CN110821769B - 一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法及系统，包括以下步骤：1)分别实时获取蒸发器的海水入口和海水出口的温度，分别实时获取冷凝器的海水入口和海水出口的温度；2)分别实时获取蒸发器的工质出口处的温度和压力，冷凝器的工质入口处的温度和压力；冷凝器的工质出口处的温度和压力；以及蒸发器的工质入口处的温度和压力；3)预设的信号采集控制器采集步骤1)、2)获取的温度、压力数据，采用控制算法实时计算使海洋温差能系统的净输出功最大化时的海水泵和工质泵的流量，实时调节海洋温差能系统中的海水泵以及工质泵的流量，使海水泵和工质泵的流量达到动态平衡，确保海洋温差能系统的净输出功趋于最大化。

Description

一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于朗肯循环的海洋温差能系统泵流量优化控制方法及系统，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。常用的热力循环形式包括朗肯循环、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、装置(特别是透平机组)尺寸相对较小的优点，易实现工业化开发及推广，因此是最常用的循环形式。如图1所示，基于朗肯循环的海洋温差能系统包括透平、冷凝器、工质泵、蒸发器。

海洋温差能发电的冷热源温差小，系统转换效率低，做功能力不佳；同时又需要泵入大量的上层温海水和深层冷海水作为热源和冷源，系统的自耗功很大，因此导致系统的净输出功较低。虽然温海水和冷海水流量越大，海洋温差能系统换热后冷热源的的温度损失越小，系统有效温差越大，做功能力越强。但是由于泵功耗与流速成正比，流量越大，则流速越大，流阻也越大，由此导致泵功耗更大，因此控制不当会导致净输出功降低。为了使系统净输出功尽可能大，应科学平衡和控制温海水泵、冷海水泵以及工质泵的流量；因此需要开发一种海洋温差能系统海水泵和工质泵流量优化控制方法，以使海洋温差能系统的净输出功尽可能最大化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于朗肯循环的海洋温差能系统泵流量优化控制方法及系统，以使海洋温差能系统净输出功趋于最大化。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别实时获取蒸发器的海水入口和海水出口的温度，分别实时获取冷凝器的海水入口和海水出口的温度；

2)分别实时获取蒸发器的工质出口处的温度和压力，冷凝器的工质入口处的温度和压力；冷凝器的工质出口处的温度和压力；以及蒸发器的工质入口处的温度和压力；

3)预设的信号采集控制器采集步骤1)、2)获取的温度、压力数据，采用控制算法实时计算使海洋温差能系统的净输出功最大化时的海水泵和工质泵的流量，并根据计算得到的流量，实时调节海洋温差能系统中的海水泵以及工质泵的流量，使海水泵和工质泵的流量达到动态平衡，确保海洋温差能系统的净输出功趋于最大化。

进一步地，在上述步骤1)，分别在蒸发器和冷凝器的海水入口以及出口处安装温度传感器，四个温度传感器分别实时采集蒸发器的海水入口的温海水的温度、蒸发器的海水出口的温海水的温度、冷凝器的海水入口处的冷海水的温度和冷凝器的海水出口的冷海水的温度，并将上述温度数据发送至预设的信号采集控制器；

在上述步骤2)中，分别在蒸发器和冷凝器的工质入口以及出口处安装温度和压力传感器，四组温度和压力传感器分别实时采集蒸发器的工质出口的温度和压力、冷凝器的工质入口的温度和压力、冷凝器的工质出口的温度和压力、蒸发器的工质出口的温度和压力，并将上述温度和压力数据传至预设的信号采集控制器。

进一步地，在上述步骤3)中，控制算法的计算过程如下：

3.1)根据能量守恒和热交换器传热规律，蒸发器中温海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_e为蒸发器中温海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₁为蒸发器的工质出口处的焓值；h₄为蒸发器的工质入口处的焓值；

为温海水流量；C_p，ws为温海水定压比热容；T_ws，i为蒸发器的海水入口温度；T_ws，o为蒸发器的海水出口温度；

同理，冷凝器中冷海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_c为冷凝器中冷海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₂为冷凝器的工质入口处的焓值；h₃为冷凝器的工质出口处的焓值；

为冷海水流量；C_p，cs为冷海水定压比热容；T_cs，i为冷凝器的海水入口温度，T_cs，o为冷凝器的海水出口温度；

3.2)透平发电机输出功率W_t计算公式为：

式中，

为工质流量；h₁为透平工质入口处的焓值，h₂为透平工质出口处的焓值，β_t为透平的机械效率，β_g为透平发电机效率；

工质泵功耗W_p的计算公式为：

式中，

为工质流量；p₃和p₄分别为工质泵工质入口和出口处的压力值，ρ为工质密度，β_p为工质泵效率；

温海水泵功耗W_p，ws计算公式为：

式中，

为温海水流量；g为重力加速度；β_p，ws为温海水泵效率；ΔH_ws为温海水管道总损失；

其中，ΔH_ws＝ΔH_ws，p+ΔH_ws，e (6)

式(6)、(7)、(8)中，ΔH_ws，p为温海水管水头损失；ΔH_ws，e为蒸发器中的热交换器内的水头损失；l_ws为温海水管长；d_ws为温海水管径；A_e和B_e为常数，与蒸发器型式相关；

结合式(5)～(8)得出

式中，

冷海水泵功耗W_p，cs计算公式为：

式中，

为冷海水流量；g为重力加速度；β_p，cs为冷海水泵效率；ΔH_cs为冷海水管道总损失；

其中，

ΔH_cs＝ΔH_cs，p+ΔH_cs，c+ΔH_cs，d (11)

式(11)～(14)中，ΔH_cs，p为冷海水管水头损失；ΔH_cs，c为冷海水在冷凝器内的水头损失；ΔH_cs，d为冷温海水密度差引起的水头损失；l_cs为冷海水管长；d_cs为冷海水管径；A_c和B_c为常数，与冷凝器型式相关；ρ_cs为冷海水密度；ρ_ws为温海水密度；

结合(10)～(14)得出

式中，

3.3)海洋温差能系统净输出功计算公式为：

W_n＝W_t-W_p-W_p，ws-W_p，cs (16)

由(1)、(2)、(3)、(5)、(10)推出：

由式(16)～(20)得出：

而

时的工质流量

值，就是使系统净输出功W_n达到最大值对应的工质流量；

3.4)结合公式(17)～(21)，令

求解得出

并代入公式(1)求得

代入公式(2)求得

此时的工质流量

温海水流量

以及冷海水流量

即为海洋温差能系统净输出功最大化时的泵流量值；信号采集控制器按照上述计算值控制海水泵和工质泵流量，实现该海洋温差能系统净输出的最大化。

进一步地，在上述步骤3)中，根据上述步骤2)中的获取的温度和压力值，依据工质的热力学性质表查得蒸发器的工质出口、冷凝器的工质入口、冷凝器中的热交换器的工质出口、蒸发器的工质入口处的焓值h₁、h₂、h₃和h₄。

基于上述的一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，本发明还提供了一种海洋温差能系统泵流量优化控制系统，其特征在于：包括分别设置在蒸发器和冷凝器的海水入口和海水出口的四个温度传感器，分别设置在蒸发器和冷凝器的工质入口以及工质出口处的四组温度和压力传感器，以及与所述四个温度传感器、四组温度和压力传感器、海水泵以及工质泵电连接的信号采集控制器，信号采集控制器根据实时获取的温度、压力数据，采用控制算法计算使海洋温差能系统的净输出功趋于最大化时海水泵和工质泵的流量，并根据实时计算的海水泵和工质泵的流量，实时调节海水泵和工质泵流量，使海洋温差能系统的净输出功实时趋于最大化。

进一步地，所述海水泵和工质泵采用可控流量泵。

进一步地，所述信号采集控制器采用可编程控制器。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：本发明通过实时获取系统海水温度、工质温度和压力、温海水流量、冷海水流量以及工质流量，结合预设的信号采集控制器的控制算法，实时计算并调节海水流量、冷海水流量以及工质流量及比例关系，使三者达到动态平衡，确保海洋温差能系统净输出功趋于最大化，提高系统运行的经济性。

附图说明

图1是海洋温差能发电系统的示意图；

图2是本发明方法的流程框图；

图3是本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

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、蒸发器、冷凝器温海水泵、温海水管、冷海水泵、冷海水管。其中，透平、冷凝器的工质侧、工质泵、蒸发器的工质侧构成热力循环回路；温海水管、温海水泵以及蒸发器中的海水侧构成温海水回路；冷海水管、冷海水泵以及冷凝器的海水侧构成冷海水回路。透平用于把热力循环回路中的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回路中流动，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，本发明提供一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，其包括以下步骤：

1)分别实时获取蒸发器的海水入口温度T_ws，i以及海水出口温度T_ws，o，分别实时获取冷凝器的海水入口温度T_cs，i和冷海水出口温度T_cs，o；

2)分别实时获取蒸发器的工质出口(亦为1点、透平入口)处的温度T₁和压力p₁，冷凝器的工质入口(亦为2点、透平出口)处的温度T₂和压力p₂；冷凝器的工质出口(亦为3点、工质泵入口)处的温度T₃和压力p₃；以及蒸发器的工质入口(亦为4点、工质泵出口)处的温度T₄和压力p₄；

3)预设的信号采集控制器采集步骤1)、2)获取的温度、压力数据，采用控制算法实时计算使海洋温差能系统的净输出功最大化时的海水泵(包括温海水泵和冷海水泵)和工质泵的流量，并根据计算得到的流量，实时调节海洋温差能系统中的海水泵以及工质泵的流量，使海水泵和工质泵的流量达到动态平衡，确保海洋温差能系统的净输出功趋于最大化，提高系统运行的经济性。

在上述实施例中，优选的，在上述步骤1)，分别在蒸发器和冷凝器的海水入口以及出口处安装温度传感器，四个温度传感器分别实时采集蒸发器的入口的温海水的温度T_ws，i、蒸发器的出口的温海水的温度T_ws，o、冷凝器的入口处的冷海水的温度T_cs，i和冷凝器的出口的冷海水的温度T_cs，o，并将上述温度数据发送至信号采集控制器。

在上述步骤2)中，分别在蒸发器和冷凝器的工质入口以及出口处安装温度传感器和压力传感器，四组温度传感器和压力传感器分别实时采集蒸发器的工质出口的温度T₁和压力p₁、冷凝器的工质入口的温度T₂和压力p₂、冷凝器的工质出口的温度T₃和压力p₃、蒸发器的工质出口的温度T₄和压力p₄，并将上述温度和压力数据传至信号采集控制器。

在上述实施例中，优选的，在上述步骤3)中，控制算法的计算过程如下：

3.1)根据上述步骤2)中的获取的温度和压力值，依据工质的热力学性质表查得蒸发器的工质入口和出口、冷凝器的工质入口和出口处的其他热力学状态参数，如蒸发器的工质出口、冷凝器的的工质入口、冷凝器的的工质出口以及蒸发器的工质出口处的焓值h₁、h₂、h₃和h₄；

3.2)根据能量守恒和热交换器传热规律，蒸发器中温海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_e为蒸发器中温海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₁为蒸发器的工质出口处的焓值；h₄为蒸发器的工质入口处的焓值；

为温海水流量；C_p，ws为温海水定压比热容；T_ws，i为蒸发器的海水入口温度；T_ws，o为蒸发器的海水出口温度。

同理，冷凝器中冷海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_c为冷凝器中冷海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₂为冷凝器的工质入口处(亦为2点、透平出口处)的焓值；h₃为冷凝器的工质出口处(亦为3点、工质泵入口处)的焓值；

为冷海水流量；C_p，cs为冷海水定压比热容；T_cs，i为冷凝器的海水入口温度，T_cs，o为冷凝器的海水出口温度。

3.3)透平发电机输出功率W_t计算公式为：

式中，

为工质流量；h₁为透平工质入口处的焓值，h₂为透平工质出口处的焓值，β_t为透平的机械效率，β_g为透平发电机效率。

工质泵功耗W_p的计算公式为：

式中，

为工质流量；p₃和p₄分别为工质泵工质入口和出口处的压力值，ρ为工质密度，β_p为工质泵效率。

温海水泵功耗W_p，ws计算公式为：

式中，

为温海水流量；g为重力加速度；β_p，ws为温海水泵效率；ΔH_ws为温海水管道总损失；

其中，

ΔH_ws＝ΔH_ws，p+ΔH_ws，e (6)

式(6)、(7)、(8)中，ΔH_ws，p为温海水管水头损失；ΔH_ws，e为温海水在蒸发器内的水头损失；l_ws为温海水管长；d_ws为温海水管径；A_e和B_e为常数，与蒸发器型式相关；

结合式(5)～(8)可以推出

式中，

冷海水泵功耗W_p，cs计算公式为：

式中，

为冷海水流量；g为重力加速度；β_p，cs为冷海水泵效率；ΔH_cs为冷海水管道总损失；

其中，

ΔH_cs＝ΔH_cs，p+ΔH_cs，c+ΔH_cs，d (11)

式(11)～(14)中，ΔH_cs，p为冷海水管水头损失；ΔH_cs，c为冷海水在冷凝器内的水头损失；ΔH_cs，d为冷温海水密度差引起的水头损失；l_cs为冷海水管长；d_cs为冷海水管径；A_c和B_c为常数，与冷凝器型式相关；ρ_cs为冷海水密度；ρ_ws为温海水密度；

结合(10)～(14)可以得出

式中，

3.4)海洋温差能系统净输出功计算公式为：

W_n＝W_t-W_p-W_p，ws-W_p，cs (16)

由(1)、(2)、(3)、(5)、(10)可以推出：

由式(16)～(20)可以得出：

当

时，系统净输出功W_n随

增加而增大，此时由

增加引起的透平输出功的增加，大于工质泵、温海水和冷海水流量增加引起的损耗的增加。

时，系统净输出功W_n随

增加而减小，也即由

增加引起的透平输出功的增加，小于工质泵、温海水和冷海水流量增加引起的损耗的增加。

而

时的工质流量

值，就是使系统净输出功W_n达到最大值对应的工质流量。

3.5)结合公式(17)～(21)，令

可以求解得出

并代入公式(1)可以求得

代入公式(2)可以求得

此时的工质流量

温海水流量

以及冷海水流量

即为海洋温差能系统净输出功最大化时的泵流量值；按照上述计算值控制工质泵、温海水泵以及冷海水泵流量，就可以实现该海洋温差能系统净输出的最大化。

如图3所示，基于上述的海洋温差能系统泵流量优化控制方法，本发明还提供了一种海洋温差能系统泵流量优化控制系统，其包括分别设置在蒸发器和冷凝器的海水入口和海水出口的四个温度传感器100，分别设置在蒸发器和冷凝器的工质入口以及工质出口处的四组温度和压力传感器110，以及与四个温度传感器100、四组温度和压力传感器110、海水泵以及工质泵电连接的信号采集控制器120，信号采集控制器120根据实时获取的温度、压力数据，采用控制算法计算使海洋温差能系统的净输出功趋于最大化时海水泵和工质泵的流量，并根据实时计算的海水泵和工质泵的流量，实时调节海水泵和工质泵流量，确保海洋温差能系统的净输出功实时趋于最大化，提高系统运行的经济性。

在上述实施例中，优选的，海水泵(包括温海水泵和冷海水泵)和工质泵采用带有流量测量和控制的可控流量泵。

在上述实施例中，优选的，信号采集控制器120采用可编程控制器，可将工质的热力学参数(如焓值)随温度、压力参量变化的数据表(即工质的热力学性质表)存储于可编程控制器的ROM中，信号采集控制器120将获取的温度、压力值与自身的ROM中的存储的温度、压力值对比，直接调用对应的焓值参数，可以提高控制器内的运算速度。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别实时获取蒸发器的海水入口和海水出口的温度，分别实时获取冷凝器的海水入口和海水出口的温度；

2)分别实时获取蒸发器的工质出口处的温度和压力，冷凝器的工质入口处的温度和压力；冷凝器的工质出口处的温度和压力；以及蒸发器的工质入口处的温度和压力；

3)预设的信号采集控制器采集步骤1)、2)获取的温度、压力数据，采用控制算法实时计算使海洋温差能系统的净输出功最大化时的海水泵和工质泵的流量，并根据计算得到的流量，实时调节海洋温差能系统中的海水泵以及工质泵的流量，使海水泵和工质泵的流量达到动态平衡，确保海洋温差能系统的净输出功趋于最大化；

在上述步骤3)中，控制算法的计算过程如下：

3.1)根据能量守恒和热交换器传热规律，蒸发器中温海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_e为蒸发器中温海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₁为蒸发器的工质出口处的焓值；h₄为蒸发器的工质入口处的焓值；

为温海水流量；C_p，ws为温海水定压比热容；T_ws，i为蒸发器的海水入口温度；T_ws，o为蒸发器的海水出口温度；

同理，冷凝器中冷海水与工质的热交换率计算公式为：

式中，Q_c为冷凝器中冷海水与工质的热交换率；

为工质流量；h₂为冷凝器的工质入口处的焓值；h₃为冷凝器的工质出口处的焓值；

为冷海水流量；C_p，cs为冷海水定压比热容；T_cs，i为冷凝器的海水入口温度，T_cs，o为冷凝器的海水出口温度；

3.2)透平发电机输出功率W_t计算公式为：

式中，

为工质流量；h₁为透平工质入口处的焓值，h₂为透平工质出口处的焓值，β_t为透平的机械效率，β_g为透平发电机效率；

工质泵功耗W_p的计算公式为：

式中，

为工质流量；p₃和p₄分别为工质泵工质入口和出口处的压力值，ρ为工质密度，β_p为工质泵效率；

温海水泵功耗W_p，ws计算公式为：

式中，

为温海水流量；g为重力加速度；β_p，ws为温海水泵效率；ΔH_ws为温海水管道总损失；

其中，

ΔH_ws＝ΔH_ws，p+ΔH_ws，e (6)

式(6)、(7)、(8)中，ΔH_ws，p为温海水管水头损失；ΔH_ws，e为蒸发器中的热交换器内的水头损失；l_ws为温海水管长；d_ws为温海水管径；A_e和B_e为常数，与蒸发器型式相关；

结合式(5)～(8)得出

式中，

冷海水泵功耗W_p，cs计算公式为：

式中，

为冷海水流量；g为重力加速度；β_p，cs为冷海水泵效率；ΔH_cs为冷海水管道总损失；

其中，

ΔH_cs＝ΔH_cs，p+ΔH_cs，c+ΔH_cs，d (11)

式(11)～(14)中，ΔH_cs，p为冷海水管水头损失；ΔH_cs，c为冷海水在冷凝器内的水头损失；ΔH_cs，d为冷温海水密度差引起的水头损失；l_cs为冷海水管长；d_cs为冷海水管径；A_c和B_c为常数，与冷凝器型式相关；ρ_cs为冷海水密度；ρ_ws为温海水密度；

结合(10)～(14)得出

式中，

3.3)海洋温差能系统净输出功计算公式为：

W_n＝W_t-W_p-W_p，ws-W_p，cs (16)

由(1)、(2)、(3)、(5)、(10)推出：

由式(16)～(20)得出：

而

时的工质流量

值，就是使系统净输出功W_n达到最大值对应的工质流量；

3.4)结合公式(17)～(21)，令

求解得出

并代入公式(1)求得

代入公式(2)求得

此时的工质流量

温海水流量

以及冷海水流量

即为海洋温差能系统净输出功最大化时的泵流量值；信号采集控制器按照上述计算值控制海水泵和工质泵流量，实现该海洋温差能系统净输出的最大化。

2.如权利要求1所述的一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，其特征在于：在上述步骤1)，分别在蒸发器和冷凝器的海水入口以及出口处安装温度传感器，四个温度传感器分别实时采集蒸发器的海水入口的温海水的温度、蒸发器的海水出口的温海水的温度、冷凝器的海水入口处的冷海水的温度和冷凝器的海水出口的冷海水的温度，并将上述温度数据发送至预设的信号采集控制器；

在上述步骤2)中，分别在蒸发器和冷凝器的工质入口以及出口处安装温度和压力传感器，四组温度和压力传感器分别实时采集蒸发器的工质出口的温度和压力、冷凝器的工质入口的温度和压力、冷凝器的工质出口的温度和压力、蒸发器的工质出口的温度和压力，并将上述温度和压力数据传至预设的信号采集控制器。

3.如权利要求1所述的一种海洋温差能系统泵流量优化控制方法，其特征在于：在上述步骤3)中，根据上述步骤2)中的获取的温度和压力值，依据工质的热力学性质表查得蒸发器的工质出口、冷凝器的工质入口、冷凝器中的热交换器的工质出口、蒸发器的工质入口处的焓值h₁、h₂、h₃和h₄。

4.一种海洋温差能系统泵流量优化控制系统，其特征在于：包括分别设置在蒸发器和冷凝器的海水入口和海水出口的四个温度传感器(100)，分别设置在蒸发器和冷凝器的工质入口以及工质出口处的四组温度和压力传感器(110)，以及与所述四个温度传感器(100)、四组温度和压力传感器(110)、海水泵以及工质泵电连接的信号采集控制器(120)，信号采集控制器(120)根据实时获取的温度、压力数据，采用基于权利要求1所述的优化控制方法中的控制算法计算使海洋温差能系统的净输出功趋于最大化时海水泵和工质泵的流量，并根据实时计算的海水泵和工质泵的流量，实时调节海水泵和工质泵流量，使海洋温差能系统的净输出功实时趋于最大化。

5.如权利要求4所述的一种海洋温差能系统泵流量优化控制系统，其特征在于：所述海水泵和工质泵采用可控流量泵。

6.如权利要求4所述的一种海洋温差能系统泵流量优化控制系统，其特征在于：所述信号采集控制器(120)采用可编程控制器。

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