一种超临界二氧化碳动力系统及其启动运行控制方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳动力技术领域，进一步地涉及一种超临界二氧化碳动力系统及其启动运行控制方法。

背景技术

超临界二氧化碳动力技术是以超临界二氧化碳为介质的闭式布雷顿循环技术，同传统的蒸汽朗肯循环等技术相比，该技术具有循环效率高、体积小、成本低、适应热源范围广等优点，是一种在核能发电、太阳能发电、地热发电、化石燃料发电、废热利用和船舶动力等领域极具潜力的新兴动力发电技术。

超临界二氧化碳动力系统一般最少包括一个压缩机、一个涡轮机、一台回热器、一台加热器、一台冷却器。超临界二氧化碳工质在压缩机内升压并经回热器提高温度后进入加热器吸热，吸热后高温高压的工质进入涡轮做功，经回热器及冷却器回收剩余热量后返回压缩机入口，形成闭式循环。

对于闭式的超临界二氧化碳动力系统而言，启动前需要向系统内充装一定量的工质。现有技术中，动力系统启动前需要将系统内工质充装至超临界压力。二氧化碳在常温、超临界压力的条件(常规启动工况)下密度通常是高温、超临界压力条件(额定工况)下密度的5-8倍，这就造成了从超临界二氧化碳动力系统在启动前需要充装远超过额定状态所需的工质量，需要在启动过程中向外界排放大量工质，造成了工质的浪费或工质储罐体积及成本的增加。

发明内容

针对现有技术中超临界二氧化碳动力系统启动过程中需要反复充装和排放大量工质等问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳动力系统及其启动运行控制方法，该超临界二氧化碳动力系统以适量的气态二氧化碳作为工质进行初步启动，压力控制单元和温度控制单元相互配合，将气态二氧化碳升温增压至满足系统发电所需的超临界状态，同时实时监测第一压缩机的入口压力和入口温度，并根据入口压力和入口温度实时控制系统内的工质状态，避免在启动前充装过多工质，降低启动过程中的工质排放量，使超临界二氧化碳动力系统平稳安全地启动。

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动力系统，包括：动力单元、压力控制单元和温度控制单元，所述动力单元包括第一压缩机、第一回热器、加热器、涡轮机、冷却器、涡轮旁通阀和工质排放阀；所述第一回热器设有第一热侧入口、第一热侧出口、第一冷侧入口和第一冷侧出口；所述第一压缩机的出口、所述第一冷侧入口、所述第一冷侧出口、所述加热器、所述涡轮机、所述第一热侧入口、所述第一热侧出口、所述冷却器和所述第一压缩机的入口依次序且循环连接；所述涡轮旁通阀的输入端设置在所述加热器与所述涡轮机之间的管路上，所述涡轮旁通阀的输出端设置在所述涡轮机与所述第一热侧入口之间的管路上，所述涡轮旁通阀用于调节所述涡轮机的入口温度和入口压力；所述涡轮旁通阀和所述冷却器分别与所述温度控制单元电连接，所述温度控制单元根据所述第一压缩机的入口温度控制所述冷却器的运行状态，且所述温度控制单元根据所述涡轮机的入口温度控制所述涡轮旁通阀的运行状态；所述工质排放阀的输入端与所述冷却器的出口或所述第一压缩机的出口连接，所述工质排放阀的输出端与外界大气连接；所述工质排放阀与所述压力控制单元电连接，所述压力控制单元根据所述第一压缩机的入口压力控制所述工质排放阀的运行状态；所述动力单元启动时内部循环的工质为气态二氧化碳。

在一些实施方式中，所述动力单元还包括：第二回热器、第二压缩机和电机，所述第二压缩机和所述电机同轴设置，所述电机用于驱动所述第二压缩机运行；所述第二回热器设有第二热侧入口、第二热侧出口、第二冷侧入口、第二冷侧出口；所述涡轮机的出口、所述第二热侧入口、所述第二热侧出口、所述第一热侧入口、所述第一热侧出口和所述冷却器的入口依次序连接；所述第一热侧出口、所述第二压缩机、所述第二冷侧入口、所述第二冷侧出口和所述加热器的入口依次序连接。

在一些实施方式中，所述动力单元还包括：用于向所述动力单元补充工质的工质储罐和工质补充管路，所述工质储罐的出口与所述工质补充管路的入口连接，所述工质补充管路的出口设置在所述冷却器与所述第一压缩机之间的管路上；所述工质补充管路上设有工质补给阀，所述工质补给阀与所述压力控制单元电连接。

在一些实施方式中，所述冷却器设有冷却剂流道，所述动力单元还包括冷却剂输入管路和冷却剂输出管路，所述冷却剂输入管路和所述冷却剂输出管路分别与所述冷却剂流道的两端连接；所述冷却剂输入管路上设有冷却剂调节阀，所述冷却剂调节阀用于控制流经所述冷却剂流道的冷却剂流量；所述冷却剂调节阀与所述温度控制单元电连接。

本发明还提供了一种超临界二氧化碳动力系统的启动运行控制方法，应用于上述的超临界二氧化碳动力系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、向所述动力单元内充装一定质量的气态二氧化碳工质，开启所述第一压缩机、所述第一回热器、所述加热器和所述冷却器；

S2、所述压力控制单元控制所述第一压缩机的入口压力大于或等于目标压力；

所述温度控制单元控制所述第一压缩机的入口温度至第一目标温度，且所述温度控制单元控制所述涡轮机的入口温度至第二目标温度；调节所述动力单元的转速，使所述动力单元的输出功率大于零，完成所述超临界二氧化碳动力系统的启动。

在一些实施方式中，所述步骤S2中，所述的所述压力控制单元控制所述第一压缩机的入口压力大于或等于目标压力的具体步骤为：当所述第一压缩机的入口压力小于目标压力时，所述压力控制单元控制所述工质排放阀处于关闭状态，且所述温度控制单元控制所述第一压缩机的入口温度大于或等于所述第一目标温度。

在一些实施方式中，所述步骤S2中，所述的所述温度控制单元控制所述第一压缩机的入口温度至第一目标温度的具体步骤为：当所述第一压缩机的入口温度小于所述第一目标温度时，减小通过所述冷却器的冷却剂流量；当所述第一压缩机的入口温度大于所述第一目标温度时，增大通过所述冷却器的冷却剂流量。

所述步骤S2中，所述的所述温度控制单元控制所述涡轮机的入口温度至第二目标温度的具体步骤为：当所述涡轮机的入口温度小于所述第二目标温度时，所述温度控制单元控制所述涡轮旁通阀处于打开状态，此时所述加热器出口的工质进入所述第一热侧入口；当所述涡轮机的入口温度大于或等于所述第二目标温度时，所述温度控制单元控制所述涡轮旁通阀处于关闭状态，此时，所述加热器出口的工质进入所述涡轮机做功。

在一些实施方式中，所述目标压力为7.6MPa；所述第一目标温度为33℃；所述第二目标温度为200℃。

在一些实施方式中，所述步骤S1中，所述气态二氧化碳工质的压力为2-6MPa，质量为m

在一些实施方式中，所述第一压缩机的入口压力设有上限保护值P1，所述上限保护值P1为8.6-9MPa；当所述第一压缩机的入口压力超过所述上限保护值P1时，所述压力控制单元控制所述工质排放阀打开，以排出部分工质，降低所述动力单元内的压力。

与现有技术相比，本发明所提供的超临界二氧化碳动力系统及其启动运行控制方法具有以下有益效果：

(1)相比常规先充装超临界二氧化碳工质的方式，本发明提供的超临界二氧化碳动力系统以适量的气态二氧化碳作为工质进行初步启动，压力控制单元和温度控制单元相互配合，将气态二氧化碳升温增压至满足系统发电所需的超临界状态，避免在启动前充装过多工质，降低启动过程中的工质排放量；

(2)本发明提供的启动运行控制方法可实时监测第一压缩机的入口压力和入口温度，并根据入口压力和入口温度实时控制系统内的工质状态，可避免第一压缩机入口进入液相区从而给压缩机运行带来风险，大大降低了启动过程中的工质补充量，实现了超临界二氧化碳动力系统的平稳启动。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明提供的超临界二氧化碳动力系统的结构示意图；

图2为本发明另一例实施例提供的超临界二氧化碳动力系统的结构示意图。

附图标号说明：

1—第一压缩机；

2—第一回热器；201—第一热侧入口；202—第一热侧出口；203—第一冷侧入口；204—第一冷侧出口；

3—加热器；4—涡轮机；5—冷却器；6—涡轮旁通阀；7—工质排放阀；8—压力控制单元；9—温度控制单元；10—第二压缩机；11—电机；

12—第二回热器；121—第二热侧入口；122—第二热侧出口；123—第二冷侧入口；124—第二冷侧出口；

13—工质储罐；14—工质补给阀；15—冷却剂输入管路；16—冷却剂输出管路；17—冷却剂调节阀。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种超临界二氧化碳动力系统，包括：动力单元、压力控制单元和温度控制单元。具体的：

动力单元包括第一压缩机1、第一回热器2、加热器3、涡轮机4、冷却器5、涡轮旁通阀6和工质排放阀7。

第一回热器2包括热侧和冷侧，热侧设有第一热侧入口201和第一热侧出口202，冷侧设有第一冷侧入口203和第一冷侧出口204。

第一压缩机1的出口、第一冷侧入口203、第一冷侧出口204、加热器3、涡轮机4、第一热侧入口201、第一热侧出口202、冷却器5和第一压缩机1的入口依次序且循环连接，当第一压缩机1出口的工质流入第一回热器2的冷侧时，与来自涡轮机4的高温工质逆向流动发生热交换，利用回流工质的余热来预热升温，从第一冷侧出口204流出至加热器3，被加热至一定温度后进入涡轮机4膨胀做功，随后流入第一回热器2的热侧换热，后经冷却器5冷却返回第一压缩机1内压缩。

涡轮旁通阀6的输入端设置在加热器3的出口与涡轮机4的入口之间的管路上，涡轮旁通阀6的输出端设置在涡轮机4与第一热侧入口201之间的管路上，涡轮旁通阀6可用于调节涡轮机4的入口温度、入口压力和入口流量，在该动力系统启动之初，先开启涡轮旁通阀6，此时的涡轮机4处于关机状态，加热器3加热工质并在系统内循环，当涡轮机4的入口温度和入口压力达到涡轮机4的启动温度和压力时再关闭涡轮旁通阀6，开启涡轮机4，实现系统的稳定启动。

而涡轮旁通阀6调节涡轮机4的入口流量的方式为：当涡轮旁通阀6的开度增大时，旁路的流量也就会增加，从而减小流入涡轮机4的流量，反之，当涡轮旁通阀6的开度减小时，旁路的流量也会相应减小，流入涡轮机4的流量就会增加。

涡轮旁通阀6和冷却器5分别与温度控制单元9电连接，温度控制单元9实时监测第一压缩机1的入口温度，并根据第一压缩机1的入口温度来控制冷却器5的运行状态，且温度控制单元9根据涡轮机4的入口温度控制涡轮旁通阀6的运行状态。

具体的，温度控制单元9控制冷却器5的运行状态包括：控制冷却器5的启停以及冷却器5的冷却效果，冷却器5的冷却效果由冷却器5内的冷却剂流量来实现。

温度控制单元9控制涡轮旁通阀6的运行状态包括：控制涡轮旁通阀6的启闭和开度。

工质排放阀7的输入端与冷却器5的出口或第一压缩机1的出口连接，工质排放阀7的输出端与外界大气连接，当该动力系统内压力过高时，可通过工质排放阀7向外界排放一定量的工质。

具体的，工质排放阀7的输入端可与冷却器5的出口连通，也可以与第一压缩机1的入口连通，或是与第一压缩机1的出口连通。

工质排放阀7与压力控制单元8电连接，压力控制单元8实时监测第一压缩机1的入口压力，并根据第一压缩机1的入口压力控制工质排放阀7的运行状态，即控制工质排放阀7的启闭和开度。

上述的动力单元启动时内部循环的工质为气态二氧化碳。

在一些实施方式中，冷却器5设有工质流道和冷却剂流道，动力单元还包括冷却剂输入管路15和冷却剂输出管路16，冷却剂输入管路15和冷却剂输出管路16分别与冷却剂流道的两端连接，冷却剂经冷却剂输入管路15进入冷却剂流道，冷却流经工质流道内的工质，再从冷却剂输出管路16排出。

优选的，可设置一个冷却剂储罐，冷却剂输入管路15的入口和冷却剂输出管路16的出口分别与冷却剂储罐连接，以向冷却剂流道循环地通入冷却剂。

进一步的，冷却剂输入管路15上设有冷却剂调节阀17，冷却剂调节阀17用于控制流经冷却剂流道的冷却剂流量，即冷却剂调节阀17控制冷却器5的冷却效果。

优选的，冷却剂调节阀17与温度控制单元8电连接。

当第一压缩机1的入口温度较高时，温度控制单元8控制冷却剂调节阀17的开度增加，增加流入冷却剂流道的冷却剂流量，加快冷却工质的温度，从而降低第一压缩机1的入口温度，反之，则降低冷却剂调节阀17的开度，减小冷却剂流量。

在一些实施方式中，如图2所示，动力单元还包括：第二回热器12、第二压缩机10和电机11，第二压缩机10和电机11同轴设置，电机11用于驱动第二压缩机10运行。

第二回热器12包括热侧和冷侧，热侧设有第二热侧入口121和第二热侧出口122，冷侧设有第二冷侧入口123和第二冷侧出口124。

涡轮机4的出口、第二热侧入口121、第二热侧出口122、第一热侧入口201、第一热侧出口202和冷却器5的入口依次序连接，从涡轮机4流出的高温工质依次流经第二回热器12的热侧、第一回热器2的热侧后再经冷却器5冷却后进入第一压缩机1进行压缩。

第一热侧出口202、第二压缩机10、第二冷侧入口123、第二冷侧出口124和加热器3的入口依次序连接，第一热侧出口202流出的工质分流一部分进入第二压缩机10进行压缩，再流经第二回热器12的冷侧，进入加热器3进行加热。优选是在加热器3开启前，启动电机11驱动第二压缩机10运行，提高加热器3启动时的工质流量，一方面有助于保护加热器3内部换热面的安全，另一方面提高了流入加热器3的工质流量，进而使高温工质的流量增大，提升回热器的换热效果，使该系统在启动初期快速升温。

在一些实施方式中，动力单元还包括：用于向动力单元补充工质的工质储罐13和工质补充管路，工质储罐13内储存二氧化碳，工质储罐13的出口与工质补充管路的入口连接，工质补充管路的出口设置在冷却器5与第一压缩机的入口之间的管路上。

优选的，工质排放阀7的输出端还可与工质储罐13连通，排出该系统的工质由工质储罐13储存，避免直接外排造成的浪费。

进一步的，工质补充管路上设有工质补给阀14，工质补给阀14与压力控制单元8电连接，以控制工质补给阀14的运行状态，即控制工质补给阀14的启闭和开度。

在该系统启动时，工质补给阀14始终处于关闭状态，不向系统内补充工质。当压力控制单元8监测到第一压缩机1的入口压力较低时，可控制工质补给阀14开启，向动力单元内输入一定量的工质，进入第一压缩机1进行增压。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供了一种超临界二氧化碳动力系统的启动运行控制方法，应用于上述的超临界二氧化碳动力系统，包括如下步骤：

S1、向动力单元内充装一定质量的气态二氧化碳工质，开启第一压缩机1、第一回热器2、加热器3和冷却器5。

S2、压力控制单元8控制第一压缩机1的入口压力大于或等于目标压力；

温度控制单元9控制第一压缩机1的入口温度至第一目标温度，且温度控制单元9控制涡轮机4的入口温度至第二目标温度。

调节动力单元的转速，使动力单元的输出功率大于零，完成超临界二氧化碳动力系统的启动。

在一些实施方式中，步骤S1中，气态二氧化碳工质的压力为2-6MPa，质量为m

设定动力单元在额定工况下的额定工质质量为m

在一些实施方式中，目标压力为7.6MPa，第一目标温度为33℃，第二目标温度为200℃。

在一些实施方式中，步骤S2中，压力控制单元8控制第一压缩机1的入口压力大于或等于目标压力(7.6MPa)的具体步骤为：

当第一压缩机1的入口压力小于目标压力(7.6MPa)时，压力控制单元8控制工质排放阀7处于关闭状态，且温度控制单元9控制第一压缩机1的入口温度大于或等于第一目标温度(33℃)。

步骤S2中，温度控制单元9控制第一压缩机1的入口温度至第一目标温度(33℃)的具体步骤为：

当第一压缩机1的入口温度小于第一目标温度(33℃)时，减小通过冷却器5的冷却剂流量，即温度控制单元9控制冷却剂调节阀17的开度减小，减缓工质的冷却速度。

当第一压缩机1的入口温度大于第一目标温度(33℃)时，增大通过冷却器5的冷却剂流量，即温度控制单元9控制冷却剂调节阀17的开度增大，加快工质的冷却速度。

进一步的，步骤S2中，温度控制单元9控制涡轮机4的入口温度至第二目标温度(200℃)的具体步骤为：

当涡轮机4的入口温度小于第二目标温度(200℃)时，温度控制单元9控制涡轮旁通阀6处于打开状态，此时加热器3出口的工质进入第一热侧入口201，继续进行循环；

若设置第二回热器12时，此时加热器3出口的工质进入第二热侧入口121，依次流经第二回热器12的热侧和第一回热器2的热侧，继续进行循环。

当涡轮机4的入口温度大于或等于第二目标温度(200℃)时，温度控制单元9控制涡轮旁通阀6处于关闭状态，此时，加热器3出口的工质已达到涡轮机的启动温度，直接进入涡轮机4做功，做功后的高温低压工质进入第一回热器2的热侧，或依次进入第二回热器12的热侧和第一回热器2的热侧，继续参与循环。

在现有技术中，超临界二氧化碳动力系统启动时，管道内的工质为超临界状态，压力通常位于7.4-8.5MPa之间。此时系统内的工质质量远远大于额定状态下的工质质量，需要在启动过程中排放大量工质，造成工质浪费。而本发明在系统启动前通入气态二氧化碳，关闭涡轮机4，开启涡轮旁通阀6、第一压缩机1、第一回热器2(以及第二回热器12)和加热器3，压力调节单元8和温度调节单元9分别实时监测第一压缩机1的入口温度和入口压力，并控制涡轮旁通阀6、工质排放阀7、冷却剂调节阀15和工质补给阀14的运行状态。

气态二氧化碳经过一段时间的循环，被增压升温至超临界状态，当涡轮机4的入口温度高于200℃时，关闭涡轮旁通阀6，开启涡轮机4，调节动力单元的转速，使动力单元的输出功率大于零，完成超临界二氧化碳动力系统的稳定启动。

上述温度和压力控制策略的意义在于，启动过程中未对第一压缩机1的入口温度和入口压力进行精确控制，允许第一压缩机1的入口温度和压力在其他因素(如转速、热源出口温度等)的作用下发生变化，从而使得该系统变得更加弹性，最大程度降低启动过程的工质排放需求；同时对入口压力和入口温度的变化范围进行特殊调控，保证启动过程的稳定性和安全性。

此外，在该系统启动的过程中，第一压缩机1的进出口压力或温度超出限值或其他因素引发安全隐患极大，可能出现由于第一压缩机入口温度过低，进入液相区间工作的风险，对第一压缩机1的叶片和轴系产生不可逆的损毁，从而导致超临界二氧化碳发电系统发生停机的风险。而本发明的温度控制单元9可确保在系统启动过程中，第一压缩机1的入口温度高于二氧化碳的临界温度，避免出现液相运行风险。

在一些实施方式中，第一压缩机1的入口压力设有上限保护值P1，上限保护值P1为8.6-9MPa。

当压力控制单元8监测到第一压缩机1的入口压力超过上限保护值P1时，压力控制单元8立即控制工质排放阀7打开，以排出部分工质，保护该系统不出现超压风险。

下面以具体的实施例来说明本发明提供的超临界二氧化碳动力系统及其启动运行控制方法。

实施例3

如图1所示，工质排放阀7的输入端连通第一压缩机1的入口，输出端连通大气。

超临界二氧化碳动力系统启动前向动力单元充装适量的气态二氧化碳，使系统压力至5MPa。

在启动过程中，第一压缩机1的入口温度控制在35℃以上。

上限保护值P1设定为8.7MPa。

实施例4

如图2所示，超临界二氧化碳动力系统设有第二压缩机10、电机11和第二回热器12。

工质排放阀7的输入端连通第一压缩机1的出口，输出端连通工质储罐13。

超临界二氧化碳动力系统启动前向动力单元充装适量的气态二氧化碳，使系统压力至5.5MPa。

在启动过程中，第一压缩机1的入口温度控制在36℃以上。

上限保护值P1设定为9MPa。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。