一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，主要由压气机、高速启动电机、驱动透平三大部分组成，压气机、高速启动电机、驱动透平通过同一个轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压和低压边界构成的压力外壳内。压气机部分主要由压气机高压外壳、压气机叶轮、压气机侧干气密封等部件构成。高速启动电机部分主要由压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承、低压外壳、抽吸泵等部件构成。驱动透平部分主要由透平高压外壳、驱动透平叶轮、齿密封、透平侧干气密封、注气管等部件构成。本发明提出的压气机系统具有体积小，对外零泄漏，效率高等特点，可作为超临界二氧化碳发电技术的压气机设备。
【专利说明】
一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种叶轮机械与动力设备，具体涉及一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统。【背景技术】
[0002]当前的热能发电技术一般采用蒸汽为工质，采用朗肯循环原理，主要包括给水栗、 锅炉、汽轮机、冷凝器等系统或设备。蒸汽发电技术由于必须利用水的相变过程，具有效率偏低、体积庞大、投资成本高等不足之处。利用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环发电技术是替代蒸汽发电技术，实现能量转换高效、低成本的重要方向。超临界二氧化碳发电系统主要包括压气机、热源设备或热交换器、透平膨胀机、冷却器等设备。其中压气机的主要功能是为系统内工质的循环流动、吸热和做功提供驱动力，是系统的核心设备之一。
[0003]该系统中的压气机一般运行在二氧化碳工质的临界点参数之上，具有进出口压力高、工质物性变化剧烈的特点，且对系统体积、密封具有较高要求。传统压气机的入口压力一般为常压、工质物性基本恒定，与该系统中压气机的技术特点相差较大。为了满足超临界二氧化碳发电系统的技术要求，本申请提出一种结构紧凑、零泄漏、高效率的压气机系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是开发一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，实现结构紧凑、零泄漏、高效率的目标，满足超临界二氧化碳发电技术的需求。
[0005]本申请提供的以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，主要由压气机、高速启动电机、驱动透平三大部分组成。其工作原理为:压气机在运行时提供动力将工质压缩至较高压力，驱动透平用作压气机正常或部分负荷运行时的原动机，高速启动电机作为压气机启动阶段的原动机。压气机、高速启动电机、驱动透平通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内。
[0006]具体技术方案如下:本申请提供的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，包括压气机、高速启动电机、驱动透平三部分;压气机在运行时提供动力将工质压缩至较高压力，驱动透平用作压气机正常或部分负荷运行时的原动机，高速启动电机作为压气机启动阶段的原动机;压气机、 高速启动电机、驱动透平通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内；所述压气机部分由压气机高压外壳、压气机叶轮、压气机侧干气密封部件构成；所述高速启动电机部分由压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承、 低压外壳、抽吸栗部件构成；所述驱动透平部分由透平高压外壳、驱动透平叶轮、齿密封、透平侧干气密封、注气管部件构成；沿压气机叶轮至驱动透平叶轮的主轴方向从左至右依次布置:压气机叶轮、压气机侧干气密封、压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承、透平侧干气密封、齿密封、驱动透平叶轮;所述压气机叶轮布置于压气机高压外壳内，驱动透平叶轮布置于透平高压外壳内，压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承布置于低压外壳内； 所述压气机部分与高速启动电机部分通过压气机侧干气密封相连通;所述高速启动电机部分与驱动透平部分通过齿密封和透平侧干气密封相连通；所述压气机高压外壳、低压外壳及透平高压外壳构成压力外壳;所述压气机系统密封于压力外壳内，确保工质不向环境泄漏。
[0007]本申请中，所述注气管线将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封与透平侧干气密封之间的腔室;所述抽吸栗从高速启动电机的腔室内抽取工质至压气机系统外。
[0008]优选地，本申请中，所述压气机侧径向轴承、轴向轴承和透平侧径向轴承可以为磁力轴承或油润滑轴承或气箱轴承种的任意一种。
[0009]进一步地，当所述压气机侧径向轴承、轴向轴承或透平侧径向轴承为油润滑轴承时，压气机系统还包括与油润滑轴承相连的供油系统。
[0010]本申请中，根据系统功率等级的不同，所述压气机和驱动透平可以为径流式，也可以为轴流式。
[0011]本申请中，根据应用对象的要求高低，压气机侧干气密封、透平侧干气密封可以替换为齿密封或其他密封形式;优选地，所述压气机侧由干气密封结构密封;所述透平侧由齿密封与干气密封相结合，形成一个组合式密封系统。
[0012]优选地，本申请所述压气机系统还包括与注气管相连的气源:设置在压气机系统所在的循环系统的高压低温点或压气机系统外的高压二氧化碳存储罐。
[0013]优选地，本申请中所述高压低温为压力大于7MPa，温度小于100°C。
[0014]优选地，本申请所述压气机系统还包括与抽吸栗连接的设置在压气机系统所在的循环系统冷却器或压气机系统外的压力容器或大气。当所述抽吸栗与压力容器或大气连接时，压气机系统还包括补气系统，所述补气系统实时向系统注气，确保系统内工质质量处于平衡状态。本申请中，抽吸栗抽取高速发电机腔室内的工质至压气机系统外时，根据应用对象需要既可抽吸至其所在的循环系统的冷却器的入口位置，也可抽吸至额外设置的压力容器或大气。因此，所述压气机系统还包括与抽吸栗连接的循环系统冷却器或压力容器或大气。当抽吸栗抽吸至循环系统冷却器的入口位置时，系统内工质质量处于平衡状态，无需额外的补气系统。抽吸至额外设置的压力容器或大气时，需要额外的补气系统实时向系统注气，确保压气机系统内工质质量处于平衡状态。即所述抽吸栗与压力容器或大气连接时，压气机系统还包括补气系统，所述补气系统实时向系统注气，确保压气机系统内工质质量处于平衡状态。
[0015]有益效果:本申请提出的以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，采用同轴的一体化密闭结构设计，设计了注气和抽气系统，可以最大程度的缩小压气机系统的体积，实现对外的零泄漏，达到较高的效率，为超临界二氧化碳发电技术提供可行的压气机设备。【附图说明】
[0016]图1为以超临界二氧化碳为工质的压气机系统的结构示意图。
[0017]图中:1-压气机高压外壳，2-压气机叶轮，3-压气机侧干气密封，4-压气机侧径向轴承，5-高速电机，6-轴向轴承，7-透平侧径向轴承，8-透平侧干气密封，9-齿密封，10-驱动透平叶轮，11-透平高压外壳，12-抽吸栗，13-低压外壳，14-注气管，15-主轴。【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]本发明提供一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，主要由压气机、高速启动电机、驱动透平三大部分组成。其工作原理为:压气机在运行时提供动力将工质压缩至较高压力，驱动透平用作压气机正常或部分负荷运行时的原动机，高速启动电机作为压气机启动阶段的原动机。压气机、高速启动电机、驱动透平通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内。
[0020]具体来讲，如图1所示，为以超临界二氧化碳为工质的压气机系统的结构示意图， 其包括压气机、高速启动电机、驱动透平三部分;压气机、高速启动电机、驱动透平通过同一个主轴15相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳和低压外壳构成的压力外壳内；所述压气机部分由压气机高压外壳1、压气机叶轮2、压气机侧干气密封3部件构成；所述高速启动电机部分由压气机侧径向轴承4、高速电机5、轴向轴承6、透平侧径向轴承7、低压外壳13、抽吸栗12部件构成；所述驱动透平部分由透平高压外壳11、驱动透平叶轮10、齿密封9、透平侧干气密封8、 注气官14部件构成；所述压气机部分与高速启动电机部分通过压气机侧干气密封3相连通;所述高速启动电机部分与驱动透平部分通过齿密封9和透平侧干气密封8相连通；即压气机叶轮2、高速电机5、驱动透平叶轮10通过同一个主轴承相连接。压气机高压外壳1与低压外壳13通过压气机侧干气密封3相连通，低压外壳13与透平高压外壳11通过齿密封9和透平侧干气密封8相连通；所述压气机高压外壳1、低压外壳13及透平高压外壳11构成压力外壳;所述压气机系统密封于压力外壳内，确保工质不向环境泄漏。
[0021]从图中可以看出，沿压气机叶轮2至驱动透平叶轮10的主轴方向从左至右，压气机叶轮2布置于压气机高压外壳1内，紧贴压气机叶轮2布置压气机侧干气密封3,压气机侧干气密封3右侧依次布置压气机侧径向轴承4、高速电机5、轴向轴承6、透平侧径向轴承7,压气机侧径向轴承4、高速电机5、轴向轴承6和透平侧径向轴承7置于低压外壳13内，透平侧径向轴承7右侧依次布置透平侧干气密封8、齿密封9、驱动透平叶轮10,驱动透平叶轮10布置于透平高压外壳11内。抽吸栗12从低压外壳13内抽取工质至压气机系统外部，保证低压外壳 13内处于较低压力状态，降低风阻损失，确保结构完整性。注气管14将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封9与透平侧干气密封8之间的腔室，保证透平高压外壳11内的高温二氧化碳不泄漏至该腔室，确保轴承工作在正常温度范围内。
[0022]在实际应用中，所述压气机叶轮2和驱动透平叶轮10既可以采用径流式，也可采用轴流式。
[0023]在实际应用中，优选地，所述压气机侧径向轴承4、轴向轴承6、透平侧径向轴承7为磁力轴承;根据应用对象的不同需求，压气机侧径向轴承4、轴向轴承6或透平侧径向轴承7 还可以采用油润滑轴承或气箱轴承，其中油润滑轴承需要额外添加一套供油系统。
[0024]在实际应用中，根据应用对象的不同需求，压气机侧干气密封3、透平侧干气密封8 还可以采用齿密封或其他密封形式;优选地，所述压气机侧由干气密封结构密封;所述透平侧由齿密封与干气密封相结合，形成一个组合式密封系统。
[0025]在实际应用中，抽吸栗12将低压外壳13内的工质抽至外部时，根据应用对象需要既可抽吸至循环系统冷却器的入口位置，也可抽吸至额外设置的压力容器或大气。抽吸至循环系统冷却器的入口位置时，系统内工质质量处于平衡状态，无需额外的补气系统。抽吸至额外设置的压力容器或大气时，需要额外的补气系统实时向系统注气，确保系统内工质质量处于平衡状态。
[0026]在实际应用中，注气管14的气源既可以从压气机系统所在的循环系统的高压低温点获取，也可以从额外设置的高压二氧化碳存储罐里获取。[〇〇27] 优选地，本申请中所述高压低温为压力高于7MPa，温度低于100°C。
[0028]本发明提出的以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，采用同轴的一体化密闭结构设计，设计了注气和抽气系统，可以最大程度的缩小压气机系统的体积，实现对外的零泄漏，达到较高的效率，为超临界二氧化碳发电技术提供可行的压气机设备。
【主权项】
1.一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，包括压气机、高速启动电 机、驱动透平三部分;压气机在运行时提供动力将工质压缩至高压，驱动透平用作压气机正 常或部分负荷运行时的原动机，高速启动电机作为压气机启动阶段的原动机;压气机、高速 启动电机、驱动透平通过同一个主轴相连接，运行时具有相同的转速，并密封于由高压外壳 和低压外壳构成的压力外壳内；所述压气机部分由压气机高压外壳、压气机叶轮、压气机侧干气密封构成；所述高速启动电机部分由压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承、 低压外壳、抽吸栗构成；所述驱动透平部分由透平高压外壳、驱动透平叶轮、齿密封、透平侧干气密封、注气管 构成；沿压气机叶轮至驱动透平叶轮的主轴方向从左至右依次布置:压气机叶轮、压气机侧 干气密封、压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承、透平侧干气密封、齿 密封、驱动透平叶轮;所述压气机叶轮布置于压气机高压外壳内，驱动透平叶轮布置于透平 高压外壳内，压气机侧径向轴承、高速电机、轴向轴承、透平侧径向轴承布置于低压外壳内；所述压气机部分与高速启动电机部分通过压气机侧干气密封相连通;所述高速启动电 机部分与驱动透平部分通过齿密封和透平侧干气密封相连通；所述压气机高压外壳、低压外壳及透平高压外壳构成整个压气机系统的压力外壳。2.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述注气管将高压低温的二氧化碳气体注入齿密封与透平侧干气密封之间的腔室。3.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述抽吸栗从高速启动电机的腔室内抽取工质至压气机系统外。4.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述压气机侧径向轴承、轴向轴承和透平侧径向轴承为磁力轴承、油润滑轴承或气箱轴承中 的任意一种。5.根据权利要求4所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述压气机侧径向轴承、轴向轴承或透平侧径向轴承为油润滑轴承时，压气机系统还包括与 油润滑轴承相连的供油系统。6.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述压气机侧由干气密封结构密封;所述透平侧由齿密封与干气密封相结合，形成一个组合 式密封系统。7.根据权利要1所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所述 压气机系统还包括与注气管线相连的气源:压气机系统所在循环系统的高压低温点或压气 机系统外的尚压^■氧化碳存储罐。8.根据权利要求3所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述压气机系统还包括与抽吸栗连接的设置在压气机系统所在循环系统的冷却器或压气机 系统外的压力容器或大气。9.根据权利要求8所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于，所 述抽吸栗与压力容器或大气连接时，压气机系统还包括补气系统，所述补气系统实时向压 气机系统注气，确保压气机系统内工质质量处于平衡状态。10.根据权利要2或7所述的一种以超临界二氧化碳为工质的压气机系统，其特征在于， 所述高压低温为压力大于7MPa，温度小于100°C。
【文档编号】F01D11/00GK106089435SQ201610603250
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610603250.3, CN 106089435 A, CN 106089435A, CN 201610603250, CN-A-106089435, CN106089435 A, CN106089435A, CN201610603250, CN201610603250.3
【发明人】王俊峰, 黄彦平, 昝元峰, 郎雪梅
【申请人】中国核动力研究设计院