阅读说明：本技术 发电装置的主机系统、发电装置及发电系统 (Host system of power generation device, power generation device and power generation system ) 是由 陈健 赵磊 张胜龙 张少锋 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种发电装置的主机系统、发电装置及发电系统。该主机系统包括：透平、压缩机、电动发电机和变速箱。电动发电机具有发电机与电动机两种功能,变速箱包括三个轴伸端用以与压缩机、透平及电动发电机分别固连,在主机系统启动时,电动发电机以电动机模式工作,带动透平和压缩机运转,当透平的输出功大于主机系统的消耗功时,电动发电机切换为发电机模式,透平带动压缩机和电动发电机旋转,通过电动发电机和变速箱的使用,减少旋转设备的使用数目,从而简化了主机系统的轴系,并减少了主机系统的故障点。(the invention provides a host system of a power generation device, the power generation device and a power generation system. The host system includes: a turbine, a compressor, a motor generator, and a gearbox. The motor generator has two functions of a generator and a motor, the gearbox comprises three shaft extension ends for being respectively fixedly connected with the compressor, the turbine and the motor generator, when the host system is started, the motor generator works in a motor mode to drive the turbine and the compressor to operate, when the output power of the turbine is greater than the consumed power of the host system, the motor generator is switched into a generator mode, the turbine drives the compressor and the motor generator to rotate, through the use of the motor generator and the gearbox, the use number of rotating equipment is reduced, so that a shafting of the host system is simplified, and fault points of the host system are reduced.)

发电装置的主机系统、发电装置及发电系统

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种发电装置的主机系统、发电装置及发电系统。

背景技术

超临界二氧化碳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，SCO₂)布雷顿循环发电系统。由于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有效率高、系统体积小、噪声低、环保、经济等优点，被视为未来发电的主要发展发向之一，在诸多领域有良好的应用前景。

现有技术中，SCO₂简单布雷顿循环发电系统和SCO₂简单回热布雷顿循环发电系统的主机系统包括压缩机系统和发电机系统两套旋转设备，其中，压缩机系统包括一台电动机和一台压缩机或者一台透平和一台压缩机两种实现方式，通过电动机或者透平带动压缩机做功，为SCO₂加压，发电机系统包括一台透平和一台发电机，通过透平带发电机做功，实现发电。

然而，现有的主机系统存在旋转设备多、结构复杂和故障点多的问题。

发明内容

本发明提供一种发电装置的主机系统、发电装置及发电系统，以解决现有技术的主机系统旋转设备多、结构复杂和故障点多的问题。

第一方面，本发明提供一种发电装置的主机系统，包括：

压缩机、透平、电动发电机和变速箱；

所述电动发电机具有发电机与电动机两种功能；

所述变速箱包括三个轴伸端；所述变速箱的三个轴伸端与所述压缩机、所述透平及所述电动发电机分别固连；所述变速箱用于改变轴伸端之间的传动比；

在所述主机系统启动时，所述电动发电机以电动机模式工作，带动所述透平和所述压缩机运转；当所述透平的输出功大于所述主机系统的消耗功时，所述电动发电机切换为发电机模式，所述透平带动所述压缩机和所述电动发电机旋转。

可选地，所述变速箱的三个轴伸端分别固连在三个齿轮上；

所述压缩机、所述透平及所述电动发电机分别与对应的一个齿轮上的轴伸端固连。

可选地，所述变速箱的三个轴伸端固连在第一齿轮和第二齿轮上；其中一个轴伸端固连在第一齿轮上，另外两个轴伸端固连在第二齿轮上；

所述电动发电机与所述第一齿轮上的一个轴伸端固连；所述压缩机、所述透平分别与所述第二齿轮上的两个轴伸端固连。

可选地，所述变速箱的三个轴伸端固连在第一齿轮和第二齿轮上；其中一个轴伸端固连在第一齿轮上，另外两个轴伸端固连在第二齿轮上；

所述透平与所述第一齿轮上的一个轴伸端固连；所述电动发电机、所述压缩机分别与所述第二齿轮上的两个轴伸端固连。

可选地，所述变速箱的三个轴伸端固连在第一齿轮和第二齿轮上；其中一个轴伸端固连在第一齿轮上，另外两个轴伸端固连在第二齿轮上；

所述压缩机与所述第一齿轮上的一个轴伸端固连；所述电动发电机、所述透平分别与所述第二齿轮上的两个轴伸端固连。

可选地，所述透平位于所述变速箱的一侧，所述压缩机和所述电动发电机位于所述变速箱的另一侧。

可选地，所述压缩机位于所述变速箱的一侧，所述透平和所述电动发电机位于所述变速箱的另一侧。

可选地，所述电动发电机位于所述变速箱的一侧，所述压缩机和所述透平位于所述变速箱的另一侧。

第二方面，本发明提供一种发电装置，包括：回热器、热源、冷却器以及如上述所述的主机系统；

所述热源的输入端与所述回热器相连，所述热源的输出端与所述主机系统中透平的输入端相连，用于对从所述回热器输出的工质进行再加热，并将加热后的工质输送给所述透平；

所述冷却器与所述主机系统中的压缩机的输入端相连，用于在工质进入所述压缩机之前，对所述工质进行冷却；

所述回热器与所述主机系统中的压缩机的输出端相连，用于对所述压缩机加压后的工质进行预热，并将预热后的工质输送给所述热源。

第三方面，本发明提供一种发电系统，包括：辅助设备和如上述所述的发电装置。

本发明提供一种发电装置的主机系统、发电装置及发电系统。该主机系统包括：透平、压缩机、电动发电机和变速箱。电动发电机具有发电机与电动机两种功能，通过变速箱包括三个轴伸端分别与压缩机、透平及电动发电机的固连，以改变与不同轴伸端固连的旋转设备之间的传动比，在主机系统启动时，电动发电机以电动机模式工作，带动透平和压缩机运转，当透平的输出功大于主机系统的消耗功时，电动发电机切换为发电机模式，透平带动压缩机和电动发电机旋转，通过在主机系统中设置电动发电机和变速箱将原有主机系统中压缩机系统和发电机系统的两个轴系进行有机结合，减少了旋转设备的使用数目，从而简化了主机系统的轴系，减少主机系统的故障点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的SCO₂简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施一的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施二的一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施二的另一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施二的又一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施二的又一种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的发电装置实施例一的结构示意图。

附图标记说明：

10-主机系统；

11-压缩机；

12-透平；

13-电动发电机；

14-变速箱；

G1、G2、G3-分别为变速箱的三个齿轮；

S1、S2、S3-分别为变速箱的三个轴伸端；

20-发电装置；

21-回热器；

22-热源；

23-冷却器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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。

SCO₂布雷顿循环发电系统一种以SCO₂作为循环工质的闭式循环发电系统。图1给出了SCO₂简单回热布雷顿循环发电系统的结构示意图。SCO₂布雷顿循环发电系统主要包括热源、透平、发电机、压缩机、冷却器和回热器等核心部件，循环过程中，工质始终处于超临界态，低温低压的SCO₂工质经过压缩机升压后，在回热器内与气轮机排出的乏气换热以实现预热，预热到一定温度后，被热源(工业余热、核反应堆、化石燃料或太阳能等)进一步加热，随后进入透平膨胀做功带动发电机发电，做完功的乏气由气缸排出，进入回热器与压缩机排出的低温高压工质换热，达到预冷的目的，预冷后的工质进入冷却器进行进一步冷却，冷却后的SCO₂再次进入压缩机进行下一次循环。

需要说明的是，本发明实施例适用于SCO₂简单布雷顿循环发电系统和SCO₂简单回热布雷顿循环发电系统中，本发明实施例中的主机系统是指由旋转机械构成的机械系统，例如，在上述图1中电动机、压缩机、透平及发电机构成主机系统。

现有技术中，主机系统通常包括压缩机系统和发电机系统两个轴系，其中，压缩机系统为“电动机+压缩机”或者“透平+压缩机”的方式，即通过电动机或者透平作为动力源带动压缩机运转，发电机系统为“透平+发电机”的方式，即通过透平内气体的等熵膨胀，带动发电机工作，实现发电。然而现有技术的主机系统存在以下缺陷：

(1)压缩机系统采用“电动机+压缩机”的方式时，一方面，采用该种设计的主机系统包括一台压缩机、一台电动机、一台透平和一台发电机，构成压缩机系统和发电机系统两个轴系系统，系统复杂，旋转设备多，故障点多。另一方面，采用电动机驱动压缩机，相当于先将发电系统的机械能先转化为电能，再由电能转化为压缩机的机械能，转化过程中存在较大的能量损失。此外，由于进入压缩机时，SCO₂的压力略大于7.38MPa，即压缩机入口压力略大于7.38MPa，从压缩机出来时，SCO₂的压力一般在12至35Mpa，即压缩机的出口压力为12至35Mpa，所以，压缩机的出口压力远大于入口压力，因此，压缩机的轴向推力非常大，从而造成压缩机系统的设计难度非常高。同理，由于进入透平时，SCO₂的压力一般在12至35Mpa，从透平出来时，SCO₂的压力一般略大于7.38Mpa，即透平的入口压力远大于出口压力，因此，透平的轴向推力非常大，从而造成发电机系统的设计难度非常高。

(2)压缩机系统采用“透平+压缩机”的方式时，通过一台压缩机、两台透平和一台发电机构成包括压缩机系统和发电机系统两个轴系的主机系统，同样具有系统复杂、旋转设备多、故障点多的缺点。

(3)系统复杂，且系统不够紧凑，占地面积大。

针对上述问题，本发明提供一种发电装置的主机系统、发电装置及发电系统，解决了现有技术中主机系统旋转设备多、系统复杂、故障点多的问题，同时，减少了SCO₂布雷顿循环发电系统的占地面积，此外，相比于现有技术中电动机驱动压缩机方案，本发明的技术方案减少了能量转换转移的次数，有效减小能量损失，本发明的技术方案当采用透平与压缩机背靠背的布置方式时，还可以极大抵消透平与压缩机的轴向推力，从而减小发电机系统的设计难度，降低了运行风险。

图2为本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施一的结构示意图，如图2所示，本实施例中主机系统10包括：

压缩机11、透平12、电动发电机13和变速箱14。

其中，电动发电机13具有发电机与电动机两种功能。

变速箱14包括三个轴伸端，变速箱14的三个轴伸端与压缩机11、透平12及电动发电机13分别固连。变速箱14用于改变轴伸端之间的传动比。

在主机系统启动时，电动发电机13以电动机模式工作，带动透平12和压缩机11以相同的转速运转，当透平12的输出功大于主机系统10的消耗功时，电动发电机13切换为发电机模式，由透平12带动压缩机11和电动发电机13旋转。

压缩机11是一种将低压工质提升为高压工质的从动的流体机械，本发明实施例中，压缩机11可以使用螺杆压缩机，也可以使用离心式压缩机、轴流式压缩机或者离心+轴流式压缩机，或其它型式的压缩机，发明人对此不作限制。

透平12也叫做涡轮、膨胀机等，是一种旋转式动力装置，高温高压的工质在透平12中膨胀，将工质的热能转变为机械能，同时对外做功。工质在透平12膨胀加速时，压力和温度降低，速度提高。

电动发电机13是一种能够进行电能与机械能转换的电机设备，由电机的可逆原理可知，同一台电动发电机13既能作为发电机运行，又能作为电动机运行。具体地，当电动发电机13以正扭矩工作时，相当于电动机，能够将电能转换成机械能，当电动发电机13以负扭矩工作时，相当于发电机，能够将机械能转换成电能。

变速箱14主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合改变传动比，扩大旋转设备的转矩和转速的变化范围。根据不同使用需求以及旋转设备的实际能力，合理选择变速箱的类型以及合理布置旋转设备与变速箱的连接方式，在满足实际应用的同时，最大限度地利用各旋转设备以减少能量的损失。

本发明实施例中，透平12的输出功大于主机系统10的消耗功是指透平12的输出功足以满足整个主机系统10进行发电时旋转所需要的功。

在一种可能的实现方式中，可以通过设置透平12转速的预设阈值，作为判断透平12的输出功大于主机系统10的消耗功的依据，在主机系统10启动后，控制系统监测透平12的转速，当汽车机12的转速大于该预设阈值时，切换电动发电机13为发电机模式，并由透平12带动压缩机11和电动发电机13旋转。

本发明实施例中，主机系统10包括：压缩机11、透平12、电动发电机13和变速箱14。通过使用具有发电机与电动机两种功能的电动发电机13，并且利用变速箱14的三个轴伸端与透平12、压缩机11及电动发电机13分别固连，在主机系统启动时，电动发电机13以电动机模式工作，带动透平12和压缩机11以相同的转速运转，当透平12的输出功大于主机系统的消耗功时，电动发电机13切换为发电机模式，由透平12带动压缩机11和电动发电机13工作，不仅简化了主机系统，减少了旋转设备的使用数量，以及减少了系统故障点和投资成本，同时，系统结构更加紧凑，从而减小了整个SCO₂布雷顿循环发电系统的占地面积。此外，相比于现有技术中电动机驱动压缩机方案，本发明的技术方案通过透平直接驱动压缩机，减少能量转换转移的次数，减小了能量损失。

在上述实施例一的基础上，本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施例二的主机系统10中，根据实际情况及使用需求，可以选用不同的变速箱14，以实现不同转速比的透平12、压缩机11和电动发电机13之间的连接。

在一种可能的实现方式中，示例性地，如图3所示，本实施例中变速箱14的三个轴伸端分别固连在三个齿轮上，压缩机11、透平12及电动发电机13分别与对应的一个齿轮上的轴伸端固连，用G1、G2、G3表示三个齿轮第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，S1、S2、S3分别表示三个齿轮对应的三个轴。

该实现方式适用于压缩机11、透平12及电动发电机13的转速均不相同的情况，通过选用由三个齿轮和三个轴伸端构成的变速箱14，并且设置压缩机11、透平12及电动发电机13与三个齿轮上的三个转轴分别连接，实现对压缩机11、透平12及电动发电机13三个旋转设备的连接，保证了旋转设备的正常工作。

在另一种可能的实现方式中，示例性地，如图4所示，变速箱14的三个轴伸端S1、S2、S3固连在第一齿轮G1和第二齿轮G2上，其中一个轴伸端S1固连在第一齿轮G1上，另外两个轴伸端S2和S3固连在第二齿轮G2上，电动发电机13与第一齿轮G1上的轴伸端S1固连，透平12和压缩机11分别与第二齿轮G2上的轴伸端S2和S3固连。

该实现方式适用于透平12和压缩机11的转速相同，而电动发电机13的转速与透平12或者压缩机11的转速不同的情况，为了保证各旋转设置的正常工作，同时简化主机系统，选用由两个齿轮和三个轴伸端构成的变速箱14。

在又一种可能的实现方式中，示例性地，如图5所示，变速箱14的三个轴伸端S1、S2、S3固连在第一齿轮G1和第二齿轮G2上，其中一个轴伸端S1固连在第一齿轮G1上，另外两个轴伸端S2、S3固连在第二齿轮G2上，透平12与第一齿轮G1上的轴伸端S1固连，压缩机11和电动发电机13分别与第二齿轮G2上的两个轴伸端S2、S3固连。

该实现方式适用于电动发电机13和压缩机11的转速相同，而透平12的转速与电动发电机13或者压缩机11的转速不同的情况。

在又一种可能的实现方式中，示例性地，如图6所示，变速箱14的三个轴伸端S1、S2、S3固连在第一齿轮G1和第二齿轮G2上，其中一个轴伸端S1固连在第一齿轮G1上，另外两个轴伸端S2、S3固连在第二齿轮G2上，压缩机11与第一齿轮G1上的轴伸端S1固连；透平12和电动发电机13分别与第二齿轮G2上的两个轴伸端S2、S3固连。

该实现方式适用于电动发电机13和透平12的转速相同，而压缩机11的转速与电动发电机13或者压缩机11的转速不同的情况。

本发明实施例中，通过根据压缩机11、透平12及电动发电机13三者转速的关系，合理选择变速箱14的类型以及合理布置旋转设备与变速箱14的连接方式，能够充分利用了旋转设备旋转时的带动作用，提高了能量的利用率，此外，本发明实施例提供的技术方案能够满足各种情况下的使用需求，从而提高了主机系统10的实用性和可操作性。

进一步地，本发明实施例的技术方案当采用透平与压缩机背靠背的布置方式时(如图4所示)，还可以极大抵消透平与压缩机的轴向推力，从而减小发电机系统的设计难度，降低运行风险。

为了能够更好地满足实际使用场景，例如与其他设备的连接关系、实际空间大小等，在上述各实施例的基础上，本发明实施例提供的发电装置的主机系统实施三的主机系统10，进一步考虑了压缩机11、透平12及电动发电机13的位置的布置情况。

在一种可能的实现方式中，透平12位于变速箱14的一侧，压缩机11和电动发电机13位于变速箱14的另一侧。

在另一种可能的实现方式中，压缩机11位于变速箱14的一侧，透平12和电动发电机13位于变速箱14的另一侧。

在又一种可能的实现方式中，电动发电机13位于变速箱14的一侧，透平12和压缩机11位于变速箱14的另一侧。

本实施例中，可以根据实际工况及使用场景，合理设置压缩机11、透平12及电动发电机13的位置，以使整个SCO₂布雷顿循环发电系统结构紧凑，从而减少发电系统的占地面积，节约投资成本。

图7为本发明实施例提供的发电装置实施例一的结构示意图，如图7所示，本实施例中，发电装置20包括：

回热器21、热源22、冷却器23以及如上述所述的主机系统10。

冷却器23与主机系统10中的压缩机的输入端相连，用于在工质进入压缩机之前，对工质进行冷却；

回热器21与主机系统10中的压缩机的输出端相连，用于对压缩机加压后的工质进行预热，并将预热后的工质输送给热源22；

热源22的输入端与回热器21相连，热源22的输出端与主机系统10中透平的输入端相连，用于对从回热器21输出的工质进行再加热，并将加热后的工质输送给透平；

回热器21同时与主机系统10中透平的输入端以及冷却器23的输入端相连，用于对透平输出的乏气进行预冷，并将预冷后的工质输送给所述冷却器23。

其中，回热器21在循环中作用有两个，一个是加热压缩机出口的工质，节约燃料，提高热效率，一个是降低透平出口工质的温度，减少降温冷却水的使用，节约水资源，同时降低压缩机耗功。

本发明实施例中，为了减少占了面积，需要选用紧凑性的回热器，同时，由于SCO₂布雷顿闭式循环的压力远高于开式布雷顿循环及朗肯循环，因此，选用的回热器还需要能够耐高温高压。一种可能的实现方式中，回热器21为印刷电路板式回热器。

热源22为对循环中对工质进行等压加热的工业余热、核反应堆、化石燃料或太阳能等，由于SCO₂布雷顿循环可以使用在任一类型的发电厂中，例如火力发电厂、太阳能发电厂等，因此，在不同类型的发电厂中，使用的热源22不同。

冷却器23用于将工质进行冷却，冷却器通常用水或者空气为冷却剂以除去热量，本发明实施例中冷却器23可采用间壁式冷却器、喷淋式冷却器、印刷电路板式冷却器、夹套式冷却器或者蛇管式冷却器等。

本发明实施例提供一种发电系统，包括辅助设备和如上述所述的发电装置。

可以理解的是，发电系统中的辅助设备包括控制器、各种仪器仪表以及各种管道等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。