超临界二氧化碳发电控制系统及运行方式的制作方法

1.本发明涉及发电控制系统技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳发电控制系统及超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式。


背景技术：

2.超临界二氧化碳布雷顿循环的提出可追溯至上世纪40年代，当时该循环被设想为提供高效率能量转换的有效途径。然而，由于当时工业水平的限制，相关的研究并未得到实质性的进展。直到近些年来，在第四代核能系统、太阳能光热发电、中低品位余热回收等能量转换的动力系统中，超临界二氧化碳布雷顿循环开始展现出巨大的潜力，并开始从实验研究阶段逐步向工程实际应用阶段稳步推进。
3.超临界二氧化碳发电系统采用闭式布雷顿循环，与水工质的朗肯循环相比在运行控制方面有很大不同。在超临界二氧化碳发电系统中，压缩机入口温度和压力要保持在临界点以上，才能避免跨临界运行工况的出现。


技术实现要素：

4.本发明提供一种超临界二氧化碳发电控制系统及超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，用以使超临界二氧化碳发电控制系统中的二氧化碳工质始终处于超临界状态。
5.本发明提供一种超临界二氧化碳发电控制系统，包括：压缩机入口温度控制子系统，用于调节所述压缩机入口温度控制子系统的入口温度；稳压罐压力控制子系统，与所述压缩机入口温度控制子系统连接，以调节所述压缩机入口温度控制子系统的入口压力；主气温度控制子系统，与所述压缩机入口温度控制子系统连接，用于调节超临界二氧化碳发电控制系统的主气温度；透平机功率调节子系统，分别与所述主气温度控制子系统和所述压缩机入口温度控制子系统连接，用于调节所述超临界二氧化碳发电控制系统的主气压力。
6.根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电控制系统，所述稳压罐压力控制子系统包括：储气罐和稳压罐，所述储气罐和所述稳压罐彼此连接，以形成第一循环回路；充气泵和第一阀门，所述充气泵位于所述储气罐的下游，所述第一阀门位于所述稳压罐的下游；其中，所述稳压罐与所述压缩机入口温度控制子系统连接。
7.根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电控制系统，所述压缩机入口温度控制子系统包括：沿工质流动方向依次串联的压缩机、回热器和冷却器，所述冷却器和所述压缩机分别与所述稳压罐连接，所述冷却器位于所述稳压罐的上游，所述压缩机位于所述稳压罐的下游；第二阀门，与所述冷却器连接；第三阀门，设置在所述稳压罐与所述压缩机之间；电动机，与所述压缩机连接。
8.根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电控制系统，所述主气温度控制子系统包括：换热器和热源，所述换热器和所述热源彼此连接，以形成第二循环回路；回流泵和第
四阀门，所述回流泵位于所述换热器的下游，所述第四阀门位于所述热源的下游；其中，所述换热器分别与所述回热器和所述透平机功率调节子系统连接，所述回热器位于所述换热器的上游，所述透平机功率调节子系统位于所述换热器的下游。
9.根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电控制系统，所述透平机功率调节子系统包括：透平机，分别与所述换热器和所述回热器连接，所述透平机位于所述回热器的上游，以及所述换热器的下游；第五阀门，设置在所述透平机和所述换热器之间；发电机，与所述透平机连接。
10.根据本发明提供的一种超临界二氧化碳发电控制系统，还包括压缩机防喘振子系统，所述压缩机防喘振子系统包括：减温减压器，与所述压缩机连接，以形成第三循环回路；第六阀门，设置在所述减温减压器和所述压缩机之间，并位于所述压缩机的下游。
11.本发明还提供一种超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，包括：当所述稳压罐压力控制子系统的压力高于第一设定值时，打开第一阀门，低于所述第一设定值时，打开充气泵；当所述压缩机入口温度控制子系统的入口温度高于第二设定值时，加大第二阀门的开度；低于所述第二设定值时，减小所述第二阀门的开度；当所述超临界二氧化碳发电控制系统的主气温度高于第三设定值时，减小第四阀门的开度；低于所述第三设定值时，加大所述第四阀门的开度；当所述透平机功率调节子系统的第五阀门的开度改变时，所述透平机功率调节子系统发出第一信号，压缩机接收所述第一信号后改变转速，以调整主气压力恒定。
12.本发明还提供一种超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，进一步包括：当压缩机防喘振子系统的流量降低至压缩机最小稳定运行流量以下时，打开第六阀门。
13.本发明还提供一种超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，进一步包括：当所述透平机功率调节子系统在超临界二氧化碳发电控制系统高负荷运行时采用定压运行的方式；当所述透平机功率调节子系统的透平机功率设定值增加时，加大第五阀门的开度；减小时，减小所述第五阀门的开度。
14.本发明还提供一种超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，还包括：当所述透平机功率调节子系统在超临界二氧化碳发电控制系统中负荷或低负荷运行时采用滑压运行的方式；当所述透平机功率调节子系统的透平机功率设定值改变时，所述透平机功率调节子系统发出第二信号，压缩机接收所述第二信号后改变转速，以调节所述透平机功率调节子系统的透平机功率。
15.本发明提供的超临界二氧化碳发电控制系统，通过在压缩机入口温度控制子系统的上游设置稳压罐压力控制子系统，以避免压缩机入口温度控制子系统出现较大震荡；通过主气温度控制子系统调节超临界二氧化碳发电控制系统的主气温度；通过透平机功率调节子系统调节超临界二氧化碳发电控制系统的主气压力；通过以上各控制子系统的配合，使超临界二氧化碳发电控制系统内的二氧化碳工质始终处于超临界状态，避免了跨临界运行的问题出现，使超临界二氧化碳发电控制系统在参数发生扰动的情况下，依然能够稳定运行。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术
描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明提供的超临界二氧化碳发电控制系统定压运行时的结构示意图；
18.图2是本发明提供的超临界二氧化碳发电控制系统滑压运行时的结构示意图；
19.图3是发明提供的超临界二氧化碳发电控制系统定压运行时的运行逻辑图；
20.图4是本发明提供的超临界二氧化碳发电控制系统滑压运行时运行逻辑图；
21.图5是主气温度控制子系统的控制逻辑图；
22.附图标记：
23.11：储气罐；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12：充气泵；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
13：稳压罐；
24.14：第一阀门；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
21：压缩机；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22：回热器；
25.23：冷却器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
24：电动机；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
25：第二阀门；
26.26：第三阀门；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
27：压缩机主控制器； 31：换热器；
27.32：热源；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
33：回流泵；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
34：第四阀门；
28.41：透平机；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
42：发电机；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
43：第五阀门；
29.44：透平机主控制器； 51：减温减压器；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
52：第六阀门；
30.100：超临界二氧化碳发电控制系统。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
32.下面结合图1
‑
图5描述本发明的超临界二氧化碳发电控制系统及超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式。
33.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电控制系统100包括：稳压罐压力控制子系统、压缩机入口温度控制子系统、主气温度控制子系统以及透平机功率调节子系统。稳压罐压力控制子系统与压缩机入口温度控制子系统连接，并位于所述压缩机入口温度控制子系统的上游，以调节压缩机入口温度控制子系统的入口压力，主气温度控制子系统与压缩机入口温度控制子系统连接，以调节压缩机入口温度控制子系统的入口压力。主气温度控制子系统与压缩机入口温度控制子系统连接，用于调节超临界二氧化碳发电控制系统100的主气温度；透平机功率调节子系统分别与主气温度控制子系统和压缩机入口温度控制子系统连接，用于调节超临界二氧化碳发电控制系统100的主气压力。
34.具体来说，为防止压缩机入口温度控制子系统前压力出现较大的振荡，在压缩机入口温度控制子系统前设置稳压罐压力控制子系统，一方面可以缓冲超临界二氧化碳发电控制系统100出现的较大压力波动，另一方面可以对压缩机入口温度控制子系统的入口压力起到调控作用。压缩机入口温度控制子系统采用调节冷却水流量的方式，使压缩机入口温度控制子系统的入口温度保持在临界点以上。
35.主气温度控制子系统利用换热器输入热量来控制超临界二氧化碳发电控制系统
100的主气温度，通过调节阀门的开度来调节换热器热侧流体的流量，进而调控超临界二氧化碳发电控制系统100的主气温度。
36.透平机功率调节子系统的阀门开度的变化会引起超临界二氧化碳发电控制系统100主气压力的改变，主气压力和设定压力的差值信号通过pid控制器转换为压缩机入口温度控制子系统中压缩机21转速的变频信号，改变压缩机21的转速，即可调整超临界二氧化碳发电控制系统100主气压力恒定。
37.通过以上各子系统的配合，可使超临界二氧化碳发电控制系统100内的二氧化碳工质始终处于超临界状态。
38.本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电控制系统，通过在压缩机入口温度控制子系统的上游设置稳压罐压力控制子系统，以避免压缩机入口温度控制子系统出现较大震荡；通过主气温度控制子系统调节超临界二氧化碳发电控制系统的主气温度；通过透平机功率调节子系统调节超临界二氧化碳发电控制系统的主气压力；通过以上各控制子系统的配合，使超临界二氧化碳发电控制系统内的二氧化碳工质始终处于超临界状态，避免了跨临界运行的问题出现，使超临界二氧化碳发电控制系统在参数发生扰动的情况下，依然能够稳定运行。
39.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，稳压罐压力控制子系统包括：储气罐11、充气泵12、稳压罐13和第一阀门14。储气罐11和稳压罐13彼此连接，以形成第一循环回路。充气泵12位于储气罐11的下游，第一阀门14位于稳压罐13的下游，其中，稳压罐13与压缩机入口温度控制子系统连接。
40.具体来说，为防止压缩机入口温度控制子系统前压力出现较大的振荡，在压缩机入口温度控制子系统前设置稳压罐13，一方面可以缓冲超临界二氧化碳发电控制系统100出现的较大压力波动，另一方面可以对压缩机入口温度控制子系统的入口压力起到调控作用。其具体控制逻辑为：当稳压罐13内的压力高于第一设定值时，通过控制器打开第一阀门14，需要说明的是：该第一阀门14为排气阀。排出部分气体至储气罐11，以减小稳压罐13内的压力；相应地，当稳压罐13内的压力低于第一设定值时，通过控制器打开充气泵12，向稳压罐13内充入二氧化碳工质，以增加稳压罐13内的压力，使其始终处于稳定状态。
41.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，压缩机入口温度控制子系统包括：压缩机21、回热器22、冷却器23、电动机24、第二阀门25和第三阀门26。沿工质流动方向，压缩机21、回热器22和冷却器23依次串联，冷却器23和压缩机21分别与稳压罐13连接，冷却器23位于稳压罐13的上游，压缩机21位于稳压罐13的下游。第二阀门25与冷却器23连接，第三阀门26设置在稳压罐13与压缩机21之间，电动机24与压缩机21连接。
42.具体来说，压缩机入口温度控制子系统采用调节第二阀门25开度的方式，使压缩机21的入口温度保持在临界点以上。此种方法简单且有较快的响应速度。其控制逻辑为：当压缩机21入口温度高于第二设定值时，通过控制器加大第二阀门25的开度，以增强冷却器23的冷却能力；相应地，当压缩机21入口温度低于第二设定值时，通过控制器减小第二阀门25的开度，以降低冷却器23的冷却能力。
43.进一步地，在本发明的一个实施例中，压缩机入口温度控制子系统还包括压缩机主控制器27，其用于控制压缩机21的转速。
44.进一步地，在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电控制系统100还包括压
缩机防喘振子系统。压缩机防喘振子系统包括：减温减压器51和第六阀门52。减温减压器51与压缩机21连接，以形成第三循环回路，第六阀门52设置在减温减压器51和压缩机21之间，并位于压缩机21的上游。
45.具体来说，为防止在低流量工况下出现系统流量越过压缩机21稳定运行范围的情况，在压缩机21的出口与入口之间桥接一段管路，在管路中配备减温减压器51和第六阀门52，以与压缩机21形成第三循环回路。当超临界二氧化碳发电控制系统100流量降低至压缩机21最小稳定运行流量以下时，打开第六阀门52，使一部分二氧化碳工质流量通过减温减压器51后直接回流至压缩机21的入口，从而保证了超临界二氧化碳发电控制系统100在低工况运行时压缩机21流量维持在稳定的范围内。
46.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，主气温度控制子系统包括：换热器31、热源32、回流泵33和第四阀门34。换热器31和热源32彼此连接，以形成第二循环回路。回流泵33位于换热器31的下游，第四阀门34位于热源32的下游。其中，换热器31和回热器22与透平机功率调节子系统连接，回热器22位于换热器31的上游，透平机功率调节子系统位于换热器31的下游。
47.具体来说，超临界二氧化碳发电控制系统100中主气温度由换热器31的输入热量和工质流量配比决定。由于工质流量由压缩机转速控制，根据发电负荷的改变而改变，所以利用换热器31输入热量来控制主气温度，其具体控制逻辑如图5所示，当主气温度低于第三设定值时，通过控制器加大第四阀门34的开度，以增加换热器31热侧流体流量；相应地，当主气温度高于第三设定值时，通过控制器减小第四阀门34的开度，以降低换热器31的热侧流体流量。
48.本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电控制系统，通过各个子系统协调配合，可以避免压缩机出现震荡或喘振问题，同时避免超临界二氧化碳发电控制系统主气温度波动过大对关键部件造成损坏。
49.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，透平机功率调节子系统包括：透平机41、发电机42和第五阀门43。透平机41分别与换热器31和回热器22连接，透平机41位于回热器22的上游，以及换热器31的下游。第五阀门43设置在透平机41和换热器31之间，发电机42与透平机41连接。
50.进一步地，在本发明的一个实施例中，透平机功率调节子系统还包括透平机主控制器44，其与第五阀门43电连接。
51.具体来说，超临界二氧化碳发电控制系统100包括定压运行和滑压运行两种运行方式。
52.如图3所示，当超临界二氧化碳发电控制系统100在高负荷时采用定压运行方式运行，其控制逻辑为：当透平机41功率设定值增加时，通过透平机主控制器44增大第五阀门43的开度；相应地，当透平机41功率设定值减小时，通过透平机主控制器44减小第五阀门43的开度。第五阀门43开度的变化会引起主气压力改变，主气压力和设定压力的差值信号通过pid控制器转换为压缩机21转速的变频信号，压缩机主控制器27改变压缩机21的转速，进而调整主气压力恒定。通过定压运行方式可以实现发电机组快速变负荷。但在中负荷或低负荷下采用定压运行方式运行时，压缩机21入口压力一直维持在临界点以上的恒定值，若继续采用定压运行方式会使压缩机21保持高耗功状态，导致循环效率降低。
53.如图4所示，当超临界二氧化碳发电控制系统100在中负荷或者低负荷运行时采用滑压运行的方式。其控制逻辑为：透平机41输出功率设定值改变时，第五阀门43的开度不变，输出功率和设定功率的差值信号通过pid控制器直接转换为压缩机21转速的变频信号，通过改变压缩机21转速，调节发电系统循环流量和主气压力，进而达到调节透平机41功率的作用。在滑压变功率过程中，压缩机21入口压力维持恒定，主气压力和循环流量相互影响，只依靠压缩机21转速调节使二者达到平衡状态将会花费更多的时间，所以滑压运行缺点为变功率过程缓慢，但胜在中、低负荷下循环效率高。若在中负荷和低负荷下仍需快速变负荷，依旧可以采取如图3所示的定压运行方式运行。
54.本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电控制系统，采用定压运行和滑压运行相结合的方式运行，既实现了快速变负荷，又提高了低负荷运行时的循环效率。
55.本发明实施例还提供了一种超临界二氧化碳发电控制系统100的运行方式，具体包括以下步骤：
56.当稳压罐压力控制子系统的压力高于第一设定值时，打开第一阀门14，低于第一设定值时，打开充气泵12；当压缩机入口温度控制子系统的入口温度高于第二设定值时，加大第二阀门25的开度；低于第二设定值时，减小第二阀门25的开度；当超临界二氧化碳发电控制系统100的主气温度高于第三设定值时，减小第四阀门34的开度；低于第三设定值时，加大第四阀门34的开度；当透平机功率调节子系统的第五阀门43的开度改变时，透平机功率调节子系统发出第一信号，压缩机21接收所述第一信号后改变转速，以调整主气压力恒定。
57.具体来说，当稳压罐13内的压力高于第一设定值时，通过控制器打开第一阀门14，排出部分气体至储气罐11，以减小稳压罐13内的压力；相应地，当稳压罐13内的压力低于第一设定值时，通过控制器打开充气泵12，向稳压罐13内冲入二氧化碳工质，以增加稳压罐13内的压力，使其始终处于稳定状态。
58.当压缩机21入口温度高于第二设定值时，通过控制器加大第二阀门25的开度，以增强冷却器23的冷却能力；相应地，当压缩机21入口温度低于第二设定值时，通过控制器减小第二阀门25的开度，以降低冷却器23的冷却能力。
59.超临界二氧化碳发电控制系统100中主气温度由换热器31的输入热量和工质流量配比决定。由于工质流量由压缩机转速控制，根据发电负荷的改变而改变，所以利用换热器31输入热量来控制主气温度，其具体控制逻辑如图5所示，当主气温度低于第三设定值时，通过控制器加大第四阀门34的开度，以增加换热器31热侧流体流量；相反地，当主气温度高于第三设定值时，通过控制器减小第四阀门34的开度，以降低换热器31的热侧流体流量。
60.透平机功率调节子系统的第五阀门43的开度改变时，会引起超临界二氧化碳发电控制系统100主气压力的改变，主气压力和设定压力的差值信号即为第一信号，该第一信号通过pid控制器转换为压缩机入口温度控制子系统中压缩机21转速的变频信号，压缩机主控制器27改变压缩机21的转速，即可调整超临界二氧化碳发电控制系统100主气压力恒定。
61.在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电控制系统100的运行方式，进一步包括：当压缩机防喘振子系统的流量降低至压缩机21最小稳定运行流量以下时，打开第六阀门52。
62.具体来说，为防止在低流量工况下出现系统流量越过压缩机21稳定运行范围的情
况，在压缩机21的出口与入口之间桥接一段管路，在管路中配备减温减压器51和第六阀门52，以与压缩机21形成第三循环回路。当超临界二氧化碳发电控制系统100流量降低至压缩机21最小稳定运行流量以下时，打开第六阀门52，使一部分二氧化碳工质流量通过减温减压器51后直接回流至压缩机21的入口，从而保证了超临界二氧化碳发电控制系统100在低工况运行时压缩机21流量维持在稳定的范围内。
63.在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电控制系统100的运行方式进一步包括：当透平机功率调节子系统在超临界二氧化碳发电控制系统100高负荷运行时采用定压运行的方式；当透平机功率调节子系统的透平机功率设定值增加时，加大第五阀门43的开度；减小时，减小第五阀门43的开度。
64.具体来说，当超临界二氧化碳发电控制系统100在高负荷时采用定压运行方式运行，其控制逻辑为：当透平机41功率设定值增加时，通过透平机主控制器44增大第五阀门43的开度；相应地，当透平机41功率设定值减小时，通过透平机主控制器44减小第五阀门43的开度。第五阀门43开度的变化会引起主气压力改变，主气压力和设定压力的差值信号即第一信号，通过pid控制器转换为压缩机21转速的变频信号，压缩机主控制器27通过改变压缩机21转速，调整主气压力恒定。通过定压运行方式可以实现发电机组快速变负荷。但在中负荷或低负荷下采用定压运行方式运行时，压缩机21入口压力一直维持在临界点以上的恒定值，若继续采用定压运行方式会使压缩机21保持高耗功状态，导致循环效率降低。
65.在本发明的一个实施例中，超临界二氧化碳发电控制系统100的运行方式还包括：当透平机功率调节子系统在超临界二氧化碳发电控制系统100中负荷或低负荷运行时采用滑压运行的方式；当透平机功率调节子系统的透平机功率设定值改变时，透平机功率调节子系统发出第二信号，压缩机21接收该第二信号后改变转速，以调节超临界二氧化碳发电控制系统100的循环流量和主气压力。
66.具体来说，当超临界二氧化碳发电控制系统100在中负荷或者低负荷运行时采用滑压运行的方式。其控制逻辑为：透平机41输出功率设定值改变时，第五阀门43的开度不变，输出功率和设定功率的差值信号即为第二信号，该第二信号通过pid控制器直接转换为压缩机21转速的变频信号，压缩机主控制器27通过改变压缩机21转速，调节发电系统循环流量和主气压力，进而达到调节透平机41功率的作用。在滑压变功率过程中，压缩机21入口压力维持恒定，主气压力和循环流量相互影响，只依靠压缩机21转速调节使二者达到平衡状态将会花费更多的时间，所以滑压运行缺点为变功率过程缓慢，但胜在中、低负荷下循环效率高。若在中负荷和低负荷下仍需快速变负荷，依旧可以采取如图3所示的定压运行方式运行。
67.本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，通过调节各个阀门，可以使超临界二氧化碳发电控制系统中的二氧化碳工质始终处于超临界状态，避免了跨临界运行的情况；同时，本发明实施例提供的超临界二氧化碳发电控制系统的运行方式，在定压运行和滑压运行之间切换，既实现了快速变负荷，又提高了低负荷运行的循环效率。
68.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。