本发明涉及超临界二氧化碳系统工质置换技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳系统对二氧化碳纯度的要求较高，一般在99.9％以上，因此在超临界二氧化碳系统运行前，需要将超临界二氧化碳系统内的空气置换为高纯度二氧化碳，以防止因残余空气量占比过高干扰系统的运行性能。在超临界二氧化碳系统在工质置换的过程中存在以下三个问题会影响工质置换的纯度：1、超临界二氧化碳叶轮机械设备、换热器等设备内存在死角，气流进出上述设备时在死角处形成了旋涡，空气不易从死角内流出，不能有效的达到要求的工质纯度；2、超临界二氧化碳系统工质置换需要搭建什么样的工质置换装置；3、补气及排气位置必须与超临界二氧化碳系统内工质的运动方向不产生矛盾。未见现有技术未提供上述问题的有效解决方案。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供的一种超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置及方法，本发明方法分为采用干气密封的超临界二氧化碳叶轮机械工质置换方法和超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换方法两个部分，两个部分分别独立进行工质置换并达到工质纯度要求后，再将两个部分连通。
本发明通过以下技术方案来实现超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换的目的：
超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置，包括超临界二氧化碳系统的热源1、主管道2、高温回热器3、低温回热器4、预冷器5、冷却水回路6、低压储罐进口管路7、充气管路8、关断阀9、低压储罐10、低压储罐出口管路11、抽气管路12、高压储罐13、高压储罐进口管路14、逆止阀15、主压缩机旁路16、主压缩机17、再压缩机18、再压缩机旁路19、低压透平旁路20、低压透平21、安全阀22、高压透平旁路23、调阀24、高压透平25、高纯度二氧化碳气源26、真空泵27和真空泵排气管路28；其中，超临界二氧化碳系统的热源1的第一出口通过第一主管道2-1与高压透平25的进口相连，高压透平25的出口通过第二主管道2-2与超临界二氧化碳系统的热源1的第一进口相连，超临界二氧化碳系统的热源1的第二出口通过第三主管道2-3与低压透平21的进口相连，低压透平21的出口通过第四主管道2-4与高温回热器3的高温侧进口相连，高温回热器3的高温侧出口通过第五主管道2-5与低温回热器4的高温侧进口相连，低温回热器4的高温侧出口分两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第六主管路2-6、预冷器5的工质侧进口和出口、第七主管路2-7、主压缩机17、第八主管路2-8以及低温回热器4的低温侧进口和出口，另一条并联支路上设置有依次相连的第九主管路2-9、再压缩机18、第十主管路2-10以及低温回热器4的低温侧出口；主压缩机17的出口通过第八主管路2-8与低温回热器4的低温侧进口相连，再压缩机18的出口通过第十主管路2-10与低温回热器4的低温侧出口相连，低温回热器4低温侧出口通过第十一主管路2-11与高温回热器3的低温侧进口相连，高温回热器3低温侧的进口通过第十二主管路2-12与超临界二氧化碳系统的热源1的第二进口相连，超临界二氧化碳系统的热源1的第三出口通过第十三主管路2-13与高温回热器3的低温侧出口相连，高温回热器3的低温侧出口通过第六主管路2-6与超临界二氧化碳系统的热源1的第三进口相连；
第一主管路2-1的出口与第二主管路2-2的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第一关断阀9-1、第一调阀24-1、高压透平25、第一安全阀22-1和第二关断阀9-2，另一条并联支路为高压透平旁路23，高压透平旁路23上设置有第三关断阀9-3；
第三主管路2-3的出口与第四主管路2-4的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第四关断阀9-4、第二调阀24-2、低压透平21、第二安全阀22-2和第五关断阀9-5，另一条并联支路为低压透平旁路20，低压透平旁路20上设置有第六关断阀9-6；
第九主管路2-9的出口与第十主管路2-10的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第八关断阀9-8、再压缩机18、第三安全阀22-3和第七关断阀9-7，另一条并联支路为再压缩机旁路19，再压缩机旁路19上设置有第九关断阀9-9；
第七主管路2-7的出口与第八主管路2-8的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第十一关断阀9-11、主压缩机17、第四安全阀22-4和第十关断阀9-10，另一条并联支路为主压缩机旁路16，主压缩机旁路16上设置有第十二关断阀9-12；
第八主管路2-8上设置有第一逆止阀15-1，第十主管路2-10上设置有第二逆止阀15-2；
低压储罐进口管路7的一端与第七主管道2-7的入口和出口之间位置相连，低压储罐进口管路7的另一端与低压储罐10相连，低压储罐10通过充气管路8与高纯度二氧化碳气源26相连，低压储罐10上设置有第六安全阀22-6，在充气管路8上设置有第十四关断阀9-14，低压储罐10通过低压储罐出口管路11与高压储罐13相连，低压储罐出口管路11上设置有第四逆止阀15-4，高压储罐13上设置有第五安全阀22-5，高压储罐13通过抽气管路12与真空泵27相连，抽气管路12上设置有第十三关断阀9-13，真空泵27与真空泵排气管路28的一端相连；
高压储罐进口管路14的一端与高压储罐13相连，高压储罐进口管路14的另一端与在第一逆止阀15-1安装位置与第八主管道2-8的出口位置之间的一段第八主管道相连，高压储罐进口管路14上设置有第三逆止阀15-3。
所述的高纯度二氧化碳气源26的纯度不低于99.9％，且其压力等级高于标准大气压力p0。
所述的真空泵排气管路28的另一端与超临界二氧化碳系统厂房外界大气相连通。
所述的高压储罐13上和低压储罐10上分别安装有压力表。
所述的第一逆止阀15的通流方向为从主压缩机旁路16出口向低温回热器4低温侧进口，所述的第二逆止阀15-2的通流方向为从再压缩机旁路19出口向低温回热器4低温侧出口，所述的第四逆止阀15-4的通流方向为从低压储罐出口管路11向高压储罐13，所述的第三逆止阀15-3的通流方向为从高压储罐进口管路14向高压储罐13。
所述的超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的工质置换方法，包括以下步骤：
步骤1、超临界二氧化碳循环系统下达工质置换命令后，将第一关断阀9-1、第二关断阀9-2、第四关断阀9-4、第五关断阀9-5、第七关断阀9-7、第八关断阀9-8、第十关断阀9-10、第十一关断阀9-11、第十三关断阀9-13和第十四关断阀9-14、关闭，打开第三关断阀9-3、第六关断阀9-6、第九关断阀9-9和第十二关断阀9-12；
步骤2、打开第十三关断阀9-13，启动真空泵27对系统内的气体进行抽吸，直至低压储罐10内的压力仪表显示绝对压力值不大于p1后,关闭第三关断阀9-13，关闭真空泵27；
步骤3、打开第十四关断阀9-14，高纯度二氧化碳气源26内的工质流入超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置内，当高压储罐13内的压力仪表显示绝对压力值等于大气压力p0时，关闭第十四关断阀9-14；
步骤4、维持超临界二氧化碳系统内的所有关断阀的状态不变，使超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通区域静置达到设定的固定时间t；
步骤5、重复步骤2至步骤4的操作达到设定次数n，使超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通空间的浓度达到系统要求纯度c。
超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的工质抽吸的设定次数n、设定压力p1、系统要求纯度c、大气压力p0满足计算公式(p1/p0)n≥79(1-c)。
超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通空间静置设定的固定时间t为10至15分钟。
和现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
本发明提出了超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置以及基于该装置的高纯度工质置换方法，通过对装置内气体的真空抽吸、常压高纯度工质充排、静置三个工序的多次循环，克服了超临界二氧化碳系统非旋转设备的连通区域的死角内空气不易置换的不利因素，使超临界二氧化碳系统非旋转设备内的工质纯度可达99.9％以上；通过选取适合的真空度、抽气位置、充气位置实现了超临界二氧化碳系统非旋转设备部分工质的高纯度置换，并在置换过程中系统投入少、置换时间段、不更改原主管道结构。
附图说明
图1是本发明超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置，包括超临界二氧化碳系统的热源1、主管道2、高温回热器3、低温回热器4、预冷器5、冷却水回路6、低压储罐进口管路7、充气管路8、关断阀9、低压储罐10、低压储罐出口管路11、抽气管路12、高压储罐13、高压储罐进口管路14、逆止阀15、主压缩机旁路16、主压缩机17、再压缩机18、再压缩机旁路19、低压透平旁路20、低压透平21、安全阀22、高压透平旁路23、调阀24、高压透平25、高纯度二氧化碳气源26、真空泵27和真空泵排气管路28；其中，超临界二氧化碳系统的热源1的第一出口通过第一主管道2-1与高压透平25的进口相连，高压透平25的出口通过第二主管道2-2与超临界二氧化碳系统的热源1的第一进口相连，超临界二氧化碳系统的热源1的第二出口通过第三主管道2-3与低压透平21的进口相连，低压透平21的出口通过第四主管道2-4与高温回热器3的高温侧进口相连，高温回热器3的高温侧出口通过第五主管道2-5与低温回热器4的高温侧进口相连，低温回热器4的高温侧出口分两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第六主管路2-6、预冷器5的工质侧进口和出口、第七主管路2-7、主压缩机17、第八主管路2-8以及低温回热器4的低温侧进口和出口，另一条并联支路上设置有依次相连的第九主管路2-9、再压缩机18、第十主管路2-10以及低温回热器4的低温侧出口；主压缩机17的出口通过第八主管路2-8与低温回热器4的低温侧进口相连，再压缩机18的出口通过第十主管路2-10与低温回热器4的低温侧出口相连，低温回热器4低温侧出口通过第十一主管路2-11与高温回热器3的低温侧进口相连，高温回热器3低温侧的进口通过第十二主管路2-12与超临界二氧化碳系统的热源1的第二进口相连，超临界二氧化碳系统的热源1的第三出口通过第十三主管路2-13与高温回热器3的低温侧出口相连，高温回热器3的低温侧出口通过第六主管路2-6与超临界二氧化碳系统的热源1的第三进口相连；
第一主管路2-1的出口与第二主管路2-2的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第一关断阀9-1、第一调阀24-1、高压透平25、第一安全阀22-1和第二关断阀9-2，另一条并联支路为高压透平旁路23，高压透平旁路23上设置有第三关断阀9-3；
第三主管路2-3的出口与第四主管路2-4的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第四关断阀9-4、第二调阀24-2、低压透平21、第二安全阀22-2和第五关断阀9-5，另一条并联支路为低压透平旁路20，低压透平旁路20上设置有第六关断阀9-6；
第九主管路2-9的出口与第十主管路2-10的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第八关断阀9-8、再压缩机18、第三安全阀22-3和第七关断阀9-7，另一条并联支路为再压缩机旁路19，再压缩机旁路19上设置有第九关断阀9-9；
第七主管路2-7的出口与第八主管路2-8的进口之间设置两条并联支路，一条并联支路上设置有依次相连的第十一关断阀9-11、主压缩机17、第四安全阀22-4和第十关断阀9-10，另一条并联支路为主压缩机旁路16，主压缩机旁路16上设置有第十二关断阀9-12；
第八主管路2-8上设置有第一逆止阀15-1，第十主管路2-10上设置有第二逆止阀15-2；
低压储罐进口管路7的一端与第七主管道2-7的入口和出口之间位置相连，低压储罐进口管路7的另一端与低压储罐10相连，低压储罐10通过充气管路8与高纯度二氧化碳气源26相连，低压储罐10上设置有第六安全阀22-6，在充气管路8上设置有第十四关断阀9-14，低压储罐10通过低压储罐出口管路11与高压储罐13相连，低压储罐出口管路11上设置有第四逆止阀15-4，高压储罐13上设置有第五安全阀22-5，高压储罐13通过抽气管路12与真空泵27相连，抽气管路12上设置有第十三关断阀9-13，真空泵27与真空泵排气管路28的一端相连；
高压储罐进口管路14的一端与高压储罐13相连，高压储罐进口管路14的另一端与在第一逆止阀15-1安装位置与第八主管道2-8的出口位置之间的一段第八主管道相连，高压储罐进口管路14上设置有第三逆止阀15-3。
作为本发明的优选实施方式，所述的高纯度二氧化碳气源(26)的纯度不低于99.9％，且其压力等级高于标准大气压力p0。
作为本发明的优选实施方式，所述的真空泵排气管路(28)的另一端与超临界二氧化碳系统厂房外界大气相连通。
作为本发明的优选实施方式，所述的高压储罐(13)上和低压储罐(10)上分别安装有压力表。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一逆止阀15的通流方向为从主压缩机旁路16出口向低温回热器4低温侧进口，所述的第二逆止阀15-2的通流方向为从再压缩机旁路19出口向低温回热器4低温侧出口，所述的第四逆止阀15-4的通流方向为从低压储罐出口管路11向高压储罐13，所述的第三逆止阀15-3的通流方向为从高压储罐进口管路14向高压储罐13。
本发明所述的超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的工质置换方法，包括以下步骤：
步骤1、超临界二氧化碳循环系统下达工质置换命令后，将第一关断阀9-1、第二关断阀9-2、第四关断阀9-4、第五关断阀9-5、第七关断阀9-7、第八关断阀9-8、第十关断阀9-10、第十一关断阀9-11、第十三关断阀9-13和第十四关断阀9-14、关闭，打开第三关断阀9-3、第六关断阀9-6、第九关断阀9-9和第十二关断阀9-12；
步骤2、打开第十三关断阀9-13，启动真空泵27对系统内的气体进行抽吸，直至低压储罐10内的压力仪表显示绝对压力值不大于p1后,关闭第三关断阀9-13，关闭真空泵27；
步骤3、打开第十四关断阀9-14，高纯度二氧化碳气源26内的工质流入超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置内，当高压储罐13内的压力仪表显示绝对压力值等于大气压力p0时，关闭第十四关断阀9-14；
步骤4、维持超临界二氧化碳系统内的所有关断阀的状态不变，使超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通区域静置达到设定的固定时间t；
步骤5、重复步骤2至步骤4的操作达到设定次数n，使超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通空间的浓度达到系统要求纯度c。
作为本发明的优选实施方式，超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的工质抽吸的设定次数n、设定压力p1、系统要求纯度c、大气压力p0满足计算公式(p1/p0)n≥79(1-c)。
作为本发明的优选实施方式，超临界二氧化碳系统非旋转设备部分的工质置换装置的连通空间静置设定的固定时间t为10至15分钟。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。