CN116907119A - 一种超导加速器余热回收利用平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导加速器余热回收利用平台，其特征在于，多能互补驱动单元将高温热能输入发生器加热工质对溶液产生循环工质蒸气输入冷凝器；冷凝器对输入的循环工质蒸汽进行凝结放热后经溶液热交换器输入节流阀，节流阀将输入流量变为循环工质饱和气与饱和液的混合物输入蒸发器；蒸发器利用余热冷却水塔的热量将混合物变为循环工质蒸气后输入吸收器；吸收器内利用其内部的工质对溶液对循环工质蒸气进行吸收变成工质对稀溶液；吸收器将工质对稀溶液泵送到发生器；发生器将产生的工质对浓溶液输入吸收器；在制热工况时冷凝器将吸收器输出的热水作为热源输出给供热单元；在制冷工况时蒸发器将冷却换热得到的冷媒供水作为冷源输出给所选制冷单元。
Description
技术领域
本发明属于超导加速器技术领域，涉及一种超导加速器余热回收利用平台；利用吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用流程和控制方法，所述吸收式冷热联系统包括多能互补驱动单元、超导加速器能量补给连接单元、热/冷用户单元及用于制热和制冷工况的吸收式冷热联供单元；本发明基于非线性模型的闭环优化控制策略(NonlinearModel Predictive Control，NMPC)，保证稳定的冷能和热能产品输出，以此提高所述吸收式冷热联供系统的能量供应的稳定性，从而满足用户需求。
背景技术
高功率、高亮度的加速器在成为人类研究粒子和原子核研究过程中的重要工具的同时，往往需要消耗大量电能。目前世界最大的欧洲核子研究中心(CERN)建造的大型强子对撞机(LHC)，环形隧道长度达到27公里，一年耗电量可达1300GWh，相当于瑞士日内瓦年耗电量的三分之一。随着欧洲能源危机加剧，决定在欧洲用电需求高峰期将优先关闭部分加速器以降低25％的消耗；CERN收到法国电力公司减轻电网负担的请求后，决定缩短2023年运行时间将再削减20％，但因其1.9K液氦低温冷却系统仍然需要为超导磁铁维持低温，关停并不意味着完全不耗电，消耗电量降至约500GWh。
美国《大众科学》月刊报道指出，粒子加速器设施亟需降低能源消耗，向“绿色”挺进，利用永磁铁替代电磁铁从而减少能源使用，加强能量梯级利用、高效利用排放出的废热等技术。据美国康奈尔大学官网报道，ERL试验加速器(CBETA)通过使用不需要电力的永磁铁替代电磁铁减少能源消耗。在一次关键实验中，CBETA加速器回收99.8％的能量。这意味着，提供给主加速装置的能量比没有能量回收装置的加速束流要快500倍；2019年7月23日，CERN已与法国地方当局签署协议，对LHC 8号点产生的热能进行回收利用，从2022年起为Ferney-Voltaire镇供暖系统提供热水，多达8000人的家庭受益，能以更低的成本和更少的二氧化碳排放得到供暖。CERN能源协调员Serge Claudet说：“在CERN许多系统和装置(低温、电子、通风等)都是用冷却水来冷却废热："离开回路的热水温度可以达到30°，这在能源回收方面非常有用"。2018年，ESS与德国公用事业公司E.ON签署了一项协议，该公司承诺向ESS提供冷却水，并与当地能源公司Kraftringen合作，回收热水用于隆德的家庭供暖和为自行车道除冰。而我国计划建造的环形正负电子对撞机(CEPC)长度是LHC的4倍，在Higgs50MW运行模式下，1小时耗电量为34.0万kWh，按照8000小时运行计算，每年耗电量将高达2720GWh。其中，束流功耗约占系统总功耗1/3，其余2/3的电功耗大部分都变成低品位的热能被冷却水带走直接排放，没有发挥“余热”真正的应用价值从而造成能源浪费。CEPC工艺循环冷却水的热负载为282MW，且产热点(热源点)分散且距离较远(100公里共计16个工艺循环冷却水站，约6公里一个工艺循环冷却水供给点)。
随着科技进步，通过热泵技术、太阳能光-电技术、光-热技术等手段可以将这部分难以直接利用的低品位能源转化为可利用的高品位能源，对整个加速器项目的能源进行合理规划，优化配置，势必会减少很多不必要的能源浪费。目前，热泵技术是全世界备受关注的低品位能源再利用技术，通过消耗一定的能量(电、燃气等)将热量从低位热源向高位热源转移，其制热效率是传统制热方式(电热锅炉、燃气锅炉等)的好几倍，节约能源的同时还降低了对环境的污染。目前市面上能兼顾制热/制冷功能的热泵机组，多用于中小规模建筑的供冷和供暖，常采用完全并联，即制冷机在非供热时期使用，热泵在供热期使用，效率较低，且热泵的动态响应机制不够，即适应服务对象系统的非线性的动态负荷变化能力偏弱。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超导加速器余热回收利用平台，通过吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用。可回收冷却水系统中的余热，正式项目中余热回收量282MW，年回收292万GJ，回收的这部分余热，在冬季可产生高温热水(80℃)，回收余热提供热水/供暖，节能减碳；夏季产生低温冷水(10℃)，多能互补制冷，用于制冷吹空调使用，降低电耗。
本发明创新性地提出采用“吸收式冷热联供系统”充分利用低品位热源，冬季供热夏季制冷，驱动热源可利用光热+燃气互补，提高中低品位能源的利用效率，其创新之处在于吸收式技术可利用中低品位热能驱动，具有更高的能效、更低的碳排放，如图1所示。
本发明的技术方案为：
一种超导加速器余热回收利用平台，其特征在于，包括多能互补驱动单元、发生器、溶液泵、吸收器、精馏器、冷凝器、溶液热交换器、蒸发器、节流阀；
所述多能互补驱动单元与所述发生器连接，用于将高温热能输入给所述发生器，利用高温热能加热所述发生器中的工质对溶液，产生高温高压的循环工质蒸气；
所述发生器经所述精馏器与所述冷凝器连接，用于将高温高压的循环工质蒸气输入所述冷凝器；
所述冷凝器经所述节流阀与所述蒸发器连接，用于对输入的循环工质蒸汽进行凝结放热变为高温高压的循环工质液体经所述溶液热交换器输入所述节流阀，所述节流阀将所述循环工质液体后变为低温低压的循环工质饱和气与循环工质饱和液的混合物，输入所述蒸发器；
所述蒸发器与低温热源连接，用于利用所述低温热源的热量将输入的所述混合物变为循环工质蒸气后输入所述吸收器；
所述吸收器内利用其内部的工质对溶液对输入的循环工质蒸气进行吸收变成工质对稀溶液；
所述吸收器经所述溶液泵与所述发生器连接，用于利用所述溶液泵将所述工质对稀溶液泵送到所述发生器；
所述发生器与所述吸收器连接，用于将产生的工质对浓溶液输入所述吸收器；
所述低温热源为用于存储超导加速器产生的废热的余热冷却水塔；
在制热工况时，所述吸收器输出的热水输入到所述冷凝器中，所述冷凝器将返回的热水利用所述发生器输出的循环工质蒸气加热后作为热源输出给所选供热单元；
在制冷工况时，所述蒸发器将冷却换热得到的冷媒供水作为冷源输出给所选制冷单元。
进一步的，所述精馏器用于加热吸收液C，使吸收液C中的制冷剂A汽化，从而将所述吸收液C分离为吸收液B与制冷剂A，将制冷剂A输入所述冷凝器中，将吸收液B经所述溶液热交换器输入所述节流阀；所述吸收液C为高温高压的循环工质蒸气。
进一步的，还包括一热交换器；所述吸收器经所述热交换器、所述溶液泵与所述发生器连接；所述发生器经所述热交换器与所述吸收器连接；所述热交换器中所述发生器输出的工质对浓溶液与所述吸收器输出的工质对稀溶液进行热交换，用于提高进入吸收器的浓溶液温度，减少吸收器的冷却负荷。
进一步的，所述多能互补驱动单元包括太阳能加热器、燃气加热器和热油泵；所述热油泵用于将太阳能加热器或燃气加热器输出的高温热能输入给所述发生器。
进一步的，所述工质对溶液包含制冷剂和吸收剂；所述工质对稀溶液中的制冷剂浓度低于所述工质对溶液为中的制冷剂浓度，所述工质对浓溶液中的制冷剂浓度高于所述工质对溶液为中的制冷剂浓度。
进一步的，所述工质对溶液为氨-水，其中氨为制冷剂，水为吸收剂。
进一步的，所述蒸发器排出的低温水通过冷媒泵返回所述余热冷却水塔。
本发明的优点如下：
本发明能够达到能源多级利用，充分利用超导加速器系统中低品位余热。本发明对测试平台进行相应的实验验证，在冬季工况中：冬季回收余热产生高温热水(80℃)，节能减碳；在夏季工况中：产生低温冷水(7℃)替代现有的电制冷(吹空调)，降低制冷电耗，用于制冷吹空调使用。多能互补热源驱动包括燃气+光热结合，20～30kW热功率太阳能集热系统；最高输热温度150℃，与燃气互补驱动吸收式制冷与热泵系统，实现余热的高效回收。本发明基于非线性模型的闭环优化控制策略(Nonlinear Model Predictive Control，NMPC)，保证稳定的冷能和热能产品输出，以此提高所述吸收式冷热联供系统的能量供应的稳定性，从而满足用户需求。
附图说明
图1为吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用平台；
(a)制热工况，(b)制冷工况。
图2为吸收式冷热联供机组与加速器冷却水系统接入方案示意图。
图3为非线性模型预测控制(NMPC)基本控制结构图。
图4为余热再利用过程中一个典型案例示意图。
图5非线性模型预测控制(NMPC)方法应用案例图；
(a)液位高度随时间变化规律，(b)预测高度误差。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的技术方案为：
一种吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用平台，吸收式冷热联供机组独特优点：
·用一套机组，可同时实现冬季制热，夏季制冷的需求；
·冬季回收余热产生高温热水(80℃)，节能减碳；夏季还能产生低温冷水(7℃)替代现有的电制冷(吹空调)，降低制冷电耗；
·多能互补(燃气+光热)驱动热源。
一种吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用平台，工质对溶液为氨-水，其中氨为制冷剂A，水为吸收剂，吸收剂吸收制冷剂变成吸收液B，其特征在于，包括：
吸收式热泵(如图1制热工况)是利用热能驱动工质循环，实现热量从低温热源向高温热源转移，适用于有废热或通过煤、气、油及其他燃料获得低成本热能的场合。吸收式热泵是利用两种沸点不同的物质组成的溶液(工质对溶液)的气液平衡特性来工作的。吸收式制冷(如图1制冷工况)是利用吸收剂对制冷剂的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程。吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成。一种吸收式冷热联供系统对超导加速器系统余热回收利用平台的基本工作过程如下：
利用高温热能加热发生器中的工质对溶液，产生高温高压的循环工质蒸气，进入冷凝器。此处的高温热能是由太阳能集成器和燃气互补方式来提供的热能(110～120℃)；在冷凝器中循环工质凝结放热变为高温高压的循环工质液体，进入节流阀；经节流阀后变为低温低压的循环工质饱和气和饱和液的混合物，进入蒸发器；在蒸发器中循环工质吸收低温热源的热量变为蒸气，进入吸收器。此处的低温热源则是来自超导加速器产生的废热储存在余热冷却水塔中的余热(30～35℃)；在吸收器中循环工质蒸气被工质对溶液吸收变成稀溶液，吸收了循环工质蒸气的工质对稀溶液不断被溶液泵送到高温热能加热发生器，此处的稀溶液和浓溶液是相对而言的，工质对溶液为氨水溶液，氨浓度低为工质对稀溶液，氨浓度高为工质对浓溶液；同时产生了循环工质蒸气的高温热能加热发生器中的工质对浓溶液不断被送往吸收器，维持高温热能加热发生器和吸收器液位、浓度和温度的稳定，实现吸收式热泵的连续工作。
为了从温度较低的塔顶冷凝器中取出热量，同时又把这部分热量送入到温度较高的塔釜蒸发器，从高温热能加热发生器出来的高温高压循环工质蒸气(吸收液C)经过一个精馏器组成热泵精馏系统，精馏器可以加热吸收液C，因为C中含有热交换用的制冷剂A，使制冷剂A从吸收液C中汽化，从而分离为吸收液B与制冷剂A，制冷剂A进一步进入冷凝器中。吸收液B返回到发生器中。
在冷凝器后先通过一个溶液热交换器使得充分换热通过节流阀进入蒸发器。发生器需要驱动热源，本发明的发生器驱动热源主要是由太阳能集热器、燃气组成的光热、生物质、燃气等多能互补型的驱动热源型式，已满足不同季节不同工况下驱动热源的稳定性要求。
冬季工况下：从加速器返回的冷却水贮存在冷却水塔，提供一个35℃温度稳定的恒温源，进入到蒸发器中利用回收冷却水中的余热，出来的回水温度20℃通过冷媒泵返回循环。从吸收器输出的热水经过热媒泵和冷水机组送回到冷凝器中，冷凝器的工作压力1.7MPa，将返回的57℃水通过从发生器来的高温工质被加热到85℃热水，为热用户提供热水/供暖；
夏季工况下：冷凝器的工作压力1.1～1.2MPa，从发生器来的高温工质被冷凝到35℃，经过节流阀温度变为5℃，从蒸发器冷却换热得到7℃冷媒供水，为冷用户提供空调接入冷源，为隧道内或者园区内新风空调提供稳定的冷源，替代现有电制冷，节省耗电。
基于多能互补吸收式冷热联供的CEPC余热回收再利用的整套循环中，可以分为两个部分，一是工质的循环，从发生器出来，途径精馏器、冷凝器、节流阀、蒸发器，到吸收器；二是溶液的循环，如图1中虚框内，由吸收器、热交换器、溶液泵和发生器组成。位于热发生器与吸收器之间的热交换器把发生器输出的工质对浓溶液与吸收器出口的稀溶液进行热交换，发生器出口温度较高的工质对溶液由发生器泵输送，经热交换器后温度升高，可以提高进入吸收器的浓溶液温度，减少吸收器的冷却负荷。两个循环中的工质循环与蒸汽压缩式热泵的工质循环基本是相同的，溶液的循环起到了蒸气压缩式热泵系统中压缩机的功能。
吸收式冷热联供机组与加速器冷却水系统接入方案示意图如图2所示。工艺循环冷却水提供10℃入口的冷却水给超导加速器部件(低温制冷机氦压缩机、超导磁铁、减压降温泵、功率源、电源等)，回水温度为35℃左右储存在余热冷却水塔中，通过阀门开关控制冷却水回水接入到吸收式冷热联供机组，为蒸发器提供低温热源；此外，高温热能由太阳能集成器和燃气互补方式来为吸收式冷热联供机组中发生器提供高温热能(110～120℃)。吸收式冷热联供机组吸收了加速器产生的废热低温热源和高温热能，利用两种沸点不同的物质组成的溶液工质对(氨水工质对)的气液平衡特性来工作，为热/冷用户提供两个出口，一个提供80℃热水出口，一个提供7℃冷水出口，分别为园区提供热水/供暖和制冷吹空调。
对于超导加速器产生的余热回收再利用，并为用户供给热量或冷量的过程，其先进控制存在较大难点，因为过程对象时常受到环境变化、操作条件改变等不确定性的影响，如何针对特定工况发展有针对性的先进控制策略，目前仍是亟待解决的问题。本发明基于非线性模型的闭环优化控制策略(Nonlinear Model Predictive Control，NMPC)，保证稳定的冷能和热能产品输出，以此提高所述吸收式冷热联供系统的能量供应的稳定性，从而满足用户需求。
非线性模型预测控制(NMPC)，即非线性预测模型，是一种基于非线性模型的闭环优化控制策略，其核心是在每个采样周期，以系统当前状态为起点，在线求解有限时域开环最优问题，得到一个最优控制序列，并将该序列的第一个控制量作用于被控系统，作为一种有限时域滚动优化策略，NMPC具有三个基本要素：预测模型、滚动优化和反馈校正。这一算法的基本结构如图3所示，其中y是系统当前输出，yr是根据设定值w和y求得的参考轨迹，ym是预测模型的直接输出，yp是经反馈校正后的预测输出，虚线部分ym将与y之间的偏差e反馈给预测器以便进行反馈校正。各部分的功能如下：
参考轨迹：它对改善闭环系统的动态特性及鲁棒性起重要作用，根据y和设定值生成的yr是从系统当前输出到设定值的一条光滑轨迹。
滚动优化：在每个采样周期，求解有限时域优化问题，并将求出的最优控制序列中对应当前时刻的部分应用于被控对象。
预测模型和预测器：基于模型和系统信息求出预测值ym,并根据过去的预测偏差信息，对其进行反馈校正，得到校正后的预测输出。
来自冷热联供机组的热量/冷量(通常制热和制冷不一起用，所以只画出一个入口)贮存在一个罐子(surge tank)中，热/冷用户从罐子中获取热量/冷量后通过泵返回到冷热联供机组中；当用户负载端存在一定扰动，对储罐的液位带来较大波动，进而影响用户的使用，这就要求冷热联供机组的产出端和用户使用端做好能力匹配，增强余热再利用的稳定性和可靠性。因此，在热油泵(制热工况)/冷媒泵(制冷工况)和冷热联供机组之间设置非线性模型预测控制(NMPC)，采集用户端返回冷热联供机组的温度、压力和流量等信息，基于模型和系统输入信息，求出预测值，并根据过去的预测偏差信息，对其进行反馈校正，得到校正后的预测输出，即储罐液位高度随时间变化和误差。非线性模型预测控制(NMPC)的基本控制原理：
在非线性模型预测控制中，系统模型是非线性的，因此，相应的预测模型也是非线性的，设非线性系统的模型：
其中，x∈Rm，u∈Rm，y∈Rp。根据这一模型，在k时刻只要知道对象的初始状态x(k)及其未来的控制输入u(k),u(k+1),…，便可预测对象在未来各时刻的模型输出
其中，i＝1,2,……。
通过递推，可以得到非线性系统的预测模型： 其中，Fi是由f(·)及g(·)复合而成的非线性函数。
由于实际受控系统总包含某些不确定因素，利用上述模型预测，不能完全精确地描述对象的动态行为，因此可以在实测输出的基础上通过误差预测和补偿对预测模型进行反馈校正。记k时刻测得的实际输出为y(k)，则可由构成预测误差，并根据历史的误差信息e(k),……,e(k-q)，通过误差预测/>校正基于模型的预测，并构成对输出的闭环预测。其中，/>为非线性函数，是非因果预测方法，在k时刻，控制的目的是要求算出该时刻起的M个控制量u(k),…u(k+M-1)(假设u在k+M-1时刻后保持不变)，使输出某一性能指标最优：
其中，
式中，w(k+i)为k+i时刻的期望输出，M和P的含义与线性预测控制相同。这样，在线的滚动优化就是在闭环预测(下式)的约束下，寻找控制作用使性能指标取极小的问题。如果可由此求出最优的u*(k),....,u*(k+M-1),则在k时刻实施控制u*(k)。到下一个采样时刻，检测系统的实际输出进行误差校正后，又重复进行优化，这就是非线性系统预测控制问题的一般描述。
举一个例子加以说明，NMPC的原理示意图如图4所示。
余热再利用过程中一个典型案例的输入信息：包括储罐的尺寸信息，输入物流的温度、压力和流量等，汇总见表1所示。将扰动简化成一个函数输入： 基于以上问题，用上述的非线性模型预测控制(NMPC)方法为此过程建立非线性预测模型，基于模型和系统输入信息，求出预测值，并根据过去的预测偏差信息，对其进行反馈校正，得到校正后的预测输出，即储罐液位高度随时间变化和误差如图5所示，可以看出预测误差在±0.5％波动以内，说明非线性模型预测控制(NMPC)方法可以很好地用于非线性模型的预测，在对于实际生产和应用中具有非常重要的意义。
表1余热再利用过程中一个典型案例的输入信息
| 条目 | 数值 | 条目 | 数值 |
| 储罐高L/m | 1.5 | 输入温度T/℃ | 85 |
| 储罐直径D/m | 1 | 压力P/bara | 1.5 |
| 流量m/(标方/天) | 50 |
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种超导加速器余热回收利用平台，其特征在于，包括多能互补驱动单元、发生器、溶液泵、吸收器、精馏器、冷凝器、溶液热交换器、蒸发器、节流阀；
所述多能互补驱动单元与所述发生器连接，用于将高温热能输入给所述发生器，利用高温热能加热所述发生器中的工质对溶液，产生高温高压的循环工质蒸气；
所述发生器经所述精馏器与所述冷凝器连接，用于将高温高压的循环工质蒸气输入所述冷凝器；
所述冷凝器经所述节流阀与所述蒸发器连接，用于对输入的循环工质蒸汽进行凝结放热变为高温高压的循环工质液体经所述溶液热交换器输入所述节流阀，所述节流阀将所述循环工质液体后变为低温低压的循环工质饱和气与循环工质饱和液的混合物，输入所述蒸发器；
所述蒸发器与低温热源连接，用于利用所述低温热源的热量将输入的所述混合物变为循环工质蒸气后输入所述吸收器；
所述吸收器内利用其内部的工质对溶液对输入的循环工质蒸气进行吸收变成工质对稀溶液；
所述吸收器经所述溶液泵与所述发生器连接，用于利用所述溶液泵将所述工质对稀溶液泵送到所述发生器；
所述发生器与所述吸收器连接，用于将产生的工质对浓溶液输入所述吸收器；
所述低温热源为用于存储超导加速器产生的废热的余热冷却水塔；
在制热工况时，所述吸收器输出的热水输入到所述冷凝器中，所述冷凝器将返回的热水利用所述发生器输出的循环工质蒸气加热后作为热源输出给所选供热单元；
在制冷工况时，所述蒸发器将冷却换热得到的冷媒供水作为冷源输出给所选制冷单元。
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述精馏器用于加热吸收液C，使吸收液C中的制冷剂A汽化，从而将所述吸收液C分离为吸收液B与制冷剂A，将制冷剂A输入所述冷凝器中，将吸收液B经所述溶液热交换器输入所述节流阀；所述吸收液C为高温高压的循环工质蒸气。
3.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，还包括一热交换器；所述吸收器经所述热交换器、所述溶液泵与所述发生器连接；所述发生器经所述热交换器与所述吸收器连接；所述热交换器中所述发生器输出的工质对浓溶液与所述吸收器输出的工质对稀溶液进行热交换，用于提高进入吸收器的浓溶液温度，减少吸收器的冷却负荷。
4.根据权利要求1或2或3所述的平台，其特征在于，所述多能互补驱动单元包括太阳能加热器、燃气加热器和热油泵；所述热油泵用于将太阳能加热器或燃气加热器输出的高温热能输入给所述发生器。
5.根据权利要求1或2或3所述的平台，其特征在于，所述工质对溶液包含制冷剂和吸收剂；所述工质对稀溶液中的制冷剂浓度低于所述工质对溶液为中的制冷剂浓度，所述工质对浓溶液中的制冷剂浓度高于所述工质对溶液为中的制冷剂浓度。
6.根据权利要求5所述的平台，其特征在于，所述工质对溶液为氨-水，其中氨为制冷剂，水为吸收剂。
7.根据权利要求1或2或3所述的平台，其特征在于，所述蒸发器排出的低温水通过冷媒泵返回所述余热冷却水塔。
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