CN111749739A - 超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及发电技术领域，尤其是涉及一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法，本系统包括第一热交换路径、第二热交换路径、第一压缩路径、第二压缩路径、吸热路径、做功输出路径及回热路径，第一压缩路径与第二压缩路径并联设置并形成有同一输入端，且第一压缩路径经由回热路径与第二压缩路径相汇合并形成有同一输出端；第一热交换路径的输出端与同一输入端相连通，同一输出端与第二热交换路径的输入端相连通；第二热交换路径的输出端、吸热路径及做功输出路径的输入端顺次相连通；做功输出路径的输出端与第一热交换路径的输入端相连通，做功输出路径设置透平，其出口端与换热路径之间形成有设置透平旁路阀的流通旁路。

Description

超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法

技术领域

本申请涉及发电技术领域，尤其是涉及一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法。

背景技术

目前，超临界二氧化碳布雷顿循环作为一种前沿的发电技术，在火电、核电、船舰动力以及太阳能发电等领域具有广阔的工程应用前景，但以超临界二氧化碳为工质的发电系统设计中主要存在以下关键问题：由于闭式循环的缘故，旋转机械的流量、转速、压力通常存在耦合关系，因此很难调节单个部件的运行状态，增加了系统变工况下各旋转部件匹配运行的复杂性，即现有的超临界二氧化碳布雷顿循环系统无法快速针对负荷变化的工况进行自我调整。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法，在一定程度上解决了现有技术中存在的超临界二氧化碳布雷顿循环系统无法快速针对负荷变化的工况进行自我调整的技术问题。

本申请提供了一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，包括：换热路径、第一压缩路径、第二压缩路径、吸热路径、做功输出路径以及回热路径；其中，所述换热路径包括第一热交换路径和第二热交换路径；所述第一压缩路径与所述第二压缩路径并联设置并形成有同一输入端，且所述第一压缩路径经由所述回热路径与所述第二压缩路径相汇合并形成有同一输出端；

所述第一热交换路径的输出端与所述同一输入端相连通，所述同一输出端与所述第二热交换路径的输入端相连通；所述第二热交换路径的输出端、所述吸热路径以及所述做功输出路径的输入端顺次相连通；所述做功输出路径的输出端与所述第一热交换路径的输入端相连通；

所述做功输出路径设置有透平，所述透平的出口端与所述换热路径之间形成有流通旁路，且所述流通旁路设置有透平旁路阀。

在上述技术方案中，进一步地，所述吸热路径设置有加热器，所述加热器的出口端与所述透平的进口端之间设置有透平节流阀。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述换热路径、所述第一压缩路径、所述第二压缩路径、所述吸热路径、所述做功输出路径以及所述回热路径中的任意一者通过补充调节阀连通于外界气源。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一压缩路径通过所述补充调节阀连通于所述外界气源。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一压缩路径设置有主压缩机，在所述主压缩机的进口端与出口端之间并联有第一防喘控制阀。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一压缩路径设置有冷却器，且沿着介质的流通方向，所述冷却器设置于所述主压缩机的上游；

在所述冷却器的入口端以及所述主压缩机的出口端并联设置有流量调节装置。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述流量调节装置包括顺次相连通的进口调节阀、储存设备以及出口调节阀，且所述进口调节阀还与所述主压缩机的出口端相连通，所述出口调节阀还与所述冷却器的入口端相连通。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述第二压缩路径设置有分流调节阀以及再压缩机，且沿着介质的流通方向，所述分流调节阀设置于所述再压缩机的上游；在所述再压缩机的进口端与出口端之间并联有第二防喘控制阀。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述换热路径设置有高温回热器以及低温回热器；其中，所述高温回热器的低压输入端与所述透平的输出端相连通，所述高温回热器的低压输出端与所述低温回热器的低压输入端相连通，所述低温回热器的低压输出端与所述第一压缩路径以及所述第二压缩路径所共有的同一输入端相连通，以形成所述第一热交换路径；

所述第一压缩路径以及所述第二压缩路径所共有的同一输出端与所述高温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二热交换路径；

在所述高温回热器的进口端与出口端之间并联有高温回热器旁路调节阀。

本申请还提供了一种运行方法，应用于上述任一技术方案所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，包括如下步骤：

当所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统降低负荷运行时，各旋转部件转速不变，打开所述透平旁路阀并逐渐关小所述透平节流阀的阀口，使得一部分工质通过所述流通旁路流至所述透平的出口端并与其排气混合；当所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统升高负荷运行时，各旋转部件转速不变，关闭所述透平旁路阀并逐渐开大所述透平节流阀的阀口，使得工质不再经过所述流通旁路而直接流经所述透平，从而完成变工况控制。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统中，当变负荷时可以通过流通旁路控制进入透平内的流量实现功率变化，匹配实际发电需要，使得本系统的适用范围更广，此外，减小了变工况下系统各旋转部件匹配运行的复杂性，进而也降低了各旋转部件的故障率。

本申请提供的运行方法，应用于上述所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，因而，能够针对变负荷做出相应的调整，匹配实际发电需要，使得本系统的适用范围更广，此外，减小了变工况下系统各旋转部件匹配运行的复杂性，进而也降低了各旋转部件的故障率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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为本申请实施例提供的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的结构示意图。

附图标记：

1-加热器，2-透平，3-透平节流阀，4-透平旁路阀，5-主压缩机，6-第一防喘控制阀，7-进口调节阀，8-出口调节阀，9-储存设备，10-冷却器，11-冷却器旁路阀，12-补充调节阀，13-分流调节阀，14-第二防喘控制阀，15-发电机，16-离合器，17-高速电机，18-再压缩机，19-齿轮箱，20-低温回热器，21-高温回热器，22-高温回热器旁路调节阀，23-外界气源，100-第一热交换路径，200-第二热交换路径，300-回热路径，400-第一压缩路径，500-第二压缩路径，600-做功输出路径，700-吸热路径，800-同一输入端，900-同一输出端。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。

基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参照图1描述根据本申请一些实施例所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统及运行方法。

实施例一

参见图1所示，本申请的实施例提供了一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，包括：换热路径、第一压缩路径400、第二压缩路径500、吸热路径700、做功输出路径600以及回热路径300；其中，换热路径包括第一热交换路径100和第二热交换路径200；第一压缩路径400与第二压缩路径500并联设置并形成有同一输入端800，且第一压缩路径400经由回热路径300与第二压缩路径500相汇合并形成有同一输出端900；

第一热交换路径100的输出端与同一输入端800相连通，同一输出端900与第二热交换路径200的输入端相连通；第二热交换路径200的输出端、吸热路径700以及做功输出路径600的输入端顺次相连通；做功输出路径600的输出端与第一热交换路径100的输入端相连通；

做功输出路径600设置有透平2，透平2的出口端与换热路径之间形成有流通旁路，且流通旁路设置有透平旁路阀4；

吸热路径700设置有加热器1，加热器1的出口端与透平2的进口端之间设置有透平节流阀3。

当超临界二氧化碳再压缩循环发电系统降低负荷运行时，各旋转部件转速不变，打开透平旁路阀4的同时并逐渐关小透平节流阀3的阀口，使得一部分工质通过流通旁路流至透平2的出口端并与其排气混合；当超临界二氧化碳再压缩循环发电系统升高负荷运行时，各旋转部件转速不变，关闭透平旁路阀4的同时并逐渐增大透平节流阀3的阀口开度，使得工质不再经过流通旁路而直接流经透平2，并且逐渐增大进入透平2的工质的流量，从而完成变工况控制。

可见，变负荷时可以通过流通旁路控制进入透平2内的流量实现功率变化，匹配实际发电需要，使得本系统的适用范围更广，此外，减小了变工况下系统各旋转部件匹配运行的复杂性，进而也降低了各旋转部件的故障率。

关于超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的详细结构将在如下阐述：本超临界二氧化碳再压缩循环发电系统包括加热器1、透平2、透平节流阀3、透平旁路阀4、主压缩机5、第一防喘控制阀6、进口调节阀7、出口调节阀8、储存设备9、冷却器10、冷却器旁路阀11、补充调节阀12、分流调节阀13、第二防喘控制阀14、发电机15、离合器16、高速电机17、再压缩机18、齿轮箱19、低温回热器20、高温回热器21以及高温回热器旁路调节阀22，其中，在发电机15的一侧设置一个离合器16，高速电机17通过离合器16与发电机15相连，透平2与主压缩机5共轴后通过齿轮箱19与再压缩机18相连接在一起，共同形成透平2-压缩机-发电机15的轴系布置结构，由于采用这种布置方案有利于透平2、主压缩机5以及再压缩机18能够在各自合适的转速范围内运行，从而提升本系统的经济性，轴系布置方法不限于图1中包含的布置部分。

其中，高温回热器21的低压输入端与透平2相连通，高温回热器21的低压输出端与低温回热器20的低压输入端相连通，低温回热器20的低压输出端与第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输入端800相连通，以形成第一热交换路径100；

再压缩机18的输入端与第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输入端800相连通，再压缩机18的输出端与第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输出端900相连通，以形成第二压缩路径500；

主压缩机5的输入端经由冷却器10与第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输入端800相连通，主压缩机5的输出端与低温回热器20的高压输入端相连通，以形成第一压缩路径400；

低温回热器20的高压输出端以及再压缩机18的输出端通过管道汇合于第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输出端900，以形成回热路径300；

第一压缩路径400以及第二压缩路径500所共有的同一输出端900与高温回热器21的高压输入端相连通，以形成第二热交换路径200；

透平2形成做功输出路径600；

热源通过管道分别连接于第二热交换路径200的输出端即高温回热器21的高压输出端以及做功输出路径600的输入端即透平2的输入端，以形成吸热路径700。

循环中的工质从透平2的出口端排出后相继经过高温回热器21与低温回热器20放热，在低温回热器20的出口端分成两路，一路工质被再压缩机18(压至高压状态，另一路工质经过冷却器10冷却后被主压缩机5压缩，而后在低温回热器20中被加热并与前一路工质混合，然后在高温回热器21和加热器1中吸热，最后流入透平2做功，重复以上步骤，形成一个完整的再压缩发电循环。

在该实施例中，优选地，如图1所示，第一压缩路径400通过补充调节阀12连通于外界气源23，具体地，沿着介质的流通方向，第一压缩路径400的位于冷却器10的进口端前的路径通过补充调节阀12连通于外界气源23。

根据以上描述的结构可知，当系统存在局部泄漏工质损失时，可以通过补充调节阀12将外界的气体输送给系统，保持系统内部流量恒定。

此外，在启机阶段，工质从外界气源23通过补充调节阀12进入循环系统，离合器16闭合，高速电机17通过齿轮箱19带动轴系工作，加热器1随着透平2的转速与负荷的增加逐渐投入，当升至系统可以自持时离合器16脱开完成启动过程；而在正常工况或部分负荷时，离合器16保持脱开，透平2作为驱动轴系运行的动力来源。

当然，外界气源23还可通过补充调节阀12连通于换热路径、第二压缩路径500、吸热路径700、做功输出路径600以及回热路径300中的任意一者。

在该实施例中，优选地，如图1所示，第一压缩路径400设置有上述的主压缩机5，在主压缩机5的进口端与出口端之间并联有第一防喘控制阀6。

根据以上描述的结构可知，第一防喘控制阀6用于保证主压缩机5在启停或突发情况时不出现喘振现象，保证本系统使用过程中的安全性以及可靠性，此外，也有助于延长各旋转部件的使用寿命。

在该实施例中，优选地，如图1所示，第一压缩路径400设置有上述的冷却器10，且沿着介质的流通方向，冷却器10设置于主压缩机5的上游；

在冷却器10的入口端以及主压缩机5的出口端并联设置有流量调节装置；

进一步地，流量调节装置包括顺次相连通的第一控制阀、储存设备9以及第二控制阀，且第一控制阀还与主压缩机5的出口端相连通，第二控制阀还与冷却器10的入口端相连通。

在高温回热器21的进口端与出口端之间并联有高温回热器旁路调节阀22。

根据以上描述的结构可知，通过调节中间储蓄罐的进口调节阀7以及中间储蓄罐的出口调节阀8的开度，使工质流经储存设备9即流入或者流出储存设备9，并配合冷却器旁路阀11，保证主压缩机5的进口容积流量不变。

冷却器旁路阀11的设置主要是针对冷却器10的冷却介质受环境影响温度改变尤其指的是温度降低时，使得流经其的工质温度降低得过低，因而需要打开此冷却器旁路阀11，即使得一部分工质未经过冷却器10冷却即相对于经过冷却器10冷却的冷工质而言是热工质，冷、热工质在冷却器10的出口端以及主压缩机5的进口端上游处掺混，以保证工质的温度不变，由于系统的工质是二氧化碳等气体，温度会影响其密度，进而会影响容积流量，因而工质的温度、质量流量不变，其容积流量对应的也不会发生改变，即保证主压缩机5的进口容积流量不变。此处注意，温度是过程量，改变起来相对慢一些，通常来讲旁路掺混更快，但最好将两种手段相配合起来使用比较好。

此外，当加热器1的入口温度有特殊要求具体指要求入口温度不至于过高时，可以通过打开高温回热器旁路调节阀22，使一部分工质没有经过高温回热器21进行换热直接旁通到对应换热路径的出口处与经过高温回热器21的工质进行掺混，从而满足加热器1的入口温度的特殊要求。

其中，可选地，储存设备9为压力容器，其内部压力处于下述的主压缩机5的进、出口端压力范围之间，它能够在发电系统变工况运行时提供一路分流通道，也可以作为发电系统循环中超临界二氧化碳工质的外部输入或者是作为储存装置使用。

在该实施例中，优选地，如图1所示，第二压缩路径500设置有分流调节阀13以及再压缩机18，且沿着介质的流通方向，分流调节阀13设置于再压缩机18的上游；在再压缩机18的进口端与出口端之间并联有第二防喘控制阀14。

根据以上描述的结构可知，第二防喘控制阀14用于保证再压缩机18在启停或突发情况时不出现喘振现象，保证本系统使用过程中的安全性以及可靠性，此外，也有助于延长各旋转部件的使用寿命。

在该实施例中，优选地，轴系结构中所采用的止推轴承和支撑轴承为滚珠轴承、气体箔轴承、磁轴承、动压轴承、静压轴承以及油润滑轴承中的任意一种，用来确保轴系运行的安全稳定性；

透平2、主压缩机5以及在压缩机所采用的密封结构均为迷宫密封、碳环密封、干气密封中的任意一种，用来尽可能实现设备零漏气量的目标。

实施例二

本申请的实施例还提供一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的运行方法，应用于上述任一实施例的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，包括如下步骤(其中的标号参见实施例一)：

当超临界二氧化碳再压缩循环发电系统降低负荷运行时，各旋转部件转速不变，打开透平旁路阀4并逐渐关小透平节流阀3的阀口，使得一部分工质通过流通旁路流至透平2的出口端并与其排气混合；当超临界二氧化碳再压缩循环发电系统升高负荷运行时，各旋转部件转速不变，关闭透平旁路阀4并逐渐开大透平节流阀3的阀口，使得工质不再经过流通旁路而直接流经透平2，从而完成变工况控制。

变负荷时可以通过流通旁路控制进入透平2内的流量实现功率变化，匹配实际发电需要，使得本系统的适用范围更广，此外，减小了变工况下系统各旋转部件匹配运行的复杂性，进而也降低了各旋转部件的故障率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，包括：换热路径、第一压缩路径、第二压缩路径、吸热路径、做功输出路径以及回热路径；其中，所述换热路径包括第一热交换路径和第二热交换路径；所述第一压缩路径与所述第二压缩路径并联设置并形成有同一输入端，且所述第一压缩路径经由所述回热路径与所述第二压缩路径相汇合并形成有同一输出端；

所述第一热交换路径的输出端与所述同一输入端相连通，所述同一输出端与所述第二热交换路径的输入端相连通；所述第二热交换路径的输出端、所述吸热路径以及所述做功输出路径的输入端顺次相连通；所述做功输出路径的输出端与所述第一热交换路径的输入端相连通；

所述做功输出路径设置有透平，所述透平的出口端与所述换热路径之间形成有流通旁路，且所述流通旁路设置有透平旁路阀。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述吸热路径设置有加热器，所述加热器的出口端与所述透平的进口端之间设置有透平节流阀。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述换热路径、所述第一压缩路径、所述第二压缩路径、所述吸热路径、所述做功输出路径以及所述回热路径中的任意一者通过补充调节阀连通于外界气源。

4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述第一压缩路径通过所述补充调节阀连通于所述外界气源。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述第一压缩路径设置有主压缩机，在所述主压缩机的进口端与出口端之间并联有第一防喘控制阀。

6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述第一压缩路径设置有冷却器，且沿着介质的流通方向，所述冷却器设置于所述主压缩机的上游；

在所述冷却器的入口端以及所述主压缩机的出口端并联设置有流量调节装置。

7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述流量调节装置包括顺次相连通的进口调节阀、储存设备以及出口调节阀，且所述进口调节阀还与所述主压缩机的出口端相连通，所述出口调节阀还与所述冷却器的入口端相连通。

8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述第二压缩路径设置有分流调节阀以及再压缩机，且沿着介质的流通方向，所述分流调节阀设置于所述再压缩机的上游；在所述再压缩机的进口端与出口端之间并联有第二防喘控制阀。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，所述换热路径设置有高温回热器以及低温回热器；其中，所述高温回热器的低压输入端与所述透平的输出端相连通，所述高温回热器的低压输出端与所述低温回热器的低压输入端相连通，所述低温回热器的低压输出端与所述第一压缩路径以及所述第二压缩路径所共有的同一输入端相连通，以形成所述第一热交换路径；

所述第一压缩路径以及所述第二压缩路径所共有的同一输出端与所述高温回热器的高压输入端相连通，以形成所述第二热交换路径；

在所述高温回热器的进口端与出口端之间并联有高温回热器旁路调节阀。

10.一种超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的运行方法，应用于权利要求2所述的超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，其特征在于，包括如下步骤：

当所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统降低负荷运行时，各旋转部件转速不变，打开所述透平旁路阀并逐渐关小所述透平节流阀的阀口，使得一部分工质通过所述流通旁路流至所述透平的出口端并与其排气混合；当所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统升高负荷运行时，各旋转部件转速不变，关闭所述透平旁路阀并逐渐开大所述透平节流阀的阀口，使得工质不再经过所述流通旁路而直接流经所述透平，从而完成变工况控制。

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