一种用于太阳能热发电的耦合循环系统及控制方法与流程

本发明涉及一种热力循环系统，具体涉及一种用于太阳能热发电的耦合循环系统及控制方法。

背景技术：

太阳能发电作为一种新型的能源转换技术因具有低碳环保、取之不尽用之不竭的优势被视为极具前景的能源利用形式。其中，太阳能光热发电由于具有发电持续性与稳定性、节能降耗、节省投资等优势而被视为一种极具潜力的能源转换技术，并将在我国乃至世界未来能源工业的发展中占据重要的地位。另一方面，超临界二氧化碳(s‐co2)布雷顿循环在450‐650℃左右的涡轮初温条件下具备很高的热效率，而且兼具结构紧凑、体积小等优势，因而被视为太阳能热发电的一种极具前景的能量转换系统。以往研究通过对各种构型的s‐co2布雷顿循环的热力学对比计算表明：再压缩循环是一种较为理想的系统构型方式，兼具循环效率高与构型简洁的优势。此种循环通过引入再压缩机，对原本流过主压缩机的一部分工质进行分流，从而解决了低温回热器的“夹点”问题，提高了回热器吸热侧出口温度，从而明显提升了循环效率。

然而，由于诸多太阳能资源密度较高的地区位于低纬度沙漠地带，气候干旱炎热。因而，对大型太阳能光热机组而言，采用冷却水作为循环冷源处冷却器的吸热工质并不实际，一般能采用空冷方式作为冷源吸热工质，进行循环工质的冷却。然而，由于空气换热能力较弱，因而在冷源处空气‐co2热交换器的设计端差比水‐co2热交换器设计端差高10‐15℃，再加上炎热地区冷却器的空气温度较高，造成s‐co2布雷顿循环co2工质冷端温度远高于co2临界点温度。而由于s‐co2布雷顿循环效率较高的关键原因之一正是在于循环冷端进入压缩机的工质温度接近临界温度，而使压缩机内工质的压缩因子下降，压缩机耗功明显降低。因而采用空冷方式将对循环效率产生明显的负面影响，尤其是在夏季气温较高时循环效率的下降将更为明显,再考虑到夏季为太阳能资源丰富的时节以及需电量高峰期，循环效率的明显降低将对太阳能光热发电的总输出电能产生尤为严重的削减，电能需求也将难以满足。

技术实现要素：

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种用于太阳能热发电的耦合循环系统及控制方法，在s‐co2布雷顿循环底部耦合溴化锂吸收式制冷循环，利用s‐co2循环低温回热器放热侧出口原本进入冷源处直接冷却的co2工质余热作为溴化锂吸收式制冷的驱动热源，产生的冷量用于维持s‐co2循环冷端的主压缩机入口温度在临界点温度附近，从而能始终保持压缩机耗功较低，维持较高水平的循环效率与输出功水平；为适应环境温度变化对循环效率及输出功带来的影响，本发明压缩机入口温度控制方法，保证系统在不同环境温度条件下的平稳高效运行。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案为：

一种用于太阳能热发电的耦合循环系统，包括通过发生器8与蒸发器16耦合的超临界二氧化碳布雷顿循环子系统和溴化锂吸收式制冷循环子系统，以及主压缩机入口温度的控制系统；

所述超临界二氧化碳布雷顿循环子系统回路包括循环透平2，循环透平2出口连接高温回热器3放热侧入口，高温回热器3放热侧出口连接低温回热器4的放热侧入口，低温回热器4的放热侧出口分为两路：第一路连接再压缩机5入口；第二路连接发生器8热源侧入口，发生器热源侧8出口连接预冷器6放热侧入口，预冷器6放热侧出口分为两子路，一子路连接蒸发器14放热侧入口，另一子路连接co2旁路调节阀17入口，两子路分别从蒸发器14放热侧出口与co2旁路调节阀17出来重新并汇为一路，并连接到主压缩机7入口，主压缩机7出口连接低温换热器4吸热侧入口，低温换热器4吸热侧出口与从再压缩机5出口出来的第一路重新汇合，连接到高温回热器3吸热侧入口，高温回热器3吸热侧出口连接高温热源换热器1吸热侧入口，高温热源换热器1吸热侧出口连接回透平2入口形成超临界二氧化碳布雷顿循环子系统回路；

所述溴化锂吸收式制冷循环子系统回路包括吸收器13，吸收器13浓溶液出口侧依次通过第一变频器11和溶液泵10与溶液热交换器9吸热侧入口连接，溶液热交换器9吸热侧出口连接发生器8入口，发生器8出口分为水蒸汽侧与浓溶液侧两支路，水蒸汽侧支路连接冷凝器16入口，冷凝器16出口通过蒸汽节流阀15连接至蒸发器14入口，蒸发器14出口连接至吸收器13入口蒸汽侧；发生器8浓溶液侧支路出口连接溶液热交换器9放热侧入口，溶液热交换器9放热侧出口经过溶液节流阀12连接至吸收器13入口稀溶液侧。

所述主压缩机入口温度的控制系统包括传感器、可编式程序控制器和执行机构；主压缩机7入口温度传感器18与空气温度传感器22为控制系统传感器，从两个温度传感器采集压缩机入口温度信号与实时空气温度信号，并传入可编式程序控制器21中；然后可编式程序控制器21根据获得的温度信号发出控制指令，并控制执行机构完成控制命令；控制系统中有两组执行机构，第一组为co2旁路调节阀17和第一变频器11，用于协调调节溴化锂吸收式制冷量与进入溴化锂吸收式制冷机中吸热的co2工质份额；第二组为第二变频器19，用于调节预冷器6冷却量。

本发明具备如下优点：

1、从热力学第二定律角度而言，本发明提出的超临界co2布雷顿循环与溴化锂吸收式制冷循环耦合系统将超临界co2布雷顿循环原本进入冷却器释放的余热中一部分热量通过溴化锂吸收式制冷循环转换为冷量加以利用，从而降低了耦合循环系统总有用能的不可逆损失，增大了循环系统的热效率及效率。

2、通过耦合溴化锂吸收式制冷机，可将主压缩机入口温度控制在略高于临界点的水平。从而相比无压缩机入口温度控制的s‐co2循环，循环热效率与净输出功可相对提升5‐15％。

3、溴化锂吸收式制冷循环具有良好的变工况特性，在s‐co2循环侧变工况导致发生器中热源co2工质流量变化时，相应地调整溴化锂侧工质流量几乎不会带来制冷效率的明显变化，从而可以满足变工况时耦合循环的稳定工作。因而使用co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制法为主的控制方法可平稳高效的实现主压缩机入口温度控制。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是本发明系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

(一)耦合循环系统运行方式

本发明提出了一种用于太阳能热发电的耦合循环系统，耦合循环系统可分为两个超临界二氧化碳布雷顿循环与溴化锂吸收式制冷循环两个子系统，并通过发生器8与蒸发器14耦合为一个完整系统，还包括主压缩机入口温度的控制系统。

超临界二氧化碳布雷顿循环子系统中：co2工质从高温热源换热器1中吸热后进入循环透平2中，循环透平2中出口的co2工质依次进入高温回热器3与低温回热器4的放热侧，在低温回热器4的放热侧出口分为两股流体，其中一股进入先后进入发生器8放热然进入预冷器6中冷却，之后又分为两股子支流，一股子支流进入蒸发器14中吸热，另一股子支流则经过co2旁路调节阀17然后与前一股子支流汇合为一股支流。然后进入主压缩机7进行压缩，然后进入低温回热器4吸热侧。另一股支流进入再压缩机5，经过再压缩机压缩后的流体与第一股从低温回热器4吸热侧出来的流体重新混合成一股，进入高温回热器3吸热，最后回到高温热源换热器1中。

溴化锂吸收式制冷子系统中：稀溴化锂溶液在溶液泵10的作用下经溶液热交换器9吸热后进入发生器8中，在发生器中受到来自co2工质热源的加热，直至沸腾，溶液中的水分在发生器8里不断的汽化为水蒸汽，并得到浓溴化锂溶液。浓溴化锂溶液经溶液热交换器9换热后通过溶液节流阀12进入吸收器13，而蒸发出的水蒸汽作为制冷剂在冷凝器16中放出热量并凝结成水，经过蒸汽节流阀15减压后进入蒸发器14，在蒸发器14内水在低压下吸收热量蒸汽。

(二)主压缩机入口温度控制方法

由于气温的变化会导致预冷器与溴化锂吸收式制冷机工况发生变化，从而将可能导致主压缩机7入口温度的上升或降低至临界点之下，影响耦合循环系统的安全高效运行；因而需根据气温条件，对主压缩机7入口温度进行实时控制，以保持主压缩机7入口温度既在较低水平，同时又始终高于临界点温度；主压缩机7入口温度控制方法包括co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制法与预冷器风机变频控制法。

(1)co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制法

忽略流动过程的压损，则对主压缩机7入口的工质，由质量守恒与能量守恒的公式：

m1＝m降温+m旁路(1)

m1·cp1·t1＝m降温·cp降温·t降温+m旁路·cp旁路·t旁路(2)

其中：m1是主压缩机7入口的co2质量流量；m降温是在蒸发器14中放热降温的co2质量流量；m旁路是经过co2旁路调节阀17的co2质量流量；cp1为主压缩机7入口co2比热容；cp降温为蒸发器14出口的co2比热容；cp旁路为旁路调节阀出口的co2比热容；t1是主压缩机7入口的co2温度；t降温是在蒸发器14中放热降温后的co2温度；t旁路是经过旁路调节阀17的后的co2温度；

因此，主压缩机7入口温度由以下公式计算：

t1＝(m降温·cp降温·t降温+m旁路·cp旁路·t旁路)/m1·cp1(3)

co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制方法通过对第一变频器11作用，改变溶液循环倍率，并同时调整co2旁路调节阀17开度；能够同时调整式3中的t降温与m降温，从而快速有效改变主压缩机7入口温度t1，因而o2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制方法为主压缩机7入口温度t1主要调节方法。

(2)预冷器风机变频控制法

忽略预冷器中工质流动过程的压损，由预冷器中换热平衡：

mco2·cpco2·(tco2,入‐tco2,出)＝mair·cpair·(tair,入‐tair,出)(4)

mco2·cpco2·(tco2,入‐tco2,出)＝k·a·δt(5)

其中：mco2为预冷器6中co2的质量流量；cpco2为通过预冷器6中的co2的平均比热容；mair为预冷器6中空气的质量流量；cpair为预冷器6中空气的平均比热容；tco2,入与tco2,出分别为预冷器co2的进出口温度；tair,入与tair,出分别为预冷器空气的进出口温度；k为预冷器的总换热系数；a为预冷器总换热面积；δt为预冷器换热平均温差；

预冷器风机变频控制法通过控制第二变频器19频率改变预冷器6空气侧空气的质量流量mair，从而通过改变预冷器中co2的换热量来调整co2出口温度tco2,出，进而对主压缩机7入口温度t1进行调整；由于预冷器热惯性较大，而这种方法的调节不能直接作用于co2工质，效果也易受到空气入口温度的影响，特别是在高温天气条件下，因而调节效果相对有限，故作为主压缩机7入口温度t1调节辅助方法。

本发明提出的压缩机入口控制方法实施步骤为：

步骤1：读入实时气温，根据气温确定主压缩机7入口目标温度t1t；

步骤2：采集主压缩机7入口温度t1，若t1与t1t温差大于1℃，控制系统动作；

步骤3：首先采用co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制方法进行压缩机入口温度控制：当t1大于t1t时，通过增加第一变频器11频率，以增加溶液循环倍率，并减小co2旁路调节阀17开度，以增加进入蒸发器14放热的co2流量；反之当t1小于t1t时，通过降低第一变频器11频率，以减小溶液循环倍率，并增加co2旁路调节阀17开度，以减小进入蒸发器14放热的co2流量；

步骤4：当进行步骤3中所述的co2冷却流量‐溴化锂溶液泵协调控制方法调节至第一变频器11频率达到上限或下限后t1还无法达到目标值，通过作用在第二变频器19上的控制信号改变风机转速调整预冷器6出口co2温度，进而实现对t1进行调节；

步骤5：当步骤3与步骤4中两种调节方法都无法使主压缩机7入口温度t1达到额定值，则调整目标冷却温度t1t，以进行匹配；若当t1降低至接近临界点时，进行报警，以防进入主压缩机7入口工质状态进入两相区，对主压缩机7造成损坏。