一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，主要由壓氣機、高速啟動電機、驅動透平三大部分組成，壓氣機、高速啟動電機、驅動透平通過同一個軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓和低壓邊界構成的壓力外殼內。壓氣機部分主要由壓氣機高壓外殼、壓氣機葉輪、壓氣機側干氣密封等部件構成。高速啟動電機部分主要由壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承、低壓外殼、抽吸泵等部件構成。驅動透平部分主要由透平高壓外殼、驅動透平葉輪、齒密封、透平側干氣密封、注氣管等部件構成。本發明提出的壓氣機系統具有體積小，對外零泄漏，效率高等特點，可作為超臨界二氧化碳發電技術的壓氣機設備。
【專利說明】
一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種葉輪機械與動力設備，具體涉及一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統。【背景技術】
[0002]當前的熱能發電技術一般采用蒸汽為工質，采用朗肯循環原理，主要包括給水栗、 鍋爐、汽輪機、冷凝器等系統或設備。蒸汽發電技術由于必須利用水的相變過程，具有效率偏低、體積龐大、投資成本高等不足之處。利用超臨界二氧化碳作為工質的布雷頓循環發電技術是替代蒸汽發電技術，實現能量轉換高效、低成本的重要方向。超臨界二氧化碳發電系統主要包括壓氣機、熱源設備或熱交換器、透平膨脹機、冷卻器等設備。其中壓氣機的主要功能是為系統內工質的循環流動、吸熱和做功提供驅動力，是系統的核心設備之一。
[0003]該系統中的壓氣機一般運行在二氧化碳工質的臨界點參數之上，具有進出口壓力高、工質物性變化劇烈的特點，且對系統體積、密封具有較高要求。傳統壓氣機的入口壓力一般為常壓、工質物性基本恒定，與該系統中壓氣機的技術特點相差較大。為了滿足超臨界二氧化碳發電系統的技術要求，本申請提出一種結構緊湊、零泄漏、高效率的壓氣機系統。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是開發一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，實現結構緊湊、零泄漏、高效率的目標，滿足超臨界二氧化碳發電技術的需求。
[0005]本申請提供的以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，主要由壓氣機、高速啟動電機、驅動透平三大部分組成。其工作原理為:壓氣機在運行時提供動力將工質壓縮至較高壓力，驅動透平用作壓氣機正常或部分負荷運行時的原動機，高速啟動電機作為壓氣機啟動階段的原動機。壓氣機、高速啟動電機、驅動透平通過同一個主軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼和低壓外殼構成的壓力外殼內。
[0006]具體技術方案如下:本申請提供的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，包括壓氣機、高速啟動電機、驅動透平三部分;壓氣機在運行時提供動力將工質壓縮至較高壓力，驅動透平用作壓氣機正常或部分負荷運行時的原動機，高速啟動電機作為壓氣機啟動階段的原動機;壓氣機、 高速啟動電機、驅動透平通過同一個主軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼和低壓外殼構成的壓力外殼內；所述壓氣機部分由壓氣機高壓外殼、壓氣機葉輪、壓氣機側干氣密封部件構成；所述高速啟動電機部分由壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承、 低壓外殼、抽吸栗部件構成；所述驅動透平部分由透平高壓外殼、驅動透平葉輪、齒密封、透平側干氣密封、注氣管部件構成；沿壓氣機葉輪至驅動透平葉輪的主軸方向從左至右依次布置:壓氣機葉輪、壓氣機側干氣密封、壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承、透平側干氣密封、齒密封、驅動透平葉輪;所述壓氣機葉輪布置于壓氣機高壓外殼內，驅動透平葉輪布置于透平高壓外殼內，壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承布置于低壓外殼內； 所述壓氣機部分與高速啟動電機部分通過壓氣機側干氣密封相連通;所述高速啟動電機部分與驅動透平部分通過齒密封和透平側干氣密封相連通；所述壓氣機高壓外殼、低壓外殼及透平高壓外殼構成壓力外殼;所述壓氣機系統密封于壓力外殼內，確保工質不向環境泄漏。
[0007]本申請中，所述注氣管線將高壓低溫的二氧化碳氣體注入齒密封與透平側干氣密封之間的腔室;所述抽吸栗從高速啟動電機的腔室內抽取工質至壓氣機系統外。
[0008]優選地，本申請中，所述壓氣機側徑向軸承、軸向軸承和透平側徑向軸承可以為磁力軸承或油潤滑軸承或氣箱軸承種的任意一種。
[0009]進一步地，當所述壓氣機側徑向軸承、軸向軸承或透平側徑向軸承為油潤滑軸承時，壓氣機系統還包括與油潤滑軸承相連的供油系統。
[0010]本申請中，根據系統功率等級的不同，所述壓氣機和驅動透平可以為徑流式，也可以為軸流式。
[0011]本申請中，根據應用對象的要求高低，壓氣機側干氣密封、透平側干氣密封可以替換為齒密封或其他密封形式;優選地，所述壓氣機側由干氣密封結構密封;所述透平側由齒密封與干氣密封相結合，形成一個組合式密封系統。
[0012]優選地，本申請所述壓氣機系統還包括與注氣管相連的氣源:設置在壓氣機系統所在的循環系統的高壓低溫點或壓氣機系統外的高壓二氧化碳存儲罐。
[0013]優選地，本申請中所述高壓低溫為壓力大于7MPa，溫度小于100°C。
[0014]優選地，本申請所述壓氣機系統還包括與抽吸栗連接的設置在壓氣機系統所在的循環系統冷卻器或壓氣機系統外的壓力容器或大氣。當所述抽吸栗與壓力容器或大氣連接時，壓氣機系統還包括補氣系統，所述補氣系統實時向系統注氣，確保系統內工質質量處于平衡狀態。本申請中，抽吸栗抽取高速發電機腔室內的工質至壓氣機系統外時，根據應用對象需要既可抽吸至其所在的循環系統的冷卻器的入口位置，也可抽吸至額外設置的壓力容器或大氣。因此，所述壓氣機系統還包括與抽吸栗連接的循環系統冷卻器或壓力容器或大氣。當抽吸栗抽吸至循環系統冷卻器的入口位置時，系統內工質質量處于平衡狀態，無需額外的補氣系統。抽吸至額外設置的壓力容器或大氣時，需要額外的補氣系統實時向系統注氣，確保壓氣機系統內工質質量處于平衡狀態。即所述抽吸栗與壓力容器或大氣連接時，壓氣機系統還包括補氣系統，所述補氣系統實時向系統注氣，確保壓氣機系統內工質質量處于平衡狀態。
[0015]有益效果:本申請提出的以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，采用同軸的一體化密閉結構設計，設計了注氣和抽氣系統，可以最大程度的縮小壓氣機系統的體積，實現對外的零泄漏，達到較高的效率，為超臨界二氧化碳發電技術提供可行的壓氣機設備。【附圖說明】
[0016]圖1為以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統的結構示意圖。
[0017]圖中:1-壓氣機高壓外殼，2-壓氣機葉輪，3-壓氣機側干氣密封，4-壓氣機側徑向軸承，5-高速電機，6-軸向軸承，7-透平側徑向軸承，8-透平側干氣密封，9-齒密封，10-驅動透平葉輪，11-透平高壓外殼，12-抽吸栗，13-低壓外殼，14-注氣管，15-主軸。【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖和實施例，對本發明的技術方案進行清晰、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0019]本發明提供一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，主要由壓氣機、高速啟動電機、驅動透平三大部分組成。其工作原理為:壓氣機在運行時提供動力將工質壓縮至較高壓力，驅動透平用作壓氣機正常或部分負荷運行時的原動機，高速啟動電機作為壓氣機啟動階段的原動機。壓氣機、高速啟動電機、驅動透平通過同一個主軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼和低壓外殼構成的壓力外殼內。
[0020]具體來講，如圖1所示，為以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統的結構示意圖， 其包括壓氣機、高速啟動電機、驅動透平三部分;壓氣機、高速啟動電機、驅動透平通過同一個主軸15相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼和低壓外殼構成的壓力外殼內；所述壓氣機部分由壓氣機高壓外殼1、壓氣機葉輪2、壓氣機側干氣密封3部件構成；所述高速啟動電機部分由壓氣機側徑向軸承4、高速電機5、軸向軸承6、透平側徑向軸承7、低壓外殼13、抽吸栗12部件構成；所述驅動透平部分由透平高壓外殼11、驅動透平葉輪10、齒密封9、透平側干氣密封8、 注氣官14部件構成；所述壓氣機部分與高速啟動電機部分通過壓氣機側干氣密封3相連通;所述高速啟動電機部分與驅動透平部分通過齒密封9和透平側干氣密封8相連通；即壓氣機葉輪2、高速電機5、驅動透平葉輪10通過同一個主軸承相連接。壓氣機高壓外殼1與低壓外殼13通過壓氣機側干氣密封3相連通，低壓外殼13與透平高壓外殼11通過齒密封9和透平側干氣密封8相連通；所述壓氣機高壓外殼1、低壓外殼13及透平高壓外殼11構成壓力外殼;所述壓氣機系統密封于壓力外殼內，確保工質不向環境泄漏。
[0021]從圖中可以看出，沿壓氣機葉輪2至驅動透平葉輪10的主軸方向從左至右，壓氣機葉輪2布置于壓氣機高壓外殼1內，緊貼壓氣機葉輪2布置壓氣機側干氣密封3,壓氣機側干氣密封3右側依次布置壓氣機側徑向軸承4、高速電機5、軸向軸承6、透平側徑向軸承7,壓氣機側徑向軸承4、高速電機5、軸向軸承6和透平側徑向軸承7置于低壓外殼13內，透平側徑向軸承7右側依次布置透平側干氣密封8、齒密封9、驅動透平葉輪10,驅動透平葉輪10布置于透平高壓外殼11內。抽吸栗12從低壓外殼13內抽取工質至壓氣機系統外部，保證低壓外殼 13內處于較低壓力狀態，降低風阻損失，確保結構完整性。注氣管14將高壓低溫的二氧化碳氣體注入齒密封9與透平側干氣密封8之間的腔室，保證透平高壓外殼11內的高溫二氧化碳不泄漏至該腔室，確保軸承工作在正常溫度范圍內。
[0022]在實際應用中，所述壓氣機葉輪2和驅動透平葉輪10既可以采用徑流式，也可采用軸流式。
[0023]在實際應用中，優選地，所述壓氣機側徑向軸承4、軸向軸承6、透平側徑向軸承7為磁力軸承;根據應用對象的不同需求，壓氣機側徑向軸承4、軸向軸承6或透平側徑向軸承7 還可以采用油潤滑軸承或氣箱軸承，其中油潤滑軸承需要額外添加一套供油系統。
[0024]在實際應用中，根據應用對象的不同需求，壓氣機側干氣密封3、透平側干氣密封8 還可以采用齒密封或其他密封形式;優選地，所述壓氣機側由干氣密封結構密封;所述透平側由齒密封與干氣密封相結合，形成一個組合式密封系統。
[0025]在實際應用中，抽吸栗12將低壓外殼13內的工質抽至外部時，根據應用對象需要既可抽吸至循環系統冷卻器的入口位置，也可抽吸至額外設置的壓力容器或大氣。抽吸至循環系統冷卻器的入口位置時，系統內工質質量處于平衡狀態，無需額外的補氣系統。抽吸至額外設置的壓力容器或大氣時，需要額外的補氣系統實時向系統注氣，確保系統內工質質量處于平衡狀態。
[0026]在實際應用中，注氣管14的氣源既可以從壓氣機系統所在的循環系統的高壓低溫點獲取，也可以從額外設置的高壓二氧化碳存儲罐里獲取。[〇〇27] 優選地，本申請中所述高壓低溫為壓力高于7MPa，溫度低于100°C。
[0028]本發明提出的以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，采用同軸的一體化密閉結構設計，設計了注氣和抽氣系統，可以最大程度的縮小壓氣機系統的體積，實現對外的零泄漏，達到較高的效率，為超臨界二氧化碳發電技術提供可行的壓氣機設備。
【主權項】
1.一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，包括壓氣機、高速啟動電 機、驅動透平三部分;壓氣機在運行時提供動力將工質壓縮至高壓，驅動透平用作壓氣機正 常或部分負荷運行時的原動機，高速啟動電機作為壓氣機啟動階段的原動機;壓氣機、高速 啟動電機、驅動透平通過同一個主軸相連接，運行時具有相同的轉速，并密封于由高壓外殼 和低壓外殼構成的壓力外殼內；所述壓氣機部分由壓氣機高壓外殼、壓氣機葉輪、壓氣機側干氣密封構成；所述高速啟動電機部分由壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承、 低壓外殼、抽吸栗構成；所述驅動透平部分由透平高壓外殼、驅動透平葉輪、齒密封、透平側干氣密封、注氣管 構成；沿壓氣機葉輪至驅動透平葉輪的主軸方向從左至右依次布置:壓氣機葉輪、壓氣機側 干氣密封、壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承、透平側干氣密封、齒 密封、驅動透平葉輪;所述壓氣機葉輪布置于壓氣機高壓外殼內，驅動透平葉輪布置于透平 高壓外殼內，壓氣機側徑向軸承、高速電機、軸向軸承、透平側徑向軸承布置于低壓外殼內；所述壓氣機部分與高速啟動電機部分通過壓氣機側干氣密封相連通;所述高速啟動電 機部分與驅動透平部分通過齒密封和透平側干氣密封相連通；所述壓氣機高壓外殼、低壓外殼及透平高壓外殼構成整個壓氣機系統的壓力外殼。2.根據權利要求1所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述注氣管將高壓低溫的二氧化碳氣體注入齒密封與透平側干氣密封之間的腔室。3.根據權利要求1所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述抽吸栗從高速啟動電機的腔室內抽取工質至壓氣機系統外。4.根據權利要求1所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述壓氣機側徑向軸承、軸向軸承和透平側徑向軸承為磁力軸承、油潤滑軸承或氣箱軸承中 的任意一種。5.根據權利要求4所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述壓氣機側徑向軸承、軸向軸承或透平側徑向軸承為油潤滑軸承時，壓氣機系統還包括與 油潤滑軸承相連的供油系統。6.根據權利要求1所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述壓氣機側由干氣密封結構密封;所述透平側由齒密封與干氣密封相結合，形成一個組合 式密封系統。7.根據權利要1所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所述 壓氣機系統還包括與注氣管線相連的氣源:壓氣機系統所在循環系統的高壓低溫點或壓氣 機系統外的尚壓^■氧化碳存儲罐。8.根據權利要求3所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述壓氣機系統還包括與抽吸栗連接的設置在壓氣機系統所在循環系統的冷卻器或壓氣機 系統外的壓力容器或大氣。9.根據權利要求8所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于，所 述抽吸栗與壓力容器或大氣連接時，壓氣機系統還包括補氣系統，所述補氣系統實時向壓 氣機系統注氣，確保壓氣機系統內工質質量處于平衡狀態。10.根據權利要2或7所述的一種以超臨界二氧化碳為工質的壓氣機系統，其特征在于， 所述高壓低溫為壓力大于7MPa，溫度小于100°C。
【文檔編號】F01D11/00GK106089435SQ201610603250
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610603250.3, CN 106089435 A, CN 106089435A, CN 201610603250, CN-A-106089435, CN106089435 A, CN106089435A, CN201610603250, CN201610603250.3
【發明人】王俊峰, 黃彥平, 昝元峰, 郎雪梅
【申請人】中國核動力研究設計院