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

技术特征：
1.一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，包括工质补充单元、主循环做功单元和背压调节单元；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)；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)；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。2.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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)。3.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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)。4.根据权利要求3所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述的辅压缩机(15)上配置防喘阀(24)，防止辅压缩机(15)因循环流量不足造成喘振。6.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述的主压缩机(6)由全速变频电机驱动，并在主压缩机(6)出口设置防喘阀(19)。7.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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
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气换热器(16)冷却，冷却后排至入口罐(5)；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
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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。8.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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)。9.根据权利要求1所述的一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，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。
10.基于权利要求1
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9任一项所述的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，其特征在于，包括以下步骤；系统工质补充单元的控制；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；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；主循环做功单元的控制：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；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；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；背压调节单元的控制：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；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；
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
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气换热器(16)冷却，冷却后排至入口罐(5)。

技术总结
本发明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，包括工质补充单元、主循环做功单元和背压调节单元，本发明中排放罐和入口罐独立设置，可实现排放罐独立控制背压，入口罐独立控制压缩机入口压力。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。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。高而发生跳闸事故。高而发生跳闸事故。


技术研发人员：宋晓辉 李红智 蔺奕存 张磊 李晓飞 辛志波 伍刚 高景辉 孟颖琪 姚明宇
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2021.08.19
技术公布日：2021/10/8