КОМПРЕССОР ДЛЯ ЦИКЛА CO С ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ДВУМЯ КАСКАДНЫМИ СТУПЕНЯМИ СЖАТИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Российский патент 2024 года по МПК F04D1/02 F04D17/02 F04D17/12 F04D25/16 F04D29/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к компрессору для потока CO₂, системе генерации энергии на основе цикла CO₂ и способу сжатия потока CO₂.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В Европейском Союзе, сокращенно ЕС, поставлена долгосрочная цель сокращения выбросов парниковых газов на 80–95% до 2050 года по сравнению с уровнями 1990 года. Таким образом, энергетическая стратегия ЕС-2050 имеет серьезные последствия для европейской энергетической системы и включает новые вызовы и возможности. Это является общей тенденцией по всему миру.

[0003] Возобновляемые источники энергии (такие как ветер и солнечная энергия) перемещаются в центр энергетической структуры в Европе, что влечет за собой необходимость решения вопроса стабильности сети в случае больших колебаний мощности. В данном контексте повышение гибкости и производительности традиционных электростанций рассматривается как хорошая возможность для одновременного повышения надежности энергосистемы и снижения их воздействия на окружающую среду.

[0004] Консорциум sCO₂-flex, состоящий из 10 опытных ключевых участников из 5 различных государств-членов ЕС, стремится повысить эксплуатационную гибкость (быстрые изменения нагрузки, быстрые запуски и остановки) и производительность существующих и будущих электростанций, работающих на каменном и лигнитовом угле, что снижает их влияние на окружающую среду в соответствии с целями ЕС.

[0005] Сверхкритический диоксид углерода (sCO₂) представляет собой диоксид углерода в жидком состоянии, в котором его удерживают при его критических температуре и давлении или выше них. Текучая среда обладает интересными свойствами, которые могут обеспечить существенное повышение эффективности традиционной электростанции.

[0006] Технология на основе sCO₂ может соответствовать целям ЕС для очень гибких и эффективных традиционных электростанций, при этом снижая количество выбросов парниковых газов, количество подлежащих удалению остатков, а также процентное снижение потребления воды.

[0007] Цикл sCO₂ представляет собой замкнутый цикл, в котором текучую среду сжимают одним или более компрессорами, вводят в цикл тепло посредством первого теплообменника, разрежают текучую среду посредством одного или более детандеров, и отводят тепло в окружающую среду посредством второго теплообменника. Предпочтительно для повышения эффективности цикла текучую среду после разрежения и перед отводом тепла в окружающую среду пропускают через третий теплообменник, т.е. рекуперационный теплообменник.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Обычно первый компрессор цикла sCO₂ работает с потоком CO₂, близким к критической точке. Затем цикл sCO₂ представляет собой облегченную работу компрессора CO₂, который получает преимущества от поведения реального газа рабочей текучей среды вблизи критической точки. Эта характеристика повышает общую тепловую эффективность цикла sCO₂. Однако имеет место значительное изменение свойств CO₂ ближе к критической точке, которое оказывает технологическое влияние на конструкцию турбомашин и теплообменников.

[0009] В частности, поток CO₂ достигает крыльчатки первого компрессора в многофазном состоянии из-за локального ускорения выше по потоку и по всей передней кромке крыльчатки компрессора, обусловленного размером межлопастных каналов крыльчатки. В многофазной области, т. е. под куполом насыщения, скорость звука резко падает, что приводит к созданию акустической области с последующим ограничением рабочего диапазона компрессора.

[0010] Когда текучая среда, протекающая при заданном давлении и температуре, проходит через сужение, скорость текучей среды растет. В то же время эффект Вентури создает статическое давление и, следовательно, повышается плотность, уменьшая сужение. Это может привести к созданию акустической области, которая ограничивает рабочий диапазон компрессора.

[0011] Эта проблема усиливается при наличии множества лопастей компрессора, т. е. при наличии множества ограничителей на впускном отверстии компрессора из-за межлопастных каналов.

[0012] Вследствие эффекта Вентури большое количество лопастей на входе ступени увеличивает локальное ускорение потока, что, в сочетании со значительным отклонением от поведения идеального газа, приближающимся к критической точке, может способствовать возникновению явления изменения фазы CO₂, снижая эффективность компрессора и эффективность цикла.

[0013] В соответствии с одним аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к компрессору, выполненному с возможностью обработки потока CO₂, содержащего первую ступень компрессора и вторую ступень компрессора, расположенную ниже по потоку от первой ступени компрессора; первая ступень компрессора содержит первый ряд поворотных лопастей с первым количеством лопастей, а вторая ступень компрессора содержит второй ряд поворотных лопастей со вторым количеством лопастей; первое количество лопастей меньше второго количества лопастей; поток CO₂ находится в сверхкритическом состоянии на выходе первой ступени компрессора.

[0014] В частности, задняя кромка лопастей первой ступени выпускает поток CO₂ непосредственно в кольцевой зазор, а передняя кромка лопастей второй ступени принимает поток CO₂ непосредственно из кольцевого зазора, при этом давление CO₂ на первой ступени компрессора равно или больше давления насыщения плюс заданный запас давления, причем упомянутый запас давления связан с падением давления внутри второй ступени компрессора.

[0015] В соответствии с другим аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к системе генерирования энергии на основе сверхкритического цикла CO₂, также содержащей компрессор с по меньшей мере двумя каскадными ступенями сжатия для обеспечения сверхкритических условий и кольцевым зазором между ними.

[0016] В соответствии с еще одним аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к способу сжатия потока CO₂; первый этап сжатия используют для сжатия упомянутого потока CO₂ до сверхкритического состояния посредством первой ступени (200) компрессора для создания сверхкритического потока CO₂, а второй этап сжатия используют для сжатия упомянутого сверхкритического потока CO₂ посредством второй ступени (300) компрессора; первый этап сжатия выполняют таким образом, что в конце сжатия CO₂ приближается к критической точке; между первым этапом сжатия и вторым этапом сжатия присутствует изоэнтальпический этап, на котором поддерживают по существу постоянным как полное давление, так и статическое давление, другими словами: низкие потери полного давления и восстановление для статического давления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0017] Описанные варианты осуществления изобретения и сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми чертежами, причем:

на Фиг. 1 представлен схематический вид системы CO₂,

на Фиг. 2A представлен вид в перспективе компрессора, показанного на Фиг. 1,

на Фиг. 2B представлен вид сбоку компрессора, показанного на Фиг. 1,

на Фиг. 3 представлен вид в увеличенном масштабе части Фиг. 2A,

на Фиг. 4 показан схематический вид в поперечном сечении системы сжатия для цикла потока CO₂, и

на Фиг. 5 показан пример компрессии CO₂ на диаграмме T-s.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0018] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к компрессору и системе CO₂, работающей с потоком CO₂, способу сжатия потока CO₂ и узлу компрессора для цикла потока CO₂.

[0019] Эффективность газотурбинных циклов в основном зависит от отношения давления (т. е. отношения давления потока газа на впускном отверстии компрессора и на выпускном отверстии компрессора). Максимальное давление ограничено из-за затрат, связанных с трубопроводами и измерительными системами; таким образом минимальное давление цикла sCO₂ значительно влияет на эффективность цикла.

[0020] В то же время эффективность цикла также зависит от условий потока газа, в частности на входе компрессора. Фактически фиксированное максимальное давление цикла из-за затрат при эксплуатации вблизи критической точки является предпочтительным, поскольку это позволяет снизить работу при сжатии, что приводит к повышению эффективности цикла.

[0021] Однако в условиях CO₂ вблизи критической точки могут возникать ударные волны, ограничивающие рабочую область компрессора и снижающие эффективность.

[0022] Для преодоления данного ограничения система сжатия, описанная в настоящем документе, предназначена для повышения эффективности цикла за счет увеличения давления текучей среды ровно настолько, чтобы обеспечить работу крыльчатки компрессора вне критической точки, сохраняя высокое отношение давлений.

[0023] Этого достигают с помощью ступени устройства для подачи под давлением, в которой сжимают текучую среду с небольшим отношением давлений и которая выполнена с низким количеством лопастей для ограничения проблемы ударных волн, которые приводят к снижению производительности. Предпочтительно наличие ступени вращающегося направляющего аппарата, имеющей небольшое количество лопастей, что позволяет избежать превращения впускного отверстия компрессора в акустическое узкое место компонента.

[0024] Ниже будут даны подробные ссылки на варианты осуществления описания, пример которых показан на чертежах.

[0025] Пример приводится для пояснения описания, а не ограничения описания. В сущности, специалистам в данной области должно быть очевидно, что в рамках настоящего описания можно создавать различные модификации и вариации без отступления от объема или сущности описания.

[0026] В соответствии с одним аспектом и со ссылкой на Фиг. 1 объект изобретения, описанный в настоящем документе, обеспечивает систему генерирования энергии на основе сверхкритического цикла CO₂, т. е. газотурбинной установки, работающей с CO₂ в качестве рабочей текучей среды, в основном в сверхкритических условиях. Как правило, при таком типе цикла рабочая текучая среда при минимальном давлении цикла находится в сверхкритических условиях, но также допускается рабочая текучая среда в субкритических многофазных условиях с минимальным давлением цикла 80–100% критического давления.

[0027] Система CO₂, показанная на Фиг. 1, содержит два теплообменника 2000A, 2000B, детандер 3000 и компрессор 1000; предпочтительно компрессор и турбина приводятся в движение на одном и том же валу 1010. Вал 1010 определяет ось A, соответствующую основному направлению развертывания вала 1010. Используемые в настоящем документе термины «осевой» и «радиальный» относятся соответственно к направлению, параллельному и перпендикулярному оси A.

[0028] Как показано на Фиг. 1, поток CO₂ протекает по часовой стрелке: сжимается компрессором 1000, нагревается в первом теплообменнике 2000A, расширяется с помощью детандера 3000, охлаждается во втором теплообменнике 2000B и в итоге перезапускает цикл. Другими словами, система CO₂ представляет собой газовую турбину замкнутого цикла.

[0029] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления система CO₂ содержит третий теплообменник 2000C, называемый также «рекуператором»; причем третий теплообменник 2000C подходит для повышения тепловой эффективности цикла за счет приема потока CO₂ на выходе компрессора 1000 в виде холодной текучей среды и потока CO₂ на выходе детандера 3000 в виде горячей текучей среды. Рекуператор 2000C позволяет возвращать отводимое тепло из потока отработавшего CO₂ детандера и использовать его для предварительного нагрева потока сжатого CO₂ из компрессора 1000 перед дополнительным нагревом потока сжатого CO₂ в теплообменнике 2000A, снижая количество требуемого внешнего тепла.

[0030] В примере, показанном на Фиг. 1, детандер 3000, в частности вал 1010, который приводит в движение детандер 3000, соединен с электрическим генератором 4000, в частности с генератором переменного тока; альтернативно детандер 3000 может быть соединен с внешней нагрузкой, не показанной на фигуре.

[0031] Следует отметить, что в зависимости от конструкции цикла количество машин и теплообменников может варьироваться, как и количество валов, приводящих машины в движение.

[0032] В соответствии с одним аспектом и со ссылкой на Фиг. 2 и 3, объект изобретения, описанный в настоящем документе, обеспечивает компрессор 1000, который можно использовать, например, в системе сверхкритического CO₂ для производства электрической энергии или подачи на внешнюю нагрузку.

[0033] Компрессор 1000 содержит первую ступень 200 компрессора и по меньшей мере вторую ступень 300 компрессора ниже по потоку от первой ступени 200 компрессора. Следует отметить, что «ступень» в настоящем документе упоминается как один ряд лопастей, которые могут быть неподвижными или поворотными. Например, если присутствует первый ряд поворотных лопастей и второй ряд неподвижных лопастей, первый ряд поворотных лопастей является первой ступенью, а второй ряд неподвижных лопастей является второй ступенью.

[0034] Первая ступень 200 компрессора содержит первый ряд поворотных лопастей 250; вторая ступень 300 компрессора содержит второй ряд поворотных лопастей 350. Предпочтительно первый ряд лопастей 250 имеет тип лопастей вращающегося направляющего аппарата, а второй ряд лопастей 350 имеет тип лопастей входного спрямляющего аппарата. В предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2 и 3, первое количество лопастей меньше второго количества лопастей.

[0035] Предпочтительно первое количество лопастей составляет примерно половину или примерно одну треть второго количества лопастей. Например, если второй ряд лопастей 350 имеет количество лопастей равное 18, то количество лопастей первого ряда лопастей 250 может составлять, например, 11 или 10, или 9, или 8, или 7, или 6. Следует отметить, что соотношение между этими двумя количествами может быть любым числом, как правило, отличным от целого числа; например, оно может быть больше 1 и меньше 2 или больше 2 и меньше 3. Таким образом, количество лопастей можно независимо свободно выбирать в зависимости от механической конструкции и требуемой производительности для двух ступеней сжатия.

[0036] Компрессор 100, как правило, работает с потоком CO₂, а первая ступень 200 компрессора обеспечивает выход потока CO₂ в сверхкритических условиях, причем «текучая среда для сверхкритических состояний» определяется текучей средой, имеющей давление выше ее критической точки, т. е. имеющей давление выше ее критического давления.

[0037] Другими словами, на выходе первой ступени 200 компрессора поток CO₂ имеет давление выше примерно 7,37 МПа.

[0038] Более конкретно и со ссылкой на Фиг. 3, первая ступень 200 компрессора выполнена с возможностью обеспечения увеличения давления между передней кромкой 210 и задней кромкой 220 первого ряда лопастей 250; такое повышение давления является достаточным для потока CO₂ на задней кромке 220 для достижения сверхкритических условий.

[0039] Предпочтительно поток CO₂ имеет более высокое давление на задней кромке 220 относительно давления на передней кромке 210. Соотношение между выходным давлением и входным давлением потока, проходящего через ступень компрессора, называется «отношением давлений» или «коэффициентом сжатия».

[0040] Предпочтительно передняя кромка 210 первого ряда лопастей 250 соответствует впускной секции компрессора 1000, причем упомянутая впускная секция принимает поток CO₂ всасывания. Затем поток CO₂ выпускают в соответствии с задней кромкой 220 первого ряда лопастей 250.

[0041] Предпочтительно первый ряд лопастей 250 имеет в основном осевое расширение относительно направления, определенного осью A. В частности, осевое расширение первого ряда лопастей 250 выполнено таким образом, чтобы поток CO₂ протекал в основном в осевом направлении.

[0042] Как показано на Фиг. 2 и 3, компрессор 1000 содержит вторую ступень 300 компрессора ниже по потоку от первой ступени 200 компрессора. В частности, вторая ступень 300 компрессора выполнена с возможностью обеспечения увеличения давления между передней кромкой 310 и задней кромкой 320 второго ряда лопастей 350, причем такое увеличение давления значительно выше увеличения давления, которое обеспечивается между передней кромкой 210 и задней кромкой 220 первой ступени 200 компрессора.

[0043] Другими словами, отношение давлений первой ступени 200 компрессора значительно меньше отношения давлений второй ступени 300 компрессора, т. е. вторая ступень 300 компрессора обеспечивает основную часть отношения давлений общего отношения давлений цикла CO₂. Предпочтительно отношение давлений первой ступени 200 компрессора составляет менее 70% отношения давлений второй ступени 300 компрессора и, возможно, составляет более 3% отношения давлений второй ступени 300; например, первое отношение давлений может быть равно приблизительно 1,1, а второе отношение давлений может быть равно приблизительно 1,7.

[0044] В предпочтительном варианте осуществления и со ссылкой на Фиг. 2, 3 и 4 вторая ступень 300 компрессора представляет собой ступень центробежного компрессора, имеющую как аксиальное, так и радиальное расширение относительно направления, определенного осью A. В частности, путь потока между передней кромкой 310 и задней кромкой 320 образует по существу скрученную поверхность относительно направления, определяемого осью A. В частности, передняя кромка 310 и задняя кромка 320 расположены на другом радиальном расстоянии от оси A.

[0045] Первая ступень 200 компрессора (в частности, первый ряд лопастей 250) выполнена с возможностью подачи потока CO₂ непосредственно на вторую ступень 300 компрессора (в частности, на второй ряд лопастей 350) без какого-либо неподвижного компонента между ними, в частности, какой-либо лопатки статора, проходящей через полый аксиальный кольцевой зазор. В частности, поток CO₂ протекает от первого ряда лопастей 250 ко второму ряду лопастей 350 без какого-либо (существенного) изменения давления (как статического давления, так и полного давления), например из-за лопаток статора между задней кромкой 220 и передней кромкой 310. Заявитель пришел к выводу, что лопатки статора между двумя последовательными рядами лопастей ротора, которые очень распространены в турбомашинах, могут показаться полезными; однако в рассматриваемом случае для предотвращения узкого места системы «густота лопастей» должна быть низкой, а преимущество при восстановлении статического давления будет незначительным.

[0046] Второй ряд лопастей 350 расположен аксиально на расстоянии от упомянутого первого ряда лопастей 250. В частности, аксиальный кольцевой зазор (расширяющийся вокруг оси A) расположен между задней кромкой 220 первого ряда лопастей 250 и передней кромкой 310 второго ряда лопастей 350. Таким образом ослабляют вихревые потоки для предотвращения сильного аэромеханического взаимодействия между двумя рядами.

Предпочтительно аксиальный зазор между задней кромкой 220 и передней кромкой 310 имеет длину, величина которой находится в диапазоне от одной до двух высот задней кромки 220 первого ряда лопастей 250.

[0047] Как показано на Фиг. 2 и 3, задняя кромка 220 первого ряда лопастей 250 и передняя кромка 310 второго ряда лопастей 350 могут не быть выровнены вдоль осевого направления. В частности, передняя кромка 310 второго ряда лопастей 350 может иметь разные положения вдоль окружности относительно задней кромки 220 первого ряда лопастей 250 (эта конфигурация известна как «синхронизирующий эффект»).

[0048] В предпочтительном варианте осуществления компрессор 1000 содержит ротор, причем первый ряд лопастей 250 и второй ряд лопастей 350 являются частью ротора.

[0049] Как показано на Фиг. 4, ротор предпочтительно приводится в движение валом 1010, так что первый ряд лопастей 250 и второй ряд лопастей 350 вращаются с одинаковой угловой скоростью.

[0050] В альтернативном варианте осуществления компрессор 1000 содержит первый ротор и второй ротор, причем первый ряд лопастей 250 является частью первого ротора, а второй ряд лопастей 350 является частью второго ротора.

[0051] Преимуществом является то, что первый ротор приводится в движение первым валом, а второй ротор приводится в движение вторым валом, причем первый вал и второй вал вращаются с разными угловыми скоростями.

[0052] Со ссылкой на Фиг. 4, компрессор 1000 может дополнительно содержать входной направляющий аппарат 100 выше по потоку от первого ряда лопастей 250. Предпочтительно входной направляющий аппарат 100 содержит статорный ряд лопастей; причем статорный ряд лопастей может быть неподвижным или может изменять угол наклона лопастей, регулируя поток CO₂, подаваемый компрессором 1000.

[0053] В соответствии с другим аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к способу сжатия потока CO₂ с использованием компрессора, например аналогичного или идентичного описанному выше компрессору 1000; такой способ может быть реализован в системе генерирования энергии на основе сверхкритического цикла CO₂, аналогичного или идентичного описанной выше системе генерирования энергии.

[0054] Способ включает начальный этап сжатия потока CO₂ до сверхкритических условий посредством первой ступени 200 компрессора и следующий этап сжатия сверхкритического потока CO₂ посредством по меньшей мере второй ступени 300; между первым этапом сжатия и вторым этапом сжатия присутствует изоэнтальпический этап с низким уровнем потерь (в частности, внутри полого аксиального кольцевого зазора), который поддерживает по существу постоянным как полное давление, так и статическое давление.

[0055] Начальный этап сжатия потока CO₂ до сверхкритических условий выполняют таким образом, что в конце сжатия точка термодинамического состояния CO₂ на диаграмме T-s или эквиваленте находится за пределами купола насыщения, приблизительно вблизи критической точки CO₂ (Pc, Tc).

[0056] Со ссылкой на Фиг. 5, показана диаграмма температура-энтропия CO₂, на которой критическая точка CO₂ (Pc, Tc) отмечена черной точкой в верхней части купола насыщения. В соответствии со способом, описанным в настоящем документе, после начального этапа сжатия потока CO₂ точка термодинамического состояния CO₂, т. е. точка, которая представляет термодинамическое состояние CO₂, определяемое по меньшей мере двумя переменными состояния (например, температурой и давлением), находится за пределами купола насыщения, в частности вокруг выделенной области 800 выше критической точки CO₂ (Pc, Tc).

[0057] В предпочтительном варианте осуществления давление на выходе первой ступени 200 компрессора равно или превышает давление насыщения плюс заданный запас давления, причем упомянутый запас давления связан с падением давления внутри второй ступени 300 компрессора.

[0058] Следует отметить, что начальный этап сжатия потока CO₂ до сверхкритических условий может сопровождаться одной или более следующими стадиями сжатия сверхкритического потока CO₂; предпочтительно начальный этап сжатия потока CO₂ имеет отношение давлений, которое намного меньше для каждого последующего этапа.

[0059] В соответствии с другим аспектом объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к компрессору, выполненному с возможностью обработки потока CO₂, содержащему:

- первую вращающуюся ступень компрессора, содержащую первый ряд лопастей вращающегося направляющего аппарата, причем упомянутые лопасти вращающегося направляющего аппарата проходят в основном аксиально и имеют переднюю кромку (210) и заднюю кромку (220);

- вторую вращающуюся ступень компрессора, содержащую второй ряд лопастей входного спрямляющего аппарата, проходящих в основном в осевом направлении или в основном радиально или как в осевом направлении, так и в радиальном направлении, имеющих переднюю кромку (310) и заднюю кромку (320);

- кольцевой зазор между первой вращающейся ступенью компрессора и второй вращающейся ступенью компрессора.

[0060] В предпочтительном варианте осуществления задняя кромка (220) вращающегося направляющего аппарата выпускает поток CO₂ непосредственно в кольцевой зазор, а передняя кромка (310) входного спрямляющего аппарата принимает поток CO₂ непосредственно из кольцевого зазора. Предпочтительно давление потока CO₂ на передней кромке (220) вращающегося направляющего аппарата выше давления потока CO₂ на передней кромке (210) вращающегося направляющего аппарата. В частности, давление потока CO₂ на задней кромке (220) равно или превышает давление насыщения плюс заданный запас давления, причем упомянутый запас давления связан с падением давления внутри второй ступени роторного компрессора.

[0061] Вышеупомянутый запас давления предназначен для предотвращения достижения условий насыщения потока CO₂ внутри второй ступени компрессора. Теоретически падение давления внутри ступени компрессора отсутствует. Однако на практике возможно некоторое падение давления сразу после передней кромки (310) второго ряда лопастей входного спрямляющего аппарата; причем области, в основном подверженные риску с этой точки зрения, находятся на стороне всасывания лопастей входного спрямляющего аппарата вблизи передней кромки (310).

[0062] Минимальное значение давления внутри второго ряда лопастей входного спрямляющего аппарата в значительной степени зависит от выбора конструкции и, как правило, составляет от 90% до 50% от полного давления впуска на второй вращающейся ступени компрессора, т. е. на передней кромке (310).

Заявлена группа изобретений, состоящая из компрессора, способа сжатия потока CO_2, с использованием компрессора на основе сверхкритического цикла CO₂. Компрессор (1000) используют для обработки потока CO₂; первая ступень (200) компрессора имеет первый ряд лопастей (250) с первым количеством лопастей, а вторая ступень (300) компрессора, ниже по потоку от первой ступени (200) компрессора, имеет второй ряд лопастей (350) со вторым количеством лопастей; количество лопастей первой ступени (200) компрессора меньше количества лопастей второй ступени (300) компрессора; имеется кольцевой зазор (400) между первым рядом лопастей (250) и вторым рядом лопастей (350); первая ступень (200) сжатия выполнена с возможностью обеспечения того, чтобы поток CO₂ находился в сверхкритическом состоянии, предпочтительно близком к критической точке CO₂ на ее выходе, и чтобы вторая ступень (200) компрессора обрабатывала CO₂ в сверхкритическом состоянии. Технический результат заключается в повышении эффективности компрессора и эффективности цикла. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Компрессор (1000), выполненный с возможностью обработки потока CO₂, содержащий:

- первую ступень (200) компрессора, содержащую первый ряд поворотных лопастей (250) с первым количеством лопастей;

- вторую ступень (300) компрессора, содержащую второй ряд поворотных лопастей (350) со вторым количеством лопастей, причем вторая ступень (300) компрессора сообщается ниже по потоку по текучей среде с упомянутой первой ступенью (200) компрессора;

причем упомянутое первое количество лопастей меньше упомянутого второго количества лопастей, и

причем упомянутая первая ступень (200) выполнена с возможностью обеспечения выходного потока CO₂ в сверхкритическом состоянии;

причем упомянутый первый ряд лопастей (250) выполнен с возможностью подачи потока CO₂ непосредственно на упомянутый второй ряд лопастей (350);

причем упомянутый второй ряд лопастей (350) расположен аксиально на расстоянии от упомянутого первого ряда лопастей (250) таким образом, что между упомянутым первым рядом лопастей (250) и упомянутым вторым рядом лопастей (350) находится кольцевой зазор (400), в котором обеспечивается изоэнтальпический этап обработки потока СО₂ с по существу постоянным как полным, так и статическим давлением.

2. Компрессор (1000) по п. 1, в котором отношение давлений упомянутой первой ступени (200) компрессора меньше, чем отношение давлений упомянутой второй ступени (300) компрессора.

3. Компрессор (1000) по п. 1, в котором отношение давлений упомянутой первой ступени (200) компрессора больше 1,0 и меньше 1,2.

4. Компрессор (1000) по п. 1, в котором кольцевой зазор имеет осевую длину, величина которой находится в диапазоне от одной до двух высот задней кромки упомянутого первого ряда лопастей (250).

5. Компрессор (1000) по п. 1, в котором соотношение между упомянутым вторым количеством лопастей и упомянутым первым количеством лопастей больше 1 и меньше 2 или больше 2 и меньше 3.

6. Компрессор (1000) по п. 1, дополнительно содержащий входной направляющий аппарат (100) выше по потоку от упомянутого первого ряда лопастей (250).

7. Компрессор (1000) по п. 1, в котором упомянутый первый ряд лопастей (250) имеет в основном аксиальное расширение.

8. Компрессор (1000) по п. 1, содержащий первый ротор и второй ротор, причем упомянутый первый ряд лопастей (250) является частью упомянутого первого ротора, а упомянутый второй ряд лопастей (350) является частью упомянутого второго ротора.

9. Компрессор (1000) по п. 1, содержащий ротор, причем упомянутый первый ряд лопастей (250) и упомянутый второй ряд лопастей (350) являются частями упомянутого ротора.

10. Способ сжатия потока CO₂ с использованием компрессора, включающий:

- первый этап сжатия для сжатия упомянутого потока CO₂ до сверхкритического состояния посредством первой ступени (200) компрессора таким образом, чтобы генерировать сверхкритический поток CO₂;

- второй этап сжатия для сжатия упомянутого сверхкритического потока CO₂ посредством второй ступени (300) компрессора;

причем упомянутый первый этап сжатия выполняют таким образом, что в конце сжатия CO₂ приближается к критической точке (Pc, Tc);

при этом между первым этапом сжатия и вторым этапом сжатия присутствует изоэнтальпический этап, на котором поддерживают по существу постоянным как полное давление, так и статическое давление.

11. Способ по п. 10, в котором упомянутый первый этап сжатия выполняют таким образом, что в конце сжатия точка термодинамического состояния CO₂ на диаграмме T-s находится за пределами купола насыщения, приблизительно вблизи критической точки CO₂ (Pc, Tc).

12. Способ по п. 11, в котором в конце упомянутого первого этапа сжатия давление равно или больше давления насыщения плюс заданный запас давления, причем упомянутый запас давления связан с падением давления внутри второй ступени (300) роторного компрессора.

13. Способ по п. 10, в котором за упомянутым первым этапом сжатия следует один или более этапов сжатия для сжатия потока CO₂.

14. Способ по п. 10, в котором на упомянутом первом этапе сжатия отношение давлений меньше, чем на упомянутом втором этапе сжатия.

15. Система генерирования энергии на основе сверхкритического цикла CO₂, содержащая два теплообменника, детандер и по меньшей мере один компрессор, причем упомянутый по меньшей мере один компрессор представляет собой компрессор по любому из пп. 1–9.