超临界二氧化碳压缩循环测试台
阅读说明：本技术 超临界二氧化碳压缩循环测试台 (Supercritical carbon dioxide compression circulation test bench ) 是由 杨建国 谢良涛 孙思聪 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超临界二氧化碳压缩循环测试台,超临界二氧化碳压缩循环试验台由磁悬浮电机模块、压气机模块、冷却模块、减压阀模块、传感器模块集成；通过超临界二氧化碳闭式循环测控台中的磁悬浮电机监控单元改变磁悬浮电机的转速和负荷,控制压气机不同程度的增压比；通过改变冷却器中循环水泵的开度大小,控制冷却器的换热效果；通过减压阀的使用,模拟布雷顿循环中涡轮机做功的等熵膨胀过程,减压阀可通过工控机进行控制,进而调节出口工质的状态。本发明通过监测关键测点的温度和压力,以及管路中的超临界二氧化碳的质量流量,可对超临界二氧化碳布雷顿循环核心设备的关键性能进行测试,研究其对布雷顿热力循环的影响,监测其工作状态。(The invention relates to a supercritical carbon dioxide compression cycle test bench, which is integrated by a magnetic suspension motor module, a gas compressor module, a cooling module, a pressure reducing valve module and a sensor module; changing the rotating speed and load of a magnetic suspension motor through a magnetic suspension motor monitoring unit in a supercritical carbon dioxide closed cycle measurement and control console, and controlling the different-degree pressure increase ratios of the gas compressor; the opening of a circulating water pump in the cooler is changed to control the heat exchange effect of the cooler; by using the pressure reducing valve, an isentropic expansion process of the turbine doing work in the Brayton cycle is simulated, and the pressure reducing valve can be controlled by the industrial personal computer so as to adjust the state of the outlet working medium. According to the invention, by monitoring the temperature and pressure of the key measuring points and the mass flow of the supercritical carbon dioxide in the pipeline, the key performance of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle core equipment can be tested, the influence of the supercritical carbon dioxide on the Brayton thermodynamic cycle can be researched, and the working state of the Brayton thermodynamic cycle can be monitored.)
技术领域
本发明涉及船用柴油机废气余热利用技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳压缩循环测试台。
背景技术
超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO2)布雷顿循环发电系统是以超临界状态下的二氧化碳作为循环工质，将热源的热量转化为机械能并最终输出电能的技术，其循环过程是：首先，超临界二氧化碳经过压缩机升压，即等熵压缩过程；然后，利用换热器将工质等压加热，即等压加热过程；其次，工质进入涡轮机，推动涡轮做功，涡轮带动电机发电，即等熵膨胀过程；最后，工质进入冷却器，恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环，即等压放热过程。
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有高效、环保等特点，被视为未来发电的主要发展方向之一，在诸多领域有良好的应用前景。尤其是超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统在提高发电效率、减少发电系统体积和重量、降低噪声影响等方面具有显著优势，相比于传统余热发电形式更适用于内部空间有限的船舶，现已引起各国的高度重视和大力研发。
中国专利CN111413119A公开了一种适用于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统核心设备的性能试验平台，通过辅助压缩空气及控制系统模拟船舶主机余热排气，控制主循环系统内S-CO2的物性参数和监测记录永磁同步电机输出电能的变化，然后将系统供热量与永磁同步电机输出电能进行对比分析，得出系统热电转换效率，从而实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统整体效率测试的目的，另设置不同的旁通管路实现对系统内各核心设备进行性能测试。
但是该专利的试验平台结构复杂，对于研究超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统核心设备的性能，如压气机、冷却器，无需构建完整的布雷顿循环，可用减压阀的等熵膨胀过程代替余热吸收的等压吸热过程和涡轮机的等熵膨胀过程，这样可大大简化了试验台结构；且其核心设备可替换性低。本专利通过模块化搭建台架，可对核心设备进行更换并试验；测试采集精度待进一步提高，本专利中的超临界二氧化碳闭式循环测控台采样率最高可达250kS/s，可实时准确监控高速磁悬浮电机轴心轨迹及循环台架压力变化情况，保证了超临界二氧化碳压缩循环试验台稳定高效运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的结构复杂、可替换性低及采集精度低的缺点，提供一种超临界二氧化碳压缩循环测试台，它是超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的简化结构，使用减压阀的绝热膨胀过程代替了余热吸收的等压吸热过程和涡轮机的绝热膨胀过程，聚焦于研究超临界二氧化碳布雷顿循环核心设备的性能及其对布雷顿热力循环的影响。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种超临界二氧化碳压缩循环测试台，包括超临界二氧化碳压缩循环试验台和超临界二氧化碳闭式循环测控台；
所述超临界二氧化碳压缩循环试验台包括二氧化碳储气罐、增压泵、冷却器、压气机、磁悬浮电机模块和减压阀模块；所述减压阀模块包括减压阀和设置于所述减压阀两侧的压力传感器；所述二氧化碳储气罐、增压泵、冷却器、压气机、减压阀模块依次连接，减压阀模块的出气口与冷却器的进气口连接，从而形成循环回路，所述磁悬浮电机模块的动力输出轴与所述压气机连接；二氧化碳储气罐中的二氧化碳经过增压泵增压后处于超临界状态，超临界二氧化碳经过冷却器进行温度的精准控制后进入压气机进行增压，再经过减压阀模块后回到初始状态；所述增压泵配置压力传感器PI-1和温度传感器TI-1；所述冷却器配置温度传感器TI-6；所述压气机的进气口设有压力传感器PI-2、温度传感器TI-2和质量流量计FI-1，压气机的出气口设有压力传感器PI-3和温度传感器TI-3；所述减压阀模块的出气口设有压力传感器PI-4和温度传感器TI-4；
所述超临界二氧化碳闭式循环测控台包括控制器、工控机和磁悬浮电机监控单元，所述控制器用于采集所述超临界二氧化碳压缩循环试验台中的各压力传感器、温度传感器和质量流量计的参数信号，并将采集的参数信号发送至所述工控机，工控机对这些信号进行分析并通过所述控制器输出控制所述超临界二氧化碳压缩循环试验台相应阀门的动作指令；所述工控机通过磁悬浮电机监控单元改变磁悬浮电机的转速和负荷，进而控制压气机叶轮的转速，得到不同程度的增压比；所述减压阀由工控机控制，进而调节减压阀出口工质的状态。
上述方案中，所述超临界二氧化碳压缩循环试验台还包括冷却系统，所述冷却系统包括水池和冷却水箱，所述水池的进水口与冷却器的出水口连接，水池的出水口与冷却水箱的进水口通过管路连接，冷却水箱的出水口与冷却器的进水口连接，冷却水箱的出水口另设一旁路与水池连接，旁路上设有电动流量调节阀AV2，用于调节进入冷却器3的冷却水量。
上述方案中，所述减压阀模块两端并联一支路，该支路上设有电动开关阀AV6，通过开启电动开关阀AV6短路所述减压阀模块，或者通过电动开关阀AV6接入涡轮及换热器模块，形成完整的布雷顿循环。
上述方案中，所述磁悬浮电机模块包括电机定子和电机转子，所述电机定子通过前端径向磁浮轴承、后端径向磁浮轴承、轴向磁浮轴承进行支撑；所述磁悬浮电机能够实现0-30000r/min的连续调速，通过所述压气机的叶轮实现0-100kW功率输出。
上述方案中，所述增压泵的出口管路上设有总进气手动球阀V1。
上述方案中，所述冷却器的循环水进水管路上设有冷却水进口滤器、电动开关阀AV4、温度传感器TI-5；冷却器的循环水出水管路上设有电动开关阀AV5。
上述方案中，所述压气机上设有数显压力表PI-5。
上述方案中，所述冷却器之前的管路上设有安全阀S1，冷却器上配置安全阀S2。
上述方案中，所述减压阀模块之后的管路上设有单向阀V7。
上述方案中，所述冷却器上设有卡套球阀V8，用于日常维护，手动开启卡套球阀V8排出冷却器中的气体，防止冷却器内部压力过大损坏。
本发明的有益效果在于：
1、本发明搭建超临界二氧化碳压缩循环试验台的目的在于研究超临界二氧化碳布雷顿循环核心设备的性能及其对布雷顿热力循环的影响，无需实质进行余热吸收并膨胀做功，故使用减压阀模块替代了涡轮机，使用减压阀的等熵膨胀过程代替了余热吸收的等压吸热过程和涡轮机的等熵膨胀过程，大大简化了试验台结构，而不影响试验精度。
2、将二氧化碳储气罐和增压泵所在的进气总管设置于冷却器与减压阀模块之间，在试验初始阶段，通过冷却器对进入循环系统的超临界二氧化碳进行精准的温度控制，在系统稳定运行关闭总进气手动球阀后，超临界二氧化碳在冷却器中完成等压放热过程，这样可以进一步简化试验台的结构。
3、采用模块化设计，按照功能划分为超临界二氧化碳压缩循环试验台和超临界二氧化碳闭式循环测控台，其中超临界二氧化碳压缩循环试验台由磁悬浮电机模块、压气机模块、冷却模块、减压阀模块和传感器模块组成；超临界二氧化碳闭式循环测控台分为信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块，可根据需求灵活配置，增加替换模块，增强了装置的适应性。
4、本发明可对核心设备关键性能进行测试，如压气机增压比与效率的测试、减压阀压降与效率的测试、冷却器开度与效率的测试等，超临界二氧化碳压缩循环试验台的模块化设计可快捷更换核心设备，为不同设备需求提供了硬件平台。
5、采用多组测点监测，能监测关键测点如压气机进出口、减压阀出口和冷却器出口工作介质的温度和压力，以监控不同测点二氧化碳的状态，以及管路中超临界二氧化碳的质量流量，进而研究超临界二氧化碳布雷顿循环核心设备的性能及其对布雷顿热力循环的影响，最终完成对布雷顿热力循环的工作状态的监测与研究。超临界二氧化碳闭式循环测控台采样率最高可达250kS/s，可实时准确监控磁悬浮电机轴心轨迹及循环台架各项参数变化情况，保证了超临界二氧化碳压缩循环试验台稳定高效运行。
6、灵活的反馈控制策略，通过升降磁悬浮电机转速和调整电机负荷，得到不同增压比的压气机工况，得到不同状态的超临界二氧化碳。磁悬浮电机模块工作安全可靠，并具有很大的自由度，其轴向承载力为200kg，可实现0-30000r/min的连续调速，通过叶轮实现0-100kW功率输出，采用五自由度支承的磁悬浮轴承，实现电机转子高速旋转，转子无机械摩擦，掉电状态由不间断电源维持转子悬浮，避免发生跌落撞击。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明超临界二氧化碳压缩循环试验台的结构示意图；
图2是本发明超临界二氧化碳压缩循环试验台的冷却系统的结构示意图；
图3是本发明超临界二氧化碳闭式循环测控的信号图。
图中：1、二氧化碳储气罐；2、增压泵；3、冷却器；31、冷却水进口滤器；4、压气机；5、磁悬浮电机模块；51、电机定子；52、电机转子；53、前端径向磁浮轴承；54、后端径向磁浮轴承；55、轴向磁浮轴承；56、电机冷却水进口滤器；6、减压阀模块；61、减压阀；7、冷却系统；71、第一水泵；72、第二水泵；73、第三水泵；74、水池；75、冷却水箱；
V1、总进气手动球阀；V2～V3、手动球阀；V4～V6、冷却水循环开关阀；V7、单向阀；V8、卡套球阀；AV1～AV2、电动流量调节阀；AV3～AV6、电动开关阀；S1～S2、安全阀；
PI-1～PI-4、压力传感器(0-15MPa)；PI-5、数显压力表(0-25MPa)；TI-1～TI-7、温度传感器；FI-1、质量流量计。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种超临界二氧化碳压缩循环测试台，包括超临界二氧化碳压缩循环试验台和超临界二氧化碳闭式循环测控台。
如图1所示，超临界二氧化碳压缩循环试验台整体安置于减振台上，包括二氧化碳储气罐1、增压泵2、冷却器3、压气机4、磁悬浮电机模块5和减压阀模块6。减压阀模块6包括减压阀61和两个分别设置于减压阀61两侧的压力传感器。二氧化碳储气罐1、增压泵2、冷却器3、压气机4、减压阀模块6依次连接，减压阀模块6的出气口与冷却器3的进气口连接，从而形成循环回路。磁悬浮电机模块5的动力输出轴与压气机4连接。二氧化碳储气罐1中的二氧化碳经过增压泵2增压后处于超临界状态，超临界二氧化碳经过冷却器3进行温度的精准控制后进入压气机4进行增压，再经过减压阀模块6后回到初始状态。本发明通过减压阀模块6代替超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中涡轮机做功的等熵膨胀过程，故简化了超临界态二氧化碳在热源等压吸热过程，但是这种替换方式不影响超临界二氧化碳布雷顿循环工作过程的研究。
增压泵2配置压力传感器PI-1和温度传感器TI-1，增压泵2的出口管路上设有总进气手动球阀V1。总进气手动球阀V1与冷却器3之间的管路上设有手动球阀V2和电动流量调节阀V1。冷却器3配置温度传感器TI-6，冷却器3的循环水进水管路上设有冷却水进口滤器31、电动开关阀AV4、温度传感器TI-5；冷却器3的循环水出水管路上设有电动开关阀AV5。冷却器3与压气机4之间设置手动球阀V3。压气机4的进气口设有压力传感器PI-2、温度传感器TI-2和质量流量计FI-1，压气机4的出气口设有压力传感器PI-3和温度传感器TI-3；压气机4上设有数显压力表PI-5，用于检测压气机扩压器出口总压。减压阀模块6的出气口设有压力传感器PI-4和温度传感器TI-4，减压阀模块6之后的管路上设有单向阀V7；减压阀模块6两端并联一支路，该支路上设有电动开关阀AV6，可通过开启电动开关阀AV6短路减压阀模块，并可通过电动开关阀AV6接入涡轮及换热器模块，形成完整的布雷顿循环。
超临界二氧化碳压缩循环试验台还包括冷却系统7，如图2所示，冷却系统7包括水池74和冷却水箱75，水池74的进水口与冷却器3的出水口连接，水池74的出水口与冷却水箱75的进水口之间通过两支管路连接，两支管路互为备份，保证冷却系统的正常运行。一支管路上设置第一水泵71和冷却水循环开关阀V4，另一支管路上设置第二水泵72和冷却水循环开关阀V5。冷却水箱75的出水口与冷却器3的进水口连接，该管路设置第三水泵73和冷却水循环开关阀。冷却水箱75的出水口另设一旁路与水池74连接，该旁路上设有电动流量调节阀AV2，用于调节进入冷却器3的冷却水量。
如图3所示，超临界二氧化碳闭式循环测控台包括控制器、工控机和磁悬浮电机监控单元，控制器内置NI采集卡用于采集超临界二氧化碳压缩循环试验台中温度传感器、压力传感器和质量流量计的信号，并将采集的信号发送至工控机，工控机对这些信号进行分析，通过LabView超临界二氧化碳闭式循环测控软件实时显示监控数据，操作者通过LabView超临界二氧化碳闭式循环测控软件界面可控制控制器输出控制电动开关阀和电动流量调节阀的动作指令。此外，工控机通过磁悬浮电机监控单元改变磁悬浮电机的转速和负荷，进而控制压气机4叶轮的转速，得到不同程度的增压比；减压阀61由工控机控制，进而调节减压阀61出口工质的状态。控制模块、信号处理模块和测试模块间采用冗余的TCP\IP通讯协议，增加了模块间通讯速度；控制模块与磁悬浮电机监控单元PLC通讯，可实现控制系统部分功能失效情形的安全运行。
进一步优化，冷却器3之前的管路上设有安全阀S1，用于整个管路的超压保护。冷却器3上配置安全阀S2，用于冷却器3的超压保护。
进一步优化，冷却器3之前的管路上还设有电动开关阀AV3连通至室外，用于在试验结束后将系统内的二氧化碳排出。
进一步优化，冷却器3上设有卡套球阀V8，用于日常维护，手动开启卡套球阀V8排出冷却器中的气体，防止管壳式冷却器内部压力过大损坏。
进一步优化，磁悬浮电机模块5包括电机定子51和电机转子52，电机转子52通过前端径向磁浮轴承53、后端径向磁浮轴承54、轴向磁浮轴承55进行支撑，采用五自由度支承的磁悬浮轴承，实现电机转子52高速旋转，转子无机械摩擦，掉电状态由不间断电源维持转子悬浮，避免发生跌落撞击。可通过上径向x位移、上径向y位移、下径向x位移、下径向y位移、轴向z位移传感器监控磁悬浮电机的实时轴心运行轨迹，每一路传感器信号均包含时域信号监测与频谱分析功能，其中时域信号可通过设置坐标放大查看位移细节状况，通过对信号的合成可直观监测转子运行轨迹，用于判断运行情况。通过采集磁悬浮轴承位移和电流以及电机转速信号，并具备频域分析功能，可以实时显示电机和磁悬浮轴承工作状态。
压气机叶轮与磁悬浮电机主轴通过螺纹连接，两者通过两级篦齿环密封隔开，压气机首端为进气端，尾端为电机端，旋转方向为面向首端顺时针方向，叶轮与电机主轴螺纹连接随电机的转动紧固，通过压气机叶轮将其进口处的二氧化碳工质进行压缩，完成工质在压气机中的升压过程。本发明采用磁悬浮电机能够实现0-30000r/min的连续调速，其轴向承载力为200kg，通过压气机4的叶轮实现0-100kW功率输出。
磁悬浮电机模块5配备了冷却风扇与冷却水机循环进行冷却，冷却水进口设有电机冷却水进口滤器56。
本实施例中，试验工质储存在5.5MPa的二氧化碳储气罐1中，试验开始时工质通过二氧化碳储气罐1，并由出口处自加热电阻丝加热，再经过增压泵2增压后进入循环回路，工质二氧化碳初始压力由增压泵2控制，工质二氧化碳初始温度由冷却器3控制。此时二氧化碳的状态为T＝305.7K，P＝7.705MPa，处于超临界状态。打开总进气手动球阀V1、手动球阀V2、手动球阀V3和单向阀V7，通过电动流量调节阀AV1调节通过的工质流量大小，关闭电动开关阀AV3、AV6；通过开电动开关阀AV4、AV5开启冷却器3冷却循环，冷却器3的换热效率通过调节电动流量调节阀AV2进行控制，S-CO2工质温度由冷却器3进行控制，此时二氧化碳的状态为T＝305K，P＝7.69MPa；经过质量流量计FI-1及压气机4进口测点压力传感器PI-2、温度传感器TI-2后进入压气机4完成等熵压缩过程，此时T＝310.7K，P＝9.228MPa，S-CO2的流量为3.45kg/s；S-CO2工质流经压气机4出口后测点压力传感器PI-3、温度传感器TI-3后经过减压阀61完成等熵膨胀过程，S-CO2回到初始状态T＝305.7K，P＝7.705MPa，流经减压阀61后测点压力传感器PI-4、温度传感器TI-4。待系统稳定工作后，温度压力流量等参数建立，关闭总进气手动球阀V1，S-CO2工质经过冷却器3完成等压放热过程。试验结束后可通过电动开关阀AV3将系统内的二氧化碳排至室外。
图3是超临界二氧化碳闭式循环测控台信号图，CRIO-9035控制器上的NI-9208板卡采集来自超临界二氧化碳压缩循环试验台上的8路4-20mA温度信号，分别为压气机进口侧温度、压气机出口侧温度、减压阀后温度、冷却器内温度、冷却器循环水温、增压泵出口温度、电机冷却水温和轴承温度；同时NI-9208还采集4-20mA试验室氧浓度信号。CRIO-9035控制器上的NI-9205板卡采集来自超临界二氧化碳压缩循环试验台的5路1-5VDC压力信号，分别为压气机进口侧压力、压气机扩压器出口总压、压气机出口侧压力、减压阀后压力、增压泵出口压力；同时NI-9205还采集来自质量流量计的1-5VDC质量流量信号。CRIO-9035控制器上板卡NI-9263模拟量输出控制2路电动流量调节阀以及减压阀开度，板卡NI-9472数字量输出控制4路电动开关阀。CRIO-9035控制器通过通讯串口将FPGA采集到的信号上传到工控机，并通过LabView超临界二氧化碳闭式循环测控软件实时显示监控数据。操作者通过LabView超临界二氧化碳闭式循环测控软件界面可控制板卡NI-9263、NI-9472输出控制电动开关阀和电动流量调节阀的动作。工控机通过磁悬浮电机监控单元控制磁悬浮电机的转速及负荷，进而完成压气机对工质二氧化碳的增压比变化；通过改变冷却系统中循环水泵的开度大小，控制冷却器的换热效果；通过减压阀的使用，模拟布雷顿循环中余热吸收的等压吸热过程和涡轮机做功的等熵膨胀过程，减压阀可通过工控机进行控制，进而调节出口工质的状态。
利用本发明超临界二氧化碳压缩循环测试台进行布雷顿循环系统的核心设备性能测试的具体方法如下：
1、压气机4性能对循环的影响测试：
打开总进气手动球阀V1、手动球阀V2、手动球阀V3、单向阀18，关闭电动开关阀AV3和电动开关阀AV6，S-CO2经过质量流量计FI-1及压气机进口测点压力传感器PI-2、温度传感器TI-2后进入压气机4完成等熵压缩过程，工质流经压气机4出口后测点压力传感器PI-3、温度传感器TI-3。通过超临界二氧化碳闭式循环测控台控制磁悬浮电机模块5的电机转速，比如分别设置5000r/min、10000r/min、15000r/min、20000r/min、25000r/min、30000r/min六个档位转速，与此同时开启磁悬浮电机的冷却风扇与冷却水循环进行冷却，设定冷却水循环开启温度为25℃，冷水机循环的PID控制保证了磁悬浮电机不会过热运行，待循环工作稳定后，通过压气机进出口的测点状态对比，分析压气机的性能及对循环的影响。
2、减压阀性能对循环的影响测试：
S-CO2工质流经压气机4出口后测点压力传感器PI-3、温度传感器TI-3后，经过减压阀模块6完成等熵膨胀过程，流经减压阀61后测点压力传感器PI-4、温度传感器TI-4，通过超临界二氧化碳闭式循环测控台控制减压阀61的开度大小，比如分别设置25％、50％、75％、100％四个档位，待循环工作稳定后，通过减压阀61进出口的测点状态对比，分析减压阀61的性能及对循环的影响。可以研究循环最高压力(减压阀进口压力)、减压阀出口压力、压降对循环的影响，电机驱动的压气机回路没有涡轮，但使用一个减压阀来降低压力和温度，就像在涡轮中发生的那样，但不产生工作。减压阀的入口和出口压力以及质量流量、压降等参数与同参数涡轮对应。故可为涡轮选型和性能优化提供边界条件。
3、冷却器3性能对循环的影响测试：
S-CO2流经减压阀61后测点压力传感器PI-4、温度传感器TI-4，待系统稳定工作后，温度压力流量等参数建立，关闭总进气手动球阀V1。打开冷却水电动开关阀AV4和AV5开启冷却器3冷却循环，通过超临界二氧化碳闭式循环测控台控制冷却模块中循环泵的开度大小，调节冷却循环电动流量调节阀AV2进行控制。比如分别设置25％、50％、75％、100％四个档位，待循环工作稳定后，通过冷却器3进出口的测点状态对比，分析冷却器的性能及对循环的影响。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。