一种超临界二氧化碳循环系统以及压缩机和透平热态启动方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳循环系统以及压缩机和透平热态启动方法。

背景技术

随着近些年来发电技术的发展，研究表明发电机组采用超临界二氧化碳代替水蒸气作为循环工质，在一定的功率范围内具有循环效率高、设备结构紧凑、基建初投资小等优点，因此超临界二氧化碳循环发电系统是一项非常具有技术前景的发电方式。

发明内容

基于以上考虑，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳循环系统以及压缩机和透平热态启动方法，通过对主回路加热器功率、压缩机的转速、防喘阀开度、透平的入口调节阀开度及透平旁路阀开度的联动调节，完成压缩机及透平热态启动冲转过程。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超临界二氧化碳循环系统，包括压缩机及辅助调节系统、透平及辅助调节系统、高压存储回路系统、低压存储回路系统、以及换热与流量控制系统；

所述压缩机及辅助调节系统包括压缩机入口阀门1、压缩机干气密封流量控制阀2、压缩机变频电机3、压缩机4、压缩机防喘回路冷却器5、压缩机防喘阀6、压缩机出口阀门7和压缩机排空阀31；压缩机及辅助调节系统的作用是对超临界二氧化碳循环系统中冷态工质进行压缩并提升压力；压缩机变频电机3能够根据频率指令调节压缩机转速来达到调节压缩机出力；压缩机防喘阀6根据压缩机工况点的位置自动动作来防止喘振或主动动作作为压缩机出力调节；压缩机防喘回路冷却器5作用是运行过程中用来控制压缩机4入口温度；压缩机干气密封流量控制阀2用来控制干气密封气体流量；压缩机排空阀31用作启机及紧急停机过程中调节压缩机内部腔室压力；

所述透平及辅助调节系统包括透平入口调节阀15、透平盘车电机16、透平17、发电机18、透平旁路调节阀19、透平干气密封控制阀20、透平出口逆止阀21和透平排空阀30；透平入口调节阀15通过调节透平入口工质流量来控制透平输出功率；透平盘车电机16用作透平启动前及停机后对透平进行低速盘车；透平17带动发电机18转动发电；透平旁路调节阀19用来调节热态工质通过透平的质量流量；透平干气密封控制阀20用来控制干气密封气体流量；透平出口逆止阀21用来防止透平出口工质反向流入透平内部；透平排空阀30用作启机及紧急停机过程中调节透平内部腔室压力；

所述高压存储回路系统包括高压存储回路入口阀门9、高压存储回路冷却器10、高压工质存储罐11、高压存储回路加热器12和高压存储回路出口阀门13，其中高压存储回路入口阀门9及高压存储回路出口阀门13用于对流入或流出高压工质存储罐11的工质流量进行控制；高压存储回路冷却器10及高压存储回路加热器12用于对流入或流出高压工质存储罐11的工质温度进行控制；高压工质存储罐11用于停机或降负荷阶段对压缩机出口的高压工质进行存储；

所述低压存储回路系统包括低压存储回路入口阀门24、工质补充入口控制阀23和低压存储回路冷却器25、低压工质存储罐26、低压存储回路加热器27和低压存储回路出口阀门28，其中低压存储回路入口阀门24及低压存储回路出口阀门28用于对流入或流出低压工质存储罐26的工质流量进行控制；工质补充入口控制阀23用于启机前对低压工质存储罐26补充工质时的流量进行控制；低压存储回路冷却器25及低压存储回路加热器27用于对流入或流出低压工质存储罐26的工质温度进行控制；低压工质存储罐26用于启机前对工质进行存储，启机或调整负荷阶段对压缩机4入口压力进行控制；

所述换热与流量控制系统包括主加热器入口控制阀8、主回路加热器14、主回路冷却器22、主冷却器出口控制阀29和回热器32，其中主加热器入口控制阀8及主冷却器出口控制阀29用于对主回路中工质流量进行控制，回热器32用于对压缩机4出口冷态工质及透平17出口热态工质进行热交换，对压缩机4出口冷态工质进行加热，并对透平17出口热态工质进行冷却；主回路加热器14的作用是对回热器32冷侧出口工质进行进一步加热升温；主回路冷却器22的作用是对回热器32热侧出口工质进行进一步冷却降温；

超临界二氧化碳循环系统中各部件的具体连接关系如下：

所述压缩机入口阀门1阀后分别与压缩机4入口、压缩机防喘回路冷却器5出口相连通；压缩机干气密封流量控制阀2阀前与干气密封气源相连通，阀后与压缩机4内腔相连通；压缩机排空阀31阀前与压缩机4内腔相连通，阀后直通大气；压缩机变频电机3与压缩机4采用联轴器连接；压缩机4出口分别与压缩机防喘阀6阀前、压缩机出口阀门7阀前相连通；压缩机防喘阀6阀后与压缩机防喘回路冷却器5入口相连通；压缩机出口阀门7阀后分别与高压存储回路入口阀门9阀前、主加热器入口控制阀8阀前相连通；高压存储回路入口阀门9阀后与高压存储回路冷却器10入口相连通；高压存储回路冷却器10出口与高压工质存储罐11入口相连通；高压工质存储罐11出口与高压存储回路加热器12入口相连通；高压存储回路加热器12出口与高压存储回路出口阀门13阀前相连通；主加热器入口控制阀8阀后、高压存储回路出口阀门13阀后均与回热器32冷侧入口相连通；回热器32冷侧出口与主回路加热器14入口相连通；主回路加热器14出口分别与透平入口调节阀15阀前、透平旁路调节阀19阀前相连通；透平入口调节阀15阀后与透平17入口相连通；透平17与发电机18采用联轴器连接；透平盘车电机16与透平17之间采用离合器连接；透平干气密封控制阀20阀前与干气密封气源相连通，阀后与透平17内腔相连通；透平排空阀30阀前与透平17内腔相连通，阀后直通大气；透平17出口与透平出口逆止阀21阀前相连通；透平出口逆止阀21阀后、透平旁路调节阀19阀后均与回热器32热侧入口相连通；回热器32热侧出口与主回路冷却器22入口相连通；主回路冷却器22出口分别与低压存储回路入口阀门24阀前、主冷却器出口控制阀29阀前相连通；工质补充入口控制阀23阀前与工质储罐相连通，阀后分别与低压存储回路入口阀门24阀后、低压存储回路冷却器25入口相连通；低压存储回路冷却器25出口与低压工质存储罐26入口相连通；低压工质存储罐26出口与低压存储回路加热器27入口相连通；低压存储回路加热器27出口与低压存储回路出口阀门28阀前相连通；低压存储回路出口阀门28阀后、主冷却器出口控制阀29阀后均与压缩机入口阀门1阀前相连通；

其中：压缩机4出口、回热器32冷侧、主回路加热器14、透平17、回热器32热侧、主回路冷却器22和压缩机4入口依次连接形成主回路。

所述主回路加热器14是燃煤锅炉、燃气锅炉、电加热器、太阳能光热加热器或核聚变一回路加热器；主回路冷却器22冷却介质是工厂冷却水或冷却空气。

所述压缩机4及透平17干气密封气体采用二氧化碳工质，启动阶段采用低压工质存储罐26供气，运行阶段采用压缩机4出口工质供气，干气密封气进入压缩机及透平前经过加热器升温至设计温度60℃～180℃。

所述的一种超临界二氧化碳循环系统的压缩机和透平热态启动方法，发电循环过程中，二氧化碳工质依次经过压缩机4压缩升压、回热器32升温、主回路加热器14再次升温、透平17膨胀做功及发电机18发电、回热器32降温、主回路冷却器22再次降温后，回到压缩机4入口，完成一个做功循环；

机组启动前，开启工质补充入口控制阀23及低压存储回路冷却器25，将足量的二氧化碳工质充入低压工质存储罐26中，保证低压工质存储罐26中压力在5MPa～8MPa之间，并高于压缩机4入口设计压力；

工质补充完毕后，开启压缩机干气密封流量控制阀2，将干气密封气充入压缩机内部腔室，保持压缩机排空阀31处于小开度状态，保持干气密封气流量在50Nm

保持干气密封气持续充入压缩机4，并逐渐关闭压缩机排空阀31，当压缩机4内部腔室超过4MPa后，依次打开低压存储回路出口阀门28、压缩机入口阀门1及压缩机防喘阀6，依次开启低压存储回路加热器27及压缩机防喘回路冷却器5；

启动压缩机变频电机3，设置最低运行频率为20Hz；依次打开压缩机出口阀门7、主加热器入口控制阀8、透平旁路调节阀19和主冷却器出口控制阀29，开启主回路冷却器22，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

通过关小压缩机防喘阀6开度至50％～30％，提升压缩机变频电机3运行频率至30Hz～40Hz，保持压缩机入口阀门1全开，提高主回路工质质量流量，保持工质冷态循环；同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

开启透平干气密封控制阀20，将干气密封气充入透平内部腔室，保持透平排空阀30处于小开度状态，保持干气密封气流量200Nm

当透平内部腔室达到2MPa以上时，启动透平盘车电机16，带动透平17及发电机18低速转动，透平盘车电机16额定转速范围为透平设计转速的5％～15％；

开启主回路加热器14并缓慢提升加热功率，将透平入口调节阀15前工质温度提高至第一目标温度250～300℃，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

开大透平干气密封控制阀20，保持干气密封气流量400Nm

设定透平17第一目标转速为其额定转速16％～20％，相对升速率为0.005～0.015N

增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率，将透平入口调节阀15前工质温度提高至第二目标温度350～400℃；通过关小压缩机防喘阀6开度至40％～20％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第一目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

设定透平17第二目标转速为其额定转速40％～50％，相对升速率为0.005～0.015N

增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率将透平入口调节阀15前工质温度提高至第三目标温度450～500℃，通过关小压缩机防喘阀6至30％～10％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第二目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

设定透平17第三目标转速为其额定转速70％～80％，相对升速率为0.005～0.015N

增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率将透平入口调节阀15前工质温度提高至第四目标温度550℃～600℃，通过关小压缩机防喘阀6至20％～5％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第三目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

设定透平17第四目标转速为其额定转速100％，相对升速率为0.005～0.015N

透平17达到其额定转速后，逐步关小压缩机防喘阀6开度至0％，逐步关小透平旁路调节阀19开度至0％，将透平入口调节阀15前工质温度稳定在550℃～600℃之间，逐步开大透平入口调节阀15开度保持在70％～100％，逐步调小压缩机变频电机3运行频率保持在30Hz～50Hz。

透平冲转过程中，时刻监测压缩机入口温度及压力，并通过对低压存储回路出口阀门28、低压存储回路加热器27、及主回路冷却器22的联合调节，保持压缩机4入口工质压力处于4MPa～7MPa之间，温度处于35℃～45℃。

在工质升温及透平升速过程中，通过控制阀门开度及转速升速率，监测并保持透平17缸体内外壁温差范围控制在20℃～50℃，若温差超过该温度范围上限，则暂停工质升温及透平升速操作，直至温差降至合格范围再继续升温及升速操作；工质温度及透平转速到达新的目标温度及目标转速后，稳定运行30min～60min，方可进行下一步操作。

透平冲转过程中，通过设置3～6个工质目标温度及透平目标转速，阶梯式提升工质温度及透平转速；冲转过程中采用：“先工质升温，稳定30min～60min，再透平升速，稳定30min～60min”的方式逐步提升透平转速。

本发明的有益效果：本发明提出了一种超临界二氧化碳循环系统压缩机及透平热态启动方法，保证了二氧化碳循环机组透平冲转过程中的安全性及可靠性。本发明的优点在于热态启动过程中通过对压缩机变频电机3、压缩机防喘阀6、透平入口调节阀15、透平旁路调节阀19、及主回路加热器14的联合调节，来达到对透平入口工质温度、压力及流量的有效调节，通过现场实际验证表明，该方法安全、经济、可操作性强。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出了一种超临界二氧化碳循环系统，系统中设备编号见图1所示。循环过程中，二氧化碳工质依次经过压缩机4压缩升压、回热器32升温、主回路加热器14再次升温、透平17膨胀做功及发电机18发电、回热器32降温、主回路冷却器22再次降温后，回到压缩机入口，完成一个完整的做功循环。系统运行过程如下：

1)发电循环过程中，二氧化碳工质依次经过压缩机4压缩升压、回热器32升温、主回路加热器14再次升温、透平17膨胀做功及发电机18发电、回热器32降温、主回路冷却器22再次降温后，回到压缩机4入口，完成一个做功循环；

2)机组启动前，开启工质补充入口控制阀23及低压存储回路冷却器25，将足量的二氧化碳工质充入低压工质存储罐26中，保证低压工质存储罐26中压力在5MPa～8MPa之间，并高于压缩机4入口设计压力；

3)工质补充完毕后，开启压缩机干气密封流量控制阀2，将干气密封气充入压缩机内部腔室，保持压缩机排空阀31处于小开度状态，保持干气密封气流量在50Nm

4)保持干气密封气持续充入压缩机4，并逐渐关闭压缩机排空阀31，当压缩机4内部腔室超过4MPa后，依次打开低压存储回路出口阀门28、压缩机入口阀门1及压缩机防喘阀6，依次开启低压存储回路加热器27及压缩机防喘回路冷却器5；

5)启动压缩机变频电机3，设置最低运行频率为20Hz；依次打开压缩机出口阀门7、主加热器入口控制阀8、透平旁路调节阀19和主冷却器出口控制阀29，开启主回路冷却器22，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

6)通过关小压缩机防喘阀6开度至50％～30％，提升压缩机变频电机3运行频率至30Hz～40Hz，保持压缩机入口阀门1全开，提高主回路工质质量流量，保持工质冷态循环；同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

7)开启透平干气密封控制阀20，将干气密封气充入透平内部腔室，保持透平排空阀30处于小开度状态，保持干气密封气流量200Nm

8)当透平内部腔室达到2MPa以上时，启动透平盘车电机16，带动透平17及发电机18低速转动，透平盘车电机16额定转速范围为透平设计转速的5％～15％；

9)开启主回路加热器14并缓慢提升加热功率，将透平入口调节阀15前工质温度提高至第一目标温度250～300℃，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

10)开大透平干气密封控制阀20，保持干气密封气流量400Nm

11)设定透平17第一目标转速为其额定转速16％～20％，相对升速率为0.005～0.015N

12)增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率，将透平入口调节阀15前工质温度提高至第二目标温度350～400℃；通过关小压缩机防喘阀6开度至40％～20％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第一目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

13)设定透平17第二目标转速为其额定转速40％～50％，相对升速率为0.005～0.015N

14)增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率将透平入口调节阀15前工质温度提高至第三目标温度450～500℃，通过关小压缩机防喘阀6至30％～10％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第二目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

15)设定透平17第三目标转速为其额定转速70％～80％，相对升速率为0.005～0.015N

16)增加主回路加热器14加热功率，缓慢提升加热功率将透平入口调节阀15前工质温度提高至第四目标温度550℃～600℃，通过关小压缩机防喘阀6至20％～5％，控制压缩机变频电机3运行频率在30Hz～50Hz，同时缓慢关小透平入口调节阀15，缓慢开大透平旁路调节阀19，保持透平17稳定在第三目标转速，同时保持压缩机入口压力及温度稳定；

17)设定透平17第四目标转速为其额定转速100％，相对升速率为0.005～0.015N

18)透平17达到其额定转速后，逐步关小压缩机防喘阀6开度至0％，逐步关小透平旁路调节阀19开度至0％，将透平入口调节阀15前工质温度稳定在550℃～600℃之间，逐步开大透平入口调节阀15开度保持在70％～100％，逐步调小压缩机变频电机3运行频率保持在30Hz～50Hz。