CN116753049A - 一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 - Google Patents
一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116753049A CN116753049A CN202310657235.7A CN202310657235A CN116753049A CN 116753049 A CN116753049 A CN 116753049A CN 202310657235 A CN202310657235 A CN 202310657235A CN 116753049 A CN116753049 A CN 116753049A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- valve
- carbon dioxide
- supercritical carbon
- opening
- load
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 104
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 52
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 8
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 32
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 238000004880 explosion Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 44
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
- F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
- F01D25/12—Cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
- F01K25/103—Carbon dioxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/005—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by changing flow path between different stages or between a plurality of compressors; Load distribution between compressors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/007—Conjoint control of two or more different functions
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/008—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
- F04D27/0223—Control schemes therefor
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0261—Surge control by varying driving speed
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0269—Surge control by changing flow path between different stages or between a plurality of compressors; load distribution between compressors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
- F04D27/02—Surge control
- F04D27/0284—Conjoint control of two or more different functions
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B33/00—Steam-generation plants, e.g. comprising steam boilers of different types in mutual association
- F22B33/18—Combinations of steam boilers with other apparatus
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
Abstract
本发明提供了一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，属于发电技术领域，包括：将S‑CO2布雷顿循环发电系统停机过程主要分为三个阶段：第一阶段为系统从100％负荷降低到10％负荷的过程，利用阀门库存耦合控制实现系统的降负荷，保证系统在宽负荷范围内热效率维持在较高值；第二阶段为系统从10％负荷降低到0的过程，该过程通过降低透平的入口温度来实现，这样既可以保证在降负荷过程循环流量不降低，又可避免系统低负荷运行时锅炉可能的爆管事故发生；第三个阶段为各设备停机的过程，该过程考虑了锅炉内工质流量过低时潜在的气冷壁超温爆管风险和循环最低压力低于临界压力时对压缩机的气蚀风险。该方法能够保证系统启停过程中的安全性和快速性。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法。
背景技术
近年来，超临界二氧化碳布雷顿循环(SCBC)系统具有效率高、结构紧凑、热源适用范围广等优点，它被认为是最有前景的下一代动力转换系统之一。SCBC作为一种闭式循环，加上工质在近临界点处物性变化剧烈。启停过程作为一个重要的过渡阶段，需要设计相应的控制策略保证系统在启停过程中的安全性和快速性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，包括：
当超临界二氧化碳循环系统从100％负荷降低到10％负荷时：
若发电机转速大于3000rpm，减小透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；若发电机转速小于3000rpm，增大透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排出阀V17并关闭CO2充气阀V16，增大透平进气阀的开度；当透平进气阀的开度大于80％时，打开CO2充气阀V16并关闭CO2排出阀V17，减小透平进气阀开度；
当超临界二氧化碳循环系统从10％负荷降低到0的负荷时：
通过降低透平的入口温度调节超临界二氧化碳循环系统的变负荷；
当关闭超临界二氧化碳循环系统的设备时：
待透平的入口温度降至100℃以下，打开透平进气阀V20连接旁通阀V21一侧，关闭透平进气阀V20连接透平一侧；打开旁通阀V6，当流经锅炉工质流量小于额定流量的30％时关停锅炉，保证锅炉热负荷的降低速度大于流经锅炉工质流量的减小速度的前提下减小三通阀V4流经锅炉一股的开度；待锅炉完全停机后，将三通阀V4流经锅炉一股的开度降为0，调整旁通阀V6开度保证超临界二氧化碳循环系统的循环最低压力在8MPa；
关闭超临界二氧化碳循环系统中的再压缩机和主压缩机。
进一步，所述关闭再压缩机和主压缩机，包括：
降低再压缩机的转速；打开三通阀V1连接三通阀V2一侧，将再压缩机转速降低至0；
降低主压缩机的转速，打开CO2排出阀V17；当主压缩机转速降低至0时，从CO2排出阀V17抽空系统库存工质并从CO2充气阀V16充入保护气。
进一步，降低再压缩机的转速时，通过调整压缩机降速速率和回流阀V8的开度防止再压缩机发生喘振。
降低主压缩机的转速时，控制主压缩机降速速率、阀门V17开度和回流阀V13开度防止主压缩机发生喘振。
进一步，还包括：当超临界二氧化碳循环系统变负荷时，如果超临界二氧化碳循环系统的循环分流系数小于0.318时，降低主压缩机的转速；
如果超临界二氧化碳循环系统的循环分流系数大于0.318时，升高主压缩机的转速。
进一步，当超临界二氧化碳循环系统变负荷时：
如果主压缩机入口实际压力值与主压缩机入口的设定压力值不等，将再压缩机入口压力偏差信号输入外环控制器PI2，利用外环控制器PI2得到再压缩机流量设定值；
测量再压缩机流量实际值，根据再压缩机流量实际值和再压缩机流量设定值得到再压缩机流量的偏差信号；
将再压缩机流量的偏差信号输入内环控制器PI3，利用内环控制器PI3控制再压缩机转速，通过内外环的串级控制系统将主压缩机入口压力控制在7.6MPa。
进一步，当超临界二氧化碳循环系统开启时：
从CO2排出阀V17抽空系统保护气，打开CO2充入阀V16；
启动主压缩机并提高主压缩机转速，启动低温回热器和预冷器；
待主压缩机、低温回热器和预冷器稳定运行后，启动再压缩机，逐步提高再压缩机的转速；
当再压缩机出口压力比主压缩机出口压力高时，改变三通阀V1的开度将再压缩机出口的CO2由三通阀V2转入三通阀V3，调整旁通阀V6开度保证压缩机入口状态为8MPa；
提高主压缩机、再压缩机转速，当超临界二氧化碳循环系统的循环流量大于额定流量的30％时，打开三通阀V4，提高锅炉的热负荷；
当透平入口工质温度达到100℃以上时，关闭旁通阀V21。
进一步，当超临界二氧化碳循环系统从0负荷升高到10％负荷时：
若发电机转速大于3000rpm，减小透平进气阀V20的开度；
若发电机转速小于3000rpm，增大透平进气阀V20的开度；
当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排气阀并关闭CO2充气阀，增大透平进气阀的开度；
当透平进气阀的开度大于80％时，打开CO2充气阀并关闭CO2排气阀，减小透平进气阀开度；
当超临界二氧化碳循环系统的负荷为满负荷时，将透平的入口温度控制目标设置为600℃；其中，控制管壁的升温速率为每分钟10℃。
本发明提供的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法具有以下有益效果：
本发明将S-CO2布雷顿循环发电系统停机过程主要分为三个阶段：第一阶段为系统从100％负荷降低到10％负荷的负荷跟随过程，利用阀门库存耦合控制系统的降负荷，保证系统在宽负荷范围内热效率维持在较高值；第二阶段为系统从10％负荷降低到0的降负荷过程，该过程通过降低透平的入口温度来实现，这样既可以保证在降负荷过程循环流量不降低，又可避免系统低负荷运行时锅炉可能的爆管事故发生；第三个阶段为各设备停机的过程，该过程考虑了锅炉内工质流量过低时潜在的气冷壁超温爆管风险和循环最低压力低于临界压力时对压缩机的气蚀风险。解决了现有技术中，S-CO2布雷顿循环系统的启停过程控制不能兼顾安全性和快速性的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种超临界二氧化碳循环系统示意图；
图2为本发明的一种超临界二氧化碳循环系统分阶段启动过程示意图；
图3为本发明的系统分流系数及最低压力控制策略示意图；
图4为本发明的阀门库存耦合变负荷控制策略示意图；
图5为本发明的S-CO2布雷顿循环系统停机控制策略示意图；
图6为本发明实施例中的S-CO2布雷顿循环系统主压缩机入口温度和压力的控制策略示意图；
图7为本发明实施例中的S-CO2布雷顿循环系统主、再压缩机防喘振控制策略示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，具体如图1-5所示，本发明的系统包括：系统包括：
CO2储气罐，其输出端与预冷器和再压缩器的输入端相连；预冷器，其输出端与主压缩机的输入端相连；主压缩机，其输出端与CO2储气罐的输入端相连；低温回热器，其第一输入端与主压缩机的输出端相连；高温回热器，其第一输入端与低温回热器的第一输出端、再压缩机的输出端相连；其第一输出端与锅炉的输入端相连；锅炉，去输入端与高温回热器的第一输出端相连；透平，其输入端与锅炉的输出端相连；其输出端与高温回热器的第二输入端相连；高温回热器的第二输出端与低温回热器的第二输入端与相连；低温回热器的第二输出端与预冷器和再压缩器的输入端相连；回流阀V8，其两端分别连接再压缩机的输入和输出端；透平进气阀V20，设于锅炉与透平的连接管道上；旁通阀V21，其两端连接透平进气阀V20和透平的输出端。
CO2排出阀V17，设于CO2储气罐的输入端。
CO2充气阀V16，设于CO2储气罐的输出端。
串联的三通阀V4和三通阀V3，设于高温回热器的第一输入端与低温回热器的第一输出端的连接管道上。
串联的三通阀V2和三通阀V5，设于高温回热器的第二输出端与低温回热器的第二输入端的连接管道上。
旁通阀V6，其两端连接三通阀V4和三通阀V5。
三通阀V1，其三端分别连接三通阀V2、三通阀V3、再压缩机的输出端。
本发明的启停方法包括：当超临界二氧化碳循环系统从100％负荷降低到10％负荷时：若发电机转速大于3000rpm，减小透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；若发电机转速小于3000rpm，增大透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排出阀V17并关闭CO2充气阀V16，增大透平进气阀的开度；当透平进气阀的开度大于80％时，打开CO2充气阀V16并关闭CO2排出阀V17，减小透平进气阀开度；当超临界二氧化碳循环系统从10％负荷降低到0的负荷时：通过降低透平的入口温度调节超临界二氧化碳循环系统的变负荷；当关闭超临界二氧化碳循环系统的设备时：待透平的入口温度降至100℃以下，打开透平进气阀V20连接旁通阀V21一侧，关闭透平进气阀V20连接透平一侧；打开旁通阀V6，当流经锅炉工质流量小于额定流量的30％时关停锅炉，保证锅炉热负荷的降低速度大于流经锅炉工质流量的减小速度的前提下减小三通阀V4流经锅炉一股的开度；待锅炉完全停机后，将三通阀V4流经锅炉一股的开度降为0，调整旁通阀V6开度保证超临界二氧化碳循环系统的循环最低压力在8MPa；关闭超临界二氧化碳循环系统中的再压缩机和主压缩机。
以下为本发明实施细节：
1S-CO2布雷顿循环负荷跟随控制策略
为实现S-CO2布雷顿循环发电系统快速、高效、安全稳定的负荷跟随，本发明设计了系统最低压力控制策略、系统分流系数控制策略、阀门库存联合控制策略、透平的入口温度控制策略、系统最低温度控制策略及压缩机防喘振控制策略。
其中，透平的入口温度控制策略与循环最低温度控制策略是为了保证在系统变负荷过程中循环效率维持在较高值。
循环最低压力控制策略与压缩机喘振控制策略是为了保证系统在变负荷过程中能够安全稳定运行。
阀门库存联合控制策略是为了实现系统快速高效的变负荷。
下面将详细阐述系统分流系数控制策略、循环最低压力控制策略和阀门库存联合控制策略。
1.1系统分流系数与循环最低压力控制策略：
S-CO2再压缩布雷顿循环系统的分流系数对循环热效率有很大影响，随着分流比的增大，循环效率呈现先增大后减小的趋势，不同压比存在一个最佳的分流比。本文设计压比对应的最佳分流比取为0.318。
系统分流系数控制策略如图3所示，以保证系统在变负荷过程中具有较高的循环效率。具体为：
当循环分流系数小于0.318时，降低主压缩机的转速，使得流经主压缩机的工质流量降低，流经再压缩机的流量增加，从而使得循环分流系数增加；反之，升高主压缩机的转速使得循环分流系数降低。当循环压力最低点即主压缩机入口压力接近临界点压力时，循环可获得较高的热效率。
本文设计了循环最低压力控制策略，以使得主压缩机入口压力维持7.6MPa。具体为：
当主压缩机入口压力与目标值不等时，将再压缩机入口压力偏差信号通过外环控制器PI2得到再压缩机流量设定值，而后将再压缩机流量的偏差信号通过内环控制器PI3控制再压缩机转速，通过内外环的串级控制系统将主压缩机入口压力控制在7.6MPa。
1.2.阀门库存联合控制策略：
为实现S-CO2发电系统变负荷快速和宽负荷高效，提出了阀门控制与库存控制耦合的负荷跟随控制策略，如图4所示。该控制策略根本优势在于发电系统变负荷的实现是通过库存控制实现的，但为了弥补库存控制的变负荷速度缓慢的缺陷，利用库存控制快速调整系统发电负荷到目标值，同时将阀门控制实现的负荷改变逐渐转变为库存控制，从而避免阀门控制本身效率较低的缺点。可见，阀门库存耦合变负荷控制策略通过阀门控制实现系统快速变负荷，通过库存控制保证系统在宽负荷范围内热效率维持在较高值。
为满足发电频率的要求，将发电机转速的目标值设定为3000rpm。当发电机转速大于3000rpm时，减小透平进气阀的开度，使得透平进气压力降低，透平输出扭矩减小，使得发电机转速降低；反之，增大透平进气阀的开度，使得发电机转速升高。
此外，考虑到以下因素：1.透平进气阀开度过小会导致节流损失过大；2.透平进气阀开度作为评价系统发电与电网需求是否匹配的指标，需确保阀门有向上可调裕度，本文将透平进气阀开度的目标值选定为80％。阀门控制选择透平进气阀而非透平旁通阀作为主要执行机构原因在于透平进气阀的开度能双向反映发电侧与电网侧负荷的匹配与否，而旁通阀开度仅能单向反映。当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排气阀并关闭CO2充气阀，以减小系统的CO2库存，进而减小系统的循环流量，使得透平发电量降低，透平进气阀开度增大；反之，打开CO2充气阀并关闭CO2排气阀，使得透平进气阀开度减小。
2.S-CO2布雷顿循环启停控制策略
2.1S-CO2布雷顿循环停机控制策略：
为实现S-CO2循环发电系统安全、快速、高效的停机，本发明将系统的停机策略主要分为三个阶段。
其中，第一阶段为系统从100％负荷降低到10％负荷的负荷跟随过程，该阶段采用第1节所介绍的阀门库存耦合变负荷控制策略，该阶段的控制策略主要包括主压缩机入口压力控制、主压缩机温度控制、循环分流系数控制、透平的入口温度控制、压缩机防喘振控制和阀门库存耦合负荷跟随控制策略。
降负荷的第二阶段为系统从10％负荷降低到0的负荷跟随过程，当系统仍采用相同的负荷跟随控制策略会存在相应的问题，
主要有以下几点：1当该阶段仍采用阀门库存控制来实现降负荷时，循环的流量会进一步降低，进而导致锅炉内部工质流量小于额定流量的30％，这不满足锅炉安全稳定运行的要求；2循环以更低流量运行时，主、再压缩机发生喘振的风险升高；3当系统发电负荷进一步降低时，循环的最高压力已经降低至10MPa以下运行，循环的最低压力控制难以实现，进而导致工质进入跨临界状态运行。因此，对于10％到0的降负荷过程通过降低透平的入口温度，这样既可以保证在降负荷过程循环流量不降低，又可避免系统低负荷运行时锅炉可能的爆管事故发生。
系统停机的第三个阶段各设备停机的过程，主要分为以下几个步骤：
1.进一步降低锅炉的热负荷，当透平的入口温度降值100℃以下时，打开旁通阀V21，关闭流经透平一股的三通阀，使得CO2不再流经透平做功；2.逐步打开旁通阀V6，当流经锅炉工质流量小于额定流量的30％时关停锅炉，并逐步减小三通阀V4流经锅炉一股的开度，注意锅炉热负荷的降低速度应大于流经锅炉工质流量的减小速度，确保工质对管壁面的充分冷却；3.待锅炉完全停机后，将三通阀V4流经锅炉一股的开度降为0，通过调整V6阀门开度保证循环最低压力在8MPa左右；4.逐渐降低再压缩机的转速，再压缩机转速降低意味着流经压缩机流量的减少，注意调整压缩机降速速率和回流阀V8的开度，防止再压缩机发生喘振；5.改变三通阀V1的开度，使得再压缩机出口CO2流入V2，再压缩机转速进一步降低至0；6.降低主压缩机的转速，并打开CO2排出阀V17，注意控制主压缩机降速速率、V17阀门开度和回流阀V13开度，避免压缩机发生喘振；7.主压缩降低至0，通过压缩机抽空系统库存工质并充入保护气，防止系统长期停机造成的腐蚀和氧化。与第一阶段不同，系统停机的第二、三阶段需着重关注的是安全性和快速性，可适当忽略高效性。
2.2S-CO2布雷顿循环启动控制策略：
为实现S-CO2循环发电系统安全、快速、高效的启动，本节将系统的启动策略主要分为三个阶段。
其中，第一阶段为系统从厂用电到发电负荷到0％的过程，该阶段主要分为以下几个步骤：
1抽空系统保护气，打开CO2充入阀V16；2启动主压缩机并逐步提高转速，注意控制主压缩机升速速率、V16阀门开度和回流阀V13开度，避免压缩机发生喘振及主压缩机入口CO2进入亚临界状态，此时系统启用了主压缩机、低温回热器和预冷器三个设备；3待以上设备稳定运行之后，启动再压缩机并逐步提高转速，注意调整再压缩机降速速率和回流阀V8的开度，防止再压缩机发生喘振及再压缩机入口CO2进入亚临界状态；4当再压缩机出口压力比主压缩机出口压力高时，改变三通阀V1的开度，使得再压缩机出口CO2流入由V2转入V3，注意调整V6阀门开度保证压缩机入口状态在8MPa左右；5进一步提高主、再压缩机转速，当循环流量大于额定流量的30％时，打开V4阀流经锅炉，并逐渐提高锅炉的热负荷，注意锅炉热负荷的升高速度应小于流经锅炉工质流量的增大速度，确保工质对管壁面的充分冷却；6当透平入口工质温度达到100℃以上时，逐渐关闭旁通阀V21，工质进入透平开始做功。通过第一阶段的一系列步骤，S-CO2循环发电系统各设备完成了启动过程，系统的启动过程进入
第二个阶段即0～10％的升负荷过程，考虑到系统运行的安全性，该阶段在继承第1节所介绍的阀门库存耦合变负荷控制策略的基础上做出了相应的改进，改进主要体现在透平的入口温度控制目标随负荷的变化而变化，该阶段的升负荷主要是通过将提升加热器的热负荷来实现的，该阶段完成之后透平的入口温度分别提升至600℃和620℃，该阶段在保证系统升负荷速率较高的前提下限制管壁的升温速率。
系统的启动过程第三个阶段为10％负荷升高到100％负荷的负荷跟随过程，该阶段的控制策略主要包括主压缩机入口压力控制、主压缩机温度控制、循环分流系数控制、透平的入口温度控制、压缩机防喘振控制和阀门库存耦合负荷跟随控制策略。S-CO2布雷顿循环整个启动控制策略如图5所示。
以下为S-CO2布雷顿循环系统的控制策略：
1、主压缩机入口状态控制策略：
当循环工质进入亚临界状态运行时会使得压缩机发生气蚀，严重减少压缩机的运行寿命，因此需要设计相应的控制系统保证主压缩机入口温度和压力均大于临界点状态。本文分别设计了主压缩机入口温度和压力的控制策略，如图6所示。
主压缩机入口温度的控制逻辑可表述为：当主压缩机入口温度大于设定值时，提高冷却水泵的转速来增加冷却水的流量使主压缩机入口温度降低；反之，降低冷却水泵的转速使主压缩机入口温度升高。在调整冷却水泵转速的过程中需保证转速在500r·min-1～2000r·min-1的安全范围内变化。此外，主压缩机入口压力的控制逻辑可表述为：当主压缩机入口压力与目标值不等时，将再压缩机入口压力偏差信号通过外环控制器PI4得到再压缩机流量设定值，而后将再压缩机流量的偏差信号通过内环控制器PI5控制再压缩机转速，通过内、外环的串级控制系统将主压缩机入口压力控制在设定目标值附近波动，保证系统安全高效运行。
2、压缩机防喘振控制策略：
压缩机是S-CO2再压缩布雷顿循环的关键设备，它的安全对于系统的稳定运行是至关重要的。压缩机常见的安全隐患即为喘振问题。当压缩机的转速、压比和流量不能协调变化时，流量就会出现强烈的振荡，并发出“咆哮”声，这种现象会造成设备叶轮、主轴、轴承和叶片等重要部件损坏，有时甚至会导致整个机组报废。因此，在系统运行过程必须设计主、再压缩机防喘振控制系统。本文设计的主、再压缩机防喘振控制策略如图7所示。主压缩机防喘振控制逻辑可表述为：
当主压缩机的相对流量与相对压比与喘振点之差即喘振裕度大于0.2时，表明压缩机未发生喘振，主压缩机回流阀关闭；当当主压缩机的相对流量与相对压比与喘振点之差即喘振裕度小于0.2时，表明压缩机存在喘振风险，需打开主压缩机回流阀来增加压缩机的流量防止喘振问题的发生。再压缩机防喘振控制逻辑可表述为：当再压缩机的相对流量与相对压比与喘振点之差即喘振裕度大于0.2时，表明压缩机未发生喘振，再压缩机回流阀关闭；当再压缩机的相对流量与相对压比与喘振点之差即喘振裕度小于0.2时，表明再压缩机存在喘振风险，需打开再压缩机回流阀来增加压缩机的流量防止喘振问题的发生。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，包括：
当超临界二氧化碳循环系统从100％负荷降低到10％负荷时：
若发电机转速大于3000rpm，减小透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；若发电机转速小于3000rpm，增大透平进气阀V20朝向透平一侧的开度；当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排出阀V17并关闭CO2充气阀V16，增大透平进气阀的开度；当透平进气阀的开度大于80％时，打开CO2充气阀V16并关闭CO2排出阀V17，减小透平进气阀开度；
当超临界二氧化碳循环系统从10％负荷降低到0的负荷时：
通过降低透平的入口温度调节超临界二氧化碳循环系统的变负荷；
当关闭超临界二氧化碳循环系统的设备时：
待透平的入口温度降至100℃以下，打开透平进气阀V20连接旁通阀V21一侧，关闭透平进气阀V20连接透平一侧；打开旁通阀V6，当流经锅炉工质流量小于额定流量的30％时关停锅炉，保证锅炉热负荷的降低速度大于流经锅炉工质流量的减小速度的前提下减小三通阀V4流经锅炉一股的开度；待锅炉完全停机后，将三通阀V4流经锅炉一股的开度降为0，调整旁通阀V6开度保证超临界二氧化碳循环系统的循环最低压力在8MPa；
关闭超临界二氧化碳循环系统中的再压缩机和主压缩机。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，所述关闭再压缩机和主压缩机，包括：
降低再压缩机的转速；打开三通阀V1连接三通阀V2一侧，将再压缩机转速降低至0；
降低主压缩机的转速，打开CO2排出阀V17；当主压缩机转速降低至0时，从CO2排出阀V17抽空系统库存工质并从CO2充气阀V16充入保护气。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，降低再压缩机的转速时，通过调整压缩机降速速率和回流阀V8的开度防止再压缩机发生喘振。
降低主压缩机的转速时，控制主压缩机降速速率、阀门V17开度和回流阀V13开度防止主压缩机发生喘振。
4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，还包括：当超临界二氧化碳循环系统变负荷时，如果超临界二氧化碳循环系统的循环分流系数小于0.318时，降低主压缩机的转速；
如果超临界二氧化碳循环系统的循环分流系数大于0.318时，升高主压缩机的转速。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，当超临界二氧化碳循环系统变负荷时：
如果主压缩机入口实际压力值与主压缩机入口的设定压力值不等，将再压缩机入口压力偏差信号输入外环控制器PI2，利用外环控制器PI2得到再压缩机流量设定值；
测量再压缩机流量实际值，根据再压缩机流量实际值和再压缩机流量设定值得到再压缩机流量的偏差信号；
将再压缩机流量的偏差信号输入内环控制器PI3，利用内环控制器PI3控制再压缩机转速，通过内外环的串级控制系统将主压缩机入口压力控制在7.6MPa。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，当超临界二氧化碳循环系统开启时：
从CO2排出阀V17抽空系统保护气，打开CO2充入阀V16；
启动主压缩机并提高主压缩机转速，启动低温回热器和预冷器；
待主压缩机、低温回热器和预冷器稳定运行后，启动再压缩机，逐步提高再压缩机的转速；
当再压缩机出口压力比主压缩机出口压力高时，改变三通阀V1的开度将再压缩机出口的CO2由三通阀V2转入三通阀V3，调整旁通阀V6开度保证压缩机入口状态为8MPa；
提高主压缩机、再压缩机转速，当超临界二氧化碳循环系统的循环流量大于额定流量的30％时，打开三通阀V4，提高锅炉的热负荷；
当透平入口工质温度达到100℃以上时，关闭旁通阀V21。
7.根据权利要求6所述的一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法，其特征在于，当超临界二氧化碳循环系统从0负荷升高到10％负荷时：
若发电机转速大于3000rpm，减小透平进气阀V20的开度；
若发电机转速小于3000rpm，增大透平进气阀V20的开度；
当透平进气阀的开度小于80％时，打开CO2排气阀并关闭CO2充气阀，增大透平进气阀的开度；
当透平进气阀的开度大于80％时，打开CO2充气阀并关闭CO2排气阀，减小透平进气阀开度；
当超临界二氧化碳循环系统的负荷为满负荷时，将透平的入口温度控制目标设置为600℃；其中，控制管壁的升温速率为每分钟10℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310657235.7A CN116753049A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310657235.7A CN116753049A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116753049A true CN116753049A (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=87954480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310657235.7A Pending CN116753049A (zh) | 2023-06-05 | 2023-06-05 | 一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116753049A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117662264A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-03-08 | 中国科学院上海高等研究院 | 超临界二氧化碳循环发电控制方法及系统 |
-
2023
- 2023-06-05 CN CN202310657235.7A patent/CN116753049A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117662264A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-03-08 | 中国科学院上海高等研究院 | 超临界二氧化碳循环发电控制方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105626266A (zh) | 一种燃气轮机防喘振放气能量回收利用系统 | |
| CN116753049A (zh) | 一种超临界二氧化碳循环系统的启停方法 | |
| CN113137293B (zh) | 一种超临界二氧化碳循环系统以及透平调节和紧急停机方法 | |
| CN214660403U (zh) | 一种超临界二氧化碳发电同轴一体设备及置换式储能系统 | |
| CN113027552A (zh) | 超临界二氧化碳发电控制系统及运行方式 | |
| CN115263476B (zh) | 一种超临界二氧化碳串联式双透平发电系统的控制方法 | |
| CN113266438B (zh) | 一种基于高温气冷堆的运行控制系统及方法 | |
| CN107939460B (zh) | 一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组 | |
| CN113187573A (zh) | 一种超临界二氧化碳发电同轴一体设备及置换式储能方法 | |
| CN110067604B (zh) | 一种多级膨胀发电机启动阶段排气调节系统和方法 | |
| CN113464230A (zh) | 一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统及控制方法 | |
| CN112071457B (zh) | 一种超临界二氧化碳直接冷却反应堆系统用负荷跟踪方法 | |
| JPWO2019220786A1 (ja) | 蒸気タービンプラント、及びその冷却方法 | |
| CN215333025U (zh) | 一种可调背压的超临界二氧化碳循环发电系统 | |
| CN110836131A (zh) | 一种超临界二氧化碳再压缩循环透平机械系统 | |
| JP2016070223A (ja) | 蒸気タービン設備及び蒸気タービン設備の制御方法 | |
| CN107476996B (zh) | 发电机组 | |
| CN115750016B (zh) | 一种超临界二氧化碳再压缩循环系统的停机系统及方法 | |
| JP5550787B2 (ja) | 閉サイクルガスタービン | |
| CN212318105U (zh) | 一种变频余热发电机组 | |
| CN111156058B (zh) | 一种回热汽轮机运行压力控制方法 | |
| KR101852187B1 (ko) | 복수기의 운전을 위한 냉각수 유량제어 방법 | |
| CN113431639A (zh) | 一种新型给水泵调速装置及方法 | |
| CN112081635A (zh) | 一种消除汽轮机中压缸鼓风现象的方法及系统 | |
| CN214660394U (zh) | 一种超临界二氧化碳循环系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |