CN114278407A - 适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应方法，该结构包括电动机、压缩机、透平、离合器和变速箱；电动机与压缩机布置于Ⅰ号转轴上，透平布置于Ⅱ号转轴的一端，Ⅰ号转轴上和Ⅱ号转轴通过离合器相连，Ⅱ号转轴的另一端通过变速箱连接至发电机，Ⅰ号转轴上的电动机与压缩机之间布置有第一径向轴承，Ⅱ号转轴上透平与变速箱之间布置有第二径向轴承及推力轴承；该方法包括初始状态、储能系统为待机状态、存在储能需求以及存在释能需求几种情况。本发明考虑了实际二氧化碳储能系统中压缩机与透平的轴承、密封等布置方式，具有结构简单、紧凑、泄漏量低，同时提高了储能系统的响应速度，系统灵活性高。

Description

适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应 方法

技术领域

本发明属于储能领域，具体涉及一种适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应方法。

背景技术

我国以火力发电作为主要发电模式，其调峰深度仅有20％-50％，常有出现用电峰值电力不足而用电低谷电能浪费的情况，电网调峰矛盾异常突出。而风能发电、太阳能发电等新能源发电技术通常受制于所在地的自然条件，会产生较大的波动与间歇，具有调节控制困难的特点。储能技术的应用在很大程度上解决了波动性与间歇性的问题，能够达到移峰填谷的效果，因此逐步提高了市场竞争力，得到了广泛的关注。

从规模等级，设备形态，技术水平，经济成本等多方面来看，电化学储能，电磁储能，熔融盐储能均存在局限性，因此大多停留在理论研究阶段。抽水蓄能和压缩空气储能是目前较为成熟的储能技术。而抽水蓄能技术需要足够水源；压缩空气储能则能量密度低、占地面积过大。在此基础上，基于二氧化碳循环的储能技术引起了学者们的广泛关注并逐渐发展。透平及压缩机作为热功转换过程中的核心部件，对于循环效率具有重要影响，提高二氧化碳储能系统中透平和压缩机结构的可靠性具有重要意义。此外，储能系统的响应速度同样是限制储能技术大规模应用的关键之一，提高储能系统响应速度具有重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应方法，以解决上述问题。本发明考虑了实际二氧化碳储能系统中压缩机与透平的轴承、密封等布置方式，具有结构简单、紧凑、泄漏量低，同时提高了储能系统的响应速度，系统灵活性高。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，包括电动机、压缩机、透平、离合器和变速箱；

电动机与压缩机布置于Ⅰ号转轴上，透平布置于Ⅱ号转轴的一端，Ⅰ号转轴上和Ⅱ号转轴通过离合器相连，Ⅱ号转轴的另一端通过变速箱连接至发电机，Ⅰ号转轴上的电动机与压缩机之间布置有第一径向轴承，Ⅱ号转轴上透平与变速箱之间布置有第二径向轴承及推力轴承。

本发明进一步的改进在于，第一径向轴承及第二径向轴承采用静压轴承、动压径向轴承或电磁轴承。

本发明进一步的改进在于，止推轴承采用滚珠轴承、滚锥轴承或球面滚子轴承。

本发明进一步的改进在于，压缩机与透平轴向推力反向布置，压缩机出口侧布置有第一密封，透平进口布置有第二密封。

本发明进一步的改进在于，第一密封和第二密封采用迷宫密封、干气密封或组合密封形式。

本发明进一步的改进在于，压缩机出口通过第一管路连接至第一换热器第一进口，第一管路上设置有第一旁路连接至透平进口，透平出口布置第二管路，第二管路上设置有第二旁路连接至压缩机进口；

第一换热器第二出口连接至储热罐，储热罐出口连接至第二换热器第二进口，第二换热器第二出口经过冷凝器后连接至储冷罐进口，储能罐出口连接至第一换热器第二进口。

本发明进一步的改进在于，第一管路上布置有第三调节阀，第一旁路上布置有第四调节阀，第二管路上布置有第六调节阀，第二旁路上布置有第五调节阀，储热罐出口经过第一调节阀连接至第二换热器第二进口，储能罐出口通过第二调节阀后连接至第一换热器第二进口。

基于压缩机与透平同轴结构的二氧化碳储能系统响应方法，该方法基于所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，包括：

初始状态下，所有调节阀为关闭状态；

当储能系统为待机状态时，打开第四调节阀及第五调节阀，闭合压缩机与透平之间的离合器，电动机带动压缩机与透平以设定的低速旋转，少量二氧化碳气体在压缩机与透平之间循环，为系统快速响应提供初始状态；

当存在储能需求时，系统从待机状态进入储能状态，关闭第四调节阀及第五调节阀，打开第二调节阀及第三调节阀，断开压缩机与透平之间的离合器，电动机提高转速带动压缩机正常工作，透平逐渐降速停机，二氧化碳工质进入压缩机加压后进入第一换热器，释放热量给储冷罐中的工质，被加热后的工质进入储热罐存储，第一换热器第一出口的二氧化碳工质恢复常温状态，随后进行存储；

当存在释能需求时，系统从待机状态进入释能状态，关闭第四调节阀、第五调节阀及电动机，打开第一调节阀及第六调节阀，断开压缩机与透平之间的离合器，压缩机逐渐降速停机，存储的高压二氧化碳工质进入第二换热器，吸收储热罐中工质存储的热量，储热罐中工质在第二换热器中放热后经过冷凝器后存储于储冷罐中，离开第二换热器的高温高压进入透平中膨胀做功，透平在二氧化碳工质推动下升速至工作状态，通过变速箱带动发电机工作输出电能，透平出口的二氧化碳经过第二管路排出进行存储。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明所提出的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，采用离合器将压缩机与透平相连，在系统启动阶段，采用电动机同时为压缩机及透平提供动力，无需额外为透平布置启动电机，系统更加简单、结构更加紧凑，有效减少系统投入成本；

进一步，压缩机出口及透平进口均布置有密封结构，且密封形式可根据具体工况进行调整，能够有效实现二氧化碳工质的低泄露，实现机组长周期、低泄露、安全、可靠运行；

进一步，通过旁路将压缩机进出口与透平进出口直接相连，初始状态下通过电动机维持压缩机与透平以一定的转速旋转，同时二氧化碳在压缩机与透平之间进行闭式循环，避免了停机过程导致系统管路内二氧化碳外泄以及外部空气进入，进一步提高了系统安全性，同时降低了工质泄露带来的能量及工质损失；

进一步，初始状态下压缩机及透平均维持一定的转速，当存在储能或释能需求时，压缩机或透平可以迅速提高转速至工作状态，系统能够根据储能或释能需求做出快速响应，提高了储能系统的响应速度，系统灵活性高。

附图说明

图1为本发明实施例的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构示意图；

附图标记说明：

1、压缩机；2、透平；3、第一换热器；4、第二换热器；5、储热罐；6、储冷罐；7、电动机；8、压缩机侧径向轴承；9、离合器；10、推力轴承；11、透平侧径向轴承；12、变速箱；13、发电机；14、第一调节阀；15、第二调节阀；16、冷凝器；17、第三调节阀；18、第四调节阀；19、第五调节阀；20、第六调节阀；101、压缩机侧密封；102、透平侧密封。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，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其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构示意图，包括：压缩机1、透平2、第一换热器3、第二换热器4、储热罐5、储冷罐6、电动机7、第一径向轴承8、离合器9、推力轴承10、第二径向轴承11、变速箱12、发电机13、第一调节阀14、第二调节阀15、冷凝器16、第三调节阀17、第四调节阀18、第五调节阀19、第六调节阀20、第一密封101及第二密封102。

电动机7与压缩机1布置于Ⅰ号转轴上，透平2布置于Ⅱ号转轴上，Ⅰ号转轴上和Ⅱ号转轴通过离合器9相连，Ⅱ号转轴另一端通过变速箱12连接至发电机13，上述各部件构成二氧化碳储能系统压缩机与透平同轴结构，转轴Ⅰ上电动机7与压缩机1之间布置有第一径向轴承8，转轴Ⅱ上透平2与变速箱12之间布置有第二径向轴承11及推力轴承10，第一径向轴承8及第二径向轴承11可以采用静压轴承、动压径向轴承或电磁轴承等，止推轴承可以采用滚珠轴承、滚锥轴承、球面滚子轴承等。

压缩机1出口通过第一管路连接至第一换热器3第一进口，第一管路上布置有第三调节阀17，第一管路上设置有第一旁路连接至透平2进口，第一旁路上布置有第四调节阀18，透平2出口布置第二管路，第二管路上布置有第六调节阀20，第二管路上设置有第二旁路连接至压缩机1进口，第二旁路上布置有第五调节阀19。第一换热器3第二出口连接至储热罐5，储热罐5出口经过第一调节阀14连接至第二换热器4第二进口，第二换热器4第二出口经过冷凝器16后连接至储冷罐6进口，储能罐6出口通过第二调节阀15后连接至第一换热器3第二进口。

压缩机1及透平2轴向推力反向布置，压缩机1出口侧布置有第一密封101，透平2进口布置有第二密封102，密封形式可采用迷宫密封、干气密封、组合密封等多种形式。

基于压缩机与透平同轴结构的二氧化碳储能系统响应方法，包括以下控制方法：

初始状态下，所有调节阀为关闭状态；

当储能系统为待机状态时，打开第四调节阀18及第五调节阀19，闭合压缩机1与透平2之间的离合器9，电动机7带动压缩机1及透平2以设定的低速旋转，少量二氧化碳气体在压缩机1与透平2之间循环，为系统快速响应提供初始状态；

当存在储能需求时，系统从待机状态进入储能状态，关闭第四调节阀18及第五调节阀19，打开第二调节阀15及第三调节阀17，断开压缩机1与透平2之间的离合器9，电动机7提高转速带动压缩机1正常工作，透平2逐渐降速停机，二氧化碳工质进入压缩机1加压后进入第一换热器3，释放热量给储冷罐6中的工质，被加热后的工质进入储热罐5存储，第一换热器3第一出口的二氧化碳工质恢复常温状态，随后进行存储；

当存在释能需求时，系统从待机状态进入释能状态，关闭第四调节阀18、第五调节阀19及电动机7，打开第一调节阀14及第六调节阀20，断开压缩机1与透平2之间的离合器9，压缩机1逐渐降速停机，存储的高压二氧化碳工质进入第二换热器4，吸收储热罐5中工质存储的热量，储热罐5中工质在第二换热器4中放热后经过冷凝器16后存储于储冷罐6中，离开第二换热器4的高温高压进入透平2中膨胀做功，透平2在二氧化碳工质推动下升速至工作状态，通过变速箱12带动发电机13工作输出电能，透平2出口的二氧化碳经过第二管路排出进行存储；

采用本发明适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构及响应方法，采用离合器进行压缩机与透平的同轴连接，动作响应快，提高了储能系统的动态响应速度，能够很好的解决现有二氧化碳储能技术响应慢，不够灵活等问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，包括电动机、压缩机、透平、离合器和变速箱；

电动机与压缩机布置于Ⅰ号转轴上，透平布置于Ⅱ号转轴的一端，Ⅰ号转轴上和Ⅱ号转轴通过离合器相连，Ⅱ号转轴的另一端通过变速箱连接至发电机，Ⅰ号转轴上的电动机与压缩机之间布置有第一径向轴承，Ⅱ号转轴上透平与变速箱之间布置有第二径向轴承及推力轴承。

2.根据权利要求1所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，第一径向轴承及第二径向轴承采用静压轴承、动压径向轴承或电磁轴承。

3.根据权利要求1所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，止推轴承采用滚珠轴承、滚锥轴承或球面滚子轴承。

4.根据权利要求1所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，压缩机与透平轴向推力反向布置，压缩机出口侧布置有第一密封，透平进口布置有第二密封。

5.根据权利要求4所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，第一密封和第二密封采用迷宫密封、干气密封或组合密封形式。

6.根据权利要求1所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，压缩机出口通过第一管路连接至第一换热器第一进口，第一管路上设置有第一旁路连接至透平进口，透平出口布置第二管路，第二管路上设置有第二旁路连接至压缩机进口；

第一换热器第二出口连接至储热罐，储热罐出口连接至第二换热器第二进口，第二换热器第二出口经过冷凝器后连接至储冷罐进口，储能罐出口连接至第一换热器第二进口。

7.根据权利要求6所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，其特征在于，第一管路上布置有第三调节阀，第一旁路上布置有第四调节阀，第二管路上布置有第六调节阀，第二旁路上布置有第五调节阀，储热罐出口经过第一调节阀连接至第二换热器第二进口，储能罐出口通过第二调节阀后连接至第一换热器第二进口。

8.基于压缩机与透平同轴结构的二氧化碳储能系统响应方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的适用于二氧化碳储能系统的压缩机与透平同轴结构，包括：

初始状态下，所有调节阀为关闭状态；

当储能系统为待机状态时，打开第四调节阀及第五调节阀，闭合压缩机与透平之间的离合器，电动机带动压缩机与透平以设定的低速旋转，少量二氧化碳气体在压缩机与透平之间循环，为系统快速响应提供初始状态；

当存在储能需求时，系统从待机状态进入储能状态，关闭第四调节阀及第五调节阀，打开第二调节阀及第三调节阀，断开压缩机与透平之间的离合器，电动机提高转速带动压缩机正常工作，透平逐渐降速停机，二氧化碳工质进入压缩机加压后进入第一换热器，释放热量给储冷罐中的工质，被加热后的工质进入储热罐存储，第一换热器第一出口的二氧化碳工质恢复常温状态，随后进行存储；

当存在释能需求时，系统从待机状态进入释能状态，关闭第四调节阀、第五调节阀及电动机，打开第一调节阀及第六调节阀，断开压缩机与透平之间的离合器，压缩机逐渐降速停机，存储的高压二氧化碳工质进入第二换热器，吸收储热罐中工质存储的热量，储热罐中工质在第二换热器中放热后经过冷凝器后存储于储冷罐中，离开第二换热器的高温高压进入透平中膨胀做功，透平在二氧化碳工质推动下升速至工作状态，通过变速箱带动发电机工作输出电能，透平出口的二氧化碳经过第二管路排出进行存储。

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