[发明专利]一种超临界二氧化碳循环系统以及透平调节和紧急停机方法

权利要求书

1.一种超临界二氧化碳循环系统的透平调节和紧急停机方法，所述超临界二氧化碳循环系统，包括压缩机及其辅助调节系统、透平及其辅助调节系统、高压存储回路系统、低压存储回路系统、以及换热与流量控制系统；

所述压缩机及其辅助调节系统包括压缩机入口阀门(1)、压缩机干气密封流量控制阀(2)、压缩机变频电机(3)、压缩机(4)、压缩机防喘回路冷却器(5)、压缩机防喘阀(6)、压缩机出口阀门(7)和压缩机排空阀(31)；压缩机及辅助调节系统的作用是对超临界二氧化碳循环系统中冷态工质进行压缩并提升压力；压缩机变频电机(3)能够根据频率指令调节压缩机转速来达到调节压缩机出力；压缩机防喘阀(6)根据压缩机工况点的位置自动动作来防止喘振或主动动作作为压缩机出力调节；压缩机防喘回路冷却器(5)作用是运行过程中用来控制压缩机(4)入口温度；压缩机干气密封流量控制阀(2)用来控制干气密封气体流量；压缩机排空阀(31)用作启机及紧急停机过程中调节压缩机内部腔室压力；

所述透平及其辅助调节系统包括透平入口调节阀(15)、透平盘车电机(16)、透平(17)、发电机(18)、透平旁路调节阀(19)、透平干气密封控制阀(20)、透平出口逆止阀(21)和透平排空阀(30)；透平入口调节阀(15)通过调节透平入口工质流量来控制透平输出功率；透平盘车电机(16)用作透平启动前及停机后对透平进行低速盘车；透平(17)带动发电机(18)转动发电；透平旁路调节阀(19)用来调节热态工质通过透平的质量流量；透平干气密封控制阀(20)用来控制干气密封气体流量；透平出口逆止阀(21)用来防止透平出口工质反向流入透平内部；透平排空阀(30)用作启机及紧急停机过程中调节透平内部腔室压力；

所述高压存储回路系统包括高压存储回路入口阀门(9)、高压存储回路冷却器(10)、高压工质存储罐(11)、高压存储回路加热器(12)和高压存储回路出口阀门(13)，其中高压存储回路入口阀门(9)及高压存储回路出口阀门(13)用于对流入或流出高压工质存储罐(11)的工质流量进行控制；高压存储回路冷却器(10)及高压存储回路加热器(12)用于对流入或流出高压工质存储罐(11)的工质温度进行控制；高压工质存储罐(11)用于停机或降负荷阶段对压缩机出口的高压工质进行存储；

所述低压存储回路系统包括低压存储回路入口阀门(24)、工质补充入口控制阀(23)和低压存储回路冷却器(25)、低压工质存储罐(26)、低压存储回路加热器(27)和低压存储回路出口阀门(28)，其中低压存储回路入口阀门(24)及低压存储回路出口阀门(28)用于对流入或流出低压工质存储罐(26)的工质流量进行控制；工质补充入口控制阀(23)用于启机前对低压工质存储罐(26)补充工质时的流量进行控制；低压存储回路冷却器(25)及低压存储回路加热器(27)用于对流入或流出低压工质存储罐(26)的工质温度进行控制；低压工质存储罐(26)用于启机前对工质进行存储，启机或调整负荷阶段对压缩机(4)入口压力进行控制；

所述换热与流量控制系统包括主加热器入口控制阀(8)、主回路加热器(14)、主回路冷却器(22)、主冷却器出口控制阀(29)和回热器(32)，其中主加热器入口控制阀(8)及主冷却器出口控制阀(29)用于对主回路中工质流量进行控制，回热器(32)用于对压缩机(4)出口冷态工质及透平(17)出口热态工质进行热交换，对压缩机(4)出口冷态工质进行加热，并对透平(17)出口热态工质进行冷却；主回路加热器(14)的作用是对回热器(32)冷侧出口工质进行进一步加热升温；主回路冷却器(22)的作用是对回热器(32)热侧出口工质进行进一步冷却降温；

超临界二氧化碳循环系统中各部件的具体连接关系如下：

所述压缩机入口阀门(1)阀后分别与压缩机(4)入口、压缩机防喘回路冷却器(5)出口相连通；压缩机干气密封流量控制阀(2)阀前与干气密封气源相连通，阀后与压缩机(4)内腔相连通；压缩机排空阀(31)阀前与压缩机(4)内腔相连通，阀后直通大气；压缩机变频电机(3)与压缩机(4)采用联轴器连接；压缩机(4)出口分别与压缩机防喘阀(6)阀前、压缩机出口阀门(7)阀前相连通；压缩机防喘阀(6)阀后与压缩机防喘回路冷却器(5)入口相连通；压缩机出口阀门(7)阀后分别与高压存储回路入口阀门(9)阀前、主加热器入口控制阀(8)阀前相连通；高压存储回路入口阀门(9)阀后与高压存储回路冷却器(10)入口相连通；高压存储回路冷却器(10)出口与高压工质存储罐(11)入口相连通；高压工质存储罐(11)出口与高压存储回路加热器(12)入口相连通；高压存储回路加热器(12)出口与高压存储回路出口阀门(13)阀前相连通；主加热器入口控制阀(8)阀后、高压存储回路出口阀门(13)阀后均与回热器(32)冷侧入口相连通；回热器(32)冷侧出口与主回路加热器(14)入口相连通；主回路加热器(14)出口分别与透平入口调节阀(15)阀前、透平旁路调节阀(19)阀前相连通；透平入口调节阀(15)阀后与透平(17)入口相连通；透平(17)与发电机(18)采用联轴器连接；透平盘车电机(16)与透平(17)之间采用离合器连接；透平干气密封控制阀(20)阀前与干气密封气源相连通，阀后与透平(17)内腔相连通；透平排空阀(30)阀前与透平(17)内腔相连通，阀后直通大气；透平(17)出口与透平出口逆止阀(21)阀前相连通；透平出口逆止阀(21)阀后、透平旁路调节阀(19)阀后均与回热器(32)热侧入口相连通；回热器(32)热侧出口与主回路冷却器(22)入口相连通；主回路冷却器(22)出口分别与低压存储回路入口阀门(24)阀前、主冷却器出口控制阀(29)阀前相连通；工质补充入口控制阀(23)阀前与工质储罐相连通，阀后分别与低压存储回路入口阀门(24)阀后、低压存储回路冷却器(25)入口相连通；低压存储回路冷却器(25)出口与低压工质存储罐(26)入口相连通；低压工质存储罐(26)出口与低压存储回路加热器(27)入口相连通；低压存储回路加热器(27)出口与低压存储回路出口阀门(28)阀前相连通；低压存储回路出口阀门(28)阀后、主冷却器出口控制阀(29)阀后均与压缩机入口阀门(1)阀前相连通；

其中：压缩机(4)出口、回热器(32)冷侧、主回路加热器(14)、透平(17)、回热器(32)热侧、主回路冷却器(22)和压缩机(4)入口依次连接形成主回路，发电循环过程中，二氧化碳工质依次经过压缩机(4)压缩升压、回热器(32)升温、主回路加热器(14)再次升温、透平(17)膨胀做功及发电机(18)发电、回热器(32)降温、主回路冷却器(22)再次降温后，回到压缩机入口，完成一个做功循环；

其特征在于，所述透平调节和紧急停机方法，机组运行期间，在发电负荷及透平转速稳定的情况下，保持压缩机防喘阀(6)、高压存储回路入口阀门(9)、高压存储回路出口阀门(13)、透平旁路调节阀(19)、低压存储回路入口阀门(24)及低压存储回路出口阀门(28)开度处于0％关闭状态；停运压缩机防喘回路冷却器(5)、高压存储回路冷却器(10)、高压存储回路加热器(12)、低压存储回路冷却器(25)及低压存储回路加热器(27)；保持压缩机入口阀门(1)、压缩机出口阀门(7)、主加热器入口控制阀(8)和主冷却器出口控制阀(29)开度处于100％全开状态；调节主回路冷却器(22)冷却介质流量将压缩机(4)入口温度保持在35℃～45℃；调节主回路加热器(14)功率将透平入口调节阀(15)前工质温度稳定在550℃～600℃之间；通过透平入口调节阀(15)与压缩机变频电机(3)运行频率的联合调节，将透平入口调节阀(15)开度稳定在80％～100％之间；将压缩机变频电机(3)运行频率稳定在30Hz～50Hz；

系统运行期间需要增加发电负荷时，通过对低压存储回路出口阀门(28)、低压存储回路加热器(27)及主回路冷却器(22)的联合调节，从低压工质存储罐(26)向主回路循环中增加工质，并保持压缩机(4)入口工质压力处于4MPa～7MPa之间，温度处于35℃～45℃；同时增加主回路加热器(14)的加热功率保持透平入口调节阀(15)前工质温度稳定在550℃～600℃；

系统运行期间需要减少发电负荷时，需要通过打开高压存储回路入口阀门(9)，调节高压存储回路冷却器(10)功率，从主回路循环中泄放工质至高压工质存储罐(11)，并保持压缩机(4)入口工质压力处于4MPa～7MPa之间，温度处于35℃～45℃；同时降低主回路加热器(14)的加热功率保持透平入口调节阀(15)前工质温度稳定在550℃～600℃；

当发电负荷波动或小范围调节时，保持压缩机变频电机(3)运行频率稳定，保持透平入口调节阀(15)阀前压力稳定，通过调节透平入口调节阀(15)开度在80％～100％开度范围内变化，从而降低透平入口调节阀(15)阀后压力进行定压节流调节；

当大幅度调节发电负荷，并且透平入口调节阀(15)开度在80％～100％开度内变动已无法满足调节需求时，则通过提高压缩机变频电机(3)运行频率，进而调节透平入口调节阀(15)阀前压力进行滑压调节，调节负荷期间，需要保持压缩机(4)入口压力及温度稳定，保持透平入口调节阀(15)阀前工质温度稳定；

当系统需要快速甩负荷，并且通过压缩机变频电机(3)运行频率的操作无法满足发电负荷的快速调整时，通过快速关小透平入口调节阀(15)开度至80％以下，快速开大透平旁路调节阀(19)开度，快速开大压缩机防喘阀(6)开度，快速减少主回路加热器(14)加热功率，快速增加主回路冷却器(22)冷却介质流量，快速打开高压存储回路入口阀门(9)开度至100％，开启高压存储回路冷却器(10)，从主回路循环中泄放工质至高压工质存储罐(11)；当降低至目标后，逐步关闭压缩机防喘阀(6)及透平旁路调节阀(19)开度至0％，逐步降低压缩机变频电机(3)运行频率并保持压缩机进出口压力稳定，逐步开大透平入口调节阀(15)开度至80％～100％并保持其阀后介质压力稳定；同时缓慢调节主回路加热器(14)加热功率及主回路冷却器(22)冷却介质流量，保持透平入口调节阀(15)阀前介质温度稳定；待系统压力及温度稳定后，关闭高压存储回路入口阀门(9)，关停高压存储回路冷却器(10)；

当系统需要紧急停机时，快速开大透平旁路调节阀(19)开度至100％，快速关小透平入口调节阀(15)开度至0％，快速开大透平排空阀30开度至100％，快速将压缩机防喘阀(6)开度开大至5％～30％，快速关停主回路加热器(14)，快速增加主回路冷却器(22)冷却介质流量，快速打开高压存储回路入口阀门(9)开度至100％，开启高压存储回路冷却器(10)，从主回路循环中泄放工质至高压工质存储罐(11)；确保主回路加热器(14)温度未升温超标后，关停压缩机变频电机(3)，等压缩机(4)转速降至0后，关闭压缩机干气密封流量控制阀(2)；

当透平转速降至0后，立即启动透平盘车电机(16)对透平进行低速盘车，启动透平冷却风机对透平外缸进行冷却，调小透平干气密封控制阀(20)开度，保持透平干气密封流量处于50Nm³/h～200Nm³/h小流量范围内，通过调节透平排空阀(30)开度及透平冷却风机风量对透平缸体温度冷却速率进行控制，监测并保持透平(17)缸体内外壁温差范围控制在20℃～50℃，保持以上状态直至透平(17)内壁温度小于180℃，关停透平盘车电机(16)及透平冷却风机，关闭干气密封控制阀(20)及透平排空阀(30)开度至0％。