CN112983574A - 超临界二氧化碳发电系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超临界二氧化碳发电系统以及一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法。本发明提供的超临界二氧化碳发电系统，包括：透平机旁路，所述透平机旁路的两端分别与热源的出口和高温回热器的热侧入口连接；压缩机旁路，所述压缩机旁路的两端分别与预冷器的热侧出口和低温回热器的冷侧入口连接。本发明提供的超临界二氧化碳发电系统，通过设置透平机旁路和压缩机旁路，可使主压缩机在发生跳车事故后超临界二氧化碳发电系统可以快速、安全地紧急停机，而不会发生高温侧管道爆管的事故。

Description

超临界二氧化碳发电系统及运行方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳发电系统及一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法。

背景技术

超临界二氧化碳动力循环能量密度高、系统结构紧凑且循环效率高，是有望取代水工质朗肯循环的新型动力循环形式，具有广阔的应用前景。但是超临界二氧化碳发电系统采用闭式布雷顿循环，系统内各部件间具有强的耦合性，关键点参数的改变易对系统产生较大影响。

主压缩机作为系统内关键部件之一，其运行工况有较高的条件限制：若主压缩机进口温度和压力低于临界点，会出现跨临界运行的问题；若主压缩机的进、出口温度和压力过高，由于闭式循环的强耦合性，会使整体系统参数升高，对部件产生不利影响。由此可见，主压缩机是闭式循环中最薄弱的一点。

在超临界二氧化碳发电系统的运行控制中，当主压缩机进出口压力或温度超出限值或其他因素引发安保系统报警，触发主压缩机自带的保护跳车动作时，此时超临界二氧化碳发电系统处于最危急的情况。在主压缩机跳车的事故工况下，系统驱动力减小，循环流量降低，一旦控制系统不动作或动作过慢，将会直接造成高温侧管道爆管。所以在主压缩机跳车情况下如何安全、快速地使超临界二氧化碳发电系统停机具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种超临界二氧化碳发电系统及一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，用以解决现有技术中在主压缩机发生跳车时，容易导致高温侧管道爆管的缺陷。

本发明提供一种超临界二氧化碳发电系统，包括：透平机旁路，所述透平机旁路的两端分别与热源的出口和高温回热器的热侧入口连接；压缩机旁路，所述压缩机旁路的两端分别与预冷器的热侧出口和低温回热器的冷侧入口连接。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统，所述透平机旁路包括：第一管路，所述第一管路上设置有第一阀门，所述第一管路的两端分别与所述热源的出口和所述高温回热器的热侧入口连接。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统，所述压缩机旁路包括：备用压缩机；第二管路，所述第二管路上设置有第二阀门，所述第二管路的两端分别与所述预冷器的热侧出口和所述备用压缩机的入口连接；第三管路，所述第三管路上设置有第三阀门，所述第三管路的两端分别与所述备用压缩机的出口和所述低温回热器的冷侧入口连接。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统，还包括：所述热源、透平机、所述高温回热器、所述低温回热器、主压缩机、所述预冷器以及多个阀门；其中，所述热源的出口通过第四阀门与所述透平机的入口连接，所述透平机的出口与所述高温回热器的热侧入口连接，所述高温回热器的热侧出口与所述低温回热器的热侧入口连接，所述低温回热器的热侧出口与所述预冷器的入口连接，所述预冷器的出口通过第五阀门与所述主压缩机的入口连接，所述主压缩机的出口与所述低温回热器的冷侧入口连接，所述低温回热器的冷侧出口与所述高温回热器的冷侧入口连接，所述高温回热器的冷侧出口与所述热源连接。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统，还包括：再压缩机，所述再压缩机的入口通过第六阀门与所述低温回热器的热侧出口连接，所述再压缩机的出口通过第七阀门与所述高温回热器的冷侧入口连接。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统，还包括工质回收旁路，所述工质回收旁路包括：储气罐；第四管路，所述第四管路上设置有第八阀门，所述第四管路的两端分别与所述第三阀门和所述储气罐的入口连接；第五管路，所述第五管路上设置有第九阀门，所述第五管路的两端分别与所述储气罐的出口和所述第五阀门的入口连接。

本发明还提供一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，包括：发出跳车信号，所述跳车信号触发所述热源切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列；导通所述透平机旁路和所述压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温；待所述超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机进行检修。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，所述发出跳车信号，所述跳车信号触发所述热源切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列的步骤，进一步包括：关闭第四阀门、第五阀门和第六阀门。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，所述导通所述透平机旁路和所述压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温的步骤，进一步包括：打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，使所述透平机旁路和所述压缩机旁路回流。

根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，所述待所述超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机进行检修的步骤，进一步包括：将冷却后的所述超临界二氧化碳工质进行回收。

本发明提供的超临界二氧化碳发电系统，通过设置透平机旁路和压缩机旁路，可使主压缩机在发生跳车事故后超临界二氧化碳发电系统可以快速、安全地紧急停机，而不会发生高温侧管道爆管的事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的超临界二氧化碳发电系统的结构示意图；

图2是本发明提供的超临界二氧化碳发电系统的运行方法的流程图；

附图标记：

10：第一管路； 11：热源； 12：透平机；

13：高温回热器； 14：低温回热器； 15：主压缩机；

16：预冷器； 17：再压缩机； 18：备用压缩机；

19：储气罐； 20：第二管路； 21：第一阀门；

22：第二阀门； 23：第三阀门； 24：第四阀门；

25：第五阀门； 26：第六阀门； 27：第七阀门；

28：第八阀门； 29：第九阀门； 30：第三管路；

40：第四管路； 50：第五管路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合图1和图2描述本发明的超临界二氧化碳发电系统和超临界二氧化碳发电系统的运行方法。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电系统包括：透平机旁路和压缩机旁路。透平机旁路的两端分别与热源11的出口和高温回热器13的热侧入口连接；压缩机旁路的两端分别与预冷器16的热侧出口和低温回热器14的冷侧入口连接。

具体来说，当主压缩机15进出口温度或压力超出限制或其他因素引发安保系统报警时，触发主压缩机15自带的保护发生跳车动作，此时因超临界二氧化碳发电系统驱动力减小，循环流量降低，一旦控制系统不动作或动作过慢时，将会导致高温侧管道爆管。此时，立即切断热源11，停止向旋转机械配气，并发送信号使发电机解列。然后导通透平机旁路和压缩机旁路，形成透平机旁路和压缩机旁路回流，对超临界二氧化碳发电系统中的超临界二氧化碳工质进行降温处理，待超临界二氧化碳工质冷却后，关闭预冷器16和备用压缩机18，对主压缩机15进行检修，对透平机12和再压缩机17盘车处理，对管道进行检查维修。

进一步地，在本发明的一个实施例中，透平机旁路包括管路和阀门，通过阀门的启闭来控制透平机旁路导通或关断。

进一步地，在本发明的一个实施例中，压缩机旁路包括备用压缩机18、管路和阀门，备用压缩机18通过管路和阀门与预冷器16和低温回热器14连接。当主压缩机15发生跳车动作时，打开阀门，并手动启动备用压缩机18，使压缩机旁路回流。同时增加冷却水量，对超临界二氧化碳发电系统内的超临界二氧化碳工质进行降温处理，当其全部冷却后，关闭预冷器16。

本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电系统，通过设置透平机旁路和压缩机旁路，可使主压缩机在发生跳车事故后可以快速、安全地紧急停机，而不会发生超临界二氧化碳发电系统高温侧管道爆管的事故。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电系统包括：热源11、透平机12、高温回热器13、低温回热器14、主压缩机15、预冷器16以及多个阀门；其中，热源11的出口通过第四阀门24与透平机12的入口连接，透平机12的出口与高温回热器13的热侧入口连接，高温回热器13的热侧出口与低温回热器14的热侧入口连接，低温回热器14的热侧出口与预冷器16的入口连接，预冷器16的出口通过第五阀门25与主压缩机15的入口连接，主压缩机15的出口与低温回热器14的冷侧入口连接，低温回热器14的冷侧出口和高温回热器13的冷侧入口连接，高温回热器13的冷侧出口与热源11连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电系统还包括再压缩机17，再压缩机17的入口通过第六阀门26与低温回热器14的热侧出口连接，再压缩机17的出口通过第七阀门27与高温回热器13的冷侧入口连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，主压缩机15的入口压力为7.6MPa-8.0MPa。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，透平机旁路包括：第一管路10和第一阀门21。第一管路10上设置有第一阀门21，第一管路10的两端分别与热源11的出口和高温回热器13的热侧入口连接。压缩机旁路包括：备用压缩机18、第二管路20、第二阀门22、第三管路30和第三阀门23。第二管路20上设置有第二阀门22，第二管路20的两端分别与预冷器16的热侧出口和备用压缩机18的入口连接，第三管路30上设置有第三阀门23，第三管路30的两端分别与备用压缩机18的出口和低温回热器14的冷侧入口连接。

具体来说，当主压缩机15发生跳车动作时，第四阀门24、第五阀门25和第六阀门26关闭，发电系统停止向透平机12、主压缩机15和再压缩机17配气。开启第一阀门21、第二阀门22和第三阀门23，对预冷器16增大冷却水的用量，提高预冷器16的冷却能力，超临界二氧化碳工质经过预冷器16冷却后流入备用压缩机18，然后由备用压缩机18排出，进入低温回热器14的冷侧入口，然后流经高温回热器13进入热源11，热交换后的超临界二氧化碳工质经过第一阀门21后依次进入高温回热器13和低温回热器14，在高温回热器13和低温回热器14中发生热交换后，进入预冷器16中再次冷却，直至发电系统中的超临界二氧化碳工质全部冷却。

进一步地，在本发明的一个实施例中，备用压缩机18的出口压力为：9.0MPa-9.5MPa。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电系统还包括工质回收旁路，工质回收旁路包括：储气罐19、第四管路40、第八阀门28、第五管路50和第九阀门29。第四管路40上设置有第八阀门28，第四管路40的两端分别与第三阀门23和储气罐19的入口连接，第五管路50上设置有第九阀门29，第五管路50的两端分别与储气罐19的出口和第五阀门25的入口连接。

具体来说，当超临界二氧化碳发电系统中的超临界二氧化碳工质全部冷却后，将第三阀门23与第八阀门28连通，冷却后的超临界二氧化碳工质进入储气罐19中进行回收。进一步地，储气罐19中回收的超临界二氧化碳工质还可以通过第九阀门29和第五阀门25进入主压缩机15内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第三阀门23为三向旋塞阀，第七阀门27为逆止阀。

本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电系统，通过设置工质回收旁路，在超临界二氧化碳发电系统停机后，能够快速完成超临界二氧化碳工质的高效回收。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种超临界二氧化碳发电系统的运行方法，具体包括以下步骤：

步骤01：发出跳车信号，跳车信号触发热源11切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列；步骤02：导通透平机旁路和压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温；步骤03：待超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机15进行检修。

具体来说，当主压缩机15进出口温度或压力超出限制或其他因素引发安保系统报警时，触发主压缩机15发出跳车信号，该跳车信号触发热源11切断，停止向旋转机械配气，并发送信号使发电机解列。进一步地，主压缩机15与热源11之间采取单向连锁措施，即主压缩机15发出跳车信号时，热源11切断，但是热源11切断时，主压缩机15不一定发生跳车。

然后导通透平机旁路和压缩机旁路，形成透平机旁路和压缩机旁路回流，对发电系统中的超临界二氧化碳工质进行降温处理，待超临界二氧化碳工质冷却后，关闭预冷器16和备用压缩机18，对主压缩机15进行检修，对透平机12和再压缩机17盘车处理，对管道进行检查维修。

进一步地，在本发明的一个实施例中，旋转机械指：透平机12、主压缩机15以及再压缩机17。

本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，通过将主压缩机与热源之间采取单向连锁措施，可以确保在发电系统驱动力减小的同一时间停止热源加热，保护高温侧管路和部件不受损坏；通过导通透平机旁路和压缩机旁路，能够对超临界二氧化碳工质进行降温，可使发电系统在主压缩机跳车时快速、安全地紧急停机。

进一步地，在本发明的一个实施例中，发出跳车信号，跳车信号触发热源11切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列的步骤，进一步包括：关闭第四阀门24、第五阀门25和第六阀门26。

进一步地，导通透平机旁路和压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温的步骤，进一步包括：打开第一阀门21、第二阀门22和第三阀门23，使透平机旁路和压缩机旁路回流。

具体来说，当主压缩机15发生跳车动作时，第四阀门24、第五阀门25和第六阀门26关闭，发电系统停止向透平机12、主压缩机25和再压缩机17配气。开启第一阀门21、第二阀门22和第三阀门23，并手动启动备用压缩机18。对预冷器16增大冷却水的用量，提高预冷器16的冷却能力，超临界二氧化碳工质经过预冷器16冷却后流入备用压缩机18，然后由备用压缩机18排出进入低温回热器14的冷侧入口，然后流经高温回热器13进入热源11，热交换后的超临界二氧化碳工质经过第一阀门21后依次进入高温回热器13和低温回热器14，在高温回热器13和低温回热器14中发生热交换后，进入预冷器16中再次冷却，直至发电系统中的超临界二氧化碳工质全部冷却。

进一步地，在本发明的一个实施例中，待超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机15进行检修的步骤，进一步包括：将冷却后的超临界二氧化碳工质进行回收。

具体来说，当超临界二氧化碳发电系统中的超临界二氧化碳工质全部冷却后，将第三阀门23与第八阀门28连通，冷却后的超临界二氧化碳工质进入储气罐19中进行回收。回收完毕后，关闭第八阀门28，关闭备用压缩机18，对主压缩机15进行检修。进一步地，储气罐19中回收的超临界二氧化碳工质还可以通过第九阀门29和第五阀门25进入主压缩机15内。

本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，采用主压缩机和热源单向连锁，在主压缩机跳车时，可有效防止高温侧管道和部件超温，可使超临界二氧化碳发电系统在主压缩机跳车事故下快速、安全地紧急停机，并在超临界二氧化碳发电系统停机后，快速完成超临界二氧化碳工质的高效回收。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括：

透平机旁路，所述透平机旁路的两端分别与热源的出口和高温回热器的热侧入口连接；

压缩机旁路，所述压缩机旁路的两端分别与预冷器的热侧出口和低温回热器的冷侧入口连接。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述透平机旁路包括：

第一管路，所述第一管路上设置有第一阀门，所述第一管路的两端分别与所述热源的出口和所述高温回热器的热侧入口连接。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述压缩机旁路包括：

备用压缩机；

第二管路，所述第二管路上设置有第二阀门，所述第二管路的两端分别与所述预冷器的热侧出口和所述备用压缩机的入口连接；

第三管路，所述第三管路上设置有第三阀门，所述第三管路的两端分别与所述备用压缩机的出口和所述低温回热器的冷侧入口连接。

4.根据权利要求3中任一项所述的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，还包括：所述热源、透平机、所述高温回热器、所述低温回热器、主压缩机、所述预冷器以及多个阀门；

其中，所述热源的出口通过第四阀门与所述透平机的入口连接，所述透平机的出口与所述高温回热器的热侧入口连接，所述高温回热器的热侧出口与所述低温回热器的热侧入口连接，所述低温回热器的热侧出口与所述预冷器的入口连接，所述预冷器的出口通过第五阀门与所述主压缩机的入口连接，所述主压缩机的出口与所述低温回热器的冷侧入口连接，所述低温回热器的冷侧出口与所述高温回热器的冷侧入口连接，所述高温回热器的冷侧出口与所述热源连接。

5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，还包括：

再压缩机，所述再压缩机的入口通过第六阀门与所述低温回热器的热侧出口连接，所述再压缩机的出口通过第七阀门与所述高温回热器的冷侧入口连接。

6.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，还包括工质回收旁路，所述工质回收旁路包括：

储气罐；

第四管路，所述第四管路上设置有第八阀门，所述第四管路的两端分别与所述第三阀门和所述储气罐的入口连接；

第五管路，所述第五管路上设置有第九阀门，所述第五管路的两端分别与所述储气罐的出口和所述第五阀门的入口连接。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，其特征在于，包括：

发出跳车信号，所述跳车信号触发所述热源切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列；

导通所述透平机旁路和所述压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温；

待所述超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机进行检修。

8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，其特征在于，所述发出跳车信号，所述跳车信号触发所述热源切断，停止向旋转机械配气，并使发电机解列的步骤，进一步包括：

关闭第四阀门、第五阀门和第六阀门。

9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，其特征在于，所述导通所述透平机旁路和所述压缩机旁路，对超临界二氧化碳工质进行降温的步骤，进一步包括：

打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，使所述透平机旁路和所述压缩机旁路回流。

10.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳发电系统的运行方法，其特征在于，所述待所述超临界二氧化碳工质冷却后，对主压缩机进行检修的步骤，进一步包括：

将冷却后的所述超临界二氧化碳工质进行回收。

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