超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统及控制方法与流程

1.本发明涉及热能动力系统技术领域。特别地，涉及一种超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统，本发明还涉及一种超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力控制方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳(s
‑
co2)闭式布莱顿循环系统，由于采用具有高功率密度的s
‑
co2作为循环工质，具有机组结构简单，叶轮机械体积小，中等循环温度下的热效率高，功率范围大，环境友好性好等特点，可广泛应用于如核能、太阳能、余热回收等各种功率等级的热能动力系统中。
3.目前，超临界二氧化碳向心涡轮主要采用单转子方案及双转子方案。单转子方案即整个系统只有一个涡轮，涡轮做功在带转压气机的同时，还通过输出轴输出轴功率以供外部负载使用，这种结构布局转子的结构较为简单，由于只有一个轴，相应的密封设计可以大大简化，但存在转子轴向力平衡困难，导致轴承系统设计难度大、且单转子方案，使得涡轮改进设计空间小，系统适应性差；双转子方案采用燃气涡轮及动力涡轮分开设计的方案，采用动力涡轮与燃气涡轮同轴布设且动力涡轮处于燃气涡轮的下游的结构，燃气涡轮带转压气机，动力涡轮带转电机对外做功，此种布置方式，燃气涡轮与压气机轴向力基本可相互抵消，核心机转子轴向力调整较单转子方案简单，对轴承的设计难度减小，但双转子方案，由于只有单一的功率输出，对负载的适应性低，无法根据负载灵活调整，循环经济性差。


技术实现要素：

4.本发明提供的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统，以解决现有的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统对负载的适应性低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统，包括压气机、工质加工引流组件、分流组件、燃气涡轮、动力涡轮发电组件以及工质回收加工组件，通过燃气涡轮做功驱动压气机运转，工质加工引流组件用于将压气机输出的中介工质进行处理以使中介工质升温并引导中介工质流入分流组件的输入端，分流组件的输出端上设有用于与燃气涡轮连通的第一流路、用于与动力涡轮发电组件连通的第二流路以及用于与工质回收加工组件连通的第三流路，通过分流组件分流并控制进入第一流路的中介工质的流量、控制进入第二流路的中介工质的流量，并将剩余的中介工质通过第三流路导入至工质回收加工组件内，工质回收加工组件用于回收第三流路输出的余量工质，和/或用于回收经过燃气涡轮的余热尾气，和/或用于回收经过动力涡轮发电组件的余热尾气，并将回收后的回收工质进行处理以使回收工质降温并引导回收工质流入至压气机的输入侧。
7.进一步地，动力涡轮发电组件包括控制阀和多个并联设置的动力涡轮发电单元，控制阀的输入端与第二流路连通，控制阀的输出端上设有分别与各个动力涡轮发电单元一一对应布设的输出口，进而通过控制阀分流并控制进入对应的动力涡轮发电单元的中介工
质的流量。
8.进一步地，燃气涡轮采用导向器喉部面积可调的变几何涡轮结构。
9.进一步地，工质加工引流组件包括沿工质的输送路径布设的升温单元和热源单元，升温单元用于接收压气机的输出侧输出的中介工质并将中介工质进行升温后输送至热源单元内，热源单元与分流组件的输入端连通。
10.进一步地，工质回收加工组件包括用于回收第三流路输出的余量工质和/或用于回收经过燃气涡轮后的余热尾气和/或用于回收经过动力涡轮发电组件后的余热尾气的稳压罐、用于接收稳压罐输出的回收工质并对回收工质进行降温后输送至散热单元的降温单元，降温单元上设有与稳压罐的输出端连通的高温输入口和与散热单元的输入端连通的低温输出口，散热组件的输出端连通至压气机的输入侧，散热单元用于接收从降温单元排出的回收工质并将回收工质降温后导入压气机的进气侧。
11.进一步地，升温单元和降温单元组合构成换热器，进而使升温单元和降温单元相互作用进行热量交换。
12.进一步地，工质回收加工组件还包括与燃气涡轮的输出侧连通用于将燃气涡轮排出的余热尾气输送至稳压罐的第一回流管路、与动力涡轮发电单元的输出侧连通用于将动力涡轮发电单元排出的余热尾气输送至稳压罐的第二回流管路，第二回流管路与动力涡轮发电单元一一对应布设。
13.进一步地，热源单元采用核能单元和/或太阳能单元。
14.进一步地，动力涡轮发电单元包括动力涡轮、减速器以及发电机，通过从控制阀输出的工质对动力涡轮做功使动力涡轮驱动减速器工作并带动发电机工作进而产生电能。
15.本发明还提供一种超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力控制方法，包括上述的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统，包括如下步骤：工质加工引流组件将压气机的输出侧输出的中介工质进行收集并处理以使中介工质升温并引导中介工质流入分流组件的输入端；调节分流组件的各个输出口的流通面积，使通过第一流路输送至燃气涡轮的中介工质的流量与燃气涡轮工作状态相匹配；使通过第二流路输送至动力涡轮发电组件的中介工质的流量与动力涡轮发电组件工作状态相匹配；并通过第三流路将剩余的余量工质输送至工质回收加工组件；通过工质回收加工组件回收从第三流路输出的余量工质和/或用于回收经过燃气涡轮的余热尾气和/或用于回收经过动力涡轮发电组件的余热尾气，并将回收后的回收工质进行处理以使回收工质降温并引导回收工质流入至压气机的输入侧。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统，通过燃气涡轮做功提供压气机运转所需功率；工质加工引流组件将压气机输出侧输出的工质进行处理以使工质升温并引导工质流入分流组件，分流组件接收从工质加工引流组件输出的工质并在分流组件的输出端将工质分为三个流路，第一流路的工质进入燃气涡轮推动燃气涡轮作用，使燃气涡轮带转压气机，满足压气机的功耗需求，第二流路的工质进入动力涡轮发电组件做功产生电能，第三流路用于将剩余的工质进行回收使燃气涡轮、动力涡轮发电组件以及第三回路相互独立地设置并采用并联的方式，进而在整个动力系统起动或者动力涡轮发电组件的负载调节等情况下，通过分流组件分流并控制进入燃气涡轮的工质的流量以及控制进入动力涡轮发电组件的工质的流量并将剩余的工质通过第三流路导入工质回收加工组件，实现燃气
涡轮及动力涡轮发电组件间多余工质的调节，使多余的工质通过第三流路输送至工质回收加工组件，即在匹配燃气涡轮和动力涡轮发电组件工作后多余的工质从第三流路输送至工质回收加工组件，实现了对进入燃气涡轮和动力涡轮发电组件的工质的流量的调节控制，提高了系统运行的安全性和可靠性，超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统对负载的适应性高；同时多余的工质回收至工质回收加工组件进行再次处理并输送至压气机侧输入侧重新进入压气机中循环，工作效率高。
18.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1是本发明优选实施例的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统的结构示意图；
21.图2是图1中的燃气涡轮的结构示意图；
22.图3是起动过程中燃气涡轮进口流量随转速变化的示意图；
23.图4是起动过程中燃气涡轮功率随转速变化对比的示意图。
24.图例说明：
25.100、超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统；10、压气机；20、工质加工引流组件；21、升温单元；22、热源单元；30、分流组件；40、燃气涡轮；50、动力涡轮发电组件；51、控制阀；52、动力涡轮发电单元；60、盘通管路；70、工质回收加工组件；71、稳压罐；72、降温单元；73、散热单元。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
27.图1是本发明优选实施例的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统的结构示意图；图2是图1中的燃气涡轮的结构示意图；图3是起动过程中燃气涡轮进口流量随转速变化的示意图；图4是起动过程中涡轮功率随转速变化对比的示意图。
28.如图1所示，本实施例的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100，包括压气机10、工质加工引流组件20、分流组件30、燃气涡轮40、动力涡轮发电组件50以及工质回收加工组件70，通过燃气涡轮40做功驱动压气机10运转，工质加工引流组件20用于将压气机10输出的中介工质进行处理以使中介工质升温并引导中介工质流入分流组件30的输入端，分流组件30的输出端上设有用于与燃气涡轮40连通的第一流路、用于与动力涡轮发电组件50连通的第二流路以及用于与工质回收加工组件70连通的第三流路，通过分流组件30分流并控制进入第一流路的中介工质的流量、控制进入第二流路的中介工质的流量，并将剩余的余量工质通过第三流路导入至工质回收加工组件70内，工质回收加工组件70用于回收第三流路输出的余量工质，和/或用于回收经过燃气涡轮40的余热尾气，和/或用于回收经过动力涡轮发电组件50的余热尾气，并将回收后的回收工质进行处理以使回收工质降温并引
导回收工质流入至压气机10的输入侧。
29.本发明的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100，通过燃气涡轮40做功提供压气机10运转所需功率；工质加工引流组件20将压气机10输出侧输出的工质进行处理以使工质升温并引导工质流入分流组件30，分流组件30接收从工质加工引流组件20输出的工质并在分流组件30的输出端将工质分为三个流路，第一流路的工质进入燃气涡轮40推动燃气涡轮40作用，使燃气涡轮40带转压气机10，满足压气机10的功耗需求，第二流路的工质进入动力涡轮发电组件50做功产生电能，第三流路用于将剩余的工质进行回收使燃气涡轮40、动力涡轮发电组件50以及第三回路相互独立地设置并采用并联的方式，进而在整个动力系统起动或者动力涡轮发电组件50的负载调节等情况下，通过分流组件30分流并控制进入燃气涡轮40的工质的流量以及控制进入动力涡轮发电组件50的工质的流量并将剩余的工质通过第三流路导入工质回收加工组件70，实现燃气涡轮40及动力涡轮发电组件50间多余工质的调节，使多余的工质通过第三流路输送至工质回收加工组件70，即在匹配燃气涡轮40和动力涡轮发电组件50工作后多余的工质从第三流路输送至工质回收加工组件70，实现了对进入燃气涡轮40和动力涡轮发电组件50的工质的流量的调节控制，提高了系统运行的安全性和可靠性，超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100对负载的适应性高；同时多余的工质回收至工质回收加工组件70进行再次处理并输送至压气机10侧输入侧重新进入压气机10中循环，工作效率高。
30.可选地，分流组件30的输出端上设有多个输出口，盘通管路60的输入端与分流组件30的输出端上的一个输出口连通，盘通管路60的输出端与工质回收加工组件70连通构成第三流路；燃气涡轮40与分流组件30的输出端上的另一个输出口连通构成第一流路；动力涡轮发电组件50与分流组件30的输出端上的再一个输出口连通构成第三流路。具体地，在本市实施了中，分流组件30采用四通阀。
31.可以理解地，在压气机10的输出侧至分流组件30的输入侧之间的工质为中介工质，在分流组件30内以及分流组件30的输出侧至燃气涡轮40的输入侧之间的工质也为中介工质，在分流组件30内以及分流组件30的输出侧至动力涡轮发电组件50之间的工质也为中介种植；进入第三流路的中介工质为余量工质，剩余的中介工质通过第三流路导入至工质回收加工组件70内即余量工质通过第三流路导入至工质回收加工组件70内；从工质回收加工组件70的输入端进行回收的工质为回收工质。
32.可选地，在本实施例中，为了提高超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的循环使用效率，工质回收加工组件70用于回收第三流路输出的余量工质、用于回收经过燃气涡轮40的余热尾气以及用于回收经过动力涡轮发电组件50的余热尾气，并将回收后的回收工质进行处理以使回收工质降温并引导回收工质流入至压气机10的输入侧。
33.进一步地，动力涡轮发电组件50包括控制阀51和多个并联设置的动力涡轮发电单元52，控制阀51的输入端与第二流路连通，控制阀51的输出端上设有分别与各个动力涡轮发电单元52一一对应布设的输出口，进而通过控制阀51分流并控制进入对应的动力涡轮发电单元52的中介工质的流量。可选地，在本实施例中，根据负载的数量设置动力涡轮发电单元52的数量，控制动力涡轮发电单元52的输入的中介工质的流量使动力涡轮发电单元52输出的功率与负载的功率相匹配，动力涡轮发电单元52的数量可以是两个，也可以是三个或者其他数量。通过设置多个动力涡轮发电单元52提高了超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动
力系统100对负载的适用性，可以同时对多个附着进行做功，通过控制阀51分流并控制进入对应的动力涡轮发电单元52的中介工质的流量，可以根据各个负载所需的功率进行单独控制和灵活调整，并使剩余工质被回收至工质回收加工组件70，循环经济性好。
34.进一步地，燃气涡轮40采用导向器喉部面积可调的变几何涡轮叶片结构。请参考图3和图4，采用常规定几何涡轮，在燃气涡轮4050％转速直到100％转速，燃气涡轮40进口物理流量变化剧烈，由于定几何涡轮导向器喉部面积通常根据100％转速下的流量需求而设计，在不同转速下导向器物理喉部面积都是不可变化的，在低转速状态下，由于导向器喉部面积偏小，产生了节流效应，使得流经燃气涡轮40发动机的流量偏低，无法满足慢车转速下的流量需求，进而导致涡轮做功能力降低，需要提高电机脱开转速，来满足压气机10的耗功需求，影响系统起动成功率，而若依据慢车转速时的流量来设计导向器喉部面积，又会导致高转速状态下的涡轮导向器喉部面积偏大，从而使得涡轮工作在非设计点，使得100％转速下的循环热效率降低，整个超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的经济型下降，且导向器喉部面积偏大，还会使得100％转速下的燃气涡轮40反力度增大，涡轮轴向力提高，影响轴承系统的运行安全性。本发明燃气涡轮40采用变几何涡轮设计，即涡轮导向器喉部面积可根据转速的不同实现动态调整，导向器设计喉部面积与100％转速下所需的进口物理流量相适应，即在100％运行状态时，导向器喉部面积保持在100％开度状态，保证设计点下的涡轮性能最优，而在系统起动过程中，根据燃气涡轮40转子转速的不同，调节导向器喉部面积开度大小，从而兼顾低转速状态点的流量需求。如图3及图4所示，采用变几何涡轮后，低转速状态下的燃气涡轮40进口流量有所提高，且在各个转速下的燃气涡轮40功率均有了一定的提升，从而提高了系统运行的效率及起动成功率，解决了现有的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100慢车转速高，涡轮效率低的问题。
35.可以理解地，请参考图2，变几何涡轮的原理就是会根据不同的外界环境调整涡轮的面积等几何参数，使涡轮的性能能够适应不同工况的要求。
36.可以理解地，本发明的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100起动时，燃气涡采用起动电机提供初始动力，起动电机将燃气涡轮40从零开始加速，一直带转到燃气涡轮40与压气机10能稳定自持的慢车转速，而后起动电机与燃气涡轮40脱开，完全由燃气涡轮40自身做功提供压气机10后续加速运转所需功率。在本实施例中，燃气涡轮40与压气机10同轴布设。
37.本发明中，采用燃气涡轮40及动力涡轮发电组件50分开设计的双转子方案，燃气涡轮40带转压气机10工作，动力涡轮发电组件50对外做功，采用此种布置方式，一方面使得燃气涡轮40与压气机10轴向力可相互抵消，燃气涡轮40转子轴向力调整较单转子方案简单，对轴承的设计难度减小，同时解决了现有的双转子方案，由于在系统起动过程中，随着转速的变化，燃气涡轮40及动力涡轮发电组件50的流量分配随转速存在较大的差异，导致涡轮喉部面积的设计变得极为困难，必须以牺牲设计点涡轮性能的方式来兼顾非设计点需求，导致系统循环热效率降低，系统起动成功率下降的技术问题。
38.进一步地，工质加工引流组件20包括沿工质的输送路径布设的升温单元21和热源单元22，升温单元21用于接收压气机10的输出侧输出的中介工质并将中介工质进行升温后输送至热源单元22内，热源单元22与分流组件30的输入端连通。可选地，升温单元21包括用于与压气机10的输出侧连通的低温进气口以及用于与热源单元22的输入端连通的高温出
气口。
39.进一步地，工质回收加工组件70包括用于回收第三流路输出的余量工质和/或用于回收经过燃气涡轮40后的余热尾气和/或用于回收经过动力涡轮发电组件50后的余热尾气的稳压罐71、用于接收稳压罐71输出的回收工质并对回收工质进行降温后输送至散热单元73的降温单元72，降温单元72上设有与稳压罐71的输出端连通的高温输入口和与散热单元73的输入端连通的低温输出口，散热组件的输出端连通至压气机10的输入侧，散热单元73用于接收从降温单元72排出的回收工质并将回收工质降温后导入压气机10的进气侧。更优地，稳压罐71用于回收第三流路输出的余量工质、用于回收经过燃气涡轮40后的余热尾气以及用于回收经过动力涡轮发电组件50后的余热尾气，余量工质输入到稳压罐71中，经燃气涡轮40及动力涡轮发电组件50做功后的低压工质也输入到稳压罐71中，并在稳压罐71经过充分掺混后流过降温单元72以及散热单元73，使回收工质的温度降低到满足压气机10进口温度需求后重新进入压气机10中循环。
40.进一步地，升温单元21和降温单元72组合构成换热器，进而使升温单元21和降温单元72相互作用进行热量交换。具体地，低压、低温的超临界二氧化碳工质经过压气机10压缩后，压力升高、温度增加，然后通过管道经过换热器的升温单元21，利用升温单元21与降温单元72之间相互的热传递进一步升温后进入高温的热源单元22，经过热源单元22加热后中介工质达到设定的燃气涡轮40前温度要求；经燃气涡轮40及动力涡轮做功后的余热尾气进入到稳压罐71中与余量工质充分掺混，随后通过管路流过换热器的降温单元72，与处于升温单元21内的中介工质进行热量交换后流入低温散热器中，温度进一步降低到满足压气机10进口温度需求后重新进入压气机10中循环。升温单元21和降温单元72组合构成换热器，提高了超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的整体利用率，降低了超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的功耗。
41.进一步地，工质回收加工组件70还包括与燃气涡轮40的输出侧连通用于将燃气涡轮40排出的余热尾气输送至稳压罐71的第一回流管路、与动力涡轮发电单元52的输出侧连通用于将动力涡轮发电单元52排出的余热尾气输送至稳压罐71的第二回流管路，第二回流管路与动力涡轮发电单元52一一对应布设。
42.可选地，热源单元22采用核能单元和/或太阳能单元。可以理解地，热源单元22可以是核能单元也可以是太阳能单元，还可以是其他稳定热源
43.进一步地，动力涡轮发电单元52包括动力涡轮、减速器以及发电机，通过从控制阀51输出的工质对动力涡轮做功使动力涡轮驱动减速器工作并带动发电机工作进而产生电能。
44.可选地，动力涡轮采用向心涡轮或轴流式涡轮。
45.本发明的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的有益效果如下：通过燃气涡轮40及动力涡轮发电组件50相互独立且并联设置，并通过分流组件30分别控制进入燃气涡轮40和动力涡轮发电组件50的中介工质的流量；通过动力涡轮发电组件50包括多个并联的动力涡轮发电单元52，动力涡轮发电单元52通过控制阀51控制进入的中介工质的流量；同时，余量工质通过第三流路回收；进而可以根据外部负载的需要灵活布置动力涡轮发电单元52的数量以及进入动力涡轮发电单元52的动力涡轮内的中介工质的流量，提高超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100的环境适应性。燃气涡轮40采用导线器喉部面积
可调的变几何涡轮设计，一方面可使系统设计点下的涡轮性能最优，提高二氧循环热效率；另一方面可通过调节导叶喉部面积来适应不同转速下的涡轮流量需求，提高非设计点下的涡轮轴功率，减小对起动电机的功率需求，降低电机脱开转速，减小系统建造成本，提高起动成功率。
46.本发明通过设置第三流路，可满足动力涡轮及燃气涡轮40间流量调节的需要，提高系统运行安全性及可靠性。
47.本发明还提供一种超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力控制方法，包括上述的超临界二氧化碳闭式布莱顿循环动力系统100，包括如下步骤：工质加工引流组件20将压气机10的输出侧输出的中介工质进行收集并处理以使中介工质升温并引导中介工质流入分流组件30的输入端；调节分流组件30的各个输出口的流通面积，使通过第一流路输送至燃气涡轮40的中介工质的流量与燃气涡轮40工作状态相匹配；使通过第二流路输送至动力涡轮发电组件50的中介工质的流量与动力涡轮发电组件50工作状态相匹配；并通过第三流路将剩余的余量工质输送至工质回收加工组件70；通过工质回收加工组件70回收从第三流路输出的余量工质和/或用于回收经过燃气涡轮40的余热尾气和/或用于回收经过动力涡轮发电组件50的余热尾气，并将回收后的回收工质进行处理以使回收工质降温并引导回收工质流入至压气机10的输入侧。
48.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。