CN104713071A - 一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，所述无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统中至少包括有一套用于气化工质水的锅炉以及与锅炉相连的储液罐，系统运行包括发电阶段和增压阶段；所述增压阶段包括依次进行的加压、回液和冷却三个子过程；系统运行时根据发电阶段的锅炉温度、冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度预设初始增压比，所述初始增压比为加压子过程开始时，储液罐中工质水气体与工质水液体的体积比；根据所述预设初始增压比，计算并控制发电阶段的时长，使储液罐在加压子过程开始时具有预设的初始增压比，即最佳初始增压比。本发明控制方法实现方式简单，效果明显。

Description

一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法

技术领域

本发明属于一种无循环泵式朗肯循环发电领域，尤其是涉及一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法。

背景技术

为提高低品位热驱动朗肯发电装置的净输出效率，公告号为CN101943036A的专利文献公开了一种低品位热驱动朗肯发电装置，包括流体输运单元和膨胀做功单元，流体输运单元包括冷凝器、流体泵、储液装置、锅炉；膨胀做功单元包括汽轮机和发电机，储液装置包括储液罐以及储液罐出入口处的流体截止装置，各单元通过管路相连，储液装置内的流体流入锅炉内被低品位热加热产生蒸气，蒸气进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电。

无循环泵式朗肯循环发电系统中利用蒸气增压取代机械泵，除去了系统中唯一消耗电能的组件，使得系统免于因机械泵的故障而带来的维修问题，从而可以更可靠地工作。

参见图1，无循环泵式朗肯循环发电系统中，液体工质在锅炉1(相当于锅炉)中加热后得到高温高压的气体，之后进入汽轮机2内膨胀做功，带动发电机3发电，做完功的气体经膨胀机的出口流入冷凝器4中冷凝放热得到冷凝液，但在冷凝液进入锅炉1之前，需经过加压才能顺利进入锅炉1。

无循环泵式朗肯循环发电系统利用锅炉1的高温高压蒸气平衡储液罐中的冷凝液以实现冷凝液增压目的，从而取消了液体循环泵。

无泵式朗肯循环发电系统的一个循环周期分为发电阶段和增压阶段，在开机前，图1中所有的切换阀都处于关闭状态。打开切换阀6、切换阀9和切换阀10，开始发电阶段。

高温高压流体通过切换阀10从锅炉1进入汽轮机2内带动发电机3发电，做完功的气体经膨胀机的出口流入冷凝器4，经放热冷凝后，经切换阀6进入储液罐5中。

待储液罐5中冷凝液液位达到一定程度或者锅炉1需要中液体不足时，关闭切换阀6和切换阀10，系统结束发电阶段。

增压阶段由加压，回液和冷却三个子过程构成。

打开切换阀7，系统进入加压阶段的加压子过程。锅炉1产生的高温高压液体进入储液罐5，将储液罐5中的冷凝液升温升压；直至储液罐5中的冷凝液的温度和压强与锅炉1中的相同时，打开切换阀8，此时系统由加压子过程进入回液子过程。当储液罐5的布置位置高于锅炉1时，储液罐5中的高温高压液体在重力作用下进入锅炉1，锅炉1中的高温高压蒸气继续进入储液罐5以平衡锅炉1和储液罐5的压力；当储液罐5的布置位置不高于锅炉1时，在来自锅炉1的高温高压蒸气推动下，储液罐5中的高温高压液体进入锅炉1。当储液罐5中无液体剩余时，关闭切换阀7和切换阀8，结束回液子过程；打开切换阀11，关闭切换阀9，通过夹套12对储液罐5降温即开始冷却子程序。直至储液罐5的压力降至满足冷凝器冷凝液进入要求，即使得在加压子过程刚开始时储液罐的温度与冷凝水温度相同，关闭切换阀11，一个工作周期完成。该工作周期切换阀的动作，如表格1所示。

表1.一个周期内切换阀动作

注：标记“√”和“×”分别表示状态“开”和“关”。

发明内容

本发明提供一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，本发明在现有的无循环泵式朗肯循环发电装置的基础上实现，仅需要调整发电阶段的时长t₁，即可达到优化系统性能的目的。

一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，所述无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统中至少包括有一套用于气化工质水的锅炉以及与锅炉相连的储液罐(从汽轮机出来的经冷凝的液体水的加压场所)，系统运行包括发电阶段和增压阶段；所述增压阶段包括依次进行的加压、回液和冷却三个子过程；系统运行时根据发电阶段的锅炉温度、冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度预设初始增压比，所述初始增压比为加压子过程开始时，储液罐中工质水气体与工质水液体的体积比；根据所述预设初始增压比，计算并控制发电阶段的时长，使储液罐在加压子过程开始时具有预设的初始增压比，即最佳初始增压比。

初始增压比γ定义为加压子过程刚开始时，储液罐中工质水气体与工质水冷凝液的体积比。在无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统中，在锅炉温度、冷凝温度和锅炉中工质水的过热度不变时，存在最佳初始增压比，以使得系统发电效率最大，且储液罐在冷却子过程冷却水负荷最小。预设初始增压比即最佳初始增压比由锅炉温度、冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度决定。

具体可以根据如下公式确定初始增压比：

$\frac{(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siiL}})}{v_{\mathrm{siiL}}}=\frac{\mathrm{\γ}\×(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{sig}})}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siL}}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{siL}}}$

式中：

γ为初始增压比；

v_sig为加压子过程开始时工作流体的饱和气体比体积；

v_siL为加压子过程开始时工作流体的饱和液体比体积；

h_bg为蒸气发生室向液体加压室输出的饱和气体工作流体的焓值；

h_sig、h_siL分别为加压子过程开始时即进液温度下的液体加压室中饱和气体工作流体和饱和液体工作流体的焓值；

v_siiL为加压子过程结束时即出气温度下的液体加压室中饱和气体工作流体的比体积；

h_siiL为加压子过程结束时即出气温度下的液体加压室中饱和气体工作流体的焓值。

而调整锅炉温度、锅炉中工质水过热度、冷凝水温度、储液罐体积、汽轮机结构尺寸、汽轮机所需的工质水质量流量和发电阶段时长可以决定初始增压比。

在无循环泵式朗肯循环发电系统的应用中，锅炉温度、冷凝水温度、锅炉中工质水过热度、储液罐体积按照一定的要求在设计时确定；所以，最佳初始增压比可以仅通过调整发电阶段的时长t₁实现；发电阶段的时长t₁的调整可以通过控制位于锅炉和膨胀机之间的切换阀、及位于冷凝器与储液罐之间的切换阀(两切换阀开关状态相同，开关操作同步)进行。

根据如下公式由初始增压比计算发电阶段的时长：

$\frac{\mathrm{\γ}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{1}{1+\mathrm{\γ}\×v_{\mathrm{siL}}}=\frac{c\×t_1}{V}+\frac{1}{v_{g3}}$

c为汽轮机要求的工质水的质量流量；

V为储液罐体积；

t₁为发电阶段的时长；

v_g3为回液子过程中，即锅炉中过热工质水温度下，锅炉需要向储液罐提供的高温高压水蒸气的比体积。

低温低压的储液罐在加压子过程中，工质水冷凝液的密度随着温度和压强(在气液两相平衡状态时，温度和压强一一对应)的升高而变小。在加压子过程结束时，原先的液体体积膨胀。而由锅炉传递给储液罐用来加压的高温高压水蒸气经过热平衡过程也冷却成液体。所以加压子过程结束后，储液罐中的液态工质水体积增加。如果初始增压比过小，即初始增压时，储液罐中液态工质水的体积过大，则加压子过程结束时，甚至在加压过程中，因储液罐中液态工质水的体积增加过度而有压力未达到回液要求的液态工质水溢出储液罐，扰乱锅炉的正常工作，从而使得整个循环发电系统无法正常运行。如果初始增压比过大，即初始增压时，储液罐中冷凝液体积过小，意味着储液罐体积相对增大，则在回液结束时，储液罐中剩余的高温高压水蒸气越多。这部分高温高压水蒸气不但无法被利用，而且需要消耗冷却水。所以，当初始增压比过大时，被浪费的热量和冷却水用量增大，系统性能下降，即发电效率下降、冷却水用量上升。为了使得系统稳定运行且同时具备最佳性能(最大的发电效率和最小冷却水用量)。所以初始增压比不宜不大，亦不宜过小。当取得一个的初始增压比，使得发电阶段结束时，储液罐中原先的低温低压的冷凝液正好充满整个储液罐，没有空隙，也就没有多余的体积来浪费热量，这样的预设初始增压比即为最佳初始增压比。

本发明主要算法原理如下：

在增压阶段加压子过程刚开始时，储液罐中气体的体积为Vol_sig，液体的体积为Vol_siL，则初始增压气液比γ的数学表达式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{sig}}}{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{siL}}}---\left(1\right)$

在增压阶段加压子过程中，为了将储液罐中的液体增压到回液要求，需锅炉向储液罐中输入气体质量为M_g2。则根据质量守恒定律，在加压子过程结束时，即在回液子过程开始时，储液罐中的液体的质量M_sii为，

M_si+M_g2＝M_sii  (2)

其中M_si为加压子过程开始时的储液罐中的液体的质量，包括气体质量M_sig和液体质量M_siL，即，

M_sig+M_siL＝M_si  (3)

其中，

M_sig＝Vol_sig*v_sig  (4)

M_siL＝Vol_siL*v_siL  (5)

其中v_sig、v_siL加压子过程开始时工质水的饱和气体比体积和饱和液体比体积，由工质水所处的状态(饱和气体或者饱和液态)和温度决定。

所以，

v_sig＝volume(water，T＝T_si，X＝1)  (6)

v_siL＝volume(water，T＝T_si，X＝0)  (7)

其中T表示温度，T_si表示加压子过程开始时储液罐中的温度。X表示干度，“X＝1”表示饱和气体，“X＝0”表示饱和液体。

加压子过程刚开始，储液罐的温度和冷凝工质水的温度T_c相同，即，

T_si＝T_c  (8)

工质水气体所占体积和液体所占体积之和即为整个储液罐体积V，则

Vol_sig+Vol_siL＝V  (9)

加压子过程结束时(即回液子过程开始时)储液罐中的质量M_sii包括气体质量M_siig和液体质量M_siiL，即，

M_siig+M_siiL＝M_sii  (10)

M_siig＝Vol_siig*v_siig  (11)

M_siiL＝Vol_siiL*v_siiL  (12)

v_siig＝volume(water，T＝T_sii，P＝P_sii)  (13)

v_siiL＝volume(water，T＝T_sii，X＝0)  (14)

Vol_siig+Vol_siiL＝V

其中，T_sii表示加压子过程结束时储液罐的温度。此时储液罐的温度和锅炉中过热工质水蒸气的相同，即，

T_sii＝T_g+δT_g  (15)

其中T_g为锅炉温度，δT_g为锅炉中工质水蒸气的过热度。

所以，

P_sii＝pressure(water，T＝T_g，X＝1)  (16)

整个加压子过程，能量守恒，则，

M_g2×h_bg+M_sig×h_sig+M_siL×h_siL＝M_siig×h_siig+M_siiL×h_siiL  (17)

其中h_bg为锅炉向储液罐输出的过热气体工质水的焓值，h_sig、h_siL分别为加压子过程开始时储液罐中饱和气体工质水和饱和液体工质水的焓值，h_siig、h_siiL分别为加压子过程结束时储液罐中气体工质水和液体工质水的焓值。

h_bg＝enthalpy(water，T＝T_sii，P＝P_sii)  (18)

h_sig＝enthalpy(water，T＝T_si，X＝1)  (19)

h_siL＝enthalpy(water，T＝T_si，X＝0)  (20)

h_siig＝enthalpy(water，T＝T_sii，X＝1)  (21)

h_siiL＝enthalpy(water，T＝T_sii，P＝P_sii)  (22)

在回液过程中，锅炉需要向储液罐提供的高温高压蒸气的质量为M_g3，则

M_g3＝Vol_g3×v_g3  (23)

其中，

v_g3＝volume(water，T＝T_sii，P＝P_sii)  (24)

这部分高温高压的蒸气填充了回液刚开始时，即加压子过程刚结束时，储液罐中工质水液体所占的体积，所以，

Vol_g3＝Vol_siiL  (25)

储液罐给锅炉回液的液体工质水弥补了锅炉产生蒸气损失的液体工质水，所以

M_siiL＝M_g1+M_g2+M_g3  (26)

其中，M_g1为锅炉在发电阶段提供的高温高压的蒸气。

M_g1＝c*t₁  (27)

其中c为汽轮机所要求的工质水的质量流量，t₁为发电阶段的时长。

当选取最佳气液比时，储液罐的液态工质水经加压子过程，体积增加到正好占满整个储液罐，即

Vol_siig＝0  (28)

所以，

Vol_siiL＝V  (29)

由式(1)-(29)，可得，

$\frac{(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siiL}})}{v_{\mathrm{siiL}}}=\frac{\mathrm{\γ}\×(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{sig}})}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siL}}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{siL}}}---\left(30\right)$

以上式子中，焓值和比体积可以利用物性软件查询，如EES、REFPROP。而焓值和比体积只由工质水所处的状态(饱和状态下，指气态或者液态，及温度)决定。

根据式(30)可知最佳初始增压比只由锅炉温度，锅炉中工质水的过热度，冷凝水温度决定。对于实际应用中的蒸气增压系统，冷凝水温度由冷凝冷源温度决定，锅炉温度和锅炉中工质水的过热度可以在热源温度允许的范围内来优化选取。

在整个周期内，根据质量守恒定律，可知加压子过程开始进行时，储液罐中工质水的质量为上个周期冷却子过程结束后储液罐中剩余的工质水的质量和由冷凝器进入储液罐中的冷凝工质水的质量之合。对蒸气增压系统，应用质量守恒定律，由冷凝器进入储液罐中的冷凝工质水的质量和锅炉发电阶段输送给汽轮机的高温高压水蒸气质量相同，即

M_sig+M_siL＝M_g1+M_g3+M_siig  (31)

所以，

$\frac{\mathrm{\γ}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{1}{1+\mathrm{\γ}\×v_{\mathrm{siL}}}=\frac{c\×t_1}{V}+\frac{1}{v_{g3}}---\left(32\right)$

当锅炉温度，冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度确定时，最佳初始增压比γ确定；进一步确定汽轮机结构尺寸、汽轮机要求的工质水质量流量后(根据设计要求)，为了取得最佳初始增压比，系统的自由度为2，即发电阶段的时长t₁和储液罐体积V。对现有的系统，储液罐的体积V已经确定，则只需要根据式(30)和式(32)调整相应的发电阶段时长t₁，即可取得最佳初始增压比，使得系统的发电效率最高，冷却子过程所需冷却水负荷最小。针对现存系统(储液罐体积已定)优化锅炉温度时，则可根据锅炉温度确定发电阶段的时长，以取得最佳初始增压比。

无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统，包括单储液罐发电循环系统，并联式多储液罐发电循环系统，多套并联的蒸气增压发电循环系统(可以连续发电)等，都存在最佳初始增压比。

通过本发明的研究表明当初始增压比过小时，系统的稳定运行会受到干扰。当初始增压比大时，系统的发电效率，冷却阶段冷却水用量增大。取得最佳初始增压比，系统的性能最佳，即系统发电效率最高，冷却阶段冷却水用量最少。

最佳初始增压比只由系统的锅炉温度、冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度决定。当锅炉温度、冷凝水温度、锅炉中工质水的过热度、汽轮机结构尺寸、储液罐体积、汽轮机所需工质水质量流量确定时，本发明控制方法仅需通过调整发电阶段时长就可以取得最佳初始增压比。

附图说明

图1为无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的流程图。

具体实施方式

实施例1～15

以图1所示系统为例，汽轮机所要求的工质水的质量流量为2.2kg/s，冷凝水温度为45℃，储液罐的体积为1.5m³，锅炉中工质水的过热度为200℃。

根据式(30)可知，在确定了冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度时，最佳初始增压比仅由锅炉温度决定。表2中实施例1～15中给出了在250-315℃的锅炉温度下，对应的最佳初始增压比的值。

因为轮机所要求的工质水的质量流量、冷凝水温度、汽轮机结构尺寸、储液罐体积和锅炉中工质水的过热度都已确定，所以根据式(32)可知，最佳初始增压比可以仅通过根据锅炉温度调整出气阶段的时长t₁实现。250-315℃的锅炉温度对应的出气阶段的时长t₁的控制值如表2所示。出气阶段的时长t₁可以通过控制图1中切换阀10和切换阀6的开关频率进行。

表2.不同锅炉温度下取最佳初始增压最佳比的系统参数

对比例1～14

选取一个较低的锅炉温度，260℃(锅炉温度越高，选取最佳初始增压比的带来的收益越大)，如果不按照使得系统运行在最佳初始增压比的出气阶段时长来调整图1中切换阀10和切换阀6的切换频率，而按照固定的初始增压比对应的出气阶段时长来调整图1中切换阀10和切换阀6的切换频率，随着初始增压比偏离最佳初始增压比的程度变大，一个周期内系统内提供给汽轮机的单位质量高温高压的水蒸气质量所需的热能和冷却子过程中冷却水负荷的变化如表3所示。

表3.初始增压比对系能系统的影响

表3可见，随着初始增压比偏离最佳初始增压比的值的增大，即出气阶段时长的减少，一个周期内系统内提供给汽轮机的单位质量高温高压的水蒸气质量所需的热能和冷却子过程中冷却水负荷增加。出气阶段时长减少10s，一个周期内系统内提供给汽轮机的单位质量高温高压的水蒸气质量所需的热能增加约0.15％，相应的冷却子过程中冷却水负荷增加量百分比更大。系统性能对于出气阶段时长的敏感性高，所以精确控制出气阶段时长以减少初始增压比偏离最佳初始增压比的值直至取得最佳初始增压比，对提升系统性能的意义重大。

Claims (4)

1.一种无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，所述无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统中至少包括有一套用于气化工质水的锅炉以及与锅炉相连的储液罐，系统运行包括发电阶段和增压阶段；所述增压阶段包括依次进行的加压、回液和冷却三个子过程；其特征在于，系统运行时根据发电阶段的锅炉温度、冷凝水温度和锅炉中工质水的过热度预设初始增压比，所述初始增压比为加压子过程开始时，储液罐中工质水气体与工质水液体的体积比；根据所述预设初始增压比，计算并控制发电阶段的时长，使储液罐在加压子过程开始时具有预设的初始增压比，即最佳初始增压比。

2.如权利要求1所述的无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，根据如下公式确定初始增压比：

$\frac{(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siiL}})}{v_{\mathrm{siiL}}}=\frac{\mathrm{\γ}\×(h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{sig}})}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{h_{\mathrm{bg}}-h_{\mathrm{siL}}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{siL}}}$

式中：

γ为初始增压比；

v_sig为加压子过程开始时工作流体的饱和气体比体积；

v_siL为加压子过程开始时工作流体的饱和液体比体积；

h_bg为蒸气发生室向液体加压室输出的饱和气体工作流体的焓值；

h_sig、h_siL分别为加压子过程开始时即进液温度下的液体加压室中饱和气体工作流体和饱和液体工作流体的焓值；

v_siiL为加压子过程结束时即出气温度下的液体加压室中饱和气体工作流体的比体积；

h_siiL为加压子过程结束时即出气温度下的液体加压室中饱和气体工作流体的焓值。

3.如权利要求2所述的无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，根据如下公式由初始增压比计算发电阶段的时长：

$\frac{\mathrm{\γ}}{(1+\mathrm{\γ})\×v_{\mathrm{sig}}}+\frac{1}{1+\mathrm{\γ}\×v_{\mathrm{siL}}}=\frac{c\×t_1}{V}+\frac{1}{v_{g3}}$

c为汽轮机要求的工质水的质量流量；

V为储液罐体积；

t₁为出气阶段的时长；

v_g3为回液子过程中，即出气温度下，蒸气发生室需要向液体加压室提供的高温高压蒸气的比体积。

4.如权利要求1～3任一项所述的无循环泵式蒸气增压朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，发电阶段的时长的调整通过控制位于锅炉和膨胀机之间的切换阀、及位于冷凝器与储液罐之间的切换阀进行。