CN112212216B - 一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统。该系统中设置有二氧化碳储存子系统、循环子系统、放气子系统和自动控制子系统。本发明先通过二氧化碳储存子系统向充装缓冲罐内充装入循环子系统所需要的二氧化碳充装量，然后再由充装缓冲罐把罐中的二氧化碳充入整个循环子系统，完成二氧化碳的充装。在循环子系统充装入二氧化碳后，通过预冷器、压缩机、加热器对循环子系统的运行工况进行预调节；达到稳定工况附近后，利用二氧化碳储存子系统和放气子系统对循环子系统进行微调节，最终实现稳定运行工况条件。本发明解决了用于超临界二氧化碳布雷顿循环中充装过程中防止干冰产生和堵塞、以及实现满足充装量和稳定运行调试的问题。

Description

一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统

技术领域

本发明属于能源发电技术领域，涉及一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是提高能源利用率的前沿技术，是实现能源绿色化发展的重要途径。相较于已应用较多的蒸汽朗肯循环和氦气布雷顿循环，在同等条件下超临界二氧化碳布雷顿循环具有更高的热效率，同时可减小压缩机、换热器和透平等部件的尺寸，使系统更加紧凑化和模块化建设。在超临界二氧化碳布雷顿循环系统调试过程中，从介质充装至运行工况达到设定参数是影响系统稳定运行的重要过程，其中，系统所需的二氧化碳充装量是重要的影响参数。由于二氧化碳性质的特殊性，在经过节流元件的节流膨胀效应可能会到干冰生成和堵塞的问题；同时，需要考虑如何控制达到运行条件的二氧化碳所需量、以及如何达到稳压运行工况的控制方法。为了确保循环系统的稳定运行和快速启动，并考虑充装过程中二氧化碳排放量的减少，对充装及稳定运行系统的合理设计具有重要意义。

由于超临界二氧化碳性质的特殊性，已有的其它气体充装系统不适用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统，并不具有很强的参考价值。在已公开专利中，目前未见有针对超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，需要考虑充装过程中干冰产生和堵塞问题、以及如何实现循环系统的快速启动至稳定运行条件的调试方法。

发明内容

本发明的目的是满足超临界二氧化碳布雷顿循环中充装二氧化碳所需量，同时便于实现完成循环的快速启动至稳定运行条件的调试过程，为此，本发明提供一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，该系统包括如下组成部分：

二氧化碳存储子系统，用于存储二氧化碳及向循环子系统提供二氧化碳来源，并在充装或补气时对二氧化碳进行预热和增压；

循环子系统，分别与二氧化碳存储子系统和放气子系统相连接，接受来自二氧化碳存储子系统的二氧化碳的充装，并通过自动控制子系统控制二氧化碳存储子系统的补气和放气子系统的放气，以实现循环子系统稳定持续的循环运行；

放气子系统，与循环子系统相连接，用于在循环子系统充装二氧化碳时将循环子系统抽真空，或者在循环子系统调节运行时，将循环子系统内的较多的二氧化碳排放掉；

自动控制子系统，用于对二氧化碳存储子系统、循环子系统、放气子系统进行自动控制，自动实现二氧化碳的充装或补气、循环子系统的稳定运行、放气子系统的抽真空和放气。

优选的，所述二氧化碳存储子系统包括沿着气体流向依次串接的低温储罐、低温往复泵和预热器；所述低温储罐的气相管线出口直接与循环子系统中的充装缓冲罐的气相进口相连接，所述低温储罐的液相管线出口依次通过低温往复泵和预热器与循环子系统中的充装缓冲罐的液相进口相连接；所述气相管线上设置有第一关断阀，所述液相管线上设置有第二关断阀，且第二关断阀设置为靠近充装缓冲罐的液相进口，所述预热器与第二关断阀之间的出口管线上还设置有压力传感器、温度传感器和流量计。

进一步优选的，所述低温储罐与充装缓冲罐之间的进口管线为气相管线，所述预热器与充装缓冲罐之间的出口管线为液相管线；所述自动控制子系统通过二氧化碳存储子系统中的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节低温往复泵、预热器的运行，并控制二氧化碳储存子系统的二氧化碳输出压力和温度。

优选的，所述循环子系统包括充装缓冲罐，所述充装缓冲罐的循环端出口与循环端进口之间的循环管线上沿着气体流向依次设置有预冷器、压缩机、回热器、加热器、透平，所述充装缓冲罐的循环端进口与循环端出口处分别设置有第三关断阀和第四关断阀，所述预冷器和压缩机二者的进口侧以及加热器和透平二者的进出口侧分别设置有压力传感器、温度传感器，该循环管线上还设置有流量调节阀和至少一个流量计；所述循环管线上还设置有与所述放气子系统相连接的排气管线，所述排气管线和/或放气子系统中设置有关断阀。

进一步优选的，所述自动控制子系统通过设置于循环管线上的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节预冷器、压缩机、回热器、加热器、透平的运行，调节循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段的参数，实现能量到功的转换；

沿气体流向，所述低压低温段分布在回热器出口至压缩机进口之间，所述高压低温段分布在压缩机出口至加热器进口之间，所述高压高温段分布在加热器出口至透平进口之间，所述低压高温段分布在透平出口至回热器进口之间；

所述循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段上均设置有与所述放气子系统相连接的排气管线。

优选的，所述放气子系统包括预热过渡罐，所述预热过渡罐的进口与排气管线的出气侧相连，所述预热过渡罐上设置有两条出气管线即抽真空管线和放气管线，放气管线通过第七关断阀通向大气，抽真空管线上依次设置有真空泵和用于对循环子系统内的二氧化碳纯度进行测量的色谱仪，所述预热过渡罐和真空泵之间的抽真空管线上设置有第六关断阀，所述真空泵和色谱仪之间的抽真空管线通过第五关断阀通向大气；所述第五关断阀和第七关断阀的出气测均通过放气流量计直接通向大气。

优选的，所述自动控制子系统包括工控机、传感器、整个系统内的流量调节阀和关断阀的阀门控制器；工控机通过信号线分别连接至低温往复泵、预热器、预冷器、压缩机、加热器、透平、真空泵、各个阀门和传感器；工控机通过循环子系统中的流量计、温度传感器和压力传感器的反馈信号控制整个充装及调试系统中的关断阀的开闭、流量调节阀的调节、预热器和加热器的输入功率、预冷器的换热功率、低温反复泵、压缩机和真空泵的运行；

所述传感器包括设于二氧化碳储存子系统、循环子系统以及放气子系统上的流量计、温度和压力传感器；

所述关断阀包括二氧化碳储存子系统中的关断阀；循环子系统中的充装缓冲罐进出口的关断阀；放气子系统的预热过渡罐出口、真空泵进出口的关断阀；

所述流量调节阀包括设置于循环子系统的回热器低压侧出口管线上的流量调节阀。

优选的，该系统的充装流程如下：

S1.气体置换过程

打开所述循环子系统中的关断阀，并打开放气子系统的抽真空管线上的关断阀，保持所述二氧化碳存储子系统中的关断阀和放气子系统的放气管线上的关断阀处于关闭状态，通过真空泵对所述循环子系统进行抽真空；当所述循环子系统内达到设定真空度时，关闭放气子系统的抽真空管线上的关断阀和真空泵，打开二氧化碳存储子系统的气相管线上的第二关断阀，开始向所述循环子系统内充入二氧化碳；当循环子系统内的表压达到第一压力值时，关闭二氧化碳存储子系统的第二关断阀，停止充入二氧化碳；随后打开放气子系统的放气管线上的第七关断阀进行排气，当循环子系统压力降至大气压时，关闭第七关断阀并再次打开真空泵进行抽真空；

重复上述步骤的抽气和充气过程，循环2～5次，以达到二氧化碳纯度的要求；当二氧化碳纯度达到要求时，同时保持循环子系统内压力为第二压力值，且第二压力值大于第一压力值，关闭放气子系统中的真空泵和放气子系统中的关断阀，停止置换过程；

S2.充装过程

打开所述二氧化碳存储子系统中的液相管线上的第一关断阀，保持所述二氧化碳存储子系统中的气相管线上的第二关断阀和所述循环子系统中的关断阀处于关闭状态，由所述低温储罐的液相出口输出液相二氧化碳，启动低温往复泵和预热器对低温储罐输出的二氧化碳进行增压和升温，达到设定的压力值和温度值，通过第一关断阀注入充装缓冲罐；通过流量计和充装缓冲罐上的液位计确定充装缓冲罐内达到整个循环子系统所需的二氧化碳充装量后，关闭第一关断阀、低温往复泵和预热器，停止向充装缓冲罐内注入二氧化碳。打开充装缓冲罐的循环端进口与循环端出口处分别设置的第三关断阀和第四关断阀，将充装缓冲罐内的二氧化碳注入整个循环子系统即可。

优选的，该系统的调试流程如下：当循环子系统充装完二氧化碳以后，开启循环子系统中的预冷器、压缩机、加热器、透平，按照设定循环工况，并根据循环回路上的流量计、压力传感器和温度传感器的测量值，对整个循环子系统的工况进行调节；当循环子系统运行工况将要达到预定工况时，由工控机根据整个循环系统的测量参数判断是否需要对循环系统进行补气或放气；当需要补气时，通过二氧化碳储存子系统，按照设定补气的压力和温度，对循环子系统进行补气；当需要放气时，通过放气子系统，按照需要放气量进行放气；通过自动控制子系统对循环子系统的运行工况参数的不断调节，最终达到设定循环条件。

优选的，所述低压低温段的运行工况为(7～8MPa，30～200℃)、高压低温段的运行工况为(23～24MPa，30～200℃)、高压高温段的运行工况为(23～24MPa，400～600℃)、低压高温段的运行工况为(7～8MPa，300～400℃)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明针对超临界二氧化碳布雷顿循环回路中存在的低压低温段(7～8MPa，30～200℃)、高压低温段(23～24MPa，30～200℃)、高压高温段(23～24MPa，400～600℃)、低压高温段(7～8MPa，300～400℃)运行工况，以及循环回路的复杂性，采用充装缓冲罐作为二氧化碳充装过程的过渡阶段、与二氧化碳储存子系统和放气子系统相结合的循环子系统稳定运行调节方式，既能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环中充装二氧化碳所需量，同时也便于实现完成循环的快速启动至稳定运行条件的调试过程，从而最终实现了本发明的目的。

2)二氧化碳储存子系统分别通过气相管线对循环系统进行预增压、通过低温往复泵和预热器对液相管线的二氧化碳进行预热和增压，以避免循环子系统发生干冰堵塞。本发明先通过二氧化碳储存子系统向充装缓冲罐内充装入整个循环子系统所需要的二氧化碳充装量，作为充装过程的过渡阶段，然后再由充装缓冲罐把罐中的二氧化碳充入整个循环子系统，完成二氧化碳的充装。

在循环子系统充装入二氧化碳后，通过预冷器、压缩机、加热器对循环子系统的运行工况进行预调节；达到稳定工况附近后，利用二氧化碳储存子系统和放气子系统对循环子系统进行微调节，最终实现稳定运行工况条件。

3)本发明解决了用于超临界二氧化碳布雷顿循环中充装过程中防止干冰产生和堵塞、以及实现满足充装量和稳定运行调试的问题，并且提供了一种二氧化碳储存子系统、循环子系统与放气子系统相结合的控制系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：

1、低温储罐；2、低温往复泵；3、预热器；4、缓冲罐；5、压缩机；6、预冷器；7、透平；8、加热器；9、回热器；10、过渡罐；11、真空泵；12、色谱仪；13工控机；

XV1、第一关断阀；XV2、第二关断阀；XV3、第三关断阀；XV4、第四关断阀；XV5、第五关断阀；XV6、第六关断阀；XV7、第七关断阀；

FV1、调节阀；

P、流量计；T、温度传感器；P、压力传感器。

注：其它附属阀门和仪表在本发明中未体现。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，本发明所阐述的超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统包括：二氧化碳存储子系统、循环子系统、放气子系统、自动控制子系统。二氧化碳存储子系统由低温储罐、低温往复泵、预热器、气相管线、液相管线、关断阀、压力和传感器、流量计组成；循环子系统由缓冲罐、预冷器、压缩机、回热器、加热器、透平、流量调节阀、关断阀、压力和温度传感器、流量计、以及至排气系统的管线组成；放气子系统由过渡罐、真空泵、色谱仪、关断阀和流量计组成；自动控制子系统由工控机、整个系统内的流量调节阀、关断阀和传感器、以及连接低温往复泵、预热器、预冷器、压缩机、加热器、透平、真空泵、各个阀门和传感器的信号线路组成。

下面结合附图对本发明各个子系统的结构进行详细的说明。

1.二氧化碳存储子系统

二氧化碳存储子系统，用于存储二氧化碳及向循环子系统提供二氧化碳来源，并在充装或补气时对二氧化碳进行预热和增压。

如图1所示，所述二氧化碳存储子系统包括沿着气体流向依次串接的低温储罐1、低温往复泵2和预热器3；所述低温储罐1的气相管线出口直接与循环子系统中的充装缓冲罐4的气相进口相连接，所述低温储罐1的液相管线出口依次通过低温往复泵2和预热器3与循环子系统中的充装缓冲罐4的液相进口相连接；所述气相管线上设置有第一关断阀XV1，所述液相管线上设置有第二关断阀XV2，且第二关断阀XV2设置为靠近充装缓冲罐4的液相进口，所述预热器3与第二关断阀XV2之间的出口管线上还设置有压力传感器、第一温度传感器和流量计。

所述低温储罐1与充装缓冲罐4之间的进口管线为气相管线，所述预热器3与充装缓冲罐4之间的出口管线为液相管线；所述自动控制子系统通过二氧化碳存储子系统中的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节低温往复泵2、预热器3的运行，并控制二氧化碳储存子系统的二氧化碳输出压力和温度。

具体说来，低温储罐1底部的液相出口连接至低温反复泵2的进口，低温反复泵2的出口连接至预热器3的进口，预热器3的出口经过流量计连接至第一关断阀XV1进口，第一关断阀XV1出口连接至循环子系统的充装缓冲罐4的液相进口；低温储罐1顶部的气相出口通过气相管线连接至第二关断阀XV2进口，第二关断阀XV2出口连接至循环子系统的充装缓冲罐4的气相进口；自动控制子系统通过液相管线上的低温往复泵2、预热器3、压力传感器P和温度传感器T控制二氧化碳储存子系统的二氧化碳输出压力和温度，其中低温往复泵2和预热器3用于对液相管线的二氧化碳进行预热和增压，以避免循环子系统发生干冰堵塞。二氧化碳存储子系统中的流量计F用于测量二氧化碳的流量，确保达到二氧化碳的充装量。

2.循环子系统

循环子系统，分别与二氧化碳存储子系统和放气子系统相连接，接受来自二氧化碳存储子系统的二氧化碳的充装，并通过自动控制子系统控制二氧化碳存储子系统的补气和放气子系统的放气，以实现循环子系统稳定持续的循环运行。

如图1所示，所述循环子系统包括充装缓冲罐4，所述充装缓冲罐4的循环端出口与循环端进口之间的循环管线上沿着气体流向依次设置有预冷器6、压缩机5、回热器9、加热器8、透平7，所述充装缓冲罐4的循环端进口与循环端出口处分别设置有第三关断阀XV3和第四关断阀XV4，所述预冷器6和压缩机5二者的进口侧以及加热器8和透平7二者的进出口侧分别设置有压力传感器、温度传感器，该循环管线上还设置有流量调节阀FV1和五个流量计；所述循环管线上还设置有与所述放气子系统相连接的排气管线，所述排气管线和/或放气子系统中设置有关断阀。

所述自动控制子系统通过设置于循环管线上的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节预冷器6、压缩机5、回热器9、加热器8、透平7的运行，调节循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段的参数，实现能量到功的转换；

沿气体流向，所述低压低温段分布在回热器9出口至压缩机5进口之间，所述高压低温段分布在压缩机5出口至加热器8进口之间，所述高压高温段分布在加热器8出口至透平7进口之间，所述低压高温段分布在透平7出口至回热器9进口之间；

所述循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段上均设置有与所述放气子系统相连接的排气管线。

本实施例中的所述低压低温段的运行工况为(7～8MPa，30～200℃)、高压低温段的运行工况为(23～24MPa，30～200℃)、高压高温段的运行工况为(23～24MPa，400～600℃)、低压高温段的运行工况为(7～8MPa，300～400℃)。

具体的，如图1所示，在循环子系统内，充装缓冲罐4的循环端出口连接至第四关断阀XV4进口，第四关断阀XV4出口经过压力、温度传感器和流量计连接至预冷器6进口，预冷器6出口经压力和温度传感器连接至压缩机5进口，压缩机5出口经压力、温度传感器和流量计连接至回热器9高压侧进口，回热器9高压侧出口经压力、温度传感器和流量计连接至加热器8进口，加热器8出口经压力和温度传感器连接至透平7进口，透平7出口经压力、温度传感器和流量计连接至回热器9低压侧进口，回热器9低压侧出口经压力、温度传感器连接至流量调节阀FV1进口、流量调节阀FV1出口经压力、温度传感器和流量计连接至第三关断阀XV3进口，第三关断阀XV3出口连接至充装缓冲罐4的循环端进口，形成整个循环过程。

充装缓冲罐4用于二氧化碳充装过程中的过渡阶段，降低循环子系统的压力波动，保证循环子系统平稳，充装缓冲罐4并安装有液位计、压力表、温度传感器等仪表。预冷器6用于将进入压缩机5前的二氧化碳温度降至运行工况附近。压缩机5用于实现二氧化碳的增压，属于循环子系统的动力设备。回热器9用于透平7做功后的乏气余热对压缩机5加压后的二氧化碳进行预热升温。加热器8用于二氧化碳经压缩机5升压和回热器9升温后进一步提高温度。透平7用于对高压高温超临界二氧化碳进行减压和减温，将能量转变为机械功。流量调节阀FV1用于对循环流量进行微调。第三关断阀XV3和第四关断阀XV4用于充装缓冲罐4进出口的开闭。压力传感器P、温度传感器T和流量计F用于测量循环回路管线上的压力、温度和流量参数。排气管线连接至放气子系统，排气管线分别安装在循环子系统的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段；用于循环子系统的气体置换过程以及放气过程。

3.放气子系统

放气子系统，与循环子系统相连接，用于在循环子系统充装二氧化碳时将循环子系统抽真空，或者在循环子系统调节运行时，将循环子系统内的较多的二氧化碳排放掉。

具体的，如图1所示，所述放气子系统包括预热过渡罐10，所述预热过渡罐10的进口与排气管线的出气侧相连，所述预热过渡罐10上设置有两条出气管线即抽真空管线和放气管线，放气管线通过第七关断阀XV7通向大气，抽真空管线上依次设置有真空泵11和用于对循环子系统内的二氧化碳纯度进行测量的色谱仪12，所述预热过渡罐10和真空泵11之间的抽真空管线上设置有第六关断阀XV6，所述真空泵11和色谱仪12之间的抽真空管线通过第五关断阀XV5通向大气；所述第五关断阀XV5和第七关断阀XV7的出气测均通过放气流量计直接通向大气。

预热过渡罐10用于二氧化碳排入大气前的预热，真空泵11用于对循环子系统的抽真空过程，色谱仪12用于对循环子系统内的二氧化碳纯度的测量。

4.自动控制子系统

自动控制子系统，用于对二氧化碳存储子系统、循环子系统、放气子系统进行自动控制，自动实现二氧化碳的充装或补气、循环子系统的稳定运行、放气子系统的抽真空和放气。

所述自动控制子系统包括工控机、传感器、整个系统内的流量调节阀和关断阀的阀门控制器；工控机通过信号线分别连接至低温往复泵2、预热器3、预冷器6、压缩机5、加热器8、透平7、真空泵11、各个阀门和传感器；工控机通过循环子系统中的流量计、温度传感器和压力传感器的反馈信号控制整个充装及调试系统中的关断阀的开闭、流量调节阀的调节、预热器3和加热器8的输入功率、预冷器6的换热功率、低温反复泵2、压缩机5和真空泵11的运行；

所述传感器包括设于二氧化碳储存子系统、循环子系统以及放气子系统上的流量计、温度和压力传感器；

所述关断阀包括二氧化碳储存子系统中的关断阀；循环子系统中的充装缓冲罐4进出口的关断阀；放气子系统的预热过渡罐10出口、真空泵11进出口的关断阀；

所述流量调节阀包括设置于循环子系统的回热器低压侧出口管线上的流量调节阀。

本发明的工作过程

下面对本发明的工艺流程进行详细说明：

S1.气体置换过程

打开所述循环子系统中的第三关断阀XV3和第四关断阀XV4，并打开放气子系统的抽真空管线上的第六关断阀XV6和第五关断阀XV5，保持所述二氧化碳存储子系统中的第一关断阀XV1和第二关断阀XV2以及放气子系统的放气管线上的第七关断阀XV7处于关闭状态，通过真空泵11对所述循环子系统进行抽真空；当所述循环子系统内达到设定真空度时，关闭放气子系统的抽真空管线上的第六关断阀XV6、第五关断阀XV5和真空泵11，打开二氧化碳存储子系统的气相管线上的第二关断阀XV2，开始向所述循环子系统内充入二氧化碳；当循环子系统内的表压达到第一压力值0.2MPa时，关闭二氧化碳存储子系统的第二关断阀XV2，停止充入二氧化碳；随后打开放气子系统的放气管线上的第七关断阀XV7进行排气，当循环子系统压力降至大气压时，关闭第七关断阀XV7并再次打开真空泵11进行抽真空；

在上述过程中，二氧化碳储存子系统通过气相管线对循环子系统进行预增压。

重复上述步骤的抽气和充气过程，循环2～5次，以达到二氧化碳纯度的要求；当二氧化碳纯度达到要求时，同时保持循环子系统内压力为第二压力值1MPa，关闭放气子系统中的真空泵11和放气子系统中的第六关断阀XV6、第五关断阀XV5和第七关断阀XV7，停止置换过程；

S2.充装过程

打开所述二氧化碳存储子系统中的液相管线上的第一关断阀XV1，保持所述二氧化碳存储子系统中的气相管线上的第二关断阀XV2和所述循环子系统中的第三关断阀XV3和第四关断阀XV4处于关闭状态，由所述低温储罐1的液相出口输出液相二氧化碳，启动低温往复泵2和预热器3对低温储罐1输出的二氧化碳进行增压和升温，达到设定的压力值和温度值，通过第一关断阀XV1注入充装缓冲罐4；通过二氧化碳存储子系统中的流量计和充装缓冲罐4上的液位计确定充装缓冲罐4内达到整个循环子系统所需的二氧化碳充装量后，关闭第一关断阀XV1、低温往复泵2和预热器3，停止向充装缓冲罐4内注入二氧化碳。打开充装缓冲罐4的循环端进口与循环端出口处分别设置的第三关断阀XV3和第四关断阀XV4，将充装缓冲罐4内的二氧化碳注入整个循环子系统即可。

在上述过程中，二氧化碳储存子系统通过低温往复泵2和预热器3对液相管线的二氧化碳进行预热和增压，以避免充装时循环子系统发生干冰堵塞。

S3调试流程

当循环子系统充装完二氧化碳以后，开启循环子系统中的预冷器6、压缩机5、加热器8、透平7，按照设定循环工况，并根据循环回路上的流量计、压力传感器和温度传感器的测量值，对整个循环子系统的工况进行调节。

当循环子系统运行工况将要达到预定工况时，由工控机根据整个循环子系统的测量参数判断是否需要对循环子系统进行补气或放气；当需要补气时，通过二氧化碳储存子系统，按照设定补气的压力和温度，启动低温往复泵2和预热器3，并打开第一关断阀XV1对循环子系统进行补气；当需要放气时，通过打开放气子系统中的放气管线上的第七关断阀XV7，按照需要放气量进行放气；通过自动控制子系统对循环子系统的运行工况参数的不断调节，最终达到设定循环条件。

当然，在对循环子系统进行调试流程时，二氧化碳储存子系统和放气子系统中的相应的关断阀只是根据需要打开，不需要打开的关断阀仍然保持关闭状态。

本发明针对超临界二氧化碳布雷顿循环多工况段的运行条件，通过缓冲罐过渡充装、运行工况预调节，结合储存系统及放气系统的微调节，来降低充装程中的干冰堵塞风险，以实现满足充装量和稳定运行调试过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，该系统包括如下组成部分：

二氧化碳存储子系统，用于存储二氧化碳及向循环子系统提供二氧化碳来源，并在充装或补气时对二氧化碳进行预热和增压；

循环子系统，分别与二氧化碳存储子系统和放气子系统相连接，接受来自二氧化碳存储子系统的二氧化碳的充装，并通过自动控制子系统控制二氧化碳存储子系统的补气和放气子系统的放气，以实现循环子系统稳定持续的循环运行；

放气子系统，与循环子系统相连接，用于在循环子系统充装二氧化碳时将循环子系统抽真空，或者在循环子系统调节运行时，将循环子系统内的较多的二氧化碳排放掉；

自动控制子系统，用于对二氧化碳存储子系统、循环子系统、放气子系统进行自动控制，自动实现二氧化碳的充装或补气、循环子系统的稳定运行、放气子系统的抽真空和放气；

所述二氧化碳存储子系统包括沿着气体流向依次串接的低温储罐（1）、低温往复泵（2）和预热器（3）；所述低温储罐（1）的气相管线出口直接与循环子系统中的充装缓冲罐（4）的气相进口相连接，所述低温储罐（1）的液相管线出口依次通过低温往复泵（2）和预热器（3）与循环子系统中的充装缓冲罐（4）的液相进口相连接；所述气相管线上设置有第一关断阀（XV1），所述液相管线上设置有第二关断阀（XV2），且第二关断阀（XV2）设置为靠近充装缓冲罐（4）的液相进口，所述预热器（3）与第二关断阀（XV2）之间的出口管线上还设置有压力传感器、温度传感器和流量计。

2.根据权利要求1所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述低温储罐（1）与充装缓冲罐（4）之间的进口管线为气相管线，所述预热器（3）与充装缓冲罐（4）之间的出口管线为液相管线；所述自动控制子系统通过二氧化碳存储子系统中的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节低温往复泵（2）、预热器（3）的运行，并控制二氧化碳储存子系统的二氧化碳输出压力和温度。

3.根据权利要求2所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述循环子系统包括充装缓冲罐（4），所述充装缓冲罐（4）的循环端出口与循环端进口之间的循环管线上沿着气体流向依次设置有预冷器（6）、压缩机（5）、回热器（9）、加热器（8）、透平（7），所述充装缓冲罐（4）的循环端进口与循环端出口处分别设置有第三关断阀（XV3）和第四关断阀（XV4），所述预冷器（6）和压缩机（5）二者的进口侧以及加热器（8）和透平（7）二者的进出口侧分别设置有压力传感器、温度传感器，该循环管线上还设置有流量调节阀（FV1）和至少一个流量计；

所述循环管线上还设置有与所述放气子系统相连接的排气管线，所述排气管线和/或放气子系统中设置有关断阀。

4.根据权利要求3所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述自动控制子系统通过设置于循环管线上的压力传感器、温度传感器和流量计的测量值来调节预冷器（6）、压缩机（5）、回热器（9）、加热器（8）、透平（7）的运行，调节循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段的参数，实现能量到功的转换；

沿气体流向，所述低压低温段分布在回热器（9）出口至压缩机（5）进口之间，所述高压低温段分布在压缩机（5）出口至加热器（8）进口之间，所述高压高温段分布在加热器（8）出口至透平（7）进口之间，所述低压高温段分布在透平（7）出口至回热器（9）进口之间；

所述循环管线上的低压低温段、高压低温段、高压高温段、低压高温段上均设置有与所述放气子系统相连接的排气管线。

5.根据权利要求4所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述放气子系统包括预热过渡罐（10），所述预热过渡罐（10）的进口与排气管线的出气侧相连，所述预热过渡罐（10）上设置有两条出气管线即抽真空管线和放气管线，放气管线通过第七关断阀（XV7）通向大气，抽真空管线上依次设置有真空泵（11）和用于对循环子系统内的二氧化碳纯度进行测量的色谱仪（12），所述预热过渡罐（10）和真空泵（11）之间的抽真空管线上设置有第六关断阀（XV6），所述真空泵（11）和色谱仪（12）之间的抽真空管线通过第五关断阀（XV5）通向大气；所述第五关断阀（XV5）和第七关断阀（XV7）的出气测均通过放气流量计直接通向大气。

6.根据权利要求5所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述自动控制子系统包括工控机、传感器、整个系统内的流量调节阀和关断阀的阀门控制器；工控机通过信号线分别连接至低温往复泵（2）、预热器（3）、预冷器（6）、压缩机（5）、加热器（8）、透平（7）、真空泵（11）、各个阀门和传感器；工控机通过循环子系统中的流量计、温度传感器和压力传感器的反馈信号控制整个充装及调试系统中的关断阀的开闭、流量调节阀的调节、预热器（3）和加热器（8）的输入功率、预冷器（6）的换热功率、低温反复泵（2）、压缩机（5）和真空泵（11）的运行；

所述传感器包括设于二氧化碳储存子系统、循环子系统以及放气子系统上的流量计、温度和压力传感器；

所述关断阀包括二氧化碳储存子系统中的关断阀；循环子系统中的充装缓冲罐（4）进出口的关断阀；放气子系统的预热过渡罐（10）出口、真空泵（11）进出口的关断阀；

所述流量调节阀包括设置于循环子系统的回热器低压侧出口管线上的流量调节阀。

7.根据权利要求6所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，该系统的充装流程如下：

S1.气体置换过程

打开所述循环子系统中的关断阀，并打开放气子系统的抽真空管线上的关断阀，保持所述二氧化碳存储子系统中的关断阀和放气子系统的放气管线上的关断阀处于关闭状态，通过真空泵（11）对所述循环子系统进行抽真空；当所述循环子系统内达到设定真空度时，关闭放气子系统的抽真空管线上的关断阀和真空泵（11），打开二氧化碳存储子系统的气相管线上的第二关断阀（XV2），开始向所述循环子系统内充入二氧化碳；当循环子系统内的表压达到第一压力值时，关闭二氧化碳存储子系统的第二关断阀（XV2），停止充入二氧化碳；随后打开放气子系统的放气管线上的第七关断阀（XV7）进行排气，当循环子系统压力降至大气压时，关闭第七关断阀（XV7）并再次打开真空泵（11）进行抽真空；

重复上述步骤的抽气和充气过程，循环2～5次，以达到二氧化碳纯度的要求；当二氧化碳纯度达到要求时，同时保持循环子系统内压力为第二压力值，且第二压力值大于第一压力值，关闭放气子系统中的真空泵（11）和放气子系统中的关断阀，停止置换过程；

S2.充装过程

打开所述二氧化碳存储子系统中的液相管线上的第一关断阀（XV1），保持所述二氧化碳存储子系统中的气相管线上的第二关断阀（XV2）和所述循环子系统中的关断阀处于关闭状态，由所述低温储罐（1）的液相出口输出液相二氧化碳，启动低温往复泵（2）和预热器（3）对低温储罐（1）输出的二氧化碳进行增压和升温，达到设定的压力值和温度值，通过第一关断阀（XV1）注入充装缓冲罐（4）；通过流量计和充装缓冲罐（4）上的液位计确定充装缓冲罐（4）内达到整个循环子系统所需的二氧化碳充装量后，关闭第一关断阀（XV1）、低温往复泵（2）和预热器（3），停止向充装缓冲罐（4）内注入二氧化碳，打开充装缓冲罐（4）的循环端进口与循环端出口处分别设置的第三关断阀（XV3）和第四关断阀（XV4），将充装缓冲罐（4）内的二氧化碳注入整个循环子系统即可。

8.根据权利要求6或7所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，该系统的调试流程如下：当循环子系统充装完二氧化碳以后，开启循环子系统中的预冷器（6）、压缩机（5）、加热器（8）、透平（7），按照设定循环工况，并根据循环回路上的流量计、压力传感器和温度传感器的测量值，对整个循环子系统的工况进行调节；当循环子系统运行工况将要达到预定工况时，由工控机根据整个循环系统的测量参数判断是否需要对循环系统进行补气或放气；当需要补气时，通过二氧化碳储存子系统，按照设定补气的压力和温度，对循环子系统进行补气；当需要放气时，通过放气子系统，按照需要放气量进行放气；通过自动控制子系统对循环子系统的运行工况参数的不断调节，最终达到设定循环条件。

9.根据权利要求4所述的一种用于超临界二氧化碳布雷顿循环的充装及调试系统，其特征在于，所述低压低温段的运行工况为7～8MPa，30～200℃；高压低温段的运行工况为23～24MPa，30～200℃；高压高温段的运行工况为23～24MPa，400～600℃；低压高温段的运行工况为7～8MPa，300～400℃。

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