CN112524824B - 一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提供一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，包括从左到右沿直线布置的主压缩机、驱动电机和驱动透平，主压缩机、驱动透平和驱动电机的转速相同，主压缩机和所述驱动电机通过转轴一连接，驱动透平上设置有转轴二，转轴一通过膜片连轴器与转轴二连接；主压缩机、驱动电机和驱动透平设置在承压壳体内，承压壳体内还设置有冷却腔。本发明专利提供的用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，针对高温的透平驱动进行降温，利用压缩机出口的高压低温工质，对透平气缸的局部部件进行冷却，一方面使透平的密封和轴承等部件所处环境处于温度范围之内，另一方面降低热量损耗，提高了系统整体效率。

Description

一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统
技术领域
本发明专利属于热力发电技术领域，具体说是涉及一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统。
背景技术
超临界二氧化碳热力循环技术是以超临界二氧化碳为工质，基于布雷顿循环原理形成的新型热力循环技术，具有高效率、系统简单、调节性能好等优点，是未来可以大规模替代当前蒸汽朗肯循环的新型发电技术，具有广阔的应用前景和市场价值。
超临界二氧化碳的涡轮系统具有低压比、小体积的特点。超临界二氧化碳压缩机可以采用透平驱动，透平的进气温度高，入口温度达到500℃以上，远高于干气密封、轴承等部件的工作温度。因此一般条件下需要在透平气缸的部分位置增加冷却结构。基于以上背景需求，本发明提出了一种超临界二氧化碳透平的局部自冷却结构。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，解决了如何针对高温的透平驱动进行降温的技术难题，利用压缩机出口的高压低温工质，对透平气缸的局部部件进行冷却，一方面使透平的密封和轴承等部件所处环境处于温度范围之内，另一方面降低热量损耗，提高系统整体效率。
一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，包括从左到右沿直线布置的主压缩机、驱动电机和驱动透平，所述主压缩机、所述驱动透平和所述驱动电机的转速相同，所述主压缩机和所述驱动电机通过转轴一连接，所述驱动透平上设置有转轴二，所述转轴一通过膜片连轴器与所述转轴二连接，两套轴承系统分别与所述转轴一和所述转轴二连接；
所述主压缩机、所述驱动电机和所述驱动透平设置在承压壳体内，所述承压壳体内还设置有冷却腔，所述冷却腔还连接有冷却控制单元。
所述冷却控制单元包括止回阀、冷却支路进口管线、冷却支路出口管线以及所述温度监测点，所述止回阀设置在压缩机出口位置。
所述冷却支路进口管线上游接自止回阀的上游，且管线上安装有流量调节阀一个，冷却支路进口管线下游进入冷却腔，可以使压缩机出口管线上的高压低二氧化碳进入冷却腔，所述止回阀上游连接所述主压缩机；
所述冷却支路出口管线一端连接冷却腔的出口，另一端连接所述止回阀的下游，将冷却腔出口的流体重新汇流至主管线，所述止回阀设置在主管线上。
所述冷却腔采用内螺旋管结构，且内置于承压壳体中，并与壳体一体成形。
所述冷却腔位于所述驱动透平和所述驱动电机的交界处，并靠近所述驱动透平的一侧，用以阻止从驱动透平过来的高温热流。
所述压缩机与所述驱动透平均运行在高压区间，所述驱动电机运行在低压区间，所述主压缩机与所述驱动透平的两侧各设置若干道密封结构，以保证不同腔室的压力平衡。
所述冷却腔对密封结构和所述轴承系统进行包络，靠近所述密封结构和所述轴承系统位置安装有温度监测点，用于监测这两个部件的温度。
所述止回阀的前后压差取冷却腔所在管线总体压降的1.5倍。
从冷却腔出来的被加热流体流经所述压缩机出口。
靠近所述密封结构和所述轴承系统位置安装的温度监测点与所述流量调节阀构成自动温度控制单元。当温度监测点监测到温度上升时，该温度控制单元自动调节流量调节阀开度，使进入冷却腔的二氧化碳流量增加，并维持在合理范围。
所述压缩机的转速与驱动透平入口温度采用同向变化运行方式，随着压缩机转速上升，驱动透平入口温度逐步上升。透平入口温度上升速率须低于压缩机转速上升允许速率，以确保在任一运行转速下，冷却腔内可以获得足够多的冷却流量。
本发明专利达成以下显著效果：
本发明提出一种超临界二氧化碳透平的局部自冷却结构，一方面使透平的密封和轴承等部件所处环境处于温度范围之内，另一方面降低热量损耗，提高系统整体效率。
附图说明
图1是本发明的集热器布置结构示意图。
图2是本发明实施例中局部自冷却结构的整体布局图。
其中，附图标记为：1、主压缩机；2、驱动电机；3、驱动透平；4、轴承；5、密封结构；6、承压壳体；7、冷却腔；8、压缩机入口；9、压缩机出口；10、止回阀；11、冷却支路进口管线；12、冷却支路出口管线；13、透平入口；14、透平出口。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图2，一种超临界二氧化碳透平的局部自冷却结构，主要包括主压缩机1、驱动电机2、驱动透平3、轴承4、密封结构5、承压壳体6、冷却腔7、压缩机入口8、压缩机出口9、止回阀10、冷却支路进口管线11、冷却支路出口管线12、透平入口13、透平出口14以及温度监测点，系统构成见图1。
一种超临界二氧化碳透平的局部自冷却结构，该结构针对透平驱动压缩机的设备布置方案，主压缩机1、驱动电机2与驱动透平3采沿一条线布置，驱动电机2位于中间，主压缩机1与驱动透平分别位于两侧，三个设备转速相同。主压缩机1与驱动电机2使用一根轴，发电透平单独一根轴。两根轴之间利用膜片连轴器连接。每根轴设置一套轴承系统4，包含支持轴承和推力轴承，以维持转子运动时的定位。
压缩机1与驱动透平3均运行在高压区间，驱动电机2运行在低压区间，压缩机1与驱动透平3两侧各设置若干道密封结构5，以保证不同腔室的压力平衡。承压壳体6用于包络驱动电机2，由于驱动电机2的承压要求低，因此其壳体厚度低于压缩机1和驱动透平3。
冷却腔7位于承压壳体6的外侧，采用内螺旋管结构，内置于壳体内部，采用铸造方式，与壳体加工时一体成形。由于驱动透平3的运行温度较高，因此冷却腔7的位置位于驱动透平3和电机2的交界处，靠近驱动透平3一侧，以阻止从驱动透平3过来的高温热流。
冷却腔7对密封结构和轴承进行包络，以确保密封结构和轴承所处位置的温度符合其设计要求。温度监测点T101和T102安装在密封结构和轴承的附近，用于监测这两个部件的温度。压缩机入口8是低压低温二氧化碳工质，压缩机出口9是高压低温二氧化碳，止回阀10位于压缩机出口9管线上。
冷却支路进口管线11上游接自止回阀10的上游，管线上安装有流量调节阀一个，冷却支路管线11下游进入冷却腔7，可以使压缩机出口9管线上的高压低二氧化碳进入冷却腔7；冷却支路出口管线12一方面连接冷却腔7的出口，另一方面连接止回阀10的下游，将冷却腔出口的流体重新汇流至主管线。
该结构的主要工艺流程为，当驱动透平3启动后，从驱动透平入口管线13的高温流体进入驱动透平3，加热驱动透平及所在壳体。利用温度测点T101和T102实时测量透平密封结构和轴承的温度。在壳体加热的过程中，同步调整冷却支路进口管线11的阀门开度。
当T101和T102温度上升过快时，增大冷却支路进口管线11的阀门开度，始终保证T101和T102的温度始终处在合理的范围内。当透平达到额定设计点后，冷却支路进口管线11的阀门开度达到设定值。冷却支路进口管线11内的高压低温二氧化碳，经过冷却腔7后，被来自高温透平3经热传导过来的热量通过电体壳体6加热，被加热后的二氧化碳工质重新经过冷却支路出口管线12返回至压缩机出口的止回阀10的下游，将热量重新传递给压缩机出口的二氧化碳。
由于进入冷却腔7的二氧化碳工质流量是通过压差驱动的。其前后压差为压缩机出口止回阀10的两端全开压差。因此为实现整体自冷却功能，止回阀10在额定运行点的压降不宜太小。如果压降太小，则会使进入冷却腔7的流量过小，不满足冷却功能需求。在设计时，压缩机出口止回阀10的前后压差可取冷却腔7所在管线总体压降的1.5倍。为减小冷却腔7所在管线总体压降，冷却支路进口管线11的阀门采用截止调节双用阀门，即通过一个阀门即可实现流量调节和流量截止的双重功能。为更好利用透平冷却后被带走的热量，因此从冷却腔7出来的被加热流体不宜直接排掉，而是重新返回至压缩机出口，使这部分热量还可以被用来重新做功，提高了系统整体的能量利用效率。
本发明专利未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明专利的限制，本发明专利也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明专利的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，其特征在于，包括从左到右沿直线布置的主压缩机、驱动电机和驱动透平，所述主压缩机、所述驱动透平和所述驱动电机的转速相同，所述主压缩机和所述驱动电机通过转轴一连接，所述驱动透平上设置有转轴二，所述转轴一通过膜片连轴器与所述转轴二连接，两套轴承系统分别与所述转轴一和所述转轴二连接；
所述主压缩机、所述驱动电机和所述驱动透平设置在承压壳体内，所述承压壳体内还设置有冷却腔，所述冷却腔还连接有冷却控制单元；
所述冷却控制单元包括止回阀、冷却支路进口管线、冷却支路出口管线以及温度监测点，所述止回阀设置在压缩机出口位置；
所述冷却支路进口管线上游接自止回阀的上游，且管线上安装有流量调节阀一个，冷却支路进口管线下游进入冷却腔，可以使压缩机出口管线上的高压的二氧化碳进入冷却腔，所述止回阀上游连接所述主压缩机；
所述冷却支路出口管线一端连接冷却腔的出口，另一端连接所述止回阀的下游，将冷却腔出口的流体重新汇流至主管线，所述止回阀设置在主管线上；所述压缩机的转速与驱动透平入口温度采用同向变化运行方式，透平入口温度上升速率低于压缩机转速上升允许速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却腔采用内螺旋管结构，且内置于承压壳体中，并与壳体一体成形。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却腔位于所述驱动透平和所述驱动电机的交界处，并靠近所述驱动透平的一侧，用以阻止从驱动透平过来的高温热流。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述压缩机与所述驱动透平均运行在高压区间，所述驱动电机运行在低压区间，所述主压缩机与所述驱动透平的两侧各设置若干道密封结构，以保证不同腔室的压力平衡。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述冷却腔对密封结构和所述轴承系统进行包络，靠近所述密封结构和所述轴承系统位置安装有温度监测点，用于监测这两个部件的温度。
6.根据权利要求5所述的用于光热发电的超临界二氧化碳自冷却透平系统，其特征在于，靠近所述密封结构和所述轴承系统位置安装的温度监测点与所述流量调节阀构成自动温度控制单元。
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