一种超临界二氧化碳循环发电系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是涉及一种超临界二氧化碳循环发电系统及其运行方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环由于效率高、系统体积小、噪声低等优点，在很多领域具有很好的应用前景，因此研究超临界二氧化碳透平机组的技术具有很重要的意义，但超临界二氧化碳分流再压缩循环发电系统设计中存在以下关键问题：由于系统为闭式循环，再加上常规轴系布置都为同轴布置，透平、压缩机转速为固定值且无法调节，而通过其他手段又无法大幅度、快速、高效调整系统的负荷，同时常规轴系布置存在轴系过长，系统不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳循环发电系统及其运行方法，可有效解决超临界二氧化碳分流再压缩循环发电系统负荷无法大幅度、快速和高效调整的问题，同时常规轴系布置存在轴系过长，系统不稳定的问题。

一种超临界二氧化碳循环发电系统，包括第一轴系和第二轴系，所述第一轴系包括第一多轴齿轮箱、发电机以及成对设置的透平、主压缩机和辅压缩机，所述发电机通过第一联轴器与所述第一多轴齿轮箱连接，所述透平、所述主压缩机和所述辅压缩机均通过端面齿与所述第一多轴齿轮箱连接，所述第二轴系包括第二多轴齿轮箱、电机以及成对设置的预压缩机，所述电机通过第二联轴器与所述第二多轴齿轮箱连接，所述预压缩机通过端面齿与所述第二多轴齿轮箱连接，所述第一轴系和所述第二轴系通过高温回热器、低温回热器、第一冷却器、第二冷却器、加热器以及控制罐相互交错连通。

进一步的，所述透平包括第一透平和第二透平，所述主压缩机包括第一主压缩机和第二主压缩机，所述辅压缩机包括第一辅压缩机和第二辅压缩机，所述预压缩机包括第一预压缩机和第二预压缩机，所述第一透平的入口与所述加热器的二氧化碳侧出口连通，所述第一透平的出口与所述第二透平入口连通，所述第二透平的出口与所述高温回热器的热侧入口连通，所述高温回热器的热侧出口与所述低温回热器的热侧入口连通，所述低温回热器的热侧出口处分为两路，第一路与所述第一冷却器的二氧化碳侧入口连通，第二路与所述第一辅压缩机入口连通；在所述第一路中：所述第一冷却器的二氧化碳侧出口与所述第一预压缩机入口连通，所述第一预压缩机的出口与所述第二预压缩机入口连通，所述第二预压缩机出口与所述第二冷却器的二氧化碳侧入口连通，所述第二冷却器二氧化碳侧出口与所述第一主压缩机入口连通，所述第一主压缩机的出口与所述第二主压缩机入口连通，所述第二主压缩机出口与所述低温回热器冷侧入口连通；在所述第二路中：所述第一辅压缩机的出口与所述第二辅压缩机入口连通，所述第二辅压缩机出口与所述低温回热器冷侧出口汇合，汇合处与所述高温回热器冷侧入口连通，所述高温回热器冷侧出口与所述加热器二氧化碳侧入口连通，所述加热器二氧化碳侧出口与所述第一透平入口连通。

进一步的，所述主压缩机、所述辅压缩机和所述预压缩机的叶轮均采用多级离心结构，所述透平的叶轮采用多级向心结构，所述主压缩机、所述辅压缩机和所述透平上的所述叶轮均通过端面齿与所述第一多轴齿轮箱连接，所述预压缩机上的所述叶轮通过端面齿与所述第二多轴齿轮箱连接。

进一步的，所述电机为变频电机，所述电机的额定转速范围在10％～110％之间。

进一步的，所述第二主压缩机的出口端设有第一逆止阀，所述第一主压缩机的入口端与所述第二主压缩机出口端之间并联有第一防喘振控制阀。

进一步的，所述第一辅压缩机的入口端设有分流调节阀，所述第二辅压缩机的出口端设有第二逆止阀，所述分流调节阀与所述第二逆止阀之间并联有第二防喘振控制阀。

进一步的，所述第二预压缩机的出口端设有第三逆止阀，所述第一预压缩机的入口端与所述第二预压缩机出口端之间并联有第三防喘振控制阀。

进一步的，所述第一透平的入口处设有主气调节阀。

进一步的，所述控制罐的入口端设有充气调节阀，所述控制罐的出口端设有放气调节阀。

一种超临界二氧化碳循环发电系统的运行方法，包括超临界二氧化碳循环发电系统降低负荷运行状态和超临界二氧化碳循环发电系统升高负荷运行状态，具体包括如下步骤：

S1：当超临界二氧化碳循环发电系统降低负荷运行时：

S101：通过调节所述充气调节阀向所述控制罐充气，使所述第二主压缩机和所述第二辅压缩机的出口端压力降低；

S102：降低所述电机的转速，使所述预压缩机的工作转速降低，从而降低所述第二主压缩机的出口流量；

S103：增大所述分流调节阀的阀门开度，降低所述第一辅压缩机入口的压力，同时，所述第二辅压缩机的出口端的流量降低，实现所述透平入口端流量和压力的降低；

S2：当超临界二氧化碳循环发电系统升高负荷运行时：

S201：通过调节所述放气调节阀对所述控制罐放气，使所述第二主压缩机和所述第二辅压缩机出口压力升高；

S202：升高所述电机的转速，使所述预压缩机的工作转速升高，从而增大第二主压缩机的出口端流量；

S203：减小所述分流调节阀的阀门开度，提高所述第一辅压缩机入口的压力，同时，所述第二辅压缩机的出口流量增大，实现所述透平入口端流量和压力的增加。

本发明的技术方案通过提供了一种超临界二氧化碳循环发电系统及其运行方法，该发电系统中第一轴系和第二轴系与高温回热器、低温回热器、第一冷却器、第二冷却器、加热器以及控制罐相互交错连通形成完整的超临界二氧化碳循环发电系统，当变负荷时可以通过调整变频电机的转速来控制进入透平内的流量和压力进而实现功率变化，来匹配实际发电需要，实现了超临界二氧化碳循环发电系统的负荷从0～110％范围的调整，极大的增加了系统的变工况特性，提高了变工况时系统效率；压缩机和透平的各级叶轮可以选取最佳转速，提高了系统效率；多轴齿轮箱的应用实现了压缩机和透平的集成布置，减少了轴系长度不仅能提高整个发电系统的稳定性，而且节约了厂房建设成本，本发明结构安全可靠，可有效解决超临界二氧化碳循环发电系统负荷无法大幅度、快速、高效调整以及常规轴系布置存在轴系过长、系统不稳定的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种超临界二氧化碳循环发电系统的轴系布置示意图；

附图标记说明：1-第一轴系、100-第一多轴齿轮箱、101-第一透平、102-第二透平、103-第一主压缩机、104-第二主压缩机、105-第一辅压缩机、106-第二辅压缩机、107-发电机、108-主气调节阀、109-端面齿、110-第一逆止阀、111-第一防喘振控制阀、112-分流调节阀、113-第二逆止阀、114-第二防喘振控制阀、115-第一联轴器、200-第二多轴齿轮箱、201-第一预压缩机、202-第二预压缩机、203-电动机、204-第二联轴器、205-第三逆止阀、206-第三防喘振控制阀、301-高温回热器、302-低温回热器、303-第一冷却器、304-第二冷却器、305-加热器、401-控制罐、402-充气调节阀、403-放气调节阀；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

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"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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，

本发明提供一种超临界二氧化碳循环发电系统，包括第一轴系1、第二轴系、高温回热器301、低温回热器302、第一冷却器303、第二冷却器304、加热器305和控制罐401，第一轴系1包括第一多轴齿轮箱100、发电机107以及成对设置的透平、主压缩机和辅压缩机，主压缩机和辅压缩机的叶轮均采用多级离心结构，透平的叶轮采用多级向心结构，透平的各级相互串联，主压缩机的各级相互串联，辅压缩机的各级相互串联，即上一级的出口与下一级的入口相连，级数为偶数级，分别对称设置在第一多轴齿轮箱100的两侧，单并不限于两级，采用偶数级叶轮有利于平衡轴向推力，叶轮均通过端面齿安装第一多轴齿轮箱100的轴的两端，形成悬臂结构；发电机107通过第一联轴器115与第一多轴齿轮箱100连接，对外输出功率，第二轴系包括第二多轴齿轮箱200、电机203以及成对设置的预压缩机，预压缩机的叶轮采用多级离心结构，预压缩机的各级同样相互串联，级数为偶数级，对称设置在第二多轴齿轮箱200的两侧，预压缩机的叶轮通过端面齿与第二多轴齿轮箱200连接，用以驱动预压缩机，该第二轴系中的电机203为变频电机，该电机203通过第二联轴器204与第二多轴齿轮箱200连接，该电机203可以在10％～110％额定转速范围内连续运行，从而使预压缩机的转速实现10％～110％调整，这样其出口流量也会大幅度改变；第一轴系1和第二轴系与高温回热器301、低温回热器302、第一冷却器303、第二冷却器304、加热器305以及控制罐401相互交错连通形成完整的超临界二氧化碳循环发电系统。

透平包括第一透平101和第二透平102，主压缩机包括第一主压缩机103和第二主压缩机104，辅压缩机包括第一辅压缩机105和第二辅压缩机106，预压缩机包括第一预压缩机201和第二预压缩机202，第一透平101的入口与加热器305的二氧化碳侧出口连通，第一透平101的出口与第二透平102入口连通，第二透平102的出口与高温回热器301的热侧入口连通，高温回热器301的热侧出口与低温回热器302的热侧入口连通，低温回热器302的热侧出口处分为两路，第一路与第一冷却器303的二氧化碳侧入口连通，第二路与第一辅压缩机105入口连通；在第一路中：第一冷却器303的二氧化碳侧出口与第一预压缩机201入口连通，第一预压缩机201的出口与第二预压缩机202入口连通，第二预压缩机202出口与第二冷却器304的二氧化碳侧入口连通#，第二冷却器304二氧化碳侧出口与第一主压缩机103入口连通，第一主压缩机103的出口与第二主压缩机104入口连通，第二主压缩机104出口与低温回热器302冷侧入口连通；在第二路中：第一辅压缩机105的出口与第二辅压缩机106入口连通，第二辅压缩机106出口与低温回热器302冷侧出口汇合，汇合处与高温回热器301冷侧入口连通，高温回热器301冷侧出口与加热器305二氧化碳侧入口连通，加热器305二氧化碳侧出口与第一透平101入口连通。

循环中的工质从高温回热器301的出口端出来，经过主气调节阀108进入第一透平101，膨胀做功后又进入到第二透平102，再次做完功后排出，之后相继经过高温回热器301与低温回热器302放热,在低温回热器302的出口端分成两路，第一路工质通过第一辅压缩机105和第二辅压缩机106后被压至高压状态，第二路工质经过第一冷却器303冷却后被第一预压缩机201和第二预压缩机202压缩，再经过第二冷却器304冷却后被第一主压缩机103和第二主压缩机104压至高压状态，第一冷却器303和第二冷却器304分别与冷却水管连通，第二路工质在低温回热器302中被加热并与第一路工质混合，然后在高温回热器301和加热器305中吸热，最后流入透平做功，重复以上步骤，形成一个完整的再压缩发电循环。

第二主压缩机104的出口端设有第一逆止阀110，第一主压缩机103的入口端与第二主压缩机104出口端之间并联有第一防喘振控制阀111；第一辅压缩机105的入口端设有分流调节阀112，该分流调节阀112用于控制第一辅压缩机105的入口压力，并配合预压缩机的转速调节进行主压缩机与辅压缩机之间的分流比控制。第二辅压缩机106的出口端设有第二逆止阀113，分流调节阀112与第二逆止阀113之间并联有第二防喘振控制阀114；第二预压缩机202的出口端设有第三逆止阀205，第一预压缩机201的入口端与第二预压缩机202出口端之间并联有第三防喘振控制阀206。各个防喘振控制阀均用于保证各个压缩机在启停或突发情况时不出现喘振现象；各个逆止阀均用于防止各压缩机出口管道内的气体倒流到压缩机内，避免出现喘振现象，逆止阀和防喘振控制阀共同保证了本系统使用过程中的安全性以及可靠性，第一透平101的入口处设有主气调节阀108该阀门可用于透平紧急停机，保证整个旋转系统安全运行。

控制罐401的入口端设有充气调节阀402，控制罐401的出口端设有放气调节阀403，该系统在工作时通过调节充气调节阀402以及放气调节阀403的开度，使工质流经控制罐401即流入或者流出控制罐401，并配合变频电机，保证各压缩机的出口流量系数不变。其中，控制罐401为压力容器，其内部压力处于第一预压缩机201入口与第二主压缩机104出口端压力范围之间，它能够在发电系统变工况运行时提供分流通道，也可以作为发电系统循环中超临界二氧化碳工质的外部输入或者是作为储存装置使用。

该发电系统中轴系结构中所采用的止推轴承和支撑轴承为滚珠轴承、气体箔轴承、磁轴承、动压轴承、静压轴承以及油润滑轴承中的任意一种，用来确保轴系运行的安全稳定性。透平、主压缩机以及辅压缩机所采用的密封结构均为迷宫密封、碳环密封、干气密封中的任意一种，用来尽可能实现设备零漏气量的目标。

当超临界二氧化碳循环发电系统降低负荷运行时，通过充气调节阀402向控制罐401充气，使第二主压缩机104和第二辅压缩机106的出口压力降低，同时，降低变频电机的转速，使预压缩机的工作转速降低，这样就降低了第二主压缩机104的出口流量，增大第一辅压缩机105入口端的分流调节阀112的阀门开度，降低第一辅压缩机105入口的压力，由于变频电机转速不变，也就降低了第二辅压缩机106的出口端的流量，这样就实现了透平入口端流量和压力的降低，从而达到降低负荷的目的；当超临界二氧化碳循环发电系统升高负荷运行时，通过放气调节阀403对控制罐401放气，使第二主压缩机104和第二辅压缩机106出口压力升高，同时，升高变频电机的转速，使预压缩机的工作转速升高，这样，也就增大了第二主压缩机104的出口流量，通过减小第一辅压缩机105入口的分流调节阀112的阀门开度，提高第一辅压缩机105入口端的压力，由于变频电机转速不变，也就增大了第二辅压缩机106的出口流量，这样就实现了透平入口端流量和压力增加，从而达到了增加负荷的目的。

该超临界二氧化碳循环发电系统实现了负荷从0～110％范围的调整，极大的增加了系统的变工况特性，提高了变工况时系统效率；压缩机和透平各级叶轮可以选取最佳转速，提高了系统效率；多轴齿轮箱的应用实现了压缩机和透平的集成布置，减少了轴系长度，节约了厂房建设成本，也提高系统运行的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。