CN115013101A - 一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，适用于不同运行工况，能够体现超临界二氧化碳循环发电的运行优势，提升系统自动化程度。包括相互通讯连接的透平控制系统、主换热控制系统以及气化站控制系统；其中，所述透平控制系统与发电机组的二氧化碳机组连接，所述主换热控制系统与发电机组的换热系统和二氧化碳机组连接，所述气化站控制系统与发电机组的气化站系统连接。通过设置三个子系统，包括透平控制系统、主换热控制系统与气化站控制系统，与发电机组主设备系统中的外部热源、透平、发电机、压缩机及其他重要辅机运行参数进行通讯相连，能够实现三种不同的运行模式。

Description

一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统

技术领域

本发明涉及发电机组调控技术领域，具体为一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统。

背景技术

随着发电技术的发展，因超临界二氧化碳具有更高的循环效率、更紧凑的设备布置以及更经济的前期投入，被作为代替水蒸气的优良工质而广泛应用于燃煤发电机组中。

可再生能源发电负荷具有很强的波动性和不确定性，难以通过自身调节系统进行稳定的负荷调节，为了保证电网供电安全，需要借助其他电源来协调配合。与传统燃煤机组利用煤水比以及“以热定电”的协调控制原则相比较，超临界二氧化碳循环发电的热电解耦合运行方式令其不适合沿用传统燃煤燃气机组的协调控制系统，传统的超蒸汽临界火电机组的协调控制系统与超临界二氧化碳发电机组关联性差、无法匹配。同时，现有其他的协调控制系统也无法更好地体现超临界二氧化碳循环发电机组，快速冷、热态启动、快速大范围调整负荷等运行优势。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，适用于不同运行工况，能够体现超临界二氧化碳循环发电的运行优势，提升系统自动化程度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，包括相互通讯连接的透平控制系统、主换热控制系统以及气化站控制系统；

其中，所述透平控制系统与发电机组的二氧化碳机组连接，所述主换热控制系统与发电机组的换热系统和二氧化碳机组连接，所述气化站控制系统与发电机组的气化站系统连接。

优选地，所述透平控制系统包括负荷\转速指令模块、透平报警判断模块和透平主调阀模块；

所述负荷\转速指令模块用于设定负荷\转速指令以及负荷变化速率；

所述透平报警判断模块用于接收二氧化碳机组的负荷\转速信号进行透平报警判断；

所述透平主调阀模块用于根据负荷\转速报警信号输出透平主调阀指令控制二氧化碳机组中的透平主调阀调节二氧化碳机组的转速\负荷直至达到目标转速\负荷，实现恒负荷模式。

优选地，所述恒负荷模式在发电机组稳定运行时投入。

优选地，所述恒负荷模式下，二氧化碳机组的负荷波动范围为±2.5％内。

优选地，所述主换热控制系统包括温度指令模块、主换热器报警判断模块和焓值调节模块；

所述温度指令模块用于设定温度指令；

所述主换热器报警判断模块用于接收换热系统中主换热器的温度信号进行温度报警判断；

所述焓值调节模块用于根据温度报警信号输出焓值调节阀指令控制换热系统中外部热源调节二氧化碳机组的温度直至达到目标温度，实现恒温度模式。

优选地，所述恒温度模式在发电机组接到电网负荷或负载箱快速变化负荷指令后投入。

优选地，所述气化站控制系统包括背压指令模块、气化站报警判断模块、液体泵运行模块和补气调阀模块；

所述背压指令模块用于设定背压指令；

所述气化站报警判断模块接收气化站系统的背压信号进行气化站报警判断；

所述液体泵运行模块用于控制启停气化站系统中的二氧化碳液体泵；

所述补气调阀模块用于根据背压报警信号输出补气调阀指令至液体泵运行模块开启二氧化碳液体泵并控制气化站系统中的补气调阀调节气化站系统中气体储罐的压力直至达到目标压力，实现恒背压模式。

优选地，所述恒背压模式在发电机组冷态启动时投入。

优选地，所述发电机组包括压缩机、回热器、外部热源、二氧化碳机组、冷却器、气体储罐、液体储罐，二氧化碳液体泵、气化水箱以及补气调阀；

其中，压缩机与回热器冷侧连接，回热器冷侧出口与外部热源连接，外部热源与二氧化碳机组进气侧连接，二氧化碳机组包括透平及发电机，二氧化碳机组排气侧出口与回热器热侧入口连接，回热器热侧与冷却器连接，冷却器与气体储罐相连接，气体储罐与压缩机入口连接，液体储罐出口与二氧化碳液体泵连接，二氧化碳液体泵出口与气化水箱连接，气化水箱出口通过补气调阀与气体储罐连接。

优选地，所述冷却器的冷却介质采用水或者压缩空气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，不同于现有火电机组的协调控制系统中三种模式均为“热”、“电”解耦运行，解决了传统火电机组冬季以热定电，调峰能力差的运行实际状况。针对不同运行工况，本发明所述的协调控制系统通过设置三个子系统，包括透平控制系统、主换热控制系统与气化站控制系统，与发电机组主设备系统中的外部热源、透平、发电机、压缩机及其他重要辅机运行参数进行通讯相连，能够实现三种不同的运行模式，即恒背压模式、恒负荷模式和恒温度模式进行协调控制，兼顾冷、热态启动、稳态运行与快速调峰等多种不同工况作出相应的自动调节，保证发电机组主设备系统的稳定运行，为超临界二氧化碳机组的控制逻辑系统提供了一个新的思路，用以辅助现场运行和操作人员运作，提升系统自动化程度。

附图说明

图1为本发明主设备系统的结构连接图；

图2为本发明透平控制系统的工作流程图；

图3为本发明主换热器控制系统的工作流程图；

图4为本发明气化站控制系统的工作流程图。

图中，压缩机1、回热器2、外部热源3、二氧化碳机组4、冷却器5、气体储罐6、液体储罐7，二氧化碳液体泵8、气化水箱9、补气调阀10。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其中，主设备系统包括：压缩机1、回热器2、外部热源3、二氧化碳机组4、冷却器5、气体储罐6、液体储罐7，二氧化碳液体泵8、气化水箱9、补气调阀10。

如图1所示，主设备系统的连接方式具体为：

所述压缩机1通过管道与出口阀门与回热器2冷侧连接，回热器2冷侧出口通过管道与外部热源3连接，权利要求中对热源类别及换热方式不做具体要求。外部热源3通过阀门管道与二氧化碳机组4进气侧连接，二氧化碳机组4包括透平、发电机及其旁路。二氧化碳机组4排气侧出口与回热器2热侧入口连接，回热器2热侧通过阀门管道与冷却器5连接，冷却器的冷却介质可以是水或压缩空气。冷却器5通过阀门管道与气体储罐6相连接，气体储罐6与压缩机1入口连接。液体储罐7出口与二氧化碳液体泵8通过管道连接，二氧化碳液体泵8出口与气化水箱9相连，气化水箱9出口通过补气调阀10和管道与气体储罐6连接。

本发明所述的主设备系统的具体运行方式为：

二氧化碳工质由气体储罐6进入压缩机1，在压缩机1中加压后经由回热器2冷侧入口进入回热器换热，之后进入外部热源3加热升温之后进入二氧化碳机组4发电做功。

做功后排气由回热器2热侧入口进入回热器，并作为热源加热冷侧工质，换热后进入5冷却器，由冷却介质带走热量，工质最终返回气体储罐6，完成做功循环。

当系统工质不足或需要提升压缩机1入口压力时，二氧化碳液体泵8将液体储罐7液态二氧化碳加压送入气化水箱9，气化水箱9通过电加热水箱温度，使液态二氧化碳水浴气化，并通过补气调阀10调节进气量，控制气体储罐6压力，从而实现对压缩机1入口压力调节。

本发明中所述的协调控制系统分为三个主要子系统，包括透平控制系统A、主换热控制系统B与气化站控制系统C。

其中，透平控制系统A包括：负荷\转速指令A1、透平报警判断A2、透平主调阀指令A3、负荷变化速率A4、手动复位A5。

如图2所示，所述透平控制系统A的指令模块工作流程：输入负荷\转速指令A1、负荷变化速率A4，并进行透平控制系统及所属辅机的报警判断，即透平报警判断A2。若无报警，则直接由透平主调阀指令A3控制透平主调阀增加二氧化碳机组4转速\负荷；若有报警，则需要消除报警并手动复位A5后，方能进行下一步。进行转速\负荷后结果反馈至透平主调阀指令A3，直至达到目标转速\负荷。期间，若负荷变化速率A4大于一定参数，协调控制系统强制切换至恒温度模式。

其中，主换热器控制系统B包括：温度指令B1、主换热器报警判断B2、手动复位B3、焓值调节模块B4、温升变化速率B5。焓值调节模块B4可以是燃煤机组的给煤机给煤量、天然气进气量、液态熔盐或者液态金属流量。

如图3所示，主换热器控制系统B的指令模块工作流程：输入温度指令B1，进行主换热器所属系统内的报警判断，即温度报警判断B2。若无报警，则直接由焓值调节阀B4控制提升外部热源3热功率；若有报警，则需要消除报警并手动复位B3后，方能进行下一步。之后，对比当前二氧化碳机组4进气温度与温度指令B1，结果反馈至焓值调节阀B4，直至温度达到目标设定值。期间，温升变化速率B5用于监视外部热源3工作状况，当温升速率达到一定数值，协调控制系统强制切换至恒温度模式。

其中，气化站控制系统C包括：背压指令C1、气化站报警判断C2、手动复位C3、补气调阀指令C4、液体泵运行指令C5。

如图4所示，气化站控制系统C的指令模块工作流程：输入背压指令C1后，进行气化站所属系统内的报警判断，即气化站报警判断C2。若无报警，则直接将补气调阀10切换至“自动”模式，并由补气调阀指令C4控制开度；若有报警，则需要消除报警并手动复位C3后，方能进行下一步。之后，对比气体储罐6与输入背压指令C1，由液体泵运行指令C5启动液体泵。当压力一致时，由补气调阀指令C4控制关闭补气调阀10，液体泵运行指令C5停止液体泵。

本发明所述的超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统有三种运行模式：恒背压模式、恒负荷模式和恒温度模式，能够兼顾冷、热态启动、稳态运行与快速调峰等不同的运行工况。

其中，恒背压模式作为超临界二氧化碳发电机组冷态启动的常用模式，在机组冷态充装到透平冷态转及暖机带载，应投入恒背压模式。恒背压模式在投入时应设定压缩机1入口压力，此时气化站协调控制系统，通过自动调节补气调阀10，稳定气体储罐6压力；同时，对于系统压力的变化，还应参考主换热器控制系统B中温升变化速率B3，对调节补气调阀10的开度指令控制有一定的前瞻性干预。

其中，恒负荷模式作为超临界二氧化碳发电机组长时间稳定运行时的常用模式，在机组到达额定参数后应投入恒负荷模式。恒负荷模式在维持符合不变的情况下，允许二氧化碳机组4负荷±2.5％内波动。负荷波动范围在±2.5％内，可通过二氧化碳机组4进气量调节。负荷波动范围在±2.5％外，压缩机1通过调节自身频率改变入口压力，恒负荷模式报警，需要再次确认复位后，方可继续投入。

其中，恒温度模式作为超临界二氧化碳发电机组短时间快速增减负荷的常用模式，当机组接到电网负荷或负载箱快速变化负荷指令后，应确定主换热器控制系统B当前温度设定，并投入恒温模式。投入恒温度后，温升变化速率B3强制指令为“0”。通过直接调节压缩机1的频率输入，干预压缩机1出口压力，实现快速升降负荷。同时，于主换热器控制系统B中，调节焓值调节模块B2，响应温度不变指令，减少进气温度变化对二氧化碳机组4中透平本体及轴系的影响。此处需要强调，恒温度模式是一种控制思路而不是温度必须保持不变，在大负荷调整中，由于不同热源热惯性不同，需要根据实际情况调整内部逻辑计算公式，做到对主换热器出口温度影响最小。

本发明提供的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，不同于现有火电机组的协调控制系统中三种模式均为“热”、“电”解耦运行，解决了传统火电机组冬季以热定电，调峰能力差的运行实际状况。针对不同运行工况，本发明所述的协调控制系统通过设置三个子系统，包括透平控制系统、主换热控制系统与气化站控制系统，与发电机组主设备系统中的外部热源、透平、发电机、压缩机及其他重要辅机运行参数进行通讯相连，实现三种不同的运行模式，即恒背压模式、恒负荷模式和恒温度模式进行协调控制，兼顾冷、热态启动、稳态运行与快速调峰等多种不同工况作出相应的自动调节，保证发电机组主设备系统的稳定运行，为超临界二氧化碳机组的控制逻辑系统提供了一个新的思路，用以辅助现场运行和操作人员运作，提升系统自动化程度。

实施例

为方便理解，本实施例中举例最常见的一种超临界二氧化碳发电循环系统，如图1所示。

机组态启动前，气化站控制系统C，通过背压指令C1，即压缩机1入口压力，设定循环系统启动初始背压。接受背压指令C1后，气化站报警判断C2无报警或通过手动复位C3后，由液体泵运行指令C5程控启动二氧化碳液体泵8。二氧化碳液体经由气化水箱9、由补气调阀指令C4自动控制补气调阀10开度增加，工质经由气体储罐6进入主系统。背压指令C1输入与实际值压缩机1入口压力一致后，反馈至液体泵运行指令C5程控停二氧化碳液体泵8，继而反馈至补气调阀指令C4自动控制补气调阀10开度减少直至全关。

系统工质充装完毕后，压缩机1工作。主换热器控制系统B，通过温度指令B1，即外部热源3工质侧出口温度，设定二氧化碳机组4进气温度。接受温度指令B1后，温度报警判断B2无报警或通过手动复位B3后，程控焓值调节模块B4调节系统焓值变化。焓值调节模块B4可以是燃煤机组的给煤机、天然气、液态熔盐或者液态金属等其他热源。同时自动拟合计算温升变化速率B5作为参考，当温升变化速率B5过大或者影响到二氧化碳机组4气缸膨胀差，需要强制温升变化速率B5为“0”。温度指令B1与实际二氧化碳机组4进气温度一致后，反馈至焓值调节模块B4，温升变化速率B5。维持当前温度，保证温升变化速率B5为“0”。

当温度上升达到二氧化碳机组4允许进气温度后，通过设定透平控制系统A中的负荷\转速指令A1与负荷变化速率A4，透平报警判断A2无报警或手动复位A5后，程控透平主调阀指令A3。负荷\转速指令A1与实际转速\负荷一致时，维持透平主调阀指令A3，保持当前主调阀开度。仅当二氧化碳机组4主开关闭合后，负荷\转速指令A1方允许输入负荷指令。

针对不同运行工况，本发明以三种不同的运行模式兼顾稳定运行，辅助现场运行、操作人员，提升系统自动化程度。

恒背压模式作为超临界二氧化碳发电机组冷态启动的常用模式，在机组冷态充装到透平冷态转及暖机带载，应投入恒背压模式。恒背压模式在投入时应设定压缩机1入口压力，此时气化站协调控制系统，通过自动调节补气调阀10，稳定气体储罐6压力；同时，对于系统压力的变化，还应参考温升变化速率B3，对调节补气调阀10的开度指令控制有一定的前瞻性干预。恒背压模式的优点：将系统内部工质压力、流量等参数与外部热源3解除耦合，根据当前工况，灵活调节整体系统压力。

恒负荷模式作为超临界二氧化碳发电机组长时间稳定运行时的常用模式，在机组到达额定参数后应投入恒负荷模式。恒负荷模式在维持符合不变的情况下，允许二氧化碳机组4负荷±2.5％内波动。负荷波动范围在±2.5％内，可通过二氧化碳机组4进气量调节。负荷波动范围在±2.5％外，压缩机1通过调节自身频率改变入口压力，恒负荷模式报警，需要再次确认复位后，方可继续投入。恒负荷的优点：长时间单一负荷运行时，减少操作人员操作负担，增加系统调节柔性。

恒温度模式作为超临界二氧化碳发电机组短时间快速增减负荷的常用模式，当机组接到电网负荷或负载箱快速变化负荷指令后，应确定主换热器控制系统B当前温度设定，并投入恒温模式。投入恒温度后，温升变化速率B3强制指令为“0”。通过直接调节压缩机1的频率输入，干预压缩机1出口压力，实现快速升降负荷。同时，于主换热器控制系统B中，调节焓值调节模块B2，响应温度不变指令，减少进气温度变化对二氧化碳机组4中透平本体及轴系的影响。

不同于现有火电机组的协调控制系统，三种模式均为“热”、“电”解耦运行，解决了传统火电机组冬季以热定电，调峰能力差的运行实际状况。

本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

在恒背压模式中，可以根据当前二氧化碳机组4进气温度，提高系统背压。对系统背压不做固定要求。

同理，在恒负荷模式，可结合冷却器5中冷却介质对压缩机1入口压力影响，从而直接影响压缩机1的工作效率。当效率提升，即压缩机压比提高进入外部热源3、二氧化碳机组4的工质压力相应增加时，焓值调节模块B2响应，减少热量供应，继而维持当前负荷不变；反之则焓值调节模块B2响应，增加热量供应。在小范围内负荷±2.5％，实现“热”、“电”解耦运行。

在恒温度模式下，“热”、“电”实现完全解耦运行，当透平控制系统A判断负荷变化速率A4达到快速大范围升降负荷时，焓值调节模块B2亦将较大范围动作，确保进入二氧化碳机组4的工质温度保持恒定。快速大范围升负荷时，系统需要利用气化站控制系统C补充工质；快速大范围降负荷，系统需要适当减少部分工质，可以通过气体储罐6适当泄放。必要时，可投入恒背压模式。稳定系统背压减少负荷变动对转速的扰动。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，包括相互通讯连接的透平控制系统(A)、主换热控制系统(B)以及气化站控制系统(C)；

其中，所述透平控制系统(A)与发电机组的二氧化碳机组连接，所述主换热控制系统(B)与发电机组的换热系统和二氧化碳机组连接，所述气化站控制系统(C)与发电机组的气化站系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述透平控制系统(A)包括负荷\转速指令模块、透平报警判断模块和透平主调阀模块；

所述负荷\转速指令模块用于设定负荷\转速指令(A1)以及负荷变化速率(A4)；

所述透平报警判断模块用于接收二氧化碳机组(4)的负荷\转速信号进行透平报警判断(A2)；

所述透平主调阀模块用于根据负荷\转速报警信号输出透平主调阀指令(A3)控制二氧化碳机组(4)中的透平主调阀调节二氧化碳机组(4)的转速\负荷直至达到目标转速\负荷，实现恒负荷模式。

3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述恒负荷模式在发电机组稳定运行时投入。

4.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述恒负荷模式下，二氧化碳机组(4)的负荷波动范围为±2.5％内。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述主换热控制系统(B)包括温度指令模块、主换热器报警判断模块和焓值调节模块；

所述温度指令模块用于设定温度指令(B1)；

所述主换热器报警判断模块用于接收换热系统中主换热器的温度信号进行温度报警判断(B2)；

所述焓值调节模块用于根据温度报警信号输出焓值调节阀指令(B4)控制换热系统中外部热源(3)调节二氧化碳机组(4)的温度直至达到目标温度，实现恒温度模式。

6.根据权利要求5所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述恒温度模式在发电机组接到电网负荷或负载箱快速变化负荷指令后投入。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述气化站控制系统(C)包括背压指令模块、气化站报警判断模块、液体泵运行模块和补气调阀模块；

所述背压指令模块用于设定背压指令(C1)；

所述气化站报警判断模块接收气化站系统的背压信号进行气化站报警判断(C2)；

所述液体泵运行模块用于控制启停气化站系统中的二氧化碳液体泵(8)；

所述补气调阀模块用于根据背压报警信号输出补气调阀指令(C4)至液体泵运行模块开启二氧化碳液体泵(8)并控制气化站系统中的补气调阀(10)调节气化站系统中气体储罐(6)的压力直至达到目标压力，实现恒背压模式。

8.根据权利要求7所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述恒背压模式在发电机组冷态启动时投入。

9.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述发电机组包括压缩机(1)、回热器(2)、外部热源(3)、二氧化碳机组(4)、冷却器(5)、气体储罐(6)、液体储罐(7)，二氧化碳液体泵(8)、气化水箱(9)以及补气调阀(10)；

其中，压缩机(1)与回热器(2)冷侧连接，回热器(2)冷侧出口与外部热源(3)连接，外部热源(3)与二氧化碳机组(4)进气侧连接，二氧化碳机组(4)包括透平及发电机，二氧化碳机组(4)排气侧出口与回热器(2)热侧入口连接，回热器(2)热侧与冷却器(5)连接，冷却器(5)与气体储罐(6)相连接，气体储罐(6)与压缩机(1)入口连接，液体储罐(7)出口与二氧化碳液体泵(8)连接，二氧化碳液体泵(8)出口与气化水箱(9)连接，气化水箱(9)出口通过补气调阀(10)与气体储罐(6)连接。

10.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电机组的协调控制系统，其特征在于，所述冷却器(5)的冷却介质采用水或者压缩空气。

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