一种闭式布雷顿循环变频发电装置

1.本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种闭式布雷顿循环变频发电装置。


背景技术：

2.随着常规能源短缺日益严重以及环境污染问题的日益突出，非常规能源、可再生能源的利用成为急需解决的问题。闭式布雷顿循环技术成为解决上述问题的方式之一。该循环由20世纪30年代瑞士科学家ackeret等人提出。该循环可通过多种燃料、多种热源或者多种不同种类循环工质驱动。上述多种燃料例如化石燃料、生物质等；多种热源例如核能、太阳能、废热等驱动；多种不同种类循环工质例如氦气、氮气、二氧化碳、氙气等。
3.现有技术中的闭式布雷顿循环原理如图2所示，由四个过程构成：1)等熵压缩过程；2)定压加热过程；3)等熵膨胀过程；4)定压放热过程。因此该循环仅需压气机、涡轮、换热器及预冷器四个部件构成。但是，在实际应用过程中发现：压气机与涡轮采用共轴布置，并与电机相连。这就带来以下问题：1.压气机与涡轮需要通过传动轴耦合，需要对二者转速进行折衷，压缩机和涡轮不一定在最佳转速下运行，降低了工作以提高效率和运行稳定性；2.为了保证压缩机与涡轮能够共轴相连，通流部分需要采用径向进/排气装置，导致工质流场折转不均匀，降低流动效率。3.由于传动轴需要与压气机、涡轮、电机相连，势必会在转轴与静止通流部件之间形成动静间隙，工质泄漏的可能性增加。基于上述问题，本领域技术人员需要一种高效零泄漏的闭式布雷顿循环变频发电装置，从而解决现有的闭式布雷顿循环变频发电装置工作效率低的问题，以及容易发生工质泄漏的问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明提供了闭式布雷顿循环变频发电装置，解决现有技术中的闭式布雷顿循环变频发电装置工作效率低的问题，以及容易发生工质泄漏的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供的一种闭式布雷顿循环变频发电装置，包括：
5.第一变频器，与电网电连接，用于从所述电网获取电能；
6.压缩机集成机构，包括：压缩机电机和压缩机；所述压缩机电机的电机转子固定在所述压缩机的轮盘上，所述压缩机电机的电机定子固定在所述压缩机的外壳上；在发电装置工作状态下，所述第一变频器将电能输送给所述压缩机电机，所述压缩机电机带动所述压缩机运行，所述压缩机压缩工质；
7.涡轮机集成机构，包括：涡轮电机和涡轮机；所述涡轮电机的电机转子固定在所述涡轮机的轮盘上，所述涡轮电机的电机定子固定在所述涡轮机的外壳上；
8.回热器，所述回热器分别与所述压缩机的出口和所述涡轮机的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述压缩机压缩的工质在所述回热器内吸收所述涡轮机排气中的热量；
9.加热器，与所述回热器的出口相连通；在发电装置工作状态下，在所述回热器内、吸收所述涡轮机排气热量后的压缩工质在所述加热器内进一步加热，形成高温压缩工质；
所述高温压缩工质进入所述涡轮机膨胀做功，以带动所述涡轮电机发电；
10.第二变频器，与电网电连接，用于从向所述电网供电；在发电装置工作状态下，所述涡轮电机产生的电能通过所述第二变频器变频后传输至所述电网。
11.可选的，闭式布雷顿循环变频发电装置，还包括：
12.冷却器，与所述回热器的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述涡轮机膨胀做功的工质重新进入所述回热器，对所述压缩机排出的压缩工质加热；之后，膨胀做功后的所述工质通过与所述冷却器相连通的所述回热器，进入所述冷却器冷却；冷却后的工质重新进入所述压缩机。
13.可选的，所述压缩机电机为同步电机或异步电机。
14.可选的，所述压缩机为轴流压缩机；或，所述压缩机为离心压缩机；或，所述压缩机为斜流压缩机。
15.可选的，所述涡轮电机为同步电机或异步电机。
16.可选的，所述涡轮机为轴流涡轮；或，所述涡轮机为离心涡轮；或，所述涡轮机为向心涡轮。
17.可选的，所述第一变频器为四象限形式；
18.当所述压缩机正常运行时，所述第一变频器用于将所述电网的电能转化为所述压缩机所需电能以满足其运行需要；
19.当所述压缩机运行异常时，所述第一变频器使所述压缩机电机进入拖动模式，实现对所述压缩机的紧急制动。
20.可选的，所述第二变频器为四象限形式；
21.当所述涡轮机正常运行时，所述第二变频器用于将所述涡轮电机发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；
22.当所述涡轮机启动时，所述涡轮电机进入电动模式，带动叶轮迅速达到设计转速；
23.当所述涡轮机甩负荷故障时可以制动，防止透平飞车。
24.本发明技术方案，具有如下优点：
25.1.本发明提供的闭式布雷顿循环变频发电装置，包括：
26.第一变频器，与电网电连接，用于从所述电网获取电能；
27.压缩机集成机构，包括：压缩机电机和压缩机；所述压缩机电机的电机转子固定在所述压缩机的轮盘上，所述压缩机电机的电机定子固定在所述压缩机的外壳上；在发电装置工作状态下，所述第一变频器将电能输送给所述压缩机电机，所述压缩机电机带动所述压缩机运行，所述压缩机压缩工质；
28.涡轮机集成机构，包括：涡轮电机和涡轮机；所述涡轮电机的电机转子固定在所述涡轮机的轮盘上，所述涡轮电机的电机定子固定在所述涡轮机的外壳上；
29.回热器，所述回热器分别与所述压缩机的出口和所述涡轮机的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述压缩机压缩的工质在所述回热器内吸收所述涡轮机排气中的热量；
30.加热器，与所述回热器的出口相连通；在发电装置工作状态下，在所述回热器内、吸收所述涡轮机排气热量后的压缩工质在所述加热器内进一步加热，形成高温压缩工质；所述高温压缩工质进入所述涡轮机膨胀做功，以带动所述涡轮电机发电；
31.第二变频器，与电网电连接，用于从向所述电网供电；在发电装置工作状态下，所述涡轮电机产生的电能通过所述第二变频器变频后传输至所述电网。
32.在本发明中的工作原理是：第一变频器从电网上获取电能，传输给压缩机电机并带动压缩机运行，使工质经过压缩机压缩。压缩后的工质经过回热器，吸收涡轮机排气的热量，随后进入加热器中进一步加热，高温工质进入涡轮机膨胀做功，带动涡轮电机发电，电能通过第二变频器变频后传输的电网上。在上述过程中，由于系统利用加热器从高温热源获得了热量，因此系统从电网上获得的用于驱动压缩机电机的电能小于系统从涡轮机集成机构回馈到电网上的电能，实现了向电网的净发电。
33.另外，在本发明中的上述压缩机集成机构集成了压缩机电机和压缩机。所述压缩机电机的电机转子固定在所述压缩机的轮盘上，所述压缩机电机的电机定子固定在所述压缩机的外壳上。上述结构设计避免了传统技术中，需要通过传动轴将压缩机电机与压缩机连接的方式，使压缩机通流部分取消了径向进气装置以及径向排气装置，从而防止了工质流场折转不均匀，进而提高了流动效率。与此同时，上述结构取消了旋转轴与静止通流部件之间形成的动静间隙，还有效地避免了工质的泄漏。
34.另外，在本发明中的上述涡轮机集成机构集成了涡轮电机和涡轮机。所述涡轮电机的电机转子固定在所述涡轮机的轮盘上，所述涡轮电机的电机定子固定在所述涡轮机的外壳上。上述结构避免了传统技术中，需要通过传动轴将涡轮电机和涡轮机连接的方式，使涡轮机通流部分取消了径向进气装置以及径向排气装置，以防止工质流场折转不均匀，从而提高流动效率。与此同时，本发明中的结构还取消了旋转轴与静止通流部件之间形成得动静间隙，从而避免了工质的泄漏。
35.2.本发明提供的闭式布雷顿循环变频发电装置，还包括：冷却器，与所述回热器的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述涡轮机膨胀做功的工质重新进入所述回热器，对所述压缩机排出的压缩工质加热；之后，膨胀做功后的所述工质通过与所述冷却器相连通的所述回热器，进入所述冷却器冷却；冷却后的工质重新进入所述压缩机。
36.在本发明中的上述回热器通过涡轮机膨胀做功的工质对压缩机排出的压缩工质加热。之后，上述膨胀做功后的所述工质通入冷却器内后，重新进入所述压缩机，以实现工质循环。
37.3.本发明提供的闭式布雷顿循环变频发电装置，所述第一变频器为四象限形式；当所述压缩机正常运行时，所述第一变频器用于将所述电网的电能转化为所述压缩机所需电能以满足其运行需要；当所述压缩机运行异常时，所述第一变频器使所述压缩机电机进入拖动模式，实现对所述压缩机的紧急制动。
38.在本发明中，通过将第一变频器设置为四象限形式。当述压缩机运行异常时，上述第一变频器还可以使压缩机电机进入拖动模式，从而实现对所述压缩机的紧急制动。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明中提供的闭式布雷顿循环变频发电装置的结构示意图；
41.图2为背景技术中提供的现有闭式布雷顿循环原理示意图。
42.附图标记说明：
43.1、第一变频器；2、电网；3、压缩机集成机构；4、压缩机电机；5、压缩机；6、涡轮机集成机构；7、涡轮电机；8、涡轮机；9、回热器；10、加热器；11、第二变频器；12冷却器。
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明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。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
48.实施例1
49.本实施例中提供的一种闭式布雷顿循环变频发电装置，如图1所示，其包括：
50.第一变频器1，与电网2电连接，用于从所述电网2获取电能；
51.压缩机集成机构3，包括：压缩机电机4和压缩机5；压缩机电机4为同步电机。所述压缩机5为轴流压缩机。所述压缩机电机4的电机转子固定在所述压缩机5的轮盘上，所述压缩机电机4的电机定子固定在所述压缩机5的外壳上；在发电装置工作状态下，所述第一变频器1将电能输送给所述压缩机电机4，所述压缩机电机4带动所述压缩机5运行，所述压缩机5压缩工质；
52.涡轮机集成机构6，包括：涡轮电机7和涡轮机8；所述涡轮电机7为同步电机。涡轮机8为轴流涡轮。所述涡轮电机7的电机转子固定在所述涡轮机8的轮盘上，所述涡轮电机7的电机定子固定在所述涡轮机8的外壳上；
53.回热器9，所述回热器9分别与所述压缩机5的出口和所述涡轮机8的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述压缩机5压缩的工质在所述回热器9内吸收所述涡轮机8排气中的热量；
54.加热器10，与所述回热器9的出口相连通；在发电装置工作状态下，在所述回热器9内、吸收所述涡轮机8排气热量后的压缩工质在所述加热器10内进一步加热，形成高温压缩工质；所述高温压缩工质进入所述涡轮机8膨胀做功，以带动所述涡轮电机7发电；
55.第二变频器11，与电网2电连接，用于从向所述电网2供电；在发电装置工作状态
下，所述涡轮电机7产生的电能通过所述第二变频器11变频后传输至所述电网2；
56.冷却器12，与所述回热器9的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述涡轮机8膨胀做功的工质重新进入所述回热器9，对所述压缩机5排出的压缩工质加热；之后，膨胀做功后的所述工质通过与所述冷却器12相连通的所述回热器9，进入所述冷却器12冷却；冷却后的工质重新进入所述压缩机5。
57.在本发明中的工作原理是：第一变频器1从电网2上获取电能，传输给压缩机电机4并带动压缩机5运行，使工质经过压缩机5压缩。压缩后的工质经过回热器9，吸收涡轮机8排气的热量，随后进入加热器10中进一步加热，高温工质进入涡轮机8膨胀做功，带动涡轮电机7发电，电能通过第二变频器11变频后传输的电网2上。在上述过程中，由于系统利用加热器10从高温热源获得了热量，因此系统从电网2上获得的用于驱动压缩机电机4的电能小于系统从涡轮机集成机构6回馈到电网2上的电能，实现了向电网的净发电。
58.在本发明中，所述第一变频器1为四象限形式；
59.当所述压缩机5正常运行时，所述第一变频器1用于将所述电网2的电能转化为所述压缩机5所需电能以满足其运行需要；
60.当所述压缩机5运行异常时，所述第一变频器1使所述压缩机电机4进入拖动模式，实现对所述压缩机5的紧急制动。
61.在本发明中，所述第二变频器11为四象限形式；
62.当所述涡轮机8正常运行时，所述第二变频器11用于将所述涡轮电机7发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；
63.当所述涡轮机8启动时，所述涡轮电机7进入电动模式，带动叶轮迅速达到设计转速；
64.当所述涡轮机8甩负荷故障时可以制动，防止透平飞车。
65.当然，本实施例对压缩机电机4的电机类型不作具体限定，在其它实施例中，压缩机电机4还可以为异步电机。
66.当然，本实施例对压缩机5的类型不作具体限定，在其它实施例中，所述压缩机5还可以为离心压缩机；或者，所述压缩机5还可以为斜流压缩机。
67.当然，本实施例对涡轮电机7的电机类型不作具体限定，在其它实施例中，所述涡轮电机7还可以为异步电机。
68.当然，本实施例对涡轮机8的类型不作具体限定，在其它实施例中，所述涡轮机8还可以为离心涡轮；或者，所述涡轮机8还可以为向心涡轮。
69.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，包括：第一变频器(1)，与电网(2)电连接，用于从所述电网(2)获取电能；压缩机集成机构(3)，包括：压缩机电机(4)和压缩机(5)；所述压缩机电机(4)的电机转子固定在所述压缩机(5)的轮盘上，所述压缩机电机(4)的电机定子固定在所述压缩机(5)的外壳上；在发电装置工作状态下，所述第一变频器(1)将电能输送给所述压缩机电机(4)，所述压缩机电机(4)带动所述压缩机(5)运行，所述压缩机(5)压缩工质；涡轮机集成机构(6)，包括：涡轮电机(7)和涡轮机(8)；所述涡轮电机(7)的电机转子固定在所述涡轮机(8)的轮盘上，所述涡轮电机(7)的电机定子固定在所述涡轮机(8)的外壳上；回热器(9)，所述回热器(9)分别与所述压缩机(5)的出口和所述涡轮机(8)的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述压缩机(5)压缩的工质在所述回热器(9)内吸收所述涡轮机(8)排气中的热量；加热器(10)，与所述回热器(9)的出口相连通；在发电装置工作状态下，在所述回热器(9)内、吸收所述涡轮机(8)排气热量后的压缩工质在所述加热器(10)内进一步加热，形成高温压缩工质；所述高温压缩工质进入所述涡轮机(8)膨胀做功，以带动所述涡轮电机(7)发电；第二变频器(11)，与电网(2)电连接，用于从向所述电网(2)供电；在发电装置工作状态下，所述涡轮电机(7)产生的电能通过所述第二变频器(11)变频后传输至所述电网(2)。2.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，还包括：冷却器(12)，与所述回热器(9)的排气口相连通；在发电装置工作状态下，经所述涡轮机(8)膨胀做功的工质重新进入所述回热器(9)，对所述压缩机(5)排出的压缩工质加热；之后，膨胀做功后的所述工质通过与所述冷却器(12)相连通的所述回热器(9)，进入所述冷却器(12)冷却；冷却后的工质重新进入所述压缩机(5)。3.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述压缩机电机(4)为同步电机或异步电机。4.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述压缩机(5)为轴流压缩机；或，所述压缩机(5)为离心压缩机；或，所述压缩机(5)为斜流压缩机。5.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述涡轮电机(7)为同步电机或异步电机。6.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述涡轮机(8)为轴流涡轮；或，所述涡轮机(8)为离心涡轮；或，所述涡轮机(8)为向心涡轮。7.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述第一变频器(1)为四象限形式；当所述压缩机(5)正常运行时，所述第一变频器(1)用于将所述电网(2)的电能转化为所述压缩机(5)所需电能以满足其运行需要；当所述压缩机(5)运行异常时，所述第一变频器(1)使所述压缩机电机(4)进入拖动模式，实现对所述压缩机(5)的紧急制动。8.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环变频发电装置，其特征在于，所述第二变频器(11)为四象限形式；
当所述涡轮机(8)正常运行时，所述第二变频器(11)用于将所述涡轮电机(7)发出的电能转化为工频电能以满足电网要求；当所述涡轮机(8)启动时，所述涡轮电机(7)进入电动模式，带动叶轮迅速达到设计转速；当所述涡轮机(8)甩负荷故障时可以制动，防止透平飞车。

技术总结
本发明提供的一种闭式布雷顿循环变频发电装置，包括：第一变频器，用于从电网获取电能；压缩机集成机构，压缩机电机的电机转子固定在压缩机的轮盘上，压缩机电机的电机定子固定在压缩机的外壳上；在发电装置工作状态下，第一变频器将电能输送给压缩机电机，压缩机电机带动压缩机运行，压缩机压缩工质；涡轮机集成机构，涡轮电机的电机转子固定在涡轮机的轮盘上，涡轮电机的电机定子固定在涡轮机的外壳上；第二变频器，用于从向电网供电；在发电装置工作状态下，涡轮电机产生的电能通过第二变频器变频后传输至电网。通过上述结构可以有效地解决现有技术中的闭式布雷顿循环变频发电装置工作效率低的问题，以及容易发生工质泄漏的问题。问题。问题。


技术研发人员：王星 陈海生 李文 朱阳历 徐玉杰
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2022.12.22
技术公布日：2023/5/16