一种超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷系统及方法与流程

本发明属于发电，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷系统及方法。

背景技术：

1、超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，以下简称s-co2）布雷顿循环是一种以二氧化碳为工质，且工质在循环全程维持于其临界温度（31.1℃）和临界压力（7.38mpa）以上的超临界态运行的闭式动力循环。s-co2工质在超临界态下兼具气体的高扩散性和液体的高密度特性，使循环系统具有设备紧凑、换热效率高的特点。相较于传统的蒸汽朗肯循环，s-co2布雷顿循环不涉及工质的相变过程，在高温段循环效率较高，且整套系统的体积和重量可显著减小，在火力发电、核能发电、太阳能光热发电以及余热回收等领域受到广泛关注。

2、当前，风能、光伏等新能源发电产业正处于高速发展阶段。新能源发电固有的间歇性、波动性和随机性对电网的调峰调频能力提出了严峻要求。电网需要常规发电机组具备快速响应负荷变化的能力，以维持电力供需平衡和电网频率稳定。然而，传统燃煤发电机组采用的蒸汽朗肯循环受限于水-蒸汽工质的相变过程，锅炉升温降温需经历预热、蒸发、过热等多个传热阶段，热惯性较大；加之汽轮机高温部件（主蒸汽管道、高温过热器、汽轮机转子等）对温度变化速率的严格限制，其典型调峰速率仅为额定功率的2.5%至4%每分钟，难以满足新能源高比例并网背景下电网对调峰速率的更高需求。

3、s-co2布雷顿循环因其工质始终处于超临界态，不涉及相变，在变负荷灵活性上具有潜在的技术优势。然而，将该优势转化为工程实际中的快速变负荷能力，仍面临以下技术难题。

4、现有技术中，s-co2布雷顿循环的变负荷调节主要采用以下几种方法。

5、第一种方法是透平入口节流调节法。该方法在热源换热器出口与透平入口之间设置调节阀，通过改变调节阀开度来调节进入透平的工质流量和压力，从而改变透平做功量以调节系统负荷。该方法的问题在于，调节阀的节流过程是等焓膨胀过程，会导致工质的可用能（㶲）损失，降低循环热效率。同时，节流后工质压力降低、温度随之变化，使透平入口温度产生较大波动，对透平及其入口高温管道造成热冲击，引发热疲劳损伤。

6、第二种方法是工质存量调节法。该方法通过向循环系统中充入或排出工质来改变系统中工质的总质量，从而改变系统压力水平和工质循环流量以调节负荷。该方法虽然可避免节流损失，但其调节速度受制于工质充排设备的容量和响应时间，且系统压力的变化会引起各换热器换热特性的改变，如不同步调节热源侧的吸热量，将导致透平入口温度产生较大偏移，同样面临温度剧变引起的热应力和热疲劳问题。

7、第三种方法是旁路调节法。该方法在压缩机出口与透平出口之间设置旁通管路和旁通阀，将部分压缩后的高压工质直接引回低压侧，绕过热源换热器和透平。该方法虽然响应速度较快，但旁通的工质未经过透平膨胀做功，造成压缩功的浪费，显著降低了循环效率。同时，旁通工质与透平出口的乏气混合后改变了低压侧的温度分布，对回热器等部件的运行工况产生扰动。

8、第四种方法是直接借鉴传统蒸汽轮机的定压运行或滑压运行方法。定压运行方法通过调节热源换热器的吸热量来改变透平入口温度和透平做功量，需要频繁且幅度较大地升降工质温度，导致高温管道和透平承受巨大的循环热应力，热疲劳问题突出。滑压运行方法允许系统压力随负荷变化而自然滑动，但工质温度仍然随负荷变化产生较大波动，对设备的热安全同样构成威胁。

9、综上所述，上述现有的变负荷调节方法存在以下共性问题：在变负荷过程中均未能有效抑制透平入口工质温度的变化速率，导致高温管道、透平转子和叶片等关键部件承受剧烈的循环热应力，引起热疲劳损伤，缩短设备使用寿命。s-co2工质无相变的物理特性决定了其温度、密度和焓值之间存在强耦合关系，在临界点附近尤为敏感，压力或流量的变化会迅速引起温度的显著变化。而上述方法在调节负荷时，均缺乏对压缩机转速、工质流量和热源吸热量的协同控制机制，无法在快速调节系统负荷的同时将透平入口温度变化率约束在安全范围内。

10、因此，如何在s-co2布雷顿循环中实现快速变负荷响应的同时，有效抑制透平入口温度的变化速率以避免高温部件的热疲劳损伤，是当前s-co2发电技术领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷系统及方法。

2、本发明提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷系统，包括：

3、压缩机；

4、热源换热器，其入口与所述压缩机的出口流体连通；

5、透平，其入口与所述热源换热器的出口流体连通；

6、工质流路，用于将所述透平的出口与所述压缩机的入口相连通，以构成循环回路；以及

7、变频器，连接至用于驱动所述压缩机的电动机，

8、其中，所述变频器配置为调节所述压缩机的转速，以改变所述循环回路中的工质循环流量。

9、进一步地，所述工质流路包括：

10、回热器，其热侧入口与所述透平的出口连通，其冷侧出口与所述热源换热器的入口连通；以及

11、预冷器，其入口与所述回热器的热侧出口连通，其出口与所述压缩机的入口连通。

12、进一步地，还包括：

13、稳压罐，设置于所述循环回路上，位于所述压缩机的入口上游，所述稳压罐具有用于排出工质的放空口及用于补充工质的补气口。

14、进一步地，还包括：

15、调节阀，设置于所述热源换热器的出口与所述透平的入口之间。

16、一种超临界二氧化碳布雷顿循环变负荷系统的调节方法，包括：

17、响应于负荷调节指令，调节变频器，以改变压缩机的转速；

18、基于所述转速的改变，改变所述压缩机出口工质的压力及所述循环回路中的工质循环流量；以及

19、同步调节热源换热器的吸热量，

20、其中，所述转速的调节与所述吸热量的调节相配合，以使透平7的入口温度变化率维持在预设阈值内，同时改变所述透平的做功以调节系统负荷。

21、进一步地，所述预设阈值为2℃/min。

22、进一步地，当所述负荷调节指令为降低负荷时，所述方法还包括：

23、通过稳压罐的放空口排出部分所述工质，以维持所述压缩机的入口压力。

24、进一步地，当所述负荷调节指令为升高负荷时，所述方法还包括：

25、通过稳压罐的补气口补充部分所述工质，以维持所述压缩机的入口压力。

26、进一步地，在所述变负荷方法执行期间，设置于所述热源换热器与所述透平之间的调节阀维持全开状态。

27、进一步地，还包括：

28、同步调节预冷器的冷却量，以维持所述压缩机入口的工质温度。

29、本发明的有益效果如下：

30、发明采用变频器调节压缩机的转速作为改变系统负荷的主要手段，直接控制系统工质的循环流量和压力，利用了s-co2工质无相变的物理特性，将压缩机转速的调节与热源换热器吸热量的调节协同配合，使系统在透平入口温度变化缓慢平稳的条件下，通过改变透平入口压力和流量迅速调节透平做功和发电负荷，实现了高于传统蒸汽轮机调峰速率的快速变负荷能力。

31、本发明通过上述协同控制机制，将透平入口温度变化率约束在不引起热疲劳损伤的安全范围内，避免了传统变负荷方法中因温度剧变对高温管道和透平造成的热冲击，显著减少了设备的热疲劳损伤，延长了系统关键部件的使用寿命。

32、本发明的调节阀在变负荷过程中维持全开状态，负荷调节完全通过压缩机转速的改变实现，不引入节流㶲损，循环效率在变负荷工况下得到保持。