CN116816467A - Mw级紧凑式二氧化碳发电系统和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MW级紧凑式二氧化碳发电系统和使用方法，MW级紧凑式二氧化碳发电系统包括循环回路、工质充装回路和冷却水回路，循环回路包括低压压缩机、高压压缩机、低压气罐、高压气罐和回热器，低压压缩机与高压压缩机相连，高压压缩机第一路通过高压气罐与回热器相连，高压压缩机的第二路与回热器相连，工质充装回路包括工质来源、冷却器、低压液罐和高压液罐，高压液罐与冷却器和干气密封热气调阀相连，回热器与干气密封热气调阀和工质充装阀相连，干气密封冷气调阀和干气密封热气调阀与干气密封盘站相连，冷却水回路包括冷却水进水口和冷却器。本发明提供的MW级紧凑式二氧化碳发电系统具备优点。

Description

MW级紧凑式二氧化碳发电系统和使用方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，尤其涉及一种MW级紧凑式二氧化碳发电系统和使用方法。

背景技术

MW级紧凑式发电平台在航天、航海、野外移动电源等领域具有非常广泛的应用需求，而超临界二氧化碳系统具有高效、紧凑、启动调速快等优点，能够非常完美的应用在MW级紧凑式发电平台上，因此MW级紧凑式二氧化碳发电平台是一项非常具有发展前景的一门技术。

对于MW级二氧化碳发电平台，压缩机与透平设计转速动辄在20000r/m以上，同时为了设备紧凑性，通常将压缩机、电机及透平做成同轴一体式，在电机两侧悬臂布置透平及压缩机，这样会带来两个问题：首先，当系统压比较高时，透平及压缩机级数多、轴向长度大，电机两侧悬臂布置会带来转子结构强度问题；其次，高速电机的设计制造难度大，设计制造均存在较多困难。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种MW级紧凑式二氧化碳发电系统，该MW级紧凑式二氧化碳发电系统具有提高电机转速、提升转子结构刚性的优点。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，MW级紧凑式二氧化碳发电系统包括循环回路、工质充装回路和冷却水回路，所述循环回路包括低压压缩机、高压压缩机、低压气罐、高压气罐和回热器，所述低压压缩机的出口与所述高压压缩机的入口相连，所述高压压缩机的出口的第一路通过所述高压气罐与所述回热器的工质循环冷侧入口相连，所述高压压缩机的出口的第二路与所述回热器的工质循环冷侧入口相连，所述回热器的工质循环冷侧出口与热源加热器的冷侧高压入口相连，所述热源加热器的冷侧高压出口与高压透平的入口相连，所述高压透平的出口与所述热源加热器的冷侧低压入口相连，所述热源加热器的冷侧低压出口与低压透平的入口相连，所述低压透平的出口与所述回热器的工质循环热侧入口相连，所述回热器的工质循环热侧出口与所述低压压缩机的入口和所述低压气罐相连，所述低压气罐的出口与所述低压压缩机入口相连，工质充装回路包括工质来源、冷却器、低压液罐和高压液罐，所述工质来源与所述低压液罐的入口相连，所述低压液罐的出口与所述高压液罐的入口相连，所述高压液罐的出口与所述冷却器的工质充装冷侧入口和干气密封热气调阀入口相连，所述冷却器的工质充装冷侧出口与所述回热器的工质充装冷侧入口和干气密封冷气调阀的入口相连，所述回热器的工质充装冷侧出口与干气密封热气调阀的入口和工质充装阀的入口相连，所述工质充装阀的出口与所述热源加热器的冷侧高压入口相连，所述干气密封冷气调阀的出口和所述干气密封热气调阀的出口与干气密封盘站相连，冷却水回路包括冷却水进水口和冷却器，冷却水进口与所述冷却器水冷侧入口相连，水冷侧出口与冷却水回水口相连。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统具有提高电机转速、提升转子结构刚性的优点。

在一些实施例中，所述低压压缩机、低压电机和所述低压透平依次同轴直连布置，所述高压压缩机、高压电机和所述高压透平依次同轴直连布置。

在一些实施例中，所述低压压缩机和低压透平悬臂设置在所述低压电机的两侧，所述高压压缩机与所述高压透平悬臂安装在所述高压电机的两侧。

在一些实施例中，所述低压压缩机与所述高压压缩机设置1～2级离心式叶轮。

在一些实施例中，所述低压透平与所述高压透平布置2～3级轴流式叶轮或者布置1级向心式叶轮。

在一些实施例中，所述低压电机和所述高压电机与变频装置电连接。

在一些实施例中，所述低压气罐和所述高压气罐的入口和出口设置单向逆止阀。

在一些实施例中，所述低压气罐和所述高压气罐的入口和出口通过管路短接。

在一些实施例中，所述低压液罐和所述高压液罐之间的管路上设置低温泵。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法，MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法包括以下步骤：

增压阶段，将工质经过低压压缩机增压后送入高压压缩机继续增压；

做工阶段，工质进入高压透平膨胀做功，工质进入热源加热器进行再热，工质进入低压透平膨胀做功；

工质充装，低温液罐的工质经过低温泵增压后送入高压液罐储存，所述高压液罐的工质经过冷却器、回热器和工质充装阀后进入热源加热器完成充装。

附图说明

图1是根据本发明实施例中MW级紧凑式二氧化碳发电系统的流程图。

附图标记：1、低压液罐；2、低温泵；3、高压液罐；4、低压压缩机；5、高压压缩机；6、回热器；7、热源加热器；8、高压透平；9、低压透平；10、冷却器；11、低压气罐；12、高压气罐；13、工质充装阀；14、干气密封冷气调阀；15、干气密封热气调阀；16、低压电机；17、高压电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，MW级紧凑式二氧化碳发电系统包括循环回路、工质充装回路和冷却水回路，循环回路包括低压压缩机4、高压压缩机5、低压气罐11、高压气罐12和回热器6，低压压缩机4的出口与高压压缩机5的入口相连，高压压缩机5的出口的第一路通过高压气罐12与回热器6的工质循环冷侧入口相连，高压压缩机5的出口的第二路与回热器6的工质循环冷侧入口相连，回热器6的工质循环冷侧出口与热源加热器7的冷侧高压入口相连，热源加热器7的冷侧高压出口与高压透平8的入口相连，高压透平8的出口与热源加热器7的冷侧低压入口相连，热源加热器7的冷侧低压出口与低压透平9的入口相连，低压透平9的出口与回热器6的工质循环热侧入口相连，回热器6的工质循环热侧出口与低压压缩机4的入口和低压气罐11相连，低压气罐11的出口与低压压缩机4入口相连，工质充装回路包括工质来源、冷却器10、低压液罐1和高压液罐3，工质来源与低压液罐1的入口相连，低压液罐1的出口与高压液罐3的入口相连，高压液罐3的出口与冷却器10的工质充装冷侧入口和干气密封热气调阀15入口相连，冷却器10的工质充装冷侧出口与回热器6的工质充装冷侧入口和干气密封冷气调阀14的入口相连，回热器6的工质充装冷侧出口与干气密封热气调阀15的入口和工质充装阀13的入口相连，工质充装阀13的出口与热源加热器7的冷侧高压入口相连，干气密封冷气调阀14的出口和干气密封热气调阀15的出口与干气密封盘站相连，冷却水回路包括冷却水进水口和冷却器10，冷却水进口与冷却器10水冷侧入口相连，水冷侧出口与冷却水回水口相连。干气密封冷气调阀14出口温度约为25℃～40℃，干气密封热气调阀15出口温度约为200℃～400℃，通过控制以上两个阀门的开度来调节去干气密封盘站的工质温度和流量，从而利用回热器6低温段、低品质热源加热干气密封气，避免用电热器加热干气密封气，达到降低电耗，进而提升系统效率的目的。

本申请通过高低压串联布置方式将简单回热循环中的单个压缩机分成两个串联布置的高低压压缩机4，缩短了轴向长度，在提高转速的同时保障了转子的刚性，在电机难度系数不变的条件下电机转速提升，有利于提高压缩机的气动效率。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统具有提高电机转速、提升转子结构刚性的优点。

在一些实施例中，低压压缩机4、低压电机16和低压透平9依次同轴直连布置，高压压缩机5、高压电机17和高压透平8依次同轴直连布置。

具体地，压缩机、电机和透平同轴直连，将压缩机、电机、及透平进行等功率分轴，一分为二选用两个近似功率相等的低压压缩机4和高压压缩机5，能在提高转速的同时保障了转子的刚性。单个大电机分为两个近似1/2功率的小电机，在电机难度系数不变的条件下(电机难度值＝电机转速rpm*电机功率kW)，电机转速可以提升至原来的\sqrt2倍，能够提高压缩机和透平的比转速，进而有利于提高压缩机和透平的气动效率。

在一些实施例中，低压压缩机4和低压透平9悬臂设置在低压电机16的两侧，高压压缩机5与高压透平8悬臂安装在高压电机17的两侧。

具体地，低压电机16和高压电机17均采用启动、发电一体式电机，压缩机和透平通过悬臂安装在电机的两侧能够实现同速同步转动。

在一些实施例中，低压压缩机4与高压压缩机5设置1～2级离心式叶轮。

具体地，将压缩机和透平分高、低压两段串联布置后，压缩机和透平各段的焓增(降)约变为原来整机的1/2，从而压缩机和透平的级数可以近似减半，压缩机离心叶轮级数可减少至1～2级，有利于提高两者悬臂布置时转子结构的刚性。

在一些实施例中，低压透平9与高压透平8布置2～3级轴流式叶轮或者布置1级向心式叶轮。

具体地，将压缩机和透平分高、低压两段串联布置后，压缩机和透平各段的焓增(降)约变为原来整机的1/2，透平轴流级数可减少至2～3级，透平向心叶轮级数可减少至1级，有利于提高两者悬臂布置时转子结构的刚性。

在一些实施例中，低压电机16和高压电机17与变频装置电连接。

具体地，一个变频装置同时连接低压电机16和高压电机17两个同功率的电机，需要调节控制时进行同步同转速控制，无需因分轴引入额外控制手段，精简结构。

在一些实施例中，低压气罐11和高压气罐12的入口和出口设置单向逆止阀。

具体地，单向逆止阀保障工质充、排阶段，工质只能从正向进入或流出低压气罐11与高压气罐12。单向逆止阀能够防止工质回流。

在一些实施例中，低压气罐11和高压气罐12的入口和出口通过管路短接。

具体地，管路短接能保障在系统在稳定运行阶段，工质不经过低压气罐11与高压气罐12而直接从管道短路流动，避免系统产生较大的管路阻力损失。

在一些实施例中，低压液罐1和高压液罐3之间的管路上设置低温泵2。

具体地，低温泵2用来增压工质，增压后的工质高于压缩机出口压力。

在一些实施例中，冷却器10的冷源包括冷却水和来自高压液罐3的低温液态工质。

具体地，采用高压液罐3的低温液态工质一方面降低系统冷源温度，另一方面避免电热器加热低温工质提高了系统效率，减少电消耗。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法，MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法包括以下步骤：

增压阶段，将工质经过低压压缩机4增压后送入高压压缩机5继续增压；

做工阶段，工质进入高压透平8膨胀做功，工质进入热源加热器7进行再热，工质进入低压透平9膨胀做功；

工质充装，低温液罐的工质经过低温泵2增压后送入高压液罐3储存，高压液罐3的工质经过冷却器10、回热器6和工质充装阀13后进入热源加热器7完成充装。工质充装回路中低压液罐1内工质压力及温度约为2MPa、-30℃～-40℃，经过低温泵2增压后升至20～30MPa并略高于压缩机出口压力，然后进入高压液罐3储存。

根据本发明实施例的MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法的技术优势与上述MW级紧凑式二氧化碳发电系统的技术优势相同，此处不再赘述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，包括：

循环回路，所述循环回路包括低压压缩机、高压压缩机、低压气罐、高压气罐和回热器，所述低压压缩机的出口与所述高压压缩机的入口相连，所述高压压缩机的出口的第一路通过所述高压气罐与所述回热器的工质循环冷侧入口相连，所述高压压缩机的出口的第二路与所述回热器的工质循环冷侧入口相连，所述回热器的工质循环冷侧出口与热源加热器的冷侧高压入口相连，所述热源加热器的冷侧高压出口与高压透平的入口相连，所述高压透平的出口与所述热源加热器的冷侧低压入口相连，所述热源加热器的冷侧低压出口与低压透平的入口相连，所述低压透平的出口与所述回热器的工质循环热侧入口相连，所述回热器的工质循环热侧出口与所述低压压缩机的入口和所述低压气罐相连，所述低压气罐的出口与所述低压压缩机入口相连；

工质充装回路，工质充装回路包括工质来源、冷却器、低压液罐和高压液罐，所述工质来源与所述低压液罐的入口相连，所述低压液罐的出口与所述高压液罐的入口相连，所述高压液罐的出口与所述冷却器的工质充装冷侧入口和干气密封热气调阀入口相连，所述冷却器的工质充装冷侧出口与所述回热器的工质充装冷侧入口和干气密封冷气调阀的入口相连，所述回热器的工质充装冷侧出口与干气密封热气调阀的入口和工质充装阀的入口相连，所述工质充装阀的出口与所述热源加热器的冷侧高压入口相连，所述干气密封冷气调阀的出口和所述干气密封热气调阀的出口与干气密封盘站相连；

冷却水回路，冷却水回路包括冷却水进水口和冷却器，冷却水进口与所述冷却器水冷侧入口相连，水冷侧出口与冷却水回水口相连。

2.根据权利要求1所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压压缩机、低压电机和所述低压透平依次同轴直连布置，所述高压压缩机、高压电机和所述高压透平依次同轴直连布置。

3.根据权利要求2所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压压缩机和低压透平悬臂设置在所述低压电机的两侧，所述高压压缩机与所述高压透平悬臂安装在所述高压电机的两侧。

4.根据权利要求3所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压压缩机与所述高压压缩机设置1～2级离心式叶轮。

5.根据权利要求4所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压透平与所述高压透平布置2～3级轴流式叶轮或者布置1级向心式叶轮。

6.根据权利要求2所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压电机和所述高压电机与变频装置电连接。

7.根据权利要求1所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压气罐和所述高压气罐的入口和出口设置单向逆止阀。

8.根据权利要求7所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压气罐和所述高压气罐的入口和出口通过管路短接。

9.根据权利要求1所述的MW级紧凑式二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低压液罐和所述高压液罐之间的管路上设置低温泵。

10.一种MW级紧凑式二氧化碳发电系统使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

增压阶段，将工质经过低压压缩机增压后送入高压压缩机继续增压；

做工阶段，工质进入高压透平膨胀做功，工质进入热源加热器进行再热，工质进入低压透平膨胀做功；

工质充装，低温液罐的工质经过低温泵增压后送入高压液罐储存，所述高压液罐的工质经过冷却器、回热器和工质充装阀后进入热源加热器完成充装。