CN216741876U - 一种超临界co2布雷顿发电循环压缩机主机装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，包括用于超临界CO₂布雷顿发电循环系统的压缩机，压缩机带有电动机，还包括用于超临界CO₂布雷顿发电循环系统的透平，其特征在于，还包括离合装置，压缩机的主轴及透平的主轴均与离合装置刚性连接。本实用新型在压缩机和透平中间设置离合装置，该离合装置可控制是否让透平和压缩机之间传递轴功。在系统启动时，离合装置断开，透平和压缩机的轴不直接连接。此时，电动机带动压缩机旋转做功。在系统正常运行或者透平可以正常投入使用时，离合装置闭合，透平和压缩机的轴直接连接，透平输出的功直接用于驱动压缩机。这样既解决了系统启动问题，又减少了能量损失。

Description

一种超临界CO2布雷顿发电循环压缩机主机装置

技术领域

本实用新型涉及一种在超临界CO₂布雷顿发电循环系统中所使用的压缩机主机装置。

背景技术

超临界CO₂布雷顿发电循环系统由于其热效率高、体积小等优点，在全世界范围内进行了大量的研究。以超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统为例，其结构如图1所示，包括由电动机1作为动力源的压缩机2、预冷器3、回热器4、热源5、透平6、发电机7，其循环过程为：CO₂工质经压缩机2升压后，利用回热器4、热源5将CO₂工质等压加热到高温；高压高温的CO₂工质进入透平6，推动透平6做功并带动发电机7发电；出透平6的CO₂工质经由回热器4、预冷器 3恢复到初始状态，重新被送入压缩机2，从而形成闭式循环。

在超临界CO₂简单布雷顿循环发电系统和超临界CO₂简单布雷顿回热循环发电系统中，主机系统包括压缩机主机装置和透平发电机主机装置，其中，压缩机主机装置由分为如图2所示的“电动机A+压缩机B”、如图3所示的“透平C+ 压缩机B”、如图4所示的“电动机A+压缩机B+透平C”这三种结构形式。

上述三种压缩机主机装置中，压缩机为耗功设备，又称被驱动机，透平和电动机都属于输出功设备，又称驱动机。

压缩机在超临界CO₂系统中的主要作用是给CO₂工质加压，给系统提供流动的动力，通过压缩机增压的CO₂工质再通过热源加温，然后通过透平发电机装置膨胀降压降温，将CO₂工质的内能转换为电能，对外输出功，向电网输送电力。

(一)对于结构型式为如图2所示的“电动机A+压缩机B”的压缩机主机装置有以下优势：

启动方便，电动机A启动简单，尤其是对于超临界CO₂发电系统，在系统启动前或者系统刚启动不久的过程中，透平不能对外输出功，故不能依靠透平带动压缩机B启动，需要用电动机A带动压缩机启动。

但同时存在以下问题：

电动机A从电网取得电能，然后把电能转化为机械能，通过轴将功传递给压缩机B，从而给CO₂工质增压。但是超临界CO₂系统本身是发电系统，对外输送电力。按照此结构型式的压缩机主机装置，其消耗的能量首先需要透平发电机装置向电网输送电力，然后电动机A从电网中获得电能，再将电能转换为机械能。系统本身发出的电力需要通过上电网和下电网两个过程，且需要电能向机械能转化的过程，这两个过程将会造成能量的损失和浪费。

于是可以使用结构型式为如图3所示的“透平C+压缩机B”的压缩机主机装置。

(二)对于结构型式为图3所示的“透平C+压缩机B”的压缩机主机装置有以下优势：

透平C输出的功通过轴直接传递给压缩机B，减小了“透平-发电机-电网-电动机-压缩机”这个能量传递的过程，减少了能量的损失。

但同时存在以下问题：

在系统启动前或者系统刚启动不久的过程中，透平C不能对外输出功，故不能依靠透平C带动压缩机B启动，导致系统无法启动。

于是可以使用结构型式为如图4所示的“电动机A+压缩机B+透平C”的压缩机主机装置。

(三)对于结构型式为图4所示的“电动机A+压缩机B+透平C”的压缩机主机装置有以下优势：

启动时，用电动机A带动压缩机B，启动方便；系统正常运行了，用透平C 带动压缩机B，能量直接传递，能量损失小。

但同时存在以下问题：

启动时，电动机A带动压缩机B旋转，同时也会带动透平C旋转。在系统启动的过程中，系统逐步增压增温，需要较长的时间。众所周知，透平C的特性为：透平C不能在机组内部无工质、工质不流动或工质流动较小时长时间运转，因为高速旋转的透平C会产生大量的热量，需要流动的工质带走这些热量，否则透平机会迅速升温，导致机械损坏。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：对于超临界CO₂布雷顿发电循环系统所采用的电动机+压缩机+透平的压缩机主机系统，启动时，电动机带动压缩机旋转的同时也会带动透平旋转。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，用在超临界CO₂布雷顿发电循环系统中，包括用于超临界CO₂布雷顿发电循环系统的压缩机，压缩机带有电动机，还包括用于超临界CO₂布雷顿发电循环系统的透平，其特征在于，还包括离合装置，压缩机的主轴及透平的主轴均与离合装置刚性连接。

优选地，还包括变速箱；所述压缩机的主轴与变速箱的一端刚性连接，变速箱的另一端与所述离合装置刚性连接，或者所述离合装置与变速箱的一端刚性连接，变速箱的另一端与所述透平的主轴刚性连接。

优选地，所述离合装置包括外环以及内环；所述离合装置的外环与所述压缩机的主轴刚性连接，由所述压缩机带动外环转动；所述离合装置的内环与所述透平的主轴刚性连接，由所述透平带动内环转动；

所述离合装置还包括设于外环与内环之间的至少三个凸轮；

所有凸轮由外部机构驱动往方向一及方向二转动，当凸轮往方向一转动后，所述离合装置处于脱开状态，外环及内环能够各自独立转动，当凸轮往方向二转动后，所述离合装置处于结合状态，使得凸轮两端分别与外环及内环形成刚性接触，使得外环与内环之间通过凸轮传递扭矩；

外环及内环上分别设有转速传感器，转速传感器与信号采集器相连，信号采集器连接驱动凸轮转动的外部机构。

优选地，所有所述凸轮沿周向均匀布置。

优选地，每个所述凸轮满足以下尺寸要求：

设凸轮对角两个距离最远点之间的距离为A，凸轮对角两个距离最近点之间的距离为C，外环内半径与内环外半径之差为B，则有：A＞B＞C。

本实用新型在压缩机和透平中间设置离合装置，该离合装置可控制是否让透平和压缩机之间传递轴功。在系统启动时，离合装置断开，透平和压缩机的轴不直接连接。此时，电动机带动压缩机旋转做功。在系统正常运行或者透平可以正常投入使用时，离合装置闭合，透平和压缩机的轴直接连接，透平输出的功直接用于驱动压缩机。这样既解决了系统启动问题，又减少了能量损失。

附图说明

图1为现有的超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统的原理图；

图2为“电动机+压缩机”结构形式的压缩机主机装置示意图；

图3为“透平+压缩机”结构形式的压缩机主机装置示意图；

图4为“电动机+压缩机+透平”结构形式的压缩机主机装置示意图；

图5为实施例公开的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置的示意图；

图6A为实施例中的离合装置的结构示意图；

图6B为尺寸示意图；

图7为实施例公开的应用示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所附权利要求书所限定的范围。

如图5所示，本实施例公开的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置在如图4所示的“电动机+压缩机+透平”结构形式的压缩机主机装置的基础上增加了离合装置8及变速箱9。

通过离合装置8可以控制是否让透平10和压缩机2之间传递轴功。当离合装置8处于结合状态时，透平10和压缩机2的轴直接连接，透平10和压缩机2 之间传递轴功；当离合装置8处于脱开状态时，透平10和压缩机2的轴不直接连接，透平10和压缩机2之间不传递轴功。

使得离合装置8转换至结合状态的信号可为转速信号，根据系统需要设定。本领域技术人员可以根据所采用的具体信号对离合装置8的结构进行设计，本实施例中，离合装置8的结构如图6A所示，其结构参考现有的超越离合器，包括外环8-1、凸轮8-2和内环8-3。外环8-1与压缩机2的主轴刚性连接(可为法兰、锥轴、拉杆等刚性连接方式)，内环8-3与透平10的主轴刚性连接(可为法兰、锥轴、拉杆等刚性连接方式)。

本实施例中，在外环8-1与内环8-3之间有多个凸轮8-2，所有凸轮8-2沿周向均匀布置。本实用新型利用凸轮8-2使得离合装置8变化至结合状态或变化至脱开状态。

如图6B所示，凸轮8-2需要满足以下尺寸要求：

设凸轮8-2对角两个距离最远点之间的距离为A，外环8-1内半径与内环8-3 外半径之差为B，凸轮8-2对角两个距离最近点之间的距离为C，则有：A＞B＞ C。

所有凸轮8-2由外部机构驱动顺时针转动或逆时针转动。应当注意的是，驱动凸轮8-2转动的外部机构为本领域技术人员所熟知的常规机构，例如电机，此处不再赘述。外部机构驱动凸轮8-2往相对于如图6B所示的凸轮8-2所在位置逆时针转动后，凸轮8-2与外环8-1及内环8-3完全分离，此时，离合装置8处于脱开状态，外环8-1及内环8-3可以各自独立地转动。外部机构驱动凸轮8-2 顺时针转动后，如图6B所示，凸轮8-2的两端分别与外环8-1及内环8-3刚性接触，此时，离合装置8处于结合状态。

本实施例中，利用转速信号改变凸轮8-2的转动方向，进而改变离合装置8 的状态。具体而言，在外环8-1及内环8-3上分别设置用于采集外环8-1转速 W1以及内环8-3转速W2的转速传感器，转速传感器与信号采集控制器相连，信号采集器再连接驱动凸轮转动的外部机构。应当注意的是，转速传感器及信号采集控制器均为本领域技术人员的常规设备，此处不再赘述。信号采集控制器判断W1与W2信号的大小：当W1大于W2时，外部机构驱动凸轮8-2逆时针微转动，此时凸轮8-2与外环8-1及内环8-3完全分离；当W2接近W1时，外部机构驱动凸轮8-2顺时针转动，这样凸轮8-2上下两端分别与外环8-1和内环8-3 接触摩擦，通过摩擦力传递扭矩。此时，对于透平10来说，由于对外做功，所以透平10总会一直产生一个W2超过W1的趋势，故内环8-3一直会产生让凸轮8-2顺时针旋转的趋势，从而凸轮8-2会紧密接触摩擦内环8-3和外环8-1，从而传递转矩。

结合图7，上述结构的离合装置8的工作过程描述如下：

1、在系统启动时，电动机1带着压缩机2逆时针旋转(图示方向为正视)，离合装置8的外环8-1与压缩机2的主轴一起逆时针旋转，假设此时外环8-1的转速是W1，内环8-3不旋转，离合装置8处于脱开状态。

2、当系统达到工作条件，将CO₂工质注入透平，CO₂工质在透平6中进行膨胀，带动透平6旋转，此时离合装置8的内环8-3开始旋转，设内环8-3的转速是W2，则有：

当W1大于W2时，外环8-1与内环8-3的转速不相同，压缩机2由电动机 1驱动，离合装置8处于脱开状态。

当W2等于W1时，离合装置8变化至结合状态，透平6与压缩机2同转速。随着系统CO₂工质的压力、温度或者流量的升高，透平6输出功逐渐增大，透平6带动压缩机2旋转，直至电动机1功率降为0，完成压缩机2的驱动由电动机1向透平6的转换。

3、当透平6的CO₂工质参数减小(如压力、温度或者流量减少)，透平6 输出功减小，电动机1协助透平6一起驱动压缩机2。当透平6输出功减小到使得W2＜W1时，离合装置8变化至脱开状态。

作为改进，为了让压缩机2和透平6都工作在最佳转速，可以在压缩机2 和离合装置8之间，或者在离合装置8和透平6之间设置变速箱9，变速箱9的具体结构为本领域技术人员的常识，此处不再赘述。

当将本实施例公开的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置应用在如图1所示的超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统上，其结构如图7所示，在图1所示的超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统中增设离合装置8、变速箱9以及透平10，其中，透平10与超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统原有的透平6共用回热器4以及热源5。应当注意的是，除了图1所示的超临界CO₂布雷顿简单回热循环发电系统之外，本实用新型公开的压缩机主机装置亦可用于其他布雷顿循环发电系统中，例如：可以应用在超临界CO₂再压缩布雷顿循环发电系统中，或者可以应用在超临界CO₂预压缩布雷顿循环发电系统中，原理与上文类似，此处不再赘述。

Claims (5)

1.一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，用在超临界CO₂布雷顿发电循环系统中，包括用于超临界CO₂布雷顿发电循环系统的压缩机，压缩机带有电动机，还包括透平，由超临界CO₂布雷顿发电循环系统的热源为透平提供CO₂工质，其特征在于，还包括离合装置，压缩机的主轴及透平的主轴均与离合装置刚性连接。

2.如权利要求1所述的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，其特征在于，还包括变速箱；所述压缩机的主轴与变速箱的一端刚性连接，变速箱的另一端与所述离合装置刚性连接，或者所述离合装置与变速箱的一端刚性连接，变速箱的另一端与所述透平的主轴刚性连接。

3.如权利要求1所述的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，其特征在于，所述离合装置包括外环以及内环；所述离合装置的外环与所述压缩机的主轴刚性连接，由所述压缩机带动外环转动；所述离合装置的内环与所述透平的主轴刚性连接，由所述透平带动内环转动；

所述离合装置还包括设于外环与内环之间的至少三个凸轮；所有凸轮由外部机构驱动往方向一及方向二转动，当凸轮往方向一转动后，所述离合装置处于脱开状态，外环及内环能够各自独立转动，当凸轮往方向二转动后，所述离合装置处于结合状态，使得凸轮两端分别与外环及内环形成刚性接触，使得外环与内环之间通过凸轮传递扭矩；

外环及内环上分别设有转速传感器，转速传感器与信号采集控制器相连，信号采集控制器连接驱动凸轮转动的外部机构。

4.如权利要求3所述的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，其特征在于，所有所述凸轮沿周向均匀布置。

5.如权利要求3所述的一种超临界CO₂布雷顿发电循环压缩机主机装置，其特征在于，每个所述凸轮满足以下尺寸要求：

设凸轮对角两个距离最远点之间的距离为A，凸轮对角两个距离最近点之间的距离为C，外环内半径与内环外半径之差为B，则有：A＞B＞C。

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