专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其中，经热源加热的高温高压超临界二氧化碳工质在透平中旋转做功带动发电机发电，并通过变速箱带动主压缩机和再压缩机转动压缩工质，经过高温回热器和低温回热器后分流进入主压缩机与再压缩机。系统启动时，首先开启启动电机并关闭热源，在系统中形成冷态超临界二氧化碳循环。待压缩机运行逐渐达到压比后，启动热源和发电机，透平中的超临界二氧化碳工质逐渐升温达到额定运行状态。本发明通过变速箱改进超临界二氧化碳再压缩循环中透平机械的布置方式，并考虑其安全启动方法，提升部件效率，降低系统复杂性及制造成本。

权利要求

1.一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，包括热源(1)、发电机(2)、超临界二氧化碳透平(3)、变速箱(5)、主压缩机(6)、再压缩机(7)、冷却器(8)、低温回热器(9)和高温回热器(10)；其中，

系统运行时，经热源(1)加热的超临界二氧化碳工质进入超临界二氧化碳透平(3)中，超临界二氧化碳透平(3)旋转做功带动发电机(2)发电，并通过变速箱(5)带动主压缩机(6)和再压缩机(7)转动压缩工质；超临界二氧化碳透平(3)出口的工质进入高温回热器(10)中，与低温回热器(9)出口及再压缩机(7)出口的混合工质换热，随后进入低温回热器(9)中，与主压缩机(6)出口的工质换热；回热完成后的工质根据分流系数，部分进入冷却器(8)冷却并进入主压缩机(6)中压缩，剩余部分直接进入再压缩机(7)中压缩，如此形成循环。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，当该系统功率为kW级时，超临界二氧化碳透平型式为单级向心透平。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，当该系统功率为MW级时，透平型式为2-4级轴流透平。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，该系统任意功率下，主压缩机与再压缩机型式均为单级离心压缩机，主压缩机与再压缩机进口压力均为7.5-7.8MPa，压比均为1.8-2.4，主压缩机进口温度为32℃-35℃，再压缩机进口温度为60℃-65℃。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，主压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n1，再压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n2，则n1和n2如下式计算后取整：

其中，a为分流系数，即主压缩机流量除以系统总流量；无下标表示透平中的参数，下标1表示主压缩机中的参数，下标2表示再压缩机中的参数；ρ为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口处的工质密度；为透平和压缩机设计计算时选取的经验系数，称作速比；α为透平喷嘴出口和压缩机扩压器进口的气流角；β为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口的气流角；Δh表示透平和压缩机通流部分的等熵焓降或焓升。

6.根据权利要求5所述的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，其特征在于，系统启动时，首先开启启动电机(4)，其主轴通过变速箱(5)带动主压缩机(6)和再压缩机(7)启动，分别在主压缩机(6)和再压缩机(7)进口通入额定温度和压力的超临界二氧化碳工质，并关闭热源(1)，在系统中形成冷态超临界二氧化碳循环；待压缩机运行逐渐达到压比后，启动热源(1)和发电机(2)，超临界二氧化碳透平(3)中的超临界二氧化碳工质逐渐升温，达到系统的额定运行状态，发电机(2)形成额定功率输出。

说明书

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统。

背景技术

近年来，将二氧化碳工质应用于布雷顿循环的研究受到广泛关注，二氧化碳的临界压力为7.38MPa，临界温度为31.1℃，在压力高于临界压力，温度高于临界温度的状态下具有密度大、粘度小的优良物性，可以使二氧化碳布雷顿循环核心部件透平及压缩机结构紧凑、效率高，因此，将其应用于动力循环具有良好的工程应用前景。

由于系统流量分配至主压缩机和再压缩机，经过冷却器的质量流量减小，再压缩循环应用于超临界二氧化碳布雷顿系统中，可以提升系统效率，且能够改善换热器设计的夹点问题，是一种经济可靠的循环模式。然而，目前超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环的应用存在许多问题，若主压缩机、再压缩机与透平采用同轴结构，由于超临界二氧化碳工质临界点附近物性变化过大，进口温度较高的再压缩机难以与主压缩机设计为同一转速，而透平则运行在高温环境下，工质物性与压缩机工况差异更大；若三个关键部件均采用不同转速的设计，则系统复杂、成本过高，难以凸显超临界二氧化碳布雷顿循环紧凑的优势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的局限性，提供了一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统及启动方法，解决了超临界二氧化碳透平及压缩机的设计难点，提升部件效率，降低超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的复杂性及制造成本，具有广阔的应用前景。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，包括热源、发电机、超临界二氧化碳透平、变速箱、主压缩机、再压缩机、冷却器、低温回热器和高温回热器；其中，

系统运行时，经热源加热的超临界二氧化碳工质进入超临界二氧化碳透平中，超临界二氧化碳透平旋转做功带动发电机发电，并通过变速箱带动主压缩机和再压缩机转动压缩工质；超临界二氧化碳透平出口的工质进入高温回热器中，与低温回热器出口及再压缩机出口的混合工质换热，随后进入低温回热器中，与主压缩机出口的工质换热；回热完成后的工质根据分流系数，部分进入冷却器冷却并进入主压缩机中压缩，剩余部分直接进入再压缩机中压缩，如此形成循环。

本发明进一步的改进在于，当该系统功率为kW级时，超临界二氧化碳透平型式为单级向心透平。

本发明进一步的改进在于，当该系统功率为MW级时，透平型式为2-4级轴流透平。

本发明进一步的改进在于，该系统任意功率下，主压缩机与再压缩机型式均为单级离心压缩机，主压缩机与再压缩机进口压力均为7.5-7.8MPa，压比均为1.8-2.4，主压缩机进口温度为32℃-35℃，再压缩机进口温度为60℃-65℃。

本发明进一步的改进在于，主压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n₁，再压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n₂，则n₁和n₂如下式计算后取整：

其中，a为分流系数，即主压缩机流量除以系统总流量；无下标表示透平中的参数，下标1表示主压缩机中的参数，下标2表示再压缩机中的参数；ρ为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口处的工质密度； 为透平和压缩机运行时的速比；α为透平喷嘴出口和压缩机扩压器进口的气流角；β为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口的气流角；Δh表示透平和压缩机通流部分的等熵焓降或焓升。

本发明进一步的改进在于，系统启动时，首先开启启动电机，其主轴通过变速箱带动主压缩机和再压缩机启动，分别在主压缩机和再压缩机进口通入额定温度和压力的超临界二氧化碳工质，并关闭热源，在系统中形成冷态超临界二氧化碳循环；待压缩机运行逐渐达到压比后，启动热源和发电机，超临界二氧化碳透平中的超临界二氧化碳工质逐渐升温，达到系统的额定运行状态，发电机形成额定功率输出。

本发明通过成功整合多种现有技术的优势，针对超临界二氧化碳再压缩循环发电系统进行了改进创新，提供了一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，具有如下有益的技术效果：

本发明通过采用再压缩循环提升系统效率，对于三个关键部件的布置，采用变速箱连接超临界二氧化碳透平与主压缩机、再压缩机，使得系统结构紧凑，降低循环复杂性及制造成本。

进一步，当系统功率为kW级时，透平型式为单级向心透平，当系统功率为MW级时，透平型式为2-4级轴流透平，能够使透平这一部件在最佳速比下运行，实现最佳气动效率。

进一步，系统任意功率下，主压缩机与再压缩机型式均为单级离心压缩机，能够实现足够的单级压比，压缩机进口压力均为7.5-7.8MPa，压比均为1.8-2.4，主压缩机进口温度为32℃-35℃，再压缩机进口温度为60℃-65℃。变工况研究表明，压比随着压缩机进口温度的下降不断变大，从压缩因子的角度说明即同一工质压缩因子越小越容易被压缩，此系统中主压缩机与再压缩机的工质进口温度均选取越低值，主压缩机进口温度接近二氧化碳工质的临界点，压缩耗功小，气动效率高。

进一步，主压缩机、再压缩机与透平的传动比n₁、n₂通过分流系数、等熵焓降及焓升、速比、工质密度、进出口气流角等参数计算得到，能够确保透平、主压缩机和再压缩机三个关键部件满足气动设计的通流尺寸要求及加工制造需求，提升各部件气动效率。以kW级系统，透平进口温度500℃，主压缩机进口温度35℃，再压缩机进口温度65℃为例，此时系统中透平叶轮进口的超临界二氧化碳工质密度约为77kg/m³，主压缩机叶轮出口工质密度约为502kg/m³，再压缩机叶轮出口工质密度约为257kg/m³。若采用分轴结构，则为了满足转子动力学需求，各个透平部件均需加入轴向长度为300mm的配重块，大大增大系统体积；若透平、主压缩机、再压缩机采用同轴结构，满足最佳速比的透平转速约为40000rpm，此时透平中喷嘴叶片和叶轮动叶进口叶高为3mm，对应的主压缩机扩压器和叶轮动叶出口叶高为0.5mm，再压缩机扩压器和叶轮动叶出口叶高为1mm。因此，两个压缩机部件的叶高难以满足加工制造需求，且较小的通流尺寸会进一步放大边界层流动损失的比例。通过传动比n₁、n₂可以增大主压缩机和再压缩机的转速，减小叶轮直径，将主压缩机和再压缩机叶轮出口及扩压器的叶高提高至2mm以上，达到加工制造要求的精度，减小边界层带来的流动损失，在CFD计算中可将两个压缩机部件的效率由70％提升至80％。进一步，系统启动时，首先开启启动电机带动主压缩机和再压缩机启动，并关闭热源，在系统中形成冷态超临界二氧化碳循环。待压缩机运行逐渐达到压比后，启动热源和发电机，透平中的超临界二氧化碳工质逐渐升温，形成额定功率输出。通过这一启动方法，保障系统运行的安全性，提高透平部件可靠性。

综上所述，本发明提供的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，改进透平、主压缩机、再压缩机三个关键部件的布置方式，改善系统的启动方法，确保透平、主压缩机和再压缩机三个关键部件的设计满足需求，提升部件效率，降低循环复杂性及制造成本，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-热源，2-发电机，3-超临界二氧化碳透平，4-启动电机，5-变速箱，6-主压缩机，7-再压缩机，8-冷却器，9-低温回热器，10-高温回热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明提供的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，包括热源1、发电机2、超临界二氧化碳透平3、启动电机4、变速箱5、主压缩机6、再压缩机7、冷却器8、低温回热器9、高温回热器10；其中，系统运行时，经热源1加热的超临界二氧化碳工质进入超临界二氧化碳透平3中，超临界二氧化碳透平3旋转做功带动发电机2发电，并通过变速箱5带动主压缩机6和再压缩机7转动压缩工质。超临界二氧化碳透平3出口的工质进入高温回热器10中，与低温回热器9出口及再压缩机7出口的混合工质换热，随后进入低温回热器9中，与主压缩机6出口的工质换热。回热完成后的工质根据分流系数，部分进入冷却器8冷却并进入主压缩机6中压缩，剩余部分直接进入再压缩机7中压缩，如此形成循环。

系统功率为kW级时，超临界二氧化碳透平型式为单级向心透平；系统功率为MW级时，透平型式为2-4级轴流透平。系统任意功率下，主压缩机与再压缩机型式均为单级离心压缩机，主压缩机与再压缩机进口压力均为7.5-7.8MPa，压比均为1.8-2.4，主压缩机进口温度为32℃-35℃，再压缩机进口温度为60℃-65℃。

主压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n₁，再压缩机与超临界二氧化碳透平的传动比为n₂，则n₁和n₂如下式计算后取整：

其中，a为分流系数，即主压缩机流量除以系统总流量；无下标表示透平中的参数，下标1表示主压缩机中的参数，下标2表示再压缩机中的参数；ρ为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口处的工质密度； 为透平和压缩机运行时的速比；α为透平喷嘴出口和压缩机扩压器进口的气流角；β为透平叶轮进口和压缩机叶轮出口的气流角；Δh表示透平和压缩机通流部分的等熵焓降或焓升。

本发明提供的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，系统启动时，首先开启启动电机4，主轴通过变速箱5带动主压缩机6和再压缩机7启动，分别在主压缩机6和再压缩机7进口通入额定温度和压力的超临界二氧化碳工质，并关闭热源1，在系统中形成冷态超临界二氧化碳循环。待压缩机运行逐渐达到压比后，启动热源1和发电机2，超临界二氧化碳透平3中的超临界二氧化碳工质逐渐升温，达到系统的额定运行状态，发电机2形成额定功率输出。

本发明提供的一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统，解决了超临界二氧化碳透平及压缩机的设计难点，满足其气动设计的通流尺寸要求及加工制造需求，提升部件效率，降低超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的复杂性及制造成本。

一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。