超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统及其工作方法

1.本发明属于发电系统技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统及其工作方法。


背景技术：

2.随着市场需求的推动以及能源利用、材料工艺水平的不断发展，在过去的几十年里，以水蒸气为工质的朗肯循环以及以燃气为工质的布雷顿循环不断朝着大型化，高功率，高温度的方向发展。但是这使得发电机组体积庞大，占地较多，零部件加工难度大，且受到进口高温的影响，其叶片极易发生热蚀现象。因此，大型发电机组的发展面临着重大的技术瓶颈。
3.在临界点附近，二氧化碳具有密度高的特点，使得超临界二氧化碳机组的体积较小。同时此状态下二氧化碳的压缩因子较低，超临界二氧化碳压缩机的耗功较低。因而近年来，学术界和工业界普遍关注和提出了一种以超临界二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环发电技术。而超临界二氧化碳压缩机，作为整个布雷顿循环的核心部件被人们广泛地关注。
4.尽管已经从理论和实践上证明，超临界二氧化碳布雷顿循环相较于传统蒸气朗肯循环的结构紧凑以及整体的高效性，但是目前仍然存在以下劣势：1)在临界点附近，在压缩机进口可能会存在工质液化的现象，会影响压缩机的稳定运行，同时会对叶片造成水蚀；2)在临界点附近，二氧化碳的物理性质呈现强烈的非线性，微小的压力和温度变化会对密度、压缩因子等物性造成巨大的影响，进口条件的变化会对压缩机的整体性能产生巨大影响；3)目前对于超临界二氧化碳压缩机的性能研究，主要认为当远离临界点时，超临界二氧化碳压缩机的性能会降低，而凝结的可能性会降低，但是并没有合理的超临界二氧化碳压缩机运行时进口条件的选择方法。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统及其工作方法，能够稳定超临界二氧化碳压缩机的进口条件，同时合理设计超临界二氧化碳压缩机的进口条件，在降低超临界二氧化碳压缩机进口凝结可能性的同时，提高压缩机的整体性能，进而提升整个发电系统的发电效率。
6.本发明通过以下技术方案来实现：
7.本发明公开的一种超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统，包括超临界二氧化碳压缩机、二氧化碳换热器、热源、超临界二氧化碳透平、冷却装置、压力平衡室、恒温换热器、节流阀、电机和超临界二氧化碳气罐；
8.超临界二氧化碳压缩机的工质出口与二氧化碳换热器的低温侧进口连接，二氧化碳换热器的低温侧出口与热源的进口连接，热源的出口与超临界二氧化碳透平的进口连接，超临界二氧化碳透平的出口与二氧化碳换热器的高温侧进口连接，二氧化碳换热器的
高温侧出口与冷却装置的进口连接，冷却装置的出口与压力平衡室的进口连接，压力平衡室的出口与恒温换热器的进口连接，恒温换热器的出口与超临界二氧化碳压缩机的进口连接，恒温换热器的出口与超临界二氧化碳压缩机的进口之间设有节流阀；超临界二氧化碳气罐的出口与压力平衡室的进口连接；超临界二氧化碳透平通过传动轴分别与超临界二氧化碳压缩机和电机连接。
9.优选地，超临界二氧化碳气罐的出口和压力平衡室的进口之间设有超临界二氧化碳气泵。
10.优选地，二氧化碳换热器为印刷电路板换热器。
11.优选地，恒温换热器为板翅式换热器。
12.本发明公开的上述超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统的工作方法，包括：
13.超临界二氧化碳压缩机的排气在二氧化碳换热器中吸收来自超临界二氧化碳透平排气的能量，随后在热源中吸收能量，升温到最高工作温度；工质进入超临界二氧化碳透平中膨胀做功，轴功驱动超临界二氧化碳压缩机以及带动电机发电；超临界二氧化碳透平的排气在二氧化碳换热器中将能量传递给超临界二氧化碳压缩机的排气，随后进入冷却器中将热量传递给大气；冷却器出口排气在压力平衡室中补充循环中泄漏的工质以及控制压力到指定压力；压力平衡室的出口排气在恒温换热器中控制到预设温度，随后排气通过节流阀进入超临界二氧化碳压缩机的进口；超临界二氧化碳气罐内的超临界二氧化碳进入压力平衡室，控制压力平衡室内的压力，以及弥补循环泄漏的工质。
14.优选地，压力平衡室内的压力为7.37～9.00mpa。
15.优选地，恒温换热器中控制的预设温度为31～35℃。
16.优选地，超临界二氧化碳透平的进气压力和温度高于二氧化碳的临界点。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
18.本发明公开的一种超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统，采用了简单回热布雷顿循环的发电方式，利用超临界二氧化碳透平的排气余热加热超临界二氧化碳压缩机的排气，充分利用超临界二氧化碳循环的排气热量，进一步提高总体循环效率。同时，在超临界二氧化碳压缩机的进口增加了压力平衡室，恒温换热器以及节流阀来保证压缩机进口条件的稳定，避免因进口条件的波动而影响压缩机的稳定性。
19.由于之前业界普遍的观点是接近临界点，压缩性能越好；但是在临界点附近，压缩机性能不稳定，不容易控制，可能进入两相区，反而会影响压缩机的效率以及整体的气动性能。相比较于传统超临界二氧化碳压缩机进口条件选择，本发明并非通过使得超临界二氧化碳压缩机进口温度和压力靠近临界点来提高压缩机性能，而是利用物理学定义，选择合适的压缩因子和密度来推导出合适的进口压力和进口温度。通过降低压缩机的压缩因子，可以降低超临界二氧化碳压缩机的压缩功。通过调节密度可以减轻因降低压缩因子，进口条件接近临界点导致的凝结区域增加的现象，从而有效提高压缩机的性能，提高循环的整体效率。
20.进一步地，二氧化碳换热器采用印刷电路板换热器，耐高温高压性能好、结构紧凑、耐腐蚀、寿命长，且换热效率高。
21.进一步地，恒温换热器采用板翅式换热器，结构紧凑，传热效率高。
22.本发明公开的上述超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统的工作方法，通过简单回热循环的方式有效利用了超临界二氧化碳透平排气的余热。通过压力平衡室以及恒温换热器来保证超临界二氧化碳压缩机进口条件的稳定，避免因进口条件波动导致的超临界二氧化碳压缩机性能的恶化；同时，通过调节压缩机进口的压缩因子和密度来控制压缩机的进口条件，可以在有效提高性能的同时，增加超临界二氧化碳压缩机的效率，从而有效提高整体循环的效率。
附图说明
23.图1为本发明的系统整体结构示意图；
24.图2为超临界二氧化碳压缩机进口条件优化后的性能示意图；
25.图3为超临界二氧化碳压缩机进口可能发生凝结区域的示意图。
26.图中：1为超临界二氧化碳压缩机、2为二氧化碳换热器、3为热源、4为超临界二氧化碳透平、5为冷却装置、6为压力平衡室、7为恒温换热器、8为节流阀、9为电机、10为超临界二氧化碳气罐、11为超临界二氧化碳气泵。
具体实施方式
27.本发明的理论基础：
28.当二氧化碳靠近临界点时，二氧化碳的物性严重偏离理想气体物性，微小的压力和温度变化会导致压缩因子，密度等物性产生剧烈的变化从而严重影响压缩机内部的稳定运行，同时在靠近临界点时，二氧化碳可能会出现液化现象，导致压缩机叶片的水蚀，影响压缩机的性能。本发明的基于超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的高效发电系统，通过采用压缩因子和密度相结合的方式确定超临界二氧化碳压缩机的进口条件，以及保证进口条件的稳定。
29.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
30.如图1，本发明的一种超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统，包括超临界二氧化碳压缩机1、二氧化碳换热器2、热源3、超临界二氧化碳透平4、冷却装置5、压力平衡室6、恒温换热器7、节流阀8、电机9和超临界二氧化碳气罐10。
31.超临界二氧化碳压缩机1的工质出口与二氧化碳换热器2的低温侧进口连接，二氧化碳换热器2的低温侧出口与热源3的进口连接，热源3的出口与超临界二氧化碳透平4的进口连接，超临界二氧化碳透平4的出口与二氧化碳换热器2的高温侧进口连接，二氧化碳换热器2的高温侧出口与冷却装置5的进口连接，冷却装置5的出口与压力平衡室6的进口连接，压力平衡室6的出口与恒温换热器7的进口连接，恒温换热器7的出口与超临界二氧化碳压缩机1的进口连接，恒温换热器7的出口与超临界二氧化碳压缩机1的进口之间设有节流阀8；超临界二氧化碳气罐10的出口与压力平衡室6的进口连接；超临界二氧化碳透平4通过传动轴分别与超临界二氧化碳压缩机1和电机9连接。
32.在本发明的一个较优的实施例中，超临界二氧化碳气罐10的出口和压力平衡室6的进口之间设有超临界二氧化碳气泵11。
33.在本发明的一个较优的实施例中，二氧化碳换热器2为印刷电路板换热器。
34.在本发明的一个较优的实施例中，恒温换热器7为板翅式换热器。
35.二氧化碳工质经超临界二氧化碳压缩机1加压后，在二氧化碳换热器2中吸收超临界二氧化碳透平4排气余热。二氧化碳换热器2高温侧的排气在冷却器中被空气冷却。二氧化碳换热器2中有超临界二氧化碳排气和超临界二氧化碳透平排气。压力平衡室6中控制超临界二氧化碳压缩机的进口压力。恒温换热器7中控制朝临界二氧化碳压缩机的进口温度。通过超临界二氧化碳气罐10来补充循环中可能的气体泄漏。
36.上述超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统的工作方法包括：
37.超临界二氧化碳压缩机1的排气在二氧化碳换热器2中吸收来自超临界二氧化碳透平4排气的能量，随后在热源3中吸收能量，升温到最高工作温度；工质进入超临界二氧化碳透平4中膨胀做功，轴功驱动超临界二氧化碳压缩机1以及带动电机9发电；超临界二氧化碳透平4的排气在二氧化碳换热器2中将能量传递给超临界二氧化碳压缩机1的排气，随后进入冷却器5中将热量传递给大气；冷却器5出口排气在压力平衡室6中补充循环中泄漏的工质以及控制压力到指定压力；压力平衡室6的出口排气在恒温换热器7中控制到预设温度，随后排气通过节流阀8进入超临界二氧化碳压缩机1的进口；超临界二氧化碳气罐10内的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳气泵11进入压力平衡室6，控制压力平衡室6内的压力，以及弥补循环泄漏的工质。
38.压力平衡室6内的压力为7.37～9.00mpa；恒温换热器7中控制的预设温度为31～35℃。压力平衡室6的压力和恒温换热器7中的温度并非根据传统意义上通过尽可能靠近临界点来提高压缩机性能，而是通过降低压缩因子到合适的数值以及控制进口密度来提高超临界二氧化碳压缩机性能。压缩因子的控制范围为0.21～0.25。
39.超临界二氧化碳透平4的进气压力和温度高于二氧化碳的临界点。
40.下面以一个验证实例来对本发明的效果进行说明：
41.采用本发明的超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统，初始设计的超临界二氧化碳压缩机1进口温度为7.69mpa，32℃(压缩因子为0.223，密度为599kg/m3)；通过调节超临界二氧化碳压缩机1进口的压缩因子到0.215，密度为677kg/m3时，此时进口压力为8.40mpa，进口温度为32.4℃；尽管此时温度和压力相比初始设计都离临界点较远，但是从图2中可以发现，压缩机的压缩性能(压比)并未下降，基本保持不变，而最高效率从73.2％提升到了75.4％。可以说明本发明能够有效提升超临界二氧化碳压缩机的性能。
42.图3为超临界二氧化碳压缩机进口可能发生凝结区域的示意图，其中干度为1时，表示没有发生凝结。从图3中可以发现，在相同流量系数下，尽管进口条件远离了临界点，但是通过本发明优化后的凝结区域显著减少，压缩机运行的稳定性得以提高，压缩机的效率升高，而压比基本维持不变。
43.以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。