CN106545476B - 一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及方法 - Google Patents

一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，包括太阳能槽式集热器、有机朗肯循环发电系统、闪蒸式储液罐及其控制装置；有机朗肯循环发电系统包括蒸发器、膨胀机、发电机、冷却塔、冷凝器和变频式工质泵；控制装置包括温压传感器、电磁阀和膨胀阀；温压传感器分别与膨胀阀、电磁阀和变频式工质泵联接，本发明可以实现对太阳能瞬变特性的即时反应，通过闪蒸产生低压饱和蒸汽进入膨胀机低压级，调节有机工质流量从而实现变工况运行，适用于不同太阳强度区；通过对蒸发器出口有机工质干度检测与调节，避免对膨胀机的液击损伤；优化循环性能，提高循环效率；可实现有机朗肯循环发电系统安全快速启停；本发明系统结构简单，易于调控。

Description

一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及策略。
背景技术
太阳能作为一种中低温热源，具有分布广、资源潜力大、强度不稳定等特性。
结合太阳能中低温品位的特点，有机朗肯循环表现出优良的热力性能，将有机朗肯循环与太阳能集热器相结合，采用太阳能低温有机朗肯循环发电系统应用潜力巨大。但太阳能的瞬变特性带来了有机朗肯循环运行的不稳定，引起循环膨胀机的液击损伤和系统性能的恶化。目前尚没有很好的解决方法，大多只停留在仿真模拟阶段，限制了太阳能有机朗肯循环的发展应用。
太阳能受云层和气象影响的瞬变特性使得有机朗肯循环的热源输入波动大，阶跃频繁，从而影响系统的稳定性。当吸热功率不足时，有机工质未达到饱和气态，形成两相态工质，有机工质中的液滴会对膨胀机造成液击破坏，使膨胀设备受损，降低膨胀效率。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及控制方法，通过闪蒸式储液罐和控制装置进行闪蒸和有机工质流量调节，以适应太阳辐射的变化，避免膨胀机的液击损伤，并提高系统的运行效率，优化系统性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，包括太阳能槽式集热器、闪蒸式储液罐和控制装置，所述太阳能槽式集热器与所述闪蒸式储液罐之间连接有机朗肯循环发电系统，所述有机朗肯循环发电系统包括蒸发器、膨胀机、发电机、冷却塔、冷凝器和变频式工质泵；所述蒸发器与所述太阳能槽式集热器连接，所述膨胀机与所述发电机连接，自所述膨胀机的出口至所述蒸发器的进口依次连接所述冷凝器、闪蒸式储液罐和变频式工质泵，所述冷凝器与所述冷却塔连接；在太阳辐射稳定状况时，有机工质经过所述有机朗肯循环发电系统提供稳定电力；所述控制装置包括温压传感器、电磁阀和膨胀阀；所述温压传感器和电磁阀连接在所述蒸发器的出口至所述膨胀机的高压级入口之间；所述闪蒸式储液罐的未完全蒸发的两相态工质进口连接在所述温压传感器与电磁阀之间的连接管路，所述膨胀阀连接在所述管路上，从而使所述蒸发器通过所述膨胀阀与所述闪蒸式储液罐的两相态工质进口相连；所述闪蒸式储液罐的低压饱和蒸汽出口连接至所述膨胀机的低压级入口；所述温压传感器分别与膨胀阀、电磁阀和变频式工质泵联接，当蒸发器出口有机工质为两相态工质时，通过调节所述电磁阀和膨胀阀的开度，使有机工质达到饱和气态，再进入所述膨胀机的高压级；与此同时，根据当前工况通过控制所述变频式工质泵的转速，调节有机工质的流量。
进一步讲，本发明中，所述闪蒸式储液罐对两相态工质两相态工质进行闪蒸，闪蒸后再用于所述膨胀机低压级做功；同时，所述闪蒸式储液罐对剩余的液态有机工质进行储存，用于有机工质的流量调节。
上述适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制装置实现的控制方法包括以下过程：
当太阳辐射强烈稳定时，有机工质经过太阳能槽式集热器将吸收到的热量用于加热蒸发器中的有机工质，使有机工质完全变为气态，然后，依次经过温压传感器和电磁阀进入所述膨胀机高压级做功，带动电动机发电，所述膨胀机出口的工质进入冷凝器冷凝为液相有机工质，流经闪蒸式储液罐进入变频式工质泵，经变频式工质泵升压后再次进入所述蒸发器，从而完成一个热力循环；
当太阳辐射阶跃降低时，使得太阳能槽式集热器吸热量不足以提供有机工质完全蒸发所需热量时，蒸发器出口处干度下降，此时，控制膨胀阀和电磁阀的开关，使两相态工质经过闪蒸式储液罐闪蒸后进入膨胀机的低压级入口，并降低所述变频式工质泵的转速，从而有机工质流量降低，适应当前工况；蒸发器出口的有机工质经温压传感器检测后，重新开启电磁阀，关闭膨胀阀，使得系统的运行恢复正常；
当太阳辐射极端强烈，使得蒸发器出口蒸汽进入过热区，所述温压传感器检测到变化后，通过增大变频式工质泵的转速，加大有机工质流量，提高运行效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明控制系统可以实现对太阳能瞬变特性的即时反应，通过闪蒸产生低压饱和蒸汽进入膨胀机低压级，调节有机工质流量从而实现变工况运行，主动能力强，适用于不同太阳强度区，避免繁杂的重复设计；通过对蒸发器出口有机工质干度检测与调节，避免对膨胀机的液击损伤；优化循环性能，提高循环效率；可实现有机朗肯循环发电系统安全快速启停；本发明系统结构简单，易于调控。
附图说明
图1为一种太阳能有机朗肯循环恒温主动膨胀保护及自动控制系统示意图；
图中：1-槽式太阳能集热器；2-蒸发器；3-温压传感器；4-电磁阀；5-膨胀机；6-发电机；7-冷却塔；8-冷凝器；9-闪蒸式储液罐；10-膨胀阀；11-变频式工质泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，包括太阳能槽式集热器1、闪蒸式储液罐9、有机朗肯循环发电系统和控制装置。
所述有机朗肯循环发电系统包括蒸发器2、膨胀机5、发电机6、冷却塔7、冷凝器8和变频式工质泵11。在太阳辐射稳定状况时，有机工质经过所述有机朗肯循环发电系统提供稳定电力。所述蒸发器2与所述太阳能槽式集热器1连接，所述太阳能槽式集热器1用于收集太阳能为所述蒸发器2供热。所述膨胀机5与所述发电机6连接，自所述膨胀机5的出口至所述蒸发器2的进口依次连接所述冷凝器8、闪蒸式储液罐9和变频式工质泵11，所述冷凝器8与所述冷却塔7连接。
所述控制装置包括温压传感器3、电磁阀4和膨胀阀10。所述温压传感器3和电磁阀4连接在所述蒸发器2的出口至所述膨胀机5的高压级入口之间；自所述闪蒸式储液罐9的未完全蒸发的两相态工质进口连接至所述温压传感器3与电磁阀4之间的连接管路连接有一旁路，所述膨胀阀10连接在所述旁路上，从而使所述蒸发器2通过所述膨胀阀10与所述闪蒸式储液罐9的两相态工质进口相连；所述闪蒸式储液罐9的低压饱和蒸汽出口连接至所述膨胀机5的低压级入口，所述闪蒸式储液罐9一方面对两相态工质进行闪蒸，闪蒸后再用于所述膨胀机5低压级做功；另一方面可以对剩余的液态有机工质进行储存，用于有机工质的流量调节。
所述温压传感器3分别与膨胀阀10、电磁阀4和变频式工质泵11联接，从而完成对系统的即时控制。当蒸发器出口有机工质为两相态工质时，控制装置已方面可以通过调节所述电磁阀4和膨胀阀10的开度，使有机工质达到饱和气态，再进入所述膨胀机5的高压级；另一方面根据当前工况通过控制所述变频式工质泵11的转速，调节有机工质的流量以适应当前工况。
下面从太阳辐射强烈稳定时的正常运行、太阳辐射强度降低、太阳辐射极端强烈以及系统开启关闭时四个方面来描述本发明适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制装置的控制过程：
正常运行时，有机工质经过太阳能槽式集热器1将吸收到的热量用于加热蒸发器2中的有机工质，使有机工质完全变为气态，然后，依次经过温压传感器3和电磁阀4进入所述膨胀机5高压级做功，带动电动机6发电，所述膨胀机5出口的工质进入冷凝器8冷凝为液相有机工质，流经闪蒸式储液罐9进入变频式工质泵11，经变频式工质泵11升压后再次进入所述蒸发器2，从而完成一个热力循环。
当太阳辐射阶跃降低，使得太阳能槽式集热器1吸热量不足以提供有机工质完全蒸发所需热量时，蒸发器2出口处干度下降，温压传感器3检测到变化后，关闭电磁阀4，打开膨胀阀10，低干度的有机工质经过膨胀阀10进入闪蒸式储液罐9进行闪蒸，闪蒸过后的低温低压饱和气态有机工质进入膨胀机5低压级做功，液态有机工质储存于储液罐，用于系统有机工质回路的缓冲。与此同时，通过调节变频式工质泵11，降低所述变频式工质泵11的转速，从而有机工质流量降低以适应当前工况。相同的吸热量下，小流量的有机工质温度提高，干度升高，达到饱和，蒸发器2出口的有机工质经温压传感器3检测后，重新开启电磁阀4，关闭膨胀阀10，系统运行恢复正常。
当太阳辐射极端强烈，使得蒸发器2出口蒸汽进入过热区，所述温压传感器3检测到变化后，通过增大变频式工质泵11的转速，加大有机工质流量，提高运行效率。
系统开启时，控制电磁阀4的开关，逐渐增大变频式工质泵11的转速，使系统平稳进入正常运行状态；系统关闭时，控制电磁阀4的开关，逐渐减小变频式工质泵11的转速，使系统平稳进入停止状态。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，包括太阳能槽式集热器(1)、闪蒸式储液罐(9)和控制装置，所述太阳能槽式集热器(1)与所述闪蒸式储液罐(9)之间连接有机朗肯循环发电系统，其特征在于：
所述有机朗肯循环发电系统包括蒸发器(2)、膨胀机(5)、发电机(6)、冷却塔(7)、冷凝器(8)和变频式工质泵(11)；
所述蒸发器(2)与所述太阳能槽式集热器(1)连接，所述膨胀机(5)与所述发电机(6)连接，自所述膨胀机(5)的出口至所述蒸发器(2)的进口依次连接所述冷凝器(8)、闪蒸式储液罐(9)和变频式工质泵(11)，所述冷凝器(8)与所述冷却塔(7)连接；在太阳辐射稳定状况时，有机工质经过所述有机朗肯循环发电系统提供稳定电力；
所述控制装置包括温压传感器(3)、电磁阀(4)和膨胀阀(10)；所述温压传感器(3)和电磁阀(4)连接在所述蒸发器(2)的出口至所述膨胀机(5)的高压级入口之间；所述闪蒸式储液罐(9)的未完全蒸发的两相态工质进口连接在所述温压传感器(3)与电磁阀(4)之间的连接管路，所述膨胀阀(10)连接在所述管路上，从而使所述蒸发器(2)通过所述膨胀阀(10)与所述闪蒸式储液罐(9)的两相态工质进口相连；所述闪蒸式储液罐(9)的低压饱和蒸汽出口连接至所述膨胀机(5)的低压级入口；
所述温压传感器(3)分别与膨胀阀(10)、电磁阀(4)和变频式工质泵(11)联接，当蒸发器出口有机工质为两相态工质时，通过调节所述电磁阀(4)和膨胀阀(10)的开度，使有机工质达到饱和气态，再进入所述膨胀机(5)的高压级；与此同时，根据当前工况通过控制所述变频式工质泵(11)的转速，调节有机工质的流量。
2.根据权利要求1所述适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，其特征在于：所述闪蒸式储液罐(9)对两相态工质两相态工质进行闪蒸，闪蒸后再用于所述膨胀机(5)低压级做功；同时，所述闪蒸式储液罐(9)对剩余的液态有机工质进行储存，用于有机工质的流量调节。
3.一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制方法，其特征在于：利用如权利要求1-2中任一所述适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统，并包括以下过程：
当太阳辐射强烈稳定时，有机工质经过太阳能槽式集热器(1)将吸收到的热量用于加热蒸发器(2)中的有机工质，使有机工质完全变为气态，然后，依次经过温压传感器(3)和电磁阀(4)进入所述膨胀机(5)高压级做功，带动电动机(6)发电，所述膨胀机(5)出口的工质进入冷凝器(8)冷凝为液相有机工质，流经闪蒸式储液罐(9)进入变频式工质泵(11)，经变频式工质泵(11)升压后再次进入所述蒸发器(2)，从而完成一个热力循环；
当太阳辐射阶跃降低时，使得太阳能槽式集热器(1)吸热量不足以提供有机工质完全蒸发所需热量时，蒸发器(2)出口处干度下降，此时，控制膨胀阀(10)和电磁阀(4)的开关，使两相态工质经过闪蒸式储液罐(9)闪蒸后进入膨胀机(5)的低压级入口，并降低所述变频式工质泵(11)的转速，从而有机工质流量降低，适应当前工况；蒸发器(2)出口的有机工质经温压传感器(3)检测后，重新开启电磁阀(4)，关闭膨胀阀(10)，使得系统的运行恢复正常；
当太阳辐射极端强烈，使得蒸发器(2)出口蒸汽进入过热区，所述温压传感器(3)检测到变化后，通过增大变频式工质泵(11)的转速，加大有机工质流量，提高运行效率。
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