超临界二氧化碳发电系统的变负荷控制系统及方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳发电系统的控制技术领域，具体涉及超临界二氧化碳发电系统的变负荷控制系统及方法。

背景技术

超临界二氧化碳动力转换技术具有系统简化、效率高、体积小、易于实现模块化建设等技术优势，应用超临界二氧化碳布雷顿循环实现发电是一种非常具有前景的发电技术。因其热电转换效率高、体积重量小、机动性好，应用到实际工程具有重要的意义，目前对于超临界二氧化碳布雷顿循环的运行控制技术还有待研究和进一步验证。其中，系统变负荷工况就是动力转换系统控制中最常见也是最核心的控制要求。

变负荷的调整方法有多种，主要分为改变进气流量和改变进气温度两大类。改变透平进气流量通常使用分方法是设置旁路，通过阀门开度来调节进气。对于超临界二氧化碳发电系统而言，单一的使用旁路来调节透平进气，会使系统效率大大降低，大部分压缩机耗功升压后的工质会被旁路旁通，而没有做有用功，此种调节方式的特点是快速，但低效，尤其是在大幅度变负荷的情况下，造成严重浪费。

因此，有必要设计一种快速且高效的变负荷方法。

发明内容

本发明的目的在于提供超临界二氧化碳发电系统的变负荷控制系统及方法，以解决现有单一使用旁路来调节透平进气导致系统低效、造成浪费的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

超临界二氧化碳发电系统的变负荷控制系统，包括储罐、第一PID控制单元、第二PID控制单元和调节预判模块；

所述调节预判模块用于接收变负荷指令，根据变负荷指令的大小选择第一PID控制单元或第二PID控制单元进行变负荷控制；

所述第一PID控制单元用于通过调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度，调节透平旁路进气量实现调节透平的进气量；其中阀门PV201位于压缩机与回热器之间的管道上，阀门PV202位于压缩机旁路上，阀门PV102位于透平旁路上，阀门PV101位于透平的主进气管上；

所述第二PID控制单元用于通过控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭，调节临界二氧化碳发电系统的容积，其中，阀门KV301和阀门KV302分别位于储罐的高密度侧连接管上和低密度侧连接管上；

当启动第二PID控制单元，采用储罐中的高密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的低密度工质或采用储罐中的低密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的高密度工质。

本发明所述超临界二氧化碳发电系统包括但不仅限于超临界二氧化碳单级布雷顿循环，超临界二氧化碳布雷顿循环的多种结构形式均可使用，如：再压缩布雷顿循环、间冷/再热布雷顿循环。

本发明也是基于改变系统流量的变负荷方式，且使本发明是采用透平旁路控制和系统容积变化相耦合的控制方法，具有高效、快速的特点，能够大大提高系统的机动性。

进一步地，第一PID控制单元包括第一控制器、第一计算模块和阀门状态获取模块；

所述第一计算模块用于基于热力计算获得透平的进口压力及阀门的进气量；所述第一控制器与第一计算模块、阀门状态获取模块、阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102电连接，所述第一控制器根据阀门状态获取模块获取的阀门PV101和阀门PV102的状态调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度。

进一步地，第二PID控制单元包括第二控制器和第二计算模块；

所述第二计算模块用于基于热力计算获得系统工质装量变化的需求∆m，所述第二控制器与第二计算模块、阀门KV301和阀门KV302电连接，第二控制器根据需求∆m控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭。

进一步地，储罐通过低密度侧连接管与透平和回热器之间的管道连接，所述低密度侧连接管上设置有阀门KV302，所述储罐通过高密度侧连接管与压缩机与回热器之间的管道连接，所述高密度侧连接管上设置有阀门KV301。

进一步地，调节预判模块内存储有负荷变阈值20%FP，当负荷变化≤±20%FP时，启动第一PID控制单元，采取透平旁路进气量变化调节变负荷；当负荷变化＞±20%FP，启动第二PID控制单元，采取系统容积变化调节变负荷。

基于上述变负荷控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、调节预判模块接收变负荷指令，根据变负荷指令的大小选择第一PID控制单元或第二PID控制单元进行变负荷控制；

S2、第一PID控制单元通过调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度，调节透平旁路进气量实现调节透平的进气量，通过增加或降低透平的进气量实现超临界二氧化碳发电系统的升负荷或降负荷；或；

第二PID控制单元通过控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭，调节临界二氧化碳发电系统的容积，通过采用储罐中的高密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的低密度工质实现升负荷，通过采用储罐中的低密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的高密度工质实现降负荷。

进一步地，采用第一PID控制单元实现升负荷的具体过程为：

第一PID控制单元根据负荷变化量确定透平的进口压力及阀门的进气量，输出调节信号给阀门PV101和阀门PV102，判断阀门PV102是否在全关状态、阀门PV101是否在全开状态，若是，则信号会继续传递给阀门PV201、阀门PV202，增大阀门PV201的开度，减小阀门PV202的开度，以增大透平进口流量，适应系统升负荷的要求；若否，则增加阀门PV101开度的同时，关小阀门PV102的开度，直至透平前后压差及进气流量满足升负荷要求。

进一步地，步骤S2中，采用第一PID控制单元实现降负荷的过程为：

第一PID控制单元根据负荷变化量确定透平的进口压力及阀门的进气量，输出调节信号给阀门PV201和阀门PV202，减小阀门PV201开度的同时，增大阀门PV202的开度，降低透平入口压力，若调节阀门PV201、阀门 PV202仍不能满足负荷下降的速度；则信号会继续传递给阀门PV102和阀门PV101，减小阀门PV101的开度，增大PV102开度，以减小透平进口流量，适应系统降负荷的要求。

进一步地，透平的进口压力及阀门的进气的计算过程为：

第一PID控制单元根据负荷变化量，通过热力计算得出所需透平前后压差vPDT，通过计算透平前后压差测量值PDT101和热力计算所需压差vPDT二者之间的差值，确定透平进口压力及阀门的进气量。

进一步地，采用第二PID控制单元实现降负荷的具体过程为：

第二PID控制单元根据负荷变化量确定系统工质装量变化的需求∆m，输出调节信号给阀门KV301和阀门KV302，打开KV301阀门，使高密度工质注入储罐，打开KV302阀门，将储罐中低密度工质排进超临界二氧化碳回路，实现高低密度工质的置换，适应系统降负荷的要求。

进一步地，采用第二PID控制单元实现升负荷的具体过程为：

第二PID控制单元根据负荷变化量确定系统工质装量变化的需求∆m，输出调节信号给阀门KV301和阀门KV302，打开KV302阀门，使低密度工质注入储罐，打开KV301阀门，将储罐中高密度工质排进超临界二氧化碳回路，实现低高密度工质的置换，适应系统升负荷的要求。

进一步地，需求∆m的计算方法为：

第二PID控制单元通过热力计算确定系统工质装量变化的需求∆m。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用透平旁路控制和系统容积变化相耦合的控制方法，具有高效、快速的特点，能够大大提高系统的机动性，为超临界二氧化碳发电系统运行控制提供了一种新的变负荷自动控制方法。

2、本发明可以应用在超临界二氧化碳发电系统的控制策略中，实现系统的快速变工况响应。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的变负荷控制系统应用于超临界二氧化碳发电系统的示意图；

图2为超临界二氧化碳系统变负荷控制流程图；

图3为超临界二氧化碳旁路控制升负荷流程图；

图4为超临界二氧化碳旁路控制降负荷流程图；

图5为超临界二氧化碳系统容积变化流程图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-热源；2-透平；3-回热器；4-冷却器；5-压缩机；6-透平旁路；7-压缩机旁路；8-储罐。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-图5所示，超临界二氧化碳发电系统的变负荷控制系统，包括储罐8、第一PID控制单元、第二PID控制单元和调节预判模块。

本实施例中的储罐8通过高密度侧连接管上和低密度侧连接管与超临界二氧化碳发电系统连接，超临界二氧化碳发电系统的结构如下：

包括热源1、透平2、回热器3、冷却器4和压缩机5；

热源1的出口通过管道与透平2连接，透平2的出口通过管道与回热器3的低密度入口（热侧进口）连接，回热器3的低密度出口（冷侧出口）通过管道与冷却器4入口连接，冷却器4出口与压缩机5入口连接，压缩机5出口与回热器3的高密度入口（冷侧进口）连接，回热器3的高密度出口（热侧出口）与热源1入口连接，在压缩机5出口与回热器3的高密度入口之间的管道上设置有阀门PV201和开关KV201，且压缩机5出口与回热器3的高密度入口之间的管道与回热器3的低密度出口与冷却器4入口之间的管道之间通过压缩机旁路7连接，压缩机旁路7上设置有阀门PV202和开关KV202，压缩机旁路7设置阀门PV201和开关KV201的后端；热源1的出口与透平2之间的管道（透平2的主进气管）上设置有阀门PV101和开关KV101，还包括透平旁路6，透平旁路6一端与热源1的出口与透平2之间的管道连接，且连接处位于门PV101和开关KV101的前端，另一端与透平2出口端连接，透平旁路6上设置有阀门PV102和开关KV102。

如图1所示，超临界二氧化碳发电系统工作流程为：热源1加热工质流，被加热工质流先进入透平2膨胀做功，带动发电机发电，做功后的工质在回热器3中继续完成热量交换，从回热器3低密度出口的工质进入冷却凝器4进一步降温，再进入压缩机5增压，低温高压的工质流进入回热器3被加热，最后再进入热源1升温，完成一次闭式发电循环。

本实施例中储罐8与上述超临界二氧化碳发电系统的具体连接关系为：

高密度侧连接管一端储罐8连接，另一端与压缩机5出口与回热器3的高密度入口之间的管道连接，连接处具体可以位于阀门PV201和开关KV201后端；低密度侧连接管一端储罐8连接，另一端与透平2的出口与回热器3的低密度入口之间的管道连接，高密度侧连接管和低密度侧连接管上分别设置有阀门KV301和阀门KV302，通过调节阀门KV301和阀门KV302实现采用储罐8中的高密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的低密度工质或采用储罐8中的低密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的高密度工质。

调节预判模块用于接收变负荷指令，根据变负荷指令的大小选择第一PID控制单元或第二PID控制单元进行变负荷控制；具体地，调节预判模块内存储有负荷变阈值20%FP，当负荷变化≤±20%FP时，启动第一PID控制单元，采取透平旁路6进气量变化调节变负荷；当负荷变化＞±20%FP，启动第二PID控制单元，采取系统容积变化调节变负荷，其中负荷变化记为∆Q：FP为满负荷量。

第一PID控制单元用于通过调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度，调节透平旁路6进气量实现调节透平2的进气量。

具体地，第一PID控制单元（附图1中的PID1）包括第一控制器、第一计算模块和阀门状态获取模块；

所述第一计算模块用于基于热力计算获得透平2的进口压力及阀门的进气量；所述第一控制器与第一计算模块、阀门状态获取模块、阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102电连接，所述第一控制器根据阀门状态获取模块获取的阀门PV101和阀门PV102的状态调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度。

本实施例的第一PID控制单元能够对收集到的信息和指令进行反应，通过PID计算控制将动作指令传递给阀门控制，指导旁路阀门的开度，从而实现透平2进气流量的控制，进而对变负荷的指令做出反馈

第二PID控制单元（附图1中的PID2）用于通过控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭，调节临界二氧化碳发电系统的容积；当启动第二PID控制单元，采用储罐8中的高密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的低密度工质或采用储罐8中的低密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的高密度工质。

具体地，第二PID控制单元包括第二控制器和第二计算模块；

所述第二计算模块用于基于热力计算获得系统工质装量变化的需求∆m，所述第二控制器与第二计算模块、阀门KV301和阀门KV302电连接，第二控制器根据需求∆m控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭。

本实施例的第二PID控制单元实现变负荷控制的热工原理为：系统容积变化的储罐8一端连接超临界二氧化碳高密度端（图1中压缩机5出口管线，此处工质状态为高压低温高密度），一端连接超临界二氧化碳低密度端（图1中回热器3热侧进口管线，此处工质状态为低压高温低密度），通过控制储罐进出口的阀门开度来实现超临界二氧化碳系统回路中工质的置换，高低密度的工质置换会改变超临界二氧化碳回路的工质装量，在其他条件不变的情况下，就会改变回路压力和流量，实现透平2做功变化，从而实现系统变负荷。其控制逻辑为：第二PID控制单元能对收集到的信息和指令进行反应，通过PID计算控制将动作指令传递给阀门控制，指导储罐8进出口阀门的开度，从而实现系统容积变化，通过系统流量和压力变化响应负荷变化，实现负荷控制。

本实施例的控制系统收到变负荷的指令后，首先进行调节手段预判，若调节负荷（∆Q）＞20%FP（满负荷），则进入第二PID控制单元，反之，则进入第一PID控制单元。这种控制方法的好处是，将旁路控制策略与系统容积变化策略相结合，在≤20%FP变负荷时采取旁路调节变负荷；在＞20%FP变负荷时采取系统容积变化变负荷，可以避免旁路调节带来的系统利用率低的问题。

控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调节预判模块接收变负荷指令，根据变负荷指令的大小选择第一PID控制单元或第二PID控制单元进行变负荷控制；

S2、第一PID控制单元通过调节阀门PV202、阀门PV201、阀门PV101和阀门PV102的开度，调节透平旁路6进气量实现调节透平2的进气量，通过增加或降低透平2的进气量实现超临界二氧化碳发电系统的升负荷或降负荷；或；

第二PID控制单元通过控制阀门KV301和阀门KV302的开启和关闭，调节临界二氧化碳发电系统的容积，通过采用储罐8中的高密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的低密度工质实现升负荷，通过采用储罐8中的低密度工质置换超临界二氧化碳发电系统中的高密度工质实现降负荷。

具体控制过程为：

系统的变负荷控制主要包括升负荷控制和降负荷控制。

变负荷指标通过预判后，若负荷变化≤±20%FP，采取旁路调节变负荷时，则执行以下步骤：

（1）升负荷过程中，透平2出力不满足输出要求时，需要透平2自动控制，通过调节透平旁路6阀门来增加透平2主气阀进气量，从而适应负荷的提升。

具体控制方法：

如图3所示：输入升负荷指令，通过热力计算得出所需透平前后压差vPDT，通过计算透平前后压差测量值PDT101和热力计算所需压差vPDT二者之间的差值，确定透平2进口压力及阀门的进气量，自动载入PID运算单元，经运算后程序会自动输出调节信号给阀门PV101和阀门PV102，判断PV102是否在全关状态、PV101是否在全开状态，若是，则信号会继续传递给阀门PV201、PV202，增大阀门PV201的开度，减小阀门PV202的开度，以增大透平2进口流量，适应系统升负荷的要求；若否，则增加阀门PV101开度的同时，关小阀门PV102的开度，直至透平2前后压差及进气流量满足升负荷要求。

（2）降负荷过程中，透平减小输出功率，从而匹配负荷下降。这个过程透平的进气量会相应减小，需要透平自动控制，通过调节透平旁路阀门来减小透平主气阀进气量，从而适应负荷的下降。

具体控制方法：

如图4所示：输入降负荷指令，通过热力计算得出所需透平前后压差vPDT，通过计算透平前后压差测量值PDT101和热力计算所需压差vPDT二者之间的差值，确定阀门的进气量，自动载入PID运算单元，经运算后程序会自动输出调节信号给阀门PV201和阀门PV202，减小阀门PV201开度的同时，增大阀门PV202的开度，降低透平2入口压力，以保证气门处于适当开度（这是为了避免负荷瞬间下降时，透平2能通过减小气门开度适应负荷下降），若调节阀门PV201、阀门 PV202仍不能满足负荷下降的速度，则信号会继续传递给阀门PV102和阀门PV101，减小阀门PV101的开度，增大PV102开度，以减小透平2进口流量，适应系统降负荷的要求。

变负荷指标通过预判后，若负荷变化＞±20%FP，采取系统容积变化调节变负荷时，则执行以下步骤：

（1）降负荷过程中，透平2减小输出功率，需将多余工质排进储罐8。此时需要储罐8回收工质，即需要实现高密度工质置换低密度工质，实现回路工质装量减少，从而实现系统降负荷变化。

具体控制方法：

如图5所示：输入降负荷指令，通过热力计算确定系统工质装量变化的需求∆m，将计算结果自动载入PI2运算单元，经运算后程序会自动输出调节信号给阀门KV301和阀门KV302，根据阀门特性，输出阀门的开度，打开阀门KV301，使高密度工质注入储罐8，将储罐8中低密度工质排进超临界二氧化碳回路（储罐8中原有一定初始工质，系统先降负荷，高密度气体引进储罐8，将原来的低密度气体通过压差排到系统里；此时储罐8里是降负荷留下的高密度工质，再升负荷时，就可以用回路低密度工质替换储罐8子高密度工质了），实现高低密度工质的置换，适应系统降负荷的要求。

（2）升负荷过程中，透平2需要更多工质做功，此时需要向回路充装更多工质，即需要实现低密度工质置换高密度工质，实现回路工质装量增加，从而实现系统升负荷变化。

具体控制方法：

如图5所示：输入升负荷指令，通过热力计算确定系统工质装量变化的需求∆m，将计算结果自动载入PID2运算单元，经运算后程序会自动输出调节信号给阀门KV301和阀门KV302，根据阀门特性，输出阀门的开度，打开KV302阀门，使低密度工质注入储罐，打开KV301阀门，将储罐8中高密度工质排进超临界二氧化碳回路，实现低高密度工质的置换，适应系统升负荷的要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。