基于小扰动法求影响系数矩阵的高低压透平解耦调节方法与流程

1.本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，特别涉及一种基于小扰动法求影响系数矩阵的高低压透平解耦调节方法。


背景技术：

2.随着近些年来发电技术的发展，研究表明发电机组采用超临界二氧化碳代替水蒸气作为循环工质，在一定的功率范围内具有循环效率高、设备结构紧凑、基建初投资小等优点，因此超临界二氧化碳循环发电系统是一项非常具有技术前景的发电方式。
3.对于目前的超临界二氧化碳循环发电技术而言，其循环为闭式系统，同时多采用一次再热及高、低压透平串联布置方式，因此在实际调节运行中，高压透平入口调门动作会同时影响高压透平与低压透平的功率值，而低压透平入口调门动作也会同时影响高压透平与低压透平的功率值，即高低压透平的阀门开度与其彼此的功率值是相互耦合影响的，因此无法做到以往的一个阀门控制一个透平的简单操作方式，同时透平又是高温高压设备，因此对其进行功率及转速进行精确调节至关重要。


技术实现要素：

4.基于以上考虑，本发明的目的在于提供一种基于小扰动法求影响系数矩阵的高低压透平解耦调节方法，用于超临界二氧化碳一次再热高、低压透平串联布置的闭式系统中，用于对高低压透平功率及转速的精确调节。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.基于小扰动法求影响系数矩阵的高低压透平解耦调节方法，该调节方法调节的高低压透平系统包括加热器1、高压透平入口调门2、高压透平旁路调门3、高压透平4、再热器5、低压透平入口调门6、低压透平旁路调门7、低压透平8、回热器9、工质补充阀门10、预冷器11、压缩机入口调门12和压缩机13；所述加热器1出口与高压透平入口调门2入口、高压透平旁路调门3入口相连接，高压透平入口调门2出口与高压透平4入口相连，高压透平4出口与高压透平旁路调门3出口汇合后，共同接入再热器5入口，再热气5出口分别与低压透平入口调门6入口、低压透平旁路调门7入口相连，低压透平入口调门6出口与低压透平8入口相连，低压透平8出口与低压透平旁路调门7出口汇合后，共同接入回热器9热侧入口，回热器9热侧出口与工质补充阀门10出口汇合后与预冷器11入口相连接，预冷器11出口连接至压缩机入口调门12入口，压缩机入口调门12出口连接至压缩机13入口，压缩机13出口连接至回热器9冷侧入口，回热器9冷侧出口与加热器1入口相连接；机组在运行过程中，高压透平旁路调门3与低压透平旁路调门7保持关闭状态，二氧化碳工质经过预冷器11冷却后进入压缩机13，经压缩机13升压后进入回热器9冷侧升温，然后工质再经过加热器1再次升温后，进入高压透平4做功，做功后工质经过再热器5再次加热，继续进入低压透平8做功，做功后乏气经过回热器9热侧进行冷却，冷却后的工质再次回到预冷器11入口，从而完成一个完整的循环，工质补充阀门10用于升降负荷过程中对系统进行补充或泄放工质；
7.假设高压透平4与低压透平8的输出功率分别为p1、p2，高压透平入口调门2与低压透平入口调门6阀门开度分别为q1、q2，由于高低压透平解耦调节系统为闭式串联系统，当阀门开度q1、q2其中任意一个动作时，两个功率p1、p2会同时产生变化，从而无法采用只调节一个阀门开度的方法来控制其中一个透平的输出功率，当需要调节透平功率p1、p2任何一个时，必须当两个阀门开度q1、q2一起动作才能达到预想的结果；由于系统中压缩机13、加热器1与再热器5功率也是变化量，因此对于任意的高低压透平功率p1、p2而言，其所对应的阀门开度q1、q2并不唯一确定；
8.所述调节方法包括如下步骤：
9.步骤1：将透平输出功率与阀门开度分别记作列向量p＝{p1，p2}
t
、q＝{q1，q2}
t
，则对于任意时刻的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合而言，存在一个唯一的影响系数矩阵j，使得当阀门开度向量q产生δq变动时，透平输出功率向量p产生δp的变动，且δp＝jδq，其中δp＝{δp1，δp2}
t
，δq＝{δq1，δq2}
t
，其中影响系数矩阵j是透平输出功率向量p和阀门开度向量q的函数；
10.步骤2：对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q，其影响系数矩阵j的求法为，取δq1∈[0.1％,1％]，对高压透平入口调门2开度做的δq1微小调节，从而得到高、低压透平功率变动分别为δp
11
，δp
21
；同时取δq2∈[0.1％,1％]，对低压透平入口调门6开度做的δq2微小调节，从而得到高、低压透平功率变动分别为δp
21
，δp
22
；即得到此时透平输出功率向量p与阀门开度向量q的影响系数矩阵为
[0011]
步骤3：对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合，当想产生δp＝{δp1，δp2}
t
的目标变动量时，进行分解δp＝δp
10
+δp
02
＝{δp1，0}
t
+{0，δp2}
t
，即先保持低压透平功率p2不变，调节高压透平功率至p1+δp1；再保持高压透平功率p1+δp1不变，调节低压透平功率至p2+δp2，从而将高、低压透平同时调节的问题归化为只调节其中之一的问题；
[0012]
步骤4：对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合，当计划产生δp
10
＝{δp1，0}
t
的目标调节量时，取整数n，使其中p
1max
为高压透平额定功率值；令δp
10n
＝{δp1/n，0}
t
，按步骤2求解此刻的影响系数矩阵j
n
，从而得到线性方程组δp
10n
＝j
n
δq
10n
，其中阀门开度向量q
10n
为未知量；由克莱姆法则求解该线性方程组，得到阀门开度向量q
10n
＝{δq
1n
，δq
2n
}
t
，对高压透平入口调门2与低压透平入口调门6分别执行δq
1n
、δq
2n
的调节，从而得到了对应的高、低压透平功率变动值为δp`
10n
＝{δp`
1n
，δp`
2n
}
t
；
[0013]
步骤5：取ε∈[0.001,0.005]，若中高、低压透平功率变动值δp`
10n
同时满足条件
则令δp
10
＝{δp1‑
δp`
1n
，
‑
δp`
2n
}作为新的目标调节量，重复步骤4的步骤，直至|δp
10
‑
θ|≤ε，其中θ表示零向量，运算|
·
|表示对向量求模；若高、低压透平功率变动值不满足条件及任何之一，则取n＝2n，δp
10
＝{δp1‑
δp`
1n
，
‑
δp`
2n
}作为新的目标调节量，重复步骤4的步骤，其中p
1max
与p
2max
分别为高、低压透平额定功率值；经过迭代循环，总能使高、低压透平的功率调节为p＝{p1+δp1，p2}
t
，从而使高压透平4功率达到了目标调节值；
[0014]
步骤6：取δp
02
＝{0，δp2}
t
，对低压透平8功率执行类似于步骤4和步骤5中高压透平4功率调节方法，直至最终高、低压透平功率值调节为p＝{p1+δp1，p2+δp2}
t
，从而完成高、低压透平的功率调节。
[0015]
所述调节方法采用dcs控制系统来自动实现。
[0016]
所述调节方法在高、低压透平功率调节期间，需要对应的增加或减少压缩机13、加热器1、再热器5、预冷器11的功率，以及通过工质补充阀门10对系统补充或泄放工质，保证高、低压透平进出口实际焓降大于其输出轴功率并留有一定裕量。
[0017]
所述的调节方法适用于透平转速固定，阀门开度用来调节透平输出功率变化的情况；对于透平输出功率固定，阀门开度调节透平转速变化的情况，只需要将所述的透平输出功率向量p替换为转速向量s即可。
[0018]
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
[0019]
本发明方法首先通过高、低压透平入口调门分别做小扰动调节，通过高低压透平的功率变动值与入口调门小扰动值的比值求出影响系数矩阵，再通过求解线性方程组便可求出任意时刻功率值微调所对应的阀门开度值；考虑到透平阀门开度与功率值之间的非线性关系，当透平做大范围功率调整时，通过将大功率区间细分为若干个小功率区间，在保证小功率区间上透平阀门开度与功率值线性关系良好的基础上，通过若干个小功率区间的组合调节，最终完成高低、压透平的功率调节，采用同样的方法，也可以对高低压透平的转速进行调节。
附图说明
[0020]
图1为本发明调节方法调节的高低压透平系统示意图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0022]
本发明提出了基于小扰动法求影响系数矩阵的高低压透平解耦调节方法，系统中设备编号见图1所示。循环过程中，高压透平旁路调门3与低压透平旁路调门7保持关闭状态，二氧化碳工质经过预冷器11冷却后进入压缩机13，经压缩机13升压后进入回热器9冷侧升温，然后工质再经过加热器1再次升温后，进入高压透平4做功，做功后工质经过再热器5再次加热，继续进入低压透平8做功，做功后乏气经过回热器9热侧进行冷却，冷却后的工质
再次回到预冷器11入口，从而完成一个完整的循环，工质补充阀门10用于升降负荷过程中对系统进行补充或泄放工质。
[0023]
由于图1中所示的系统为闭式高低压透平串联布置，因此高低压透平入口调门开度与彼此的功率值是耦合影响的，动作任意一个透平的入口调门开度，两个透平的输出功率均会变动，因此无法采用一个阀门控制一个透平的简单方法进行控制，由此提出以下技术方案，本发明实施过程中技术要点如下：
[0024]
1)系统中压缩机13、加热器1与再热器5功率也是变化量，因此对于任意的高、低压透平功率p1、p2而言，其所对应的阀门开度q1、q2并不唯一确定，将透平输出功率与阀门开度分别记作列向量p＝{p1，p2}
t
、q＝{q1，q2}
t
，则对于任意时刻的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合而言，存在一个唯一的影响系数矩阵j，使得当阀门开度向量q产生δq变动时，透平输出功率向量p产生δp的变动，且δp＝jδq，其中δp＝{δp1，δp2}
t
，δq＝{δq1，δq2}
t
，其中影响系数矩阵j是透平输出功率向量p和阀门开度向量q的函数。
[0025]
2)对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q，其影响系数矩阵j的求法为，取δq1∈[0.1％,1％]，对高压透平入口调门2开度做的δq1微小调节，从而得到高、低压透平功率变动分别为δp
11
，δp
21
；同时取δq2∈[0.1％,1％]，对低压透平入口调门6开度做的δq2微小调节，从而得到高、低压透平功率变动分别为δp
21
，δp
22
；即得到此时透平输出功率向量p与阀门开度向量q的影响系数矩阵为
[0026]
3)对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合，当想产生δp＝{δp1，δp2}
t
的目标变动量时，可以进行分解δp＝δp
10
+δp
02
＝{δp1，0}
t
+{0，δp2}
t
，即先保持低压透平功率p2不变，调节高压透平功率至p1+δp1；再保持高压透平功率p1+δp1不变，调节低压透平功率至p2+δp2。
[0027]
4)对于任意的透平输出功率向量p与阀门开度向量q组合，当计划产生δp
10
＝{δp1，0}
t
的目标调节量时，取整数n，使其中p
1max
为高压透平额定功率值。令δp
10n
＝{δp1/n，0}
t
，按步骤2)求解此刻的影响系数矩阵j
n
，从而得到线性方程组δp
10n
＝j
n
δq
10n
，其中阀门开度向量q
10n
为未知量。由克莱姆法则求解该线性方程组，得到阀门开度向量q
10n
＝{δq
1n
，δq
2n
}
t
，对高压透平入口调门2与低压透平入口调门6分别执行δq
1n
、δq
2n
的调节，从而得到了对应的高、低压透平功率变动值为δp`
10n
＝{δp`
1n
，δp`
2n
}
t
。
[0028]
5)取ε∈[0.001,0.005]，若步骤4)中高、低压透平功率变动值同时满足条件
及则令δp
10
＝{δp1‑
δp`
1n
，
‑
δp`
2n
}作为新的目标调节量，重复步骤4)的操作，直至|δp
10
‑
θ|≤ε，其中θ表示零向量，运算|
·
|表示对向量求模；若步骤4)中高、低压透平功率变动值不满足条件及任何之一，则取n＝2n，δp
10
＝{δp1‑
δp`
1n
，
‑
δp`
2n
}作为新的目标调节量，重复步骤4)的步骤，其中p
1max
与p
2max
分别为高、低压透平额定功率值。经过迭代循环，总能使高、低压透平的功率调节为p＝{p1+δp1，p2}
t
，从而使高压透平4功率达到了目标调节值。
[0029]
6)取δp
02
＝{0，δp2}
t
，对低压透平8功率执行类似于步骤4)及步骤5)中所展示的高压透平4功率调节方法，直至最终高、低压透平功率值调节为p＝{p1+δp1，p2+δp2}
t
，从而完成高、低压透平的功率调节。实际操作中，本发明中的所有操作均可采用dcs控制系统来自动实现。
[0030]
在高、低压透平功率调节期间，需要对应的增加或减少压缩机13、加热器1、再热器5、预冷器11的功率，以及通过工质补充阀门10对系统补充或泄放工质，保证高、低压透平进出口实际焓降大于其输出轴功率并留有一定裕量。
[0031]
以上所述的方法适用于透平转速固定，阀门开度用来调节透平功率变化的情况；对于透平功率固定，阀门开度调节透平转速变化的情况，只需要将所述的透平输出功率向量p替换为转速向量s即可。