布雷顿循环发电系统的制作方法

本申请涉及电力领域，尤其涉及一种布雷顿循环发电系统。

背景技术：

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，是一种以超临界状态的二氧化碳为工质的布雷顿循环系统，因此，也叫做超临界二氧化碳(supercriticalcarbondioxide，简称：sco2)布雷顿循环布雷顿循环发电系统。

现有技术中，sco2布雷顿循环布雷顿循环发电系统包括压缩机、加热器、透平、发电机及冷却器。sco2经过压缩机压缩后，再进入加热器中加热，变成高温高压的sco2。高温高压的sco2在透平中膨胀做功，膨胀后的sco2压力降低，由透平流出的sco2经过冷却器冷却再次进入压缩机，实现sco2的循环利用。

然而，现有技术中存在如下问题：发电系统无法调节输出功率，以适应不同负载需求。

技术实现要素：

本申请提供一种布雷顿循环发电系统，以解决发电系统无法通过调节输出功率适应不同负载需求的技术问题。

第一方面，本申请提供一种布雷顿循环发电系统，包括：发电机、压缩机、加热器、冷却器、透平及流量调节器；

其中，发电机及透平共用同一动力轴，压缩机的输出端与加热器的输入端连接，加热器的输出端与流量调节器的输入端连接，流量调节器的输出端与透平的输入端连接，透平的输出端与冷却器的输入端连接，冷却器的输出端与压缩机的输入端连接。

可选地，系统还包括：控制器和负载检测单元；

其中，负载检测单元的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与流量调节器的控制端连接。

可选地，流量调节器包括：流量调节阀，控制器的输出端包括第一输出端；

其中，流量调节阀的输入端与加热器的输出端连接，流量调节阀的输出端与透平的输入端连接，控制器的第一输出端与流量调节阀的控制端连接。

可选地，流量调节器包括：旁通阀，控制器的输出端还包括第二输出端；

其中，旁通阀的输入端与加热器的输出端连接，旁通阀的输出端与透平的输出端连接；控制器的第二输出端与旁通阀的控制端连接。

可选地，负载检测单元包括功率检测单元；

其中，功率检测单元位于发电机的电气端，功率检测单元的输出端与控制器的输入端连接。

可选地，功率检测单元包括：电压传感器和电流传感器，控制器的输入端包括第一输入端和第二输入端；

其中，电压传感器与电网并联连接，电流传感器与电网串联连接，电压传感器的输出端与控制器的第一输入端连接，电流传感器的输出端与控制器的第二输入端连接。

可选地，负载检测单元包括压力传感器，控制器的输入端还包括第三输入端；

其中，压力传感器位于流量调节阀入口，压力传感器的输出端与控制器的第三输入端连接。

可选地，压缩机、发电机及透平共用同一动力轴。

可选地，系统还包括：回热器；

其中，回热器的热输入端与压缩机的输出端连接，回热器的热输出端与加热器的输入端连接，回热器的冷输入端与透平的输出端连接，回热器的冷输出端与冷却器的输入端连接。

可选地，在压缩机、加热器、冷却器和透平中流通气体为超二氧化碳。

本申请提供一种布雷顿循环发电系统，该系统包括：发电机、压缩机、加热器、冷却器、透平及流量调节器。加热器的输出端与流量调节器的输入端连接，流量调节器的输出端与透平的输入端连接。当发电机所接入电网的需求变化时，调节流量调节器输出流量，实现控制透平的输入流量大小，改变透平的输出功率，进而适应负载变化。作为优选方案，当发电系统中压缩机、发电机及透平共用同一动力轴时，可通过调节流量调节器的输出流量，实现调节发电系统的输出功率。

附图说明

图1为现有技术中sco2布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图3为本申请实施例二提供的布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图4为本申请实施例三提供的布雷顿回热循环发电系统的结构示意图；

图5为本申请实施例四提供的布雷顿再压缩循环发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

10-压缩机；

20-加热器；

30-透平；

40-冷却器；

50-发电机；

60-流量调节器；

80-控制器；

90-回热器；

100-再压缩机；

110-高温回热器；

61-流量调节阀；

62-旁通阀；

71-功率检测单元；

72-电压传感器；

73-电流传感器；

74-压力传感器。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

布雷顿循环作为一种典型的热力学循环，是由美国科学家布雷顿首次提出的以气体为工质的热力学循环。简单的布雷顿循环气体工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。当工质处于超临界状态时，由于避免了工质相态的改变，减少了压缩功的消耗，其循环效率能够得到更大的提升。

任何一种物质都存在三种相态：固态、液态和气态，在一定的温度和压力下，物质的相态会发生变化，从而呈现不同的相态。其中，气态和液态两种相态呈现平衡状态的点叫做临界点，临界点处对应的温度和压力分别叫做临界温度和临界压力，物质在临界点处的状态叫做临界态，若对处于临界态的物质继续升温和加压力，当温度和压力提高超过临界温度和临界压力时，物质就进入了超临界态。

当co2的温度和压力分别达到其临界温度31.1℃和临界压力7.38mpa时，co2将处于超临界状态，介于液体和气体之间，兼具气体粘性小和液体密度大的特殊物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，此外，使用sco2作为循环工质还具有工程可实现性好、循环效率高、组件和系统占地面积小、经济效益好等优点，因此，sco2被认为是最具有发展前景的布雷顿循环工质之一。

图1为现有技术中sco2布雷顿循环发电系统的结构示意图。如图1所示，现有的sco2布雷顿循环发电系统包括压缩机10、加热器20、透平30、冷却器40以及发电机50。其中，压缩机10、透平30和发电机50共用同一根动力轴。压缩机10的输出端与加热器20的输入端连接，加热器20的输出端与透平30的输入端连接，透平30的输出端与冷却器40的输入端连接，冷却器40的输出端与压缩机10的输入端连接。

当sco2布雷顿循环发电系统工作时，sco2经过压缩机压缩后，再进入加热器中加热，变成高温高压的sco2。高温高压的sco2在透平中膨胀做功，膨胀后的sco2压力降低，由透平流出的sco2经过冷却器冷却再次进入压缩机，实现sco2的循环利用。此时，由透平30向发电机50和压缩机10提供功率，也就是透平30即向发电机50输出机械功率，使发电机50向电网输出电能。也向压缩机10输出机械功率，带动压缩机工作，以向透平提供高温高压的sco2。

通常情况下，发电机的转轴转速是保持不变的，以输出恒定频率的交流电。由于压缩机10、透平30和发电机50共用同一根动力轴，使得压缩机的转速也保持不变，又发电系统为闭式循环系统，sco2的流量保持不变，使得发电系统的输出功率无法改变，无法适应负载变化情况。

本申请提供一种布雷顿循环发电系统，发电机、压缩机、加热器、冷却器、透平及流量调节器，流量调节器的输入端与加热器的输出端连接，流量调节器的输出端与透平的输入端连接，当发电机所接入电网的需求变化时，调节流量调节器输出流量，实现控制透平的输入流量大小，改变透平的输出功率，进而适应负载变化。

图2为本申请实施例一提供的布雷顿循环发电系统的结构示意图。如图2所示，本实用新型提供的布雷顿循环发电系统包括压缩机10、加热器20、透平30、冷却器40、发电机50及流量调节器60。

其中，发电机50及透平30共用同一动力轴，压缩机10的输出端与加热器20的输入端连接，加热器20的输出端与流量调节器60的输入端连接，流量调节器60的输出端与透平30的输入端连接，透平30的输出端与冷却器40的输入端连接，冷却器40的输出端与压缩机10的输入端连接。

其中，压缩机10用于将气体压缩输出高压气体，加热器20用于加热高压气体，排出高温高压的气体，流量调节器60调节进入透平30的高温高压气体的流量，透平30用于让高温高压气体膨胀做功，输出机械动力。发电机利用透平30输出的机械动力产生交变电流。冷却器40冷却由透平30流出的气体，所排出气体再次进入压缩机10，实现气体循环利用。

在本实施例中，在压缩机、加热器、冷却器和透平中流通气体为超二氧化碳。

下面描述本实施例一提供的布雷顿循环发电系统的工作原理：透平30带动压缩机10运转，压缩机将气体压缩后输出高压气体，高压气体经过加热器20加热后变成高温高压的气体，高温高压的气体进入流量流量调节器60，流量调节器60控制其输出端的流量大小，进而控制透平30的流量，高温高压的气体在透平30中膨胀做功驱动透平30旋转，使透平30带动发电机60运转，发电机60将机械能转换为电能输出。膨胀做功后的气体变成低压气体，并由透平30的输出端流出，低压气体经过冷却器40冷却再次进入压缩机10，实现气体循环利用。

当负载需求变化时，也就是电网的需求变化时，调节流量调节器的开口大小，调节流量调节器流出流量，控制透平30的输入流量，进而改变透平输出机械能大小，改变发电机输出电能大小，以适应不同电网需求。

在本实施例一提供的布雷顿循环发电系统中，当负载需求变化时，通过流量调节阀调节透平的输入流量，进而改变透平输出功率的大小，以适应不同负载需求。

图3为本申请实施例二提供的布雷顿循环发电系统的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的布雷顿循环发电系统包括压缩机10、加热器20、透平30、冷却器40、发电机50、以及流量调节器60。

与图2所示的布雷顿循环发电系统的不同之处在于：发电系统还包括负载检测单元和控制器80。

其中，负载检测单元的输出端与控制器80的输入端连接，控制器80的输出端与流量调节器60的控制端连接。负载检测单元用于检测发电机50的输出功率，以检测负载变化。控制器根据接收到输出功率变化，生成控制信号，调节流量调节器的开口，以控制透平30的输入流量，进而改变透平输出功率大小，以适应不同电网需求。

其中，流量调节器60包括：流量调节阀61和旁通阀62。流量调节阀61的输入端与加热器20的输出端连接，流量调节阀61的输出端与透平30的输入端连接。旁通阀62的输入端与加热器20的输出端连接，旁通阀62的输出端与透平30的输出端连接。控制器80设有第一输出端和第二输出端，控制器80的第一输出端与流量调节阀61的控制端连接，控制器80的第二输出端与旁通阀62的控制端连接。流量调节阀61用于调节流入透平30的流量，旁通阀62用于使经由加热器20输出的气体分流，以调节流入透平30的流量。

其中，负载检测单元包括功率检测单元71和压力传感器72，功率检测单元71位于发电机50的电气端，功率检测单元71的输出端与控制器80的输入端连接。压力传感器72位于流量调节阀61入口，压力传感器72的输出端与控制器80的输入端连接。功率检测单元71用于检测发电机的输出功率，压力传感器72用于检测流量调节阀61的入口压力。

可选地，功率检测单元71包括：电压传感器73和电流传感器74，控制器80的输入端包括第一输入端、第二输入端及第三输入端。其中，电压传感器73与电网并联连接，电流传感器74与电网串联连接，电压传感器73的输出端与控制器80的第一输入端连接，电流传感器74的输出端与控制器80的第二输入端连接。压力传感器72的输出端与控制器80的第三输入端连接。电压传感器73采集电网侧电压，电流传感器74采集电网侧电流，控制器根据电网侧电压和电网侧电流生成电网侧功率。

作为优选方案，压缩机10、透平30和发电机50共用同一根动力轴。透平30带动发电机50运动时，也带动压缩机10运动。也就是透平30为发电机50提供机械能，使发电机50输出电能。同时为压缩机10提供机械能，使压缩机10压缩气体后，输出高压气体。

下面描述本实施例提供的布雷顿循环发电系统的工作原理：气体经过压缩机压缩后，再进入加热器中加热，变成高温高压的气体。高温高压的气体在透平中膨胀做功驱动透平旋转，透平带动压缩机和发电机运转，发电机将机械能转换为电能输出，压缩机继续压缩气体。膨胀做功后的气体变成低压气体，并由透平的输出端流出，低压气体经过冷却器冷却再次进入压缩机。

当发电机侧的电网所需电能变化时，向控制器发送功率给定值。控制器接收电压传感器采集的电网侧电压，并接收电流传感器采集的电网侧电流。再根据电网侧电压和电网侧电流生成电网侧功率，并根据电网侧功率和功率给定值生成流量调节阀的控制信号，控制信号用于控制流量调节阀的开口大小，进而控制流入透平的流量。控制器接收压力传感器采集的流量调节阀的入口压力，根据流量调节阀的入口压力和预设压力阈值生成控制信号，以控制旁通阀的开口大小，进而控制流过旁通阀的流量大小，实现对加热器输出流量进行分流，调节流量调节阀的入口压力。

在本实施例二提供的布雷顿循环发电系统中，当负载需求变化时，根据电压传感器和电流传感器采集到电网侧电压和电流，以及功率给定值，生成控制流量调节阀的开口大小的控制信号。并根据压力传感器采集到的流量调节阀的入口压力，生成控制旁通阀开口大小的控制信号，保证发电系统的安全性。

图4为本申请实施例三提供的布雷顿回热循环发电系统的结构示意图。如图4所示，本实施例三提供的布雷顿回热循环发电系统包括压缩机10、加热器20、透平30、冷却器40、缓冲器50、以及回热器90。

与图3所示的布雷顿循环发电系统的不同之处在于：系统还包括回热器90，其中，回热器90的热输入端与压缩机10的输出端连接，回热器90的热输出端与加热器20的输入端连接，回热器90的冷输入端与透平30的输出端连接，回热器90的冷输出端与冷却器40的输入端连接。

其中，回热器90用于对压缩机10加压后的气体进行预热，并将预热后的气体输送给加热器20。回热器90还用于透平30输出的气体进行预冷，并将预冷后的气体输送给冷却器40。回热器90在循环中作用有两个，一个是加热压缩机10出口的工质，提高加热器20的热效率，另一个是降低透平30出口工质的温度，减少冷却器40中冷却气体的使用量，同时降低压缩机10耗功。

作为优选方案，压缩机10、透平30和发电机50共用同一根动力轴。透平30为发电机50提供机械能，使发电机50输出电能。同时为压缩机10提供机械能，使压缩机10压缩气体后，输出高压气体。

下面描述本实施例提供的布雷顿回热循环发电系统的工作原理：气体经过压缩机压缩后，再进入回热器中预热，再进入加热器中加热，变成高温高压的气体。高温高压的气体在透平中膨胀做功驱动透平旋转，透平带动压缩机和发电机运转，发电机将机械能转换为电能输出，压缩机继续压缩气体。膨胀做功后的气体变成低压气体，并由透平30的输出端流出，低压气体经过回热器预冷，再经过冷却器冷却再次进入压缩机。

当电网所需电能变化时，控制器根据电网侧电压和电网侧电流生成电网侧功率，并根据电网侧功率和功率给定值生成流量调节阀的控制信号，控制流量调节阀的开口大小，控制流入透平的流量。控制器根据压力传感器采集流量调节阀的入口压力和预设压力阈值生成控制信号，控制旁通阀的开口大小，控制流过旁通阀的流量大小，以对加热器输出流量进行分流，调节流量调节阀的入口压力。

本实施例三提供的布雷顿回热循环发电系统，在布雷顿回热循环发电系统中设置流量调节阀和旁通阀，当负载需求变化时，控制流量调节阀和旁通阀的开口，调节流入透平的流量，并保持流量调节阀的入口压力在预设压力阈值内，适应不同负载需求。

图5为本申请实施例四提供的布雷顿再压缩循环发电系统的结构示意图。本实施例四提供的布雷顿再压缩循环发电系统包括压缩机10、加热器20、透平30、冷却器40、缓冲器50、以及回热器90。

与图3所示的布雷顿循环发电系统的不同之处在于：再压缩机100和高温回热器110。为了将再压缩机100与压缩机10区分，此处将压缩机10称为主压缩机10，为了将高温回热器110与回热器90区分，此处将回热器称为低温回热器90。其中，主压缩机10的输出端与低温回热器90的热输入端连接，低温回热器90的热输出端与高温回热器110的热输入端连接，高温回热器110的热输出端与加热器20的输入端连接，加热器20的输出端与透平30的输入端连接。透平30的输出端与高温回热器110的冷输入端连接，高温回热器110的冷输出端与低温回热器90的冷输入端连接，低温回热器90的冷输出端与冷却器40的输入端连接，冷却器40的输出端与主压缩机10的输入端连接。再压缩机100的输入端与低温回热器90的冷输出端连接，再压缩机100的输出端与高温回热器110的热输入端连接。

作为优选方案，压缩机10、透平30和发电机50共用同一根动力轴。透平30为发电机50提供机械能，使发电机50输出电能。同时为压缩机10提供机械能，使压缩机10压缩气体后，输出高压气体。

下面描述本实施例提供的布雷顿再压缩循环发电系统的工作原理：经由透平流出的气体经过高温回热器和低温回热器两次冷却后，在低温回热器的冷输出端分成两路，一路再次进入再压缩机，压缩成高压气体，另一路经过冷却器再次冷却，再进入主压缩机进行压缩，主压缩机流出的高压气体从低温回热器的热输入端进入，进行预热，经由低温回热器的热输出端流出气体和经由再压缩机流出气体在回热器汇合，再进入回热器中预热，再进入加热器中加热，变成高温高压的气体。高温高压的气体在透平中膨胀做功驱动透平旋转，透平带动压缩机和发电机运转，发电机将机械能转换为电能输出，压缩机继续压缩气体。膨胀做功后的气体变成低压气体，并由透平30的输出端流出，低压气体经过高温回热器预冷。

当电网所需电能变化时，控制器根据电网侧电压和电网侧电流生成电网侧功率，并根据电网侧功率和功率给定值生成流量调节阀的控制信号，控制流量调节阀的开口大小，控制流入透平的流量。控制器根据压力传感器采集流量调节阀的入口压力和预设压力阈值生成控制信号，控制旁通阀的开口大小，控制流过旁通阀的流量大小，以对加热器输出流量进行分流，调节流量调节阀的入口压力。

本实施例四提供的布雷顿再压缩循环发电系统，在布雷顿回热循环发电系统中设置流量调节阀和旁通阀，当负载需求变化时，控制流量调节阀和旁通阀的开口，调节流入透平的流量，并保持流量调节阀的入口压力在预设压力阈值内，适应不同负载需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。