[發明專利]一種超臨界二氧化碳循環系統以及透平調節和緊急停機方法

有效

• 申請號: 202110581664.1
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113137293B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 李凱倫;李紅智;姚明宇;張一帆;張旭偉;喬永強;李曉照;李晨照
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F01K13/02
• 分類號: F01K13/02;F01K7/32;F01K25/10;F04D27/02;F01D17/10;F01D19/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種超臨界二氧化碳循環系統的透平調節和緊急停機方法，所述超臨界二氧化碳循環系統，包括壓縮機及其輔助調節系統、透平及其輔助調節系統、高壓存儲回路系統、低壓存儲回路系統、以及換熱與流量控制系統；

所述壓縮機及其輔助調節系統包括壓縮機入口閥門(1)、壓縮機干氣密封流量控制閥(2)、壓縮機變頻電機(3)、壓縮機(4)、壓縮機防喘回路冷卻器(5)、壓縮機防喘閥(6)、壓縮機出口閥門(7)和壓縮機排空閥(31)；壓縮機及輔助調節系統的作用是對超臨界二氧化碳循環系統中冷態工質進行壓縮并提升壓力；壓縮機變頻電機(3)能夠根據頻率指令調節壓縮機轉速來達到調節壓縮機出力；壓縮機防喘閥(6)根據壓縮機工況點的位置自動動作來防止喘振或主動動作作為壓縮機出力調節；壓縮機防喘回路冷卻器(5)作用是運行過程中用來控制壓縮機(4)入口溫度；壓縮機干氣密封流量控制閥(2)用來控制干氣密封氣體流量；壓縮機排空閥(31)用作啟機及緊急停機過程中調節壓縮機內部腔室壓力；

所述透平及其輔助調節系統包括透平入口調節閥(15)、透平盤車電機(16)、透平(17)、發電機(18)、透平旁路調節閥(19)、透平干氣密封控制閥(20)、透平出口逆止閥(21)和透平排空閥(30)；透平入口調節閥(15)通過調節透平入口工質流量來控制透平輸出功率；透平盤車電機(16)用作透平啟動前及停機后對透平進行低速盤車；透平(17)帶動發電機(18)轉動發電；透平旁路調節閥(19)用來調節熱態工質通過透平的質量流量；透平干氣密封控制閥(20)用來控制干氣密封氣體流量；透平出口逆止閥(21)用來防止透平出口工質反向流入透平內部；透平排空閥(30)用作啟機及緊急停機過程中調節透平內部腔室壓力；

所述高壓存儲回路系統包括高壓存儲回路入口閥門(9)、高壓存儲回路冷卻器(10)、高壓工質存儲罐(11)、高壓存儲回路加熱器(12)和高壓存儲回路出口閥門(13)，其中高壓存儲回路入口閥門(9)及高壓存儲回路出口閥門(13)用于對流入或流出高壓工質存儲罐(11)的工質流量進行控制；高壓存儲回路冷卻器(10)及高壓存儲回路加熱器(12)用于對流入或流出高壓工質存儲罐(11)的工質溫度進行控制；高壓工質存儲罐(11)用于停機或降負荷階段對壓縮機出口的高壓工質進行存儲；

所述低壓存儲回路系統包括低壓存儲回路入口閥門(24)、工質補充入口控制閥(23)和低壓存儲回路冷卻器(25)、低壓工質存儲罐(26)、低壓存儲回路加熱器(27)和低壓存儲回路出口閥門(28)，其中低壓存儲回路入口閥門(24)及低壓存儲回路出口閥門(28)用于對流入或流出低壓工質存儲罐(26)的工質流量進行控制；工質補充入口控制閥(23)用于啟機前對低壓工質存儲罐(26)補充工質時的流量進行控制；低壓存儲回路冷卻器(25)及低壓存儲回路加熱器(27)用于對流入或流出低壓工質存儲罐(26)的工質溫度進行控制；低壓工質存儲罐(26)用于啟機前對工質進行存儲，啟機或調整負荷階段對壓縮機(4)入口壓力進行控制；

所述換熱與流量控制系統包括主加熱器入口控制閥(8)、主回路加熱器(14)、主回路冷卻器(22)、主冷卻器出口控制閥(29)和回熱器(32)，其中主加熱器入口控制閥(8)及主冷卻器出口控制閥(29)用于對主回路中工質流量進行控制，回熱器(32)用于對壓縮機(4)出口冷態工質及透平(17)出口熱態工質進行熱交換，對壓縮機(4)出口冷態工質進行加熱，并對透平(17)出口熱態工質進行冷卻；主回路加熱器(14)的作用是對回熱器(32)冷側出口工質進行進一步加熱升溫；主回路冷卻器(22)的作用是對回熱器(32)熱側出口工質進行進一步冷卻降溫；

超臨界二氧化碳循環系統中各部件的具體連接關系如下：

所述壓縮機入口閥門(1)閥后分別與壓縮機(4)入口、壓縮機防喘回路冷卻器(5)出口相連通；壓縮機干氣密封流量控制閥(2)閥前與干氣密封氣源相連通，閥后與壓縮機(4)內腔相連通；壓縮機排空閥(31)閥前與壓縮機(4)內腔相連通，閥后直通大氣；壓縮機變頻電機(3)與壓縮機(4)采用聯軸器連接；壓縮機(4)出口分別與壓縮機防喘閥(6)閥前、壓縮機出口閥門(7)閥前相連通；壓縮機防喘閥(6)閥后與壓縮機防喘回路冷卻器(5)入口相連通；壓縮機出口閥門(7)閥后分別與高壓存儲回路入口閥門(9)閥前、主加熱器入口控制閥(8)閥前相連通；高壓存儲回路入口閥門(9)閥后與高壓存儲回路冷卻器(10)入口相連通；高壓存儲回路冷卻器(10)出口與高壓工質存儲罐(11)入口相連通；高壓工質存儲罐(11)出口與高壓存儲回路加熱器(12)入口相連通；高壓存儲回路加熱器(12)出口與高壓存儲回路出口閥門(13)閥前相連通；主加熱器入口控制閥(8)閥后、高壓存儲回路出口閥門(13)閥后均與回熱器(32)冷側入口相連通；回熱器(32)冷側出口與主回路加熱器(14)入口相連通；主回路加熱器(14)出口分別與透平入口調節閥(15)閥前、透平旁路調節閥(19)閥前相連通；透平入口調節閥(15)閥后與透平(17)入口相連通；透平(17)與發電機(18)采用聯軸器連接；透平盤車電機(16)與透平(17)之間采用離合器連接；透平干氣密封控制閥(20)閥前與干氣密封氣源相連通，閥后與透平(17)內腔相連通；透平排空閥(30)閥前與透平(17)內腔相連通，閥后直通大氣；透平(17)出口與透平出口逆止閥(21)閥前相連通；透平出口逆止閥(21)閥后、透平旁路調節閥(19)閥后均與回熱器(32)熱側入口相連通；回熱器(32)熱側出口與主回路冷卻器(22)入口相連通；主回路冷卻器(22)出口分別與低壓存儲回路入口閥門(24)閥前、主冷卻器出口控制閥(29)閥前相連通；工質補充入口控制閥(23)閥前與工質儲罐相連通，閥后分別與低壓存儲回路入口閥門(24)閥后、低壓存儲回路冷卻器(25)入口相連通；低壓存儲回路冷卻器(25)出口與低壓工質存儲罐(26)入口相連通；低壓工質存儲罐(26)出口與低壓存儲回路加熱器(27)入口相連通；低壓存儲回路加熱器(27)出口與低壓存儲回路出口閥門(28)閥前相連通；低壓存儲回路出口閥門(28)閥后、主冷卻器出口控制閥(29)閥后均與壓縮機入口閥門(1)閥前相連通；

其中：壓縮機(4)出口、回熱器(32)冷側、主回路加熱器(14)、透平(17)、回熱器(32)熱側、主回路冷卻器(22)和壓縮機(4)入口依次連接形成主回路，發電循環過程中，二氧化碳工質依次經過壓縮機(4)壓縮升壓、回熱器(32)升溫、主回路加熱器(14)再次升溫、透平(17)膨脹做功及發電機(18)發電、回熱器(32)降溫、主回路冷卻器(22)再次降溫后，回到壓縮機入口，完成一個做功循環；

其特征在于，所述透平調節和緊急停機方法，機組運行期間，在發電負荷及透平轉速穩定的情況下，保持壓縮機防喘閥(6)、高壓存儲回路入口閥門(9)、高壓存儲回路出口閥門(13)、透平旁路調節閥(19)、低壓存儲回路入口閥門(24)及低壓存儲回路出口閥門(28)開度處于0％關閉狀態；停運壓縮機防喘回路冷卻器(5)、高壓存儲回路冷卻器(10)、高壓存儲回路加熱器(12)、低壓存儲回路冷卻器(25)及低壓存儲回路加熱器(27)；保持壓縮機入口閥門(1)、壓縮機出口閥門(7)、主加熱器入口控制閥(8)和主冷卻器出口控制閥(29)開度處于100％全開狀態；調節主回路冷卻器(22)冷卻介質流量將壓縮機(4)入口溫度保持在35℃～45℃；調節主回路加熱器(14)功率將透平入口調節閥(15)前工質溫度穩定在550℃～600℃之間；通過透平入口調節閥(15)與壓縮機變頻電機(3)運行頻率的聯合調節，將透平入口調節閥(15)開度穩定在80％～100％之間；將壓縮機變頻電機(3)運行頻率穩定在30Hz～50Hz；

系統運行期間需要增加發電負荷時，通過對低壓存儲回路出口閥門(28)、低壓存儲回路加熱器(27)及主回路冷卻器(22)的聯合調節，從低壓工質存儲罐(26)向主回路循環中增加工質，并保持壓縮機(4)入口工質壓力處于4MPa～7MPa之間，溫度處于35℃～45℃；同時增加主回路加熱器(14)的加熱功率保持透平入口調節閥(15)前工質溫度穩定在550℃～600℃；

系統運行期間需要減少發電負荷時，需要通過打開高壓存儲回路入口閥門(9)，調節高壓存儲回路冷卻器(10)功率，從主回路循環中泄放工質至高壓工質存儲罐(11)，并保持壓縮機(4)入口工質壓力處于4MPa～7MPa之間，溫度處于35℃～45℃；同時降低主回路加熱器(14)的加熱功率保持透平入口調節閥(15)前工質溫度穩定在550℃～600℃；

當發電負荷波動或小范圍調節時，保持壓縮機變頻電機(3)運行頻率穩定，保持透平入口調節閥(15)閥前壓力穩定，通過調節透平入口調節閥(15)開度在80％～100％開度范圍內變化，從而降低透平入口調節閥(15)閥后壓力進行定壓節流調節；

當大幅度調節發電負荷，并且透平入口調節閥(15)開度在80％～100％開度內變動已無法滿足調節需求時，則通過提高壓縮機變頻電機(3)運行頻率，進而調節透平入口調節閥(15)閥前壓力進行滑壓調節，調節負荷期間，需要保持壓縮機(4)入口壓力及溫度穩定，保持透平入口調節閥(15)閥前工質溫度穩定；

當系統需要快速甩負荷，并且通過壓縮機變頻電機(3)運行頻率的操作無法滿足發電負荷的快速調整時，通過快速關小透平入口調節閥(15)開度至80％以下，快速開大透平旁路調節閥(19)開度，快速開大壓縮機防喘閥(6)開度，快速減少主回路加熱器(14)加熱功率，快速增加主回路冷卻器(22)冷卻介質流量，快速打開高壓存儲回路入口閥門(9)開度至100％，開啟高壓存儲回路冷卻器(10)，從主回路循環中泄放工質至高壓工質存儲罐(11)；當降低至目標后，逐步關閉壓縮機防喘閥(6)及透平旁路調節閥(19)開度至0％，逐步降低壓縮機變頻電機(3)運行頻率并保持壓縮機進出口壓力穩定，逐步開大透平入口調節閥(15)開度至80％～100％并保持其閥后介質壓力穩定；同時緩慢調節主回路加熱器(14)加熱功率及主回路冷卻器(22)冷卻介質流量，保持透平入口調節閥(15)閥前介質溫度穩定；待系統壓力及溫度穩定后，關閉高壓存儲回路入口閥門(9)，關停高壓存儲回路冷卻器(10)；

當系統需要緊急停機時，快速開大透平旁路調節閥(19)開度至100％，快速關小透平入口調節閥(15)開度至0％，快速開大透平排空閥30開度至100％，快速將壓縮機防喘閥(6)開度開大至5％～30％，快速關停主回路加熱器(14)，快速增加主回路冷卻器(22)冷卻介質流量，快速打開高壓存儲回路入口閥門(9)開度至100％，開啟高壓存儲回路冷卻器(10)，從主回路循環中泄放工質至高壓工質存儲罐(11)；確保主回路加熱器(14)溫度未升溫超標后，關停壓縮機變頻電機(3)，等壓縮機(4)轉速降至0后，關閉壓縮機干氣密封流量控制閥(2)；

當透平轉速降至0后，立即啟動透平盤車電機(16)對透平進行低速盤車，啟動透平冷卻風機對透平外缸進行冷卻，調小透平干氣密封控制閥(20)開度，保持透平干氣密封流量處于50Nm³/h～200Nm³/h小流量范圍內，通過調節透平排空閥(30)開度及透平冷卻風機風量對透平缸體溫度冷卻速率進行控制，監測并保持透平(17)缸體內外壁溫差范圍控制在20℃～50℃，保持以上狀態直至透平(17)內壁溫度小于180℃，關停透平盤車電機(16)及透平冷卻風機，關閉干氣密封控制閥(20)及透平排空閥(30)開度至0％。