一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统及监控方法

技术领域

本发明涉及涡轮机技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统及监控方法。

背景技术

以超临界二氧化碳为工质的闭式循环动力系统，可以大大降低涡轮机和压缩机等设备的尺寸，具有能量密度大、压缩功耗小、循环无相变、初始投资少、运行成本低的优点，被认为是未来电力系统的最佳方案。

超临界二氧化碳涡轮机是热力循环系统中将热能转换为机械能的重要部件，一般采用单悬臂式涡轮，后续采用直驱高速发电机，或经齿轮箱减速后通过联轴器驱动普通发电机发电，较双悬臂式可减小机组热负荷，降低级间管道造成的气动损失，目前超临界二氧化碳透平主要采用油膜轴承，其线速度存在限制值，因此推力轴承容量存在一个最大值，而单悬挂式涡轮产生的轴向推力远大于推力轴承最大容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统及监控方法，旨在解决现有单悬挂式涡轮产生的轴向推力远大于推力轴承最大容量的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统，包括涡轮端、平衡端、高速发电机、主轴、机匣和监控组件，所述高速发电机设置于所述机匣内，所述主轴与所述高速发电机转动连接，并贯穿所述高速发电机，所述涡轮端设置于所述主轴一侧，所述平衡端设置于所述主轴另一侧，所述监控组件设置于所述机匣外侧。

其中，所述监控组件包括变送器组、输入信号线、PLC控制模块和输出信号线，所述变送器组设置于所述机匣外侧，所述输入信号线与所述变送器组电连接，并与所述PLC控制模块电连接，且位于所述PLC控制模块和所述变送器组之间，所述输出信号线与所述PLC控制模块电连接。

其中，所述涡轮端包括喷嘴环组、涡轮盘组、拉杆螺钉、迷宫密封和涡端干气密封动静环组，所述涡轮盘组设置于所述主轴一侧，所述拉杆螺钉与所述主轴固定连接，并贯穿所述涡轮盘组，所述喷嘴环组设置于所述涡轮盘组外侧，所述迷宫密封设置于所述主轴靠近所述喷嘴环组一侧，所述涡端干气密封动静环组设置于所述迷宫密封远离所述喷嘴环组一侧。

其中，所述平衡端包括平衡端干气密封动环和平衡端干气密封静环，所述平衡端干气密封动环设置于所述主轴远离所述涡端干气密封动环组一侧，所述平衡端干气密封静环设置于所述机匣内，并与所述平衡端干气密封动环贴合，且位于远离所述主轴一侧。

第一方面，本发明还提供了一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡监控方法，包括以下步骤：

通过监控组件监测涡轮机轴系压力值，得到初始监测数据；

监控组件基于内置程序对所述初始监测数据进行计算求差，得到推力差；

判断所述推力差是否大于推力轴承容量，大于则发出停机信号，小于等于则进行运行。

本发明的一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统，所述主轴与所述高速发电机(齿轮箱)是通过轴承相连，穿过所述高速发电机，伸入所述涡轮端和所述平衡端，所述主轴在所述高速发电机(齿轮箱)内可自由转动，所述平衡端用于平衡涡轮推力，所述高速发电机用于输出功率，所述监控组件用于监测涡轮机轴系推力，该系统通过所述监控组件监测涡轮机轴系压力，并计算判断推力轴系推力差是否大于推力轴承容量，大于则发出停机信号，小于等于则进行运行，可实现在所有工况推力不超容量，解决现有单悬挂式涡轮产生的轴向推力远大于推力轴承最大容量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明提供的一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统的监控组件连接示意图。

图3是本发明提供的一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡监控方法的流程图。

1-进气管、2-第四压力变送器、3-一级喷嘴环、4-二级喷嘴环、5-三级喷嘴环、6-机匣、7-四级喷嘴环、8-第三压力变送器、9-排气管、10-迷宫密封、11-第二压力变送器、12-平衡管、13-流量计、14-信号线、15-调节阀、16-管道、17-干气密封气源、18-第一压力变送器、19-主轴、20-平衡端干气密封动环、21-平衡端干气密封静环、22-涡端干气密封静环、23-涡端干气密封动环、24-四级涡轮盘、25-三级涡轮盘、26-二级涡轮盘、27-一级涡轮盘、28-拉杆螺钉、29-排气腔、30-涡端干气密封腔、31-平衡腔、32-输入信号线、33-PLC控制模块、34-输出信号线。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。

第一方面，请参阅图1至图3，本发明提供一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统，包括涡轮端、平衡端、高速发电机、主轴19、机匣6和监控组件，所述高速发电机设置于所述机匣6内，所述主轴19与所述高速发电机转动连接，并贯穿所述高速发电机，所述涡轮端设置于所述主轴19一侧，所述平衡端设置于所述主轴19另一侧，所述监控组件设置于所述机匣6外侧。

具体的，所述主轴19与所述高速发电机(齿轮箱)是通过轴承相连，穿过所述高速发电机，伸入所述涡轮端和所述平衡端，所述主轴19在所述高速发电机(齿轮箱)内可自由转动，所述平衡端用于平衡涡轮推力，所述高速发电机用于输出功率，所述监控组件用于监测涡轮机轴系推力，该系统通过所述监控组件监测涡轮机轴系压力，并计算判断轴系推力差是否大于推力轴承容量，大于则发出停机信号，小于等于则进行运行，可实现在所有工况推力不超容量，解决现有单悬挂式涡轮产生的轴向推力远大于推力轴承最大容量的问题。

进一步的，所述监控组件包括变送器组、输入信号线32、PLC控制模块33和输出信号线34，所述变送器组设置于所述机匣6外侧，所述输入信号线32与所述变送器组电连接，并与所述PLC控制模块33电连接，且位于所述PLC控制模块33和所述变送器组之间，所述输出信号线34与所述PLC控制模块33电连接。

具体的，所述涡端干气密封腔30的压力由所述第二压力变送器11测得，压力值为P2，超临界二氧化碳由进气管1进入涡轮机，进气压力由所述第四压力变送器2测得，压力值为P4，经过所述喷嘴环组和所述涡轮盘组做功后进入排气腔29，再由排气管路9排出，排气压力由所述第三压力变送器8测得，压力值为P3，排气腔29压力与排气压力P3差异很小，可认为两者相等。

进一步的，所述涡轮端包括喷嘴环组、涡轮盘组、拉杆螺钉28、迷宫密封10和涡端干气密封动静环组，所述涡轮盘组设置于所述主轴19一侧，所述拉杆螺钉28与所述主轴19固定连接，并贯穿所述涡轮盘组，所述喷嘴环组设置于所述涡轮盘组外侧，所述迷宫密封10设置于所述主轴19靠近所述喷嘴环组一侧，所述涡端干气密封动静环组设置于所述迷宫密封10远离所述喷嘴环组一侧。

具体的，所述喷嘴环组和所述涡轮盘组交替排列安装，所述喷嘴环组包括一级喷嘴环3、二级喷嘴环4、三级喷嘴环5和四级喷嘴环7，并依次安装在所述机匣6内，通过所述拉杆螺钉28将所述涡轮盘组包括一级涡轮盘27、二级涡轮盘26、三级涡轮盘25和四级涡轮盘24依次排列安装在所述主轴19上，所述迷宫密封10安装在所述机匣6内，位于排气腔29背后，所述涡端干气密封动环23安装在迷宫密封10背后，所述涡端干气密封静环22安装在所述机匣6内，与所述涡端干气密封动环23微小间隙贴合，与迷宫密封10之间形成涡端干气密封腔30。

进一步的，所述平衡端包括平衡端干气密封动环20和平衡端干气密封静环21，所述平衡端干气密封动环20设置于所述主轴19远离所述涡端干气密封动环组一侧，所述平衡端干气密封静环21设置于所述机匣6内，并与所述平衡端干气密封动环20贴合，且位于远离所述主轴19一侧。

具体的，得到平衡端干气密封动环20安装在所述主轴19轴端，所述平衡端干气密封静环21安装在所述机匣6内，形成平衡腔31，其压力由所述第一压力变送器18测得，压力值为P1。

干气密封气源17来自发电系统，通过管道16与所述平衡腔31相连，所述平衡腔31与所述涡端干气密封腔30通过平衡管12相连，平衡管12上设置调节阀15，其开度由流量计13通过信号线14进行反馈控制，保证流量计13始终为设定值。

密封气由所述干气密封气源17，经过所述管道16流向所述平衡腔31，产生推力，再经过所述平衡管12，经过所述调节阀15调节后注入所述涡端干气密封腔30，之后作为冷却气体，流经所述迷宫密封10，冷却所述机匣6和所述主轴19，最后注入排气腔29，汇入主流排出，两个干气密封点使用一股密封气，减少了密封气用量，提高系统发电效率。

设所述平衡腔31承压面积为A1，其压力值P1由所述第一压力变送器18测得，平衡端推力为F1＝A1*P1，方向指向涡轮端；所述涡端干气密封腔30承压面积A2，其压力值P2由所述第二压力变送器11测得，推力为F2＝A2*P2，方向指向平衡端；所述涡轮盘组上由气动力和级间压差产生的推力为F3，方向指向平衡端，F3与进气压力P4和排气压力P3相关，P4由所述第四压力变送器2测得，P3由所述第三压力变送器8测得，每一个确定的进、排气压力P4、P3，可以通过通流部分气动仿真计算确定一个F3。

所述干气密封气源17是来自发电系统中压缩机出口的高压储罐，并经加热过滤后的气体，所述平衡腔31的压力P1等于压缩机出口压力减去密封管路损失，超临界二氧化碳发电系统中涡轮机进口压力P4等于压缩机出口压力减去主流管路损失，根据经验，P1与P4变化一致且差值不大，对于1000kW以下机组-1MPa≤P1-P4≤1MPa；由于涡轮端所需冷却流量一定，即流量计13值不变，所述涡端干气密封腔30的压力P2大于排气压力P3，且随P3变化而变化，并且不大于P1，即P3≤P2≤P1。

考虑不同工况下透平进出、口压力P4、P3在运行过程中可能出现的值，从而仿真确定F3；平衡腔压力P1＝P4+k(根据经验-1MPa≤k≤1MPa)，存在上下限，A1确定，则F1存在上下限；涡端干气密封腔压力P2≥P3且P2≤P1，存在上下限，A2确定，则F2存在上下限；对于每一组确定的P4和P3，可以得到P1和P2的上下限，从而得到F1和F2的上下限；因此对于每一个工况可以得出F1、F2和F3合力即轴系推力的上下限，经计算，各种工况下，轴系推力值的上下限均在轴承容量范围内。

第二方面，请参阅图3，本发明提供一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡监控方法，包括以下步骤：

S1通过监控组件监测涡轮机轴系压力值，得到初始监测数据；

具体的，通过PLC监控组件监测轴系压力值，通过输入信号线32传入PLC控制模块。

S2监控组件基于内置程序对所述初始监测数据进行计算求差，得到推力差；

具体的，测得的平衡腔压力P1、涡端干气密封腔压力P2通过输入信号线32输入PLC控制模块，通过PLC控制模块内置程序可计算得出平衡端推力F1、涡端干气密封推力F2，测得的涡轮机进气压力P4、排气压力P3输入PLC控制模块，通过内置程序可得涡端推力F3，计算其推力差的决绝对值|F1-F2-F3|，即所述推力差。

S3判断所述推力差是否大于推力轴承容量，大于则发出停机信号，小于等于则进行运行。

具体的，PLC控制模块判断|F1-F2-F3|≤推力轴承容量FT是否成立，是则继续运行，否则通过输出信号线34发出停机信号

以上所揭露的仅为本发明一种超临界二氧化碳涡轮机推力自平衡系统及监控方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。