超临界二氧化碳循环发电机组冷端温度控制策略的制作方法

1.本发明涉及电厂热工控制技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳发电机组冷端温度控制策略。


背景技术：

2.相比于水蒸汽朗肯循环发电技术，超临界二氧化碳循环热效率较高、设备尺寸小、系统布置简单，能够实现模块化；二氧化碳作为循环工质，热稳定性高、无毒、不可燃、腐蚀性小；在火电、核电、太阳能热发电等热力发电技术领域，超临界二氧化碳循环均具有广阔的应用前景，是目前最有可能替代水蒸汽朗肯循环发电的动力循环。
3.在采用水蒸汽朗肯循环的热力发电厂中，为保证机组具有较高的发电效率，凝汽器需要维持较高的真空，且凝汽器真空越高，机组发电效率越高，因此机组冷端温度越低越好。而在超临界二氧化碳循环发电机组运行过程中，压缩机运行工况越靠近临界点，机组发电效率越高。但压缩机入口二氧化碳温度必须高于其压力对应的拟临界温度，否则二氧化碳工质将发生液化，二氧化碳液滴不仅对压缩机气动性能造成影响，而且磨损压缩机叶片，甚至造成压缩机叶片断裂。因此压缩机入口二氧化碳温度需要精确的调节。
4.随着超临界二氧化碳循环发电技术研究不断深入，基于该循环的试验平台及示范电站也在不断推进。但目前有关超临界二氧化碳循环发电机组的动态特性及其控制策略方面的研究报道较为缺乏，机组运行控制优化等技术报道更少，难以为试验平台及示范电站的运行优化提供指导。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种超临界二氧化碳循环发电机组冷端温度控制策略。该控制策略包括预冷器热侧出口二氧化碳温度调节和循环水供水温度调节两个控制回路，另外在预冷器热侧出口二氧化碳温度的控制回路中引入循环水供水温度的温升率作为前馈。该控制策略可降低环境温度变化及升降负荷对循环冷端温度的扰动，提高压缩机入口二氧化碳温度的控制精度，有效保证压缩机安全高效运行，大幅提高机组发电效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种超临界二氧化碳循环发电机组冷端温度控制策略，在机组升降负荷或者环境温度变化过程中，预冷器及循环水冷却塔传热量会发生变化，从而对循环冷端温度产生扰动，此时通过调节循环水泵电机频率或循环水流量调节阀开度控制流经预冷器的循环水流量，进而调节预冷器热侧出口二氧化碳温度，同时通过循环水冷却塔风扇或风扇挡板调节循环水供水温度，另外在预冷器热侧出口二氧化碳温度的控制回路中引入循环水供水温度的温升率作为前馈，可加快循环水流量的响应速度，进而对压缩机入口二氧化碳温度进行精确的调节。对应于该控制策略，预冷器热侧出口二氧化碳温度控制回路的具体逻辑如下：
8.(一)预冷器热侧出口温度偏差
9.根据超临界二氧化碳循环发电机组设计说明书确定预冷器热侧出口温度设定值，经过温度传感器测得实时的预冷器热侧出口实际温度，得到预冷器热侧出口温度偏差δt
pc
，即：
10.δt
pc
＝t
pc,sp-t
pc,pv
；
11.式中，δt
pc
为预冷器热侧出口温度偏差，t
pc,sp
为预冷器热侧出口温度设定值，t
pc,pv
为预冷器热侧出口实际温度；
12.(二)循环水泵的前馈控制信号
13.选取温度传感器测得的循环水供水温度的温升率作为循环水泵的前馈控制信号f
fd
，即：
14.f
fd
＝f(t
w,in
)；
15.(三)循环水泵的控制信号
16.根据pid1控制器得到循环水泵电机频率f
pid
，加上循环水泵的前馈控制信号f
fd
，并经过循环水泵电机频率低限，得到最终的循环水泵控制信号f，即：
17.f＝f
pid1
+f
fd
；
18.(四)根据循环水泵控制信号调节预冷器热侧出口二氧化碳温度。
19.本发明中，保证预冷器冷侧出口循环水不发生汽化，根据超临界二氧化碳循环发电机组发电功率及循环水泵频率流量特性，获得循环水泵电机频率低限值；
20.比较循环水泵电机频率f
pid1
和电机频率低限值，若循环水泵电机频率f
pid1
小于电机频率低限值，则提高循环水泵电机频率f
pid1
至电机频率低限值以上，继续下一步；若循环水泵电机频率f
pid1
不小于电机频率低限值，继续下一步。
21.本发明中，根据机组设备实际情况也可选择循环水流量调节阀作为控制手段，具体控制逻辑与循环水泵一致，包括：
22.(一)预冷器热侧出口温度偏差计算：
23.根据超临界二氧化碳循环发电机组设计说明书确定预冷器热侧出口温度设定值，预冷器热侧出口的温度传感器测得实时的预冷器热侧出口实际温度，计算差值得到预冷器热侧出口温度偏差，预冷器热侧出口温度偏差的表达式为：
24.δt
pc
＝t
pc,sp-t
pc,pv
；
25.式中，δt
pc
为预冷器热侧出口温度偏差，t
pc,sp
为预冷器热侧出口温度设定值，t
pc,pv
为预冷器热侧出口实际温度；
26.(二)循环水流量调节阀的前馈控制信号获取：
27.选取温度传感器测得的循环水供水温度的温升率作为循环水流量调节阀的前馈控制信号f
fd’；
28.(三)循环水流量调节阀的控制信号获取：
29.控制循环水流量调节阀开度和循环水流量调节阀的前馈控制信号f
fd’，得到循环水流量调节阀控制信号f’；
30.(四)根据循环水流量调节阀控制信号调节预冷器热侧出口二氧化碳温度。
31.循环水供水温度控制回路的具体逻辑如下：
32.(一)循环水供水温度偏差
33.根据超临界二氧化碳循环发电机组设计说明书确定循环水供水温度设定值，经过
温度传感器测得实时的循环水供水温度，得到循环水供水温度偏差δt
w,in
，即：
34.δt
w,in
＝t
w,in,sp-t
w,in,pv
35.(二)冷却塔风扇的控制信号
36.根据pid2控制器得到冷却塔风扇电机频率f
pid2
作为冷却塔风扇的控制信号；
37.(三)根据冷却塔风扇的控制信号调节循环水供水温度。
38.本发明中，根据机组设备实际情况也可选择冷却塔风扇挡板作为控制手段，具体控制逻辑与冷却塔风扇一致，包括：
39.(一)循环水供水温度偏差计算：
40.根据超临界二氧化碳循环发电机组设计说明书确定循环水供水温度设定值，温度传感器测得实时的循环水供水实际温度，计算差值得到循环水供水温度偏差，循环水供水温度偏差的表达式为：
41.δt
w,in
＝t
w,in,sp-t
w,in,pv
；
42.式中，δt
w,in
为循环水供水温度偏差，t
w,in,sp
为循环水供水温度设定值，t
w,in,pv
为循环水供水实际温度；
43.(二)冷却塔风扇挡板的控制信号获取：
44.控制冷却塔风扇挡板开度作为冷却塔风扇挡板的控制信号；
45.(三)根据冷却塔风扇挡板的控制信号调节循环水供水温度。。
46.作为本发明的优选，由循环水供水温度t
w,in
的温升率得到的循环水泵或者循环水流量调节阀前馈控制信号函数f(t
w,in
)的形式为其中，其中，f(t
w,in
)为前馈控制信号函数，k表示循环水供水温度前馈作用的强弱，取值≥0，当k＝0时，表示没有前馈作用，前馈控制信号函数输出为0，当k》0时，存在前馈作用，且k值越大，前馈作用越强，为当前时刻t时测得的循环水供水温度，为上一时刻t
‑△
t时测得的循环水供水温度。
47.作为本发明的优选，循环水泵和冷却塔风扇采用变频电机带动。
48.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
49.本发明通过循环水泵或循环水流量调节阀控制流经预冷器的循环水流量，进而调节预冷器热侧出口二氧化碳温度，同时通过冷却塔风扇或冷却塔风扇挡板控制循环水供水温度，另外将循环水供水温度的温升率作为预冷器热侧出口二氧化碳温度控制回路的前馈信号，加快循环水流量调节的响应速度，大幅降低了升降负荷和环境温度变化对机组冷端温度的扰动，提高了压缩机入口二氧化碳温度的控制精度，有效保证压缩机安全高效运行，大幅提高机组发电效率，且本发明结构简单，易于实现。
附图说明
50.图1为本发明超临界二氧化碳循环发电机组冷端工艺系统示意图；
51.图2为本发明预冷器换热过程示意图；
52.图3为本发明超临界二氧化碳循环发电机组冷端温度控制逻辑图。
53.图中，预冷器1，压缩机2，循环水泵3，冷却塔4，冷却塔风扇5，循环水流量调节阀6，风扇挡板7，电动机8。
具体实施方式
54.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
55.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
56.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
57.图1为超临界二氧化碳循环发电机组冷端工艺系统示意图，其中自低温回热器热侧出口来的二氧化碳进入预冷器1热侧放热降温，然后经过压缩机2增压后进入低温回热器冷侧吸热升温；同时循环冷却水通过循环水泵3输送至预冷器1冷侧吸收来自二氧化碳的热量，然后经过循环水流量调节阀6进入冷却塔4对环境放热，之后再次通过循环水泵3输送至预冷器1吸热；循环水冷却塔4布置变频风扇及风扇挡板7。
58.图2为超临界二氧化碳循环发电机组运行过程中预冷器1冷热侧流体的换热过程示意图，整体采用逆流换热，其中热侧二氧化碳放热降温，冷侧循环水吸热升温，且在运行过程中预冷器1冷侧出口循环水温度t
c,out
不能接近或高于其压力对应的饱和温度t
c,v
，否则循环水将汽化，形成的气泡会阻碍循环水的流动，使得循环水流量急剧减少，进一步加剧循环水的汽化。因此运行过程中，为保证预冷器1冷侧出口循环水不发生汽化，需要设置循环水流量低限。
59.在超临界二氧化碳循环发电机组运行过程中，二氧化碳的压缩过程接近临界点时，其密度接近液体而粘性类似气体，可使得压缩耗功大幅减少，循环热效率大幅提高；但压缩机2入口二氧化碳温度低于其压力对应的拟临界温度时，二氧化碳工质将会液化，产生的液滴极易造成压缩机2叶片断裂，对机组的安全运行构成极大威胁。本发明提出的一种超临界二氧化碳循环发电机组冷端温度控制策略正是解决该问题的有效方法，通过改变循环水泵3电机频率或循环水流量调节阀6开度控制流经预冷器1的循环水冷却水流量，进而调节预冷器热侧出口二氧化碳温度；同时通过改变循环水冷却塔风扇5电机频率或风扇挡板7开度调节循环水供水温度；另外将循环水供水温度的温升率作为前馈引入到预冷器热侧出口二氧化碳温度控制回路，以加快循环水流量的响应速度，控制逻辑如图3所示。预冷器热侧出口二氧化碳温度控制回路具体逻辑如下，1.将循环水供水温度送入函数f(x)中，产生循环水泵3的前馈控制信号；2.将预冷器热侧出口二氧化碳温度偏差送入pid 1控制器中，产生循环水泵3电机频率；3.将pid 1控制得到的循环水泵3电机频率送入加法器中；4.将函数f(x)产生的循环水泵3前馈控制信号送入加法器中；5.将加法器输出的新的循环水泵3电机频率送入循环水泵3电机频率低限值中，得到最终的循环水泵3控制指令信号。循环水供
水温度控制回路具体逻辑如下，将循环水供水温度偏差送入pid 2控制器中，得到循环水冷却塔风扇5电机频率。
60.根据机组设备实际情况也可选择循环水流量调节阀6及冷却塔风扇5挡板作为控制手段，具体的控制逻辑如图3所示，控制过程与上述的循环水泵3及冷却塔风扇5一致。