CN110748466B - 一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法 - Google Patents

一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法，其特征在于，包括温度传感器和信号采集控制器；四个所述温度传感器分别设置在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口和出口处，用于实时测量温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口温度和出口温度；所述信号采集控制器分别电连接四个所述温度传感器，用于采用自适应算法，根据实时测量的入口温度和出口温度，实时计算使所述海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制所述海洋温差能系统中海水泵的流速，使所述海洋温差能系统的透平达到稳定输出的工作状态，本发明可以广泛应用于海洋温差能发电领域中。

Description

一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法
技术领域
本发明是关于一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法，属于海洋温差能发电领域。
背景技术
海洋温差能发电是一种利用海洋表层温海水与深层冷海水之间的温差，通过热力循环将热能转化为电能的发电方式。常用的热力循环方式包括朗肯循环、卡琳娜循环和上原循环，其中，朗肯循环使用低沸点工质在闭路中循环，同时具有结构简单和装置(特别是透平机组)尺寸相对较小的优点，易实现工业化开发和推广，因此，是最常用的循环形式。基于朗肯循环的海洋温差能系统包括透平、冷凝器、工质泵和蒸发器，具体结构如图1所示。
由于海洋温差能系统的冷热源温差小，系统转换效率低，决定了系统运行的稳定性以及输出功对系统内外参数的变化很敏感。因此，必须通过调整相关系统参数，使其相互匹配，才能使系统达到稳定工作状态。鉴于海洋温差能系统设计完成后，工质种类、系统组件和热力循环参数均已固化，影响系统运行的参数只剩下与冷热源相关的海水温度和海水流量。由于海水温度受日晒和季节影响，存在日、月、年等周期性变化和不规则的变化，致使海洋温差能系统的输入工况发生波动，如果海水流量参数不做相应调整，系统将偏离优化运行状态，造成系统透平输出效率的下降，然而，现有技术中并没有使海洋温差能系统中透平实现稳定输出的自适应控制方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种使透平实现稳定输出的海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统，其特征在于，包括温度传感器和信号采集控制器；四个所述温度传感器分别设置在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口和出口处，用于实时测量温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口温度和出口温度；所述信号采集控制器分别电连接四个所述温度传感器，用于采用自适应算法，根据实时测量的入口温度和出口温度，实时计算使所述海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制所述海洋温差能系统中海水泵的流速，使所述海洋温差能系统的透平达到稳定输出的工作状态。
优选地，所述海洋温差能系统中的海水泵包括温海水泵和冷海水泵，均采用带有流速测量和控制的可控流量泵。
优选地，所述温海水回路中的热交换器为蒸发器，所述冷海水回路中的热交换器为冷凝器。
一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制方法，其特征在于，包括以下内容：1)分别在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口和出口处安装温度传感器；2)四个温度传感器分别测量热交换器温海水的入口温度、热交换器温海水的出口温度、热交换器冷海水的入口温度和热交换器冷海水的出口温度，并将上述测量的温度数据发送至信号采集控制器；3)信号采集控制器采用自适应算法，根据实时测量的温度数据，实时计算使海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制海洋温差能系统中海水泵的流速，使海洋温差能系统的透平达到稳定输出的工作状态。
优选地，所述步骤3)中自适应算法的过程为：温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure BDA0002237126470000021
变化的关系满足下述公式：
Figure BDA0002237126470000022
其中，AE为温海水回路中热交换器的换热面积，UE为温海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure BDA0002237126470000023
为温海水比热，
Figure BDA0002237126470000024
为温海水的入口温度，
Figure BDA0002237126470000025
为温海水的出口温度，Dws为温海水回路中温海水管的管径，TE为工质蒸发温度；
当海洋中温海水的温度变化时，根据测量的温海水入口温度和出口温度，按照上述温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure BDA0002237126470000026
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中温海水泵的流速，确保海洋温差能系统维持蒸发温度恒定；
冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure BDA0002237126470000027
变化的关系满足下述公式：
Figure BDA0002237126470000028
其中，AC为冷海水回路中热交换器的换热面积，UC为冷海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure BDA0002237126470000029
为冷海水比热，
Figure BDA00022371264700000210
为冷海水的入口温度，
Figure BDA00022371264700000211
为冷海水的出口温度，Dcs为冷海水回路中冷海水管的管径，TC为工质冷凝温度；
当海洋中冷海水的温度变化时，根据测量的冷海水入口温度和出口温度，按照上述冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure BDA0002237126470000031
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中冷海水泵流速，确保海洋温差能系统维持冷凝温度恒定，进而确保海洋温差能系统中透平功率的输出稳定。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明根据设置的温度传感器，实时测量温海水和冷海水的入口和出口温度，结合自适应算法，确保海洋温差能系统能够随着海水温度的变化，对海水流速进行自适应自动调节和控制，使海洋温差能系统的热交换保持在已有的能量平衡状态，进而确保海洋温差能系统中透平达到稳定输出的工作状态，提高系统运行的稳定性和可靠性，可以广泛应用于海洋温差能发电领域中。
附图说明
图1是现有技术中基于朗肯循环的海洋温差能系统的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，现有技术中的海洋温差能系统包括透平、工质泵、温海水回路和冷海水回路，其中，温海水回路包括蒸发器、温海水管和温海水泵，冷海水回路包括冷凝器、冷海水管和冷海水回路，透平用于将流体工质中蕴有的能量转换成机械功，工质泵用于驱动工质在热力循环系统中流动，蒸发器用于在温海水和工质之间交换热量以便将工质加热至蒸发温度，温海水泵用于将作为热源的温海水送至蒸发器以便加热工质，冷凝器用于在冷海水和工质之间交换热量以便将工质冷凝至冷凝温度，冷海水泵用于将作为冷源的冷海水送至冷凝器使工质冷凝。
基于上述解释，如图2所示，本发明提供的海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统包括温度传感器1和信号采集控制器2。
四个温度传感器1分别设置在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器(温海水回路对应蒸发器，冷海水回路对应冷凝器)的入口和出口处，用于实时测量温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口温度和出口温度。
四个温度传感器1分别电连接信号采集控制器2，信号采集控制器2采用自适应算法，根据温度传感器1实时测量的入口温度和出口温度，实时计算使海洋温差能系统中透平达到稳定输出(即透平输出功保持相对恒定)所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制海洋温差能系统中海水泵的流速，使热交换器保持在已有的能量平衡状态，从而确保海洋温差能系统中透平达到稳定输出的工作状态。
在一个优选的实施例中，海洋温差能系统中的温海水泵和冷海水泵均采用带有流速测量和控制的可控流量泵。
基于上述海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统，本发明还提供一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系方法，包括以下步骤：
1)分别在海洋温差能系统中蒸发器和冷凝器的入口和出口处安装温度传感器1。
2)当海水温度发生变化时，四个温度传感器1分别测量蒸发器温海水的入口温度、蒸发器温海水的出口温度、冷凝器冷海水的入口温度和冷凝器冷海水的出口温度，并将上述温度数据发送至信号采集控制器2。
3)信号采集控制器2采用自适应算法，根据实时测量的温度数据，计算使海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并输出信号以控制海水泵流速，使热交换器保持在已有的能量平衡状态，从而确保海洋温差能系统中透平达到稳定输出的工作状态。
上述步骤3)中自适应算法的控制过程如下：
3.1)根据能量守恒和热交换器传热规律，海洋温差能系统中蒸发器的能量平衡可由下述公式确定：
Figure BDA0002237126470000041
其中，QE为蒸发器中温海水与工质的热交换率，AE为蒸发器的换热面积，UE为蒸发器的热交换系数，
Figure BDA0002237126470000042
为温海水流量，
Figure BDA0002237126470000043
为温海水比热，
Figure BDA0002237126470000044
为蒸发器温海水的入口温度，
Figure BDA00022371264700000411
为蒸发器温海水的出口温度，(ΔTm)E为蒸发器的对数温差，且：
Figure BDA0002237126470000046
其中，TE为工质蒸发温度。
根据公式(1)和公式(2)，可以得到温海水流量
Figure BDA0002237126470000047
Figure BDA0002237126470000048
3.2)设定温海水管路中温海水管的管径为Dws，则温海水回路中的温海水流速Vws为：
Figure BDA0002237126470000049
上述公式(4)给出温海水流速Vws随蒸发器温海水的入口温度
Figure BDA00022371264700000410
变化的关系。
3.3)当海洋中温海水的温度变化时，将测量的温海水入口温度值，按照上述公式(4)自适应调节海洋温差能系统中温海水泵的流速，则可以确保海洋温差能系统维持蒸发温度恒定。
3.4)同理，冷海水流速Vcs随冷凝器冷海水的入口温度
Figure BDA0002237126470000051
变化的关系满足下式：
Figure BDA0002237126470000052
其中，AC为冷凝器的换热面积，UC为冷凝器的热交换系数，
Figure BDA0002237126470000053
为冷海水比热，
Figure BDA0002237126470000054
为冷凝器冷海水的入口温度，
Figure BDA0002237126470000055
为冷凝器冷海水的出口温度，Dcs为冷海水管路中冷海水管的管径，TC为工质冷凝温度。
3.5)当海洋中冷海水的温度变化时，将测量的冷海水入口温度值，按照上述公式(5)自适应调节海洋温差能系统中冷海水泵流速，则可以确保海洋温差能系统维持冷凝温度恒定，进而能够确保海洋温差能系统中透平功率的输出稳定，实现面向海水温度变化的海洋温差能系统透平输出功自适应控制。
通常情况下，冷海水的温度基本不变，可视为恒定，因此，可以通过调节温海水泵的流速适应温海水的温度变化，从而确保海洋温差能系统中透平的功率输出稳定。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统，其特征在于，包括温度传感器和信号采集控制器；
四个所述温度传感器分别设置在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口和出口处，用于实时测量温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口温度和出口温度；
所述信号采集控制器分别电连接四个所述温度传感器，用于采用自适应算法，根据实时测量的入口温度和出口温度，实时计算使所述海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制所述海洋温差能系统中海水泵的流速，使所述海洋温差能系统的透平达到稳定输出的工作状态，自适应算法的过程为：
温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000011
变化的关系满足下述公式：
Figure FDA0002719466570000012
其中，AE为温海水回路中热交换器的换热面积，UE为温海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure FDA0002719466570000013
为温海水比热，
Figure FDA0002719466570000014
为温海水的入口温度，
Figure FDA0002719466570000015
为温海水的出口温度，Dws为温海水回路中温海水管的管径，TE为工质蒸发温度；
当海洋中温海水的温度变化时，根据测量的温海水入口温度和出口温度，按照上述温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000016
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中温海水泵的流速，确保海洋温差能系统维持蒸发温度恒定；
冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000017
变化的关系满足下述公式：
Figure FDA0002719466570000018
其中，AC为冷海水回路中热交换器的换热面积，UC为冷海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure FDA0002719466570000019
为冷海水比热，
Figure FDA00027194665700000110
为冷海水的入口温度，
Figure FDA00027194665700000111
为冷海水的出口温度，Dcs为冷海水回路中冷海水管的管径，TC为工质冷凝温度；
当海洋中冷海水的温度变化时，根据测量的冷海水入口温度和出口温度，按照上述冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure FDA00027194665700000112
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中冷海水泵流速，确保海洋温差能系统维持冷凝温度恒定，进而确保海洋温差能系统中透平功率的输出稳定。
2.如权利要求1所述的一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统，其特征在于，所述海洋温差能系统中的海水泵包括温海水泵和冷海水泵，均采用带有流速测量和控制的可控流量泵。
3.如权利要求1所述的一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制系统，其特征在于，所述温海水回路中的热交换器为蒸发器，所述冷海水回路中的热交换器为冷凝器。
4.一种海洋温差能系统透平输出功自适应控制方法，其特征在于，包括以下内容：
1)分别在海洋温差能系统的温海水回路和冷海水回路中热交换器的入口和出口处安装温度传感器；
2)四个温度传感器分别测量热交换器温海水的入口温度、热交换器温海水的出口温度、热交换器冷海水的入口温度和热交换器冷海水的出口温度，并将上述测量的温度数据发送至信号采集控制器；
3)信号采集控制器采用自适应算法，根据实时测量的温度数据，实时计算使海洋温差能系统中透平达到稳定输出所需的海水流速，并根据实时计算的海水流速，实时控制海洋温差能系统中海水泵的流速，使海洋温差能系统的透平达到稳定输出的工作状态，自适应算法的过程为：
温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000021
变化的关系满足下述公式：
Figure FDA0002719466570000022
其中，AE为温海水回路中热交换器的换热面积，UE为温海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure FDA0002719466570000023
为温海水比热，
Figure FDA0002719466570000024
为温海水的入口温度，
Figure FDA0002719466570000025
为温海水的出口温度，Dws为温海水回路中温海水管的管径，TE为工质蒸发温度；
当海洋中温海水的温度变化时，根据测量的温海水入口温度和出口温度，按照上述温海水回路的温海水流速Vws随温海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000026
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中温海水泵的流速，确保海洋温差能系统维持蒸发温度恒定；
冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000027
变化的关系满足下述公式：
Figure FDA0002719466570000028
其中，AC为冷海水回路中热交换器的换热面积，UC为冷海水回路中热交换器的热交换系数，
Figure FDA0002719466570000031
为冷海水比热，
Figure FDA0002719466570000032
为冷海水的入口温度，
Figure FDA0002719466570000033
为冷海水的出口温度，Dcs为冷海水回路中冷海水管的管径，TC为工质冷凝温度；
当海洋中冷海水的温度变化时，根据测量的冷海水入口温度和出口温度，按照上述冷海水流速Vcs随冷海水的入口温度
Figure FDA0002719466570000034
变化的关系式，自适应调节海洋温差能系统中冷海水泵流速，确保海洋温差能系统维持冷凝温度恒定，进而确保海洋温差能系统中透平功率的输出稳定。
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