CN114370716B - 超临界二氧化碳压缩机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超临界二氧化碳压缩机系统，涉及压缩机系统技术领域，包括压缩主机、电机冷却水箱、气液混合器，压缩主机依次连接有电机和电机空冷器，电机空冷器用于吸取舱室内混有泄漏的二氧化碳的混合气体，电机冷却水箱的上部的二氧化碳排出口通过二氧化碳管路连接至压缩主机的工质补充口，电机的远离电机空冷器的一端连接有排气管，排气管穿设于电机冷却水箱，气液混合器的出水口通过气水分离装置连接至电机冷却水箱的进水口，排气管延伸至气液混合器中，电机冷却水箱的排水口连接有排水管，排水管经过冷却器连接至气液混合器的进水口，避免了因二氧化碳泄漏至舱室导致基于二氧化碳的工质装量浪费以及给舱室内的运行人员带来威胁的问题。

Description

超临界二氧化碳压缩机系统
技术领域
本发明涉及压缩机系统技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳压缩机系统。
背景技术
压缩机组是超临界二氧化碳布雷顿循环系统的核心设备，其特性对系统整体性能影响很大，压缩机组的关键点和难点包括高速电机的散热、密封有效性等等，在目前的技术水平下，高速旋转机械的动密封存在一直泄漏的实际情况，目前针对二氧化碳的处理主要采用吸附剂，一则难以实现充分吸附，二则无法循环利用二氧化碳，这对超临界二氧化碳的工程应用带来一定的难度。
具体表现在以下两点，第一是二氧化碳泄漏到舱室内，对运行人员的安全带来威胁，第二是由于二氧化碳不可避免的泄漏，发电系统内的工质装量逐渐减少，需要对系统进行工质补充，那么由于长期处于必须在海洋浮动核电站中存放大量二氧化碳钢瓶等，占用大量浮动电站的空间，对电站的浮力带来影响。
发明内容
本发明提供一种超临界二氧化碳压缩机系统，以解决现有的应用二氧化碳工质的高速旋转机械因二氧化碳泄漏导致基于二氧化碳的工质装量浪费以及给舱室内的运行人员带来威胁的问题。
本发明提供的超临界二氧化碳压缩机系统，包括：
压缩主机，依次连接有电机和电机空冷器，所述电机空冷器设有吸气口，适于吸取舱室内混有二氧化碳的混合气体；
电机冷却水箱，上部设有二氧化碳排出口和进水口，下部设有排水口，所述二氧化碳排出口通过二氧化碳管路连接至所述压缩主机的工质补充口，所述电机的远离所述电机空冷器的一端连接有排气管，所述排气管穿设于所述电机冷却水箱；
气液混合器，设有出水口和进水口，所述出水口通过气水分离装置连接至所述电机冷却水箱的进水口，所述排气管延伸至所述气液混合器中；
所述电机冷却水箱的排水口连接有排水管，所述排水管经过冷却器连接至所述气液混合器的进水口。
进一步地，所述气液混合器为射流器，所述射流器设有射流喷头，所述射流喷头连接所述射流器的进水口，所述射流喷头朝向所述射流器的出水口设置。
进一步地，所述排气管位于所述气液混合器中的排气口朝向所述射流喷头设置。
进一步地，所述冷却器为海水冷却器，所述海水冷却器设有第一换热管和第二换热管，所述第一换热管连接至海水管路，所述第二换热管连接至所述排水管。
进一步地，所述气水分离装置的顶部设有不溶气体排出口，所述气水分离装置的底部设有出水口，所述气水分离装置的出水口连接至所述电机冷却水箱的进水口。
进一步地，所述电机空冷器设于所述电机的进气口处，所述排气管连接至所述电机的出气口处，所述电机的进气口和所述电机的出气口之间形成容纳定子和转子的空间。
进一步地，所述压缩主机、所述电机以及所述电机空冷器设于密闭的舱室内。
进一步地，所述压缩主机的排气口和进气口连接至二氧化碳主循环管路。
进一步地，所述工质补充口设于靠近所述压缩主机的所述二氧化碳主循环管路上。
进一步地，所述电机冷却水箱呈长方体形，所述电机冷却水箱的排水口和所述电机冷却水箱的进水口分设于所述电机冷却水箱长度方向的两端，且所述电机冷却水箱的排水口位于所述电机冷却水箱的底部，所述电机冷却水箱的进水口设于所述电机冷却水箱的顶部。
本发明提供的超临界二氧化碳压缩机系统的有益效果为：
(1)针对高速旋转机械的动密封一直存在泄漏二氧化碳的实际情况，通过电机空冷器将舱室内混有泄漏的二氧化碳的混合气体吸入电机内部，二氧化碳混合气体可以实现对电机内部定子转子等部件进行吸热冷却；此外，这部分气体从电机排出后温度升高，进入排气管后可作为热源对位于电机冷却水箱内的混合二氧化碳的液体进行加热，以便于二氧化碳受热析出并回收利用，节约了二氧化碳从电机冷却水箱内的混合液体中析出所需的额外能耗。
(2)排气管内混合有二氧化碳的混合气体经过电机冷却水箱冷却后，与气液混合器内的溶液进行混合，二氧化碳溶于溶液中，不溶于溶液的气体从气水分离装置排出，而混有二氧化碳的溶液进入电机冷却水箱中并在排气管所散发的热量作用下，二氧化碳气体受热从电机冷却水箱内的溶液中析出并经二氧化碳管路进入压缩主机的工质补充口，使泄漏至舱室内的二氧化碳得到回收利用，避免了现有的应用于压缩机组中的高速旋转机械因二氧化碳泄漏导致二氧化碳的工质装量浪费，而且避免了泄漏至舱室内的二氧化碳气体给运行人员安全带来威胁的问题。
(3)电机冷却水箱中析出二氧化碳气体后的溶液从电机冷却水箱的排水口输出至排水管，排水管内的溶液经过冷却器冷却后再次进入气液混合器并与进入气液混合器中的二氧化碳混合气体进行混合，实现了溶液的循环使用和二氧化碳的循环回收，即使从电机冷却水箱排出的溶液仍有部分二氧化碳未彻底析出，仍可通过多次循环的方式进行二氧化碳气体的回收，提高了泄漏的二氧化碳的回收率，无需额外补充二氧化碳而且安全性高。
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压缩机系统的结构示意图；1、压缩主机；11、工质补充口；2、电机；21、排气管；3、电机空冷器；4、电机冷却水箱；41、排水管；5、二氧化碳管路；6、气液混合器；7、气水分离装置；8、冷却器；81、第一换热管；82、第二换热管；9、二氧化碳主循环管路。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，特征在第二特征“上”或“下”可以是和第二特征直接接触，或和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示特征水平高度高于第二特征。特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“方面实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明提供的超临界二氧化碳压缩机系统。
如图1所示，本发明提供的一种超临界二氧化碳压缩机系统，主要包括压缩主机1、电机冷却水箱4以及气液混合器6。
具体地，压缩主机1依次连接有电机2和电机空冷器3，电机空冷器3设有吸气口，适于吸取舱室内混有二氧化碳的混合气体。
电机冷却水箱4的上部设有二氧化碳排出口和进水口，下部设有排水口，二氧化碳排出口通过二氧化碳管路5连接至压缩主机1的工质补充口11，电机2的远离电机空冷器3的一端连接有排气管21，排气管21穿设于电机冷却水箱4。
气液混合器6设有出水口和进水口，出水口通过气水分离装置7连接至电机冷却水箱4的进水口，排气管21延伸至气液混合器6中；
电机冷却水箱4的排水口连接有排水管41，排水管41经过冷却器8连接至气液混合器6的进水口。
本实施例的超临界二氧化碳压缩机系统的工作过程及原理如下：
首先，舱室内混有泄漏的二氧化碳的混合气体被电机空冷器3吸取后进入电机2的内部，混有泄漏的二氧化碳的混合气体对电机2内部进行吸热冷却。
其次，电机2内部的混有泄漏的二氧化碳的混合气体从连接电机2的排气管21排出，经电机冷却水箱4冷却后输送至气液混合器6中，溶液(通常为水)从气液混合器6的进水口喷出至气液混合器6的内部并与混有泄漏的二氧化碳的混合气体混合，二氧化碳溶于水中；
再者，二氧化碳水溶液从气液混合器6的出水口输送至气水分离装置7中，在气水分离装置7中，难溶解于水的氮气、氧气等气体从气水分离装置7上端排出，二氧化碳水溶液从电机冷却水箱4的进水口进入电机冷却水箱4。
接着，穿设于电机冷却水箱4的排气管21因含有吸收了电机2内部热量的混合气体，排气管21将热量散发至电机冷却水箱4中，进而使电机冷却水箱4的溶液被加热，二氧化碳气体从溶液中析出，析出后的二氧化碳气体经二氧化碳管路5输送至压缩主机1的工质补充口11。
而后，电机冷却水箱4的溶液从电机冷却水箱4的排出口排出至排水管41，流经排水管41的溶液在冷却器8的作用下得到冷却并再次进入气液混合器6中与混合气体进行混合，如此循环，直至二氧化碳被完全回收。
本发明实施例，针对高速旋转机械的动密封一直存在泄漏二氧化碳的实际情况，通过电机空冷器3将舱室内混有泄漏的二氧化碳的混合气体吸入电机2内部，二氧化碳混合气体可以实现对电机2内部定子转子等部件进行吸热冷却；此外，这部分气体从电机2排出后温度升高，进入排气管21后可作为热源对位于电机冷却水箱4内的混合二氧化碳的液体进行加热，以便于二氧化碳受热析出并回收利用，节约了二氧化碳从电机冷却水箱4内的混合液体中析出所需的额外能耗。
排气管21内混合有二氧化碳的混合气体经过电机冷却水箱4冷却后，与气液混合器6内的溶液进行混合，二氧化碳溶于溶液中，不溶于溶液的气体从气水分离装置7排出，而混有二氧化碳的溶液进入电机冷却水箱4中并在排气管21所散发的热量作用下，二氧化碳气体受热从电机冷却水箱4内的溶液中析出并经二氧化碳管路5进入压缩主机1的工质补充口11，使泄漏至舱室内的二氧化碳得到回收利用，避免了现有的应用于压缩机组中的高速旋转机械因二氧化碳泄漏导致二氧化碳的工质装量浪费，而且避免了泄漏至舱室内的二氧化碳气体给运行人员安全带来威胁的问题。
电机冷却水箱4中析出二氧化碳气体后的溶液从电机冷却水箱4的排水口输出至排水管41，排水管41内的溶液经过冷却器8冷却后再次进入气液混合器6并与进入气液混合器6中的二氧化碳混合气体进行混合，实现了溶液的循环使用和二氧化碳的循环回收，即使从电机冷却水箱4排出的溶液仍有部分二氧化碳未彻底析出，仍可通过多次循环的方式进行二氧化碳气体的回收，提高了泄漏的二氧化碳的回收率，无需额外补充二氧化碳而且安全性高。
根据本发明提供的一种实施例，气液混合器6为射流器，射流器设有射流喷头，射流喷头连接射流器的进水口，射流喷头朝向射流器的出水口设置。
本实施例中，射流器通过射流喷头将排水管41内的溶液喷射至气液混合器6内，使溶液能与气液混合器6内的混合气体充分混合，此外，通过使射流喷头朝向射流器的出水口设置，让射流喷头喷出的溶液能在输出压力作用下朝射流器的出水口输送，使溶液在射流喷头的喷射作用下直接输送至射流器的出水口，无需额外设置用于将溶液输送至气液混合器6内或将使气液混合器6内的溶液输送至气液混合器6的出水口的泵体。
根据本发明提供的一种实施例，排气管21位于气液混合器6中的排气口朝向射流喷头设置。
本实施例中，排气管21位于气液混合器6中的排气口的朝向与射流喷头的朝向一致，从排气管21的排气口输出的混合气体能朝射流喷头输送，排气管21位于气液混合器6中的排气口为混合气体提供的输出作用力的方向适于混合气体在混合器6中的输送方向。
根据本发明提供的一种实施例，冷却器8为海水冷却器8，海水冷却器8设有第一换热管81和第二换热管82，第一换热管81连接至海水管路，第二换热管82连接至排水管41。
可理解地，第一换热管81和第二换热管82均通过导热材料制成。
通过将冷却器8设置为海水冷却器8，通过海水冷却的方式对排水管41内的溶液进行冷却，无需额外的冷却液对排水管41内的溶液进行冷却，充分利用了自然资源，节约了成本。
根据本发明提供的一种实施例，气水分离装置7的顶部设有不溶气体排出口，气水分离装置7的底部设有出水口，气水分离装置7的出水口连接至电机冷却水箱4的进水口。
不溶气体会聚集至溶液的上方，将不溶气体排出口设置在气水分离装置7的顶部，更易于使不溶气体排出。
根据本发明提供的一种实施例，电机空冷器3设于电机2的进气口处，排气管21连接至电机2的出气口处，电机2的进气口和电机2的出气口之间形成容纳定子和转子的空间。
通过使电机空冷器3和排气管21分别设置在电机2的进气口和出气口处，使进入电机2的混合气体能充分地在电机2内流动以对电机2进行更充分的吸热。
根据工作需要，压缩主机1、电机2以及电机空冷器3设于密闭的舱室内。
密闭舱室的工作环境要求高，通过设置本实施例的二氧化碳回收系统，无需额外设置二氧化碳吸附剂等，能够回收绝大部分泄漏至舱室内的二氧化碳，保持舱室内的环境以及保证舱室内的安全性。
根据本发明提供的一种实施例，压缩主机1的排气口和进气口连接至二氧化碳主循环管路9。
输送至压缩主机1的二氧化碳气体能进入二氧化碳主循环管路9中进行循环。
根据本发明提供的一种实施例，工质补充口11设于靠近压缩主机1的二氧化碳主循环管路9上。
从工质补充口11输出的二氧化碳能直接流入二氧化碳主循环管路9中进行循环使用。
根据本发明提供的一种实施例，电机冷却水箱4呈长方体形，也可以呈长圆柱形，具体形状在此不做具体限定。电机冷却水箱4的排水口和电机冷却水箱4的进水口分设于电机冷却水箱4长度方向的两端，且电机冷却水箱4的排水口位于电机冷却水箱4的底部，电机冷却水箱4的进水口设于电机冷却水箱4的顶部，使得进入电机冷却水箱4的二氧化碳水溶液能够与排气管充分接触吸热后从排水口排出。
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压缩机系统，其特征在于，包括：
压缩主机（1），依次连接有电机（2）和电机空冷器（3），所述电机空冷器（3）设有吸气口，适于吸取舱室内混有二氧化碳的混合气体；
电机冷却水箱（4），上部设有二氧化碳排出口和进水口，下部设有排水口，所述二氧化碳排出口通过二氧化碳管路（5）连接至所述压缩主机（1）的工质补充口（11），所述电机（2）的远离所述电机空冷器（3）的一端连接有排气管（21），所述排气管（21）穿设于所述电机冷却水箱（4）；
气液混合器（6），设有出水口和进水口，所述出水口通过气水分离装置（7）连接至所述电机冷却水箱（4）的进水口，所述排气管（21）延伸至所述气液混合器（6）中；
所述电机冷却水箱（4）的排水口连接有排水管（41），所述排水管（41）经过冷却器（8）连接至所述气液混合器（6）的进水口。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述气液混合器（6）为射流器，所述射流器设有射流喷头，所述射流喷头连接所述射流器的进水口，所述射流喷头朝向所述射流器的出水口设置。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述排气管（21）位于所述气液混合器（6）中的排气口朝向所述射流喷头设置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述冷却器（8）为海水冷却器（8），所述海水冷却器（8）设有第一换热管（81）和第二换热管（82），所述第一换热管（81）连接至海水管路，所述第二换热管（82）连接至所述排水管（41）。
5.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述气水分离装置（7）的顶部设有不溶气体排出口，所述气水分离装置（7）的底部设有出水口，所述气水分离装置（7）的出水口连接至所述电机冷却水箱（4）的进水口。
6.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述电机空冷器（3）设于所述电机（2）的进气口处，所述排气管（21）连接至所述电机（2）的出气口处，所述电机（2）的进气口和所述电机（2）的出气口之间形成容纳定子和转子的空间。
7.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述压缩主机（1）、所述电机（2）以及所述电机空冷器（3）设于密闭的舱室内。
8.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述压缩主机（1）的排气口和进气口连接至二氧化碳主循环管路（9）。
9.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述工质补充口（11）设于靠近所述压缩主机（1）的二氧化碳主循环管路（9）上。
10.根据权利要求1-3任一项所述的超临界二氧化碳压缩机系统，其特征在于，所述电机冷却水箱（4）呈长方体形，所述电机冷却水箱（4）的排水口和所述电机冷却水箱（4）的进水口分设于所述电机冷却水箱（4）长度方向的两端，且所述电机冷却水箱（4）的排水口位于所述电机冷却水箱（4）的底部，所述电机冷却水箱（4）的进水口设于所述电机冷却水箱（4）的顶部。
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