CN105909331B - 一种输出功率优化调节的发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统，包括第一发电循环、第二发电循环、加热介质管道、冷却介质管道以及控制装置：第一发电循环、第二发电循环共用蒸发器以及冷凝器，其分别设置检测各自发电机的发电量的电力检测器，蒸发器的加热介质的入口和出口设置加热介质供给温度检测器和加热介质排出温度检测器;控制装置根据电力检测器、温度检测器以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制第一发电循环中高压涡轮机以及中压涡轮机中的至少一个启动，并且控制第二发电循环的高压涡轮机启动或者关闭。

Description

一种输出功率优化调节的发电系统
技术领域
本发明涉及发电系统，尤其是涉及利用不稳定热源例如地热或者余热作为供热来源的发电系统以及该发电系统的控制方法。
背景技术
随着化石能源日益枯竭、地球环境不断恶化，能源安全越来越受到人们的重视。能源的利用关系到一个国家的经济命脉与社会安全，早已上升为国家的基本发展战略.世界各国都非常重视能源的有效利用，我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％。
我国能源利用率低的一个重要原因是能源没有达到梯级利用，大量的中低温能源没有得到充分利用，因此提高中低温能源的利用是提高能源利用效率的关键措施。中低温热源主要包括两大部分：第一是工业生产中排放的余热， 比如冶金、化工、建材、机械、电力等行业中的各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，由于我国工业能耗约占全国总能耗的三分之二， 而50％以上以中低温废热的形式排放掉，因此回收利用这部分热量具有巨 大的节能潜力；第二部分是太阳能、地热等中低温可再生能源，随着我国 能源结构的调整，可再生能源所占的比例将会越来越大。加强对这些中低温热源的利用，将减少对化石能源的消耗，达到节能减排的效果。
利用中低温热能发电的技术主要是基于朗肯循环的热力发电系统。双工质循环发电系统是一种主要的中低温热发电系统。双工质循环发电技术的特点是热水与发电系统不直接接触，采用一种低沸点的介质，如正丁烷、异丁烷、氯乙烷、氨和二氧化碳等作为循环工质将热水的热量传给某种低沸点介质，由低沸点介质推动汽轮机来发电。
在双工质循环发电中，热水仅作为热源使用，本身并不直接参与到热力循环中去。首先，来自中低温热源的热水流过表面式蒸发器．以加热蒸发器中的低沸点介质。低沸点介质在蒸发器中吸热，变为具有一定压力的蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电。从汽轮机排出的气体，在冷凝器中凝结成液体，用泵将液体送入换热器，重新吸热蒸发变成气体，如此周而复始，热水的热量不断地传给低沸点介质进行连续发电。
采用地热或者余热作为中低温热源的发电系统的缺点在于热源的不稳定性，由于热源的不稳定，需要对发电装置做出特定的设计，例如采用多个发电循环，使其能够适应大幅变化的热源热量。CN102691541B的发明专利，提出了一种具有多个发电循环，在其中一个发电循环上设置加热介质截断阀以及冷却介质截断阀，从而能够进行根据热源的变动而将热量恰当地分配至多个发电循环的发电。
但是，CN102691541B的发明还存在着不足之处，一方面，对于每个发电循环，都需要设置特定的加热介质以及冷却介质的输入输出管道，同时每个发电循环还需要设置蒸发器以及冷凝器，导致发电系统的成本以及费用上升；另一方面，对于特定的发电循环，将其启动或者停止需要一定的时间，并且频繁启动和停止发电循环回影响其工作效率和系统性能。
发明内容
本发明提供了一种优化的发电系统及其控制方法，在热源热量变动的情况下，能够减小CN102691541B发明的技术方案中特定发电循环的开关频率，从而提高系统性能。
一种发电系统，包括第一发电循环、第二发电循环、加热介质管道、冷却介质管道以及控制装置；所述控制装置用于根据加热介质以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制所述第一发电循环以及第二发电循环的运行，其特征在于：第一发电循环、第二发电循环共用蒸发器以及冷凝器；所述加热介质通过加热介质管道进入蒸发器加热工作介质后，从蒸发器中排出；冷却介质通过冷却介质管道对第一发电循环以及第二发电循环的乏气进行冷凝后，从冷凝器中排出；所述蒸发器的工作介质出口分为两路，其中一路通过第一通道流向第一发电循环，所述控制装置通过流量阀控制另外一路是否通过第二通道流向第二发电循环，从而控制是否启动第二发电循环。
优选的，所述第一发电循环为主发电系统，其具有高压涡轮机以及中压涡轮机；第二发电循环为从发电系统，其具有高压涡轮机；所述控制装置根据加热介质以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制所述第一发电循环中高压涡轮机以及中压涡轮机中的至少一个启动，并且控制所述第二发电循环的高压涡轮机启动或者关闭。
优选的，所述第一发电循环的高压涡轮机以及中压涡轮机通过转轴与发电机耦合，从而驱动发电机进行发电。
优选的，所述第一发电循环蒸发器工作介质的出口管路分为两路，其中一路通过第一阀门与所述高压涡轮机的工作介质入口相通，另外一路通过第二阀门与所述中压涡轮机的工作介质入口相通；所述高压涡轮机的工作介质出口管路分为两路，其中一路通过第三阀门与所述中压涡轮机的工作介质入口相通，另外一路通过第四阀门与冷凝器的入口相通；所述中压涡轮机的工作介质出口与所述冷凝器的入口相通。
优选的，所述第二发电循环的加热介质入口管路设置加热介质截断阀，冷却介质入口管路设置冷却介质截断阀，所述控制装置根据加热介质以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、加热介质截断阀以及冷却介质截断阀的开关。
优选的，所述第一发电循环以及第二发电循环具有检测各自发电机的发电量的电力检测器，所述蒸发器的加热介质的入口和出口设置加热介质供给温度检测器和加热介质排出温度检测器。
优选的，所述控制装置根据电力检测器、温度检测器以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门以及流量阀的开关。。
优选的，当供给加热介质的温度从低向高增加，所述控制装置依次启动所述第一发电循环的高压涡轮机、所述第一发电循环的中压涡轮机以及所述第二发电循环的高压涡轮机。
优选的，当供给加热介质的温度从高向低，所述控制装置依次关闭第一发电循环的中压涡轮机、第二发电循环的高压涡轮机；然后，启动第一发电循环的中压涡轮机，关闭第一发电循环的高压涡轮机。
作为本发明的另外一个方面，提供上述发电系统的控制方法，其中，当供给加热介质的温度从低向高增加时，涡轮机的控制步骤包括：1）启动高压涡轮机；
2）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，如果△Th<=Sth，进入步骤21；如果△Th>Sth，进入步骤22；
21）比较第一发电循环发电机输出功率W1与Sp1的大小，其中Sp1为第一发电循环高压涡轮机对应的优化功率阈值，如果W1>=Sp1,进入步骤2）；如果W1<Sp1，进入步骤211）；
211）关闭第一发电循环的高压涡轮机，启动第一发电循环的中压涡轮机，进入步骤212）；
212）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤213）；
213）启动第二发电循环，进入步骤214）；
214）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤215）；
215）启动第一发电循环的高压涡轮机；
22）启动中压涡轮机，进入步骤221）；
221）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤222）；
222）启动第二发电循环。
优选的，当第一发电循环和第二发电循环的涡轮机都处于启动，并且供给加热介质的温度从高向低降低时，控制步骤包括：
a）比较第一发电循环发电机输出功率W1以及第二发电循环发电机输出功率W2之和W1+W2与Sp1+Sp2+Sp3的大小，其中Sp2为第一发电循环中压涡轮机对应的优化功率阈值，Sp3为第二发电循环高压涡轮机对应的优化功率阈值；如果W1+W2<Sp1+Sp2+Sp3，则进入步骤b）；
b）关闭中压涡轮机，进入步骤c）；
c）比较W1+W2与Sp1+Sp3的大小，如果W1＋W2< Sp1+Sp3，进入步骤d）；
d）关闭第一发电循环的高压涡轮机，开启中压涡轮机；进入步骤e）
e）比较W1+W2与Sp1的大小，如果W1+W2<=Sp2,进入步骤f）；如果Sp2<W1+W2<Sp1;进入步骤h；
f）关闭第二发电循环；
h）关闭第二发电循环以及中压涡轮机，开启第一发电循环的高压涡轮机。
附图说明
图1是本发明实施例的发电系统结构示意图。
图2是本发明实施例的发电系统的部分控制流程图。
图3是本发明实施例的发电系统的另一部分控制流程图。
具体实施方式
本发明的下述实施例，跟它们的优点和特征一起在此公开，将通过参考下列说明和附图变得明显。而且，应当理解，在此描述的各种各样的实施例的特征不互斥，并且能在各种各样的组合和换变过程中存在。
参见图1，本发明的实施例的发电系统，包括第一发电循环1a、第二发电循环1b、蒸发器2、冷凝器4、加热介质供给管道10、加热介质排出管道11、冷却介质供给管道14、冷却介质输出管道15以及控制装置9。其中第一发电循环1a和第二发电循环1b分别都包括，高压涡轮机3、发电机7以及电力检测器8。
来自中低温热源的加热介质（例如水蒸气等）通过加热介质供给管路将加热介质从加热介质供给管道10输送到蒸发器2中，从而加热蒸发器2的工作介质（例如正丁烷、异丁烷、氨等），该工作介质用于驱动第一发电循环1a以及第二发电循环1b的涡轮机运动，从而驱动第一发电循环1a以及第二发电循环1b的发电机7进行发电。从蒸发器2中输出的加热介质，通过加热介质排出管道11排出。
冷却介质供给管路将冷却介质（例如冷却水）冷却介质供给管路14输送到冷凝器4，用于冷却从第一发电循环1a以及第二发电循环1b涡轮机排出的工作介质。从冷凝器4输出的冷却介质，通过冷却介质排出管路15排出。
蒸发器2的工作介质出口分为两路，其中一路通过第一通道12与第一发电循环1a连通，另外一路通过第二通道13与第二发电循环1b连通。第二通道13上设置有流量阀16，控制装置9能够通过流量阀16控制该第二通道13是否开关，从而控制是否启动第二发电循环1b。蒸发器2的加热介质的入口和出口设置加热介质供给温度检测器和加热介质排出温度检测器。
其中，第一发电循环1a还设置有中压涡轮机31。高压涡轮机3以及中压涡轮机31通过转轴与发电机7耦合，从而驱动发电机7进行发电。第一发电循环1a设置为，蒸发器2进入第一发电循环1a的管路分为两路，其中一路通过第一阀门21与高压涡轮机3的工作介质入口相通，另外一路通过第二阀门22与中压涡轮机31的工作介质入口相通；高压涡轮机3的工作介质出口管路分为两路，其中一路通过第三阀门23与中压涡轮机31的工作介质入口相通，另外一路通过第四阀门24与冷凝器4的入口相通；中压涡轮机31的工作介质出口与冷凝器24的入口相通。
控制装置9通过控制第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23以及第四阀门24的开关，能够控制第一发电循环1a中汽轮机的工作状态。其中，第一阀门21、第二阀门22以及第四阀门24开启，第三阀门23关闭时，高压涡轮机3以及中压涡轮机31都使用来自蒸发器2输出的蒸气，具有最大的额定输出功率；第一阀门21、第三阀门23开启，第二阀门22以及第四阀门24关闭时，其额定输出功率降低；第一阀门21、第四阀门24开启，第二阀门22、第三阀门23关闭时，其额定输出功率进一步降低；第一阀门21、第三阀门23、第四阀门24关闭，第二阀门22开启时，其额定输出功率最低。
第二发电循环1b的高压涡轮机3的乏气出口与冷凝器4相连通。控制装置8根据电力检测器、温度检测器以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24以及流量阀16的开关。
当本实施例的发电系统处于空载，根据温度检测器的测量，判断供给加热介质的温度从低向高增加时，控制装置9控制第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24以及流量阀16，依次启动第一发电循环1a的高压涡轮机3、第一发电循环的中压涡轮机31以及所述第二发电循环的高压涡轮机3。
当本实施例的发电系统处于满载，所有涡轮机都处于运行状态，根据温度检测器的测量，判断当供给加热介质的温度从高向低时，控制装置9控制第一阀门21、第二阀门22、第三阀门23、第四阀门24以及流量阀16，依次关闭第一发电循环1a的中压涡轮机31、第二发电循环的高压涡轮机3；然后，启动第一发电循环的中压涡轮机31，关闭第一发电循环的高压涡轮机3。
通过本发明的上述实施方式，一方面，通过将第一发电循环1a和第二发电循环1b共用加热介质以及冷却介质管道，并且共用蒸发器以及冷凝器，从而能够节约成本；另一方面，通过第一发电循环1a的中压涡轮机以及相应的控制阀门的设置，在中低温热源的热源热量大幅变化时，优先通过第一发电循环1a中的涡轮机的开关，调节发电系统的工作功率，从而减小了对于第二发电循环1b的开关需求，提高了系统的适应性能，并且增加了可调节的功率范围。
本发明实施例的发电系统的部分控制方法，如图2所示（其中未写明启动的涡轮机表示处于关闭状态），当供给加热介质的温度从低向高增加时，涡轮机的控制步骤包括：1）启动高压涡轮机；
2）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，如果△Th<=Sth，进入步骤21；如果△Th>Sth，进入步骤22；
21）比较第一发电循环发电机输出功率W1与Sp1的大小，其中Sp1为第一发电循环高压涡轮机对应的优化功率阈值，如果W1>=Sp1,进入步骤2）；如果W1<Sp1，进入步骤211）；
211）关闭第一发电循环的高压涡轮机，启动第一发电循环的中压涡轮机，进入步骤212）；
212）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤213）；
213）启动第二发电循环，进入步骤214）；
214）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤215）；
215）启动第一发电循环的高压涡轮机；
22）启动中压涡轮机，进入步骤221）；
221）比较加热介质供给温度检测器的检测值与加热介质排出温度检测器的检测值的差值△Th与温度差阈值Sth的大小，当△Th>Sth时，进入步骤222）；
222）启动第二发电循环。
本发明实施例的发电系统的另一部分控制方法，如图3所示（其中未写明启动的涡轮机表示处于关闭状态），当第一发电循环和第二发电循环的涡轮机都处于启动，并且供给加热介质的温度从高向低降低时，控制步骤包括：
a）比较第一发电循环发电机输出功率W1以及第二发电循环发电机输出功率W2之和W1+W2与Sp1+Sp2+Sp3的大小，其中Sp2为第一发电循环中压涡轮机对应的优化功率阈值，Sp3为第二发电循环高压涡轮机对应的优化功率阈值；如果W1+W2<Sp1+Sp2+Sp3，则进入步骤b）；
b）关闭中压涡轮机，进入步骤c）；
c）比较W1+W2与Sp1+Sp3的大小，如果W1＋W2< Sp1+Sp3，进入步骤d）；
d）关闭第一发电循环的高压涡轮机，开启中压涡轮机；进入步骤e）
e）比较W1+W2与Sp1的大小，如果W1+W2<=Sp2,进入步骤f）；如果Sp2<W1+W2<Sp1;进入步骤h；
f）关闭第二发电循环；
h）关闭第二发电循环以及中压涡轮机，开启第一发电循环的高压涡轮机。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种发电系统，包括第一发电循环、第二发电循环、加热介质管道、冷却介质管道以及控制装置：第一发电循环、第二发电循环共用蒸发器以及冷凝器，其分别设置检测各自发电机的发电量的电力检测器，蒸发器的加热介质的入口和出口设置加热介质供给温度检测器和加热介质排出温度检测器；蒸发器的工作介质出口分为两路，其中一路通过第一通道与第一发电循环连通，另外一路通过第二通道与第二发电循环连通；控制装置根据电力检测器、温度检测器以及第一发电循环和第二发电循环的工作状态，控制第一发电循环中高压涡轮机以及中压涡轮机中的至少一个启动，并且控制第二发电循环的高压涡轮机启动或者关闭；当供给加热介质的温度从低向高增加，所述控制装置依次启动所述第一发电循环的高压涡轮机、所述第一发电循环的中压涡轮机以及所述第二发电循环的高压涡轮机；当供给加热介质的温度从高向低，所述控制装置依次关闭第一发电循环的中压涡轮机、第二发电循环的高压涡轮机；然后，启动第一发电循环的中压涡轮机，关闭第一发电循环的高压涡轮机。
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