SCO制造技术

一种超临界二氧化碳(SCO

【技术实现步骤摘要】
SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法
本专利技术涉及超临界二氧化碳布雷顿发电
，特别涉及一种超临界二氧化碳(SCO2)膨胀机的运行控制系统及运行控制方法。
技术介绍
超临界二氧化碳(SCO2)发电技术是以超临界状态的CO2为工质的一种新型发电技术，由于介质物性的特殊性，SCO2发电系统具有能源转换效率高、结构形式紧凑、调节响应快等显著优点，是一种变革性的新型能源转换技术。目前国内外已经尝试将SCO2发电技术与太阳能、核能、化石能源等能源方式耦合起来，搭建了若干个不同功率等级的实验系统，但至今尚无技术成熟的机组，也没有可以借鉴的机组运行控制逻辑。因此需要针对SCO2膨胀机的结构及运行特点，提出适用的运行控制方法。SCO2膨胀机与传统的蒸汽轮机相比，具有轴向力大、密封困难等特点。密封通常采用泄露量小的干气密封，而干气密封的气源通常从压机出口或系统其他位置抽气而来。因此，膨胀机的运行控制过程必须综合考虑轴向力限制条件以及密封的运行要求。蒸汽轮机通常不使用干气密封，也无轴向力问题，所以传统的蒸汽轮机的运行控制过程无法应用于SCO2膨胀机之中。传统的蒸汽轮机与SCO2膨胀机的结构及运行要求大相径庭，所以传统化石能源朗肯循环的运行控制逻辑无法直接应用于超临界二氧化碳布雷顿循环之中。美国西南研究院研制出输出功率为10MWe的轴流式SCO2膨胀机，并在其已有的1MWe的实验台架上进行了测试，验证样机的运行性能(T.C.Allison，J.J.Moore，etc.Planningforsuccessfultransientsandtripsina1MWe-scalehigh-temperaturesco2testloop，proceedingsoftheASMETurboExpo2018)。此实验系统包括柱塞泵回路和膨胀机回路，膨胀样机的启动过程如下所述：实验系统的整个回路包括膨胀机内部都充注同等压力的二氧化碳介质之后，将膨胀机与其入口处的加热器通过关闭隔离阀与柱塞泵加压回路隔离开；膨胀机入口的二氧化碳介质在加热器作用下持续升温，当二氧化碳介质加热到约260℃、压力约10MPa时，介质在加热膨胀的作用下，驱动膨胀机转动，使膨胀机瞬间达到5000rpm的启动转速；之后在加热器的持续加热作用下，膨胀机入口介质持续升温直至额定温度，转速不断提高；最后当膨胀机出口压力与柱塞泵回路的入口压力一致时，打开隔离阀，连通柱塞泵加压回路与膨胀机回路，在柱塞泵的作用下，膨胀机入口流量及压力不断增大，转速进一步提高，最终达到额定工况。滑参数停机过程为：维持膨胀机入口阀门开度不变，以350℃/h的降温速率降低膨胀机入口介质温度；当介质温度降低到不高于200℃之后，锅炉(加热器)停机，待锅炉出风温度低于150℃，鼓风机停机，同时膨胀机入口阀门开度减小，入口流量和压力降低，转速持续降低；膨胀机转速降低到设定值，全开柱塞泵回路旁通阀门，关闭膨胀机入口阀门将其隔离，膨胀机惰转直至停机。上述的SCO2膨胀机的启动和停机方法实际上是针对实验测试提出的，并不是真正应用于发电系统的控制方法，具体的控制细节也未公开。并且，其启动过程是靠入口工质的升温膨胀推动转子转动而实现的，直到背压与柱塞泵的入口压力一致之后，才连通泵回路，通过增大膨胀机入口压力和流量进一步提高转速到额定值。常规发电系统没有单独的泵回路，所以此过程仅适用于该实验系统，与常规发电系统中由主蒸汽阀进汽推动叶轮启动并做功的方法不同。另外，上述的膨胀机的运行控制过程未公布更详细的资料，没有涉及到轴向力及密封气的控制过程，而轴向力和密封气压力在膨胀机的启停过程中是需要重点关注的参数，若控制不当，易因轴向力过大或泄露失控产生设备损坏。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统及运行控制方法，适用于两级同轴串联式超临界二氧化碳膨胀机的启动、停机等过程的运行控制。(二)技术方案本专利技术一方面提供一种SCO2膨胀机的运行控制系统，用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种，包括：膨胀机，包括高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002，所述高压级膨胀机TU001的出口工质经外部管道引入低压级膨胀机TU002入口；膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303，位于锅炉出口与高压级膨胀机TU001入口之间的管道上；膨胀机出口闸阀304，位于低压级膨胀机TU002出口；旁通阀301，位于锅炉出口的膨胀机旁通管路上；密封气入口闸阀401和仪表气入口闸阀501，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；仪表气调节阀502，紧邻仪表气入口闸阀501；电加热器402，紧邻密封气入口闸阀401之后，用于加热输入密封气；密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀403和低压级密封气调节阀404，分别位于电加热器402与膨胀机的密封气入口之间的管道上。本专利技术另一方面提供一种基于该运行控制系统的启动运行控制方法，方法包括：步骤S10，锅炉点火运行直至达到冷态启动条件；步骤S11，开启辅机系统，控制密封气入口温度不低于最低温度，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同；步骤S12，进入膨胀机投产阶段，调节膨胀机入口调节阀303以控制膨胀机入口压力和流量，并使膨胀机叶轮处于低转速运行状态；步骤S13，进入膨胀机升温升速阶段，控制膨胀机入口压力和流量逐渐提升，以及膨胀机叶轮转速不断升高，调节膨胀机负载直至膨胀机达到额定工况。进一步地，所述步骤S10之前还包括：保持膨胀机入口闸阀302、膨胀机入口调节阀303和膨胀机出口闸阀304均关闭且旁通阀301打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出；膨胀机及运行控制系统的各个支路中充满超临界二氧化碳，并保持整个发电系统中的压缩机正常运行。进一步地，所述冷态启动条件包括：监测锅炉出口的工质升温速率并控制其在第一升温速率范围内逐渐升温并稳定至第一设定温度。进一步地，所述最低温度为密封气入口压力条件下对应的密封气温度；在步骤S11中，所述控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同，包括：控制高压级膨胀机TU001的密封气入口压力和低压级膨胀机TU002的密封气入口压力，使其与高压级膨胀机TU001和低压级膨胀机TU002主管道压力保持相同。进一步地，所述额定工况为设计条件下的膨胀机运行参数；所述低转速运行状态为不高于低温极限转速，或不高于临界转速，其中，所述低温极限转速为低温运行条件下使轴向力不高于最大设计值的极限转速，所述临界转速为转子出现大幅振动时的转速。进一步地，所述步骤S12包括：S121，辅机系统运行稳定后，打开膨胀机入口闸阀302使锅炉出口的工质进入膨胀机，控制膨胀机入口流量在第一流量增量范围内缓慢增加，并控制膨胀机转速在第一升速率范围内逐渐升速；S122，升速过程中监测膨胀机的密封气出口压力，根据密封气进出口压差条件，调节密封气调节阀以控制密封气入口压力，控制密封气入口温度不低于密封气入口压力对应的最低温度；S12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SCO

【技术特征摘要】
1.一种SCO2膨胀机的运行控制系统，其特征在于，用于调节二氧化碳的压力、温度或流量中的至少一种，包括：
膨胀机，包括高压级膨胀机(TU001)和低压级膨胀机(TU002)，所述高压级膨胀机(TU001)的出口工质经外部管道引入低压级膨胀机(TU002)入口；
膨胀机入口闸阀(302)、膨胀机入口调节阀(303)，位于锅炉出口与高压级膨胀机(TU001)入口之间的管道上；
膨胀机出口闸阀(304)，位于低压级膨胀机(TU002)出口；
旁通阀(301)，位于锅炉出口的膨胀机旁通管路上；
密封气入口闸阀(401)和仪表气入口闸阀(501)，分别位于输入密封气和输入仪表气的入口管道上；
仪表气调节阀(502)，紧邻仪表气入口闸阀(501)；
电加热器(402)，紧邻密封气入口闸阀(401)之后，用于加热输入密封气；
密封气调节阀，包括高压级密封气调节阀(403)和低压级密封气调节阀(404)，分别位于电加热器(402)与膨胀机的密封气入口之间的管道上。


2.一种基于权利要求1所述运行控制系统的启动运行控制方法，其特征在于，方法包括：
步骤S10，锅炉点火运行直至达到冷态启动条件；
步骤S11，开启辅机系统，控制密封气入口温度不低于最低温度，并且控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同；
步骤S12，进入膨胀机投产阶段，调节膨胀机入口调节阀(303)以控制膨胀机入口压力和流量，并使膨胀机叶轮处于低转速运行状态；
步骤S13，进入膨胀机升温升速阶段，控制膨胀机入口压力和流量逐渐提升，以及膨胀机叶轮转速不断升高，调节膨胀机负载直至膨胀机达到额定工况。


3.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述步骤S10之前还包括：
保持膨胀机入口闸阀(302)、膨胀机入口调节阀(303)和膨胀机出口闸阀(304)均关闭且旁通阀(301)打开，锅炉出口的工质从膨胀机旁通管路中排出；
膨胀机及运行控制系统的各个支路中充满超临界二氧化碳，并保持整个发电系统中的压缩机正常运行。


4.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述冷态启动条件包括：监测锅炉出口的工质升温速率并控制其在第一升温速率范围内逐渐升温并稳定至第一设定温度。


5.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述最低温度为密封气入口压力条件下对应的密封气温度；
在步骤S11中，所述控制密封气入口压力与膨胀机主管道压力保持相同，包括：
控制高压级膨胀机(TU001)的密封气入口压力和低压级膨胀机(TU002)的密封气入口压力，使其与高压级膨胀机(TU001)和低压级膨胀机(TU002)主管道压力保持相同。


6.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述额定工况为设计条件下的膨胀机运行参数；
所述低转速运行状态为不高于低温极限转速，或不高于临界转速，其中，所述低温极限转速为低温运行条件下使轴向力不高于最大设计值的极限转速，所述临界转速为转子出现大幅振动时的转速。


7.根据权利要求2所述的启动运行控制方法，其特征在于，所述步骤S12包括：
S121，辅机系统运行稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭朝红，胡和敏，姜玉雁，陈俊斌，梁世强，郭永献，岳鹏，曾秒，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11