CN112814785B - 用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统、热机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，包括第一调节单元和第二调节单元，第一调节单元包括第一支路管线、压缩机、以及缓存罐，压缩机和缓存罐串接于第一支路管线上，压缩机用于从热机系统中抽吸工质，缓存罐用于存储压缩机抽吸的工质和将存储的工质释放至热机系统；第二调节单元与第一调节单元并联，其包括第二支路管线和调节阀，调节阀设于所述第二支路管线上。本发明还公开一种包括上述旁路辅助系统的闭式布雷顿循环热机系统。本发明可对闭式布雷顿循环热机系统中的主回路的流量、功率进行调节，且响应速度快，调节范围大，有利于降低动力输出效率损失。

Description

用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统、热机系统

技术领域

本发明属于核技术领域，具体涉及一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统、以及包含该旁路辅助系统的闭式布雷顿循环热机系统。

背景技术

在采用开式布雷顿循环作为原理生产动力的装置或系统中，其功率的调节主要依靠主回路中工质流量的变化进行调节。在采用闭式布雷顿循环作为原理生产动力的装置或系统中，如果仅依赖于主回路中循环压力的调整，即依靠整个主回路工质充装量的调整，这种调整涉及到带压管路的快速补充或工质释放，以现有的系统设计或设备设计都难以实现快速响应的目的，难以产生大范围的流量或功率调节能力。因此，闭式布雷顿循环一般采用旁路旁通主回路循环的方式来进行调节，旁路旁通主回路循环的方式由于部分流量是经过旁路进行循环而未经过透平机进行做功，会导致效率损失。

目前，传统的旁路旁通主回路循环的方式主要有两种：一是使用充排气调节主回路充装量的形式进行调节，其优点是可以在很大范围内调节流量或功率，其缺点是响应速度较慢，控制能力不精确；二是使用带有调节阀的直通旁路进行调节，其优点是响应速度快，其缺点是在较低功率下会造成极大的能量损失，影响整体的动力输出效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统、以及包括该旁路辅助系统的闭式布雷顿循环热机系统，可以对闭式布雷顿循环热机系统中的主回路的流量、功率进行调节，且响应速度快速、同时还能够实现大范围调节，有利于降低动力输出效率损失。

根据本发明的一个方面，提供一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其技术方案为：

一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，包括第一调节单元和第二调节单元，

所述第一调节单元包括第一支路管线、压缩机、以及缓存罐，所述第一支路管线的入口端与闭式布雷顿循环热机系统中的高压压气机的出口连接，其出口端与所述闭式布雷顿循环热机系统中的低压压气机的入口连接，所述压缩机和所述缓存罐串接于第一支路管线上，所述压缩机用于从所述闭式布雷顿循环热机系统中抽吸工质，所述缓存罐用于存储所述压缩机抽吸的工质和将存储的工质释放至所述闭式布雷顿循环热机系统；

所述第二调节单元与所述第一调节单元并联，所述第二调节单元包括第二支路管线和调节阀，所述调节阀设于所述第二支路管线上。

优选的是，所述第一调节单元还包括第一截止阀和第二截止阀，

所述第一截止阀设于所述第一支路管线上，并处于所述第一支路管线的入口端与所述压缩机之间，

所述第二截止阀设于所述第一支路管线上，并处于所述缓存罐与所述第一支路管线的出口端之间。

优选的是，所述第一调节单元还包括第一止回阀和第二止回阀，

所述第一止回阀设于所述第一支路管线上，并处于所述第一截止阀和所述压缩机之间，

所述第二止回阀设于所述第一支路管线上，并处于所述缓存罐和所述第二截止阀之间。

优选的是，所述第一调节单元还包括过滤净化器，

所述过滤净化器设于所述第一支路管线上，并处于所述压缩机和所述缓存罐之间；或者，

所述旁路辅助系统还包括第三支路管线，所述第三支路管线与设有所述第一止回阀、所述压缩机、所述缓存罐以及所述第二止回阀的部分第一支路管线并联，所述过滤净化器设于所述第三支路管线上。

优选的是，所述第二调节单元还包括第三截止阀，所述第三截止阀设于第二支路管线上。

优选的是，所述第二调节单元还包括第三止回阀，所述第三止回阀设于第二支路管线上，且所述调节阀处于所述第三止回阀和所述第三截止阀之间。

根据本发明的另一个方面，提供一种闭式布雷顿循环热机系统，其技术方案为：

一种闭式布雷顿循环热机系统，包括主回路，还包括以上所述的旁路辅助系统，所述旁路辅助系统和所述主回路并联。

优选的是，所述主回路包括高压气压机、低压气压机，

所述高压压气机的出口和所述第一支路管线的入口端连接，所述低压压气机的入口与所述第一支路管线的出口端连接。

优选的是，还包括控制单元，所述控制单元与主回路、所述第一调节单元以及第二调节单元分别连接，

所述控制单元用于在需要降低主回路功率时控制第一调节单元中的压缩机启动，和/或，控制第二调节单元中的调节阀打开，以从主回路中抽吸多余工质；以及，用于在需要提升主回路功率时控制第一调节单元中的缓存罐打开，以将其内存储的工质释放至主回路中。

本发明的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，通过第一调节单元和第二调节单元，可对闭式布雷顿循环热机系统主回路中的工质流量进行调节，从而实现对闭式布雷顿热机的输出功率的调节功能，相比于现有技术，不仅响应速度快，调节范围大，调节速度可控，有利于降低闭式布雷顿循环热机系统的动力输出效率损失和降低能耗，还可以对工质进行在线过滤净化和补充，降低工质损耗或污染对系统运行的影响，并且，本发明结构简单，操作方便。

本发明的闭式布雷顿循环热机系统，由于采用了以上所述的旁路辅助系统，可以对主回路的流量、功率进行调节，且响应速度快，调节范围大，动力输出效率损失小，具有工质过滤净化能力。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的另一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统的结构示意图。

图中：10-高压压气机；20-低压压气机；30第一支路管线；

31-第一截止阀；32-第一止回阀；33-压缩机；34-过滤净化器；

35-缓存罐；36-第二止回阀；37-第二截止阀；40-第二支路管线；

41-第三截止阀；42-第三止回阀；43-调节阀；50-第三支路管线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，方向性术语所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。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，包括第一调节单元和第二调节单元，其中：

第一调节单元包括第一支路管线30、压缩机33、以及缓存罐35，其中，第一支路管线30的入口端与闭式布雷顿循环热机系统中的高压压气机10的出口连接，其出口端与闭式布雷顿循环热机系统中的低压压气机20的入口连接，使本实施例的旁路辅助系统与闭式布雷顿循环热机系统的主回路并联，压缩机33和缓存罐35串接于第一支路管线30上，压缩机33用于从闭式布雷顿循环热机系统中抽吸工质，缓存罐35用于存储压缩机33抽吸的工质和将存储的工质释放至闭式布雷顿循环热机系统。在闭式布雷顿循环热机系统的主回路正常运行过程中，通过利用压缩机33可将闭式布雷顿循环热机系统中回路中的气体工质抽吸、压缩并暂存至缓存罐35中，或者，通过将暂存在缓存罐35中的压缩的气体工质释放至闭式布雷顿循环热机系统的主回路中，通过上述这种在缓存罐35和主回路之间的工质互相输送流通，可改变主回路中的气体工质的充装量，将主回路的工质充装量控制在0-100％之间，即充装量可以在真空水平到额定水平之间连续调节，而主回路的工质充装量与输出功率为正比例关系，工质越多输出功率越大，因此，本实施例对主回路的输出功率调节范围可以从零到额定功率，也就是说，可实现大范围的调节目的。此外，在闭式布雷顿循环热机系统的主回路启动过程中，也可以通过将缓存罐35中暂存的压缩气体工质释放至主回路，以适应主回路功率提升时要求的工质充装量。对于设计为使用压缩气体储能完成启动的闭式布雷顿循环热机系统还可以通过将缓存罐35中暂存的压缩气体工质释放至主回路，利用压差来推动主回路中的轮机转动，之后再慢慢转由主回路正常热源提供转动能量来源，从而降低能耗。

第二调节单元和第一调节单元并联设置，第二调节单元包括第二支路管线40和调节阀43，调节阀43设于第二支路管线40上。第二调节单元旁通了闭式布雷顿循环热机系统的高压段和低压段，在闭式布雷顿循环热机系统的主回路正常运行过程中，通过控制调节阀43的开闭及开度，可完成工质在主循环和旁路的分配，使旁路辅助系统的流动阻力发生变化，从而快速改变旁路辅助系统和主回路中的工质流量，进而快速改变主回路的输出功率，并且，第二调节单元的结构更简单，第二调节单元的状态改变对主回路中工质状态的改变影响更快，即可提高调节响应速度更快，实现对闭式布雷顿循环热机系统主回路的流量、功率进行快速调节的目的。

在一些实施方式中，第一调节单元还包括第一截止阀31和第二截止阀37，以控制第一支路管线30的通闭。其中，第一截止阀31设于第一支路管线30上，并处于第一支路管线30的入口端和压缩机33之间；第二截止阀37设于第一支路管线30上，并处于缓存罐33与第一支路管线30的出口端之间。

在压缩机33对闭式布雷顿循环热机系统中回路中的气体工质进行抽吸、压缩并暂存至缓存罐35的过程中，第一截止阀31开启；在缓存罐35中的压缩的气体工质释放至闭式布雷顿循环热机系统的主回路的过程中，第二截止阀37开启。

在一些实施方式中，缓存罐35的数量可以为一个，也可以为多个，且当缓存罐35的数量为多个时，各缓存罐35优选为并联设置在第一支路管线30上。

在一些实施方式中，第一调节单元还包括第一止回阀32和第二止回阀36，以防止气体工质在第一支路管线30中倒流。其中，第一止回阀32设于第一支路管线30上，并处于第一截止阀31和压缩机33之间；第二止回阀36设于第一支路管线30上，并处于缓存罐353和第二截止阀37之间。

当然，在保持上述第一止回阀32和第二止回阀36的作用的前提下，第一回止阀32和第二回止阀36还可以根据需要设置在第一支路管线30上的其它位置，比如，第一止回阀32还可以设于高压压气机10和第一截止阀31的之间的第一支路管线30上，而不限上述位置，本实施例中不再一一赘述。

在一些实施方式中，第一调节单元还可以包括过滤净化器34，以除去气体工质中粉尘等杂质。

具体来说，过滤净化器34可以设于第一支路管线30上，并处于压缩机33和缓存罐35之间(如图1所示)，压缩机33抽吸的工质先通入到过滤净化器34中进行过滤净化后，再通入到缓存罐35中进行存储；或者，如图2所示，旁路辅助系统还可以包括第三支路管线50，第三支路管线50与设有第一止回阀32、压缩机33、缓存罐35以及第二止回阀36的部分第一支路管线30并联，过滤净化器34设于第三支路管线50上，通过第三支路管线50上的过滤净化器可以在不对闭式布雷顿循环热机系统的主回路的流量、功率进行调节的情况下对主回路中的气体工质进行连续或间歇地过滤净化，而不需要在主回路上单独设置用于过滤净化的回路，有利于提高空间利用率。过滤净化器34的具体数量可以根据实际需求选择，并且，针对不同气体工质组分，可以选用与其相匹配的过滤净化器及其组合。当过滤净化器34的数量为多个时，多个过滤净化器可以是仅设于压缩机33和缓存罐35之间的第一支线管路30上，还可以是其中一部分过滤净化器34串接于压缩机33和缓存罐35之间的第一支路管线30上，另一部过滤净化器34设于第三支路管线50上。

需要注意的是，第一调节单元中的压缩机33、过滤净化器34、缓存罐35等设备的串联顺序还可以根据实际需求进行调整，而不仅限于上述顺序，本实施例中不再一一赘述。

在一些实施方式中，第二调节单元还包括第三截止阀41，第三截止阀41设于第二支路管线40上，且处于靠近高压压气机10的一端以防止气体工质在第二支路管线中倒流。

在一些实施方式中，第二调节单元还包括第三止回阀42，第三止回阀42设于第二支路管线40上，且调节阀43处于第三止回阀43和第三截止阀41之间，以控制第二支路管线40的通闭。

需要注意的是，第二调节单元中的调节阀43、第三截止阀41、第三止回阀42的串联顺序还可以根据实际需求进行调整，而不仅限于上述顺序，本实施例中不再一一赘述。

需要注意的是，在实际操作中，对于一些工艺条件允许的情况下，比如，不存在由于压差产生的气流逆送时，或者，其中一部分管路允许压差产生的气流逆送允许时，本实施例中的第三截止阀41、第一止回阀32、第二止回阀36、第三止回阀42可以根据需求进行删减，而不限于必须包括第三截止阀41、第一止回阀32、第二止回阀36、第三止回阀42。

本实施例的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，通过第一调节单元和第二调节单元，可对闭式布雷顿循环热机系统主回路中的工质流量进行调节，从而实现对闭式布雷顿热机的输出功率的调节功能，且相比于现有技术，不仅响应速度快，调节范围大，有利于降低闭式布雷顿循环热机系统的动力输出效率损失和降低能耗，还可以对工质进行在线过滤净化和补充，降低工质损耗或污染对闭式布雷顿循环热机系统运行的影响，并且，本系统结构简单，操作方便。

实施例2

如图1所示，本实施例公开一种闭式布雷顿循环热机系统，包括主回路，还包括实施例1中旁路辅助系统，旁路辅助系统和主回路并联。

具体来说，主回路包括高压气压机10、低压气压机20，其中，高压压气机10的出口和第一支路管线30的入口端连接，低压压气机20的入口与第一支路管线30的出口端连接，通过将主回路中的工质流通至旁路辅助系统和将旁路辅助系统中的工质释放至主回路来调节主回路中工质的流量，从而对主回路的功率进行快速、大范围调节。

在一些实施例中，该热机系统还包括控制单元，控制单元与主回路、第一调节单元以及第二调节单元分别连接，控制单元用于在需要降低主回路功率时(如实际输出功率大于所需输出功率时)控制第一调节单元中的压缩机启动，和/或，控制第二调节单元中的调节阀打开，以从主回路中抽吸多余工质，从而使主回路中工质流量减少，进而使主回路功率减小；以及，用于在需要提升主回路功率时(如实际输出功率小于所需输出功率时)控制第一调节单元中的缓存罐打开，以将其内存储的工质释放至主回路中，从而使主回路中工质流量增加，进而使主回路功率增大。

下面以图1所示的闭式布雷顿循环热机系统为例，对其工作过程进行详述：

(1)主回路启动过程：

当闭式布雷顿循环热机系统启动时，开启第二截止阀37，将缓存罐35中暂存的压缩的气体工质释放至主回路，从而推动主回路中的轮机转动，且工质释放量不超过热机满功率运行时主回路工质的总充装量，直至机组转速达到一定转速(如额定转速的一半，或者其它转速值)时，停止工质释放，再慢慢转由主回路正常热源提供转动能量来源，该过程可以有效降低能耗；

(2)主回路稳定运行过程：

打开第一截止阀31，通过压缩机33可对闭式布雷顿循环热机系统中回路中的气体工质抽吸、压缩并暂存至缓存罐35中，或者，打开第二截止阀37，将暂存在缓存罐35中的压缩的气体工质释放至主回路中，从而实现对主回路的流量、功率的调节；

和/或，打开第三截止阀41，通过调节调节阀43的开度，旁路辅助系统中的流动阻力发生变化，通过旁路辅助系统中的气体工质的流量的也跟着变化，主回路中的工质流量也随之变化，主回路工质流量改变，输出功率也随之改变，从而实现主回路内的流量、功率调节。

本实施例的闭式布雷顿循环热机系统，由于采用了实施例1中所述的旁路辅助系统，从而可以主回路的流量、功率进行调节，且响应速度快，调节范围大，动力输出效率损失小，具有工质过滤净化能力。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，包括第一调节单元和第二调节单元，

所述第一调节单元包括第一支路管线(30)、压缩机(33)、过滤净化器(34)、以及缓存罐(35)，所述第一支路管线的入口端与闭式布雷顿循环热机系统中的高压压气机(10)的出口连接，其出口端与所述闭式布雷顿循环热机系统中的低压压气机(20)的入口连接，所述压缩机和所述缓存罐串接于第一支路管线上，所述压缩机用于从所述闭式布雷顿循环热机系统中抽吸工质并对其压缩，所述缓存罐用于存储所述压缩机抽吸的工质和将存储的工质释放至所述闭式布雷顿循环热机系统来调节闭式布雷顿循环热机系统的主回路的工质充装量，以及，利用将缓存罐中暂存的压缩气体工质释放至闭式布雷顿循环热机系统所产生的压差来推动所述主回路中的轮机转动而使闭式布雷顿循环热机系统启动，所述过滤净化器设于所述第一支路管线上或者与第一支路管线并联，用于过滤净化工质；

所述第二调节单元与所述第一调节单元并联，所述第二调节单元包括第二支路管线(40)和调节阀(43)，所述调节阀设于所述第二支路管线上。

2.根据权利要求1所述的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，所述第一调节单元还包括第一截止阀(31)和第二截止阀(37)，

所述第一截止阀设于所述第一支路管线上，并处于所述第一支路管线的入口端与所述压缩机之间，

所述第二截止阀设于所述第一支路管线上，并处于所述缓存罐与所述第一支路管线的出口端之间。

3.根据权利要求2所述的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，所述第一调节单元还包括第一止回阀(32)和第二止回阀(36)，

所述第一止回阀设于所述第一支路管线上，并处于所述第一截止阀和所述压缩机之间，

所述第二止回阀设于所述第一支路管线上，并处于所述缓存罐和所述第二截止阀之间。

4.根据权利要求3所述的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，所述过滤净化器设于所述压缩机和所述缓存罐之间；或者，

所述旁路辅助系统还包括第三支路管线(50)，

所述第三支路管线与设有所述第一止回阀、所述压缩机、所述缓存罐以及所述第二止回阀的部分第一支路管线并联，所述过滤净化器设于所述第三支路管线上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，所述第二调节单元还包括第三截止阀(41)，所述第三截止阀设于第二支路管线上。

6.根据权利要求5所述的用于闭式布雷顿循环热机系统的旁路辅助系统，其特征在于，所述第二调节单元还包括第三止回阀(42)，所述第三止回阀设于第二支路管线上，且所述调节阀处于所述第三止回阀和所述第三截止阀之间。

7.一种闭式布雷顿循环热机系统，包括主回路，其特征在于，还包括权利要求1-6任意一项所述的旁路辅助系统，所述旁路辅助系统和所述主回路并联。

8.根据权利要求7所述的闭式布雷顿循环热机系统，其特征在于，所述主回路包括高压压气机(10)、低压压气机(20)，

所述高压压气机的出口和所述第一支路管线的入口端连接，所述低压压气机的入口与所述第一支路管线的出口端连接。

9.根据权利要求8所述的闭式布雷顿循环热机系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元与主回路、所述第一调节单元以及第二调节单元分别连接，

所述控制单元用于在需要降低主回路功率时控制第一调节单元中的压缩机启动，和/或，控制第二调节单元中的调节阀打开，以从主回路中抽吸多余工质；以及，用于在需要提升主回路功率时控制第一调节单元中的缓存罐打开，以将其内存储的工质释放至主回路中。

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