一种多功能二氧化碳循环试验系统

技术领域

本发明属于能源发电技术领域，涉及一种二氧化碳循环系统，特别涉及一种多功能二氧化碳循环试验系统。

背景技术

随着社会经济的发展，对动力设备的体积、效率提出了越来也高的要求，各种动力装备向着高温、高压、高转速的方向发展，超临界二氧化碳发电系统属于动力系统的一种，是以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为机械能，其热源可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、化学燃料燃烧等。超临界二氧化碳工质的优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。在超临界二氧化碳循环中，涉及的关键部件较多，建设超临界二氧化碳循环试验系统投资高、建设时间长。因此，有必要研究一次建设能够满足多种试验需求的超临界二氧化碳循环试验系统。

发明内容

(一)技术问题

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种多功能二氧化碳循环试验系统，具有功能多、适用性好，可以开展超临界循环试验、跨临界循环试验、超临界与跨临界联合试验、再压缩循环单独试验、主压缩机试验、再压缩机试验、回热器试验等多个试验，能够满足多种试验需求。

(二)技术方案

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能二氧化碳循环试验系统，包括缓冲罐、主压缩机、冷凝器、泵、再压缩机、低温回热器、高温回热器、电加热器、透平、预冷器，其特征在于，

所述缓冲罐存储有超临界状态二氧化碳；

所述缓冲罐设有一进口管线、一出口管线Ⅰ、一出口管线Ⅱ和一出口管线Ⅲ，所述出口管线Ⅰ、出口管线Ⅱ、出口管线Ⅲ上分别设有阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅲ，所述进口管线与所述预冷器的出口连通，所述出口管线Ⅰ与所述主压缩机的进口连通，所述出口管线Ⅱ与所述通过一所述冷凝器与所述泵的进口连通，所述出口管线Ⅲ与所述再压缩机的进口连通；

所述主压缩机的出口设有一出口管线Ⅳ和一出口管线Ⅴ，所述出口管线Ⅳ、出口管线Ⅴ上分别设有阀门Ⅳ、阀门Ⅴ，所述出口管线Ⅳ与所述预冷器的进口连通，所述出口管线Ⅴ与所述低温回热器的冷侧进口连通；

所述泵的出口设有一出口管线Ⅵ，所述出口管线Ⅵ上设有阀门Ⅵ，所述出口管线Ⅵ与所述低温回热器的冷侧进口连通；

所述再压缩机的出口设有一出口管线Ⅶ、一出口管线Ⅷ，所述出口管线Ⅶ、出口管线Ⅷ上分别设有阀门Ⅶ、阀门Ⅷ，所述出口管线Ⅶ与所述预冷器的进口连通，所述出口管线Ⅷ与所述高温回热器的冷侧进口连通；

所述低温回热器的热侧出口设有一出口管线Ⅸ、出口管线Ⅹ，所述出口管线Ⅸ、出口管线Ⅹ上分别设有阀门Ⅸ、阀门Ⅹ，所述出口管线Ⅸ与所述再压缩机的进口连通，所述出口管线Ⅹ与所述预冷器的进口连通；

所述低温回热器的冷侧出口通过管线依次经所述高温回热器的冷侧、电加热器后与所述透平的进口连通；

所述透平的进口处设有阀门Ⅺ、出口处设有阀门Ⅻ，所述透平的出口通过管线经所述高温回热器的热侧后与所述低温回热器的热侧进口连通，所述透平的进口管线与出口管线之间设有旁通管线，且所述旁通管线上设有阀门XIII。

优选地，所述试验系统，至少包括超临界简单回热循环试验模式、超临界再压缩循环试验模式、跨临界循环简单回热试验模式以及透平性能测试试验模式、跨临界再压缩循环试验模式、超临界和跨临界简单回热联合循环试验模式、超临界和跨临界再压缩联合循环试验模式、主压缩机单独试验模式、泵单独试验模式、再压缩机单独试验模式、回热器试验模式。

优选地，当所述试验系统进入超临界简单回热循环试验模式时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅴ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，隔离所述泵、再压缩机，启动所述主压缩机、透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经所述主压缩机、低温回热器的冷侧、高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧、低温回热器的热侧、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现超临界简单回热二氧化碳循环。

优选地，当所述试验系统进入超临界再压缩循环试验模式时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅴ、阀门Ⅷ、阀门Ⅸ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，隔离所述泵，启动所述主压缩机、再压缩机、透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经所述主压缩机、低温回热器的冷侧、高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧后通入所述低温回热器的热侧，所述低温回热器的热侧出口分为两路，一路经所述预冷器后回流至所述缓冲罐，另一路经所述再压缩机后通入所述高温回热器的冷侧，实现超临界再压缩的二氧化碳循环。

优选地，当所述试验系统进入跨临界简单回热循环试验模式以及透平性能测试试验模式时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅵ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，隔离所述主压缩机、再压缩机，启动所述泵、透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经所述泵、低温回热器的冷侧、高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧、低温回热器的热侧、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现跨临界简单回热二氧化碳循环，并可同时进行透平性能测试试验。

进一步地，当所述试验系统进入回热器试验模式时，在所述跨临界简单回热循环试验模式的基础上，进一步关闭所述阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，打开阀门XIII，保持其他阀门的开闭状态，在隔离所述主压缩机、再压缩机的基础上，进一步隔离所述透平，仅保留所述泵的启动状态，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经所述泵、低温回热器的冷侧、高温回热器的冷侧、加热器、高温回热器的热侧、低温回热器的热侧、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现低温回热器和高温回热器的性能测试试验。

优选地，当所述试验系统进入跨临界再压缩循环试验模式时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅵ、阀门Ⅷ、阀门Ⅸ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，隔离所述主压缩机，启动所述泵、再压缩机、透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经所述泵、低温回热器的冷侧、高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧后通入所述低温回热器的热侧，所述低温回热器的热侧出口分为两路，一路经所述预冷器后回流至所述缓冲罐，另一路经所述再压缩机后通入所述高温回热器的冷侧，实现跨临界再压缩的二氧化碳循环。

优选地，当所述试验系统进入超临界和跨临界简单回热联合循环试验模式时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅴ、阀门Ⅵ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，隔离所述再压缩机，启动所述主压缩机、泵、透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳一路经所述主压缩机，另一路经所述冷凝器、泵进入所述低温回热器的冷侧，之后通过管线依次经所述高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧、低温回热器的热侧、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现无再压缩的超临界和跨临界二氧化碳联合循环。

优选地，当所述试验系统进入超临界和跨临界再压缩联合循环试验模式时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、阀门Ⅴ、阀门Ⅵ、阀门Ⅷ、阀门Ⅸ、阀门Ⅹ、阀门Ⅺ、阀门Ⅻ，关闭其余阀门，启动所述主压缩机、泵、再压缩机，透平，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳一路经所述主压缩机，另一路经所述冷凝器、泵进入所述低温回热器的冷侧，之后通过管线依次经所述高温回热器的冷侧、加热器、透平、高温回热器的热侧后通入所述低温回热器的热侧，所述低温回热器的热侧出口分为两路，一路经所述预冷器后回流至所述缓冲罐，另一路经所述再压缩机后通入所述高温回热器的冷侧，实现超临界和跨临界再压缩二氧化联合循环。

优选地，当所述试验系统进入主压缩机单独试验模式时，打开所述阀门Ⅰ、阀门Ⅳ，关闭其他阀门，单独启动所述主压缩机，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳经所述主压缩机、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现主压缩机的性能测试试验。

优选地，当所述试验系统进入泵单独试验模式时，打开所述阀门Ⅱ、阀门Ⅳ、阀门Ⅴ、阀门Ⅵ，关闭其他阀门，单独启动所述泵，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳经所述泵、预冷器后回流至所述缓冲罐，实现泵的的性能测试试验。

优选地，当所述试验系统进入再压缩机单独试验模式时，打开所述阀门Ⅲ、阀门Ⅶ，关闭其他阀门，单独启动所述再压缩机，所述缓冲罐存储的超临界状态二氧化碳经所述再压缩机、预冷器后回流至所述缓冲罐，单独开展再压缩机的性能测试试验。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明的超临界二氧化碳循环试验系统克服了现有技术的缺点和不足，可进行超临界循环试验、跨临界循环试验，既能进行简单回热循环和再压缩循环试验，也能进行联合试验，并且本发明的实验系统还.可单独开展主压缩机、再压缩机、泵、回热器、透平等的性能测试试验，具有功能多、适用性好，能够满足多种试验需求等优点。

附图说明

图1为本发明的多功能二氧化碳循环试验系统示意图。

附图标记说明：

1-缓冲罐；2-主压缩机；3-冷凝器；4-泵；5-再压缩机；6-低温回热器；7-高温回热器；8-电加热器；9-透平；10-预冷器；11～23-阀门Ⅰ～XIII。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

如图1所示，本发明的多功能二氧化碳循环试验系统，包括缓冲罐1、主压缩机2、冷凝器3、泵4、再压缩机5、低温回热器6、高温回热器7、电加热器8、透平9、预冷器10，主压缩机2为离心压缩机、轴流压缩机或其他形式的压缩机，泵4为柱塞泵或其他形式的液体泵。

缓冲罐1存储有超临界状态二氧化碳；缓冲罐1设有一进口管线、一出口管线Ⅰ、一出口管线Ⅱ和一出口管线Ⅲ，出口管线Ⅰ、出口管线Ⅱ、出口管线Ⅲ上分别设有阀门Ⅰ11、阀门Ⅱ12、阀门Ⅲ13，进口管线与预冷器10的出口连通，出口管线Ⅰ与主压缩机2的进口连通，出口管线Ⅱ与通过一冷凝器3与泵4的进口连通，出口管线Ⅲ与再压缩机5的进口连通。主压缩机2的出口设有一出口管线Ⅳ和一出口管线Ⅴ，出口管线Ⅳ、出口管线Ⅴ上分别设有阀门Ⅳ14、阀门Ⅴ15，出口管线Ⅳ与预冷器10的进口连通，出口管线Ⅴ与低温回热器6的冷侧进口连通；泵4的出口设有一出口管线Ⅵ，出口管线Ⅵ上设有阀门Ⅵ16，出口管线Ⅵ与低温回热器6的冷侧进口连通；再压缩机5的出口设有一出口管线Ⅶ、一出口管线Ⅷ，出口管线Ⅶ、出口管线Ⅷ上分别设有阀门Ⅶ17、阀门Ⅷ18，出口管线Ⅶ与预冷器10的进口连通，出口管线Ⅷ与高温回热器7的冷侧进口连通；低温回热器6的热侧出口设有一出口管线Ⅸ、出口管线Ⅹ，出口管线Ⅸ、出口管线Ⅹ上分别设有阀门Ⅸ19、阀门Ⅹ20，出口管线Ⅸ与再压缩机5的进口连通，出口管线Ⅹ与预冷器10的进口连通；低温回热器6的冷侧出口通过管线依次经高温回热器7的冷侧、电加热器8后与透平9的进口连通；透平9的进口处设有阀门Ⅺ21、出口处设有阀门Ⅻ22，透平9的出口通过管线经高温回热器7的热侧后与低温回热器6的热侧进口连通，透平9的进口管线与出口管线之间设有旁通管线，且旁通管线上设有阀门XIII23。

本发明的上述试验系统，至少包括超临界简单回热循环试验模式、超临界再压缩循环试验模式、跨临界循环简单回热试验模式以及透平性能测试试验模式、跨临界再压缩循环试验模式、超临界和跨临界简单回热联合循环试验模式、超临界和跨临界再压缩联合循环试验模式、主压缩机单独试验模式、泵单独试验模式、再压缩机单独试验模式、回热器试验模式。

当试验系统进入超临界简单回热循环试验模式时，打开阀门Ⅰ11、阀门Ⅴ15、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，隔离泵4、再压缩机5，启动主压缩机2、透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经主压缩机2、低温回热器6的冷侧、高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧、低温回热器6的热侧、预冷器10后回流至缓冲罐1，实现超临界简单回热二氧化碳循环。

当试验系统进入超临界再压缩循环试验模式时，打开阀门Ⅰ11、阀门Ⅴ15、阀门Ⅷ18、阀门Ⅸ19、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，隔离泵4，启动主压缩机2、再压缩机5、透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经主压缩机2、低温回热器6的冷侧、高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧后通入低温回热器6的热侧，低温回热器6的热侧出口分为两路，一路经预冷器10后回流至缓冲罐1，另一路经再压缩机5后通入高温回热器7的冷侧，实现超临界再压缩循环。

当试验系统进入跨临界简单回热循环试验模式以及透平性能测试试验模式时，打开阀门Ⅱ12、阀门Ⅵ16、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，隔离主压缩机2、再压缩机5，启动泵4、透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经泵4、低温回热器6的冷侧、高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧、低温回热器6的热侧、预冷器10后回流至缓冲罐1，实现跨临界简单回热二氧化碳循环，并可同时进行透平性能测试试验。

当试验系统进入回热器试验模式时，在跨临界简单回热循环试验模式的基础上，进一步关闭阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，打开阀门XIII23，保持其他阀门的开闭状态，在隔离主压缩机2、再压缩机5的基础上，进一步隔离透平9，仅保留泵4的启动状态，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经泵4、低温回热器6的冷侧、高温回热器7的冷侧、加热器8、高温回热器7的热侧、低温回热器6的热侧、预冷器10后回流至缓冲罐1，实现低温回热器6和高温回热器7的性能测试试验。

当试验系统进入跨临界再压缩循环试验模式时，打开阀门Ⅱ12、阀门Ⅵ16、阀门Ⅷ18、阀门Ⅸ19、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，隔离主压缩机2，启动泵4、再压缩机5、透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳通过管线依次经泵4、低温回热器6的冷侧、高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧后通入低温回热器6的热侧，低温回热器6的热侧出口分为两路，一路经预冷器10后回流至缓冲罐1，另一路经再压缩机5后通入高温回热器7的冷侧，实现跨临界再压缩循环。

当试验系统进入超临界和跨临界简单回热联合循环试验模式时，打开阀门Ⅰ11、阀门Ⅱ12、阀门Ⅴ15、阀门Ⅵ16、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，隔离再压缩机5，启动主压缩机2、泵4、透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳一路经主压缩机2，另一路经冷凝器3、泵4进入低温回热器6的冷侧，之后通过管线依次经高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧、低温回热器6的热侧、预冷器10后回流至缓冲罐1，实现无再压缩的超临界和跨临界二氧化碳联合循环。

当试验系统进入超临界和跨临界再压缩联合循环试验模式时，打开阀门Ⅰ11、阀门Ⅱ12、阀门Ⅴ15、阀门Ⅵ16、阀门Ⅷ18、阀门Ⅸ19、阀门Ⅹ20、阀门Ⅺ21、阀门Ⅻ22，关闭其余阀门，启动主压缩机2、泵4、再压缩机5，透平9，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳一路经主压缩机2，另一路经冷凝器3、泵4进入低温回热器6冷侧，之后通过管线依次经高温回热器7的冷侧、加热器8、透平9、高温回热器7的热侧后通入低温回热器6的热侧，低温回热器6的热侧出口分为两路，一路经预冷器10后回流至缓冲罐1，另一路经再压缩机5后通入高温回热器7冷侧，实现超临界和跨临界联合循环。

当试验系统进入主压缩机单独试验模式时，打开阀门Ⅰ11、阀门Ⅳ14，关闭其他阀门，单独启动主压缩机2，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳经主压缩机2、预冷器10回流至缓冲罐1，实现主压缩机2的性能测试试验。

当试验系统进入泵单独试验模式时，打开阀门Ⅱ12、阀门Ⅳ14、阀门Ⅴ15、阀门Ⅵ16，关闭其他阀门，单独启动泵4，缓冲罐1存储的超临界状态二氧化碳经泵4、预冷器10后回流至缓冲罐1，实现泵4的的性能测试试验。

当试验系统进入再压缩机单独试验模式时，打开阀门Ⅲ13、阀门Ⅶ17，关闭其他阀门，单独启动再压缩机5，缓冲罐1中的超临界状态二氧化碳经再压缩机5、预冷器10回流至缓冲罐1，单独开展再压缩机5的性能测试试验。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。