CN114109764B - 一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统与方法，工质置换与充压前，先将试验单元抽真空，开始置换与充压时，在启动低温液体泵同时控制背压调节阀开度，保证低温液体泵出口压力高于入口压力，待缓冲罐内的压力高于低温液体泵入口压力后，再慢慢增加背压调节阀开度，同时调节电加热器功率，准确控制进入缓冲罐的二氧化碳温度。在低温液体泵后依次设置有二氧化碳气化加热器、电加热器，经低温液体泵加压的液态二氧化碳，经过二氧化碳气化加热器加热，再通过电加热器，控制加热后的二氧化碳气体温度。系统设置有缓冲罐回路，如果缓冲罐内产生液态二氧化碳，可通过缓冲罐回路将液态二氧化碳加热气化，调节缓冲罐内二氧化碳温度。

Description

一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统及方法

技术领域

本发明属于超临界二氧化碳循环发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统与方法，适用于超临界二氧化碳循环工质置换及充压。

背景技术

随着社会经济的发展，对设备的体积、效率提出了越来越高的要求，各种动力装备向着高温、高压、高转速的方向发展，超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化学染料燃烧等。超临界二氧化碳发电系统效率高、体积小、重量轻，具有良好的应用前景和研究价值。在超临界二氧化碳循环发电系统运行之前需要对循环系统进行工质置换及充压，并且将循环中的二氧化碳充压到临界点附近，二氧化碳在低压下易形成干冰、且减压易液化。由于超临界二氧化碳循环技术还处在试验研究阶段，当前能够稳定运行的超临界二氧化碳循环较少，目前尚没有成熟的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统与方法。因此，有必要研究合理、可行的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统与方法。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统与方法，便于实现超临界二氧化碳循环发电系统工质的置换及充压，能有效地控制充装系统内二氧化碳的温度和压力。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，包括液态二氧化碳储罐、低温液态泵、二氧化碳气化加热器、电加热器、缓冲罐、试验单元，其特征在于，

所述液态二氧化碳储罐的出口通过管路依次经所述低温液体泵、二氧化碳气化加热器、电加热器与所述缓冲罐的进口连通，所述缓冲罐通过管路与所述试验单元交互连通；

且所述电加热器与缓冲罐之间的连通管路包括相互并联的第一连通管路和第二连通管路，所述第一连通管路上设有一背压调节阀，所述第二连通管路上设有一开关阀；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压前，首先将所述试验单元进行抽真空处理；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，首先启动所述低温液体泵的同时控制所述背压调节阀的开度，使得所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力，待所述缓冲罐内的压力高于所述低温液体泵的入口压力后，缓慢增加所述背压调节阀的开度至最大开度，之后打开所述开关阀，以减小管路压力损失；在上述过程中，同时调节所述电加热器的功率，以控制进入所述缓冲罐内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。

在本发明优选的实例中，在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质置换与充压前，首先将所述试验单元抽真空到绝对压力10kPa。

在本发明优选的实例中，在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，启动所述低温液体泵的同时，应控制所述背压调节阀的开度，使得所述背压调节阀前的压力是所述缓冲罐内压力的3倍以上，同时保证所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力。

在本发明优选的实例中，本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，还包括一缓冲罐循环泵，所述缓冲罐底部设有排液口，所述缓冲罐底部的排液口通过管路经所述缓冲罐循环泵与所述二氧化碳气化加热器的进口连通。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，包括液态二氧化碳储罐、低温液体泵、二氧化碳气化加热器、电加热器、缓冲罐、缓冲罐循环泵、背压调节阀和开关阀，工质置换与充压前，先将试验单元抽真空，然后启动低温液体泵，同时控制背压调节阀开度，使背压调节阀前压力为缓冲罐压力的3倍以上，且低温液体泵出口压力高于入口压力，使低温液体泵能正常运行，同时使缓冲罐在升压的过程中，阀门始终工作在阻塞状态，这样阀门前的压力就只跟阀门前的二氧化碳流量、温度有关，与阀门后的状态无关，不需要调节阀门的开度，而且阀门的选型也比较容易。待缓冲罐内的压力高于低温液体泵入口压力后，再慢慢增加背压调节阀至最大开度，然后打开开关阀。在上述过程中，同时根据加热后二氧化碳气体的温度，调节电加热器功率，使缓冲罐内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。通过上述技术方案，可以精确地控制缓冲罐内二氧化碳的温度和压力。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统中，在电加热器后设置有背压调节阀，在工质置换及充压的过程中，通过背压调节阀控制低温液体泵出口压力。通过上述技术方案，可以保证低温液体泵出口压力高于入口压力，使低温液体泵能够正常、稳定地工作。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统中，在低温液体泵后依次设置有二氧化碳气化加热器、电加热器，二氧化碳气化加热器采用水浴式加热，经低温液体泵加压的液态二氧化碳，经过二氧化碳气化加热器加热(一次通过性气化)，再通过电加热器，通过调节电加热器功率控制二氧化碳气体温度。通过上述技术方案，可以使二氧化碳通过二氧化碳气化加热器之后升温变成气态，再通过后面的电加热器，进一步加热二氧化碳，通过调节电加热器功率，精确控制二氧化碳温度。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统中，设置有缓冲罐回路，缓冲罐回路设置有缓冲罐循环泵。通过上述技术方案，可以在缓冲罐内产生液态二氧化碳时，通过循环泵实现对二氧化碳再次循环加热，调节缓冲罐内二氧化碳的温度和压力。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统中，二氧化碳储罐压力为2MPa-3MPa，开始置换及充压时，电加热器后背压调节阀前的压力控制在储罐压力3倍以上。通过上述技术方案，既能保证低温液体泵能正常运行，同时使缓冲罐在从10kPa升压至2MPa的过程中，阀门始终工作在阻塞状态，这样阀门前的压力就只跟阀门前的二氧化碳流量、温度有关，与阀门后的状态无关，不需要调节阀门的开度，而且阀门的选型也比较容易。

本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统中，设置一个开关阀，与电加热器后的背压调节阀并联。通过上述技术方案，能够在背压调节阀开度最大后，打开开关阀，减小压力损失。

在本发明优选的实例中，二氧化碳气化加热器可以是二氧化碳气化器、电加热器或其他型式的加热器。

在本发明优选的实例中，二氧化碳气化加热器和电加热器为串联设置或并联设置。

本发明的另一个发明目的还在于提供一种基于上述系统进行超临界二氧化碳循环工质置换及充压的方法，其特征在于，

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压前，首先将所述试验单元进行抽真空处理；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，首先启动所述低温液体泵的同时控制所述背压调节阀的开度，使得所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力，待所述缓冲罐内的压力高于所述低温液体泵的入口压力后，缓慢增加所述背压调节阀的开度至最大开度，之后打开所述开关阀，以减小管路压力损失；在上述过程中，同时调节所述电加热器的功率，以控制进入所述缓冲罐内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。

同现有技术相比，采用本发明采用的技术方案后，带来以下有益效果：

1.能够准确控制缓冲罐内的二氧化碳温度和压力。

2.能够避免二氧化碳在置换和充压的过程中出现液态和干冰。

3.在充压的过程中，虽然缓冲罐状态变化较大，但是调节阀的流量系数变化范围小，容易选型。

4.开关阀的设置能够在背压调节阀开度最大后，打开开关阀，减小压力损失。

5.可以在缓冲罐内产生液态二氧化碳时，通过循环泵实现对二氧化碳再次循环加热，调节缓冲罐内二氧化碳的压力和温度。

附图说明

图1是本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统示意图；

附图标记说明：

1、二氧化碳储罐；2、低温液体泵；3、二氧化碳气化加热器；4、电加热器；5、背压调节阀；6、缓冲罐；7、缓冲罐循环泵；8、试验单元单元；9、开关阀。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。

如图1所示，本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，包括液态二氧化碳储罐1、低温液态泵2、二氧化碳气化加热器3、电加热器4、缓冲罐6、试验单元8，其中，液态二氧化碳储罐1的出口通过管路依次经低温液体泵2、二氧化碳气化加热器3、电加热器4与缓冲罐6的进口连通，缓冲罐6通过管路与试验单元8交互连通；且电加热器4与缓冲罐6之间的连通管路包括相互并联的第一连通管路和第二连通管路，第一连通管路上设有一背压调节阀5，第二连通管路上设有一开关阀9；在对试验单元8进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压前，首先将试验单元8进行抽真空处理；在对试验单元8进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，首先启动低温液体泵2的同时控制背压调节阀5的开度，使得低温液体泵2的出口压力高于其入口压力，待缓冲罐6内的压力高于低温液体泵2的入口压力后，缓慢增加背压调节阀5的开度至最大开度，之后打开开关阀9，以减小管路压力损失；在上述过程中，同时调节电加热器4的功率，以控制进入缓冲罐6内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。

在本发明优选的实例中，在对试验单元8进行超临界二氧化碳循环工质置换与充压前，首先将试验单元8抽真空到绝对压力10kPa。

在本发明优选的实例中，在对试验单元8进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，启动低温液体泵2的同时，应控制背压调节阀5的开度，使得背压调节阀5前的压力是缓冲罐6内压力的3倍以上，同时保证低温液体泵2的出口压力高于其入口压力。

在本发明优选的实例中，本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，还包括一缓冲罐循环泵7，缓冲罐6底部设有排液口，缓冲罐6底部的排液口通过管路经缓冲罐循环泵7与二氧化碳气化加热器3的进口连通。

更加具体的，如图1所示，本发明的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，包括液态二氧化碳储罐1、低温液体泵2、二氧化碳气化加热器3、电加热器4、缓冲罐6、缓冲罐循环泵7、背压调节阀5、试验单元8和开关阀9，二氧化碳储罐1后设置有低温液体泵2，低温液体泵2后连接有二氧化碳气化加热器3和电加热器4，电加热器4后设置有背压调节阀5，开关阀9与背压调节阀5并联，二氧化碳加热后经背压调节阀5后到缓冲罐6，缓冲罐6与试验单元单元8联通，缓冲罐6另一路设置有循环泵7。

工质置换与充压前，先将试验单元单元8抽真空到绝对压力10kPa，然后启动低温液体泵2，同时控制背压调节阀5开度，使背压调节阀5前的压力是缓冲罐6内压力的3倍以上，同时保证低温液体泵2出口压力高于入口压力，使低温液体泵2能正常运行，待缓冲罐6内的压力高于低温液体泵2入口压力后，再慢慢增加背压调节阀5至最大开度，然后打开开关阀9，在此过程中，根据加热后二氧化碳气体的温度，调节电加热器4功率，控制进入缓冲罐6二氧化碳的压力和温度。在电加热器4后设置有背压调节阀5，在工质置换及充压的过程中，通过背压调节阀5控制低温液体泵2出口压力，使低温液体泵2能够正常、稳定地工作。在低温液体泵2后依次设置有二氧化碳气化加热器3、电加热器4，二氧化碳气化加热器4采用水浴式加热，经低温液体泵2加压的液态二氧化碳，经过二氧化碳气化加热器3加热(一次通过性气化)，再通过电加热器4，通过调节电加热器4功率控制二氧化碳气体温度，使二氧化碳通过二氧化碳气化加热器3之后升温变成气态，再通过后面的电加热器4，进一步加热二氧化碳，通过调节电加热器功率4，精确控制缓冲罐6内二氧化碳的压力和温度。系统设置有缓冲罐回路，缓冲罐回路设置有循环泵7，当缓冲罐6内产生液态二氧化碳时，通过循环泵7实现对二氧化碳再次循环加热，调节缓冲罐6内二氧化碳的压力和温度。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，包括液态二氧化碳储罐、低温液体泵、二氧化碳气化加热器、电加热器、缓冲罐、试验单元，其特征在于，

所述液态二氧化碳储罐的出口通过管路依次经所述低温液体泵、二氧化碳气化加热器、电加热器与所述缓冲罐的进口连通，所述缓冲罐通过管路与所述试验单元交互连通；

且所述电加热器与缓冲罐之间的连通管路包括相互并联的第一连通管路和第二连通管路，所述第一连通管路上设有一背压调节阀，所述第二连通管路上设有一开关阀；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压前，首先将所述试验单元进行抽真空处理；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，首先启动所述低温液体泵的同时控制所述背压调节阀的开度，使得所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力，待所述缓冲罐内的压力高于所述低温液体泵的入口压力后，缓慢增加所述背压调节阀的开度至最大开度，之后打开所述开关阀，以减小管路压力损失；在上述过程中，同时调节所述电加热器的功率，以控制进入所述缓冲罐内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，其特征在于，在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质置换与充压前，首先将所述试验单元抽真空到绝对压力10kPa。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，其特征在于，在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，启动所述低温液体泵的同时，应控制所述背压调节阀的开度，使得所述背压调节阀前的压力是所述缓冲罐内压力的3倍以上，同时保证所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统还包括一缓冲罐循环泵，所述缓冲罐底部设有排液口，所述缓冲罐底部的排液口通过管路经所述缓冲罐循环泵与所述二氧化碳气化加热器的进口连通。

5.一种进行超临界二氧化碳循环工质置换及充压的方法，基于权利要求1至4任一项所述的超临界二氧化碳循环工质置换及充压系统，其特征在于，

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压前，首先将所述试验单元进行抽真空处理；

在对所述试验单元进行超临界二氧化碳循环工质的置换与充压的过程中，首先启动所述低温液体泵的同时控制所述背压调节阀的开度，使得所述低温液体泵的出口压力高于其入口压力，待所述缓冲罐内的压力高于所述低温液体泵的入口压力后，缓慢增加所述背压调节阀的开度至最大开度，之后打开所述开关阀，以减小管路压力损失；在上述过程中，同时调节所述电加热器的功率，以控制进入所述缓冲罐内的二氧化碳温度高于其压力对应的蒸发温度。