布雷顿循环发电系统
技术领域
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(Supercritical Carbon Dioxide，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、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在透平中进行膨胀做功，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，基于上述分析可知，不考虑SCO2的损耗情况下，SCO2布雷顿循环发电系统在工作时内部SCO2的质量保持不变。
然而，现有的SCO2布雷顿循环发电系统无法在不停机情况下调整系统内循环的工质质量，导致无法维持系统的压力稳定。
实用新型内容
本申请提供一种布雷顿循环发电系统，以解决现有的SCO2布雷顿循环发电系统无法在不停机情况下调整系统内循环的工质质量，导致无法维持系统的压力稳定的技术问题。
本实用新型提供一种布雷顿循环发电系统，包括：压缩机、加热器、冷却器、透平、及缓冲器；
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；
高压通道包括处于压缩机的输出端到透平的输入端之间通道，低压通道包括处于透平的输出端到压缩机的输入端之间通道，缓冲器的第一端与高压通道连接，缓冲器的第二端与低压通道连接。
可选地，缓冲器包括：缓冲罐、第一阀门、及第二阀门；
缓冲罐的第一端与高压通道连接，缓冲罐的第二端与低压通道连接，第一阀门位于缓冲罐的第一端，第二阀门位于缓冲罐的第二端。
可选地，缓冲罐设有进气端；其中，进气端用于与气源连接，当缓冲罐内气压低于低压管道的气压时，气源向缓冲罐输入气体。
可选地，缓冲罐设有出气端；当缓冲罐内气压高于高压管道的气压时，缓冲罐通过出气端排出气体。
可选地，缓冲器还包括：第一压力变送器；
第一压力变送器位于高压通道上，第一压力变送器的输出端与第一阀门的控制端连接。
可选地，缓冲器还包括：第二压力变送器；
第二压力变送器位于低压通道上，第二压力变送器的输出端与第二阀门的控制端连接。
可选地，第一阀门包括第一流量调节阀和第一单向止回阀；
第一流量调节阀的输入端与高压管道连接，第一流量调节阀的输出端与第一单向止回阀的输入端连接，第一单向止回阀的输出端与缓冲罐的第一端连接。
可选地，第二阀门包括第二流量调节阀和第二单向止回阀；
第二单向止回阀的输入端与缓冲罐的第二端连接，第二单向止回阀的输出端与第二流量调节阀的输入端连接，第二流量调节阀的输出端与低压通道连接。
可选地，当高压通道中气压满足第一预设条件时，缓冲罐通过开启第一阀门吸收高压通道中的气体。
可选地，当低压通道中气压满足第二预设条件时，缓冲罐通过开启第二阀门向高压通道输入气体。
本申请提供一种布雷顿循环发电系统，该系统包括：压缩机、加热器、冷却器、透平、及缓冲器。其中，缓冲器的第一端与处于压缩机的输出端到透平的输入端之间高压通道连接，缓冲器的第二端与处于透平的输出端到压缩机的输入端之间低压通道连接，当高压通道中气压满足第一预设条件时，缓冲罐通过开启第一阀门吸收高压通道中的气体。当低压通道中气压满足第二预设条件时，缓冲罐通过开启第二阀门向低压通道输入气体，实现在线调整系统内循环的工质质量，维持系统的压力稳定。
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-缓冲器；
60-回热器；
70-再压缩机；
80-低温回热器；
51-缓冲罐；
52-第一阀门；
53-第二阀门；
54-第一压力变送器；
55-第二压力变送器；
521-第一流量调节阀；
522-第一单向止回阀；
531-第二流量调节阀；
532-第二单向止回阀。
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、及冷却器40。其中，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在透平中进行膨胀做功，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。基于上述分析可知，不考虑SCO2的损耗情况下，SCO2布雷顿循环发电系统在工作时内部SCO2的质量保持不变。因此，现有的SCO2布雷顿循环发电系统无法在不停机情况调整SCO2的质量，以维持布雷顿循环发电系统的压力稳定。
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、及缓冲器50。
其中，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。压缩机10的动力输入端用于驱动机的动力输出端连接，以使驱动机驱动压缩机工作。驱动机可为发动机、电动机、透平等类型。透平30的动力输出端用于发电机连接。
其中，高压通道包括处于压缩机10的输出端到透平30的输入端之间通道，低压通道包括处于透平30的输出端到压缩机10的输入端之间通道。缓冲器的第一端与高压通道连接，缓冲器的第二端与低压通道连接。
通过驱动机驱动压缩机工作，使压缩机10将气体压缩输出高压气体，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透平30。因此，处于压缩机10的输出端到透平30的输入端之间通道内的气体是高压气体，处于压缩机10的输出端到透平30的输入端之间通道为高压通道。
高温高压的气体在透平30中进行膨胀做功，膨胀后的气体压力降低，由透平30流出的气体经过冷却器40冷却再次进入压缩机10，实现SCO2的循环利用。因此，处于透平30的输出端到压缩机10的输入端之间的通道内的气体是低压气体，处于透平30的输出端到压缩机10的输入端之间的通道为低压通道。
高压通道包括压缩机10的输出到加热器20的输入端之间的高压管道、加热器20、及加热器20的输出端至透平30的输入端之间的高压管道。可在压缩机10和加热器20之间高压管道、加热器20本体、或者加热器20和透平30之间高压管道设置高压接入点，缓冲器的第一端通过高压接入点与高压通道连接。
当高压通道中气压满足第一预设条件时，缓冲器吸收高压通道中的气体。其中，第一预设条件包括以下任意一项：高压通道中气压大于高压通道的第一阈值气压，或者高压通道中的气压与第一阈值气压之间的差值达到预设阈值。其中，第一阈值气压和预设阈值根据发电系统的实际情况确定。
低压通道包括透平30的输出端至冷却器40的输入端之间的低压管道、冷却器40、及冷却器40的输出端至压缩机10输入端之间的低压管道。可在透平30和冷却器40之间的低压管道、冷却器本体上、或者冷却器40和压缩机10之间的低压管道上设置低压接入点，缓冲器的第二端通过低压接入点与低压通道连接。
当低压通道中气压满足第二预设条件时，缓冲器向低压通道输入气体。其中，第一预设条件包括以下任意一项：低压通道中气压小于低压通道的第二阈值气压，或者低压通道中的气压与第二阈值气压之间的差值达到预设阈值。其中，第二阈值气压和预设阈值根据发电系统的实际情况确定。
缓冲器内的气压小于高压通道内的气压，且缓冲器内的气压大于低压通道内的气压，当高压通道中气压满足第一预设条件时，能保证缓冲器吸收高压通道中的气体。当低压通道中气压满足第二预设条件时，能保证缓冲器向低压通道输入气体。
在本实施例一中，气体可以为任何可用于布雷顿循环发电系统的物质，优选为SCO2。
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：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进行膨胀做功，膨胀后的气体压力降低，由透平流出的气体经过冷却器冷却再次进入压缩机。监控高压通道中气压和低压通道中气压，判断高压通道中气压是否满足第一预设条件，当高压通道中气压满足第一预设条件时，缓冲器通过吸收高压通道中的气体，以降低高压通道中气体压力。判断低压通道中气压是否满足第二预设条件，当低压通道中气压满足第二预设条件时，缓冲器通向低压通道输入气体。
在本实施例一提供的布雷顿循环发电系统中，当高压通道中气压满足第一预设条件时，缓冲器通过吸收高压通道中的气体。当低压通道中气压满足第二预设条件时，缓冲器通过向低压通道输入气体，控制缓冲器与高压管道和低压管道之间气体的流动，以稳定高压管道和低压管道中气压，保证布雷顿循环发电系统安全可靠工作。
图3为本申请实施例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、及缓冲器50。
与图2所示的布雷顿循环发电系统的不同之处在于：缓冲器50包括：缓冲罐51、第一阀门52、第二阀门53、第一压力变送器54、及第二压力变送器55。其中，缓冲罐51的第一端与高压通道连接，第一阀门52位于缓冲罐 51的第一端，通过控制第一阀门52的开启和关闭控制缓冲罐51吸收的高压通道中气体的流量。缓冲罐51的第二端与低压通道连接，第二阀门53位于缓冲罐51的第二端，通过控制第二阀门53的开启和关闭控制缓冲罐51向低压管道输入的气体的流量。
第一压力变送器54位于高压通道上，第一压力变送器54的输出端与第一阀门52的控制端连接。第一压力变送器54监控高压通道中气压，若高压通道中气压不满足第一预设条件时，第一阀门52关闭，若高压通道中气压满足第一预设条件时，第一阀门52开启，缓冲罐51吸收高压通道中的气体，以降低高压通道中气体压力。
第二压力变送器55位于低压通道上，第二压力变送器55的输出端与第二阀门53的控制端连接。第二压力变送器55监控低压通道中气压，当低压通道中气压不满足第二预设条件时，第二阀门53关闭，当低压通道中气压满足第二预设条件时，第二阀门53开启，缓冲罐51向低压通道输入气体。
其中，第一阀门52包括第一流量调节阀521和第一单向止回阀522。第一流量调节阀521的输入端通过高压接入点与高压管道连接，第一流量调节阀521的输出端与第一单向止回阀522的输入端连接，第一单向止回阀522 的输出端与缓冲罐51的第一端连接，第一压力变送器54的输出端与第一流量调节阀521的控制端连接。
若高压通道中气压不满足第一预设条件时，控制第一流量调节阀521关闭，若高压通道中气压满足第一预设条件时，控制第一流量调节阀521开启，高压通道中的气体经过第一流量调节阀521和第一单向止回阀522进入缓冲罐51，第一单向止回阀522单向开启，第一单向止回阀522防止气体从缓冲罐51进入高压通道。
其中，第二阀门53包括第二流量调节阀531和第二单向止回阀532。第二单向止回阀532的输入端与缓冲罐51的第二端连接，第二单向止回阀532 的输出端与第二流量调节阀531的输入端连接，第二流量调节阀531的输出端通过低压接入点与低压通道连接，第二压力变送器55的输出端与第二流量调节阀531的控制端连接。
当低压通道中气压不满足第二预设条件时，控制第二流量调节阀531关闭，当低压通道中气压满足第二预设条件时，控制第二流量调节阀531开启，缓冲罐51的气体经过第二流量调节阀531和第二单向止回阀532进入低压通道。第二单向止回阀532单向开启，第二单向止回阀532防止气体从低压通道进入缓冲罐51。
其中，第一流量调节阀521和第二流量调节阀522可以为自力式流量调节阀、气动流量调节阀、液压流量调节阀、及电动流量调节阀。
缓冲罐是一个气体压力容器，起到补充或者吸收气体，使高压通道和低压通道压力稳定，为了保证缓冲罐与高压管道和低压管道之间气体的流动，该缓冲罐中压力介于高压管道的压力和低压管道的压力之间，也就是低于高压管道的压力，且高于低压管道的压力。通常情况下，高压管道的压力在 12～30MPa之间，低压管道的压力在7.38～10MPa之间。可保证缓冲罐中压力在10～12MPa之间。
缓冲罐51设有进气端，进气端用于与气源连接，缓冲罐51设有出气端，出气端用于排出缓冲罐内部气体。气源可以为存储有气体的储气罐、对气体进行压缩的压缩机、或者对气体进行压缩的增压泵。出气端可直接暴露在大气中，也可伸入到容器中。在布雷顿循环发电系统工作时，当缓冲罐内气压低于低压管道的气压时，气源向缓冲罐51输入气体，当缓冲罐51内气压高于高压管道的气压时，缓冲罐51通过出气端排出气体。
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进行膨胀做功，膨胀后的气体压力降低，由透平流出的气体经过冷却器冷却再次进入压缩机。第一压力变送器监控高压通道中气压，第二压力变送器监控低压通道中气压，判断高压通道中气压是否满足第一预设条件，当高压通道中气压满足第一预设条件时，开启第一流量调节阀，缓冲罐通过第一流量调节阀和第一单向止回阀吸收高压通道中的气体，以降低高压通道中气体压力。判断低压通道中气压是否满足第二预设条件，当低压通道中气压满足第二预设条件时，开启第二流量调节阀，缓冲罐通过第二流量调节阀和第二单向止回阀向低压通道输入气体。
在本实施例二中，通过设置压力变送器、流量调节阀以及单向止回阀控制缓冲罐与高压管道和低压管道之间气体的流动，以稳定高压管道和低压管道中气压，保证布雷顿循环发电系统安全可靠工作。
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60。
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 60，其中，回热器60的热输入端与压缩机10的输出端连接，回热器60的热输出端与加热器20的输入端连接，回热器60的冷输入端与透平30的输出端连接，回热器60的冷输出端与冷却器40的输入端连接。
其中，回热器60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60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60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中冷却介质的使用量，同时降低压缩机10 耗功。
其中，回热器60设有高压本体和低压本体，可在压缩机10和回热器20 之间高压管道、回热器的高压本体、回热器60和加热器20之间的高压管道、加热器20本体、或者加热器20和透平30之间高压管道设置高压接入点，第一流量调节阀521的输入端通过高压接入点与高压管道连接。
可在透平30和回热器60之间的低压通道、回热器的低压本体、回热器 60和冷却器40之间的低压管道、冷却器本体上、或者冷却器40和压缩机10 之间的低压管道上设置低压接入点，第二流量调节阀531的输出端通过低压接入点与低压通道连接。
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进行膨胀做功，膨胀后的气体压力降低，由透平流出的气体经过回热器预冷，再经过冷却器冷却再次进入压缩机。第一压力变送器监控高压通道中气压，第二压力变送器监控低压通道中气压，判断高压通道中气压是否满足第一预设条件，当高压通道中气压满足第一预设条件时，开启第一流量调节阀，缓冲罐通过第一流量调节阀和第一单向止回阀吸收高压通道中的气体，以降低高压通道中气体压力。判断低压通道中气压是否满足第二预设条件，当低压通道中气压满足第二预设条件时，开启第二流量调节阀，缓冲罐通过第二流量调节阀和第二单向止回阀低压通道输入气体。
本实施例三提供的布雷顿回热循环发电系统，控制缓冲罐与高压管道和低压管道之间气体的流动，以稳定高压管道和低压管道中气压，保证布雷顿回热循环发电系统安全可靠工作。
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60。
与图4所示的布雷顿循环发电系统的不同之处在于：再压缩机70和高温回热器80。为了与再压缩机区分，此处将压缩机10称为主压缩机10，为了与回热器60区分，此处将回热器称为低温回热器60。其中，主压缩机10的输出端与低温回热器60的热输入端连接，低温回热器60的热输出端与高温回热器80的热输入端连接，高温回热器80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80的冷输入端连接，高温回热器80的冷输出端与低温回热器60的冷输入端连接，低温回热器60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70的输入端与低温回热器60的冷输出端连接，再压缩机70的输出端与高温回热器80的热输入端连接。
高压通道包括主压缩机10的输出端与低温回热器60的热输入端之间通道、低温回热器60的热输出端与高温回热器80的热输入端之间通道、高温回热器80的热输出端与加热器20的输入端之间通道、加热器20的输出端与透平30的输入端之间通道、以及再压缩机70的输出端与高温回热器80的热输入端之间通道。
低压通道包括透平30的输出端与高温回热器80的冷输入端之间通道、高温回热器80的冷输出端与低温回热器60的冷输入端之间通道、低温回热器60的冷输出端与冷却器40的输入端之间通道、冷却器40的输出端与主压缩机10的输入端之间通道、以及再压缩机70的输入端与低温回热器60的冷输出端之间通道。
在上述高压管道上设有高压接入点，在上述低压管道上设有低压接入点。第一流量调节阀521的输入端通过高压接入点与高压管道连接。第二流量调节阀531的输入端通过低压接入点与低压管道连接。
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进行膨胀做功，膨胀后的气体压力降低。
第一压力变送器监控高压通道中气压，第二压力变送器监控低压通道中气压，判断高压通道中气压是否满足第一预设条件，当高压通道中气压满足第一预设条件时，开启第一流量调节阀，缓冲罐通过第一流量调节阀和第一单向止回阀吸收高压通道中的气体，以降低高压通道中气体压力。判断低压通道中气压是否满足第二预设条件，当低压通道中气压满足第二预设条件时，开启第二流量调节阀，缓冲罐通过第二流量调节阀和第二单向止回阀向低压通道输入气体。
本实施例四提供的布雷顿再压缩循环发电系统，控制缓冲罐与高压管道和低压管道之间气体的流动，以稳定高压管道和低压管道中气压，保证布雷顿再压缩循环发电系统安全可靠工作。
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。
