CN114543376A - 一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，包括：首尾依次相连接的压缩单元、回热单元、热源、耗功单元、水冷单元。其中，压缩单元出口管路与回热单元低压端出口管路之间的第一旁路上设有第一调节阀，耗功单元出口管路上靠近回热单元的低压循环介质入口处设置有第二调节阀，回热单元高压端出口管路与耗功单元出口管路之间的第二旁路上设有第三调节阀，压缩单元的压缩机的压缩机入口管路上设有第四调节阀。本发明的闭式循环系统提高了能源和循环介质的利用效率，避免了由于压力和流量的调整所导致的闭式循环系统的波动。

Description

一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统
技术领域
本发明涉及控制闭式循环系统稳定的技术领域，尤其是一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统。
背景技术
闭式循环系统在运行前根据系统运行参数充装一定量的循环介质，在运行过程中保持循环介质的质量基本不变，只进行微调；通过调节闭式系统中各单元的运行状态改变系统性能。经系统的耗功单元做完功后的高温循环介质可以通过回热单元等部件预热，重新进入耗功单元；系统停机后，可将循环介质回收到介质储存单元中，这样最大程度的利用了热源提供的能量，同时基本杜绝了循环介质的浪费。
但是闭式循环系统相比开放式系统，闭式循环系统的配置相对复杂，调节难度变大。因为循环介质在系统中循环流动，某个单元的状态参数改变会引起其他单元状态的变化，对于旋转机械，输入变化仅引起输出变化；对于换热设备，输入变化会引起多个回路的输出变化，其他各个单元的变化累积后，在回归至该单元的输入端时，输入端的参数也已经发生变化，从而影响下一个循环的参数，加剧系统波动，造成系统的不稳定，无法实现预期的调节和做功目标，很难快速地实现预期试验工况点。
目前很多闭式循环系统采用的参数调整方法主要有：(1)入口缓冲法。为了保证压缩单元入口压力、流量稳定，在压缩单元的入口处设置缓冲措施，如与系统容积成一定比例的缓冲罐，当压缩单元入口参数在一定范围波动时可以将波动过滤掉，起到“蓄水池”的作用，使得压缩单元始终工作在合理的工作参数区间。此方法会造成系统配置增加，投资加大；(2)在线充放气法。当系统参数需要调整时，通过外界对闭式系统重放介质完成，虽然此方法在调整时不影响压缩单元的压缩比，但响应速度较慢，同时需要增加一套在线充放气的设备；(3)回流法。在压缩单元出口建立回流管路，系统初始阶段通过回流管路建立大流量，然后从回流管路中分流一小部分供主路循环进行使用，保证主路循环的压力和流量稳定，此方法与方法(1)思路一致，将回流管路当成了“蓄水池”。由于回流的流量较大，此方法使系统的能源消耗较大，配置复杂，效率较低。(4)旁通法。旁通法是通过压缩单元的后设置旁路阀进行调整，该方法调整速度较快，但是由于压缩单元工作特性的限制，不正确的阀组设置往往会改变压缩单元压比，影响压缩单元的工作性能，从而对整个系统稳定工作产生很大影响。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，提高了能源和循环介质的利用效率，避免了由于压力和流量的调整所导致的闭式循环系统的波动。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，包括：压缩单元、回热单元、热源、耗功单元、水冷单元；
所述压缩单元包括压缩机，压缩机的压缩机出口管路连接压缩单元出口管路；
所述回热单元包括换热器，换热器的高压循环介质入口连接压缩单元出口管路，换热器的高压循环介质出口连接回热单元高压端出口管路；
所述热源的入口连接回热单元高压端出口管路，所述热源的出口连接热源出口管路；
所述耗功单元的入口连接热源出口管路，所述耗功单元的出口连接耗功单元出口管路；
所述回热单元中的换热器的低压循环介质入口连接耗功单元出口管路；所述回热单元中的换热器的低压循环介质出口连接回热单元低压端出口管路；
所述水冷单元的入口连接回热单元低压端出口管路；所述水冷单元的出口连接水冷单元出口管路，水冷单元出口管路与压缩机进口管路连接。
所述压缩单元出口管路与回热单元低压端出口管路之间通过第一旁路连接，第一旁路上设有第一调节阀。
所述压缩单元中的压缩机的压缩机入口管路上均设有第四调节阀。
所述回热单元高压端出口管路与耗功单元出口管路之间通过第二旁路连接，第二旁路上设有第三调节阀。
所述耗功单元出口管路上靠近回热单元的低压循环介质入口处设置有第二调节阀。
系统还包括测控单元和调节阀组；
所述测控单元包括：压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪、控制器；
所述调节阀组包括：设置于系统管路上的各个调节阀、设置于系统设备上的各个调节阀；
系统中的各个设备包括：压缩单元、回热单元、热源、耗功单元、水冷单元中的各个设备；
系统中的各个设备的入口和出口均设有压力测量仪和温度测量仪；
压缩单元的压缩机出口、回热单元的换热器的高压循环介质出口和低压循环介质出口、管路上的各个调节阀的出口均设有流量测量仪；
所述压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪均将所测量的结果发送至控制器；
所述控制器用于控制管路以及设备上的各个调节阀的启闭和开度。
所述压缩单元包括若干台并联的压缩机，此若干台并联的压缩机之间，每台压缩机的压缩机入口管路均连接水冷单元出口管路，每台压缩机的压缩机出口管路均连接压缩单元出口管路；
所述压缩单元的每台压缩机的压缩机入口管路上均设有第四调节阀。
所述回热单元包括若干台串联的换热器，此若干台串联的换热器之间，前一台换热器的高压循环介质出口与后一台换热器的高压循环介质入口相连接，前一台换热器的低压循环介质入口与后一台换热器的低压循环介质出口相连接；
所述回热单元中的第一台换热器的高压循环介质入口连接压缩单元出口管路，所述回热单元中的最后一台换热器的高压循环介质出口连接回热单元高压端出口管路；
所述回热单元中的最后一台换热器的低压循环介质入口连接耗功单元出口管路；所述回热单元中的第一台换热器的低压循环介质出口连接回热单元低压端出口管路。
本发明的优点在于：
(1)本发明的闭式循环系统中，压缩单元用于驱动系统中的循环介质，回热单元和热源分别用于对循环介质进行预热和加热，即为循环介质做功提供热量，耗功单元用于对循环介质的热量进行耗散，水冷单元对循环介质进行水冷，循环介质在闭式循环系统中无需排放，杜绝了循环介质的浪费，且提高了能源和循环介质的利用效率。
(2)本发明的闭式循环系统，使得系统的压力和流量在调整过程中能快速回归稳定状态，降低了由于压力和流量的调整对闭式循环系统中各单元的工作状态造成的不利影响，使得闭式循环系统的参数调整变得高效。
(3)本发明通过合理的布置管路上的各个调节阀的位置，避免了由于调节阀的启闭或开度的变化所导致的系统波动。
(4)本发明通过在试验初始时关闭第二调节阀和第三调节阀，通过开启压缩单元、第一调节阀、第四调节阀，可以在压缩单元-第一调节阀-回热单元-第四调节阀之间建立稳定的流量和压力循环，建立起的流量比试验所需的最大流量稍大即可；该循环稳定后，逐步打开第二调节阀、减小第一调节阀的开度或直至关闭，建立起流经回热单元、热源和耗功单元的稳定流量；通过调节第三调节阀和第二调节阀的开度调节进入热源的流量并稳定进入回热单元循环介质的压力，从而保证分流和回热单元工作的稳定性，保持压缩单元的压比不会有大的波动，系统工作更加平稳；通过调节第四调节阀的开度可以对进入压缩单元的循环介质压力进行微调，使压缩单元工作更加稳定。在系统需要进行参数调整时，可以通过以上调节方法对系统进行快速调整。
(5)本发明通过控制各个调节阀的启闭和开度，可以稳定且几乎线性地调整闭式循环系统对外的做功量，解决闭式循环系统在压力流量的调整过程中的波动问题。
(6)本发明通过测控单元对系统中的各个管路和各个设备的压力、温度、路上的调节阀均根据其出口处的流量与主路的总流量比值进行开度调整，控制进入回热单元和耗功单元的循环介质的流量，从而控制循环介质的做功量。
(7)该方法通过配置相应阀组可以较大范围的进行系统参数的变更，无需配备额外的设备，增加投资；在系统运行过程中无需通过外界对系统进行更改，减少了外界对系统的影响；同时无需大流量回流，减少运行过程中的能量消耗，经济性良好。
附图说明
图1为本发明的闭式循环系统的整体示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
由图1所示，一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，包括：压缩单元1、回热单元2、热源3、耗功单元4、水冷单元5、第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、第四调节阀64、测控单元。
所述压缩单元1包括若干台并联的压缩机，用于驱动系统中的循环介质。
此若干台并联的压缩机之间，每台压缩机的入口分别连接其对应的压缩机入口管路，每台压缩机的压缩机入口管路均连接水冷单元出口管路VI，每台压缩机的出口分别连接其对应的压缩机出口管路，每台压缩机的压缩机出口管路均连接压缩单元出口管路I。
所述回热单元2包括若干台串联的换热器，用于对循环介质进行加热，即为循环介质做功提供热量。
此若干台串联的换热器之间，前一台换热器的高压循环介质出口与后一台换热器的高压循环介质入口相连接，前一台换热器的低压循环介质入口与后一台换热器的低压循环介质出口相连接；
所述回热单元2中的第一台换热器的高压循环介质入口连接压缩单元出口管路I，所述回热单元2中的最后一台换热器的高压循环介质出口连接回热单元高压端出口管路II。
所述热源3用于提供循环介质的热量，即为循环介质做功提供热量；所述热源3为锅炉、反应堆或换热器等。
所述热源3的入口连接回热单元高压端出口管路II，所述热源3的出口连接热源出口管路III。
所述耗功单元4用于对循环介质的热量进行耗散，所述耗功单元4可采用透平或换热器等。
所述耗功单元4的入口连接热源出口管路III，所述耗功单元4的出口连接耗功单元出口管路IV。
所述回热单元2中的最后一台换热器的低压循环介质入口连接耗功单元出口管路IV；所述回热单元2中的第一台换热器的低压循环介质出口连接回热单元低压端出口管路V。
所述水冷单元5包括水冷换热器和循环冷却水机组。
所述水冷单元5的入口连接回热单元低压端出口管路V；所述水冷单元5的出口连接水冷单元出口管路VI。
所述压缩单元出口管路I与回热单元低压端出口管路V之间通过第一旁路VII连接，第一旁路VII上设有第一调节阀61。
所述耗功单元出口管路IV上靠近回热单元2的低压循环介质入口处设置有第二调节阀62。
所述回热单元高压端出口管路II与耗功单元出口管路IV之间通过第二旁路VIII连接，第二旁路VIII上设有第三调节阀63。
所述压缩单元1的每台压缩机的压缩机入口管路上均设有第四调节阀64。
所述测控单元包括：压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪、控制器。
系统中各个设备的入口和出口均设有压力测量仪和温度测量仪；系统中的设备包括：压缩单元1、回热单元2、热源3、耗功单元4、水冷单元5中的各个设备。
压缩单元1中各个压缩机的出口、回热单元2的高压循环介质出口和低压循环介质出口、管路上的各个调节阀的出口均设有流量测量仪。
管路上的各个调节阀即包括第一调节阀61、第二调节阀62、第三调节阀63、第四调节阀64。
所述压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪均将所测量的结果发送至控制器。
所述控制器用于控制管路以及设备上的各个调节阀的启闭和开度。
管路上的各个调节阀根据其出口处的流量与主路的总流量比值进行开度调整，控制进入回热单元和耗功单元的循环介质的流量，从而控制循环介质的做功量，循环介质的做功量与循环介质的温度、压力、流量均有关系。
设备上的各个调节阀根据其对应设备的出口温度、出口压力、入口温度、入口压力、出口流量，控制设备的工作参数。
通过控制第一调节阀61的启闭和开度，在不改变压缩单元自身工作特性的情况下，控制耗功单元4的质量流量即单位时间流经耗功单元4的循环介质的质量，形成压缩单元1、水冷单元5之间的小循环。
通过控制第三调节阀63的启闭和开度，控制进入热源3进行吸热的循环介质的流量，从而控制进入耗功单元4的循环介质的流量。第三调节阀63开度越大，进入热源3的循环介质的流量越小，进入耗功单元4的循环介质的流量也越小，从而降低耗功单元4的做功功率。
由于第三调节阀63的开启，使得回热单元2的高压循环介质出口流出的部分高压循环介质通过第二旁路VIII、耗功单元出口管路IV会流入回热单元2的低压循环介质入口，导致系统产生压力波动，改变后续单元的工作状态，尤其是压缩单元2的工作状态，因此，通过控制第二调节阀62的开度，使得系统的压力保持稳定。
通过控制第四调节阀64的开度，分别对进入每台压缩机的循环介质的流量进行微调，从而使单独的每台压缩机的工作状态都能更加稳定。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，包括：压缩单元(1)、回热单元(2)、热源(3)、耗功单元(4)、水冷单元(5)；
所述压缩单元(1)包括压缩机，压缩机的压缩机出口管路连接压缩单元出口管路(I)；
所述回热单元(2)包括换热器，换热器的高压循环介质入口连接压缩单元出口管路(I)，换热器的高压循环介质出口连接回热单元高压端出口管路(II)；
所述热源(3)的入口连接回热单元高压端出口管路(II)，所述热源(3)的出口连接热源出口管路(III)；
所述耗功单元(4)的入口连接热源出口管路(III)，所述耗功单元(4)的出口连接耗功单元出口管路(IV)；
所述回热单元(2)中的换热器的低压循环介质入口连接耗功单元出口管路(IV)；所述回热单元(2)中的换热器的低压循环介质出口连接回热单元低压端出口管路(V)；
所述水冷单元(5)的入口连接回热单元低压端出口管路(V)；所述水冷单元(5)的出口连接水冷单元出口管路(VI)，水冷单元出口管路(VI)与压缩机进口管路连接。
2.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述压缩单元出口管路(I)与回热单元低压端出口管路(V)之间通过第一旁路(VII)连接，第一旁路(VII)上设有第一调节阀(61)。
3.根据权利要求2所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，通过调整第一调节阀61的启闭和开度，控制进入系统主路循环的介质流量；
系统刚开始运行时，打开调节阀(61)，关闭调节阀(62(63))，利用压缩单元(1)与水冷单元(5)之间的循环回路对系统的流量和压力进行稳定，稳定后通过调整调节阀(61)、(62)、(63)的开度，使进入回热单元的流量达到预定值，系统进入工作状态。
4.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述压缩单元(1)中的压缩机的压缩机入口管路上均设有第四调节阀(64)。
5.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述回热单元高压端出口管路(II)与耗功单元出口管路(IV)之间通过第二旁路(VIII)连接，第二旁路(VIII)上设有第三调节阀(63)。
6.根据权利要求5所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述耗功单元出口管路(IV)上靠近回热单元(2)的低压循环介质入口处设置有第二调节阀(62)。
7.根据权利要求6所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，调整第三调节阀(63)的开度控制进入热源(3)的流量，并通过调整第二调节阀(62)的开度使得系统的压力保持稳定，从而保持压缩单元的稳定工作。
8.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，还包括测控单元和调节阀组；
所述测控单元包括：压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪、控制器；
所述调节阀组包括：设置于系统管路上的各个调节阀、设置于系统设备上的各个调节阀；
系统中的各个设备包括：压缩单元(1)、回热单元(2)、热源(3)、耗功单元(4)、水冷单元(5)中的各个设备；
系统中的各个设备的入口和出口均设有压力测量仪和温度测量仪；
压缩单元(1)的压缩机出口、回热单元(2)的换热器的高压循环介质出口和低压循环介质出口、管路上的各个调节阀的出口均设有流量测量仪；
所述压力测量仪、温度测量仪、流量测量仪均将所测量的结果发送至控制器；
所述控制器用于控制管路以及设备上的各个调节阀的启闭和开度。
9.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述压缩单元(1)包括若干台并联的压缩机，此若干台并联的压缩机之间，每台压缩机的压缩机入口管路均连接水冷单元出口管路(VI)，每台压缩机的压缩机出口管路均连接压缩单元出口管路(I)；
所述压缩单元(1)的每台压缩机的压缩机入口管路上均设有第四调节阀(64)；通过调整第四调节阀(64)的开度，对进入每台压缩机的循环介质的流量进行微调。
10.根据权利要求1所述的一种流量和压力快速稳定的闭式循环系统，其特征在于，所述回热单元(2)包括若干台串联的换热器，此若干台串联的换热器之间，前一台换热器的高压循环介质出口与后一台换热器的高压循环介质入口相连接，前一台换热器的低压循环介质入口与后一台换热器的低压循环介质出口相连接；
所述回热单元(2)中的第一台换热器的高压循环介质入口连接压缩单元出口管路(I)，所述回热单元(2)中的最后一台换热器的高压循环介质出口连接回热单元高压端出口管路(II)；
所述回热单元(2)中的最后一台换热器的低压循环介质入口连接耗功单元出口管路(IV)；所述回热单元(2)中的第一台换热器的低压循环介质出口连接回热单元低压端出口管路(V)。
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