CN111794820A - 一种有机朗肯循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机朗肯循环系统，包括工质泵、蒸发器、冷凝器和冷却泵，还包括工质泵转速控制回路和冷却泵转速控制回路，工质泵转速控制回路包括依次连接的第一偏差计算块、串级调节主调节PID调节块、第二偏差计算块和串级调节副调节器PID调节块，第一偏差计算块输入蒸发器的热源出口温度和热源出口温度设定值，第二偏差计算块输入串级调节主调节PID调节块的输出和蒸发器的工质出口压力，串级调节副调节器PID调节块与工质泵连接，冷却泵转速控制回路包括第三偏差计算块和第三PID调节块，第三偏差计算块输入冷却水流量设定值和冷却泵的入口冷却水流量，第三PID调节块与冷却泵连接。与现有技术相比，提高热回收量和热效率，提高净输出功率。

Description

一种有机朗肯循环系统
技术领域
本发明涉及有机朗肯循环系统控制技术领域，尤其是涉及一种有机朗肯循环系统。
背景技术
有机朗肯循环(ORC)被广泛应用于低品质热能利用和废热回收领域。ORC系统的净功率输出同时取决于热回收量和热效率，两者都受到热交换器夹点的影响。热交换器的夹点是指受热面两侧冷热流体温差最小位置，该点温差称为夹点温差。夹点温差太小将会减少热回收量，夹点温差太大则会降低热效率。现有研究表明夹点温差对ORC系统的净功率输出有重要影响。研究表明在定常蒸发温度下，随ORC系统蒸发器夹点温差增加，净功率输出先受热回收量影响增加，后随温差进一步加大导致热效率明显下降而降低。因此，需要维持夹点在适当位置，以平衡热回收量和热效率，最大化ORC系统净功率输出。研究表明，相比于热效率，受夹点温差限制的热回收量更易受运行工况影响。对于单一工质流体，热回收量对净功率的影响要大于热效率。存在一个蒸发温度的上限，高于该上限后，蒸发器的夹点将要限制热回收量。高蒸发温度可能由于夹点限制导致热回收量剧烈减少。
除了夹点温差，热回收量和热效率也受夹点位置影响。研究发现夹点位置受回收热源的入口温度、蒸发温度、工质的潜热显热比影响，不受回收热源的热容流率影响。
为了消弱夹点变化的负面影响，一些技术手段已被探索。等温相变导致了蒸发器和冷凝器的夹点。对于超临界ORC，蒸发器中不存在等温相变，所以一些研究试图通过应用超临界ORC去摆脱夹点限制。但是超临界ORC在冷凝器中仍然是等温相变。而且超临界ORC将要大幅增加投资花费。一些研究采用共沸混合工质摆脱夹点限制，然而共沸混合工质的最佳组成和成分很难确定。在ORC系统中，由于泄漏，运行期间精确维持共沸混合物成分也很困难。其它研究试图通过改善ORC系统结构减少夹点的负面影响。如引入热泵或热油循环改变废热的沿受热面分布来消除或减轻夹点限制影响，但这些手段都使得废热回收系统更加复杂。
夹点随运行工况的变化受控制方式影响。在当前ORC系统中，亚临界ORC还是占主导地位，被广泛应用。通过采用适当的控制策略消除亚临界ORC系统中夹点的负面影响更具有现实意义。但现有控制策略很少考虑夹点影响。研究表明，以最大化净功率输出为目标，蒸发压力(蒸发温度)设定值应随工况变化。然而由于对应不同工况的最优蒸发压力难以预测，故在大多数的控制策略中，蒸发压力设定值采用常量，不随工况改变。现有的ORC控制策略很少调节冷却水流量，如大多数冷凝器冷却水系统采用定速泵，不对冷却水流量进行控制。在另外一些控制策略中，通过调节冷却水流量去控制冷凝压力。实验和模型计算结果表明，这些控制方式均会对夹点造成影响，进而影响热回收量、热效率和净输出功率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有机朗肯循环系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种有机朗肯循环系统，包括工质泵、蒸发器、冷凝器和冷却泵，还包括工质泵转速控制回路和冷却泵转速控制回路，所述工质泵转速控制回路包括依次连接的第一偏差计算块、串级调节主调节PID调节块、第二偏差计算块和串级调节副调节器PID调节块，所述第一偏差计算块输入蒸发器的热源出口温度和热源出口温度设定值，所述第二偏差计算块输入串级调节主调节PID调节块的输出和蒸发器的工质出口压力，所述串级调节主调节PID调节块控制蒸发器的热源出口温度，所述串级调节副调节器PID调节块与工质泵连接，所述冷却泵转速控制回路包括第三偏差计算块和第三PID调节块，所述第三偏差计算块输入冷却水流量设定值和冷却泵的入口冷却水流量，所述第三PID调节块与冷却泵连接。
所述的串级调节主调节PID调节块与第二偏差计算块之间设有加法块，冷却水流量设定值或冷却泵的入口冷却水流量依次经过实际微分环节、绝对值计算块和冷却水流量限度调节单元进入加法块。
所述蒸发器的工质出口压力进入加法块，所述加法块连接第二偏差计算块，冷却水流量设定值或冷却泵的入口冷却水流量依次经过实际微分环节、绝对值计算块、冷却水流量限度调节单元和积分器进入加法块。
所述实际微分环节包括惯性子环节和减法器，惯性子环节的输入为冷却水流量设定值，减法器的输入为冷却水流量设定值和惯性子环节的输出，减法器的输出进入绝对值计算块。
所述的冷却水流量限度调节单元包括高限判断块、低限判断块、高限调节块、低限调节块和积分器，绝对值计算块的输出分别进入高限判断块和低限判断块，高限判断块连接高限调节块，低限判断块连接低限调节块，高限调节块和低限调节块的输出进入积分器。
所述串级调节主调节PID调节块输出蒸发压力设定值，所述绝对值计算块的输出高于高限判断块的高限，高限调节块使蒸发压力设定值快速减小；所述绝对值计算块的输出低于低限判断块的低限，低限调节块使蒸发压力设定值缓慢增加。
所述的高限和低限为经验值。
所述绝对值计算块的输出高于高限判断块的高限，高限调节块输出一较大的负值进入积分器；所述绝对值计算块的输出低于低限判断块的低限，低限调节块输出一较小的正值进入积分器。
所述较大的负值优选为-1，所述的较小的正值优选为0.01。
所述冷却水流量设定值的计算公式为：
Figure BDA0002531169090000031
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与常规的工质泵转速控制回路相比，引入串级调节和变负荷工况蒸发器夹点影响，串级调节将蒸发器热源出口温度(T2)作为主调被调量，将蒸发器的工质出口压力(P1)作为串级调节副调被调量，以同时保证回收热量和热效率，蒸发器的工质出口压力(P1)作为串级调节器副调被调量，蒸发压力设定值随运行工况变化；与常规的冷却泵转速控制回路相比，将变工况夹点影响引入冷却泵转速控制，能够同时保证冷凝器换热和热效率，直接将冷却水流量作为被调量，冷却水流量设定值由运行参数计算得到，从而能够反映运行参数扰动对冷凝器夹点的影响，运行参数包括热源和冷源参数、蒸发和冷凝参数，从而在变工况运行时能够维持冷凝器夹点；工质泵转速控制回路与冷却泵转速控制回路结合，充分考虑控制方式对夹点造成的影响，从而提高热回收量和热效率，最终提高净输出功率。
(2)工质泵转速控制回路中冷却水流量设定值对蒸发器的工质出口压力设定值或实测值进行修正，当冷却水流量设定值得到的冷却水流量设定值变化率超过表征快速变化的上限值，则通过负向积分快速降低蒸发压力设定值，使运行蒸发压力小于冷却水流量快升转折点对应的蒸发压力，避免冷却水流量快速增加导致的冷却泵功耗浪费，当冷却水流量设定值变化率低于表征缓慢变化的下限值，则通过正向积分缓慢增加蒸发压力设定值，以最大化热效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记：
1为蒸发器；2为工质泵；3为冷凝器；4为冷却泵；5为膨胀机；7为冷却水流量设定值生成函数；8为第三偏差计算块；9为第三PID调节块；10为设定块；11为第一偏差计算块；12为串级调节主调节PID调节块；13为加法块；14为第二偏差计算块；15为串级调节副调节器PID调节块；16为高限调节块；17为低限调节块；18为积分器；19为高限判断块；20为低限判断块；21为绝对值计算块；22为减法器；23为惯性子环节。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
研究表明，当通过改变冷却水流量维持冷凝器夹点温差时，存在一个冷却水流量变化速率的转折点，当运行蒸发压力大于该转折点对应的蒸发压力后，冷却水流量将快速上升，从而导致冷却泵功耗大幅增加，造成电量浪费和净输出功的减少。
本实施例为了解决传统控制方式会对夹点造成影响以及改变冷却水流量维持冷凝器夹点温差时的转折点问题，提供一种有机朗肯循环系统，如图1所示，包括第一偏差计算块11、串级调节主调节PID调节块12、加法块13、第二偏差计算块14、串级调节副调节器PID调节块15、蒸发器1、工质泵2、冷凝器3、高限调节块16、低限调节块17、积分器18、高限判断块19、低限判断块20、绝对值计算块21、减法块22、惯性子环节23、冷却水流量设定值生成函数7、第三偏差计算块8、第三PID调节块9和冷却泵4；工质泵2的转速控制采用串级调节，串级调节主调节PID调节块12接收第一偏差计算块11送出的被调量与热源出口温度设定值的偏差，第一偏差计算块11入口被调量采用蒸发器1的热源出口温度(T2)，热源出口温度设定值由设定块10产生，可以为定值或变量；串级调节副调节器PID调节块15输入被调量与设定值的偏差由第二偏差计算块14生成，串级调节副调节器PID调节块15输出直接控制工质泵2转速，以调节工质流量；第二偏差计算块14输入被调量采用蒸发器1的工质出口压力(P1)，第二偏差计算块14输入的蒸发压力设定值由两部分通过加法块13叠加生成：一部分为串级调节主调节PID调节块12输出，另一部分为积分器18输出；积分器18的输入源于高限调节块16和低限调节块17的输出，调节块的调节由冷却水流量设定值变化率控制；冷却水流量设定值变化率由冷却水流量设定值生成函数7的输出经过一个实际微分环节得到；实际微分环节由惯性子环节23和减法器22组成；经过绝对值计算块21得到冷却水流量设定值变化率绝对值；若冷却水流量设定值变化率绝对值超过高限判断块19中设置的高限，则意味着冷却水流量进入快速上升区间，高限判断块19的输出将高限调节块16输出切至YES端，输出一较大负值(如-1)，最终通过积分器18快速减小蒸发压力设定值，使运行蒸发器1的工质出口压力小于冷却水流量快升转折点对应的蒸发压力，避免冷却水流量快速增加导致的冷却泵4功耗浪费；若绝对值计算块21输出冷却水流量设定值变化率绝对值低于低限判断块20中设置的下限，则意味着冷却水流量回至平缓变化区间，低限判断块20的输出将低限调节块17输出切至YES端，输出一微小正值(如0.01)，通过积分器18缓慢增加蒸发压力设定值，以最大化热效率；高限和低限为经验值。冷却水流量设定值生成函数7根据系统运行参数生成冷却水流量设定值，系统运行参数包括蒸发器1的热源入口温度(T1)和蒸发器1的热源出口温度(T2)、热源热容流率、冷凝器3的工质冷凝温度、冷凝器3的目标夹点温差、冷凝器3的冷源入口温度、冷凝器3的工质起始凝结点焓值、冷凝器3的工质出口焓值、蒸发器1的工质出口焓值和蒸发器1的工质入口焓值；第三偏差计算块8计算被调量冷却泵4的入口冷却水流量(m2)与冷却水流量设定值的偏差，第三PID调节块9根据输入偏差进行计算，得到冷却泵4转速指令，冷却泵4接收冷却泵4转速指令调节转速，以控制冷却水流量。第一偏差计算块11、串级调节主调节PID调节块12、第二偏差计算块14和串级调节副调节器PID调节块15组成工质泵转速控制回路，第三偏差计算块8和第三PID调节块9组成冷却泵转速控制回路，实际微分环节、绝对值计算块21、高限判断块19、低限判断块20、高限调节块16、低限调节块17、积分器18和加法块13避免冷却水流量快速增加导致的冷却泵功耗浪费。
冷却水流量设定值的计算公式为：
Figure BDA0002531169090000061
本实施例的有机朗肯循环系统不限于用冷却水流量设定值变化率修正蒸发压力设定值，也可采用实测冷却泵的入口冷却水流量变化率修正蒸发压力设定值；冷却水流量设定值变化率不限于修正蒸发压力设定值，也可用于修正蒸发器的工质出口压力实测值；冷却水流量设定值变化率对蒸发压力设定值的修正不限于通过积分器正反向积分实现，也可通过其它逻辑回路实现冷却水流量设定值变化率对蒸发压力设定值的快降、缓增修正。
本实施例的有机朗肯循环系统具有以下优点：
能够在变工况条件下，通过对工质泵转速和冷却泵转速的调节同时维持蒸发器和冷凝器的夹点，同时保证回收热量和热效率；通过对蒸发器的工质出口压力的动态调整，在避免冷却水流量进入快速上升区间的同时，尽量提高蒸发器的工质出口压力，以获得尽可能高的热效率。
不同于现有ORC循环系统不调节冷却水流量或冷却水流量控制回路将冷凝压力作为被调量，而是直接将冷却泵的入口冷却水流量作为被调量，根据运行参数生成冷却水流量设定值，能够在运行工况变化时维持冷凝器夹点，同时保证换热量和热效率，并反映运行参数扰动对夹点的影响。
不同于现有ORC循环系统工质泵转速控制回路直接将蒸发器的工质出口压力作为被调量，而是引入串级调节，将蒸发器的热源出口温度作为主调节器被调量，将蒸发器的工质出口压力作为副调节器被调量，从而维持蒸发器夹点温差，同时保证回收热量和热效率。
不同于现有ORC循环系统工质泵转速控制回路采用定常的蒸发压力设定值，而是将蒸发压力设定值成为变化量，主要跟随串级调节主调节PID调节块输出，反映热源参数变化；同时被冷却水流量设定值变化率修正，通过调节蒸发器的工质出口压力避免冷却水流量快速上升并维持尽可能高的蒸发压力。

Claims (10)

1.一种有机朗肯循环系统，包括工质泵(2)、蒸发器(1)、冷凝器(3)和冷却泵(4)，其特征在于，还包括工质泵转速控制回路和冷却泵转速控制回路，
所述工质泵转速控制回路包括依次连接的第一偏差计算块(11)、串级调节主调节PID调节块(12)、第二偏差计算块(14)和串级调节副调节器PID调节块(15)，所述第一偏差计算块(11)输入蒸发器(1)的热源出口温度和热源出口温度设定值，所述第二偏差计算块(14)输入串级调节主调节PID调节块(12)的输出和蒸发器(1)的工质出口压力，所述串级调节主调节PID调节块(12)控制蒸发器(1)的热源出口温度，所述串级调节副调节器PID调节块(15)与工质泵(2)连接，
所述冷却泵转速控制回路包括第三偏差计算块(8)和第三PID调节块(9)，所述第三偏差计算块(8)输入冷却水流量设定值和冷却泵(4)的入口冷却水流量，所述第三PID调节块(9)与冷却泵(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的串级调节主调节PID调节块(12)与第二偏差计算块(14)之间设有加法块(13)，冷却水流量设定值或冷却泵(4)的入口冷却水流量依次经过实际微分环节、绝对值计算块(21)和冷却水流量限度调节单元进入加法块(13)。
3.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述蒸发器(1)的工质出口压力进入加法块(13)，所述加法块(13)连接第二偏差计算块(14)，冷却水流量设定值或冷却泵(4)的入口冷却水流量依次经过实际微分环节、绝对值计算块(21)、冷却水流量限度调节单元和积分器(18)进入加法块(13)。
4.根据权利要求2或3所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述实际微分环节包括惯性子环节(23)和减法器(22)，惯性子环节(23)的输入为冷却水流量设定值，减法器(22)的输入为冷却水流量设定值和惯性子环节(23)的输出，减法器(22)的输出进入绝对值计算块(21)。
5.根据权利要求2或3所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的冷却水流量限度调节单元包括高限判断块(19)、低限判断块(20)、高限调节块(16)、低限调节块(17)和积分器(18)，绝对值计算块(21)的输出分别进入高限判断块(19)和低限判断块(20)，高限判断块(19)连接高限调节块(16)，低限判断块(20)连接低限调节块(17)，高限调节块(16)和低限调节块(17)的输出进入积分器(18)。
6.根据权利要求5所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述串级调节主调节PID调节块(12)输出蒸发压力设定值，所述绝对值计算块(21)的输出高于高限判断块(19)的高限，高限调节块(16)使蒸发压力设定值减小；所述绝对值计算块(21)的输出低于低限判断块(20)的低限，低限调节块(17)使蒸发压力设定值增加。
7.根据权利要求6所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的高限和低限为经验值。
8.根据权利要求6所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述绝对值计算块(21)的输出高于高限判断块(19)的高限，高限调节块(16)输出一负值进入积分器(18)；所述绝对值计算块(21)的输出低于低限判断块(20)的低限，低限调节块(17)输出一正值进入积分器(18)。
9.根据权利要求8所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的负值为-1，所述的正值为0.01。
10.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环系统，其特征在于，所述冷却水流量设定值的计算公式为：
Figure FDA0002531169080000021
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