射器的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，所述引射器的出口与所述冷却器的入口连接。
本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，在循环中采用引射器取代原有的高压制冷液化器、液体增压泵、电加热器等设备，大幅简化了补气系统，有效减少了旋转部件或耗功部件，系统长期运行具有良好的可靠性和经济性，引射器的高压射流入口与压缩机的出口连接，引射器的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，将压缩机出口的部分高压工质作为工作流体，将被补充的低压CO2作为被引射工质，实现对超临界CO2循环的实时快速响应补气，简单实用，并克服了间歇性补气方案导致的循环系统流量实时大幅波动问题；引射器的出口与冷却器的入口连接，由于补充气体的温度相对较低，在冷却器前进行补气还可以适当降低冷却器热负荷，减少冷却水消耗。
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为本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的引射器的工作性能曲线；
图中：1、压缩机；2、回热器；3、热源；4、透平机；5、冷却器；6、发电机；7、引射器；8、渐缩渐扩管；9、调节阀；10、第一流量计；11、第二流量计；12、储气罐；13、减压阀；14、稳压罐。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本发明实施例提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括压缩机1、回热器2、热源3、透平机4和冷却器5，回热器2包括预热侧和回热侧，压缩机1、预热侧、热源3、透平机4、回热侧和冷却器5依次连接；还包括引射器7，引射器7的高压射流入口与压缩机1的出口连接，引射器7的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，引射器7的出口与冷却器5的入口连接。
现有的简单回热超临界二氧化碳布雷顿循环系统，CO2循环工质在压缩机1内压缩后，经回热器2预热侧预热、热源3吸收能量后进入透平机4，带动透平机4叶轮旋转进而带动发电机6发电，完成能量转换；CO2循环工质从透平机4的出口排出后，经回热器2的回热侧回热、冷却器5冷却后，再次进入压缩机1，完成循环。
为了解决循环过程中超临界CO2泄漏所带来的问题，现有技术常采用可磨损的迷宫式密封和间歇性补气装置的方案。现有的方案中，迷宫式密封工作时间较短，会随着使用出现密封性能衰退，导致泄漏量逐渐增大，需要定期或视情更换；同时，利用流量计监测系统中CO2的质量或体积流量低于阀值时，补气系统将启动进行工质补充，补气方式为间歇式。另外，现有方案的补气系统非常复杂，包括高压气瓶组、高压制冷液化器、液体增压泵、电加热器、控制计算机、电动截止阀等多个设备，由于超临界CO2循环中CO2循环工质全程处于超临界态，系统最低压力约8MPa，而25℃的CO2气瓶的气压约6MPa，CO2气瓶组的高压气态CO2以约5MPa压力导出，然后依次经过冷凝液化、容积式增压和恒温加热等过程后才能补充进入超临界CO2循环，系统组成和运行均较为复杂。因此，现有的技术方案组成复杂，并且由于密封性能衰退、间歇式补气方式以及采用容积式升压泵，循环工质流量和泄漏量在运行过程中均将出现较大幅度的实时波动，导致透平机、压缩机等旋转机械设备运行于波动参数下，严重影响系统的输出功率和运行效率。
本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，在循环中采用引射器7取代原有的高压制冷液化器、液体增压泵、电加热器等设备，大幅简化了补气系统，有效减少了旋转部件或耗功部件，系统长期运行具有良好的可靠性和经济性，引射器7的高压射流入口与压缩机1的出口连接，引射器7的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，将压缩机1出口的部分高压工质作为工作流体，将被补充的低压CO2作为被引射工质，实现对超临界CO2循环的实时快速响应补气，简单实用，并克服了间歇性补气方案导致的循环系统流量实时大幅波动问题；引射器7的出口与冷却器5的入口连接，由于补充气体的温度相对较低，在冷却器5前进行补气还可以适当降低冷却器5热负荷，减少冷却水消耗。
进一步地，本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，还可以包括有渐缩渐扩管8，渐缩渐扩管8的入口与回热器2的回热出口连接，渐缩渐扩管8的出口与冷却器5的入口连接。沿管内气流方向，渐缩渐扩管8包括依次设置的渐缩段、窄喉段和渐扩段；其中，沿气流方向，渐缩段的截面面积逐渐缩小，渐扩段的截面面积逐渐增大，窄喉段具有最小截面面积。在窄喉段开设喉口，将引射器7的出口与喉口连接。根据伯努利效应，流过渐缩渐扩管8的气流在窄喉处压力降低，进而将引射器7的出口与喉口连接，可以有效降低引射器7的出口背压，利于增大引射比、减少工作流体的需求量。由于超临界CO2循环压力高达20MPa以上，而冷却器5入口前位置压力在系统中相对较低，一般不超过8MPa，补充工质的位置设于冷却器5入口前，并在该位置设置渐缩渐扩管，将引射器7的出口与渐缩渐扩管8的喉口连接，进一步降低引射器7出口背压，提升引射效果。
为了能够有效控制和调节引射器7中工作流体的流量，进而改变被引射低压CO2的补充量，可以在引射器7前设置调节阀9，调节阀9的入口与压缩机1的出口连接，调节阀9的出口与引射器7的高压射流入口连接。通过调节阀9对从压缩机1出口流出的高压超临界CO2循环工质在进入回热器2前进行分流，其中大部分的高压超临界CO2循环工质依然进入回热器2，小部分将经调节阀9分流，作为高压的工作流体进入引射器7。
进一步地，可以在循环回路的管道上设置流量计来监测超临界CO2循环工质的流量，并进而获取超临界CO2循环工质的实时泄漏量，本发明可以采用科式流量计。可以在冷却器5的出口与压缩机1的进口之间设置安装第一流量计10，用于测量进入压缩机1的超临界CO2循环工质流量；回热器2的回热出口与渐缩渐扩管8的入口之间设置安装第二流量计11，用于测量循环中超临界CO2经过压缩机1和透平机4后剩余的工质流量。超临界CO2循环工质的泄漏一般发生在动密封处，在保证所有静密封零泄漏的情况下，第一流量计10和第二流量计11之间的差值即为超临界CO2循环工质的实时泄漏量。将第一流量计10、第二流量计11均同调节阀9信号连接，使调节阀9的开度控制器可以实时采集超临界CO2循环工质的流量信息，从而获取超临界CO2循环工质的实时泄漏量，进而对调节阀9的开度进行调控。具体来说，调节阀9的开度控制器获得的实时泄漏量即为超临界CO2循环的补气需求量，开度控制器内可预置有循环补气需求量与引射器7的工作曲线，如图2所示；通过对比补气需求量与引射器7的工作曲线，计算出引射器7所需的工作介质流量，并向调节阀9发出相应的控制信号来控制阀门开度，调节阀9调节精度要求不小于1％，动作时间不超过2秒。
进一步地，开度控制器可以根据实时泄漏量的变化趋势，结合历史流量变化数据、泄漏数据、信号数据、阀门开度数据等进行大数据对比分析，实现对未来一段时间内泄漏量变化的预测，采用预测控制方法提前对阀门的开度变化进行调节，输出具有提前量的动作信号，进一步加快补气系统对泄漏量的响应速度，比常规反馈控制方法更具实时性和有效性。
超临界CO2循环工质的泄漏量一般为系统循环流量的0.5％-5％，大于5％后密封装置就需更换；如图2所示，引射器7的工作介质的流量，即调节阀9的出口流量约为系统循环流量，即压缩机1的出口流量的0.8％-2％之间。通过调节阀9对从压缩机1出口流出的高压超临界CO2循环工质在进入回热器2前进行分流，其中大于98％的高压超临界CO2循环工质依然进入回热器2，剩余不足2％的高压超临界CO2循环工质将经调节阀9分流，作为高压的工作流体进入引射器7。
本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，二氧化碳储气装置可以包括储气罐12和减压阀13，储气罐12出口通过减压阀13与引射器7的低压引流入口连接。储气罐12可以包括多个并联的CO2气瓶，通过减压阀13形成相对稳定的输出压力，保证引射器7工作区间的稳定性。减压阀13的出口端压力可以设置保持在1MPa-3MPa，作为引射器7的被引射CO2。引射器7内工作介质压力超过20MPa，超临界CO2循环工质在引射器7中会急剧膨胀加速，相对常规气体引射器7将进一步增强引射效果；在降压加速时密度会发生剧烈降低，增强引射器7混合管流速和引射效果，被引射的低压CO2在引射气流的剪切作用下，继续与引射气流发生动量、能量的交换，在扩张段内升压减速作用也更明显，有利于混合后气体压力的升高至循环系统最低运行压力以上。现有常规方案中，气瓶内的CO2压力低于5MPa后无法利用，本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，气瓶内CO2可用压力能够降低至1MPa，CO2利用率可提升200％以上，不仅节省大量CO2补气成本，更极大地减少了气瓶的更换频率，更容易实现部分气瓶在线更换。
本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，压缩机1对入口CO2的温度和压力参数较为敏感，可以在压缩机1前设置稳压罐14，稳压罐14的入口与冷却器5的出口连接，稳压罐14的出口与压缩机1入口连接，使补气后的循环工质在冷却器5内冷却到额定温度，并经过稳压罐14对压力波动进行过滤后，再进入压缩机1。
由以上实施例可以看出，本发明提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，在循环中采用引射器7取代原有的高压制冷液化器、液体增压泵、电加热器等设备，大幅简化了补气系统，有效减少了旋转部件或耗功部件，系统长期运行具有良好的可靠性和经济性，引射器7的高压射流入口与压缩机1的出口连接，引射器7的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，将压缩机1出口的部分高压工质作为工作流体，将被补充的低压CO2作为被引射工质，实现对超临界CO2循环的实时快速响应补气，简单实用，并克服了间歇性补气方案导致的循环系统流量实时大幅波动问题；引射器7的出口与冷却器5的入口连接，由于补充气体的温度相对较低，在冷却器5前进行补气还可以适当降低冷却器5热负荷，减少冷却水消耗。进一步地，本发明实施例提供的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，还可以包括有渐缩渐扩管8，根据伯努利效应，流过渐缩渐扩管8的气流在窄喉处压力降低，进而将引射器7的出口与渐缩渐扩管8窄喉段开设的喉口连接，可以有效降低引射器7的出口背压，利于增大引射比、减少工作流体的需求量。进一步地，本发明通过在引射器7前设置调节阀9，并采用预测控制方法对调节阀9开度进行调节，加快补气系统对泄漏量的响应速度，更具实时性和有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括压缩机、回热器、热源、透平机和冷却器，所述回热器包括预热侧和回热侧，所述压缩机、所述预热侧、所述热源、所述透平机、所述回热侧和所述冷却器依次连接，其特征在于，还包括引射器，所述引射器的高压射流入口与所述压缩机的出口连接，所述引射器的低压引流入口与二氧化碳储气装置连接，所述引射器的出口与所述冷却器的入口连接。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括渐缩渐扩管，所述渐缩渐扩管的入口与所述回热器的回热出口连接，所述渐缩渐扩管的出口与所述冷却器的入口连接；
所述渐缩渐扩管包括沿气流方向依次设置的渐缩段、窄喉段和渐扩段，所述窄喉段设有喉口，所述引射器的出口与所述喉口连接。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括调节阀，所述调节阀的入口与所述压缩机的出口连接，所述调节阀的出口与所述引射器的高压射流入口连接。
4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计安装于所述冷却器的出口与所述压缩机的进口之间，所述第二流量计安装于所述回热器的回热出口与所述渐缩渐扩管的入口之间，所述第一流量计、所述第二流量计均和所述调节阀信号连接。
5.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述调节阀的出口流量为所述压缩机的出口流量的0.8％-2％。
6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括稳压罐，所述稳压罐的入口与所述冷却器的出口连接，所述稳压罐的出口与所述压缩机入口连接。
7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述二氧化碳储气装置包括储气罐和减压阀，所述储气罐出口通过减压阀与所述引射器的低压引流入口连接。
8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述减压阀的出口端压力为1MPa-3MPa。
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