一种防止压缩机进入液相的运行系统及运行方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，具体涉及一种防止压缩机进入液相的运行系统及运行方法。

背景技术

随着发电技术的发展，超临界二氧化碳作为代替水蒸气的优良工质，因其更高的循环效率、更紧凑的设备布置以及更经济的前期投入而进入许多研究者的视野。在模拟实验过程中发现：压缩机作为超临界二氧化碳的循环发电的核心辅机设备，与传统蒸汽循环的给水泵相比，虽然功用相似，但实际差异颇大。

压缩机作为超临界二氧化碳循环发电系统的主要部件之一，其运行状况具有较高的要求，当压缩机进口温度和压力低于临界点时，会出现跨临界运行的问题；当压缩机的进、出口温度和压力过高，由于闭式循环的强耦合性，会使整体系统参数升高，对整个系统设备产生不利影响。因此，在超临界二氧化碳发电系统的运行控制中，当压缩机的进出口压力或温度超出限值或其他因素引发安全隐患，极大可能出现由于压缩机入口温度过低，甚至进入液相区间工作的风险，对压缩机叶片和轴系产生不可逆的损毁，从而导致超临界二氧化碳发电系统发生停机的风险。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种防止压缩机进入液相的运行系统及运行方法，从而确保压缩机入口不进入液相区间运行，最大程度上保护压缩机运行经济和安全可靠性，确保了超临界二氧化碳发电系统的安全稳定运行。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种防止压缩机进入液相的运行系统，包括稳压罐，压缩机，冷却器，压缩机入口压力控制系统和冷却器温度控制系统；

所述冷却器的工质侧出口与稳压罐的进口通过管道连接，所述稳压罐的出口一端与压缩机通过管道连接，所述稳压罐的出口另一端与稳压罐排空阀连接，所述稳压罐的出口管路上设置有补充气源控制阀，所述高压气源的一端与稳压罐连接，所述高压气源的另一端设置有冷却器旁路阀；所述冷却器的冷却介质侧管路出口处设置有冷却介质控制阀；

所述压缩机入口处设置有压力传感器组件和第一温度传感器组件，所述冷却器的入口处设置第二温度传感器组件和流量传感器组件；所述压缩机入口压力控制系统分别与压力传感器组件，第一温度传感器组件，补充气源控制阀和稳压罐排空阀连接；所述冷却器温度控制系统分别与冷却介质控制阀，冷却器旁路阀，第二温度传感器组件和流量传感器组件连接。

优选的，包括稳压罐a和稳压罐b，所述冷却器的工质侧出口分别与稳压罐a和稳压罐b的进口通过管道连接，所述稳压罐a和稳压罐b的出口分别与出口主管路通过管道连接，所述稳压罐a与稳压罐b之间通过联络管道连接。

优选的，所述稳压罐a和稳压罐b的出口和入口之间均设置有隔离阀门；

优选的，所述冷却器为换热器，冷却器的热侧为二氧化碳乏气，冷却器的冷侧为冷却介质，所述换热器为壳式换热器和板式换热器。

一种防止压缩机进入液相的运行方法，包括，

满负荷运行过程中，经透平做功以及换热后的二氧化碳乏气经过冷却器的热侧，通过冷侧的冷却介质换热后，降温进入稳压罐后，再进入压缩机的入口升压，此时通过压缩机入口压力控制系统对压缩机的入口压力调节，具体为：

通过设定的临界点值判断是否处于超临界工作状态，若压缩机不具备进入超临界工作状态条件，则应通过拟临界温度计算，得出该压力下拟合的准液相温度；通过对比压缩机的入口温度与准液相温度，依次判断压缩机是否达到停机条件，超压报警条件和低温报警条件，结果反馈至冷却器温度控制系统，经过冷却器温度控制系统调节后又重新作用于压缩机入口压力控制系统；

冷态启动过程中，由高压气源与补充气源控制阀提升压缩机的入口压力，继而通过压缩机，提升整个循环系统压力，此时通过冷却器温度控制系统对冷却器中的冷却介质温度的调节，判断是否投入冷却器，具体为：

将压缩机的入口温度和设定温度，通过冷却器的温度的修正后，经过低温报警判断，判断是否处于液相区间；若无低温报警，则通过冷却器响应调节反馈至设定温度；若有低温报警，则通过冷却器响应调节冷却器的工质流量，同时进行工质速率判断；若工质补充速率超出安全范围后，通过冷却器旁路响应发出的指令，由冷却器旁路阀调节冷却介质的运行方式。

优选的，若对比压缩机的入口温度与准液相温度均不满足停机条件，超压报警条件、低温报警条件的触发条件，则压缩机入口压力控制系统进行自动复位。

优选的，当压缩机入口温度触发低温报警时，补充气源对应的补充气源控制阀必须闭锁。

优选的，当压缩机入口压力高于设定的临界点时，则不存在液相运行风险。

优选的，当压缩机需在低温下运行时，强制解除冷却器温度控制系统的自动运行方式，改为手动运行，且仅保留旁路响应、超压报警及停机报警作为系统的调节的保护手段。

优选的，在压缩机的入口压力处于异常状态以及触发超压报警时，稳压罐排空阀快速开启，将部分工质排入大气稳定压缩机的入口压力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种防止压缩机进入液相的运行系统及运行方法，满负荷运行过程中，透平做功以及换热后的二氧化碳乏气经过冷却器的热侧，通过冷侧的冷却介质换热后，降温进入稳压罐，再经由出口汇入出口母管后，进入压缩机入口升压，通过压缩机入口压力控制系统调节压缩机入口压力，保证系统背压稳定；冷态启动过程中，由高压气源与补充气源控制阀提升压缩机入口压力，继而通过压缩机，提升整个循环系统压力，通过与冷却器温度控制系统确保压缩机入口温度足够低压缩机有最大运行效率，从而确保压缩机入口不进入液相区间运行，最大程度上保护压缩机运行经济和安全可靠性，确保了超临界二氧化碳发电系统的安全稳定运行。

进一步，2个稳压罐的各个出入口之间均有隔离阀门。运行过程中，若单一储罐故障，可通过稳压罐自身出入口手动门隔离。待罐体所有手动门关闭后，该稳压罐退出运行。可以进行泄压、排空操作，方便检修。

进一步，冷却器宜适当减少流量，适度提升入口温度，防止因压力波动触发超压报警或压缩机进入液相区间运行。

进一步，高压气源中的高压力二氧化碳通过补充气源控制阀控制压力，并经由稳压罐之间的联络管路汇入稳压罐。补充气源仅在冷态启动过程当中使用，正常运行中，仅作为稳定入口压力的手段以及平衡泄露量的外部气源。

进一步，特殊情况下，压缩机需要低温参数下运行，此时低温报警强制解除冷却器温度控制系统自动运行方式，改为手动运行。仅保留旁路响应、超压报警及停机报警，作为系统的调整保护手段。

进一步，冷却气温度控制系统中的速率判断需要结合冷却器冷侧、热侧管径以及换热效率等参数设定，当旁路响应，冷却器旁路阀开启，旁路管径选择必须与流量匹配，保证在调节冷却介质流量同时，保证进入冷却器的最小流量，防止冷却器超温损坏。建议旁路选择50％流量配合截止，或100％流量旁路配合调节阀，增加针对冷却介质及冷却器的调节精度，系统正常运行时，冷却器旁路阀保持全关，不参与调节。

进一步，在压缩机入口异常状态以及触发超压报警时，稳压罐排空阀快速开启，将部分工质排入大气稳定压缩机入口压力。针对稳压罐排空阀及其排空管道管径选取应满足以下条件：≥1.5MPa/min的泄放压力速率、稳压罐排空阀有一定的可调节裕量。具体实施过程中，排空阀可以选择使用调节阀，有更好的精度，且宜设置联锁关闭时间或者压力数值，确保事故工况下对入口压力影响最小。

附图说明

图1为本发明的防止压缩机进入液相的相关设备流程图；

图2为本发明的压缩机入口压力控制系统流程图；

图3为本发明的冷却器温度控制系统流程图；

图中：冷却器1，稳压罐2a、稳压罐2b，压缩机3，冷却介质控制阀4，冷却器旁路阀5，高压气源6，补充气源控制阀7，稳压罐排空阀8。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的实例性实施方式。

基于以上考虑，为确保压缩机低温度、高压力同时，确保压缩机不进入液相区间工作。本发明采用的技术方案：一种超临界二氧化碳发电背景下防止压缩机进入液相的方式。包括：与实际设备相关的储罐-压缩机-冷却器的设备布置与负责调节响应的压缩机入口压力控制系统。

如图1所示，所述主设备系统包括：冷却器1，稳压罐2a、稳压罐2b，压缩机3，冷却介质控制阀4，冷却器旁路阀5，高压气源6，稳压罐排空阀8。其中，冷却器1工质侧出口分别与稳压罐2a、稳压罐2b通过管道连接，稳压罐2a、稳压罐2b罐体出口分别与出口主管路通过管道连接。稳压罐2a、稳压罐2b之间通过管道连接，高压气源6经过补充气源控制阀7与稳压罐2a、稳压罐2b的联络管道连接。罐体出口主管路一端与压缩机3入口通过管道连接，另一端与稳压罐排空阀8通过管道连接。针对排空阀8的类型，不做具体要求，可以是气动、电动，只需要保证远程动作可靠。补充气源控制阀7，不做具体要求，可以是气动、电动，只需要保证远程动作可靠，冷却器1为换热器，热侧是透平做功以及换热后的二氧化碳乏气，冷侧是冷却介质。对冷却介质不做具体要求，可以是水、空气、油等；换热器的形式亦不做具体要求，可以是壳式换热器、板式换热器等。冷却器1的冷却介质侧管路出口配有冷却介质控制阀4在冷却器1的冷却测管路进出口之间用管道连接，冷却介质控制阀4，不做具体要求，可以是气动、电动，只需要保证远程动作可靠管路上配有冷却器旁路阀5，不做具体要求，可以是气动、电动，只需要保证远程动作可靠。对于冷却旁路，管径流量应控制在主路管道的50％左右，确保换热器1工作时安全，不超温。冷却介质控制阀4，冷却器旁路阀5宜选用调节阀，且动作结果与反馈精度可靠。所述压缩机入口处设置有压力传感器组件和第一温度传感器组件，所述冷却器的入口处设置第二温度传感器组件和流量传感器组件；所述压缩机入口压力控制系统分别与压力传感器组件，第一温度传感器组件，补充气源控制阀和稳压罐排空阀连接；所述冷却器温度控制系统分别与冷却介质控制阀，冷却器旁路阀，第二温度传感器组件和流量传感器组件连接。

所述压缩机入口参数综合控制系统包括：压缩机入口压力控制系统A与冷却器温度控制系统B。

如图2所示，压缩机入口压力控制系统A包括：压缩机入口压力A1，临界点判断A2，拟温度计算A3，温度比较模块A4、温度比较模块A5、温度比较模块A6，压缩机停机A7，入口超压报警A8，入口低温报警A9，自动复位A10。

如图3所示，冷却器温度控制系统B包括：压缩机入口温度B1，温度设定B2，冷却器温度修正B3，低温报警B4，冷却器响应B5，速率判断B6，流量监测B7，旁路响应B8，自动复位B9。

所述主要设备的具体运行方式：透平做功以及换热后的二氧化碳乏气经过冷却器的热侧，通过冷侧的冷却介质换热后，降温进入稳压罐2a、稳压罐2b，再经由出口汇入出口母管后，进入压缩机3入口升压。冷态工质亦可通过压缩机入口母管另一端通过稳压罐排空阀8排空进入大气。稳压罐2a、稳压罐2b的各个出、入口之间均有隔离阀门，用于隔离系统压力检修，正常运行时全开状态。高压气源6中的高压力二氧化碳通过补充气源控制阀7控制压力，并经由稳压罐2a、稳压罐2b之间的联络管路汇入稳压罐2a、稳压罐2b。冷却器工作时，冷却介质控制阀4通过调节自身开度，调节冷却介质流量，系统正常运行时，冷却器旁路阀5保持全关。

所述压缩机入口压力控制系统A的工作方式：压缩机入口压力A1，通过临界点判断A2于控制逻辑确认中是否处于“超临界工作状态”，若不具备进入“超临界工作状态”条件，则应通过拟温度计算A3，得出该压力下拟合的准液相温度。通过对比入口温度B1与拟温度计算A3计算后的结果，温度比较模块温度比较模块A4、温度比较模块A5、温度比较模块A6。通过温度比较模块A4判断是否达到停机条件，通过温度比较模块A5判断是否达到超压报警A7，通过温度比较模块A6判断是否达到低温报警A8。同时，超压报警A9联锁稳压罐排空阀8；低温报警A8反馈至冷却器温度控制系统B。经过冷却器温度控制系统B调节后又重新作用于压缩机入口压力控制系统A。反之，若主系统均不满足温度比较模块A4、温度比较模块A5、温度比较模块A6的触发条件，则自动复位A10。需要注意的是，为了确保压力控制系统的实际运行过程中动作可靠，拟临界温度计算A3应该拟合在压缩机入口压力A1的工作范围内。

所述冷却器温度控制系统B的工作方式：压缩机入口温度B1与设定温度B2，通过冷却器温度修正B3后，通过低温报警B4，判断是否处于趋近于或已经处于液相区间。低温报警B4来源于有两个通道：压缩机入口压力控制系统A中低温报警A8，冷却器1本体工质出口低温报警。经过低温报警B4判断，若无低温报警，则通过冷却器响应B5调节反馈至设定温度B2；反之，则通过冷却器响应B5调节冷却工质量，同时进行速率判断B6。速率超出安全范围后，需要由旁路响应B8，作用至主系统中冷却器旁路阀5。在冷却器响应B5调解过程中，流量监测B7有两个作用：确保冷却器1的最小安全流量，保证冷却器1热侧不超温；确保冷却介质循环系统不超压工作。工作时通过旁路响应B8指令，由主系统中冷却器旁路阀5调节冷却介质运行方式。待压缩机入口温度B1、冷却器温度修正B3均进入正常区间范围后，通过自动复位B9复位低温报警信号。

实施例1：

在超临界二氧化碳循环循环发电系统中，关于防止压缩机进入液相，适用于不同工况下的循环系统。

冷态启动过程中，由高压气源6与补充气源控制阀7提升压缩机3入口压力A1，继而通过压缩机3，提升整个循环系统压力。在这一过程中，需要冷却介质温度，确定是否投入冷却器1。若冷却介质温度过低，会触发，入口超压报警A8、入口低温报警A9，影响升压速率，故冷态启动前期应尽量控制冷却介质控制阀4的开度，必要时冷却器旁路阀5，减少冷却介质进入冷却器1。针对不同压力下的拟临界温度，需要用到压缩机入口压力控制A中的系统拟温度计算A3。

满负荷运行过程中，透平做功以及换热后的二氧化碳乏气经过冷却器的热侧，通过冷侧的冷却介质换热后，降温进入稳压罐2a、稳压罐2b，再经由出口汇入出口母管后，进入压缩机3入口升压。这一过程中，由临界点判断A2确定，系统是否进入“超临界状态运行”。即入口压力A1高于临界点压力、入口温度B1高于临界点温度。压缩机3入口参数高于临界点参数时，不存在液相运行风险。

在压缩机3入口异常状态以及触发超压报警A8时，稳压罐排空阀8快速开启，将部分工质排入大气稳定压缩机3入口压力A1。针对稳压罐排空阀8及其排空管道管径选取应满足以下条件：≥1.5MPa/min的泄放压力速率、稳压罐排空阀8有一定的可调节裕量。具体实施过程中，排空阀可以选择使用调节阀，有更好的精度，且宜设置联锁关闭时间或者压力数值，确保事故工况下对入口压力A1影响最小。

压缩机3入口参数触发低温报警A9时，补充气源对应的补充气源控制阀7必须闭锁，防止因压力升高压缩机3入口快速进入液相运行。冷却气温度控制系统B中的速率判断B6需要结合冷却器冷侧、热侧管径以及换热效率等参数设定，当旁路响应，冷却器旁路阀5开启，旁路管径选择必须与流量匹配，保证在调节冷却介质流量同时，保证进入冷却器1的最小流量，防止冷却器1超温损坏。建议旁路选择50％流量配合截止，或100％流量旁路配合调节阀，增加针对冷却介质及冷却器1的调节精度。注意：系统正常运行时，冷却器旁路阀5保持全关，不参与调节。

稳压罐2a、稳压罐2b的各个出、入口之间均有隔离阀门。运行过程中，若单一储罐故障，可通过稳压罐自身出入口手动门隔离。待罐体所有手动门关闭后，该稳压罐退出运行。可以进行泄压、排空操作，方便检修。

此时仅单一稳压罐运行，主系统稳定程度下降，不宜做大范围负荷调整，建议维持当前负荷工况运行。冷却器1宜适当减少流量，适度提升入口温度B1，防止因压力波动触发超压报警A8或压缩机3进入液相区间运行。

针对补充气源，高压气源6中的高压力二氧化碳通过补充气源控制阀7控制压力，并经由稳压罐2a、稳压罐2b之间的联络管路汇入稳压罐2a、稳压罐2b。补充气源仅在冷态启动过程当中使用，正常运行中，仅作为稳定入口压力A1的手段以及平衡泄露量的外部气源。故补充气源控制阀7应选用调节精度较好的调节阀。

特殊情况下，压缩机需要低温参数下运行，此时低温报警A9强制解除冷却器温度控制系统B自动运行方式，改为手动运行。仅保留旁路响应B8、超压报警A8及停机报警A7，作为系统的调整保护手段。

通过压缩机入口压力控制系统A调节压缩机入口压力，保证系统背压稳定；通过与冷却器温度控制系统B确保压缩机入口温度足够低压缩机有最大运行效率，且同时确保压缩机入口不进入液相区间运行，最大程度上保护压缩机运行经济、安全。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。