一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统及方法

摘要

一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统及方法，包括压缩机出口供轴封气源管路、低温回热器冷侧出口供轴封气源管路、轴封漏气回收系统；压缩机出口供轴封气源管路为压缩机出口连接高压储罐入口，高压储罐分为两路，一路经过电热油加热器、调节阀等连接轴封供气母管，另一路经过调节阀等连接轴封供气减温器；低温回热器冷侧出口供轴封气源管路为低温回热器冷侧出口经过调节阀等连接至轴封供气母管；轴封漏气回收系统为轴封漏气管道依次连接轴封漏气冷却器、轴封漏气输送泵及稳压罐。该系统在启动、并网发电、热态跳机、甩负荷等不同工况下，通过切换不同的轴封供气气源及漏气回收再利用，实现超临界二氧化碳循环发电机组安全高效运行。

说明书

技术领域

本发明属于旋转机械轴封系统技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统及方法。

背景技术

超临界二氧化碳循环发电技术因其循环热效率较高、系统设备紧凑、热源适应性广等优势而在能源电力领域具有广阔的应用前景。近年来，众多研究机构对超临界二氧化碳循环发电技术开展了系统深入的研究，涉及工质热物理性质、热力循环机理分析、系统设计优化、设备部件研究开发等方面。随着相关理论和实验研究的不断深入，超临界二氧化碳循环发电技术正逐步走向商业示范，未来可能替代现有水及蒸汽循环发电技术。

超临界二氧化碳透平是该循环的动力机械，其良好的性能是超临界二氧化碳循环较高循环热效率的重要保证。超临界二氧化碳透平作为旋转机械，转动的转子穿过透平静止的缸体，透平两侧的轴承处必然存在间隙，这在超临界二氧化碳透平运行过程中可能会造成透平腔室的二氧化碳工质往外泄露或者外界的空气进入透平腔室，进而影响超临界二氧化碳透平安全高效运行，因此为超临界二氧化碳透平设计合理高效的轴封系统将是至关重要。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统及方法，该系统分别从低温回热器冷侧出口和压缩机出口引出二氧化碳工质作为超临界二氧化碳透平的轴封供气气源，通过在超临界二氧化碳循环发电机组启动、并网发电、热态跳机、甩负荷等不同工况下，合理灵活自动切换轴封供气气源，实现超临界二氧化碳循环发电机组安全高效运行。该系统同时将透平轴承处少量漏气收集并依次送入轴封漏气冷却器和稳压罐，回收泄露的二氧化碳工质。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统，包括超临界二氧化碳透平1及前轴封供气支管2、后轴封供气支管3、轴封供气母管4、压缩机出口供轴封气源管路、低温回热器冷侧出口供轴封气源管路；其中，轴封供气母管4一端连接超临界二氧化碳透平1的前轴封供气支管2及后轴封供气支管3，另一端连接压缩机出口供轴封气源管路及低温回热器冷侧出口供轴封气源管路；

所述的压缩机出口供轴封气源管路包括高压储罐9、电热油加热器16、轴封供气减温器15、调节阀12及调节阀19；其中，高压储罐9入口连接压缩机出口，高压储罐9出口分为两路，一路依次经过电热油加热器16、逆止阀三17、电动阀18、调节阀19连接轴封供气母管4，逆止阀三17出口经过旁路电动阀20连接轴封供气母管4；另一路依次经过逆止阀二10、手动阀一11、调节阀12、手动阀二13连接轴封供气减温器15，逆止阀二10出口经过旁路手动阀三14连接轴封供气减温器15；

所述的低温回热器冷侧出口供轴封气源管路包括调节阀7，低温回热器冷侧出口依次经过逆止阀一5、电动阀6、调节阀7连接轴封供气母管4，逆止阀一5出口经过旁路电动阀8连接轴封供气母管4；

所述的轴封供气减温器15设置在轴封供气母管4上，在轴封供气母管4上位于压缩机出口供轴封气源管路与低温回热器冷侧出口供轴封气源管路之间。

所述的轴封供气母管4上装有压力温度测点，压力温度测点在轴封供气母管4上位于压缩机出口供轴封气源管路下游。

所述的轴封供气母管4上装有安全阀21，安全阀21在轴封供气母管4上位于压力温度测点下游和透平前轴封供气支管2及后轴封供气支管3的上游。

所述超临界二氧化碳透平1的前后轴封经过轴封漏气管道22连接轴封漏气冷却器23热侧入口，轴封漏气冷却器23热侧出口依次经过手动阀四24、轴封漏气输送泵25、逆止阀四26、手动阀五27连接稳压罐28；轴封漏气冷却器23冷侧工作介质为循环冷却水。

所述超临界二氧化碳透平1及其轴封工作介质为超临界二氧化碳。

一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统的运行方法，包括以下步骤；

在超临界二氧化碳循环发电机组启动阶段，透平轴封供气来自压缩机出口；压缩机出口的部分高压二氧化碳工质进入高压储罐9中，并将高压储罐9充压至设定压力；开启电热油加热器16，轴封供气母管4温度T通过设定电热油加热器16出口二氧化碳工质温度来控制，轴封供气母管4压力P通过调节阀19来控制，保证轴封供气温度及压力处于设定范围内；高压储罐9至减温器15的管路关闭；透平前、后轴封的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后经过轴封漏气输送泵25进入稳压罐28，返回工质主循环；在机组启动阶段，低温回热器冷侧出口供轴封气源管路关闭；

在超临界二氧化碳循环发电机组负荷处于10％～25％额定负荷阶段，随着低温回热器冷侧出口二氧化碳工质温度逐渐升高，接近轴封供气温度要求，透平轴封供气开始采用低温回热器冷侧出口供轴封气源，同时保留压缩机出口供轴封气源；轴封供气母管4压力P主要通过调节阀7来调整，调节阀19辅助控制，轴封供气母管4温度T可以通过设定电热油加热器16出口二氧化碳工质温度来适当调节，保证轴封供气压力及温度处于设定范围内；高压储罐9至减温器15管路关闭；透平前后轴封的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后经过轴封漏气输送泵25进入稳压罐28，返回工质主循环；

在超临界二氧化碳循环发电机组负荷高于25％额定负荷阶段，随着低温回热器冷侧出口二氧化碳工质温度进一步升高，可以满足轴封供气温度要求，透平轴封供气仅采用低温回热器冷侧出口供轴封气源；轴封供气母管4压力P通过调节阀7来控制，高压储罐9至减温器15管路开启，轴封供气母管4温度T通过调节阀12调节进入轴封供气减温器15的低温二氧化碳流量来控制，保证轴封供气温度及压力处于设定范围内；透平前后轴封的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后经过轴封漏气输送泵25进入稳压罐28，返回工质主循环；在此阶段，停运电热油加热器16，关闭压缩机出口供轴封气源管路。

在超临界二氧化碳循环发电机组发生热态跳机或甩负荷等事故工况下，若压缩机未联锁停运，透平轴封供气继续采用低温回热器冷侧出口供轴封气源，同时联锁开启电热油加热器16，并联锁打开压缩机出口供轴封气源管路；联锁关闭高压储罐9至减温器15管路；轴封供气母管4压力P主要通过调节阀7来调整，调节阀19辅助控制，保证轴封供气压力处于正常范围内；待电热油加热器16出口二氧化碳工质温度达到设定值后，关闭低温回热器冷侧出口供轴封气源管路，透平轴封供气转为压缩机出口供轴封气源，轴封供气母管4压力P及温度T的控制方式与机组启动阶段一致；

在超临界二氧化碳循环发电机组发生热态跳机或甩负荷等事故工况下，若压缩机联锁停运，透平轴封通过低温回热器冷侧出口供气，气源则来自系统管道内存量工质；同时联锁开启电热油加热器16，并联锁投入高压储罐9内存量工质供轴封使用；联锁关闭高压储罐9至减温器15管路；轴封供气母管4压力P主要通过调节阀7来调整，调节阀19辅助控制，保证轴封供气压力处于正常范围内；待电热油加热器16出口二氧化碳工质温度达到设定值后，关闭低温回热器冷侧出口供轴封气源管路，透平轴封供气转为高压储罐9内存量工质提供，轴封供气母管4压力P及温度T的控制方式与机组启动阶段一致。

本发明的有益效果：

本发明中，超临界二氧化碳透平轴封供气来自压缩机出口和低温回热器冷侧出口；其中，压缩机出口供轴封气源管路设置高压储罐，高压储罐出口分为两路，一路为轴封供气，另一路用于低温回热器轴封供气的减温调节；机组可以通过合理灵活的切换轴封供气气源，满足启动、并网发电、热态跳机、甩负荷等不同工况下的轴封供气需求。

进一步，在机组高负荷阶段，透平轴封供气采用低温回热器冷侧出口气源，可以不用投入电热油加热器，降低厂用电率，提高机组发电效率。

进一步，压缩机出口供轴封气源管路设置高压储罐，可以在机组热态跳机及甩负荷等事故工况下，系统失去轴封气源时，提供透平轴封供气，保护超临界二氧化碳透平设备安全。

进一步，轴封供气母管设置安全阀可以防止因轴封供气压力过高而损坏轴封件、甚至透平本体。

本发明中，超临界二氧化碳透平轴封漏气在轴封漏气冷却器中冷却降温后，由轴封漏气输送泵送入稳压罐，实现工质回收。本发明能够实现超临界二氧化碳透平的安全高效运行。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

其中，1为超临界二氧化碳透平，2为透平前轴封供气支管，3为透平后轴封供气支管，4为轴封供气母管，5、10、17、26为逆止阀，6为低温回热器冷侧出口供轴封气源电动阀，7为低温回热器冷侧出口供轴封气源调节阀，8为低温回热器冷侧出口供轴封气源旁路电动阀，9为高压储罐，11、13、14、24、27为手动阀，12为轴封供气减温气调节阀，15为轴封供气减温器，16电热油加热器，18为压缩机出口供轴封气源电动阀，19为压缩机出口供轴封气源调节阀，20为压缩机出口供轴封气源旁路电动阀，21为轴封供气母管安全阀，22为轴封漏气管道，23为轴封漏气冷却器，25为输送泵，28为稳压罐。

轴封供气母管4上装设有测量轴封供气母管压力的测点P，轴封供气减温器15后装设有测量轴封供气母管温度的测点T。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统，包括超临界二氧化碳透平1及前、后轴封供气支管2和3，轴封供气母管4，压缩机出口供轴封气源，低温回热器冷侧出口供轴封气源；其中，轴封供气母管4一端分别连接超临界二氧化碳透平1的前轴封供气支管2及后轴封供气支管3，轴封供气母管4另一端分别连接压缩机出口供轴封气源和低温回热器冷侧出口供轴封气源；

进一步，所述的轴封供气母管4上安装有轴封供气减温器15，轴封供气减温器15位于压缩机出口供轴封气源上游与低温回热器冷侧出口供轴封气源下游之间。

进一步，所述的压缩机出口供轴封气源管路主要包括高压储罐9、电热油加热器16、调节阀19及调节阀12；其中，压缩机出口连接高压储罐9入口，高压储罐9出口分为两路，一路依次经过电热油加热器16、逆止阀三17、电动阀18、调节阀19连接至轴封供气母管4，逆止阀三17出口经过旁路电动阀20连接至轴封供气母管4；另一路依次经过逆止阀二10、手动阀一11、调节阀12、手动阀二13连接至轴封供气减温器15，逆止阀二10出口经过旁路手动阀三14连接至轴封供气减温器15。

进一步，所述的低温回热器冷侧出口供轴封气源管路为低温回热器冷侧出口经过逆止阀一5、电动阀6、调节阀7连接至轴封供气母管4，逆止阀一5出口经过旁路电动阀8连接至轴封供气母管4。

进一步，所述的轴封供气母管4上安装有温度压力测点，温度压力测点位于透平前、后轴封供气支管2和3上游。

进一步，所述的轴封供气母管4上还装有安全阀21，安全阀21位于透平前、后轴封供气支管2和3上游与温度压力测点下游之间。

本发明提供的一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统，还包括轴封漏气管道22、轴封漏气冷却器23、轴封漏气输送泵25及稳压罐28；其中，轴封漏气冷却器23热侧入口经过轴封漏气管道22连接至超临界二氧化碳透平1前后轴封处，轴封漏气冷却器23热侧出口则经过手动阀四24连接至轴封漏气输送泵25入口，轴封漏气输送泵25出口经过逆止阀四26、手动阀五27连接至稳压罐28；轴封漏气冷却器23冷侧工质为循环冷却水。

本发明中，超临界二氧化碳透平及前后轴封的工作介质采用超临界的二氧化碳。

本发明提供的一种超临界二氧化碳透平轴封供气与漏气回收系统运行方法包括以下步骤：在超临界二氧化碳循环发电机组启动阶段，透平轴封供气来自压缩机出口，压缩机出口的部分高压二氧化碳工质进入高压罐9中，并将高压罐9充压至设定压力；开启电热油加热器16，轴封供气温度T通过设定电热油加热器16出口二氧化碳工质温度来调整，轴封供气压力P则通过调节阀19来调整，保证轴封供气的温度T和压力P处于设定范围内；此阶段，高压罐9至轴封供气减温器15的管路关闭，低温回热器冷侧出口供轴封气源管路关闭；超临界二氧化碳透平1前后轴封处的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后轴封漏气被输送泵25输送至稳压罐28，返回工质主循环。

在超临界二氧化碳循环发电机组负荷处于10％～25％额定负荷阶段，随着低温回热器冷侧出口二氧化碳工质温度逐渐升高，接近轴封供气温度要求，透平轴封供气开始采用低温回热器冷侧出口供轴封气源，同时保留压缩机出口供气；轴封供气压力P主要通过调节阀7来调整，调节阀19辅助控制，轴封供气温度T可以通过设定电热油加热器16出口二氧化碳工质温度来适当调节，保证轴封供气压力和温度处于设定范围内；此阶段，高压储罐9至轴封供气减温器15管路关闭；超临界二氧化碳透平1前后轴封处的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后轴封漏气被输送泵25输送至稳压罐28，返回工质主循环。

在超临界二氧化碳循环发电机组负荷高于25％额定负荷阶段，随着低温回热器冷侧出口二氧化碳工质温度进一步升高，满足轴封供气温度要求，透平轴封供气完全来自低温回热器冷侧出口，压缩机出口供轴封气源管路关闭，电热油加热器16停运，开启高压罐9至轴封供气减温器15管路，轴封供气温度T通过调节阀12调节进入减温器15的低温二氧化碳流量来控制，轴封供气压力P通过调节阀7来调整，保证轴封供气温度和压力处于设置范围内；超临界二氧化碳透平1前后轴封处的少量漏气经过轴封漏气管道22进入轴封漏气冷却器23中放热降温，然后轴封漏气被输送泵25输送至稳压罐28，返回工质主循环。

在超临界二氧化碳循环发电机组热态跳机或甩负荷等事故工况下，若压缩机未联锁停运，透平轴封供气继续采用低温回热器冷侧出口供轴封气源，同时联锁开启电热油加热器16，并投入压缩机出口供轴封气源；关闭高压储罐9至减温器15管路；轴封供气压力P主要通过调节阀7调整，调节阀19辅助控制，保证轴封供气压力处于正常范围内；在电热油加热器16出口二氧化碳工质温度未达到设定值前，轴封供气温度T会小幅下降；待电热油加热器16出口二氧化碳工质温度达到设定值后，关闭低温回热器冷侧出口供轴封气源管路，透平轴封供气转为压缩机出口供轴封气源，轴封供气温度及压力的控制方式与机组启动阶段一致，漏气回收方式也一致。

在超临界二氧化碳循环发电机组热态跳机或甩负荷等事故工况下，若压缩机联锁停运，透平轴封通过低温回热器冷侧出口供气，气源则来自系统管道内存量工质；同时联锁开启电热油加热器16，并投入高压储罐内存量工质供轴封使用；关闭高压储罐9至减温器15管路；轴封供气压力P主要通过调节阀7来调整，调节阀19辅助控制，保证轴封供气压力处于正常范围内；在电热油加热器16出口二氧化碳工质温度未达到设定值前，轴封供气母管4温度T会小幅下降；待电热油加热器16出口二氧化碳工质温度达到设定值后，关闭低温回热器冷侧出口供轴封气源管路，透平轴封供气转为高压储罐内存量工质提供，轴封供气压力及温度的控制方式与机组启动阶段一致，漏气回收方式也一致。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。