S-CO2布雷顿循环透平、压缩机和发电机一体式机组的制作方法

本发明涉及超临界二氧化碳技术领域为工质的布雷顿循环的发电装置中的CO2透平、CO2压缩机和发电机三种关鍵转动机械，特别涉及S-CO2布雷顿循环透平、压缩机和发电机一体式机组。

背景技术：

当前，对CO2等温室气体排放的管制和新能源的开发，引起了世界各国的高度重视，而利用S-CO2为工质的布雷顿循环，对新能源的开发具有革命性的意义。这是因为，它与以水和水蒸汽为循环介质的郎肯循环相比，技术上有突出优势：

1.在接近临界点时，S-CO2兼有气体和液体的双重特性，即密度远远高于气体，接近液体，使机組尺寸大幅缩小；而粘度接近气体，很低，对传输和传热很有利。S-CO2的这种独特性能，使透平、压缩机、换热器的体积与常规的工艺技术相比，可缩小到30分之一以内，在航空、航天、军舰上应用意义重大。

2.采用S-CO2为工质、在封闭的布雷顿热力循环中做功，热电转换效率远高于传统的蒸汽轮机和燃气轮机。由于布雷顿循环过程为闭式过程，做功工质S-CO2不受热源形式的影响，所以循环热源可以来自太阳能、核反应堆、地热、工业余热、化石燃料燃烧、垃圾焚烧等多种热源形式。

3.S-CO2布雷顿循环无相变过程，不用凝汽器；而汽轮机的排汽要用水来冷凝，造成能量浪费在水中，凉水塔还需要大量冷却水，凉水塔风扇排出的水雾浪费水资源。因此，S-CO2布雷顿循环适合荒漠或高山缺水地区的应用。

4.不需要锅炉给水除氧、脫盐、排污，为新一代清洁能源的发展提供了新途径。

但S-CO2布雷顿循环技术用于发电领域尚处于研究阶段，美国2004年才开始该技术的研发，2012年美国桑迪亚国家实验室(SNL)和美国能源部核能办公室(DOE-NE)公布了S-CO2再压缩布雷顿循环完整的试验报告，被公认为世界上第一套成功的试验装置。该套S-CO2再压缩布雷顿闭式循环系统的核心设备包括主加热器、CO2透平(1#透平、2#透平)、CO2压缩机(主压缩机、再压缩机)、发电机、换热器(低温回热器、高温回热器、预冷器)等。

CO2透平进气的高压由CO2压缩机提供，进气的高温由主加热器和回收压缩机排气的热量来提供。CO2透平膨胀后输出的功率，扣除CO2压缩机所需的功率后，驱动发电机。

CO2压缩机的作用，一是提供CO2透平进气所需的高压，二是克服CO2封闭循环系统的阻力降；三是CO2的压缩热通过低温回热器和高温回热器回收，提供CO2透平进气所需的热能。

发电机也是该装置输出电能的核心设备之一。

可见完整的S-CO2布雷顿循环发电装置必须包括透平、压缩机和发电机三大核心动设备。

该试验装置有两套同轴的超高速“透平-发电机-压缩机”机组，每套机组轴的一端固定一个向心透平叶轮，另一端固定一个离心压缩机叶轮，中间为交流发电机。为了简化机组结构，未设减速机以便输出60Hz的电能。该试验装置机组的转速过高，叶轮的外径过小，使得叶轮中气体的雷诺数接近于临界雷诺数，并且因半开式叶轮的叶顶间隙与叶片高度的比值较大，降低了向心透平膨胀机和离心压缩机的效率。为了获得较高的效率，主压缩机的进气温度和压力接近CO2的临界值，但有合理的隔离度，避免了CO2工质进入两相区，保证了压缩机运行的安全性。

2017.5.9公布的美国专利《US 9,644,502Regenerative thermodynamic power generation cycle systems,and methods for operating》图1发电系统流程简图(现有技术)，与目前世界上S-CO2布雷顿闭式循环发电系统的主流技术比较接近。因发电机的转速为3600r/min(60Hz电网)或3000r/min(50Hz电网)，而透平和压缩机的转速远高于此值，实际的转动设备机组中配置了减速机，普遍采用一套或两套“压缩机-透平-减速机-发电机”机组。

发明专利CN104727868B《煤基新型超临界工质多级分流再热式高效发电系统》，2016.6.1，公开了一种煤基新型超临界工质多级分流再热式高效发电系统。核心的转动机械是三套机组，设置了三台发电机。透平和发电机之间的减速机，图上未表示。

发明专利CN104632308B《基于超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑式透平机械装置》，2017.1.11，仅涉及CO2透平，未涉及CO2压缩机和发电机，还不是完整的S-CO2布雷顿循环发电装置。

在行星齿轮的外围布置太多的CO2透平不符合当前S-CO2布雷顿闭式循环发电系统，CO2透平普遍只有2～4个叶轮的现状。在行星齿轮下方布置几个CO2透平也不便维修。

发明专利CN102758653B《一种多级向心透平系统》，2015.6.24，用大齿轮驱动2～4个小齿轮，每个小齿轮轴的两端均联接向心透平，4～8级向心透平输出的功率通过小齿轮传到大齿轮上，大齿轮轴驱动发电机输出电力。这种将所有的向心透平集装在一台齿轮箱上的机型，与美国桑迪亚S-CO2布雷顿循环发电试验装置和以上三项发明专利采用的转动设备机组的型式相比，具有结构紧凑，制造成本低，占地面积小的优势。

但存在的不足是：该专利仅针对向心透平，未涉及压缩机由什么驱动机来驱动。如果压缩机用电动机驱动，将出现机械能变成电能，又由电能变成机械能的效率损失；如果压缩机用其它透平驱动，就会成为两套机组。另外，每根小齿轮轴的两端固定向心透平，两个向心透平输出功率之和通过小齿轮传到大齿轮上，造成每个齿轮对承担的负荷很高，高速齿轮传动功率损失较大。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供S-CO2布雷顿循环透平、压缩机和发电机一体式机组，只需采用两个单级高速CO2透平叶轮即可满足工艺要求，具有结构十分紧凑、制造成本低、占地面积很小的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

S-CO2布雷顿循环透平、压缩机和发电机一体式机组，包括CO2主压缩机的叶轮2，CO2主压缩机的叶轮2固定在第一小齿轮轴4的一端，第一小齿轮轴4的另一端固定高压CO2透平的叶轮7，高压CO2透平的叶轮7透平输出的功率与CO2主压缩机的叶轮2之差通过第一小齿轮5传到大齿轮8一端，大齿轮8另一端通过第二小齿轮12与第二小齿轮轴11相连，所述的第二小齿轮轴11一端设置CO2再压缩机的叶轮10，另一端设置低压CO2透平的叶轮14，低压CO2透平的叶轮14与CO2再压缩机的叶轮10功率之差通过第二小齿轮12传到大齿轮8上。

所述的第一小齿轮5和第二小齿轮12传到大齿轮8上的功率，用大齿轮轴15经过联轴器16传到发电机17上输出电力。

所述的CO2主压缩机的叶轮2外侧设置有CO2主压缩机的机壳1，CO2主压缩机的机壳1固定在齿轮箱3的侧壁上。

所述的高压CO2透平的叶轮7外侧设置有高压CO2透平的机壳6，高压CO2透平的机壳6固定在齿轮箱3侧壁上。

所述的CO2再压缩机的叶轮10外侧设置有CO2再压缩机的机壳9，CO2再压缩机的机壳9固定在齿轮箱3的侧壁上。

所述的低压CO2透平的叶轮14外侧设置有低压CO2透平的机壳13，低压CO2透平的机壳13固定在齿轮箱3的侧壁上。

本发明的有益效果是：

本发明将S-CO2布雷顿循环发电装置的两台向心透平的机壳和叶轮、两台离心压缩机的机壳和叶轮，以及一台发电机集装在同一台齿轮箱上，与普遍采用两套“压缩机-透平-减速机-发电机”机组的现有技术相比，具有结构十分紧凑、制造成本低、占地面积很小的明显优势；此外，由于两组高速齿轮对传动的功率是透平输出的功率与压缩机需要的功率之差，而不是发明专利CN102758653B每组高速齿轮对传动的功率都是两个向心透平输出功率之和，避免了齿轮对承担的负荷很高、传动功率损失较大的缺陷。

附图说明

图1是当前S-CO2布雷顿再压缩回热式闭路循环发电主流技术的工艺流程简图。

图2是S-CO2布雷顿循环CO2透平、CO2压缩机和发电机一体机组方案图。

图3是S-CO2布雷顿循环CO2透平、CO2压缩机和发电机一体机组三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

如图1所示：本发明的CO2透平、CO2压缩机和发电机一体机组适用于如图1所示的工艺流程。该工艺流程的主要设备包括：CO2主压缩机18、CO2再压缩机19、高压CO2透平20、低压CO2透平21、发电机22、低温回热器23、高温回热器24、主热源加热器25、补充热源加热器26和预冷器27。

工艺流程是：比CO2临界点的温度31⁰C和压力73.825bar.A略高的S-CO2工质进入CO2主压缩机18加压，其排气进入低温回热器23，用低压CO2透平21排气的余热加热，再与CO2再压缩机19的排气混合后，进入高温回热器24，用低压CO2透平21排气再加热。然后，经主热源加热器25，用热源(太阳能、核能等)升温后进入高压CO2透平20。

高温高压的CO2气在高压CO2透平20膨胀做功后，排气温度降低，再经过补充热源加热器26加热后，进入低压CO2透平21，CO2气在此膨胀做功后的排气，依次进入高温回热器24和低温回热器23。低压CO2透平21的排气热量用来加热CO2主压缩机18和CO2再压缩机19的排气后，温度降低。从低温回热器23出来的CO2工质分为两路，一路进入预冷器27冷却后重新进入CO2主压缩机18，进行下一次CO2气体的封闭循环；另一路进入CO2再压缩机19。

高压透平和低压透平的CO2气膨胀降压降温释放的能量用于驱动CO2主压缩机18和CO2再压缩机19，剩余的能量驱动发电机22。CO2气在整个系统中封闭循环的压力降则由这两台CO2压缩机提供。由此可知，S-CO2布雷顿循环发电机组中的核心转动机器是CO2透平、CO2压缩机和发电机22。目前世界上S-CO2布雷顿再压缩回热式闭路循环发电装置，透平、压缩机和发电机布置在同一根轴上，普遍采用两套“压缩机-透平-减速机-发电机”机组的模式，机组很长。

对于当今世界上S-CO2布雷顿循环发电装置的上述工艺流程本发明只需采用两个单级高速CO2透平(向心膨胀机)叶轮即可满足工艺要求。至于CO2压缩，本发明只需采用两个高速离心压缩机叶轮即可满足工艺要求。

从以上工艺流程可知，S-CO2布雷顿循环发电装置中的三种关鍵转动机械的功能是：

CO2透平的功能：利用CO2压缩机提供的压力能，主热源、补充热源和压缩机排气提供的热能，使透平的进气升压升温。CO2气进入向心透平膨胀，将压力能和热能转化为机械能，用来驱动CO2压缩机和发电机22。

CO2压缩机的功能：提供CO2透平进气所需的压力能、克服CO2封闭循环系统的阻力降、CO2的压缩热通过低温回热器23和高温回热器24回收，提供CO2透平进气所需的热能。

发电机22的功能：将CO2透平提供的机械能转化为电能。

如图2所示：CO2主压缩机的机壳1固定在齿轮箱3的侧壁上，CO2主压缩机的叶轮2固定在第一小齿轮轴4的端部，另一端部固定高压CO2透平的叶轮7，高压CO2透平输出的功率减去CO2主压缩机需要的功率之差，通过第一小齿轮5传到大齿轮8上。高压CO2透平的机壳6也固定在齿轮箱3的另一端侧壁上。相似的，CO2再压缩机的机壳9固定在齿轮箱3的侧壁上，CO2再压缩机的叶轮10固定在第二小齿轮轴11的端部，另一端部固定低压CO2透平的叶轮14，低压CO2透平输出的功率减去CO2再压缩机需要的功率之差，通过第二小齿轮12传到大齿轮8上。低压CO2透平的机壳13也固定在齿轮箱3的另一端侧壁上。

第一小齿轮5和第二小齿轮12传到大齿轮8上的功率，用大齿轮轴15经过联轴器16传到发电机17上，输出电力。

本发明将输出功率最大的向心透平叶轮与需要功率最大的离心压缩机叶轮固定在同一根小齿轮轴的两端；将输出功率较小的向心透平叶轮与需要功率较小的离心压缩机叶轮固定在同一根小齿轮轴的两端。透平与压缩机功率之差才传到大齿轮上，避免了发明专利CN102758653B将两个向心透平叶轮固定在同一根小齿轮轴的两端，造成该齿轮对承担的负荷很高，高速齿轮传动功率损失较大的缺陷。

本发明还考虑了大齿轮和小齿轮齿数的组合原则：大齿轮8的转速应为3000r/min(50±0.5Hz电网)或3600r/min(60Hz±0.5电网)，在气动计算确定向心透平和离心压缩机的转速时，转速比(齿数比)应为非整数，各对啮合齿轮的齿数互为质数，使磨损均匀分摊到所有的齿上，以利于新齿轮组跑合一段时间后，每个齿的齿形将趋于它的理想齿形，使齿轮的运转趋于平稳。从而延长齿轮的寿命，并减轻高速齿轮啮合的振动和噪声。

图3用三维示意图的方式，形象地表达出本发明将S-CO2布雷顿循环系统中，全部关鍵的转动机械—CO2透平、CO2压缩机和发电机被集装成一台完整的机组。显示出该机组具有结构紧凑，占地面积很小，便于维修的特点。