一种超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置及方法
技术领域
本发明涉及先进涡轮设备的技术领域，更具体地讲，涉及一种超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置及方法。
背景技术
超临界二氧化碳动力转换技术具有系统简化、效率高、体积小、易于实现模块建设等技术优势，超临界二氧化碳透平是该系统的核心设备之一，该透平与常规蒸汽轮机的明显区别在于透平运行工质为高温高压二氧化碳，且出口压力高。
超临界二氧化碳透平轴端密封采用干气密封，轴承采用滑动轴承是目前超临界二氧化碳透平采用的技术方案。但由于现阶段已有的干气密封主要针对中低温应用场景，干气密封的密封圈通常为橡胶材质，无法满足温度300℃以上工况的要求，因此透平气缸需设置冷却结构以将干气密封结构处的气缸温度降至300℃以下。透平停机时透平气缸冷却结构仍需持续冷却，若冷却失效将导致干气密封损坏。此外，干气密封密封端面磨损、外界异物坠入等均可能导致干气密封损坏，冷却失效或其他原因导致的干气密封损坏，将导致透平端部密封失效，透平内高温高压二氧化碳喷放至现场，可能引燃透平轴承箱内润滑油，危急现场安全。
目前超临界二氧化碳透平尚处于研发阶段，还未见到超临界二氧化碳透平干气密封失效时透平停机保护设施，相关保护方法对于超临界二氧化碳透平性能测试至关重要。鉴于此，本发明提出一种超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置，为超临界二氧化碳透平运行提供危急保护。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种能够为超临界二氧化碳透平运行提供危急保护的超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置及方法。
本发明的一方面提供了一种超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置，所述保护装置包括：
气缸冷却结构，对透平气缸中干气密封附近区域的缸体进行冷却；
二氧化碳保护单元，具有向气缸冷却结构提供二氧化碳冷却气的冷却支路，同时具有向透平轴承附近区域提供二氧化碳保护气的保护支路。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，所述冷却支路包括通过管路相连的二氧化碳储罐、二氧化碳泵、加热器和电动截止阀，所述冷却支路的出口与气缸冷却结构的进气口相连。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，所述保护支路包括通过管路相连的二氧化碳储罐和气动截止阀，所述保护支路的出口设置在透平轴承附近区域。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，所述冷却支路与保护支路并联设置并与同一个二氧化碳储罐相连。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，所述保护装置包括实时监测干气密封泄漏压力的压力变送器、实时监测气缸冷却结构壁温的温度变送器和控制单元，所述压力变送器和温度变送器与控制单元电连接。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，当所述温度变送器的检测温度值超限时，控制单元控制透平停机并自动接通冷却支路对透平气缸中干气密封的附近区域进行冷却；当所述压力变送器的检测压力值超限时，控制单元控制透平停机并自动接通保护支路对透平轴承附近区域进行喷气保护。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的一个实施例，所述气缸冷却结构设置在透平气缸中干气密封附近区域的缸体中，为螺旋结构、蛇形结构或环状结构。
本发明的另一方面提供了超临界二氧化碳透平干气密封失效保护方法，利用上述超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置进行失效保护。
本发明的再一方面提供了超临界二氧化碳透平干气密封失效保护方法，将壁温超限与透平停机和引入二氧化碳冷却气启动联锁控制，通过外接二氧化碳冷却气对透平气缸中干气密封的附近区域缸体进行冷却；将泄漏压力超限与透平停机和引入二氧化碳保护气启动联锁控制，通过外接二氧化碳保护气对失效干气密封失效时的透平轴承进行喷气保护。
根据本发明超临界二氧化碳透平干气密封失效保护方法的一个实施例，实时监测透平气缸中干气密封的附近区域缸体壁温，同时实时监测干气密封泄漏压力。
与常规方案相比，本发明的超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置及方法主要完成气缸冷却结构超温条件下透平干气密封保护和干气密封失效时透平轴承防护保护，一方面确保干气密封不被高温损坏，另一方面可以防止透平干气密封实现后泄漏的高温气体引燃轴承处的润滑油，为超临界二氧化碳透平运行提供危急保护并确保安全运行。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-透平、2-气缸冷却结构、3-轴承、4-润滑油箱、5-润滑油泵、6-二氧化碳储罐、7-二氧化碳泵、8-加热器、9-电动截止阀、10-气动截止阀、11-压力变送器、12-温度变送器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图1示出了根据本发明示例性实施例的超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的结构示意图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置包括气缸冷却结构2和二氧化碳保护单元。其中，气缸冷却结构2对透平气缸中干气密封附近区域的缸体进行冷却，其主要功能是降低干气密封附近透平气缸温度以确保干气密封不被高温损坏。
根据本发明，气缸冷却结构2设置在透平1气缸中干气密封附近区域的缸体中，可以为螺旋结构、蛇形结构或环状结构。
由于轴承3通过润滑油泵5与润滑油箱4相连，来自润滑油箱4的润滑油通过润滑油泵5输送至轴承3，当干气密封失效时透平1内的高温高压二氧化碳喷放至现场可能引燃透平轴承箱内润滑油而危急现场安全。二氧化碳保护单元一方面能够向气缸冷却结构2提供二氧化碳冷却气进行冷却，另一方面能够向透平轴承附近区域提供二氧化碳保护气进行保护。
具体地，本发明的二氧化碳保护单元具有向气缸冷却结构2提供二氧化碳冷却气的冷却支路，同时具有向透平1的轴承2附近区域提供二氧化碳保护气的保护支路。需要说明的是，本发明的二氧化碳冷却气是指将来自二氧化碳储罐等的二氧化碳气源经增压加热后获得的二氧化碳气体，本发明的二氧化碳保护气是来自于二氧化碳储罐等的二氧化碳气源不经过其他处理直接获得的二氧化碳气体。
其中，冷却支路包括通过管路相连的二氧化碳储罐6、二氧化碳泵7、加热器8和电动截止阀9，冷却支路的出口与气缸冷却结构2的进气口相连。当需要向气缸冷却结构2提供二氧化碳冷却器对缸体进行冷却时，从二氧化碳储罐6流出的低温二氧化碳经过二氧化碳泵7增压和加热器8加热后进入气缸冷却结构2，完成对干气密封附近透平气缸缸体的冷却。
保护支路包括通过管路相连的二氧化碳储罐6和气动截止阀9，保护支路的出口设置在透平轴承3附近区域。当需要对轴承3进行保护时，二氧化碳储罐6内二氧化碳经过管路喷放至透平轴承3附近，实现轴承保护。
优选地，冷却支路与保护支路并联设置并与同一个二氧化碳储罐6相连，但本发明不限于此。
根据本发明，保护装置还包括实时监测干气密封泄漏压力的压力变送器11、实时监测气缸冷却结构壁温的温度变送器12和控制单元(未示出)，压力变送器11和温度变送器12与控制单元电连接以在运行过程中实现自动连锁控制。
当温度变送器11的检测温度值超限时，控制单元控制透平1停机并自动接通冷却支路对透平气缸中干气密封的附近区域进行冷却；当压力变送器12的检测压力值超限时，控制单元控制透平1停机并自动接通保护支路对透平轴承附近区域进行喷气保护。由此，通过上述装置即可实现干气密封失效保护。
而本发明的失效保护方法具体为：将壁温超限与透平停机和引入二氧化碳冷却气启动联锁控制，通过外接二氧化碳冷却气对透平气缸中干气密封的附近区域缸体进行冷却；同时将泄漏压力超限与透平停机和引入二氧化碳保护气启动联锁控制，通过外接二氧化碳保护气对失效干气密封失效时的透平轴承进行喷气保护。其中，可以通过实时监测透平气缸中干气密封的附近区域缸体壁温实现温度监控，同时实时监测干气密封泄漏压力实现压力监控。
也即，通过实时监测气缸冷却结构壁温，将壁温超限与透平停机和冷却支路启动联锁控制，冷却支路通过外接二氧化碳气源并对二氧化碳增压升温后对气缸冷却结构进行降温。通过实时监测干气密封泄漏压力，将泄漏压力超限与透平停机和保护支路启动联锁控制，保护支路通过外接二氧化碳气源并对失效干气密封失效时的透平轴承进行防护保护。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的结构采取如图1所示的结构。
该超临界二氧化碳透平干气密封失效保护装置的工作流程如下：
A、控制压力变送器和温度变送器分别实时监测干气密封泄漏压力和气缸冷却结构壁温；
B、基于上述测量数据进行逻辑判断和控制。
当温度变送器测得的气缸冷却结构壁温超限时透平自动停机，同时电动截止阀自动打开，加热器自动投入，从二氧化碳储罐流出的低温二氧化碳经过二氧化碳泵增压，加热器加热后进入气缸冷却结构，完成对干气密封附近透平气缸缸体的冷却。当气缸冷却结构壁温低于限值时电动截止阀自动关闭，加热器自动切除；
当压力变送器测得的干气密封泄漏压力超限时，透平自动停机，同时气动截止阀自动打开，二氧化碳储罐内流出的低温二氧化碳经过管路喷放至透平轴承附近，防止透平干气密封实现后泄漏的高温气体引燃轴承处的润滑油。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
