CN112502796B - Sco2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法 - Google Patents

Sco2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法 Download PDF

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Abstract

一种超临界二氧化碳(SCO2)膨胀机的运行控制系统，用于调节二氧化碳的压力、温度或流量，包括：膨胀机，包括高压级膨胀机和低压级膨胀机；膨胀机入口闸阀、膨胀机入口调节阀，位于锅炉出口与高压级膨胀机入口之间的管道上；膨胀机出口闸阀，位于低压级膨胀机出口；旁通阀，位于锅炉出口的一部分不经过膨胀机直接流出工质的管道上；密封气入口闸阀和仪表气入口闸阀，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；仪表气调节阀，紧邻仪表气入口闸阀；电加热器，紧邻密封气入口闸阀之后，用于加热输入密封气；密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀和低压级密封气调节阀，分别位于电加热器与膨胀机的密封气入口之间的管道上。

Description

SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳布雷顿发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳(SCO2)膨胀机的运行控制系统及运行控制方法。
背景技术
超临界二氧化碳(SCO2)发电技术是以超临界状态的CO2为工质的一种新型发电技术，由于介质物性的特殊性，SCO2发电系统具有能源转换效率高、结构形式紧凑、调节响应快等显著优点，是一种变革性的新型能源转换技术。目前国内外已经尝试将SCO2发电技术与太阳能、核能、化石能源等能源方式耦合起来，搭建了若干个不同功率等级的实验系统，但至今尚无技术成熟的机组，也没有可以借鉴的机组运行控制逻辑。因此需要针对SCO2膨胀机的结构及运行特点，提出适用的运行控制方法。
SCO2膨胀机与传统的蒸汽轮机相比，具有轴向力大、密封困难等特点。密封通常采用泄露量小的干气密封，而干气密封的气源通常从压机出口或系统其他位置抽气而来。因此，膨胀机的运行控制过程必须综合考虑轴向力限制条件以及密封的运行要求。蒸汽轮机通常不使用干气密封，也无轴向力问题，所以传统的蒸汽轮机的运行控制过程无法应用于SCO2膨胀机之中。
传统的蒸汽轮机与SCO2膨胀机的结构及运行要求大相径庭，所以传统化石能源朗肯循环的运行控制逻辑无法直接应用于超临界二氧化碳布雷顿循环之中。
美国西南研究院研制出输出功率为10MWe的轴流式SCO2膨胀机，并在其已有的1MWe的实验台架上进行了测试，验证样机的运行性能(T.C. Allison，J.J.Moore，etc.Planning for successful transients and trips in a 1MWe-scale high-temperature sco2 test loop，proceedings of the ASME Turbo Expo 2018)。此实验系统包括柱塞泵回路和膨胀机回路，膨胀样机的启动过程如下所述：实验系统的整个回路包括膨胀机内部都充注同等压力的二氧化碳介质之后，将膨胀机与其入口处的加热器通过关闭隔离阀与柱塞泵加压回路隔离开；膨胀机入口的二氧化碳介质在加热器作用下持续升温，当二氧化碳介质加热到约260℃、压力约10MPa时，介质在加热膨胀的作用下，驱动膨胀机转动，使膨胀机瞬间达到5000rpm的启动转速；之后在加热器的持续加热作用下，膨胀机入口介质持续升温直至额定温度，转速不断提高；最后当膨胀机出口压力与柱塞泵回路的入口压力一致时，打开隔离阀，连通柱塞泵加压回路与膨胀机回路，在柱塞泵的作用下，膨胀机入口流量及压力不断增大，转速进一步提高，最终达到额定工况。滑参数停机过程为：维持膨胀机入口阀门开度不变，以350℃/h的降温速率降低膨胀机入口介质温度；当介质温度降低到不高于200℃之后，锅炉(加热器)停机，待锅炉出风温度低于150℃，鼓风机停机，同时膨胀机入口阀门开度减小，入口流量和压力降低，转速持续降低；膨胀机转速降低到设定值，全开柱塞泵回路旁通阀门，关闭膨胀机入口阀门将其隔离，膨胀机惰转直至停机。
上述的SCO2膨胀机的启动和停机方法实际上是针对实验测试提出的，并不是真正应用于发电系统的控制方法，具体的控制细节也未公开。并且，其启动过程是靠入口工质的升温膨胀推动转子转动而实现的，直到背压与柱塞泵的入口压力一致之后，才连通泵回路，通过增大膨胀机入口压力和流量进一步提高转速到额定值。常规发电系统没有单独的泵回路，所以此过程仅适用于该实验系统，与常规发电系统中由主蒸汽阀进汽推动叶轮启动并做功的方法不同。
另外，上述的膨胀机的运行控制过程未公布更详细的资料，没有涉及到轴向力及密封气的控制过程，而轴向力和密封气压力在膨胀机的启停过程中是需要重点关注的参数，若控制不当，易因轴向力过大或泄露失控产生设备损坏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法，适用于两级同轴串联式超临界二氧化碳膨胀机的启动、停机等过程的运行控制。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统，用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种，包括：膨胀机，包括高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002，所述高压级膨胀机TU001的出口工质经外部管道引入低压级膨胀机TU002入口；膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303，位于锅炉出口与高压级膨胀机TU001入口之间的管道上；膨胀机出口闸阀304，位于低压级膨胀机TU002出口；旁通阀301，位于锅炉出口的膨胀机旁通管路上；密封气入口闸阀401和仪表气入口闸阀 501，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；仪表气调节阀502，紧邻仪表气入口闸阀501；电加热器402，紧邻密封气入口闸阀401之后，用于加热输入密封气；密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀403和低压级密封气调节阀404，分别位于电加热器402与膨胀机的密封气入口之间的管道上。
本发明另一方面提供一种基于该运行控制系统的启动运行控制方法，方法包括：步骤S10，锅炉点火运行直至达到冷态启动条件；步骤S11，开启辅机系统，控制密封气入口温度不低于最低温度，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同；步骤S12，进入膨胀机投产阶段，调节膨胀机入口调节阀303以控制膨胀机入口压力和流量，并使膨胀机叶轮处于低转速运行状态；步骤S13，进入膨胀机升温升速阶段，控制膨胀机入口压力和流量逐渐提升，以及膨胀机叶轮转速不断升高，调节膨胀机负载直至膨胀机达到额定工况。
进一步地，所述步骤S10之前还包括：保持膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303和膨胀机出口闸阀304均关闭且旁通阀301打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出；膨胀机及运行控制系统的各个支路中充满超临界二氧化碳，并保持整个发电系统中的压缩机正常运行。
进一步地，所述冷态启动条件包括：监测锅炉出口的工质升温速率并控制其在第一升温速率范围内逐渐升温并稳定至第一设定温度。
进一步地，所述最低温度为密封气入口压力条件下对应的密封气温度；在步骤S11中，所述控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同，包括：
控制高压级膨胀机TU001的密封气入口压力和低压级膨胀机TU002 的密封气入口压力，使其与高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002 主管道压力保持相同。
进一步地，所述额定工况为设计条件下的膨胀机运行参数；所述低转速运行状态为不高于低温极限转速，或不高于临界转速，其中，所述低温极限转速为低温运行条件下使轴向力不高于最大设计值的极限转速，所述临界转速为转子出现大幅振动时的转速。
进一步地，所述步骤S12包括：S121，辅机系统运行稳定后，打开膨胀机入口闸阀302使锅炉出口的工质进入膨胀机，控制膨胀机入口流量在第一流量增量范围内缓慢增加，并控制膨胀机转速在第一升速率范围内逐渐升速；S122，升速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；S123，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内；S124，在膨胀机叶轮处于低转速运行状态时，保持此状态以进行暖机和监听检查。
进一步地，所述步骤S13包括：S131，锅炉继续运行，控制锅炉在第一升温速率范围内逐渐升温，并保持膨胀机转速不变；S132，待膨胀机入口工质温度接近额定温度时，判断膨胀机当前是否存在临界转速，若是，则通过增大膨胀机入口调节阀303的开度使膨胀机快速越过临界转速，之后调节膨胀机负载以控制膨胀机达到额定转速；否则，增大膨胀机入口调节阀303的开度，同时提高膨胀机负载以控制膨胀机转速在第一升速范围内升速，直至膨胀机达到额定转速；S133，增大膨胀机入口调节阀303的开度并逐渐减小旁通阀301的开度直至关闭；S134，监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度； S135，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内。
进一步地，所述密封气进出口压差条件根据进出口压差与转速关系设计图查询得出，或者根据下式得出：
Figure BDA0002801273900000051
其中，n为转速，单位为转/分钟；ΔP1为高压级密封气进出口压差，单位为MPa；ΔP2为低压级密封气进出口压差，单位为MPa。
本发明另一方面还提供一种基于该运行控制系统的停机运行控制方法，方法包括：步骤S20，逐渐减小锅炉燃料使锅炉出口温度降低，控制其降温速率在第一降温速率范围内；步骤S21，在膨胀机入口工质温度不低于第二设定温度，膨胀机入口压力降低到第一设定压力，且膨胀机叶轮转速达到额定转速的90％-100％时，保持此状态以进行设备监测检查；步骤S22，控制膨胀机入口工质的温度、压力和流量继续减小，当膨胀机入口压力降低到第二设定压力时，控制膨胀机处于低转速运行状态；步骤S23，在膨胀机入口工质温度降低到第三设定温度时，减小膨胀机入口调节阀 303的开度并打开旁通阀301，使膨胀机转速逐渐降低直至停机，并隔离膨胀机叶轮；步骤S24，降速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；步骤S25，润滑油循环及冷却系统根据当前油温冷却情况择机关闭，待其停机后关闭仪表气入口闸阀501和密封气入口闸阀401。
(三)有益效果
本发明提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法，，至少具有以下有益效果：
第一，适用于超临界二氧化碳发电系统，满足实际发电系统运行要求；
第二，启动停机过程考虑到了轴向力的问题，能够通过温度、压力、转速等参数的控制避免出现轴向力过大的现象；
第三，提供了密封气入口压力的控制算法，避免轴向力过大。
附图说明
图1是本公开实施例的一种SCO2膨胀机的示意图。
图2是本公开实施例的运行控制系统的管道仪表流程图。
图3是本公开实施例的基于运行控制系统的启动运行控制方法的流程图。
图4为密封气进出口压差与转速关系设计图。
图5是本公开实施例的基于运行控制系统的停机运行控制方法的流程图。
附图标记说明：
101-转子；
102-高压级干气密封动部件 103-低压级干气密封动部件
201-高压级机匣 202-低压级机匣
A1-高压级密封气入口通道 A2-低压级密封气入口通道
B1-高压级泄露气通道 B2-低压级泄露气通道
C1-高压级仪表气入口通道 C2-低压级仪表气入口通道
TU001-高压级膨胀机 TU002-低压级膨胀机
301-旁通阀 303-膨胀机入口调节阀
302-膨胀机入口闸阀 304-膨胀机出口闸阀
401-密封气入口闸阀 501-仪表气入口闸阀
402-电加热器 502-仪表气调节阀
403-高压级密封气调节阀 404-低压级密封气调节阀
PI01-锅炉出口压力测点 TI01-锅炉出口温度测点
PI02-膨胀机入口压力测点 TI02-膨胀机入口温度测点
PI03-高压级密封气出口压力测点 PI04-低压级密封气出口压力测点
PI05-膨胀机出口压力测点 TI05-膨胀机出口温度测点
PI40-高压级密封气入口压力测点 TI40-高压级密封气入口温度测点
FI40-高压级密封气入口流量测点
PI41-低压级密封气入口压力测点 TI41-低压级密封气入口温度测点
FI41-低压级密封气入口流量测点
PI50-仪表气入口压力测点
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
本发明一方面提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统，其中，SCO2膨胀机位于一种以超临界二氧化碳为工质的透平发电机组内，该透平发电机组的工作原理为：膨胀机在运行时将高温高压工质的内能通过降压膨胀转换为膨胀机叶轮的转动动能，膨胀机通过转子带动高速发电机转子旋转，切割磁力线产生电能。
SCO2膨胀机例如可以是向心式叶轮，也可以是轴流式叶轮。例如，图1是本公开实施例的一种SCO2膨胀机的示意图。
如图1所示，一种SCO2膨胀机例如可以包括转子101、高压级干气密封动部件102、低压级干气密封动部件103、高压级机匣201、低压级机匣202、高压级密封气通道及低压级密封气通道。
其中，转子101的两端分别套设高压级干气密封动部件102和低压级干气密封动部件103；
高压级机匣201，环绕高压级干气密封动部件102及转子101外设置，并与高压级干气密封动部件102及转子101形成高压环形间隙，在高压级机匣201上开设连通高压环形间隙的高压级密封气入口通道A1；
低压级机匣202，环绕低压级干气密封动部件103外设置，与高压级机匣201的结构对称；
高压级密封气通道将经密封控制系统调整后的工质从高压级密封气入口通道A1输入，流经高压环形间隙，将转子101和高压级机匣201进行对流换热冷却后流出膨胀机；同样地，低压级密封气通道将经密封控制系统调整后的工质从低压级密封气入口通道A2输入，流经低压级环形间隙，将转子101和低压级机匣202进行对流换热冷却后流出膨胀机；
并且，高压级膨胀机的出口工质经管道引入低压级入口，形成两级串联结构。为了便于区分，设定P1out为高压级密封气出口处的静压，P2out 为低压级密封气出口处的静压。
继续参阅图1，高压级机匣201沿第一方向依次开设高压级密封气入口通道A1、高压级泄露气通道B1和高压级仪表气入口通道C1；低压级机匣202沿第二方向依次开设低压级密封气入口通道A2、低压级泄露气通道B2和低压级仪表气入口通道C2。其中，设定第一方向为沿转子101 的中心轴线且从高压级机匣201至低压级机匣202的方向，第二方向为第一方向的反方向。可以理解的是，这些机匣内部开设的通道作为注气管线，将高压低温的二氧化碳气体注入干气密封和机匣之间的腔室，并确保轴承工作在正常温度范围内。
这种SCO2膨胀机采用两级同轴结构抵消大部分轴向力，采用干气密封减小泄露，同时高压级或低压级密封气可以冷却转子，避免密封与轴承在高温下工作。
SCO2膨胀机在工作过程中，运行工况点的热力参数以及密封气的压力必须进行合理控制，以防出现轴向力过大而损坏设备的现象。该热力参数例如可以包括温度、压力、流量。以下详细说明本公开实施例提供的一种SCO2膨胀机的运行控制系统的结构及功能。
运行控制系统用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种。具体来说，运行控制系统用于对SCO2膨胀机的入口或出口工质的压力、温度或流量进行调控，控制膨胀机到达某一运行状态，同时在此过程中实时调控密封气和仪表气运行状态，以满足膨胀机的轴向力限制条件及密封运行要求，确保膨胀机运行安全。需要说明的是，上述SCO2膨胀机结构中的密封控制系统是SCO2膨胀机的运行控制系统中的一个子系统。
图2是本公开实施例的运行控制系统的管道仪表流程图。
如图2所示，该运行控制系统包括：
膨胀机，包括高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002，高压级膨胀机TU001的出口工质经外部管道引入低压级膨胀机TU002入口；
膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303，位于锅炉出口与高压级膨胀机TU001入口之间的管道上；
膨胀机出口闸阀304，位于低压级膨胀机TU002出口；
旁通阀301，位于锅炉出口的膨胀机旁通管路上；
密封气入口闸阀401和仪表气入口闸阀501，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；
仪表气调节阀502，紧邻仪表气入口闸阀501；
电加热器402，紧邻密封气入口闸阀401之后，用于加热输入密封气；
密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀403和低压级密封气调节阀 404，分别位于电加热器402与膨胀机的密封气入口之间的管道上。
结合上述图1和图2，运行控制系统与SCO2膨胀机的机匣内部开设的多个注气管线连通，以实现膨胀机运行过程中对密封气和仪表气的调控。具体来说，高压级密封气入口通道A1、低压级密封气入口通道A2、高压级仪表气入口通道C1和低压级仪表气入口通道C2分别连接运行控制系统中的高压级膨胀机TU001密封气入口、低压级膨胀机TU002密封气入口、高压级膨胀机TU001仪表气入口和低压级膨胀机TU002仪表气入口。
继续参阅图2，本公开实施例中，运行控制系统设有密封气管道和仪表气管道，通往高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002。其中，高压级膨胀机TU001具有三个入口和一个出口，低压级膨胀机TU002也具有三个入口和一个出口。为了便于区分，设定高压级膨胀机TU001的三个入口分别为第一入口、第二入口和第三入口，高压级膨胀机TU001的出口为第一出口；相应地，设定低压级膨胀机TU002的三个入口为第四入口、第五入口和第六入口，低压级膨胀机TU002的出口为第二出口。
基于运行控制系统的设置，密封气的管道流程为：密封气由密封气入口闸阀401的控制下进入密封气管道，经由电加热器402加热后分流至第一分流支路和第二分流支路，其中，第一分流支路经由高压级密封气调节阀403的调节作用下通过高压级密封气入口通道A1进入高压级膨胀机 TU001的第一入口，第二分流管道经由低压级密封气调节阀404的调节作用下通过低压级密封气入口通道A2进入低压级膨胀机TU002的第四入口。
基于运行控制系统的设置，仪表气的管道流程为：仪表气由仪表气入口闸阀501的控制下进入仪表气管道，经由仪表气调节阀502的调节作用后分流至第三分流支路和第四分流支路，第三分流支路经由高压级仪表气入口通道C1进入高压级膨胀机TU001的第二入口，第四分流支路经由低压级仪表气入口通道C2进入低压级膨胀机TU002的第五入口。
另外，锅炉出口的工质分流通往第一工质管道和第二工质管道，其中，第一工质管道的锅炉工质在膨胀机入口闸阀302的控制下经过膨胀机入口调节阀303的调节作用下进入高压级膨胀机TU001的第三入口，第二工质管道的锅炉工质经过旁通阀301的控制下从膨胀机旁通管路中排出。
由于SCO2膨胀机为两级串联结构，高压级膨胀机TU001的第一出口将高压级出口工质经外部管道引入低压级膨胀机TU002的第六入口。
另外，低压级膨胀机TU002的第二出口经过膨胀机出口闸阀304的控制下流出，在与第二工质管道的锅炉工质合流后从透平发电机组中排出。
在一些实施例中，运行控制系统还根据实际需要设有多种测量仪表。具体来说，参阅图2，测量仪表例如可以包括：锅炉出口压力测点PI01、锅炉出口温度测点TI01；膨胀机入口压力测点PI02、膨胀机入口温度测点 TI02；高压级密封气出口压力测点PI03、低压级密封气出口压力测点PI04；膨胀机出口压力测点PI05、膨胀机出口温度测点TI05；高压级密封气入口压力测点PI40、高压级密封气入口温度测点TI40、高压级密封气入口流量测点FI40；低压级密封气入口压力测点PI41、低压级密封气入口温度测点 TI41、低压级密封气入口流量测点FI41及仪表气入口压力测点PI50。
结合图2，对上述多种测量仪表的设置位置进行详细说明：在锅炉出口的工质分流之前的管道设置锅炉出口压力测点PI01和锅炉出口温度测点TI01；在膨胀机入口调节阀303与高压级膨胀机TU001的第三入口之间的管道设置膨胀机入口压力测点P102和膨胀机入口温度测点TI02；在高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002的内部分别设置高压级密封气出口压力测点PI03和低压级密封气出口压力测点PI04；在低压级膨胀机TU002的第二出口与膨胀机出口闸阀304之间的管道设置膨胀机出口压力测点PI05和膨胀机出口温度测点TI05；在高压级密封气调节阀403与高压级膨胀机TU001之间的高压级密封气入口通道A1上设置高压级密封气入口压力测点PI40、高压级密封气入口温度测点TI40和高压级密封气入口流量测点FI40；在低压级密封气调节阀404与低压级膨胀机TU002 之间的低压级密封气入口通道A2上设置低压级密封气入口压力测点PI41、低压级密封气入口温度测点TI41和低压级密封气入口流量测点FI41。此外，在仪表气经由仪表气调节阀502的调节作用下分流之前的管道设置仪表气入口压力测点PI50。
以上详细说明了本公开实施例提供的一种SCO2膨胀机的运行控制系统。本发明还提供了一种基于运行控制系统的启动运行控制方法。
需要说明的是，在冷态启动之前，还需进行如下操作：
保持膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303和膨胀机出口闸阀 304均关闭且旁通阀301打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出；膨胀机及运行控制系统的各个支路中充满超临界二氧化碳，并保持整个发电系统中的压缩机正常运行。
具体来说，保持膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303和膨胀机出口闸阀304均为关闭状态，使SCO2膨胀机在透平发电机组中被隔离，而旁通阀301打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出。
此外，SCO2膨胀机位于透平发电机组内，该透平发电机组内还包括辅机系统，辅机系统包括多个子系统，例如可以包括润滑油循环及冷却系统。
图3是本公开实施例的基于运行控制系统的启动运行控制方法的流程图。
如图3所示，基于运行控制系统的启动运行控制方法包括步骤 S10～S13。
步骤S10，锅炉点火运行直至达到冷态启动条件。
冷态启动条件包括：监测锅炉出口的工质升温速率并控制其在第一升温速率范围内逐渐升温并稳定至第一设定温度。
其中，第一升温速率范围例如可以为1～6℃/min。第一设定温度例如可以为250℃以下。
参阅图2，锅炉点火运行后，监测锅炉出口温度测点TI01的升温速率，控制该升温速率范围在1～6℃/min逐渐升温将锅炉出口工质温度稳定至 250℃以下，从而达到冷态启动条件。
步骤S11，开启辅机系统，控制密封气入口温度不低于最低温度条件，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同。
由于透平发电机组内部的辅机系统包括多种不同的辅机设备，这里不对辅机系统的开启过程做具体的限定。
在一些实施例中，本步骤S11例如可以包括子步骤S111～S114。
S111，接通膨胀机负载。
该膨胀机负载例如可以为电机负载。
S112，开启仪表气入口闸阀501连通仪表气，调节仪表气调节阀502 使仪表气入口压力维持微正压。
本公开实施例中，微正压为0.03-0.05MPa。在其他实施例中，该微正压可根据实际需要进行设置，具体本发明不做限制。
S113，开启润滑油循环及冷却子系统。
润滑油循环及冷却系统作为透平发电机组的辅机系统中的一个子系统，用于对发电系统中的设备或轴承进行润滑和冷却，以维持透平发电机组内部的正常运行。
S114，利用运行控制系统调控密封气入口压力和温度，控制密封气入口温度不低于最低温度，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同。
具体来说，参阅图2，开启密封气入口闸阀401使密封气进入密封气管道，利用高压级密封气入口压力测点PI40和低压级密封气入口压力测点PI41监测密封气入口压力，利用高压级密封气入口温度测点TI40和低压级密封气入口温度测点TI41监测密封气入口温度，判断该密封气入口温度是否不低于密封气入口压力对应的最低温度，若否，则开启电加热器 402为密封气加热，直至该密封气温度不低于该最低温度。
同时，控制高压级膨胀机TU001的密封气入口压力和低压级膨胀机 TU002的密封气入口压力，使其与高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机 TU002主管道压力保持相同。也就是说，利用高压级密封气调节阀403和低压级密封气调节阀404调节密封气入口压力，使高压级密封气入口压力测点PI40、低压级密封气入口压力测点PI41、膨胀机入口压力测点PI02 和膨胀机出口压力测点PI05测得的支路压力都保持相同。
表1为密封气入口压力及最低温度。参阅表1，最低温度是指密封气入口压力条件下对应的密封气温度。
表1密封气入口压力及最低温度
序号 密封气入口压力(MPa) 密封气温度(℃)
1 5 29.3
2 6 39.22
3 7 48.11
4 8 56.11
5 9 63.33
6 10 69.86
7 11 75.78
8 12 81.17
9 13 86.08
10 14 90.57
11 15 94.68
12 16 98.45
13 17 101.91
14 18 105.1
15 19 108.05
16 20 110.77
步骤S12，进入膨胀机投产阶段，调节膨胀机入口调节阀303以控制膨胀机入口压力和流量，并使膨胀机叶轮处于低转速运行状态。
具体来说，膨胀机开始启动时，利用膨胀机入口压力测点PI02和膨胀机入口温度测点TI02监测得到膨胀机入口的压力和流量，调节膨胀机入口调节阀303以控制该膨胀机入口的压力和流量，使膨胀机叶轮处于低转速运行状态。
需要说明的是，膨胀机叶轮转速越高，轴向力越大；而低温条件下为避免轴向力过大，膨胀机应维持低转速运行。
在一些实施例中，该低转速运行状态为不高于低温极限转速，或不高于临界转速。其中，低温极限转速是指低温运行条件下使轴向力不高于最大设计值的极限转速；临界转速为转子出现大幅振动时的转速。在当前膨胀机入口的压力、温度和流量的组合下，控制当前膨胀机叶轮转速不高于该临界转速。
表2为膨胀机启动过程的热力参数条件。表2的序号及各项热力参数可根据实际需要进行设置，具体本发明不做限制。通过控制膨胀机入口压力和流量条件，实现膨胀机升速达到某个对应的转速。
表2膨胀机启动过程的热力参数条件
Figure BDA0002801273900000141
需要说明的是，表2中的入口压力、入口温度分别指膨胀机入口压力、膨胀机入口温度。例如表2中，序号1-10均为启动过程不断升速阶段的热力参数条件，序号11的膨胀机入口的压力、温度、流量和转速为膨胀机的额定压力、额定温度、额定流量和额定转速。
在一些实施例中，本步骤S12包括子步骤S121～S124。
S121，辅机系统运行稳定后，打开膨胀机入口闸阀302使锅炉出口的工质进入膨胀机，控制膨胀机入口流量在第一流量增量范围内缓慢增加，并控制膨胀机转速在第一升速率范围内逐渐升速。
其中，第一升速率范围例如可以为不高于1000rpm/s，该第一流量增量范围例如可以为不高于1kg/s。
具体地，参阅图2，打开膨胀机入口闸阀302和膨胀机出口闸阀304，微开膨胀机入口调节阀303以冲转膨胀机叶轮，全开旁通阀301，使锅炉出口的工质进入膨胀机，此时膨胀机入口压力和流量都缓慢增加，控制膨胀机入口流量以不高于1kg/s的增量缓缓增加。同时，及时调整膨胀机负载以控制膨胀机叶轮转速的升速率保持在1000rpm/s以下。
S122，升速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度。
具体地，升速过程中，根据高压级密封气出口压力测点PI03和低压级密封气出口压力测点PI04测得的密封气出口压力，结合密封气进出口压差条件，分别调节高压级密封气调节阀403和低压级密封气调节阀404 以控制密封气入口压力，根据该密封气入口压力确定密封气入口的最低温度。在确定该最低温度后，还需根据实际情况进行下一步操作。
该下一步操作包括：判断高压级密封气入口温度测点TI40和低压级密封气入口温度测点TI41测得的密封气入口温度是否不低于该最低温度，若否，则开启电加热器402为密封气加热，直至密封气入口温度不低于该最低温度。
在一些实施例中，密封气进出口压差条件为：
Figure BDA0002801273900000151
其中，n为转速，单位为转/分钟；ΔP1为高压级密封气进出口压差，单位为MPa；ΔP2为低压级密封气进出口压差，单位为MPa。
可以理解的是，根据密封气进出口压差条件，高压级密封气入口压力＝高压级密封气出口压力+ΔP1；低压级密封气入口压力＝低压级密封气出口压力+ΔP2。
在一些实施例中，密封气进出口压差条件根据密封气进出口压差与转速关系设计图查询得出。例如，图4为密封气进出口压差与转速关系设计图。可以看出，不论是高压级密封气还是低压级密封气，密封气进出口压差都随着转速的增加而逐步增大，而在一定的转速范围下，相较于低压级密封气，高压级密封气的进出口压差增量随转速的增大而更大。
也就是说，密封气进出口压差不仅可以通过上述公式进行计算，也可以通过查询图4获得。需要说明的是，图4的具体参数可以根据实际设计参数调整，本发明实施例的密封气进出口压差与转速关系设计图不限于此。
S123，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内。
该最佳运行条件可根据实际需要进行设置，具体本发明不做限制。
具体地，升速过程中的实时监测数据包括：膨胀机入口压力测点PI02、膨胀机入口温度测点TI02、膨胀机出口压力测点PI05、膨胀机出口温度测点TI05、高压级密封气入口压力测点PI40、高压级密封气入口温度测点 TI40、低压级密封气入口压力测点PI41、低压级密封气入口温度测点TI41、高压级密封气出口压力测点PI03、低压级密封气出口压力测点PI04、高压级密封气入口流量测点FI40、低压级密封气入口流量测点FI41，以及膨胀机转速、振动量和油温，确保温度、压力、流量、转速、振动量和油温在最佳运行条件范围内。
S124，在膨胀机叶轮处于低转速运行状态时，保持该状态以进行暖机和监听检查。
该监听检查例如可以包括监测轴承振动、滑油温度、密封气进出口温度流量。低转速运行状态的具体定义如前文所述，在此不再赘述。
本子步骤执行完毕后，也即膨胀机投产阶段运行结束，将进入后续的膨胀机升温升速阶段。
步骤S13，进入膨胀机升温升速阶段，控制膨胀机入口压力和流量逐渐提升，以及膨胀机叶轮转速不断升高，调节膨胀机负载直至膨胀机达到额定工况。
额定工况为设计条件下的膨胀机运行参数。例如可以为表1中的序号 11的各项热力参数组合。
具体地，膨胀机升温升速阶段是指膨胀机升温升速到额定工况。此时，保持膨胀机的低转速运行状态，将炉膛升温至额定温度后，逐渐增大膨胀机入口调节阀303使膨胀机入口压力和流量逐渐提升，并关闭旁通阀301，在膨胀机叶轮转速不断升高时调节膨胀机负载，直至膨胀机达到额定工况。
在一些实施例中，本步骤S13包括子步骤S131～S135。
S131，锅炉继续运行，控制锅炉在第一升温速率范围内逐渐升温，并保持膨胀机转速不变。
具体地，锅炉继续运行，控制锅炉出口温度测点TI01的升温速率范围在1～6℃/min，工质升温过程中使膨胀机保持转速不变。
S132，待膨胀机入口工质温度接近额定温度时，判断膨胀机当前是否存在临界转速，若是，则通过增大膨胀机入口调节阀303的开度快速越过临界转速，之后调节膨胀机负载以控制膨胀机达到额定转速；否则，增大膨胀机入口调节阀303的开度，同时提高膨胀机负载以控制膨胀机转速在第一升速范围内升速，直至膨胀机达到额定转速。
该接近额定温度例如可以为在额定温度及其以下50℃的范围。
具体地，利用高压级密封气入口温度测点TI40和低压级密封气入口温度测点TI41测得膨胀机入口工质温度，待该温度达到或接近额定温度时，判断膨胀机当前是否存在临界转速，若是，则保持当前的膨胀机负载下逐渐增大膨胀机入口调节阀303的开度以提高膨胀机入口压力和流量，使膨胀机当前转速越过临界转速，待膨胀机当前转速接近其额定转速时，调节膨胀机负载以控制当前转速的升速率，直至膨胀机达到额定转速；否则，根据表2，逐渐增大膨胀机入口调节阀303的开度以提高膨胀机入口压力和流量，并且同时提高膨胀机负载，控制当前转速的升速率以不高于 1000rpm/s逐渐升速，直至膨胀机达到额定转速。
S133，增大膨胀机入口调节阀303的开度并逐渐减小旁通阀301的开度直至关闭。
增大膨胀机入口调节阀303的开度，并且，根据额定工况中的流量要求，逐渐减小旁通阀301的开度直至关闭旁通阀301。
S134，监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度。
本子步骤与膨胀机投产阶段的上述子步骤S122完全相同，在此不再赘述。
S135，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内。
本子步骤与膨胀机投产阶段的上述子步骤S123完全相同，在此不再赘述。
至此，本发明提供的基于运行控制系统的启动运行控制方法已说明完毕。本发明还提供了一种基于运行控制系统的停机运行控制方法。
可以理解的是，膨胀机停机时需要先关停锅炉，此时透平发电机组的压力和流量逐渐降低，膨胀机入口压力和流量也随之降低，膨胀机转速将逐渐降低直至停机。
图5是本公开实施例的基于运行控制系统的停机运行控制方法的流程图。如图5所示，基于运行控制系统的停机运行控制方法包括步骤S20～S25。
步骤S20，逐渐减小锅炉燃料使锅炉出口温度降低，控制其降温速率在第一降温速率范围内。
该第一降温速率范围例如可以为1～6℃/min。此时，控制锅炉出口温度测点TI01的降温速率范围在1～6℃/min。
步骤S21，在膨胀机入口工质温度不低于第二设定温度，膨胀机入口压力降低到第一设定压力，且膨胀机叶轮转速达到额定转速的90％-100％时，保持此状态以进行设备监测检查。
第二设定温度例如可以为450±50℃；第一设定压力例如可以为 13±1MPa。
具体地，在膨胀机入口温度测点TI02测得的温度不低于450±50℃时，使膨胀机入口压力测点PI02测得的压力降低到13±1MPa，控制膨胀机当前转速达到额定转速的90％-100％时，在此状态下运行一段时间以进行设备的监测检查。
需要说明的是，本步骤中控制膨胀机当前转速在额定转速或稍低于额定转速，是因为在高转速下和高温条件可确保膨胀机承受的轴向力不超过设计限制。
步骤S22，控制膨胀机入口工质的温度、压力和流量继续减小，当膨胀机入口压力降低到第二设定压力时，控制膨胀机处于低转速运行状态。
其中，第二设定压力例如可以为10±1MPa。低转速运行状态的具体定义如前文所述，在此不再赘述。
步骤S23，在膨胀机入口工质温度降低到第三设定温度时，减小膨胀机入口调节阀303的开度并打开旁通阀301，使膨胀机转速逐渐降低直至停机，并隔离膨胀机叶轮。
其中，第三设定温度例如可以为250±50℃。隔离膨胀机叶轮的操作也即关闭膨胀机入口闸阀302和膨胀机出口闸阀304。
步骤S24，降速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度。
本子步骤的前一部分与膨胀机投产阶段的上述子步骤S122完全相同，在此不再赘述。
步骤S25，润滑油循环及冷却系统根据油温冷却情况择机关闭，待其停机后关闭仪表气入口闸阀501和密封气入口闸阀401。
至此，本公开实施例的基于运行控制系统的停机运行控制方法已说明完毕。
综上所述，本发明提供了一种SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法，适用于超临界二氧化碳发电系统，启动停机过程考虑到了轴向力的问题，能够通过温度、压力、转速等参数的控制避免出现轴向力过大的现象，并且，提供了密封气入口压力的控制算法来避免轴向力过大的情况。
还需要说明的是，本发明的SCO2膨胀机与干气密封的放置位置无关。具体来说，例如图1所示的密封气出口位置，可以位于SCO2膨胀机的高压入口处，也可以位于SCO2膨胀机的低压入口处。
可以理解的是，本公开实施例中，高压级密封气出口处的静压P1out 可以由高压级密封气出口压力测点PI03测量得到，低压级密封气出口处的静压P2out可以由低压级密封气出口压力测点PI04测量得到，或者，高压级密封气出口处的静压P1out和低压级密封气出口处的静压P2out也可以根据气动性能计算得到。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确的限制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SCO2膨胀机的运行控制系统，其特征在于，用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种，包括：
膨胀机，包括高压级膨胀机(TU001)和低压级膨胀机(TU002)，所述高压级膨胀机(TU001)的出口工质经外部管道引入低压级膨胀机(TU002)入口；
膨胀机入口闸阀(302)、膨胀机入口调节阀(303)，位于锅炉出口与高压级膨胀机(TU001)入口之间的管道上；
膨胀机出口闸阀(304)，位于低压级膨胀机(TU002)出口；
旁通阀(301)，位于锅炉出口的膨胀机旁通管路上；
密封气入口闸阀(401)和仪表气入口闸阀(501)，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；
仪表气调节阀(502)，紧邻仪表气入口闸阀(501)；
电加热器(402)，紧邻密封气入口闸阀(401)之后，用于加热输入密封气；
密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀(403)和低压级密封气调节阀(404)，分别位于电加热器(402)与膨胀机的密封气入口之间的管道上。
2.一种基于权利要求1所述运行控制系统的启动运行控制方法，其特征在于，方法包括：
步骤S10，锅炉点火运行直至达到冷态启动条件；
步骤S11，开启辅机系统，控制密封气入口温度不低于最低温度，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同；
步骤S12，进入膨胀机投产阶段，调节膨胀机入口调节阀(303)以控制膨胀机入口压力和流量，并使膨胀机叶轮处于低转速运行状态；
步骤S13，进入膨胀机升温升速阶段，控制膨胀机入口压力和流量逐渐提升，以及膨胀机叶轮转速不断升高，调节膨胀机负载直至膨胀机达到额定工况。
3.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述步骤S10之前还包括：
保持膨胀机入口闸阀(302)、膨胀机入口调节阀(303)和膨胀机出口闸阀(304)均关闭且旁通阀(301)打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出；
膨胀机及运行控制系统的各个支路中充满超临界二氧化碳，并保持整个发电系统中的压缩机正常运行。
4.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述锅炉点火运行直至达到冷态启动条件，包括：
监测锅炉出口的工质升温速率并控制其在第一升温速率范围内逐渐升温并稳定至第一设定温度。
5.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述最低温度为密封气入口压力条件下对应的密封气温度；
在步骤S11中，所述控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同，包括：
控制高压级膨胀机(TU001)的密封气入口压力和低压级膨胀机(TU002)的密封气入口压力，使其与高压级膨胀机(TU001)和低压级膨胀机(TU002)主管道压力保持相同。
6.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述额定工况为设计条件下的膨胀机运行参数；
所述低转速运行状态为不高于低温极限转速，或不高于临界转速，其中，所述低温极限转速为低温运行条件下使轴向力不高于最大设计值的极限转速，所述临界转速为转子出现大幅振动时的转速。
7.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述步骤S12包括：
S121，辅机系统运行稳定后，打开膨胀机入口闸阀(302)使锅炉出口的工质进入膨胀机，控制膨胀机入口流量在第一流量增量范围内缓慢增加，并控制膨胀机转速在第一升速率范围内逐渐升速；
S122，升速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；
S123，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内；
S124，在膨胀机叶轮处于低转速运行状态时，保持此状态以进行暖机和监听检查。
8.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述步骤S13包括：
S131，锅炉继续运行，控制锅炉在第一升温速率范围内逐渐升温，并保持膨胀机转速不变；
S132，待膨胀机入口工质温度接近额定温度时，判断膨胀机当前是否存在临界转速，若是，则通过增大膨胀机入口调节阀(303)的开度使膨胀机快速越过临界转速，之后调节膨胀机负载以控制膨胀机达到额定转速；否则，增大膨胀机入口调节阀(303)的开度，同时提高膨胀机负载以控制膨胀机转速在第一升速范围内升速，直至膨胀机达到额定转速；
S133，增大膨胀机入口调节阀(303)的开度并逐渐减小旁通阀(301)的开度直至关闭；
S134，监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；
S135，升速过程中实时监测膨胀机进出口压力和温度，密封气进出口压力、温度和流量，膨胀机叶轮转速，振动量以及油温的参数，确保所述参数在最佳运行条件内。
9.根据权利要求7-8中任一项所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述密封气进出口压差条件根据密封气进出口压差与转速关系设计图查询得出，或者根据下式得出：
Figure FDA0003790515890000041
其中，n为转速，单位为转/分钟；ΔP1为高压级密封气进出口压差，单位为MPa；ΔP2为低压级密封气进出口压差，单位为MPa。
10.一种基于权利要求1所述运行控制系统的停机运行控制方法，其特征在于，方法包括：
步骤S20，逐渐减小锅炉燃料使锅炉出口温度降低，控制其降温速率在第一降温速率范围内；
步骤S21，在膨胀机入口工质温度不低于第二设定温度，膨胀机入口压力降低到第一设定压力，且膨胀机叶轮转速达到额定转速的90％-100％时，保持此状态以进行设备监测检查；
步骤S22，控制膨胀机入口工质的温度、压力和流量继续减小，当膨胀机入口压力降低到第二设定压力时，控制膨胀机处于低转速运行状态；
步骤S23，在膨胀机入口工质温度降低到第三设定温度时，减小膨胀机入口调节阀(303)的开度并打开旁通阀(301)，使膨胀机转速逐渐降低直至停机，并隔离膨胀机叶轮；
步骤S24，降速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；
步骤S25，润滑油循环及冷却系统根据当前油温冷却情况择机关闭，待其停机后关闭仪表气入口闸阀(501)和密封气入口闸阀(401)。
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