CN114594133A - 一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，包括柱塞泵、孔板流量计、印刷电路板式换热器、加热段、印刷电路板式冷却器、科式质量流量计、降压孔板、涡轮流量计、水冷式冷水机、冷却塔、电动流量调节阀、二氧化碳储液罐、充排柱塞泵和电动充排阀组等；同时设计有数据采集及控制系统。本发明以超临界二氧化碳工业应用技术为依托，采用了新型布雷顿循环的布置方式，采用柱塞泵替代压缩机，采用降压阀和节流孔板替代气轮机，节约了建造研发成本的同时可开展闭式超临界二氧化碳布雷顿循环的动态特性研究、微通道印刷电路板式换热器的稳态和动态特性研究、棒束流动通道超临界二氧化碳流动换热研究等工作。

Description

一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置

技术领域

本发明属于能源实验技术应用领域，尤其涉及一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置。

背景技术

超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环具有涡轮机械小、循环布置简单、中温循环效率高、干冷效率损失低等特点，使得其十分适合于核反应堆的发电系统，替换现有的朗肯循环。理想的S-CO₂布雷顿循环与朗肯循环和其他气体布雷顿循环具有相同的四个热过程，包括等压加热过程、等熵膨胀过程、等压放热过程和等熵压缩过程。

S-CO₂布雷顿循环的特殊之处在于采用S-CO₂作为传热流体，将压缩机入口流体冷却到接近S-CO₂临界点，其高密度有助于降低压缩机的工作消耗。气体布雷顿循环采用理想气体作为冷却剂，无相变过程。由于S-CO₂的特殊热性质和循环结构，S-CO₂布雷顿循环具有鲜明的特点。压缩机入口流体密度高，可减少压缩机的消耗功。随着温度的升高，S-CO₂无相变，使加热过程更加高效，到达涡轮的流体温度较高，提高了功率转换效率。气轮机膨胀过程始终是单相的，没有凝结的危险。气轮机系统可以移除朗肯循环中使用的汽水分离再热器，简化了系统配置。大的S-CO₂密度和小的压力比使得涡轮机械非常紧凑。冷却过程中的流体具有很大的比热，提高了换热效率。低粘度的S-CO₂使系统具有较低的压降。整个循环中的单相CO₂消除了相变过程，加快了动态响应。S-CO₂动力循环在中等涡轮进口温度(约450-600℃)下效率较高，接近四代反应堆设计的堆芯出口温度。S-CO₂动力循环的简易和紧凑性有助于节省成本，提高核电站经济性。

实验研究是进行闭式S-CO₂布雷顿循环可行性研究的基础。小型集成S-CO₂布雷顿循环实验回路有助于实现以下目标：1)对汽轮机、压缩机、回热器、预冷器等关键部件的性能进行实验；2)积累闭式S-CO₂布雷顿循环的运行经验，以往没有参考；3)研究循环启动的控制策略，停堆和功率机动；4)为瞬态分析程序验证积累实验数据，可用于更大功率下S-CO₂布雷顿循环的进一步设计。基于S-CO₂布雷顿循环的聚光太阳能发电(CSP)技术被中国科协评为2018年“能源与电力领域十大工程技术难题”之一。越来越多的中国研究人员致力于S-CO₂布雷顿循环的技术开发。

发明内容

本发明针对超临界二氧化碳流动传热的工业及科研应用需求，提供了一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，包括柱塞泵、孔板流量计、印刷电路板式换热器、实验段、印刷电路板式冷却器、科式质量流量计、涡轮流量计、水冷式冷水机、冷却塔、二氧化碳储液罐、充排柱塞泵以及降压孔板；

二氧化碳储液罐的出口连接至充排柱塞泵的入口，充排柱塞泵的出口通过电动充排阀组和科式质量流量计的出口连接至柱塞泵的入口，柱塞泵的出口连接至孔板流量计的入口，孔板流量计的出口通过电动流量调节阀连接至印刷电路板式换热器的高压侧入口，印刷电路板式换热器的高压侧出口连接至实验段的入口，实验段的出口连接至降压孔板的入口，降压孔板的出口通过电动压力调节阀连接至印刷电路板式换热器的低压侧入口，印刷电路板式换热器的低压侧出口连接至印刷电路板式冷却器的主回路工质侧入口，印刷电路板式冷却器的主回路工质侧出口连接至科式质量流量计的入口；柱塞泵的出口和科式质量流量计的入口之间设置有旁路，且旁路上设置有旁路手动流量调节阀；

印刷电路板式冷却器的冷却水侧出口通过电动流量调节阀连接至水冷式冷水机的第一冷却水入口，水冷式冷水机的第一冷却水出口连接至冷却塔的入口，冷却塔的出口连接至冷式冷水机的第二冷却水入口，水冷式冷水机的第二冷却水出口连接至涡轮流量计的入口，涡轮流量计的出口连接至印刷电路板式冷却器的冷却水侧入口。

本发明进一步的改进在于，实验段为竖直放置的六角筒体结构，内含37根加热棒，采用间接加热形式。

本发明进一步的改进在于，实验段的中心七根加热棒接热电偶以实现温度实时测量，加热段长度1.5m，棒径9.5mm，棒间距15mm。

本发明进一步的改进在于，二氧化碳储液罐为卧式筒体结构，设计承压10MPa，容积2m³，设有安全阀、冷却喷淋及磁翻板液位计。

本发明进一步的改进在于，还包括数据采集系统，数据采集系统的温度信号采集频率不低于75S/s，其余模拟量信号采集频率不低于500S/s。

本发明进一步的改进在于，二氧化碳储液罐上设置有第十一压力变送器和第十一温度变送器。

本发明进一步的改进在于，柱塞泵的出口处设置有第一温度变送器和第一压力变送器，柱塞泵的入口处设置有第十温度变送器和第十压力变送器。

本发明进一步的改进在于，印刷电路板式冷却器的主回路工质侧出口和主回路工质侧入口之间设置有第三压差变送器，印刷电路板式冷却器的冷却水侧出口和冷却水侧入口之间设置有第四压差变送器，印刷电路板式冷却器的主回路工质侧出口处设置有第九温度变送器和第九压力变送器。

本发明进一步的改进在于，实验段的入口处设置有第四温度变送器和第四压力变送器，降压孔板的入口处设置有第五温度变送器和第五压力变送器，降压孔板的出口处设置有第六温度变送器和第六压力变送器。

本发明进一步的改进在于，印刷电路板式换热器的高压侧入口处设置有第二温度变送器和第二压力变送器，印刷电路板式换热器的高压侧出口处设置有第三温度变送器和第三压力变送器，印刷电路板式换热器的低压侧入口处设置有第七温度变送器和第七压力变送器，印刷电路板式换热器的低压侧出口处设置有第八温度变送器和第八压力变送器，印刷电路板式换热器的高压侧入口和高压侧出口之间设置有第一压差变送器，印刷电路板式换热器的低压侧入口和低压侧出口之间设置有第二压差变送器。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置采用了新型布雷顿循环的布置方式，采用了微通道印刷电路板式换热器(PCHE)的设计，大大减少了建设空间，节约了成本，在此基础上搭建了具备研究完整循环特性的百千瓦级闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，能满足超临界状态下二氧化碳的流动传热实验，保证系统良好的密封性；满足多项系统参数、流动状态参数，测试范围广，手段先进；可开展不限于关键实验部件的验证、实验段的流道传热特性、整体循环特性的多种研究工作，数据采集及控制系统的设计更能充分研究系统的动态特性，对于系统分析程序的验证和改进也有着重大应用前景，为国内超临界二氧化碳流动传热研究提供了安全、可靠的平台。

本发明可用于高校科研单位以及工程实践，满足不同单位对超临界二氧化碳应用的科研需求，设计一整套完整的闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置。本发明为闭式布雷顿循环，是一种新型高效极具发展潜力的结构形式。

附图说明

图1是本发明一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置的结构示意图。

图2是本发明含温度压力测点的结构示意图。

图中：1柱塞泵、2孔板流量计、3印刷电路板式换热器(PCHE)、4实验段、5印刷电路板式冷却器(PCHE)、6科式质量流量计、7涡轮流量计、8水冷式冷水机、9冷却塔、10二氧化碳储液罐、11充排柱塞泵；V01电动流量调节阀、V02降压孔板、V03电动压力调节阀、V04电动流量调节阀、V05旁路手动流量调节阀、V06-11电动充排阀组；

第一温度变送器至第十温度变送器T101-T110、第十一温度变送器T401；第一压力变送器至第十压力变送器P101-P110、第十一压力变送器P401；第一压差变送器至第四压差变送器P201-204。

图3是本发明的实验段整体视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，包括主回路流动传热循环系统、冷侧制冷系统以及工质充排系统，同时设计有数据采集及控制系统；主回路流动传热循环系统包括柱塞泵1、孔板流量计2、印刷电路板式换热器(PCHE)3、实验段4、印刷电路板式冷却器(PCHE)5、科式质量流量计6以及电动流量调节阀V01、降压孔板V02、电动压力调节阀V03以及旁路手动流量调节阀V05；冷侧制冷系统包括涡轮流量计7、水冷式冷水机8、冷却塔9以及电动流量调节阀V04；工质充排系统包括二氧化碳储液罐10、充排柱塞泵11以及电动充排阀组V06-11；整个系统还包括第一温度变送器至第十温度变送器T101-T110、第十一温度变送器T401、第一压力变送器至第十压力变送器P101-P110、第十一压力变送器P401以及第一压差变送器至第四压差变送器P201-204。

二氧化碳工质储存在二氧化碳储液罐10中，二氧化碳储液罐10自带第十一温度变送器T401及第十一压力变送器P401，二氧化碳储液罐10同时设有冷却喷淋及磁翻板液位计，二氧化碳储液罐耐压10MPa，维持罐内温度不高于10℃，确保二氧化碳为液态贮存；另外，为了实现对主回路的工质充排功能，设计了电动充排阀组V06-11并连接到主回路，阀组主要功能是为了实现充注和排放工质的切换。

在柱塞泵1前设置第十温度变送器T110及第十压力变送器P110；主回路闭式循环中，柱塞泵1作为动力驱动提升系统压力并维持工质循环，柱塞泵1标称质量流量1kg/s，其出口管路设置第一温度变送器T101及第一压力变送器P101并连接至旁路手动调节阀V05及主回路孔板流量计2将实验系统分为主回路及旁路，分别设置主回路电动调节阀V01及旁路手动调节阀V05；旁路最终回流于冷却器5出口管路，科式质量流量计6及柱塞泵1入口前，主回路电动调节阀V01及孔板流量计2配合旁路手动调节阀V05实现主回路流量标定；之后在主路中，电动调节阀V01后端连接至换热器3高压侧，换热器3高压侧入口设置第二温度变送器T102及第二压力变送器P102，换热器3高压侧出口设置第三温度变送器T103及第三压力变送器P103，换热器3高压侧进出口设置第一压差变送器P201；实验段4前端连接换热器3高压侧出口，后端连接降压孔板V02、电动压力调节阀V03；实验段4入口设置第四温度变送器T104及第四压力变送器P104，实验段4与降压孔板V02之间设置第五温度变送器T105及第五压力变送器P105，实验段4为竖直放置的六角筒体结构，内含37根加热棒，采用间接加热形式，六边形流道的设计是为了更好发挥冷却剂的冷却特性，实验段考虑到高压承压功能设计了上下顶盖封头，采用一体成型，精密切割的工艺完成；实验段4后降压装置降压孔板V02及电动压力调节阀V03，用以降低流体压力，降压孔板无法精确调控，所以配合电动调节阀实现压力调节精确可控；降压孔板V02及电动压力调节阀V03之间设置第六温度变送器T106及第六压力变送器P106；之后同换热器3低压侧入口管线相连接，换热器3低压侧入口设置第七温度变送器T107及第七压力变送器P107，换热器3低压侧出口连接至冷却器5主回路工质侧入口，换热器3低压侧出口设置第八温度变送器T108及第八压力变送器P108，换热器3低压侧进出口设置第二压差变送器P202；冷却器5主回路工质侧出口与旁路手动流量调节阀V05后端管线交汇连接至科式质量流量计6入口处，冷却器5主回路工质侧出口设置第九温度变送器T109及第九压力变送器P109；冷却器5主回路工质侧进出口设置第三压差变送器P203；科式质量流量计6出口管线同储罐充排控制电动充排阀组V06-11后端交汇连接至柱塞泵1入口，主回路闭合连接。

冷却器5冷却水侧作为主回路最终热阱，主要负责循环冷却水带走主回路侧热量，涡轮流量计7与冷却器5冷却水侧入口管线相连，电动流量调节阀V04置于冷却器5冷却水侧出口，再与水冷式冷水机8、冷却塔9相连实现冷却侧闭环；冷却器5冷却水侧进出口设置第四压差变送器P204，冷水机8自带测温功能，可提供4℃的冷水，冷水机8通过与冷却塔9换热最终将回路热量带走。

本发明闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，主回路采用布雷顿循环构型布置，高压管段采用DN32规格，低压管段采用DN40规格，管材选用S316L材质，设计承压22MPa；换热器3及冷却器5均采用微通道印刷电路板式换热器(PCHE)设计，大大减小设备体积，节省建设空间，内有两个流道可承载不同压力工质或不同工质间的换热，研究应用前景广泛；实验段4为竖直放置的六角筒体结构，精密切割，一体成型。内含37根加热棒，采用间接加热形式，中心七根加热棒接热电偶以实现温度测量，加热段长度1.5m，棒径9.5mm，棒间距15mm。二氧化碳储液罐10为卧式筒体设计，设计承压10MPa，容积2m³，设有安全阀、冷却喷淋及磁翻板液位计，配备电动充排阀组V06-11可实现工质充注与排出切换功能。数据采集系统针对回路中诸如温度、压力变送器、流量计以及电动阀门开度、加热棒功率等数据进行采集变换并实时传输，温度信号采集频率不低于75S/s，其余模拟量信号采集频率不低于500S/s，控制系统指根据采集到的数据，转换为4-20mA信号，汇总于主控机，基于NI系统及LabVIEW软件编写PID控制模块，实现回路温度等关键参量的控制功能。

实施例

图1和图2是闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置图

实验装置建造完成后，在进行正式实验之前，需进行一系列的准备工作，以保证实验过程中不出现事故以及对实验数据准确性的保证。

实验台架搭建使用的材料为S316L不锈钢管，不锈钢管在其表面会有一些附着物，以及生产时在其表面添加的保护层，而二氧化碳在进入超临界状态时，会有萃取性，如果管道不加以处理，在实验过程中，会使萃取出管道的附着物，污染二氧化碳工质，同时会损坏仪器。因此，在进行实验之前，将管道用稀盐酸或者丙酮浸泡12h，将其表面的附着物萃取干净。

其次，在二氧化碳储液罐10中通入足量去离子水，打开柱塞泵1，使系统运行20分钟，然后切换阀组V06-11，将管道中的去离子水排出，重复上述冲洗过程，直到无明显杂质出现。接着通入氮气，吹干管道，确保管道中无多余的水分。随后在二氧化碳储液罐10中通入浓度为95％的无水乙醇，再次对管道进行清洗，直至无水乙醇中也观察不到明显的杂质。在无水乙醇冲洗完成后，同样需要使用氮气对管道进行吹扫，确保管道的干燥性。

在此基础上可按以下步骤进行实验：

(1)观察二氧化碳储液罐10上温度显示，如温度高于10℃应打开喷淋装置进行预冷，维持二氧化碳为液态，通过磁翻板液位计监测工质液位，直至达到实验需求。

(2)检查整个电路以及开关，确保整个系统的电线连接正确，不短路、不漏电，开关能正常工作。确认整个系统的阀门是否全部开启，防止憋压使柱塞泵1出现损坏。确认电源总闸是否连接完好，然后打开电源总闸给回路供电，接着按需打开变压器、直流电源等实验设备的控制开关。

(3)打开柱塞泵1，按设定质量流量使回路开始运行，并检查回路是否有明显漏气现象。

(4)接着开启水冷机8，设定水冷温度在8℃。

(5)打开计算机，开启数据采集程序，设置好采集文件。

(6)开启流量调节阀V01并实时调节，如有需要调节手动调节阀V05进行流量标定，再调节压力调节阀V03使回路压力达到实验要求。

(7)开启实验段4加热系统，实验段4如图3所示，实验段4为竖直放置的六角筒体结构，六边形流道，精密切割，一体成型。可内置37根加热棒，采用间接加热形式，加热功率可达百千瓦，中心七根加热棒接热电偶以实现实时温度测量，加热段长度1.5m，棒径9.5mm，棒间距15mm。控制电压调节内部37根加热棒功率进行加热，实验段4中心7根加热棒连接热电偶实时测温，待温度达到500℃达到实验所需工况后，调节加热功率待温度稳定，采集数据100s。

(8)实验数据采集完成后，首先关闭加热系统，然后调节压力调节阀V03降低管路压力，关闭柱塞泵1，最后关闭冷却系统及数据采集系统。

(9)离开实验室前，确保实验系统总电源切断。

此外，实验操作过程中要严格按照操作规范实行，以避免出现安全事故，注意事项如下：1)温度变送器、压力变送器、压差变送器工作不正常时，应停止实验检查其供电和输送信号系统，如果二者没有问题再检查PLC系统和编程代码。2)冷水机不应有空气残留。冬天时温度能达到零度以下，冷水机在实验完后应排空从而避免冷水机的蒸发器和管道冻坏。3)二氧化碳储液罐是实验系统中的压力容器，因此应该对二氧化碳储液罐做定期检查。如果二氧化碳储液罐有变形、漏气等问题时，首先将实验停止，然后将排气阀打开从而将二氧化碳储液罐内的二氧化碳排空，最后进行二氧化碳储液罐的检修。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，包括柱塞泵(1)、孔板流量计(2)、印刷电路板式换热器(3)、实验段(4)、印刷电路板式冷却器(5)、科式质量流量计(6)、涡轮流量计(7)、水冷式冷水机(8)、冷却塔(9)、二氧化碳储液罐(10)、充排柱塞泵(11)以及降压孔板(V02)；

二氧化碳储液罐(10)的出口连接至充排柱塞泵(11)的入口，充排柱塞泵(11)的出口通过电动充排阀组(V06-11)和科式质量流量计(6)的出口连接至柱塞泵(1)的入口，柱塞泵(1)的出口连接至孔板流量计(2)的入口，孔板流量计(2)的出口通过电动流量调节阀(V01)连接至印刷电路板式换热器(3)的高压侧入口，印刷电路板式换热器(3)的高压侧出口连接至实验段(4)的入口，实验段(4)的出口连接至降压孔板(V02)的入口，降压孔板(V02)的出口通过电动压力调节阀(V03)连接至印刷电路板式换热器(3)的低压侧入口，印刷电路板式换热器(3)的低压侧出口连接至印刷电路板式冷却器(5)的主回路工质侧入口，印刷电路板式冷却器(5)的主回路工质侧出口连接至科式质量流量计(6)的入口；柱塞泵(1)的出口和科式质量流量计(6)的入口之间设置有旁路，且旁路上设置有旁路手动流量调节阀(V05)；

印刷电路板式冷却器(5)的冷却水侧出口通过电动流量调节阀(V04)连接至水冷式冷水机(8)的第一冷却水入口，水冷式冷水机(8)的第一冷却水出口连接至冷却塔(9)的入口，冷却塔(9)的出口连接至冷式冷水机(8)的第二冷却水入口，水冷式冷水机(8)的第二冷却水出口连接至涡轮流量计(7)的入口，涡轮流量计(7)的出口连接至印刷电路板式冷却器(5)的冷却水侧入口。

2.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，实验段(4)为竖直放置的六角筒体结构，内含37根加热棒，采用间接加热形式。

3.根据权利要求2所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，实验段(4)的中心七根加热棒接热电偶以实现温度实时测量，加热段长度1.5m，棒径9.5mm，棒间距15mm。

4.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，二氧化碳储液罐(10)为卧式筒体结构，设计承压10MPa，容积2m³，设有安全阀、冷却喷淋及磁翻板液位计。

5.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，还包括数据采集系统，数据采集系统的温度信号采集频率不低于75S/s，其余模拟量信号采集频率不低于500S/s。

6.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，二氧化碳储液罐(10)上设置有第十一压力变送器(P401)和第十一温度变送器(T401)。

7.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，柱塞泵(1)的出口处设置有第一温度变送器(T101)和第一压力变送器(P101)，柱塞泵(1)的入口处设置有第十温度变送器(T110)和第十压力变送器(P110)。

8.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，印刷电路板式冷却器(5)的主回路工质侧出口和主回路工质侧入口之间设置有第三压差变送器(P203)，印刷电路板式冷却器(5)的冷却水侧出口和冷却水侧入口之间设置有第四压差变送器(P204)，印刷电路板式冷却器(5)的主回路工质侧出口处设置有第九温度变送器(T109)和第九压力变送器(P109)。

9.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，实验段(4)的入口处设置有第四温度变送器(T104)和第四压力变送器(P104)，降压孔板(V02)的入口处设置有第五温度变送器(T105)和第五压力变送器(P105)，降压孔板(V02)的出口处设置有第六温度变送器(T106)和第六压力变送器(P106)。

10.根据权利要求1所述的一种闭式超临界二氧化碳布雷顿循环实验装置，其特征在于，印刷电路板式换热器(3)的高压侧入口处设置有第二温度变送器(T102)和第二压力变送器(P102)，印刷电路板式换热器(3)的高压侧出口处设置有第三温度变送器(T103)和第三压力变送器(P103)，印刷电路板式换热器(3)的低压侧入口处设置有第七温度变送器(T107)和第七压力变送器(P107)，印刷电路板式换热器(3)的低压侧出口处设置有第八温度变送器(T108)和第八压力变送器(P108)，印刷电路板式换热器(3)的高压侧入口和高压侧出口之间设置有第一压差变送器(P201)，印刷电路板式换热器(3)的低压侧入口和低压侧出口之间设置有第二压差变送器(P202)。

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