一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法

1.本发明属于热力发电技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳布雷顿循环由于效率高、系统体积小、噪声低等优点，可应用于太阳能、核能、燃煤、废热等多种热源环境，因此研究超临界二氧化碳布雷顿循环系统的技术具有很重要的意义。
3.超临界二氧化碳布雷顿循环系统运行及控制需注意以下关键问题：
4.1)由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统为闭式循环，故系统运行过程中任一参数的改变会对系统其他参数造成重大影响；
5.2)由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统设计时利用了二氧化碳处于临界点(31.3℃，7.38mpa)附近时的物性优势，故在系统运行的过程中需保证压缩机入口工质状态处于设计值；
6.3)压缩机和透平同轴布置时，压缩机与透平间的强耦合关系减少了超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的一个可控变量，无法单独对压缩机或透平进行调控。
7.因此，针对运行中的上述问题，需要开展针对同轴连接的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的控制方法研究。现有控制方法大多以存量控制为主，控制方法如图1所示。系统部件主要有压缩机、透平、热源、回热器、冷却器、轴、储存罐、安全阀、增压阀、旁通阀、水泵等，其中压缩机与透平共用转轴。
8.系统运行时，压缩机出口的低温高压工质首先进入回热器作为冷源与来自透平的高温工质进行换热以提高温度，随后经由热源被加热以进一步提高温度，最后进入透平膨胀做功带动发动机发电；从透平出口排出的高温工质首先进入回热器作为热源与来自压缩机的低温工质进行换热以降低温度，随后进入冷却器与来自水泵的冷却水进行换热以进一步降低温度，最后进入压缩机被压缩，如此完成一个循环过程。
9.该控制方法以存量控制为主，对压缩机入口压力进行调控，在系统运行过程中，当压缩机入口压力发生变化时，安全阀、增压阀、储存罐开始工作以调控压缩机入口压力，具体如下：
10.1)压缩机入口压力高于设定压力时，开启安全阀，系统中的部分工质流入储存罐中被存储起来；
11.2)压缩机入口压力低于设定压力时，开启增压阀，将储存罐中的高压工质重新送回循环系统中。
12.此外，该控制方法对压缩机入口温度和叶轮机械转速提出了调控方法，当压缩机入口温度发生变化时，调整水泵转速以调控压缩机入口温度，当叶轮机械转速发生变化时，调整旁通阀开度以调控叶轮机械转速，具体如下：
13.1)压缩机入口温度高于设定温度时，增大水泵转速；压缩机入口温度低于设定温
度时，减小水泵转速。
14.2)叶轮机械转速高于设定转速时，增大旁通阀开度；叶轮机械转速低于设定转速时，减小旁通阀开度。
15.在现有的控制方法中，针对压缩机入口压力所使用的控制方法为存量控制，针对压缩机入口温度所使用的控制方法为调整水泵转速，针对叶轮机械转速所使用的控制方法为调整旁通阀开度。


技术实现要素：

16.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，克服存量控制中间储存罐尺寸大、辅助设备多、成本高的缺点。
17.本发明采用以下技术方案：
18.一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，在透平与热源之间设置第一调节阀，透平依次经回热器的热侧、冷却器、节流阀与压缩机连接；压缩机依次经回热器的冷侧、热源与透平连接形成工质侧循环通路，压缩机连接有电机；
19.透平与热源的管路上设置旁通管路，旁通管路上设置第一旁通阀；冷却器与压缩机的管路上设置旁通管路，旁通管路上设置第二旁通阀；冷却器的冷侧设置第二调节阀；
20.当超临界二氧化碳布雷顿循环系统启动时，电机作为电动机，带动压缩机工作；当超临界二氧化碳布雷顿循环系统平稳运行时，电机作为发电机提供电力；
21.通过调节第一旁通阀、第一调节阀、第二调节阀、第二旁通阀和节流阀分别对超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的输出功率和转速、压缩机入口温度、压缩机入口压力进行调节。
22.具体的，当超临界二氧化碳布雷顿循环系统负荷降低时，通过控制第一调节阀的阀门开度减少进入透平的二氧化碳流量，减少系统净输出功率，建立新的转子平衡关系，使电机的转速维持在设定值；调整第二调节阀的阀门开度，调节冷却器的冷侧流体流量，使压缩机的入口温度维持在设定值，调整节流阀的阀门开度，使压缩机的入口压力维持在设定值。
23.具体的，当超临界二氧化碳布雷顿循环系统负荷升高时，增大第一调节阀的阀门开度，增加进入透平的二氧化碳流量，增加系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；调整第二调节阀的阀门开度，调节冷却器的冷侧流体流量，同时调整第二旁通阀的开度，使部分二氧化碳通过第二旁通阀旁通，使压缩机的入口温度维持在设定值，调整节流阀的阀门开度，使压缩机的入口压力维持在设定值。
24.具体的，超临界二氧化碳布雷顿循环系统启动时，电机作为电动机带动压缩机运行，逐步升高热源的功率，使回路中的二氧化碳温度升高，压缩机入口的工质状态维持设定值；随着热源功率的提升，逐步增大第一调节阀，逐步关闭第一旁通阀，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的输出功率和转速上升，电机从驱动过渡到发电，直到超临界二氧化碳布雷顿循环系统在设计点运行。
25.具体的，当热源的功率升高时，增大第一旁通阀的阀门开度，减少进入透平的二氧化碳流量，减少系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；调整第
二调节阀的阀门开度，调节冷却器的冷侧流体流量，使压缩机的入口温度维持在设定值，调整节流阀的阀门开度，使压缩机的入口压力维持在设定值。
26.具体的，当热源的温度降低时，减小第一旁通阀的阀门开度，增加进入透平的二氧化碳流量，增加系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；调整第二调节阀的阀门开度，调节冷却器的冷侧流体流量，同时调整第二旁通阀的开度，部分二氧化碳直接通过第二旁通阀旁通，使压缩机的入口温度维持在设定值，调整节流阀的阀门开度，使压缩机的入口压力维持在设定值。
27.具体的，当系统全功率运行时，第一旁通阀保持小于1％的开度。
28.具体的，当超临界二氧化碳布雷顿循环系统停机时，减小热源的功率，关闭第一调节阀，打开第二旁通阀，使工质侧循环通路中的二氧化碳温度降低，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的输出功率和转速下降，电机的作用从发电过渡为驱动，直至停机。
29.具体的，冷却器与水泵或风机连接，在一个循环过程中，由水泵或风机提供冷测流体用于和冷却器热侧的二氧化碳进行换热。
30.具体的，节流阀与压缩机之间的管路上设置有压力传感器，节流阀与冷却器之间的管路上设置有温度传感器。
31.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
32.本发明一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，针对同轴连接特点和co2工质的特性，提出对超临界二氧化碳布雷顿循环系统的多个关键参数进行协调控制的思路，构建了三个控制子模块，在传统超临界二氧化碳布雷顿循环系统的基础上，采用了使用多阀门进行主要控制，其他辅助设备配合的协调控制方法。
33.进一步的，本发明提出的控制方法涉及的主要执行机构不再是大容积的储存罐，而是轻便的阀门，有望充分发挥超临界二氧化碳布雷顿循环系统的潜在优势，解决了传统存量控制辅助设备庞大、系统笨重的缺点，旨在进一步提高系统控制精度与响应速度。
34.进一步的，本发明提出的控制方法对系统在启动、停机过程中的控制方法进行了补充，使得系统运行及控制方法更加完善。
35.综上所述，本发明控制方法实现超临界二氧化碳布雷顿循环系统在各种波动情景下的稳定运行，且设备所需要的冗余度更小，系统可靠性更高。
36.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
37.图1为传统超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制示意图；
38.图2为本发明控制示意图；
39.图3为超临界二氧化碳布雷顿循环系统各参数变化曲线图，其中，(a)为透平入口温度变化曲线；(b)为转速变化曲线；(c)为功率变化曲线；(d)为透平流量变化曲线；(e)为压力变化曲线；(f)为温度变化曲线。
40.其中：1.压缩机；2.热源；3.透平；4.回热器；5.冷却器；6.单轴；7.储存罐；8.增压阀；9.安全阀；10.旁通阀门；11.水泵；12.电机；13.第一旁通阀；14.第一调节阀；15.第二调节阀；16.第二旁通阀；17.节流阀；18.温度传感器；19.压力传感器。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
43.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
44.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
45.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
46.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
47.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
48.本发明提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，针对同轴连接特点和co2工质的特性，提出对系统关键参数进行调控的协调控制方法，构建功频调节模块、压缩机入口温度调节模块、压缩机入口压力调节模块，对系统运行过程中的输出功率和转速、压缩机入口温度、压缩机入口压力进行调控，并补充了系统在启动、停车过程中的控制方法，可以实现系统在各种波动情景下的稳定运行，且设备所需要的冗余度更小，系统可靠性更高。
49.请参阅图2，本发明一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，压缩机1和透平3通过单轴6连接在一起，压缩机1通过变速箱或单轴与电机12连接，当系统启动时，电机12作为电动机，带动压缩机1工作；当系统平稳运行时，电机12作为发电机，为外界提供电力；透平3与热源2之间设置第一调节阀14，透平3经回热器4与冷却器5连接；冷却器5经节流阀17与压缩机1连接，节流阀17与压缩机1之间的管路上设置有压力传感器19，节流阀17与
冷却器5之间的管路上设置有温度传感器18；压缩机1与回热器4的冷侧连接，回热器4的冷侧与热源2连接，热源2与透平3连接，透平3与回热器4的热侧连接，回热器4的热侧与冷却器5连接，冷却器5与压缩机1连接，形成工质侧循环通路。
50.超临界二氧化碳布雷顿循环系统中温度传感器18和压力传感器19用于测量压缩机1入口的温度和压力。
51.透平3与热源2的管路上设置旁通管路，旁通管路上设置第一旁通阀13。
52.冷却器5与压缩机1的管路上设置旁通管路，旁通管路上设置第二旁通阀16；冷却器5的冷侧设置第二调节阀15。
53.压缩机1吸入低温低压的二氧化碳并将其压缩为低温高压的二氧化碳，压缩机1出口的低温高压二氧化碳经回热器4的冷侧入口进入回热器4中与来自透平3的高温低压二氧化碳进行换热以提高温度，回热器4的冷侧出口的二氧化碳经热源加热以进一步提高温度，热源2出口的二氧化碳进入透平3膨胀做功并带动电机12发电；从透平3出口排出的高温低压二氧化碳经回热器4热侧入口进入回热器4中与来自压缩机1的低温高压二氧化碳进行换热以降低温度，回热器4热侧出口的二氧化碳进入冷却器5中被冷却以进一步降低温度，冷却器5出口的二氧化碳进入压缩机1中被压缩为低温高压的二氧化碳，如此完成一个循环过程。
54.其中，冷却器5与水泵(对应于水冷)或风机(对应于空冷)连接，在一个循环过程中，用于和冷却器5热侧的二氧化碳进行换热的冷测流体由水泵或风机提供。
55.本发明超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法的调控对象有：系统输出功、叶轮机械转速、压缩机入口温度和压缩机入口压力。
56.本发明提出的控制方法按作用分为：功频调节模块、压缩机入口温度调节模块、压缩机入口压力调节模块，分别对循环系统中的输出功率和转速、压缩机入口温度、压缩机入口压力进行调节。
57.其中，功频调节模块包括热源2、透平3、第一旁通阀13、第一调节阀14及相关的测量和驱动单元；
58.压缩机入口温度调节模块包括回热器4、冷却器5、第二调节阀15、第二旁通阀16及相关的测量和驱动单元；
59.压缩机入口压力调节模块包括冷却器5、节流阀17、压缩机1及相关的测量和驱动单元。
60.当超临界二氧化碳布雷顿循环系统处于稳定运行工况时，转速与功率满足
61.式1，具体如下：
[0062][0063]
其中，n为转速，j为轴转动惯量，n
t
为透平功率，nc为压缩机功率，ne为发电机功率。
[0064]
当超临界二氧化碳布雷顿循环系统负荷降低时，电机12对单轴6的扭矩降低，转速上升，在功频调节模块作用下，减小第一调节阀14的阀门开度，减少进入透平3的二氧化碳流量，减少系统净输出功率，建立新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；
[0065]
由于经过透平3的二氧化碳流量降低，使得透平3出口压力和透平3出口温度改变，导致压缩机1入口温度和压缩机1入口压力状态改变，在压缩机入口温度调节模块和压缩机
入口压力调节模块作用下，调整第二调节阀15的阀门开度，调节冷却器5的冷侧流体流量，使压缩机1的入口温度维持在设定值，调整节流阀17的阀门开度，使压缩机1的入口压力维持在设定值。
[0066]
当超临界二氧化碳布雷顿循环系统负荷升高时，各调节模块的动作方向相反，在功频调节模块作用下，增大第一调节阀14的阀门开度，增加进入透平3的二氧化碳流量，增加系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；由于经过透平3的二氧化碳流量增加，使得透平3出口压力和透平出口温度改变，进而导致压缩机1入口温度和压缩机1入口压力改变，在压缩机1入口温度调节模块和压缩机入口压力调节模块作用下，调整第二调节阀15的阀门开度，调节冷却器5的冷侧流体流量，同时调整第二旁通阀16的开度，部分二氧化碳直接通过第二旁通阀16旁通，使压缩机1的入口温度维持在设定值，调整节流阀17的阀门开度，使压缩机1的入口压力维持在设定值。
[0067]
系统启动时，电机12作为电动机，带动压缩机1运行，此时叶轮机械的转速由电机12的频率决定。功率提升时，逐步升高热源功率，使回路中的二氧化碳温度升高，压缩机1入口的工质状态在压缩机入口温度调节模块和压缩机入口压力调节模块作用下维持在设定值；随着热源功率的提升，逐步开大第一调节阀14，逐步关闭第一旁通阀13，系统输出功率和转速不断上升，电机12的作用从驱动过渡到发电，直到系统在设计点运行。
[0068]
当系统全功率运行时，第一旁通阀13并非全关，而是保持小于1％的开度，以应对相关扰动或负载波动(热源功率变化、冷却器冷侧工质状态变化等)。
[0069]
当热源2功率升高时，系统的主动转矩高于反转矩，转子的平衡遭到破坏，转速有上升的趋势，在功频调节模块作用下，增大第一旁通阀13的阀门开度，减少进入透平3的二氧化碳流量，减少系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；由于经过透平3的二氧化碳流量降低，使得透平3出口压力和透平3出口温度改变，导致压缩机1入口温度和压缩机1入口压力状态改变，在压缩机入口温度调节模块和压缩机入口压力调节模块作用下，调整第二调节阀15的阀门开度，调节冷却器5的冷侧流体流量，使压缩机1的入口温度维持在设定值，调整节流阀17的阀门开度，使压缩机1的入口压力维持在设定值。
[0070]
当热源2功率降低时，系统的主动转矩低于反转矩，转子的平衡遭到破坏，转速有下降的趋势，在功频调节模块作用下，减小第一旁通阀13的阀门开度，增加进入透平3的二氧化碳流量，增加系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；由于经过透平3的二氧化碳流量增加，使得透平3出口压力和透平3出口温度改变，进而导致压缩机1入口温度和压缩机1入口压力改变，在压缩机入口温度调节模块和压缩机入口压力调节模块作用下，调整第二调节阀15的阀门开度，调节冷却器5的冷侧流体流量，同时调整第二旁通阀16的开度，部分二氧化碳直接通过第二旁通阀16旁通，使压缩机1的入口温度维持在设定值，调整节流阀17的阀门开度，使压缩机1的入口压力维持在设定值。
[0071]
当系统停机时，停机过程与启动过程相反，逐步减小热源功率，逐步关闭第一调节阀14，逐步打开第二旁通阀16，使回路中的二氧化碳温度降低，系统输出功率和转速不断下降，电机12的作用从发电过渡为驱动，直至停机。
[0072]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073]
实施例
[0074]
超临界二氧化碳循环系统在设计工况下工作时，转速为30000rpm，输出功率为150kw，假设由于热源功率增加，透平入口温度在10s内上升20k，在本发明提出的控制策略作用下，超临界二氧化碳循环系统内的各参数变化如图3所示。
[0075]
当热源2功率导致透平入口温度升高时，系统的主动转矩高于反转矩，导致负荷与功率之间产生偏差，转子的平衡遭到破坏，转速有上升的趋势，在功频调节模块作用下，增大第一旁通阀13的阀门开度，减少进入透平3的二氧化碳流量，减少系统净输出功率，建立起新的转子平衡关系，使转速维持在设定值；由于经过透平3的二氧化碳流量降低，使得透平3出口压力和透平3出口温度改变，导致压缩机1入口温度和压缩机1入口压力状态改变，在压缩机入口温度调节模块和压缩机入口压力调节模块作用下，调整第二调节阀15的阀门开度，调节冷却器5的冷侧流体流量，使压缩机1的入口温度维持在设定值，调整节流阀17的阀门开度，使压缩机1的入口压力维持在设定值。
[0076]
图3所示的仿真试验结果与热源功率升高时的分析结果一致，本发明控制方法正确地仿真了超临界二氧化碳布雷顿循环系统非设计工况下的各参数变化过程。
[0077]
本发明可实现循环系统在非设计点工况下运行时达到如下要求：
[0078]
第一，系统输出功能够跟随负荷的变化，满足外界负荷的需求；
[0079]
第二，系统维持一定的转速，保证发电的频率和系统的安全。
[0080]
第三，压缩机入口状态(温度、压力)维持在设计值，保障系统的正常运行。
[0081]
综上所述，本发明一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统控制方法，使用多个控制子模块对超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的多个关键参数进行协调控制，使系统在变工况运行条件下的系统输出功、叶轮机械转速、压缩机入口状态(温度、压力)等关键参数维持在设定值，旨在使系统控制更为精准，响应速度更快，保障系统安全可控运行；同时涉及了系统在启动、停车过程中的控制方法，使得系统运行及控制方法更加完善。
[0082]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。