CN116457580A - 具有用于确保超临界状态的至少两个级联压缩级的用于co2循环的压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机(1000)，该压缩机用于处理CO2流；第一压缩机级(200)具有带有第一叶片数量的第一排叶片(250)，并且第一压缩机级(200)下游的第二压缩机级(300)具有带有第二叶片数量的第二排叶片(350)；第一压缩机级(200)的叶片数量小于第二压缩机级(300)的叶片数量；在第一排叶片(250)和第二排叶片(350)之间存在环形间隙(400)；第一压缩级(200)被设计成确保CO2流在其出口处处于超临界状态，优选地接近CO2临界点，并且使得第二压缩机级(200)处理处于超临界状态的CO2。

Description

具有用于确保超临界状态的至少两个级联压缩级的用于CO2 循环的压缩机
技术领域
本文所公开的主题涉及CO2流压缩机、CO2循环能量生成系统和用于压缩CO2流的方法。
背景技术
欧盟(简称EU)制定了到2050年将温室气体排放量比1990年减少80％-95％的长期目标。因此，该“欧盟2050能量策略”对我们的能量系统具有严重的影响，并且包括新的挑战和机会。这是全世界的普遍趋势。
可再生能源(诸如风能和太阳能)正在向欧洲能源结构的中心转移，并且提出了在电力输出波动较大的情况下电网稳定性的问题。在这种情况下，增强传统发电厂的灵活性和性能被视为很好的机会，既可确保能源网的安全，又可减少其对环境的影响。
sCO2-flex财团(其由来自5个不同欧盟成员国的10名经验丰富的关键参与者组成)尝试提高现有和未来燃煤和褐煤发电厂的运营灵活性(快速负载变化、快速启动和关闭)和效率，从而减少其对环境的影响，符合欧盟的目标。
超临界二氧化碳(sCO2)是二氧化碳的流体状态，在该状态中它被保持在其临界温度和临界压力或以上。该流体表现出令人感兴趣的性质，有望大幅提高传统电厂系统的效率。
基于sCO2的技术具有实现欧盟关于高度灵活且高效的传统发电厂的目标的潜力，同时减少温室气体排放、残渣处理，并且还减少用水量百分比。
sCO2循环是封闭循环，其中流体由一个或多个压缩机压缩，热量由第一热交换器引入循环中，流体由一个或多个膨胀机膨胀，并且热量通过第二热交换器释放到环境中。有利地，在膨胀之后并且在将热量释放到环境中之前，流体通过第三热交换器，即回收热交换器，以提高循环的效率。
发明内容
通常，sCO2循环的第一压缩机以接近临界点的CO2流进行工作。然后，sCO2循环呈现CO2压缩机的减少的功，这利用了接近临界点的工作流体的实际气体行为。该特征增强了sCO2循环的总体热效率的提高。然而，在非常接近临界点的地方，CO2性质有很大的变化，这对涡轮机械和热交换器的设计具有技术意义。
特别地，由于压缩机叶轮的叶片通道的尺寸，叶轮前缘上游和两端局部加速，使得CO2流以多相状态到达第一压缩机的叶轮。在多相区域中，即在饱和圆顶下，声速急剧下降，导致产生声波区域，从而限制压缩机的运行范围。
当在给定压力和温度下流动的流体通过收缩部时，流体速度增加。同时，文丘里效应致使静压以及因此密度在收缩部处降低。这可能导致产生声波区域，这会限制压缩机的运行范围。
在存在大量压缩机叶片的情况下，即在由于叶片通道而在压缩机入口处存在大量收缩部的情况下，该问题变得更加严重。
由于文丘里效应，级入口处的大量叶片增加了局部流动加速度，这与接近临界点的理想气体行为的较大偏离相结合，可促进CO2的相变现象，从而降低压缩机效率和循环效率。
根据一个方面，本文所公开的主题涉及一种被布置成处理CO2流的压缩机，该压缩机包括第一压缩机级和第二压缩机级，该第二压缩机级在第一压缩机级的下游；第一压缩机级包括具有第一叶片数量的第一排旋转叶片，并且第二压缩机级包括具有第二叶片数量的第二排旋转叶片；第一叶片数量小于第二叶片数量；CO2流在第一压缩机级的出口处处于超临界状态。
特别地，第一级的叶片的后缘将CO2流直接排放到环形间隙，并且第二级的叶片的前缘直接从该环形间隙接收CO2流，第一压缩机级后缘处的CO2压力等于或高于饱和压力加上预定压力裕度，该压力裕度与第二压缩机级内的压降有关。
根据另一个方面，本文所公开的主题涉及一种能量生成系统，该能量生成系统基于超临界CO2循环并且包括压缩机，该压缩机具有用于确保超临界状态的至少两个级联压缩级以及在其间的环形间隙。
根据又一个方面，本文所公开的主题涉及一种用于压缩CO2流的方法；第一压缩步骤用于通过第一压缩机级(200)将该CO2流压缩至超临界状态以生成超临界CO2流，并且第二压缩步骤用于通过第二压缩机级(300)压缩该超临界CO2流；第一压缩步骤使得在压缩结束时，CO2接近临界点；在第一压缩步骤与第二压缩步骤之间存在等焓步骤，该等焓步骤使总压力和静压两者维持基本上恒定，换句话说：总压力的低损耗和静压的恢复。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对所公开的实施方案及其伴随优点的更全面理解，这同样变得更好理解，其中：
图1示出了CO2系统的示意图；
图2A示出了图1的压缩机的透视图；
图2B示出了图1的压缩机的侧视图；
图3示出了图2A的一部分的放大视图；
图4示出了用于CO2流循环的压缩系统的横截面示意图；并且
图5示出了CO2压缩在T-s图上的示例。
具体实施方式
本文所公开的主题涉及与CO2流一起工作的压缩机和CO2系统、用于压缩CO2流的方法以及用于CO2流循环的压缩机组件。
燃气涡轮机循环的效率主要取决于其压力比(即，压缩机入口处和压缩机出口处的气体流的压力之间的比率)。最大压力由于与管道系统和测量系统有关的成本而受到限制；因此sCO2循环的最小压力显著地影响循环效率。
同时，循环的效率还受到气体流(特别是在压缩机的入口处)的状态的影响。事实上，由于成本的原因，固定了最大循环压力，在接近临界点处工作是有利的，因为这允许压缩功减少，结果提高了循环效率。
然而，在接近临界点的CO2条件下，可能发生冲击波，从而限制压缩机的运行区域并降低效率。
为了克服这个问题，在此公开的压缩系统旨在通过将流体的压力增加到刚好足以允许压缩机叶轮远离临界点工作同时维持高压力比来提高循环效率。
这是通过具有导流器级来实现的，该导流器级以较小的压力比压缩流体，并且设计有少量叶片以限制引起性能崩溃的冲击波问题。有利地，具有少量叶片的导流器级避免了压缩机入口变成部件的声速喉部。
现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。
通过解释本公开而非限制本公开来提供示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。
根据一个方面并且参考图1，本文所公开的主题提供了基于超临界CO2循环的能量生成系统，即主要在超临界状态下以CO2作为工作流体工作的燃气涡轮设备。通常，在这种类型的循环中，在最小循环压力下的工作流体处于超临界状态，但也允许处于最小循环压力介于临界压力的80％-100％之间的亚临界多相状态下的工作流体。
图1的CO2系统包括两个热交换器2000A、2000B、膨胀机3000和压缩机1000；有利地，压缩机和涡轮机在同一轴1010上被驱动。轴1010确定与轴1010的主要发展方向相对应的轴线A。如本文所用，术语“轴向”和“径向”分别是指平行于和垂直于轴线A的方向。
参考图1，CO2流以顺时针方向流动：由压缩机1000压缩，在第一热交换器2000A中加热，由膨胀机3000膨胀，在第二热交换器2000B中冷却，并且最终重新开始循环。换句话说，CO2系统是封闭循环燃气涡轮机。
根据优选实施方案，CO2系统包括第三热交换器2000C，也称为“同流换热器”；第三热交换器2000C适合于提高循环的热效率，在压缩机1000的出口处接收作为冷流体的CO2流并且在膨胀机3000的出口处接收作为热流体的CO2流。同流换热器2000C允许回收来自膨胀机排气CO2流的废热，并且在热交换器2000A中进一步加热经压缩CO2流之前使用该废热来预热来自压缩机1000的经压缩CO2流，从而减少所需的外部热量。
在图1的示例中，膨胀机3000(特别是驱动膨胀机3000的轴1010)与发电机4000(特别是交流发电机)联接；另选地，膨胀机3000也可连接到图中未示出的外部负载。
应当注意，根据循环的设计，机器和热交换器的数量以及驱动机器的轴的数量可发生变化。
根据一个方面并且参考图2和图3，本文所公开的主题提供了压缩机1000，该压缩机例如在超临界CO2系统中使用，以用于生成电能或用于供应外部负载。
压缩机1000包括第一压缩机级200和至少第二压缩机级300，该第二压缩机级在第一压缩机级200的下游。应注意，“级”在此是指单排叶片，这些叶片可以是固定的或旋转的。例如，如果存在第一排旋转叶片和第二排静止叶片，则第一排旋转叶片是第一级并且第二排静止叶片是第二级。
第一压缩机级200包括第一排旋转叶片250；第二压缩机级300包括第二排旋转叶片350。优选地，第一排叶片250具有导流器型叶片，并且第二排叶片350具有出口导流器型叶片。在图2和图3所示的优选实施方案中，第一叶片数量小于第二叶片数量。
优选地，第一叶片数量是第二叶片数量的大约一半或大约三分之一。例如，如果第二排叶片350具有等于18的叶片数量，则第一排叶片250的叶片数量可以是例如11或10或9或8或7或6。应当注意，这两个数字之间的比率可以是通常不同于整数的任何数字；例如，其可大于1且小于2，或者大于2且小于3。因此，叶片数量可根据两个压缩级所期望的机械设计和性能而独立地自由选择。
压缩机100通常利用CO2流来工作，并且第一压缩机级200在出口处提供处于超临界状态下的CO2流，其中“超临界状态流体”被定义为压力高于其临界点(即，压力高于其临界压力)的流体。
换句话说，在第一压缩机级200的出口处，CO2流的压力高于约7.37MPa。
具体地并且参考图3，第一压缩机级200被布置成在第一排叶片250的前缘210和后缘220之间提供压力增加；此类压力增加足以使后缘220处的CO2流达到超临界状态。
优选地，相对于前缘210处的压力，CO2流在后缘220处具有更高的压力。通过压缩机级的流的出口压力和入口压力之间的比率被称为“压力比”或“压缩比”。
优选地，第一排叶片250的前缘210对应于压缩机1000的入口段，该入口段接收吸入CO2流。该CO2流然后对应于第一排叶片250的后缘220被排放。
优选地，第一排叶片250相对于由轴线A确定的方向具有主要轴向发展。具体地，第一排叶片250的轴向发展使得CO2流主要在轴向方向上流动。
参考图2和图3，压缩机1000包括在第一压缩机级200下游的第二压缩机级300。具体地，第二压缩机级300被布置成在第二排叶片350的前缘310和后缘320之间提供压力增加，此类压力增加比在第一压缩机级200的前缘210和后缘220之间提供的压力增加高得多。
换句话说，第一压缩机级200的压力比比第二压缩机级300的压力比小得多，即第二压缩机级300提供CO2循环的总压力比的主要压力比。优选地，第一压缩机级200的压力比小于第二压缩机级300的压力比的70％，并且可能大于第二压缩机级300的压力比的3％；例如，第一压力比可等于大约1.1并且第二压力比可等于大约1.7。
在优选实施方案中并且参考图2、图3和图4，第二压缩机级300是离心压缩机级，相对于由轴线A确定的方向具有轴向发展和径向发展两者。特别地，前缘310和后缘320之间的流动路径限定相对于由轴线A确定的方向的大致扭曲的表面。具体地，前缘310和后缘320位于距轴线A不同的径向距离处。
第一压缩机级200(特别是第一排叶片250)被布置成将CO2流直接提供到第二压缩机级300(特别是第二排叶片350)，而其间没有任何静止部件(特别是任何定子叶片)穿过中空轴向环形间隙。具体地，CO2流从第一排叶片250流到第二排叶片350，而没有任何(显著的)压力变化(静压和总压力两者的变化)，该压力变化例如是由于后缘220和前缘310之间的定子叶片。申请人已经认识到，在涡轮机械中非常常见的两排连续的转子叶片之间的定子叶片可能看起来是有益的；然而，在当前情况下，为了避免系统喉部，“叶片稠度”应当较低并且对静压恢复的益处将是可忽略的。
第二排叶片350与该第一排叶片250轴向间隔开。具体地，轴向环形间隙(围绕轴线A发展)位于第一排叶片250的后缘220与第二排叶片350的前缘310之间。以这种方式，尾流放松，从而避免两排之间的强烈的气动机械相互作用。
优选地，后缘220与前缘310之间的轴向间隙的长度介于第一排叶片250的后缘220的高度的一倍和两倍之间。
参考图2和图3，第一排叶片250的后缘220和第二排叶片350的前缘310可不沿着轴向方向对齐。特别地，第二排叶片350的前缘310可相对于第一排叶片250的后缘220具有不同的周向位置(该布置被称为“计时效应”)。
在优选实施方案中，压缩机1000包括转子，第一排叶片250和第二排叶片350是该转子的一部分。
参考图4，转子优选地由轴1010驱动，使得第一排叶片250和第二排叶片350以相同的角速度旋转。
在替代实施方案中，压缩机1000包括第一转子和第二转子，第一排叶片250是第一转子的一部分，并且第二排叶片350是第二转子的一部分。
有利地，第一转子由第一轴驱动，并且第二转子由第二轴驱动，第一轴和第二轴以不同的角速度旋转。
参考图4，压缩机1000还可包括在第一排叶片250上游的入口导叶100。有利地，入口导叶100包括叶片的定子排；叶片的定子排可以是固定的或者可改变叶片迎角，从而调节由压缩机1000吸入的CO2流。
根据另一个方面，本文所公开的主题涉及一种用于使用例如与上述压缩机1000相似或相同的压缩机来压缩CO2流的方法；此类方法可在与上述能量生成系统相似或相同的基于超临界CO2循环的能量生成系统中实施。
该方法包括通过第一压缩机级200将CO2流压缩至超临界状态的初始步骤和通过至少第二压缩机级300压缩超临界CO2流的后续步骤；在第一压缩步骤和第二压缩步骤之间，存在低损耗等焓步骤(特别是在中空轴向环形间隙内)，该低损耗等焓步骤使总压力和静压两者维持基本上恒定。
将CO2流压缩至超临界状态的初始步骤使得在压缩结束时，在T-s图或等效物上，CO2的热力学状态点位于饱和圆顶之外，大致接近CO2临界点(Pc,Tc)。
参考图5，示出了CO2温度-熵图，其中CO2临界点(Pc,Tc)被突出显示为饱和圆顶顶部处的黑点。根据本文所公开的方法，在压缩CO2流的初始步骤之后，CO2的热力学状态点(即表示由至少两个状态变量(例如温度和压力)限定的CO2的热力学状态的点)位于饱和圆顶之外，特别是在CO2临界点(Pc,Tc)上方的高亮区域800周围。
在优选实施方案中，第一压缩机级200的出口处的压力等于或高于饱和压力加上预定压力裕度，该压力裕度与第二压缩机级300内的压降有关。
必须注意，将CO2流压缩至超临界状态的初始步骤之后可以是压缩超临界CO2流的一个或多个以下步骤；优选地，压缩CO2流的初始步骤具有比每个以下步骤小得多的压力比。
根据另一个方面，本文所公开的主题涉及被布置成处理CO2流的压缩机，该压缩机包括：
第一旋转压缩机级，该第一旋转压缩机级包括第一排导流器叶片，该导流器叶片主要轴向地延伸，具有前缘(210)和后缘(220)；
第二旋转压缩机级，该第二旋转压缩机级包括第二排出口导流器叶片，该第二排出口导流器叶片主要轴向地或主要径向地或既轴向地又径向地延伸，具有前缘(310)和后缘(320)；
环形间隙，该环形间隙介于第一旋转压缩机级和第二旋转压缩机级之间。
在优选实施方案中，导流器后缘(220)将CO2流直接排放到环形间隙，并且出口导流器前缘(310)直接从该环形间隙接收CO2流。优选地，导流器后缘(220)处的CO2流压力高于导流器前缘(210)处的CO2流压力。特别地，后缘(220)处的CO2流压力等于或高于饱和压力加上预定压力裕度，该压力裕度与第二旋转压缩机级内的压降有关。
上述压力裕度旨在避免第二压缩机级内的CO2流达到饱和条件。理论上，在压缩机级内不存在压降。然而，在实践中，在第二排出口导流器叶片的前缘(310)之后不久可能存在一些压降；从这个观点来看，最危险的区域是在出口导流器叶片的吸入侧上，靠近前缘(310)。
第二排出口导流器叶片内部的最小压力值强烈地取决于设计选择，并且通常介于第二旋转压缩机级处(即在前缘(310)处)的总入口压力的90％和50％之间。

Claims (15)

1.一种被布置成处理CO2流的压缩机(1000)，所述压缩机包括：
第一压缩机级(200)，所述第一压缩机级包括具有第一叶片数量的第一排旋转叶片(250)；
第二压缩机级(300)，所述第二压缩机级包括具有第二叶片数量的第二排旋转叶片(350)，所述第二压缩机级(300)流体连接在所述第一压缩机级(200)的下游；
其中所述第一叶片数量小于所述第二叶片数量，并且
其中所述第一级(200)被布置成在出口处提供处于超临界状态下的CO2流；
其中所述第一排叶片(250)被布置成将CO2流直接提供到所述第二排叶片(350)；
其中所述第二排叶片(350)与所述第一排叶片(250)轴向间隔开，使得环形间隙(400)位于所述第一排叶片(250)与所述第二排叶片(350)之间。
2.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，其中所述第一压缩机级(200)的压力比小于所述第二压缩机级(300)的压力比。
3.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，其中所述第一压缩机级(200)的压力比大于1.0且小于1.2。
4.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，其中所述环形间隙的轴向长度介于所述第一排叶片(250)的后缘高度的一倍和两倍之间。
5.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，其中所述第二叶片数量与所述第一叶片数量之间的比率为大于1且小于2或者大于2且小于3的数字。
6.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，所述压缩机还包括在所述第一排叶片(250)上游的入口导叶(100)。
7.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，其中所述第一排叶片(250)具有主要轴向发展。
8.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，所述压缩机包括第一转子和第二转子，其中所述第一排叶片(250)是所述第一转子的一部分，并且所述第二排叶片(350)是所述第二转子的一部分。
9.根据权利要求1所述的压缩机(1000)，所述压缩机包括转子，其中所述第一排叶片(250)和所述第二排叶片(350)是所述转子的部分。
10.一种用于使用压缩机来压缩CO2流的方法，所述方法包括：
第一压缩步骤，所述第一压缩步骤用于通过第一压缩机级(200)将所述CO2流压缩至超临界状态以生成超临界CO2流；
第二压缩步骤，所述第二压缩步骤用于通过第二压缩机级(300)压缩所述超临界CO2流；
其中所述第一压缩步骤使得在压缩结束时，CO2接近临界点(Pc,Tc)；
其中在所述第一压缩步骤和所述第二压缩步骤之间存在等焓步骤，所述等焓步骤使总压力和静压两者维持基本上恒定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一压缩步骤使得在压缩结束时，在T-s图上，CO2的热力学状态点位于饱和圆顶之外，大致接近CO2临界点(Pc,Tc)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第一压缩步骤结束时，所述压力等于或高于饱和压力加上预定压力裕度，所述压力裕度与所述第二旋转压缩机级(300)内的压降有关。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一压缩步骤之后是压缩CO2流的一个或多个压缩步骤。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一压缩步骤具有小于所述第二压缩步骤的压力比。
15.一种基于超临界CO2循环的能量生成系统，所述能量生成系统包括两个热交换器、膨胀机和至少一个压缩机，所述至少一个压缩机是根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机。
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