CN114320603B - 超临界流体与燃气轮机联合循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界流体与燃气轮机联合循环系统，包括燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统，燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统相互独立，所述燃气轮机子系统包括第一压气机、燃烧室、第一涡轮和第一发电机，所述超临界流体循环子系统包括转子系统、第一换热器和第二换热器。本发明可利用燃气轮机子系统的尾气余热给超临界流体加热，用以提高其膨胀做功效能，进而实现燃气轮机与超临界流体联合循环，提升燃气轮机系统热效率。从涡轮排出的高温超临界流体，通过导流罩引流至第二换热器换热，从而给超临界流体在进入压气机前降温，提高压气机的压气效果，提升系统整体的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界流体与燃气轮机联合循环系统，属于超临界流体技术领域。
背景技术
超临界流体(例如超临界二氧化碳SCCO2)具有特殊的理化特性，适用于多种技术领域，例如，可作为制备微米或纳米级粒子的干洗溶剂；另外，基于超临界流体非常高的热效率(约45％)，还可用于蒸汽轮机联合循环，或用于封闭式燃气轮机(例如布雷顿能量循环)，这种高效率不仅可以将每个发电单元的燃料利用率提高至40％或更高，而且相较于常规的兰金蒸汽循环，还可以将发电厂的成本降低约18％。
现有技术中已有文献披露了燃气轮机联合超临界流体循环的方案，例如：US9540999B2公开了一种超临界流体的双循环发电系统的方案，具体地，系统中包括两个循环系统，其中第一个循环系统属于基于燃气轮机的循环系统，第二个循环系统属于基于超临界流体的循环系统，两个系统通过换热器实现热交换，然后利用第二循环系统中的超临界流体作为工质推动涡轮旋转，进而带动同轴设置的发电机发电。但是现有技术的联合循环方案中，没有对燃气轮机的尾气进行利用和处理，而是直接排放到大气环境中，造成热量浪费。因此，如何在超临界流体与燃气轮机联合循环的方案中减少或避免燃机尾气热量浪费成为当前亟需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种超临界流体与燃气轮机联合循环系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超临界流体与燃气轮机联合循环系统，包括燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统，燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统相互独立，所述燃气轮机子系统包括第一压气机、燃烧室、第一涡轮和第一发电机，所述超临界流体循环子系统包括转子系统、第一换热器和第二换热器；其中，
所述燃气轮机子系统中的第一压气机、第一涡轮和第一发电机同轴设置，第一压气机的排气端与燃烧室的进气端连通，燃烧室的出气端与第一涡轮的进气端连通，第一涡轮的出气端与第一换热器的第一通路的进口端连通(换热器具有两个通路，第一通路与第二通路中的流体可以换热，例如通过翅片换热，此为公知常识，不再赘述)；
所述超临界流体循环子系统中的转子系统包括同轴设置的第二压气机、第二涡轮和第二发电机，第二压气机的出口端与第一换热器的第二通路的进口端连通，第一换热器的第二通路的出口端与第二涡轮的进口端连通，第二涡轮的出口端与第二换热器的进口端连通。
进一步地，所述超临界流体循环子系统还包括超临界流体存储罐，用于初始阶段或需要增压时，提供超临界流体，超临界流体存储罐的出口端与第二压气机的进口端连通。
进一步地，所述超临界流体存储罐的出口端设置有电磁阀，以控制超临界流体存储罐的开闭。
进一步地，所述超临界流体循环子系统设置在密封箱体内，该密封箱体内充有超临界流体并具有7～10Mpa的压力；所述第二换热器的第二通路的出口端与第二压气机的进口端连通，或第二换热器的出口端直接与密封箱体内部连通(循环管路的超临界流体可直接排入到密封箱体内)；第二压气机的进口端同时也直接与密封箱体内部连通(即进入第二压气机的超临界流体，一部分来自于循环管路，一部分来自于密封箱体内部)。
进一步地，所述密封箱体内设置有增压泵，增压泵与超临界流体存储罐连通(可以位于超临界流体存储罐的出口处)，在需要的情况下，可利用增压泵，以超临界流体存储罐作为超临界流体源，向超临界流体循环流道管路提供增压超临界流体；或：增压泵与密封箱体外部管路可控联通，用于在需要时，从密封箱体外部环境补充气体，向密封箱体内部环境增压。
进一步地，所述超临界流体循环子系统的第二涡轮的出口端设有导流罩(目的是：保护发电机不被高温超临界流体吹到，避免被腐蚀或引起其他问题)，用于将第二涡轮的出口端排出的工质导流至第二换热器。
进一步地，所述超临界流体循环子系统的转子系统可设置为发电机对拖结构，以提高发电效率(超临界流体循环驱动的转子系统转速可高达10w～20w RPM)。
进一步地，所述超临界流体循环子系统的转子系统的第二发电机的数量为两个以上。第二发电机的位置可以在转轴的两端(每一端可以设置两个以上的第二发电机)，也可以在第二压气机和第二涡轮之间，这样设置的目的是：1、如果两端电机数量功率一致，有助于力和负载的平衡；2、电机可以采用市购的常规电机，通过设置多个来达到合适的发电功率，节约成本。
进一步地，所述超临界流体循环子系统还包括流体轴承(其结构类似于空气轴承，但是其支撑气膜为超临界流体)，所述流体轴承的支撑介质为密封箱体内的超临界流体。
进一步地，所述流体轴承为动压流体轴承或动静压一体轴承。当选择动压轴承(即通过旋转自行悬浮)时，能够通过超临界流体来形成膜层，并且超临界流体的密度比空气大且相比液体具有更佳的流动性，因此能够提供更好的膜层刚度，提高转子系统转动稳定性，利于转子转速的提高(超临界流体循环的转子系统的转速要求比燃机转速更高)。
进一步地，所述流体轴承包括至少一个径向轴承和至少一个推力轴承。
进一步地，所述临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴，转轴上依次设有发电机A、第二压气机、第二涡轮和发电机B，即发电机A和发电机B分别设置在转轴的两端或两侧，形成发电机对拖结构。
进一步地，所述径向轴承和/或推力轴承，可以设在转轴的端部、发电机A的外侧、发电机A和第二压气机之间、第二压气机和第二涡轮之间、第二涡轮和发电机B之间和/或发电机B外侧。
优选的，所述临界流体循环子系统的转子系统的结构为以下之一：
①包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、第一推力轴承、发电机A、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、发电机B、第二推力轴承和第三径向轴承；
②包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、发电机A、第一推力轴承、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、第二推力轴承、发电机B和第三径向轴承；
③包括转轴，转轴上依次设有第一推力轴承、第一径向轴承、发电机A、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、发电机B、第三径向轴承和第二推力轴承；
④包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、第一推力轴承、发电机A、第四径向轴承、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、第五径向轴承、发电机B、第二推力轴承和第三径向轴承；
⑤包括转轴，转轴上依次设有第一推力轴承、第一径向轴承、发电机A、第四径向轴承、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、第五径向轴承、发电机B、第三径向轴承和第二推力轴承；
⑥包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、发电机A、第一推力轴承、第四径向轴承、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、第五径向轴承、第二推力轴承、发电机B和第三径向轴承；
⑦包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、发电机A、第四径向轴承、第一推力轴承、第二压气机、第二径向轴承、第二涡轮、第二推力轴承、第五径向轴承、发电机B和第三径向轴承；
⑧包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、发电机A、第二压气机、第一推力轴承、第二径向轴承、第二涡轮、第六径向轴承、发电机B和第三径向轴承；
⑨包括转轴，转轴上依次设有第一径向轴承、发电机A、第四径向轴承、第二压气机、第一推力轴承、第二径向轴承、第二涡轮、第六径向轴承、第五径向轴承、发电机B和第三径向轴承。
进一步地，所述第二换热器为空冷换热器。
进一步地，所述超临界流体循环子系统中涉及的元器件(第一换热器、第二换热器、第二压气机、第二涡轮、导流罩、连通所用的管路等)采用防腐蚀处理(例如防腐涂层、采用防腐材料等)，原因是：超临界流体的理想工作温度区间为500～600℃，超过该温度区间，超临界流体具有强腐蚀性。所述第一压气机与第一换热器，第一换热器与第二涡轮，第二涡轮与第二换热器之间的管路可以采用隔热处理(保温)。
进一步地，所述超临界流体循环子系统的第二压气机的压比设定在2～3倍。
进一步地，所述燃气轮机子系统的第一压气机的压比设定在3～4倍。
所述超临界流体与燃气轮机联合循环系统的控制方法，包括：
燃气轮机子系统中的第一发电机切换至电动机模式工作，拖动第一涡轮转动，直至第一压气机转速到达预设转速，压比达到预设压比(例如3～4倍压比)；然后控制第一发电机切换至发电工作模式；第一涡轮的排气进入第一换热器进行换热；
超临界流体循环子系统中的第二发电机切换至电动机模式，拖动第二涡轮转动，直至第二压气机可以输出预定压比(例如2～3倍压比)的超临界流体；然后控制第二发电机切换至发电工作模式。
本发明的超临界流体与燃气轮机联合循环系统，燃气轮机子系统的工作原理为：以空气为工质，第一压气机从外界大气环境吸入空气并压缩，压缩空气被压送到燃烧室与燃料混合燃烧产生高温高压的气体，高温高压的气体(约900℃)推动第一涡轮旋转做功，进而带动第一发电机工作发电，第一涡轮排出的尾气(约650℃)进入第一换热器进行换热，实现对燃气轮机尾气余热的回收利用。超临界流体循环子系统的工作原理为：以超临界流体(超临界二氧化碳、超临界水等)为工质，第二压气机对超临界流体进行压缩，然后在第一换热器处换热，即利用燃气轮机子系统的尾气预热对压气机压缩的超临界流体加热(第一涡轮排气温度高于超临界流体的温度，故涡轮排气的热量通过换热后会传导至超临界流体)，以提高其膨胀做功效果；换热后的超临界流体(高温高压)推动第二涡轮旋转做功，进而带动第二发电机工作发电，第二涡轮排出的尾气通过第二换热器降温后，再流向第二压气机准备进行压缩，从而形成了超临界流体的循环。在超临界流体循环的初始阶段，类似于燃气轮机的启动，也需要电机拖动，例如在此阶段，可控制第二发电机工作在电动机模式，拖动同轴设置的第二涡轮和第二压气机，直至第二压气机和第二涡轮能建立起自主动力循环，再控制第二发电机切换至发电机工作模式。
本发明的超临界流体与燃气轮机联合循环系统，可利用燃气轮机子系统的尾气余热给超临界流体循环子系统的超临界流体加热，用以提高其膨胀做功效能，进而实现燃气轮机与超临界流体联合循环，提升燃气轮机系统热效率。从第二涡轮排出的高温超临界流体，通过导流罩引流至第二换热器换热，从而给超临界流体在进入第二压气机前降温，提高第二压气机的压气效果，提升系统整体的效率。超临界流体循环子系统中的转子系统可设置为特殊的发电机对拖结构，有利于提升发电效率。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
图1：临界流体与燃气轮机联合循环系统的结构示意图(实施例1)。
图2：临界流体与燃气轮机联合循环系统的结构示意图(实施例1)。
图3：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例3)。
图4：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例3)。
图5：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例4)。
图6：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例5)。
图7：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例6)。
图8：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例7)。
图9：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例8)。
图10：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例9)。
图11：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例10)。
图12：超临界流体循环子系统的转子系统的结构示意图(实施例11)。
注：图4～图12仅示出第二涡轮左侧的结构，第二涡轮右侧的结构未示出，第二涡轮右侧的结构与图中示出的第二压气机左侧的结构为对称结构。
其中，1、燃气轮机子系统；2、超临界流体循环子系统；3、第一压气机；4、燃烧室；5、第一涡轮；6、第一发电机；7、第一换热器；8、第二换热器；9、第二发电机；10、密封箱体；11、导流罩；100、转轴；200、涡轮；300、压气机；400、发电机A；401、发电机B；500、第一径向轴承；600、第二径向轴承；700、第一推力轴承；800、第四径向轴承；801、第六径向轴承；900、第二推力轴承；1000、第三径向轴承。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
实施例1超临界流体与燃气轮机联合循环系统
包括燃气轮机子系统1和超临界流体循环子系统2，燃气轮机子系统1和超临界流体循环子系统2相互独立；所述燃气轮机子系统1包括第一压气机3、燃烧室4、第一涡轮5和第一发电机6，所述超临界流体循环子系统2包括转子系统、第一换热器7和第二换热器8；其中，
所述燃气轮机子系统1中的第一压气机3、第一涡轮5和第一发电机6同轴设置，第一压气机3的排气端与燃烧室4的进气端连通，燃烧室4的出气端与第一涡轮5的进气端连通，第一涡轮5的出气端与第一换热器7的第一通路的进口端连通；
所述超临界流体循环子系统2中的转子系统包括同轴设置的第二压气机300、第二涡轮200和第二发电机9，第二压气机300的出口端与第一换热器7的第二通路的进口端连通，第一换热器7的第二通路的出口端与第二涡轮200的进口端连通，第二涡轮200的出口端与第二换热器8的进口端连通。
所述超临界流体循环子系统2还可以包括超临界流体存储罐，用于初始阶段或需要增压时，提供超临界流体，超临界流体存储罐的出口端与第二压气机300的进口端连通。
所述超临界流体存储罐的出口端可以设置有电磁阀，以控制超临界流体存储罐的开闭。
所述超临界流体循环子系统2设置在密封箱体10内，该密封箱体10内充有超临界流体并具有7～10Mpa的压力；所述第二换热器8的第二通路的出口端与第二压气机300的进口端连通(如图1所示)，或第二换热器8的出口端直接与密封箱体10内部连通(如图2所示)(循环管路的超临界流体可直接排入到密封箱体10内)；第二压气机300的进口端同时也直接与密封箱体10内部连通(即进入第二压气机300的超临界流体，一部分来自于循环管路，一部分来自于密封箱体10内部)。
所述密封箱体10内还可以设置有增压泵，增压泵与超临界流体存储罐连通(可以位于超临界流体存储罐的出口处)，在需要的情况下，可利用增压泵，以超临界流体存储罐作为超临界流体源，向超临界流体循环流道管路提供增压超临界流体；或：增压泵与密封箱体外部管路可控联通，用于在需要时，从密封箱体外部环境补充气体，向密封箱体内部环境增压。
所述超临界流体循环子系统2的第二涡轮200的出口端设有导流罩11(目的是：保护发电机不被高温超临界流体吹到，避免被腐蚀或引起其他问题)，用于将第二涡轮200的出口端排出的工质导流至第二换热器8。
所述超临界流体循环子系统2的转子系统可设置为发电机对拖结构，以提高发电效率(超临界流体循环驱动的转子系统转速可高达10w～20w RPM)。
所述超临界流体循环子系统2还包括流体轴承，所述流体轴承的支撑介质为密封箱体内的超临界流体。所述流体轴承为动压流体轴承或动静压一体轴承。当选择动压轴承(即通过旋转自行悬浮)(动压轴承的结构，可参考CN 211343734 U、CN 211343700 U)时，能够通过超临界流体来形成膜层，并且超临界流体的密度比空气大且相比液体具有更佳的流动性，因此能够提供更好的膜层刚度，提高转子系统转动稳定性，利于转子转速的提高(超临界流体循环的转子系统的转速要求比燃机转速更高)。
所述流体轴承包括至少一个径向轴承和至少一个推力轴承。
所述第二换热器8可以为空冷换热器。
所述超临界流体循环子系统2中涉及的元器件(第一换热器7、第二换热器8、第二压气机300、第二涡轮200、导流罩11、连通所用的管路等)，可采用防腐蚀处理(例如防腐涂层、采用防腐材料等)，原因是：超临界流体的理想工作温度区间为500～600℃，超过该温度区间，超临界流体具有强腐蚀性。所述第一压气机3与第一换热器7，第一换热器7与第二涡轮200，第二涡轮200与第二换热器8之间的管路可以采用隔热处理(保温)。
所述超临界流体循环子系统2的第二压气机300的压比可以设定在2～3倍。
所述燃气轮机子系统1的第一压气机3的压比可以设定在3～4倍。
实施例2超临界流体与燃气轮机联合循环系统的控制方法
包括：
燃气轮机子系统中的第一发电机切换至电动机模式工作，拖动第一涡轮转动，直至第一压气机转速到达预设转速，压比达到预设压比(例如3～4倍压比)；然后控制第一发电机切换至发电工作模式；第一涡轮的排气进入第一换热器进行换热；
超临界流体循环子系统中的第二发电机切换至电动机模式，拖动第二涡轮转动，直至第二压气机可以输出预定压比(例如2～3倍压比)的超临界流体；然后控制第二发电机切换至发电工作模式。
实施例3超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、第一推力轴承700、发电机A 400、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、发电机B、第二推力轴承和第三径向轴承，如图3、4所示。
实施例4超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、发电机A 400、第一推力轴承700、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、第二推力轴承、发电机B和第三径向轴承，如图5所示。
实施例5超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一推力轴承700、第一径向轴承500、发电机A 400、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、发电机B、第三径向轴承和第二推力轴承，如图6所示。
实施例6超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、第一推力轴承700、发电机A 400、第四径向轴承800、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、第五径向轴承、发电机B、第二推力轴承和第三径向轴承，如图7所示。
实施例7超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一推力轴承700、第一径向轴承500、发电机A 400、第四径向轴承800、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、第五径向轴承、发电机B、第三径向轴承和第二推力轴承，如图8所示。
实施例8超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、发电机A 400、第一推力轴承700、第四径向轴承800、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、第五径向轴承、第二推力轴承、发电机B和第三径向轴承，如图9所示。
实施例9超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、发电机A 400、第四径向轴承800、第一推力轴承700、第二压气机300、第二径向轴承600、第二涡轮200、第二推力轴承、第五径向轴承、发电机B和第三径向轴承，如图10所示。
实施例10超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、发电机A 400、第二压气机300、第一推力轴承700、第二径向轴承600、第二涡轮200、第六径向轴承801、发电机B和第三径向轴承，如图11所示。
实施例11超临界流体与燃气轮机联合循环系统
结构同实施例1，超临界流体循环子系统的转子系统的结构为：包括转轴100，转轴100上依次设有第一径向轴承500、发电机A 400、第四径向轴承800、第二压气机300、第一推力轴承700、第二径向轴承600、第二涡轮200、第六径向轴承801、第五径向轴承、发电机B和第三径向轴承，如图12所示。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (4)
1.一种超临界流体与燃气轮机联合循环系统，其特征在于：包括燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统，燃气轮机子系统和超临界流体循环子系统相互独立，所述燃气轮机子系统包括第一压气机、燃烧室、第一涡轮和第一发电机，所述超临界流体循环子系统包括转子系统、第一换热器和第二换热器；其中，
所述燃气轮机子系统中的第一压气机、第一涡轮和第一发电机同轴设置，第一压气机的排气端与燃烧室的进气端连通，燃烧室的出气端与第一涡轮的进气端连通，第一涡轮的出气端与第一换热器的第一通路的进口端连通；
所述超临界流体循环子系统中的转子系统包括同轴设置的第二压气机、第二涡轮和第二发电机，第二压气机的出口端与第一换热器的第二通路的进口端连通，第一换热器的第二通路的出口端与第二涡轮的进口端连通，第二涡轮的出口端与第二换热器的进口端连通；
所述超临界流体循环子系统还包括超临界流体存储罐，超临界流体存储罐的出口端与第二压气机的进口端连通；
所述超临界流体循环子系统设置在密封箱体内，该密封箱体内充有超临界流体并具有7～10Mpa的压力；所述第二换热器的第二通路的出口端与第二压气机的进口端连通，或第二换热器的出口端直接与密封箱体内部连通；
所述超临界流体循环子系统还包括流体轴承，所述流体轴承为动压流体轴承，所述流体轴承的支撑介质为密封箱体内的超临界流体；
所述密封箱体内设置有增压泵，增压泵与超临界流体存储罐连通；或：增压泵与密封箱体外部管路可控联通；
所述超临界流体循环子系统的第二涡轮的出口端设有导流罩。
2.根据权利要求1所述的超临界流体与燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述超临界流体循环子系统的转子系统的第二发电机的数量为两个以上。
3.根据权利要求1所述的超临界流体与燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述流体轴承包括至少一个径向轴承和至少一个推力轴承。
4.权利要求1～3中任一项所述的超临界流体与燃气轮机联合循环系统的控制方法，其特征在于：包括：
燃气轮机子系统中的第一发电机切换至电动机模式工作，拖动第一涡轮转动，直至第一压气机转速到达预设转速，压比达到预设压比；然后控制第一发电机切换至发电工作模式；第一涡轮的排气进入第一换热器进行换热；
超临界流体循环子系统中的第二发电机切换至电动机模式，拖动第二涡轮转动，直至第二压气机可以输出预定压比的超临界流体；然后控制第二发电机切换至发电工作模式。
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