CN115653720A - 一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***及方法，涉及动力循环技术领域，包括：主压缩机；再压缩机；CO2储罐；一级加热器；二级加热器；发电机；高压透平；低压透平；高温回热器；低温回热器；CO₂排气阀；CO₂进气阀；透平进气阀。本发明中将二氧化碳注入位置布置在高压缸出口位置，提升了***升负荷速率；将阀门控制与库存控制结合实现变负荷快速和宽负荷高效的新型负荷跟随控制策略，即将透平进气阀作为快速变负荷的手段又将透平进气阀阀门开度视为评估发电机发电功率与电网负荷是否匹配的信号；通过调整透平进气阀的开度快速满足调频和负荷跟随的需要；通过库存主控保证循环在宽负荷范围内热效率维持在较高值。

Description

一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***及方法

技术领域

本发明涉及动力循坏技术领域，具体为一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***及其控制方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，电力需求日益增长，化石能源消耗持续增加，能源短缺和环境污染已成为当今社会亟待解决的两大问题。发展高效、清洁、经济的发电技术是电力行业追求的核心目标，而寻求先进的动力循环是实现这一目标的重要方向。超临界二氧化碳布雷顿循环是一种可实现高效热功转换的动力循环，它以超临界二氧化碳为工质，具有***简单、结构紧凑、环境友好、热效率高、经济性好等特点。典型超临界二氧化碳布雷顿循环***即超临界二氧化碳简单再压缩循环(SCBC)，主要包括压缩机、加热器、透平、冷却器、回热器等设备。超临界二氧化碳***需要满足各种负荷需求及应对热源变化的影响，因此其动态性能和控制策略对于保证***快速高效的负荷跟随十分关键。超临界二氧化碳简单再压缩循环(SCBC)的负荷跟随控制策略可以分为四类:阀门控制、热源控制、库存控制和叶轮机械转速控制。

库存控制是通过改变***内工质的库存量从而改变***的循环流量进而改变循环发电量来实现负荷跟随的一种控制策略，该控制策略可与热源控制相结合，保证变负荷过程中较高的平均吸热温度，因而库存控制能在宽负荷范围内维持较高的循环热效率；同时设计优良的库存控制策略能实现宽广的负荷调节范围；但是回热器和预冷器均存在较大的容积惯性，因而库存控制的负荷跟随性差。图3展示了两种库存罐的布局，文献中多数学者采用布局1，少数学者采用布局2。在布局1中，库存储罐的容积通常是固定的，根据负荷变化的需求，将CO2工质注入压缩机出口的储存罐中或由预冷器入口注入***中。储存罐内部压力介于循环最高与最低压力之间，可以通过调整储存罐进出口调节阀的开度来控制注入和流出***的流量。在布局2中，一般认为储存罐1和储存罐2的容积是无限的，分别用压缩机将CO2注入***和用调节阀将CO2排出***从而达到动力***升降负荷的目的。

阀门控制策略主要分为透平进气节流阀和旁通阀两类，调整阀门开度可直接改变透平进气量，从而改变透平做功量，因而具有良好的负荷跟随特性；但减小阀门开度会增加节流损失使得***的循环热效率降低，由于阀门控制存在较大的节流损失，一般只适合较窄范围的负荷调节。图4给出了超临界二氧化碳再压缩循环阀门的布置位置，为充分发挥阀门控制良好的负荷响应特性，通常将阀门布置在工艺流程上距离动力转换设备较近的位置如V3和V4。

现有超临界二氧化碳简单再压缩循环(SCBC)的负荷跟随控制策略的原理及其优、缺点如下表所示。

表1不同负荷跟随控制策略对比

库存控制能保证超临界二氧化碳简单再压缩循环(SCBC)在宽负荷范围内保持较高的循环热效率，而***具有较大的容积惯性，使得动力转换***的负荷跟随特性较差；阀门(旁通阀或节流阀)控制能够直接改变循环的流量和压力，因而对于多种循环布局具有较快的响应速度，但由于阀门的节流损失导致低负荷循环效率较低。

综上，常规的负荷跟随控制策略主要有三方面的问题：

(1)常规的负荷跟随控制策略仅是上述介绍的单一负荷跟随控制策略，各控制策略都有相应的缺点，这会导致超二***变负荷快速和宽负荷高效难以兼具的问题；

(2)也有学者将多个控制策略集成来达到优势互补的目的，其中主要的集成方式即是将阀门控制和库存控制耦合，但是由于库存控制和阀门控制响应时间差一个数量级，因而在动力转换***降负荷过程中若直接从阀门控制转换到库存控制会使得***发电功率出现尖峰，降低***的负荷跟随特性；

(3)将阀门控制与常规的库存控制集成可以实现***稳定的降负荷，但是对于爬坡速度较快的升负荷过程，阀门开度快速增大将难以补偿电网负荷的增加，而库存控制***响应时间又较长，因而通过常规的库存控制与阀门控制集成的方式，发电***难以实现对电网快速升负荷过程的跟随。

综上所述，已有控制策略难以兼顾快速响应、宽广负荷和高热效率，目前亟需一种能同时满足SCBC在宽广负荷内实现快速高效负荷跟随的控制策略。

发明内容

本发明提出了一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***及其控制方法，具体提出了一种新型的库存罐布置形式，能够显著提升超二***升负荷速率；通过将库存控制与阀门控制优势互补解决了超临界二氧化碳发电***变负荷快速和宽负荷高效难以兼具的问题。

本发明提供了一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，包括：

主压缩机，其入口设有预冷器；

CO2储罐，其入口与主压缩机的出口连通，其入口设有CO₂排气阀，出口设有CO₂进气阀；

发电机，其输出轴上所连通的透平轴上设有高压透平、低压透平，且高压透平的入口设有透平进气阀；

回热组件，其第一入口与低压透平的出口连通，第一出口与主压缩机入口处的预冷器连通；所述主压缩机的出口分为两路后分别与CO2储罐、回热组件的第二入口连通；

加热器，其出口分别与高压透平、低压透平连通，所述CO2储罐的出口及所述高压透平的出口汇合后与加热器的入口连通，所述回热组件的第二出口与加热器连通；

其中，根据电网负荷的变化，调节透平进气阀的开度，实现发电机转速的调节，并通过调节与CO2储罐的入口、出口处上的CO₂排气阀、CO₂进气阀，实现透平进气阀的开度调节。

进一步地，所述回热组件，包括：

高温回热器，其第一入口与低压透平的出口连通；

低温回热器，其第一入口与高温回热器的第一出口连通，其第一出口与主压缩机入口处的预冷器连通；所述主压缩机的出口分为两路后分别与CO2储罐、低温回热器的第二入口连通，所述低温回热器的第二出口与高温回热器的第二入口连通，所述高温回热器的第二出口与加热器连通；

进一步地，所述加热器，包括：

一级加热器，其入口与高温回热器的第二出口连通，其出口与高压透平的入口连通；

二级加热器，所述CO2储罐的出口及所述高压透平的出口汇合后与二级加热器的入口连通，所述二级加热器的出口与低压透平的入口连通；

进一步地，所述CO₂排气阀所在的管路通过三通阀与高压透平出口端、二次加热器入口端连通；所述CO₂进气阀所在的管路通过三通阀与主压缩机出口端、低温回热器冷侧的第二入口端连通。

进一步地，还包括再压缩机，所述低温回热器的第一出口分为两路后通过三通阀分别与主压缩机入口处的预冷器、再压缩机的入口连通；所述再压缩机的出口及低温回热器的第二出口汇合后通过三通阀与高温回热器的第二入口连通。

进一步地，还包括电网负荷前馈信号获取模块，其用于提供电网负荷信息；

根据所述电网负荷前馈信号获取模块所提供的电网负荷信息控制所述透平进气阀的开度。

进一步地，还包括单向阀，设在CO2储罐的出口端。

本发明还提供一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的控制方法，包括以下步骤：

当电网负荷降低时，发电机转速会升高，则减少所述透平进气阀的开度，使得高压透平的进气压力降低，则高压透平的发电量减小，高压透平的输出扭矩减小，发电机转速降低；

当电网负荷升高时，发电机转速会降低，则增加所述透平进气阀的开度，使得高压透平的进气压力升高，则高压透平的发电量增大，高压透平的输出扭矩增大，发电机转速升高。

进一步地，还包括设置所述透平进气阀的开度的合理值，该合理值小于100％；

当所述透平进气阀的实际开度小于所述合理值时，打开所述CO₂排气阀，并关闭CO₂进气阀，则***的CO₂库存量减小，***的CO₂循环流量减小，则所述高压透平的发电量降低，实现高压透平的开度增加；

当所述透平进气阀的实际开度大于所述合理值时，关闭所述CO₂排气阀，并打开CO₂进气阀，则***的CO₂库存量增大，***的CO₂循环流量增大，则所述高压透平的发电量升高，实现高压透平的开度降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明针对超二***变负荷过程提出了一种新型的库存罐布置形式，具体为一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其将二氧化碳注入位置布置在高压缸出口位置，能够显著提升超临界二氧化碳循环***升负荷速率。

本发明将阀门控制与库存控制巧妙结合实现变负荷快速和宽负荷高效的新型负荷跟随控制策略，即将透平进气阀作为快速变负荷的手段又将透平进气阀阀门开度视为评估动力转换***发电功率与电网负荷是否匹配的信号。

本发明通过阀门辅控即调整透平入口进气阀开度快速满足调频和负荷跟随的需要；通过库存主控保证循环在宽负荷范围内热效率维持在较高值。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提出的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的工艺流程图；

图2是本发明提出的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的阀门控制与库存控制联合控制策略；

图3是本发明的背景技术中提出的超临界二氧化碳再压缩循环库存罐的布局形式；

图4是本发明的背景技术中提出的超临界二氧化碳再压缩循环阀门的布置位置。

附图说明：

1-主压缩机；2-CO2储罐；3-发电机；4-高压透平；5-低压透平；6-预冷器；7-高温回热器；8-低温回热器；9-一级加热器；10-二级加热器；11-再压缩机。

具体实施方式

下面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、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例1

如图1所示，本发明所提供的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，包括主压缩机1，其入口设有预冷器6；CO2储罐2，其入口与主压缩机1的出口连通，其入口设有CO₂排气阀，出口设有CO₂进气阀；发电机3，其输出轴上所连通的透平轴上设有高压透平4、低压透平5，且高压透平4的入口设有透平进气阀；回热组件，其第一入口与低压透平5的出口连通，第一出口与主压缩机1入口处的预冷器6连通；主压缩机1的出口分为两路后分别与CO2储罐2、回热组件的第二入口连通；加热器，其出口分别与高压透平4、低压透平5连通，CO2储罐2的出口及高压透平4的出口汇合后与加热器的入口连通，回热组件的第二出口与加热器连通；

其中，根据电网负荷的变化，调节透平进气阀的开度，实现发电机3转速的调节，并通过调节与CO2储罐2的入口、出口处上的CO₂排气阀、CO₂进气阀，实现透平进气阀的开度调节。

在实际工作过程中，当电网负荷下降需要降低发电机3的发电功率时，直接通过减小透平进气阀的开度从而快速实现电网负荷与***功率匹配，此外，为降低因透平进气阀的开度较小而造成的节流损失，通过库存控制逐渐从***排出CO₂工质，并将透平进气阀发热开度重新调整到合理值。当电网负荷上升需要增大发电机3的发电功率时，特别是电网负荷爬坡速度较快时，仅通过增大透平进气阀的开度难以实现电网与***的功率匹配，且通过图3的布局1中将二氧化碳进气阀布置在预冷器6入口，和布局2中将二氧化碳进气阀布置在主压缩机1出口也很难实现动力转换***的快速升负荷，进而会导致透平、发电机3出现失速，因而需要将二氧化碳储罐进气阀布置在更合适的位置，即将CO₂进气阀布置在高压透平4出口位置，此位置压力合适且在***工艺流程上距离发电机3的透平距离更近，便于实现整个***的快速升负荷。

为实现通过调整***二氧化碳流量的形式来改变***的发电负荷，本发明中增设了二氧化碳储罐，通过调整CO₂进、排气阀的开度向***汇入和从***流出CO₂工质。将CO₂工质从***流出点选择在压力尽可能高温度尽可能的低的位置即主压缩机1出口，CO₂向***汇入点选择在压力尽可能低距离动力转换设备尽可能近的位置即高压透平4出口。其中CO₂向***汇入点位置与***的具体形式有关，如果***是多级透平，则该位置主要选择在各级透平的出口。

CO₂从***流出点的位置可以选择在距离动力转换设备较远的位置，当***发电量大于电网负荷时，可通过减小透平进气阀开度的形式快速实现负荷跟随，不至于透平转速飞升。

CO₂汇入***点的位置应选择在距离动力转换设备较近的位置，当***发电量小于于电网负荷时，仅通过增大透平进气阀开度的形式难以实现负荷跟随，因此需要通过向***汇入CO₂的形式来增加***的发电量，

而当CO₂汇入***点的位置距离动力转换设备较远时，***发电量的升高存在一定滞后，透平的转速将逐渐降低进而会出现透平失速问题，因而需要将CO₂汇入***点的位置选择在距离动力转换设备较近的位置。

如图1所示，本发明中的回热组件，包括：

高温回热器7，其第一入口与低压透平5的出口连通；

低温回热器8，其第一入口与高温回热器7的第一出口连通，其第一出口与主压缩机1入口处的预冷器6连通；主压缩机1的出口分为两路后分别与CO2储罐2、低温回热器8的第二入口连通，低温回热器8的第二出口与高温回热器7的第二入口连通，高温回热器7的第二出口与加热器连通；

如图1所示，本发明中的加热器，包括：

一级加热器9，其入口与高温回热器7的第二出口连通，其出口与高压透平4的入口连通；

二级加热器10，CO2储罐2的出口及高压透平4的出口汇合后与二级加热器10的入口连通，二级加热器10的出口与低压透平5的入口连通；

如图1所示，本发明中的CO₂排气阀所在的管路通过三通阀与高压透平4出口端、二次加热器入口端连通；CO₂进气阀所在的管路通过三通阀与主压缩机1出口端、低温回热器8冷侧的第二入口端连通。

如图1所示，本发明还包括再压缩机11，低温回热器8的第一出口分为两路后通过三通阀分别与主压缩机1入口处的预冷器6、再压缩机11的入口连通；再压缩机11的出口及低温回热器8的第二出口汇合后通过三通阀与高温回热器7的第二入口连通。

如图2所示，本发明中的还包括电网负荷前馈信号获取模块，其用于提供电网负荷信息；根据电网负荷前馈信号获取模块所提供的电网负荷信息控制透平进气阀的开度。

本发明中将电网信号作为前馈信号引入负荷跟随控制策略，避免了仅用反馈控制***必然存在滞后性的缺陷。

如图1所示，本发明中的还包括单向阀，设在CO2储罐2的出口端，避免***中的CO₂反向流回到CO2储罐2中。

在工作时，CO2工质首先在高压透平4做功，而后进入二级加热器10加热，而后进入低压透平5做功，做功完后的乏气进入高温回热器7放热，之后进入低温回热器8进一步放热，放热完成之后的二氧化碳工质被分成两股流体，其中一股进入预冷器6进一步放热，而后进入主压缩机1加热，之后进入低温回热器8吸热，另一股流体经再压缩机11压缩之后与前一股流体汇合为一股流体，之后进入高温回热器7进一步吸热，再进入一级加热器9进一步加热进入高压透平4完成整个循环。

实施例2

本发明还提供一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的控制方法，包括以下步骤：

当电网负荷降低时，发电机3转速会升高，则减少透平进气阀的开度，使得高压透平4的进气压力降低，则高压透平4的发电量减小，高压透平4的输出扭矩减小，发电机3转速降低；

当电网负荷升高时，发电机3转速会降低，则增加透平进气阀的开度，使得高压透平4的进气压力升高，则高压透平4的发电量增大，高压透平4的输出扭矩增大，发电机3转速升高。

如图2所示，本发明还包括设置透平进气阀的开度的合理值，该合理值小于100％；

当透平进气阀的实际开度小于合理值时，打开CO₂排气阀，并关闭CO₂进气阀，则***的CO₂库存量减小，***的CO₂循环流量减小，则高压透平4的发电量降低，实现高压透平4的开度增加；

当透平进气阀的实际开度大于合理值时，关闭CO₂排气阀，并打开CO₂进气阀，则***的CO₂库存量增大，***的CO₂循环流量增大，则高压透平4的发电量升高，实现高压透平4的开度降低

***在实际工作过程中，透平进气阀开度控制在合理值附近是为了防止***稳态时，阀门置于较小的开度，导致阀门节流损失大幅增加，但是阀门开度无须完全控制在目标值，容许一定的阀门开度区间，其一是因为阀门开度在目标值附近上下浮动，阀门处节流损失变化不大，其二是因为将阀门开度完全控制在目标值需频繁动作CO2进、排汽阀，这既不利于***稳定运行又不利于阀门的长期工作。

下面结合具体的实施例对本发明做具体实施方式的说明。

如图1-2所示，给出了本发明中将阀门控制与库存控制巧妙结合的联合控制策略，巧妙之处在于，本发明即将透平进气阀作为快速变负荷的手段又将透平进气阀的开度视为评估发电机3的发电功率与电网负荷是否匹配的信号，以透平进气阀的开度作为信号将阀门控制与库存控制集成。

为满足发电频率50Hz的要求，将发电机3转速的目标值设定为3000rpm，则：

当发电机3转速大于3000rpm时，减小透平进气阀的开度，使得透平进气压力降低，减小透平的发电量从而使得透平的输出扭矩减小，使得发电机3转速降低；

反之增加透平进气阀的开度，使得发电机3转速升高。

为降低因透平进气阀开度过小导致的节流损失，设置透平进气阀的开度的合理值，为确保阀门开度有上下可调裕度，因而设阀门开度的合理值小于100％。

当调整后的透平进气阀的实际的开度小于设定值时，打开二氧化碳排气阀，同时将进气阀关死，从而减小***的CO₂库存量，进而减小***的循环流量，使得透平发电量降低，因而透平进气阀开度增加，直至透平进气阀开度达到设定值；

反之，打开二氧化碳进气阀，同时将排气阀关死，使得透平进气阀开度达到目标值。

为了进一步提升联合控制策略的负荷跟随特性，在透平进气阀控制中引入了电网负荷前馈信号；以及为了防止***二氧化碳进气阀和排气阀频繁开关，在阀门开度偏差信号后加入开度死区。

最后说明的是：以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于，包括：

主压缩机(1)，其入口设有预冷器(6)；

CO2储罐(2)，其入口与主压缩机(1)的出口连通，其入口设有CO₂排气阀，出口设有CO₂进气阀；

发电机(3)，其输出轴上所连通的透平轴上设有高压透平(4)、低压透平(5)，且高压透平(4)的入口设有透平进气阀；

回热组件，其第一入口与低压透平(5)的出口连通，第一出口与主压缩机(1)入口处的预冷器(6)连通；所述主压缩机(1)的出口分为两路后分别与CO2储罐(2)、回热组件的第二入口连通；

加热器，其出口分别与高压透平(4)、低压透平(5)连通，所述CO2储罐(2)的出口及所述高压透平(4)的出口汇合后与加热器的入口连通，所述回热组件的第二出口与加热器连通；

其中，根据电网负荷的变化，调节透平进气阀的开度，实现发电机(3)转速的调节，并通过调节与CO2储罐(2)的入口、出口处上的CO₂排气阀、CO₂进气阀，实现透平进气阀的开度调节。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：所述回热组件，包括：

高温回热器(7)，其第一入口与低压透平(5)的出口连通；

低温回热器(8)，其第一入口与高温回热器(7)的第一出口连通，其第一出口与主压缩机(1)入口处的预冷器(6)连通；所述主压缩机(1)的出口分为两路后分别与CO2储罐(2)、低温回热器(8)的第二入口连通，所述低温回热器(8)的第二出口与高温回热器(7)的第二入口连通，所述高温回热器(7)的第二出口与加热器连通。

3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：所述加热器，包括：

一级加热器(9)，其入口与高温回热器(7)的第二出口连通，其出口与高压透平(4)的入口连通；

二级加热器(10)，所述CO2储罐(2)的出口及所述高压透平(4)的出口汇合后与二级加热器(10)的入口连通，所述二级加热器(10)的出口与低压透平(5)的入口连通。

4.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：所述CO₂排气阀所在的管路通过三通阀与高压透平(4)出口端、二次加热器入口端连通；所述CO₂进气阀所在的管路通过三通阀与主压缩机(1)出口端、低温回热器(8)冷侧的第二入口端连通。

5.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：还包括再压缩机(11)，所述低温回热器(8)的第一出口分为两路后通过三通阀分别与主压缩机(1)入口处的预冷器(6)、再压缩机(11)的入口连通；所述再压缩机(11)的出口及低温回热器(8)的第二出口汇合后通过三通阀与高温回热器(7)的第二入口连通。

6.根据权利要求4所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：还包括电网负荷前馈信号获取模块，其用于提供电网负荷信息；

根据所述电网负荷前馈信号获取模块所提供的电网负荷信息控制所述透平进气阀的开度。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***，其特征在于：还包括单向阀，设在CO2储罐(2)的出口端。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

当电网负荷降低时，发电机(3)转速会升高，则减少所述透平进气阀的开度，使得高压透平(4)的进气压力降低，则高压透平(4)的发电量减小，高压透平(4)的输出扭矩减小，发电机(3)转速降低；

当电网负荷升高时，发电机(3)转速会降低，则增加所述透平进气阀的开度，使得高压透平(4)的进气压力升高，则高压透平(4)的发电量增大，高压透平(4)的输出扭矩增大，发电机(3)转速升高。

9.根据权利要求8所述的一种超临界二氧化碳循环负荷跟随控制***的控制方法，其特征在于：还包括设置所述透平进气阀的开度的合理值，该合理值小于100％；

当所述透平进气阀的实际开度小于所述合理值时，打开所述CO₂排气阀，并关闭CO₂进气阀，则***的CO₂库存量减小，***的CO₂循环流量减小，则所述高压透平(4)的发电量降低，实现高压透平(4)的开度增加；

当所述透平进气阀的实际开度大于所述合理值时，关闭所述CO₂排气阀，并打开CO₂进气阀，则***的CO₂库存量增大，***的CO₂循环流量增大，则所述高压透平(4)的发电量升高，实现高压透平(4)的开度降低。

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