一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统及控制方法与流程

1.本发明属于超临界二氧化碳循环发电系统技术领域，具体涉及一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统及控制方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳循环(简称s
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co2)发电系统整体上构成一个闭式循环。co2透平排气经过换热冷却后进入主压缩机入口，即透平背压在不同的运行阶段(冲转、定速、带负荷)持续变化。相比于稳定背压的机组而言，超临界co2闭式循环发电系统对于各阶段的目标控制更加困难。一是透平调节阀的开度不仅需要考虑机前压力的变化，同时需要考虑透平排气的背压变化；二是在一个稳定工况下当机组参数(如转速)出现变化变化时，调阀的调节控制策略与背压的变化是反向的，背压变化造成目标调节出现迟滞、震荡与叠加；三是对于配置高低压串联透平的超临界co2循环发电机组，持续变化的背压对于机组的稳定调节异常困难；四是系统在高参数阶段运行时，当系统阻力逐步提高后，相应的排气压力也升高，限制机组进一步带更高参数运行。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统及控制方法，在当机组在高负荷阶段运行时可通过稳压调节阀将机组背压控制在稳定值，更有益于转速的调节。同时通过调节背压，将排气罐压力稳定在某一定边界值，可避免系统因循环阻力过大等因素造成排气压力高而进一步限制带大负荷的能力，降低运行风险，避免出现co2透平因排气压力高而发生跳闸事故。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，包括工质补充单元、主循环做功单元和背压调节单元；
6.所述的工质补充单元包括液态co2储罐1，液态co2储罐1的co2工质通过增压泵2增压(2～3.5倍液态压力)后进入气化器3，经过加热气化后的co2工质依次进入缓冲罐4及入口罐5；
7.所述主循环做功单元包括入口罐5，所述入口罐5的工质经过主压缩机6加压(压比从1.0～额定压比)后依次通过低温回热器7和高温回热器8的冷侧，低温高压的工质经两级回热器加热后进入锅炉9中继续吸热，吸热后的工质满足透平冲转条件后经透平主气阀、调节阀后进入co2透平10中做功，做功后的高温乏气依次通过高温回热器8、低温回热器7换热后进入预冷器11，在预冷器11中完成水气末端热交换，最终进入排放罐12；
8.所述背压调节单元包括排放罐12，所述的排放罐12与储气罐14之间用主主调压阀13相连，利用主调压阀13的自动调节性能，用于将排放罐12中的压力稳定在某一定值。
9.所述的排放罐12与入口罐5之间设有旁路调压阀25，且旁路调压阀25前有逆止阀27。
10.所述的储气罐14中的工质通过辅压缩机15增压、增压后温度较高的工质通过水
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气换热器16进行冷却，冷却后的工质排至入口罐5。
11.所述的辅压缩机15采用变频电机驱动，根据储气罐14与入口罐5之间的压比自动跟踪调节。
12.所述的辅压缩机15上配置防喘阀24，防止辅压缩机因循环流量不足造成喘振。
13.所述的主压缩机6由全速变频电机驱动，并在主压缩机出口设置防喘阀19。
14.所述储气罐14中的工质通过辅压缩机15进行加压，加压后的工质先进入水
‑
气换热器16冷却，冷却后排至入口罐5。
15.所述预冷器11上连接冷却塔17，所述冷却塔17是超临界co2循环发电系统的外部冷却设备，利用双曲线的塔体结构形成的虹吸效果冷却预冷器循环冷却水的回水，预冷器11循环冷却水从冷却塔17高处进水口淋下，与上升的空气流换热，带走回水温度。冷却后的循环水落入冷却塔17底部水池，通过预冷器循环水泵18增压，分别供应该预冷器11的水侧以及水
‑
气换热器16的水侧。经过换热器吸热后的预冷器高温回水回至冷却塔17的进水口。
16.所述的co2透平10通过一减速箱与发电机相连，所述的co2透平10配置一容量100％的旁路阀20，所述的co2透平10入口配置主气阀22和调节阀23，出口配置逆止阀21。
17.所述增压泵2为低温活塞式增压泵，所述气化器3中的水浴式电加热器进行加热气化。
18.一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统的控制方法，包括以下步骤；
19.系统工质补充单元的控制；
20.系统首次启动时，缓冲罐中压力为0，系统中的co2工质均来自于液态co2储罐1，利用活塞式增压泵2将液态co2储罐1中的液体co2加压后通入气化器3，气化器一般采用水浴式电加热，气化后的co2工质进入缓冲罐4，逐步将缓冲罐4中的压力提高到工作压力，当缓冲罐压力稳定后，逐步开启缓冲罐至入口罐的手动阀，将入口罐的压力补充至满足主压缩机启动的要求；
21.机组正常运行中，系统工质的补充主要来自三处，一是通过增压泵控制从缓冲罐直接接入入口罐；二是通过排放罐的主调压阀13，控制进入储气罐中的量，利用辅压缩机15将储气罐中的工质增压、换热后补充至入口罐5中；三是当缓冲罐中压力低于设定值时，辅压缩机停运，利用排放罐的旁路调节阀直接将排放罐中的工质补充至入口罐；
22.主循环做功单元的控制：
23.入口罐5是主循环做功单元的起点，首先将入口罐5中的工质通过主压缩机6增压，主压缩机6前后设置有进出口电动阀且配置全速变频电机，可根据系统参数要求调节频率，经压缩后的高压co2工质依次经过低温回热器7和高温回热器8，进入锅炉9中继续吸热，加热后的co2工质满足co2透平10冲转参数时，开启透平进口主气阀22，由透平调节阀23控制透平转速，透平旁路阀20配合机组冲转及参数调整，透平冲转做功后的排气经排气逆止阀21后依次与高温回热器8和低温回热器7换热，换热后的乏气进入预冷器11，在预冷器11中热侧co2工质与冷侧循环水换热，最终将工质温度降低到设定值后进入排放罐12，完成整个主循环流程；
24.在co2透平10冲转阶段，首先将压缩机入口压力补充至预设值，利用主压缩机频率控制透平冲转所需压力，通过透平旁路阀20建立主循环回路，在锅炉9中对循环工质加热至
冲转参数，冲转阶段的控制目标是co2透平10的转速，co2透平10转速通过进气调节阀23自动调节，通过手动关小旁路阀20及主压缩机防喘阀19，维持co2透平10冲转阶段机前压力稳定；
25.在co2透平10带负荷阶段，此时的控制目标是透平负荷，co2透平10负荷的升降主要通过主循环回路的工质流量来实现，在该阶段透平旁路阀20及主压缩机防喘阀19均已关闭，co2透平10负荷的提高一方面通过增加燃料量，进而提高循环工质的温度；另一方面提高压缩机入口的压力、提高压缩机的频率进而提高循环工质的压力；当co2透平10机前压力、温度都提高后，最终通过透平进口调节阀达到对透平负荷的控制；
26.背压调节单元的控制：
27.完成整个系统循环后的工质进入排放罐12，随着机组负荷逐渐升高，排放罐中的压力逐步提升，即相应的背压提高，背压提高后导致透平调阀在目标转速(或负荷)跟踪时受背压变化，导致调节出现迟滞、震荡，该系统配置主调压阀13和旁路调压阀25后，可根据启动运行的不同阶段设定排放罐中的压力，即达到调节背压的效果；
28.机组启动初期，排放罐12中的背压较低，此时无需启动辅压缩机，通过开启旁路调压阀25，将排放罐12中的气体直接通入入口罐5中，该阶段排放罐12中的压力与入口罐5中压力相等；
29.机组带载后背压逐步升高，首先确定排放罐的设计压力p1，确定机组可承受的最大背压p
max
以及排放罐的设定压力p
set
，原则上p1＞p
max
＞p
set
，当机组的实际背压p低于p
set
，时，辅压缩机15停运，排放罐的旁路调压阀25全开，排放罐中的工质通过调压阀25直接进入入口罐5中，当机组实际背压p达到p
set
或超过p
set
时，此时主调压阀13投入自动，目标压力设定为p
set
，逐步关闭旁路调压阀25，将排放罐12中多余的工质排放至储气罐14中，当储气罐14的压力满足辅压缩机15启动的要求时，启动辅压缩机15，将储气罐14中的工质进行加压，加压后的工质先进入水
‑
气换热器16冷却，冷却后排至入口罐5。
30.本发明的有益效果：
31.1)调节背压单元设置三组调压阀，可满足超临界二氧化碳循环机组在启动前工质充装、co2透平冲转定速、带负载变工况等全工况运行周期的调节与控制。
32.2)不同于典型的超临界二氧化碳循环中排放罐和入口罐等压的设置，在新系统中，排放罐和入口罐独立设置，可分别调节压力。
33.3)排放罐中的压力根据机组运行阶段不同，可设定不同的压力。尤其是在高负荷阶段通过主调压阀将机组背压控制在稳定值p
set
，更有益于转速(或负荷)的调节。
34.4)当运行中的系统因循环阻力等因素造成排气压力升高而进一步限制带大负荷时，通过调节背压，将排气罐压力稳定在某一定值，可大幅降低运行风险，避免出现透平因排气压力高而发生跳闸事故。
35.5)排放罐中通过稳压调节阀排出的气体进入储气罐，做到了工质的循环利用，经济环保。
36.6)采用变频辅压缩机自动启停及调节。即辅压缩机的频率自动跟踪压比π，π＝p0/p3，即入口罐压力与储气罐压力的比值。
附图说明
37.图1为本发明流程结构示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
39.如图1所示，一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统及控制方法，主要由三部分单元模块组成。即工质补充单元、主循环做功单元和背压调节单元。
40.所述的工质补充单元包括液态co2储罐1、增压泵2、气化器3、缓冲罐4及相应附属管道、阀门等。
41.所述的主循环做功单元包括入口罐5、主压缩机6、低温回热器7、高温回热器8、锅炉9、co2透平10、预冷器11、排放罐12、冷却塔17、预冷器循环水泵18及其他附属的阀门(如主压缩机防喘阀19、透平旁路阀20、透平排气逆止阀21、透平进口主气阀22、透平进口调节阀23)等。
42.所述的背压调节单元包括排放罐12、主主调压阀13、储气罐14、辅压缩机15、水
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气换热器16、入口罐5、辅压缩机防喘阀24、旁路调节阀25、逆止阀27及其他配套的管道、阀门等。
43.在一个常规的超临界二氧化碳循环发电机组中，来自液态co2储罐1的co2工质通过增压泵2增压后进入气化器3，利用气化器3中的水浴式电加热器进行加热气化；经过加热气化后的co2工质进入缓冲罐4。该部分组成了超临界二氧化碳循环发电系统的工质补充单元。
44.在本实例中，液态co2储罐1中的工质来自于外购，利用槽车加注至液态co2储罐1中。在机组启动前，启动增压泵2，首先将缓冲罐中的实际压力p补充至设计压力值p1，p1设计值为9.2mpa。缓冲罐中实际压力p的补充速率取决于增压泵的频率，增压泵为变频调节，正常运行范围20～50hz。
45.在本实例中，机组启动初，利用缓冲罐至入口罐的补气调节阀28，逐步补充工质到入口罐5中，入口罐5中的压力p0以满足主压缩机启动需求，p0＜p1。在本实例中，p0值要求不小于3.5mpa，而p1设计值为9.2mpa。当入口罐p0≥3.5mpa满足启动要求，主压缩机6进出口电动阀全开，给主循环回路注入工质，当检测到排放罐中压力p2与p0一致时，即判定主循环回路充工质完成。此时启动主压缩机6逐步给系统升压。
46.在本实例中，利用增压泵保证缓冲罐中的实际压力p不低于90％p1。机组在稳定运行工况时，原则上补气调节阀28关闭，系统工质维持闭式循环。当机组变工况运行(如快速提升负荷或转速)时，利用补气调节阀28，向入口罐5中补充工质，提高主压缩机入口压力，从而达到相应负荷或者转速的要求。
47.在本实例中，主压缩机6启动正常后，快速将频率升至20hz以上，维持在25～35hz范围，逐步提高压缩机入口压力，即入口罐的压力值。
48.在本实例中，当透平机前压力低于8mpa、温度低于200℃未达到冲车参数前，透平旁路阀20开启，该阶段旁路的阀位反馈不低于85％，主要满足工质循环流量的需要。主压缩机6启动后，主压缩机防喘阀19自动跟踪循环流量，保护压缩机在非喘振区间运行。在透平尚未冲转前，防喘阀19处于100％全开位置。
49.在本实例中，当透平机前压力不低于8mpa、温度不低于200℃，即达到冲车参数时，透平挂闸，开启透平主气阀22，利用进气调节阀23控制进入透平的工质流量，同时旁路阀20配合调整透平机前压力。当co2透平在过临界转速区及大幅度跃升区时(如从1500r/min升速至3000r/min或从4500r/min升速至9000r/min)，此时优先关小防喘阀19，然后回关旁路阀20，当防喘阀和旁路阀阀位反馈小于3％时，若透平仍在临界转速区或尚未定速，此时需要提高主压缩机6的频率，快速响应透平转速的需求。透平做功后的乏气(240℃)经排气逆止阀21依次进入高温回热器8、低温回热器7，在回热器中与来自主压缩机6出口的冷工质(97.2℃)换热，放热后的乏气进入预冷器11(110℃)，与循环冷却水(42℃)系统换热，最终冷却后的乏气(41℃)进入排放罐12。
50.在本实例中，可调背压单元的控制首先需确定排放罐的设计压力p
out
，在本实例中p
out
值为9.1mpa，机组可承受的最大背压p
max
值为8.7mpa以及排放罐的设定压力p
set
，p
set
取值7.0mpa。原则上p
out
＞p
max
＞p
set
，当机组的实际背压p2低于p
set
(7.0mpa)，时，辅压缩机15停运，排放罐的旁路调压阀25全开，排放罐中的工质通过调压阀25直接进入入口罐5中。当机组实际背压p2达到p
set
，即7.0mp或超过7.0mp时，此时主调压阀13投入自动，目标压力设定为p
set
，即7.0mp。
51.在本实例中，当主调压阀13投入自动后，旁路调压阀25按照3％/s的速率逐渐关闭。
52.在本实例中，主调压阀投入自动后，排放罐中多余的工质自动排放至储气罐14中。当储气罐14的压力p3满足辅压缩机15启动的要求时(即p3≥2mpa)，启动辅压缩机15，将储气罐14中的工质进行加压，加压后的工质先进入水
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气换热器16冷却，冷却后排至入口罐5。
53.在本实例中，辅压缩机的频率自动跟踪压比π，π＝p0/p3，即入口罐压力与储气罐压力的比值。
54.在本实例中，辅压缩机的防喘阀24自动跟踪压比π与辅压缩机的入口流量，当储气罐的压力p3低于2mpa时，辅压缩机15自动停运。
55.在本实例中，系统的冷源来自于冷却塔17。经冷却塔冷散热的循环水通过预冷器循环水泵18分别送入预冷器11的水侧和水
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气换热器16的水侧，经换热后的热水重新回至冷却塔的高位进口。
56.本发明由三部分组成，即工质补充单元，主循环做功单元及背压调节单元。新系统可根据机组控制(如转速或者负荷)目标手动调节co2透平排气背压，满足机组在不同运行阶段的背压需求。与典型的闭式超临界二氧化碳循环相比，系统背压调节单元由不同压力等级的罐体(包括排放罐、储气罐及入口罐)、气体压缩机、水
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气换热器及调压阀等构成。其中排放罐作为系统工质循环的背压侧，配置一稳压调节阀，可手动设定排放罐的压力，从而保证排放罐背压可调与稳定。储气罐承接排放罐的排气。入口罐作为超临界二氧化碳循环的起点，其压力等级高于储气罐，因此在储气罐和入口罐之间配置一辅压缩机及水
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气换热器，从而将储气罐中的气体通过压缩冷却后补充至入口罐，完成循环系统工质的补充。