CN113107622B - 一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效布雷顿‑朗肯循环柔性发电系统，包括锅炉供热子系统、超临界布雷顿循环子系统、有机朗肯循环子系统和控制子系统。本发明通过控制子系统调节布雷顿循环工质组分，可使布雷顿循环工质临界点变化而保持超临界状态，同时当布雷顿循环余热量少时，有机工质流向布雷顿循环调节组分，使临界温度降低；而当布雷顿循环余热量多时，有机工质流向ORC系统，提高ORC工质流量，充分吸收布雷顿循环的余热，提高能源转换和利用效率。利用多级分组循环分离系统实现高效组分分离。

Description

一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统
技术领域
本发明涉及燃煤发电技术领域，具体为一种布雷顿循环和有机朗肯循环柔性发电系统。
背景技术
我国是煤炭消耗大国，其中燃煤发电量占我国总发电量的70％以上。目前，燃煤发电广泛采用蒸汽朗肯循环，但由于受水的物性、相变火用损和材料等限制，发电效率遇到瓶颈。相反，由于超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环效率高、系统结构紧凑和环境友好等优势，SCO2燃煤发电逐渐成为研究热点。
现阶段SCO2燃煤发电系统都处于概念设计阶段，普遍都是定参数设计集成，但实际电厂运行中冷源温度会随季节变化而变化，所以如何在环境温度低的季节利用好环境冷量，环境温度高时又能最大限度发电，成为现阶段急需解决的一个重要问题。
CO2临界点温度低(30.98℃)，容易达到，临界点附近密度大，粘性小，压缩因子较小，可以降低压缩机耗功，提高循环效率。所以通常冷却器需要使CO2尽量冷却至临界点附近，但这就会使冷却水温不容易控制，环境温度与冷却水温差大时，极易发生相变，影响系统正常运行。
CO2进冷却器时的温度随冷却水温度的变化而变化，当冷却水温度为20℃时，CO2进冷却器时的温度约为100℃；但当冷却水温度为30℃时，CO2进冷却器时的温度高达150℃。所以，环境温度越高，废热量也越大，如果将这部分热量利用水冷却，不仅容易造成低温污染，还会带来巨大的火用损，降低能源转换和利用效率。
研究发现，CO2和有机工质混合组成二元混合新工质可获得不同的临界温度。并且，当有机工质组分越大时，新工质的临界温度越低，即新工质越适应低温季节运行；而当有机工质组分越小，甚至纯CO2工质时，工质越适应高温季节运行。
与常规蒸汽朗肯循环不同，蒸汽锅炉炉膛内时气液换热，且存在相变传热，传热系数大；而CO2锅炉炉膛内工质与管壁也是超临界流体与壁面间的对流换热过程，这使得管内工质与壁面间传热系数过小，极易导致造成传热恶化现象，影响锅炉的安全运行。因此，还需要提出合理的办法来增强CO2与管壁间的换热。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种布雷顿循环和有机朗肯循环柔性发电系统。通过调节布雷顿循环工质组分，可使布雷顿循环工质临界点变化而保持超临界状态，同时当布雷顿循环余热量少时，有机工质流向布雷顿循环调节组分，使临界温度降低；而当布雷顿循环余热量多时，有机工质流向ORC系统，提高ORC工质流量，充分吸收布雷顿循环的余热，提高能源转换和利用效率。利用多级分组循环分离系统实现高效组分分离。同时，在燃煤锅炉炉膛内设置电场，电场的存在有效强化管内工质与壁面的换热，避免造成传热恶化现象，并利用电场结合震动板可有效减少炉膛积灰现在。最后，本发明还相应设计了套系统控制策略，可根据测量数据快速准确的调节系统高效运行。
本发明解决其技术问题所采用技术方案为：一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，包括锅炉供热子系统、超临界布雷顿循环子系统、有机朗肯循环(Organic RankineCycle，简称ORC)子系统和控制子系统；
所述锅炉供热子系统包括冷却壁、再热壁、高温过热器、低温过热器、再热器、省煤器和烟气吸收器；
所述超临界布雷顿循环子系统包括主流透平、支流透平、压缩机、回热器、蒸发器、冷却器、组分分离器和低沸点工质储液罐；
所述有机朗肯循环子系统包括ORC透平、冷凝器、有机朗肯循环第一三向阀、有机朗肯循环第二三向阀、ORC工质储液罐和ORC工质泵；
所述控制子系统包括第一控制三向阀、第二控制三向阀和控制器；
所述冷却壁依次连接所述过热器、主流透平、支流透平、压缩机和ORC透平，所述主流透平的第一支流依次连接所述再热器和再热壁后回流至所述主流透平，所述主流透平的第二支流依次连接所述回热器、蒸发器、冷却器、第一控制三向阀和组分分离器，所述组分分离器的低沸点组分输出端依次连接所述第二控制三向阀、压缩机、回热器和所述冷却壁，所述第一控制三向阀的第三接口连通所述第二控制三向阀的第三接口，所述组分分离器的高沸点组分输出端连接所述低沸点工质储液罐的输入口；
所述ORC透平的支流依次连接所述冷凝器、有机朗肯循环第一三向阀、有机朗肯循环第二三向阀、ORC工质泵、蒸发器后，回流至所述ORC透平形成循环回路，所述有机朗肯循环第一三向阀的第三接口连接所述ORC工质储液罐的输入口，所述ORC工质储液罐的输出口连接所述有机朗肯循环第二三向阀的第三接口；
所述控制器控制连接所述第一控制三向阀、第二控制三向阀、有机朗肯循环第一三向阀和有机朗肯循环第二三向阀，从而控制它们的导通情况。
当系统处于稳定运行状态时，所述超临界布雷顿循环子系统和所述有机朗肯循环子系统(ORC系统)分别独立运行；而当系统处于工质组分调节状态时，所述超临界布雷顿循环子系统和所述有机朗肯循环子系统分别调节布雷顿循环工质组分和ORC工质流量使整个系统达到设定工况下稳定运行。
其中，所述主流透平由主流高压透平和主流低压透平组成，所述压缩机由主压缩机和再压缩机组成，所述回热器由高温回热器和低温回热器组成；所述冷却壁依次连接所述高温过热器、主流高压透平、主流低压透平、支流透平、主压缩机、再压缩机和ORC透平，所述主流高压透平的第一支流依次连接所述再热器和再热壁后回流至所述主流低压透平，所述主流低压透平的第二支流依次连接所述高温回热器、低温回热器、蒸发器、冷却器、第一控制三向阀和组分分离器。
进一步的，所述控制子系统还包括有测温装置，所述测温装置数据连接所述控制器，所述ORC工质泵和蒸发器之间设置有第一工质取样装置，所述第一工质取样装置连接所述测温装置。
进一步的，所述控制子系统还包括有第三控制三向阀和第四控制三向阀，所述第三控制三向阀设置于所述第一控制三向阀和组分分离器之间，所述第四控制三向阀设置于所述组分分离器和第二控制三向阀之间，所述第三控制三向阀的第三接口连通所述第四控制三向阀的第三接口，所述控制器控制连接所述第三控制三向阀和第四控制三向阀。
进一步的，所述控制子系统还包括有第五控制三向阀，所述第五控制三向阀设置于所述第四控制三向阀和第二控制三向阀之间，所述第五控制三向阀的第三接口连接所述低沸点工质储液罐的输出口，所述控制器控制连接所述第五控制三向阀。
进一步的，所述控制子系统还包括有第一组分测量装置和第二组分测量装置；所述第一组分测量装置包括第一测量三向阀、第二测量三向阀、第一预热器、第一测压计、第一测温计、第一节流阀、第一毛细管、第二测压计和第二测温计，所述第一测量三向阀和第二测量三向阀串联设置在所述第一控制三向阀和第三控制三向阀之间，所述第一测量三向阀的第三接口依次连接所述第一预热器的主路、第一节流阀、第一毛细管、第一预热器的支路和第二测量三向阀的第三接口，形成循环回路，所述第一测压计和第一测温计设置在所述第一预热器和第一节流阀之间，所述第二测压计和第二测温计设置在所述第一毛细管和第一预热器之间，所述第一测压计、第一测温计、第二测压计和第二测温计数据连接所述控制器。所述第二组分测量装置包括第三测量三向阀、第四测量三向阀、第二预热器、第三测压计、第三测温计、第二节流阀、第二毛细管、第四测压计和第四测温计，所述第三测量三向阀和第四测量三向阀串联设置所述第四控制三向阀和第二控制三向阀之间或者设置在所述第五控制三向阀和第二控制三向阀之间，所述第三测量三向阀的第三接口依次连接所述第二预热器的主路、第二节流阀、第二毛细管、第二预热器的支路和第四测量三向阀的第三接口，形成循环回路，所述第三测压计和第三测温计设置在所述第二预热器和第二节流阀之间，所述第四测压计和第四测温计设置在所述第二毛细管和第二预热器之间，所述第三测压计、第三测温计、第四测压计和第四测温计数据连接所述控制器。
进一步的，所述控制子系统还包括有第六控制三向阀和第七控制三向阀，所述第六控制三向阀设置于所述蒸发器和冷却器之间，所述第七控制三向阀设置于所述高温回热器和低温回热器之间，所述第六控制三向阀的第三接口依次连接所述再压缩机、烟气吸收器、省煤器、低温过热器、支流透平和所述第七控制三向阀的第三接口，形成循环回路，所述控制器控制连接所述第六控制三向阀。其中，所述蒸发器与所述第六控制三向阀之间设置有第二工质取样装置，所述第六控制三向阀与所述冷却器之间设置有第三工质取样装置，所述第二工质取样装置和所述第三工质取样装置连接所述测温装置。
进一步的，所述控制子系统还包括有云端数据库，所述云端数据库数据连接所述控制器和/或其他的测压计、测温计和三向阀等，所述云端数据库负责记录测压、测温和三向阀的导通情况数据。
进一步的，所述锅炉供热子系统还包括有空气预热器，所述空气预热器设置于所述省煤器和烟气吸收器之间。
本发明还公开一种超临界布雷顿-朗肯循环发电系统的调控方法，针对上述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，将冷却水的温度根据季节平均温度控制在四个温限范围：5-10℃、10-15℃、15-20℃和大于20℃；并且针对这四个温限设计四个布雷顿循环工质组分，使混合工质在相应冷却水温下都处于超临界状态；另外也设置四个ORC工质流量；当冷却水温向低温方向变化时，布雷顿循环余热量减少，调节布雷顿循环工质组分使临界温度降低，同时减小ORC工质流量；而当冷却水温向高温方向变化时，布雷顿循环余热量增加，调节布雷顿循环工质组分使临界温度上升，同时增大ORC工质流量。
其中，冷却水的温度在5-10℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.92-0.94之间；冷却水的温度在10-15℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.94-0.97之间；冷却水的温度在10-15℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.94-0.97之间；冷却水的温度在15-20℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.97-0.99之间；冷却水的温度在大于20℃时，布雷顿循环工质为纯CO2工质。
本发明的有益效果是：
(1)冷却水温受环境温度影响较大，当环境温度与冷却水温相差较大时难以控制冷却水温，所以SCO2布雷顿循环工质在冷却器中易发生相变，系统背离设计工况，设备安全系数差，运行效率低。本发明提出的混合工质驱动的超临界布雷顿循环方法，根据环境的季节性变化将冷却水温控制三个范围并分别对应三个工质组分，工质临界点变化，始终保持超临界状态，保证了超临界布雷顿循环系统高效安全运行。
(2)超临界布雷顿循环余热量大，并且当冷却水温越高余热量越高。采用独立的混合工质超临界布雷顿循环不能时余热有效利用，这是阻碍系统效率提高的主要原因之一。本发明提出的超临界布雷顿循环耦合ORC的联合循环燃煤发电系统，ORC工质与布雷顿循环中有机工质一致，并且两个循环可进行工质间的互补。余热量多时，布雷顿循环向ORC补充有机工质；余热量低时，ORC向布雷顿循环补充有机工质。冷却水温高时，余热量高，布雷顿循环有机工质组分含量低，而ORC中有机工质高，冷水水温低时相反，上述方法巧妙结合了两个循环的特点，既保证了超临界布雷顿循环工质适应冷却水温变化有可使余热被有效利用，提高了系统的效率，降低了火用损，又保证了布雷顿循环工质维持在超临界状态，并使系统具有柔性可调的优点。
(3)当冷却水温向上变化时，需要布雷顿循环向ORC补充有机工质，因此合理有效的组分分离技术是保证工质组分调节的关键。本发明提出的组分多级循环分离技术。该方法可将组分多次循环分离，并通过气相色谱仪实时监控分离过程，通过多次循环分离后，可得到较高纯度的低沸点工质和高沸点工质。
(4)炉膛火焰与外壁面的传热系数大于超临界流体与内壁面的传热系数，非常容易造成传热恶化，即所谓的“烧管”现象。本发明针对上述现象提出一种炉膛内添加电场强化传热和炉膛高效除尘的综合解决办法。炉膛内电场一方面可提高管内工质与壁面的换热系数，另一方面可使炉膛内烟灰聚集炉膛内两块震动板上，并可将灰尘通过震动落至冷灰斗内，减少了管壁间的积灰。
(5)本发明提出了一种系统数据采集、监控、数据处理和控制方法，上述调控方法可通过各仪表实时监控显示系统运行状态，并通过将数据处理分析可转化成控制各阀门的电信号控制阀门工作过程。同时，监测数据和控制信号可上传至云端数据库，数据库可可通过不断记忆测量数据和调控信号，再分析数据与调控信号关系即反馈信息，不断训练完善调控信号的预测精度，使系统监控到特定数据后可及时准确快速地做出反应，保证了系统高效运行。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明布雷顿循环工质组分非调控状态下系统流程运行示意图；
图3为本发明冷却水温度向上变化时系统调控流程运行示意图；
图4为本发明冷却水温度向下变化时系统调控流程运行示意图；
图5为本发明的混合工质临界温度和压力随CO2组分的变化表；
图6为本发明的布雷顿循环和布雷顿-朗肯联合循环效率以及布雷顿循环工质组分随冷却水温的变化表；
图7为本发明的调控流程框图；
图8为本发明的各阀门方向示意图；
图9为本发明的组分分离器结构示意图；
图10a和图10b为本发明的锅炉炉膛横截面和纵截面的电场示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，如图1所示，包括锅炉供热子系统、超临界布雷顿循环子系统、有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)子系统和控制子系统。
所述锅炉供热子系统包括冷却壁11、再热壁12、高温过热器13、低温过热器14、再热器15、省煤器16、空气预热器17和烟气吸收器18，所述空气预热器17设置于所述省煤器16和烟气吸收器18之间。
所述超临界布雷顿循环子系统包括主流透平、支流透平220、压缩机、回热器、蒸发器204、冷却器206、组分分离器211和低沸点工质储液罐213；其中，所述主流透平由高压透平222和主流低压透平221组成，所述压缩机由主压缩机219和再压缩机218组成，所述回热器由高温回热器201和低温回热器203组成。
所述有机朗肯循环子系统包括ORC透平31、冷凝器32、有机朗肯循环第一三向阀33、有机朗肯循环第二三向阀35、ORC工质储液罐34和ORC工质泵36。
所述控制子系统包括第一控制三向阀207、第二控制三向阀217和控制器419。
所述冷却壁11依次连接所述高温过热器13、主流高压透平222、主流低压透平221、支流透平220、主压缩机216、再压缩机218和ORC透平31，所述主流高压透平222的第一支流依次连接所述再热器15和再热壁12后回流至所述主流低压透平222，所述主流低压透平221的第二支流依次连接所述高温回热器201、低温回热器203、蒸发器204、冷却器206、第一控制三向阀207和组分分离器211，所述组分分离器211的低沸点组分输出端依次连接所述第二控制三向阀217、主压缩机219、低温回热器203、高温回热器201和所述冷却壁11，所述第一控制三向阀207的第三接口连通所述第二控制三向阀217的第三接口，所述组分分离器211的高沸点组分输出端连接所述低沸点工质储液罐213的输入口。
所述ORC透平31的的支流依次连接所述冷凝器32、有机朗肯循环第一三向阀33、有机朗肯循环第二三向阀35、ORC工质泵36、蒸发器204后，回流至所述ORC透平31形成循环回路，所述有机朗肯循环第一三向阀33的第三接口连接所述ORC工质储液罐34的输入口，所述ORC工质储液罐34的输出口连接所述有机朗肯循环第二三向阀35的第三接口。
所述控制器419控制连接所述第一控制三向阀207、第二控制三向阀217、有机朗肯循环第一三向阀33和有机朗肯循环第二三向阀35，从而控制它们的导通情况。
进一步的，所述控制子系统还包括有测温装置415，所述测温装置415数据连接所述控制器419，所述ORC工质泵36和蒸发器204之间设置有第一工质取样装置423，所述第一工质取样装置423通过数据管道416连接所述测温装置415。
进一步的，所述控制子系统还包括有第三控制三向阀210、第四控制三向阀212、第五控制三向阀214、第六控制三向阀205和第七控制三向阀202，所述第三控制三向阀210设置于所述第一控制三向阀207和组分分离器211之间，所述第四控制三向阀212设置于所述组分分离器211和第二控制三向阀217之间，所述第三控制三向阀210的第三接口连通所述第四控制三向阀212的第三接口，所述第五控制三向阀214设置于所述第四控制三向阀212和第二控制三向阀217之间，所述第五控制三向阀214的第三接口连接所述低沸点工质储液罐213的输出口；所述第六控制三向阀205设置于所述蒸发器204和冷却器206之间，所述第七控制三向阀202设置于所述高温回热器201和低温回热器203之间，所述第六控制三向阀205的第三接口依次连接所述再压缩机218、烟气吸收器18、省煤器16、低温过热器14、支流透平220和所述第七控制三向阀202的第三接口，形成循环回路；所述控制器419控制连接所述第三控制三向阀210、第四控制三向阀212、第五控制三向阀214、第六控制三向阀205和第七控制三向阀202。
进一步的，所述控制子系统还包括有第一组分测量装置和第二组分测量装置，第一组分测量装置和第二组分测量装置布置在布雷顿循环工质分离和重组过程回路两端。所述第一组分测量装置包括第一测量三向阀208、第二测量三向阀209、第一预热器401、第一测压计402、第一测温计403、第一节流阀404、第一毛细管405、第二测压计407和第二测温计406，所述第一测量三向阀208和第二测量三向阀209串联设置所述第一控制三向阀207和第三控制三向阀210之间，所述第一测量三向阀208的第三接口依次连接所述第一预热器401的主路、第一节流阀404、第一毛细管405、第一预热器401的支路和第二测量三向阀209的第三接口，形成循环回路，所述第一测压计402和第一测温计403设置在所述第一预热器401的主路和第一节流阀404之间，所述第二测压计407和第二测温计406设置在所述第一毛细管405和第一预热器401的支路之间，所述第一测压计402、第一测温计403、第二测压计407和第二测温计406通过数据管道416连接所述测温装置415并数据连接所述控制器419。所述第二组分测量装置包括第三测量三向阀215、第四测量三向阀216、第二预热器408、第三测压计409、第三测温计410、第二节流阀411、第二毛细管412、第四测压计414和第四测温计413，所述第三测量三向阀215和第四测量三向阀216串联设置所述第四控制三向阀212和第二控制三向阀217之间或者设置在所述第五控制三向阀214和第二控制三向阀217之间，所述第三测量三向阀215的第三接口依次连接所述第二预热器408的主路、第二节流阀411、第二毛细管412、第二预热器408的支路和第四测量三向阀216的第三接口，形成循环回路，所述第三测压计409和第三测温计410设置在所述第二预热器408的主路和第二节流阀411之间，所述第四测压计414和第四测温计413设置在所述第二毛细管412和第二预热器408的支路之间，所述第三测压计409、第三测温计410、第四测压计414和第四测温计413通过数据管道416连接所述测温装置415并数据连接所述控制器419，所述控制器419根据两个测温计和测压计的数据而计算出工质组分。
进一步的，所述蒸发器204与所述第六控制三向阀205之间设置有第二工质取样装置422，所述第六控制三向阀205与所述冷却器206之间设置有第三工质取样装置421，所述第二工质取样装置422和所述第三工质取样装置421通过数据管道416连接所述测温装置415。所述第三工质取样装置421、所述第二工质取样装置422和所述第一工质取样装置423采用流量计。
其中，所述控制子系统还包括有云端数据库417、数据显示器418，所述云端数据库417数据连接所述控制器、数据显示器418和/或其他的第一测压计402、第一测温计403、第二测压计407、第二测温计406、第三测压计409、第三测温计410、第四测压计414、第四测温计413和第一控制三向阀207、第二控制三向阀217、有机朗肯循环第一三向阀33、有机朗肯循环第二三向阀35、第三控制三向阀210、第四控制三向阀212、第五控制三向阀214、第六控制三向阀205和第七控制三向阀202等，所述云端数据库417负责记录测压、测温和三向阀的导通情况数据，所述数据显示器418负责显示数据，方便操作。
当系统处于稳定运行状态时，如图2所示，虚线管道处于非运行部分，所述超临界布雷顿循环子系统和所述有机朗肯循环子系统(ORC系统)分别独立运行：布雷顿循环主流工质经过高温回热器201与支流工质在第七控制三向阀202中混合。随后，工质依次通过低温回热器203和蒸发器204进入第六控制三向阀205分流。其中，支流工质先经过再压缩机217增压，再依次经过烟气吸收器18、省煤器16和低温过热器14增温，最后进入支流透平220做功进入第七控制三向阀202；主流工质先经过冷却器206与冷却水换热，再经过第一控制三向阀207和第二控制三向阀217后经过主压缩机219增压及低温回热器203、高温回热器201、冷却壁11和过热器13增温后，在主流高压透平222做功，最后经再热器15和再热壁12再热后在主流低压透平221中再做功。主流乏气通往高温回热器中。二氧化碳混合工质经过以上过程完成一次动力循环。ORC工质乏气经过冷凝器32冷凝后，分别经过有机朗肯循环第一三向阀33、有机朗肯循环第二三向阀35和工质泵36增压后，再经过蒸发器204吸收超临界布雷顿循环低温余热过热，最后再ORC透平31中做功。通过以上过程完成一次有机朗肯循环。
为当冷却水温向上变化时，如图3所示，虚线管道处于非运行部分，此时，布雷顿循环工质需要将临界点上调，高沸点工质组分增加，因此需要将部分混合工质分离出低沸点工质达到设定运行工质组分。另外，由于冷却水温上升，超临界布雷顿循环余热量增加，使得ORC供热量增加，因此ORC工质流量也增加，ORC发电量也随之增加。布雷顿循环主流工质经过高温回热器201与支流工质在第七控制三向阀202中混合。随后，工质依次通过低温回热器203和蒸发器204进入第六控制三向阀205分流。其中，支流工质先经过再压缩机218增压，再依次经过烟气吸收器18、省煤器16和低温过热器14增温，最后进入支流透平220做功进入第七控制三向阀202。主流工质经过冷却器206与冷却水换热，再经过第一控制三向阀207、第一测量三向阀208、第二测量三向阀209和第三控制三向阀210后经过经过组分分离器211。组分分离器211中CO2通往阀门第四控制三向阀212、第五控制三向阀214、第三测量三向阀215、第四测量三向阀216和第二控制三向阀217后经过主压缩机219增压，低温回热器203、高温回热器201、冷却壁11和过热器13增温，在主流高压透平222中做功，最后经过再热器15和再热壁12再热后在主流低压透平221中做功。主流乏气通往高温回热器201中。二氧化碳混合工质经过以上过程完成一次动力循环。ORC工质乏气经过冷凝器32冷凝后，通过有机朗肯循环第一三向阀33与ORC工质储液罐34流出工质在有机朗肯循环第二三向阀35混合后，先经过工质泵36增压，蒸发器204过热后，再经过ORC透平31做功，最后在冷凝器32中冷凝降温。通过以上过程完成一次有机朗肯循环。
当冷却水温向下变化时，如图4所示，虚线管道处于非运行部分，此时，布雷顿循环工质需要将临界点下调，高沸点工质组分减小，因此补充部分低沸点工质使循环中工质达到设定运行工质组分。另外，由于冷却水温下降，超临界布雷顿循环余热量减少，使得ORC供热量减少，因此ORC工质流量也减少，ORC发电量也随之减少。布雷顿循环主流工质经过高温回热器201与支流工质在第七控制三向阀202中混合。随后，工质依次通过低温回热器203和蒸发器204进入第六控制三向阀205分流。其中，支流工质先经过再压缩机218增压，再依次经过烟气吸收器18、省煤器16和低温过热器14增温，最后进入支流透平220做功进入第七控制三向阀202。主流工质经过冷却器206与冷却水换热，再经过第一控制三向阀207、第一测量三向阀208、第二测量三向阀209、第三控制三向阀210和第四控制三向阀212后在第五控制三向阀214中与低沸点工质储液罐213流出的工质在第五控制三向阀214处混合，混合工质再通过第三测量三向阀215、第四测量三向阀216和第二控制三向阀217后经过主压缩机219增压，低温回热器203、高温回热器201、冷却壁11和过热器13增温，在主流高压透平222中做功，最后经过再热器15和再热壁12再热后在主流低压透平221中做功。主流乏气通往高温回热器201中。二氧化碳混合工质经过以上过程完成一次动力循环。ORC工质乏气经过冷凝器32冷凝后，在有机朗肯循环第一三向阀33中分流，小部分工质流向ORC工质储液罐34中；大部分工质经过有机朗肯循环第二三向阀35和工质泵36增压后，再经过蒸发器204吸收布雷顿循环低温余热过热，最后再ORC透平31中做功。通过以上过程完成一次有机朗肯循环。
本发明还公开一种超临界布雷顿-朗肯循环发电系统的调控方法，针对上述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，将冷却水的温度根据季节平均温度控制在四个温限范围：5-10℃、10-15℃、15-20℃和大于20℃；并且针对这四个温限设计四个布雷顿循环工质组分，使混合工质在相应冷却水温下都处于超临界状态；另外也设置四个ORC工质流量；当冷却水温向低温方向变化时，布雷顿循环余热量减少，调节布雷顿循环工质组分使临界温度降低，同时减小ORC工质流量；而当冷却水温向高温方向变化时，布雷顿循环余热量增加，调节布雷顿循环工质组分使临界温度上升，同时增大ORC工质流量。其中，冷却水的温度在5-10℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.92-0.94之间；冷却水的温度在10-15℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.94-0.97之间；冷却水的温度在10-15℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.94-0.97之间；冷却水的温度在15-20℃时，布雷顿循环工质组分中CO2的组分控制在0.97-0.99之间；冷却水的温度在大于20℃时，布雷顿循环工质为纯CO2工质。
本发明主要是应对低温条件引起的工质易发生相变问题。通过本系统的组分调节可使布雷顿循环工质不发生相变过程，从而保证了压缩机的正常工作，系统安全高效运转。如图5所示，以低沸点工质甲烷为例，可以看出随着CO2组分的增多，混合工质的临界温度逐渐增大，两者的混合工质临界温度可从-80℃变化至31℃，因此无论冷却水温怎么变化，都可以通过调节混合工质组分使得工质稳定在超临界状态。同时，临界压力也会随着CO2组分而变化，因此，本系统通过控制压缩机的增压比来控制控制压力也处于临界状态之上，并且使主压缩机进口压力保持在靠近临界压力，这样可使压缩机耗功尽量减少，系统保持更优状态。
通过上述体现布雷顿-朗肯联合循环的效果，本发明还对假设当系统在设定工况下稳定运行做了模拟计算可得到布雷顿-朗肯联合循环系统和布雷顿循环系统的发电效率做了对比。如图6所示，为布雷顿循环和布雷顿-朗肯联合循环效率以及布雷顿循环工质组分随冷却水温的变化图，可以发现，加了朗肯循环吸收余热后，系统发电效率具有明显的提升，并且随着冷却水温度的提升，效果将会更明显。因此，布雷顿-朗肯联合循环更适合环境温度高用于常年气温偏高地区。另外可以看到随着冷却水温的提高布雷顿循环中CO2组分在增大，当冷却水温大于20℃时，布雷顿循环工质为纯CO2工质。
本发明系统需要各阀门以及各测量仪器联动反应，为了高效应对各运行状态，控制系统包括数据采集、数据处理、数据监控以及组件控制等过程。本发明系统主要包括有布雷顿循环工质组分调节及ORC工质流量调节状态和稳定运行状态。其中调控状态又可区分成两种情况，分别用来应对冷却水温限上升和下降两种变化情况，换句话说就是将冷却水温分成4个温度范围，但由于环境温度的影响使得冷却水温度变化量超出温限，冷却水所处温限上升和下降分别有需要不一样的处理应对过程。
冷却水的测温装置415将测量数据通过数据管道416传输至云端数据库417储存。同时，一边将数据实时更新至显示屏418上以供操作人员观看，一边将数据传输至控制器419，控制器419的控制台处理器将传输过来的温度信号通过搜索温段识别出所处温段，并将所处温段所有阀门的开度电信号通过管道线路传输至各个需要调节的阀门中。阀门接收信号后马上做出反应，开度逐渐变化，慢慢向设计运行状态偏移。
调控过程分别需要布雷顿循环工质组分达到设计工况和ORC工质流量达到设计工况。因此还需要实时监控两者的情况。
布雷顿循环组分调控时，第一测量三向阀208将少量工质通过预热器401加热后，通过第一节流阀404、第一毛细管405以及第一预热器401后又回到循环管道内。其中，在第一节流阀404和第一毛细管405的两端分别设有第一测压计、第一测温计、第二测压计和第二测温计。第一测压计、第一测温计、第二测压计和第二测温计将测量数据传输至云端417，云端根据现有的一套温度压力和组分关系计算出混合工质组分，并将组分信息传输至显示屏418和操作台419。同理，调控后端也设有工质抽取和检测组分装置。通过将组分信息传输后，操作台419又根据组分信息对阀门开度做出微调，使组分更快达到预设状态。ORC工质流量调节时，只需要通过第一工质取样装置423(流量计)实时监控ORC系统流量，并通过负反馈过程是流量组件达到预设的大小，并稳定运行。
本发明的控制系统除了具有简单监控控制过程外，还具有数据云处理，大数据处理分析过程，具有人工智能能力。通过将监控信息和操控信息之间寻找联系，并随着数据量的增多，不断增加其反应的准确性。通过大数据处理，也可不断更新温限于阀门开度关系，并传输至控制器419中。
本系统的调节过程总体可按照如图7所示过程调节，其中各阀门的方向参照图1和图8，具体调节过程叙述如下：
当冷却水的测温装置415测量到水温进入不同温段或者水温所处温段和组分信息或者流量信息不符时，系统则进入组分调节模式，否则继续稳定运行模式。之后根据水温变化方向，当水温向上变化时，布雷顿循环高沸点工质组分增多，ORC工质流量增多。需要分别调节布雷顿循环组分和朗肯循环工质流量。布雷顿循环组分调节需要将第一控制三向阀207的B口关闭C口打开；第二控制三向阀217的B口打开C口关闭；第三控制三向阀210的B口关闭C口打开；第四控制三向阀212的A口关闭C口打开；第五控制三向阀214的A口关闭C口打开。朗肯循环工质流量调节需要将有机朗肯循环第一三向阀33的B口关闭C口打开；有机朗肯循环第二三向阀35的开口全部打开。
当冷却水测温装置415测量到水温向下变化时，布雷顿循环低沸点工质组分增多，ORC工质流量减少。需要分别调节布雷顿循环组分和朗肯循环工质流量。布雷顿循环组分调节需要将第一控制三向阀207的B口关闭C口打开；第二控制三向阀217的B口打开C口关闭；第三控制三向阀210的B口打开C口关闭；第四控制三向阀212的A口打开C口关闭；第五控制三向阀214的开口全部打开。朗肯循环工质流量调节需要将有机朗肯循环第一三向阀33的开口全部打开；有机朗肯循环第二三向阀35的B口打开C口关闭。
同时，通过组分和流量监测系统可检测到组分和流量是否达到设定状态。当布雷顿循环工质组分未达到预设状态时，需要在调节第一控制三向阀207、第二控制三向阀217、第三控制三向阀210、第四控制三向阀212、第五控制三向阀214的开度，使组分继续调整；当组分达到预设状态时则直接进入下一环节。ORC流量监控装置当监控到流量未达到预设状态时，则需要调节有机朗肯循环第一三向阀33、有机朗肯循环第二三向阀35的开度；流量达到预设状态时系统需要执行稳定运行的相关操作：第一控制三向阀207的B口打开C口关闭；第二控制三向阀217的B口关闭C口打开；有机朗肯循环第一三向阀33的B口关闭C口打开；有机朗肯循环第二三向阀35的B口打开C口关闭。
通过调节布雷顿循环工质组分，可将工质维持在超临界状态，而不受冷却水温影响发生相变，使压缩机不发生气蚀情况，保证了系统高效安全运行。另外，由于冷却水温向上变化时，布雷顿循环余热量多，向下变化时，余热量少通过调节ORC工质流量，可在报此运行参数下可根据余热量灵活的调节ORC发电量，使整个系统的能源转换和利用效率提高。
本发明在组分分离系统中采用多级循环分离技术，如图9所示，为二元组分多级分离系统流程图。混合工质首先经过泄压阀门泄压，然后通向分离罐将混合组分分离，轻组分通往上面流程，重组分通往下面流程。轻组分再通过冷却罐7再次分离，分离后的重组分通往阀门反复循环分离，并且轻组分通过多级相同的冷却罐分离后可得到低沸点组分工质。类似的，重组分则通过加热管再次分离，分离后的轻组分通过阀门反复循环分离，经过多个加热罐分离后就可得到高沸点工质。在每级分离罐的出入口都设置有取样点，取样点与气相色谱仪连接，可及时得到分离后混合工质的组分数据。本发明通过多级循环分离技术可得到较高纯度的高沸点工质和低沸点工质。
本发明的锅炉冷却壁11和再热壁12布置于炉膛内，由于炉膛内烟温极高，而管内超临界流体与避免换热系数小，易造成管过热。本发明提出一种电场强化传热和炉膛高效除尘方法。如图10a和10b所示，添加电场后炉膛截面示意图。其中电场方向平行于地面。产生高压的电极放置在炉膛两端，利用高压直流电源使炉膛内产生电场。通过电场的作用，可引起超临界流体粒子发生扰动，形成小漩涡，将壁面的热量传递至主流中来促进传热，管内对流换热系数可增大数倍。同时，由于静电作用使得炉膛内的烟灰会往电极两端聚集。本发明通过在炉膛内布置两块震动板，可将吸附在板上的灰尘抖动落在冷灰斗内。因此，本发明通过将电场强化传热和除尘技术结合，可有效提高锅炉效率，减少炉膛冷却壁面的积灰，也可保证锅炉高效安全运行。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于， 包括锅炉供热子系统、超临界布雷顿循环子系统、有机朗肯循环子系统和控制子系统；
所述锅炉供热子系统包括冷却壁、再热壁、高温过热器、低温过热器、再热器、省煤器和烟气吸收器；
所述超临界布雷顿循环子系统包括主流透平、支流透平、压缩机、回热器、蒸发器、冷却器、组分分离器和低沸点工质储液罐；
所述有机朗肯循环子系统包括ORC透平、冷凝器、有机朗肯循环第一三向阀、有机朗肯循环第二三向阀、ORC工质储液罐和ORC工质泵；
所述控制子系统包括第一控制三向阀、第二控制三向阀和控制器；
所述冷却壁依次连接所述过热器、主流透平、支流透平、压缩机和ORC透平，所述主流透平的第一支流依次连接所述再热器和再热壁后回流至所述主流透平，所述主流透平的第二支流依次连接所述回热器、蒸发器、冷却器、第一控制三向阀和组分分离器，所述组分分离器的低沸点组分输出端依次连接所述第二控制三向阀、压缩机、回热器和所述冷却壁，所述第一控制三向阀的第三接口连通所述第二控制三向阀的第三接口，所述组分分离器的高沸点组分输出端连接所述低沸点工质储液罐；
所述ORC透平的支流依次连接所述冷凝器、有机朗肯循环第一三向阀、有机朗肯循环第二三向阀、ORC工质泵、蒸发器后，回流至所述ORC透平形成循环回路，所述有机朗肯循环第一三向阀的第三接口连接所述ORC工质储液罐的输入口，所述ORC工质储液罐的输出口连接所述有机朗肯循环第二三向阀的第三接口；
所述控制器控制连接所述第一控制三向阀、第二控制三向阀、有机朗肯循环第一三向阀和有机朗肯循环第二三向阀。
2.根据权利要求1所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述主流透平由主流高压透平和主流低压透平组成，所述压缩机由主压缩机和再压缩机组成，所述回热器由高温回热器和低温回热器组成；所述冷却壁依次连接所述高温过热器、主流高压透平、主流低压透平、支流透平、主压缩机、再压缩机和ORC透平，所述主流高压透平的第一支流依次连接所述再热器和再热壁后回流至所述主流低压透平，所述主流低压透平的第二支流依次连接所述高温回热器、低温回热器、蒸发器、冷却器、第一控制三向阀和组分分离器。
3.根据权利要求2所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有测温装置，所述测温装置数据连接所述控制器，所述ORC工质泵和蒸发器之间设置有第一工质取样装置，所述第一工质取样装置连接所述测温装置。
4.根据权利要求3所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有第三控制三向阀和第四控制三向阀，所述第三控制三向阀设置于所述第一控制三向阀和组分分离器之间，所述第四控制三向阀设置于所述组分分离器和第二控制三向阀之间，所述第三控制三向阀的第三接口连通所述第四控制三向阀的第三接口，所述控制器控制连接所述第三控制三向阀和第四控制三向阀。
5.根据权利要求4所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有第一组分测量装置，所述第一组分测量装置包括第一测量三向阀、第二测量三向阀、第一预热器、第一测压计、第一测温计、第一节流阀、第一毛细管、第二测压计和第二测温计，所述第一测量三向阀和第二测量三向阀串联设置所述第一控制三向阀和第三控制三向阀之间，所述第一测量三向阀的第三接口依次连接所述第一预热器的主路、第一节流阀、第一毛细管、第一预热器的支路和第二测量三向阀的第三接口形成循环回路，所述第一测压计和第一测温计设置在所述第一预热器和第一节流阀之间，所述第二测压计和第二测温计设置在所述第一毛细管和第一预热器之间，所述第一测压计、第一测温计、第二测压计和第二测温计数据连接所述控制器。
6.根据权利要求4所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有第五控制三向阀，所述第五控制三向阀设置于所述第四控制三向阀和第二控制三向阀之间，所述第五控制三向阀的第三接口连接所述低沸点工质储液罐的输出口，所述控制器控制连接所述第五控制三向阀。
7.根据权利要求6所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有第二组分测量装置，所述第二组分测量装置包括第三测量三向阀、第四测量三向阀、第二预热器、第三测压计、第三测温计、第二节流阀、第二毛细管、第四测压计和第四测温计，所述第三测量三向阀和第四测量三向阀串联设置在所述第四控制三向阀和第二控制三向阀之间或者设置在所述第五控制三向阀和第二控制三向阀之间，所述第三测量三向阀的第三接口依次连接所述第二预热器的主路、第二节流阀、第二毛细管、第二预热器的支路和第四测量三向阀的第三接口，所述第三测压计和第三测温计设置在所述第二预热器和第二节流阀之间，所述第四测压计和第四测温计设置在所述第二毛细管和第二预热器之间，所述第三测压计、第三测温计、第四测压计和第四测温计数据连接所述控制器。
8.根据权利要求4所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述控制子系统还包括有第六控制三向阀和第七控制三向阀，所述第六控制三向阀设置于所述蒸发器和冷却器之间，所述第七控制三向阀设置于所述高温回热器和低温回热器之间，所述第六控制三向阀的第三接口依次连接所述再压缩机、烟气吸收器、省煤器、低温过热器、支流透平和所述第七控制三向阀的第三接口，所述控制器控制连接所述第六控制三向阀。
9.根据权利要求8所述的一种高效布雷顿-朗肯循环柔性发电系统，其特征在于，所述蒸发器与所述第六控制三向阀之间设置有第二工质取样装置，所述第六控制三向阀与所述冷却器之间设置有第三工质取样装置，所述第二工质取样装置和所述第三工质取样装置连接测温装置。
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