一种节能型超临界二氧化碳循环发电预冷器冷却方法与流程

本发明涉及二氧化碳循环发，尤其涉及一种节能型超临界二氧化碳循环发电预冷器冷却方法。

背景技术：

1、超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术是目前公认的最具发展前景的先进动力循环技术之一。由于超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高、临界点温度接近常温等独特物性优势，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，无需开发新型高温合金，且系统设备尺寸远小于同参数的蒸汽机组，具有循环效率高、系统结构紧凑、灵活性好、易于优化和控制等突出优点。在超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，印刷电路板式换热器因其换热能力强、紧凑度高、结构强度好等优势，被普遍认为是最适用的回热器和预冷器设备。预冷器作为超临界二氧化碳工质进入主压缩机之前的冷却设备，其换热效果对于整个循环系统的效率有着至关重要的影响。预冷器部分承载着巨大的能量流动，可达发电量的70%左右。通常，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统采用印刷电路板式换热器以水冷的形式对超临界二氧化碳进行冷却。预冷器通过将超临界二氧化碳的温度降低至临界点附近，有效减小换热端差，提高压缩机工作效率，从而确保整个发电系统的高效稳定运行。随着全球对高效清洁能源转换技术需求的持续增长，超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术的研究和应用日益受到重视，其中预冷器作为连接循环冷端与压缩机的关键设备，其性能优劣直接影响系统整体的经济性与可靠性。

2、然而，现有的超临界二氧化碳循环发电预冷器冷却技术在实际应用中仍存在诸多不足：

3、传统预冷器采用单一冷却段结构，冷却介质在整个冷却过程中仅经历一次温升即被排出，未能充分利用冷却介质从低温到高温整个温度区间内的吸热能力，造成冷却介质流量需求大、泵功消耗高，能量利用效率偏低。

4、超临界二氧化碳在拟临界点附近物性的剧烈变化使得预冷器出口温度的控制极为困难。系统负荷波动或环境温度变化时，主压缩机入口工质温度容易出现大幅波动，而传统冷却方法缺乏有效的主动调节手段，通常仅能通过调节冷却介质总流量进行粗略控制，响应速度慢、控制精度低，难以将主压缩机入口温度稳定维持在目标温度附近。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种节能型超临界二氧化碳循环发电预冷器冷却方法。

2、本发明提出的一种节能型超临界二氧化碳循环发电预冷器冷却方法，包括以下步骤：

3、步骤一:将超临界二氧化碳循环发电系统中经低温回热器放热后的超临界二氧化碳工质引入预冷器组件，所述预冷器组件沿工质流动方向依次设置有高温冷却段、中温冷却段和低温冷却段，各冷却段分别独立配置有冷却介质流路；

4、步骤二:在所述高温冷却段中，采用第一温度区间的冷却介质对超临界二氧化碳工质进行第一级冷却，使工质温度由第一温度降低至第二温度，同时回收工质在第一温度区间内释放的高温段热量并输送至系统外部热用户；

5、步骤三：在所述中温冷却段中，采用第二温度区间的冷却介质对经第一级冷却后的工质进行第二级冷却，使工质温度由第二温度降低至第三温度，所述第二温度区间的温度下限低于所述第一温度区间的温度下限，且所述中温冷却段中设置有可主动调节冷却介质流量的第一流量调节装置；

6、步骤四：在所述低温冷却段中，采用第三温度区间的冷却介质对经第二级冷却后的工质进行第三级冷却，使工质温度由第三温度降低至目标入口温度后送入主压缩机，所述第三温度区间的温度下限低于所述第二温度区间的温度下限；

7、步骤五：根据所述主压缩机入口处的工质温度实时监测值与所述目标入口温度之间的偏差，通过所述第一流量调节装置独立调节所述中温冷却段中冷却介质的流量，以补偿因系统负荷变化或环境温度变化引起的工质温度波动；

8、步骤六：将所述低温冷却段中冷却介质吸热升温后的输出至少部分地引入所述中温冷却段作为冷却介质使用，将所述中温冷却段中冷却介质吸热升温后的输出至少部分地引入所述高温冷却段作为冷却介质使用，形成冷却介质在相邻冷却段之间的梯级串联利用。

9、优选地，所述预冷器组件为印刷电路板式换热器，所述高温冷却段、中温冷却段和低温冷却段分别由若干层换热板片单元构成，各冷却段之间通过隔板物理分隔，且各冷却段内的超临界二氧化碳流道截面尺寸沿工质流动方向呈梯度减小设置，其中所述高温冷却段内流道的水力直径大于所述中温冷却段内流道的水力直径，所述中温冷却段内流道的水力直径大于所述低温冷却段内流道的水力直径。

10、优选地，步骤五中所述独立调节所述中温冷却段中冷却介质的流量的具体方法为：建立所述主压缩机入口处的工质温度实时监测值与所述目标入口温度之间的温度偏差信号，将所述温度偏差信号经比例-积分-微分控制器处理后生成流量控制指令，所述流量控制指令输出至所述第一流量调节装置以调节冷却介质流量，同时，根据所述中温冷却段进出口冷却介质的温差变化率对所述比例-积分-微分控制器的积分时间常数进行在线修正，以抑制因超临界二氧化碳工质在临界点附近物性剧烈变化所引起的温度控制振荡。

11、优选地，步骤六中所述冷却介质在相邻冷却段之间的梯级串联利用的具体流程为：将外部冷却水源引入所述低温冷却段，冷却介质在所述低温冷却段中吸收工质热量后温度升高至第一中间温度，然后将升温后的冷却介质至少部分地引出并输送至所述中温冷却段作为冷却介质使用，冷却介质在所述中温冷却段中进一步吸收工质热量后温度升高至第二中间温度，然后将升温后的冷却介质至少部分地引出并输送至所述高温冷却段作为冷却介质使用，所述第一中间温度低于所述第二中间温度，所述第二中间温度低于所述高温冷却段中工质的入口温度。

12、优选地，所述高温冷却段中还设置有第二流量调节装置，所述低温冷却段中还设置有第三流量调节装置；步骤五中，当所述第一流量调节装置的调节量达到其可调范围的预设阈值时，启动所述第二流量调节装置所述第三流量调节装置协同调节，通过增大所述低温冷却段中冷却介质流量以降低所述中温冷却段的冷却介质入口温度，通过减小所述高温冷却段中冷却介质流量以提高所述中温冷却段的冷却介质出口温度，从而实现多冷却段间的流量协同调配。

13、优选地，所述预冷器组件还集成有余热回收单元，所述余热回收单元与所述高温冷却段的冷却介质出口相连通，步骤二中所述回收工质在第一温度区间内释放的高温段热量并输送至系统外部热用户的具体方式为：将所述高温冷却段出口处温度升高的冷却介质引入所述余热回收单元，通过所述余热回收单元中的换热装置将热量传递给外部热网循环水或生活热水系统，经放热降温后的冷却介质返回所述高温冷却段循环使用。

14、优选地，还包括系统启动阶段的预热步骤：在超临界二氧化碳循环发电系统启动初期，关闭所述低温冷却段和中温冷却段的冷却介质供应，仅启动所述高温冷却段的冷却介质循环，使工质在所述高温冷却段中缓慢降温后直接送入主压缩机，待主压缩机出口工质温度达到预设稳定值后，依次启动所述中温冷却段和低温冷却段的冷却介质循环，以避免系统启动阶段因工质过冷而导致主压缩机入口处工质密度异常升高。

15、优选地，所述第一温度区间为150℃～200℃，所述第二温度区间为80℃～120℃，所述第三温度区间为20℃～50℃，所述目标入口温度为31℃～35℃，所述高温冷却段、中温冷却段和低温冷却段中冷却介质的流量比根据系统实际负荷通过如下方式动态确定：获取系统当前发电负荷信号，根据预设的负荷-流量比映射关系确定基础流量比，再根据环境温度传感器采集的环境温度值对所述基础流量比进行修正，得到最终流量比。

16、优选地，所述预冷器组件中高温冷却段、中温冷却段和低温冷却段沿工质流动方向依次布置于同一换热器壳体内，各冷却段之间通过带有温度补偿结构的金属隔板分隔，所述温度补偿结构为设置在隔板上的波纹状膨胀节，用于吸收各冷却段因工质温度差异导致的热膨胀量差异，各冷却段分别独立的冷却介质入口和冷却介质出口均设置于所述换热器壳体的同一侧，以便于外部管路的集中布置和维护。

17、本发明的有益效果：

18、本发明通过将预冷器分为高、中、低三温冷却段并实现冷却介质梯级串联利用，配合沿工质流动方向梯度减小的流道截面设计，有效减少冷却介质需求量，降低泵功消耗，并显著提升各段换热效率，同时在中温冷却段设置第一流量调节装置，采用pid控制器依据主压缩机入口温度偏差独立调节中温段流量，并根据进出口温差变化率在线修正积分时间常数以抑制临界点附近物性变化引起的温度振荡，当调节量达阈值时联动第二、第三流量调节装置协同调节，大幅拓宽温度调节范围并提高变工况控制精度，系统启动阶段分步投入冷却介质，避免工质过冷导致压缩机入口密度异常，保障启动安全性与平稳性。

19、本发明在预冷器组件中集成余热回收单元，将高温冷却段出口处温度升高的冷却介质引入余热回收单元，通过换热装置将热量传递给外部热网循环水或生活热水系统，实现了工质在高温冷却段内释放热量的有效回收和对外供给，将原本直接排放的中高温余热转化为可用热能资源，显著提高了系统综合能源利用效率，经放热降温后的冷却介质返回高温冷却段循环使用，形成闭式循环回路，进一步节约了冷却水资源。

20、本发明通过获取系统当前发电负荷信号和环境温度信号，根据预设的负荷-流量比映射关系确定基础流量比，再经环境温度值修正得到最终流量比，动态确定三个冷却段中冷却介质的流量分配，使冷却方法能够自适应匹配系统实际运行工况，在全工况范围内均保持优异的冷却性能和能量利用效率。