一种超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法

摘要

本申请提供了一种超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法：将循环最高设计压力Pmax、循环最高设计温度Tmax设为取值上限PH、TH，设备性能取最高值；计算循环最低压力取值下限PL对应的拟临界温度Tcr；然后将循环最低设计压力Pmin暂设为PL，并根据已设定的数据计算循环最低设计温度Tmin分别为Tcr+0.5℃和Tcr‑0.5℃时的系统循环性能η1和η2；若η1≥η2，则取Pmin＝PL、max(Tcr,TL)≤Tmin≤max(Tcr+3℃,TL)；若η1<η2，则取Tmin＝TL、Pmin＝Pcr±160kPa，其中Pcr为Tmin对应的拟临界压力。本方法简单易用、计算量小。

说明书

技术领域

本申请涉及超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法。

背景技术

超临界二氧化碳发电技术是以超临界二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环技术，同传统的蒸汽朗肯循环等相比，具有效率高、体积小、适应热源范围广等优点，是一种在核能发电、太阳能发电、地热发电、化石燃料发电、废热利用和船舶动力等领域极具潜力的新兴动力发电技术。

超临界二氧化碳发电系统一般最少包括一套同轴或分轴布置的压缩机和涡轮机、一台回热器、一台冷却器。超临界二氧化碳工质在压缩机内升压并经回热器提高温度后进入热源吸热，吸热后高温高压的工质进入涡轮做功，经回热器和冷却器回收剩余热量后返回压缩机入口，形成闭式循环。

超临界二氧化碳发电系统循环参数设计是开展系统设计的基础，主要内容为确定对发电系统性能具有重要影响的参数，如循环最高压力、循环最高温度、循环最低压力、循环最低温度等。在现有技术中，通常采用枚举法计算所有参数组合下的系统性能进而确定最优循环参数组合；部分现有技术采用遗传算法等优化算法确定循环最优参数。

例如，在文献“王兵兵，乔加飞.再压缩式超临界二氧化碳布雷顿循环的特性研究[J].动力工程学报，2018，38(9):763-767,772.”中，王兵兵等利用Matlab研究主压缩机入口温度和压力、透平入口温度和压力、设备效率等系统参数对循环效率的影响，并对循环的最佳工况点进行了寻优计算。公布号为CN109508851A的发明专利申请中，对循环中的多个变量在各个运行工况下采用遗传算法，以系统热电转换效率最大为目标进行优化，获得循环的最优性能。

但是这些方法用于系统循环参数计算时存在计算工作量大、实施难度高等问题。而且对于只包括一台压缩机的简单循环和大多数应用场景，考虑过多的因素对循环参数的优化结果并没有太大的帮助。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种可以简单快速地确定简单循环系统最优循环参数、设计精度满足大多数应用场景的超临界二氧化碳发电系统循环参数的设计方法，用于确定循环最高压力设计值Pmax、循环最高温度设计值Tmax、循环最低压力设计值Pmin、循环最低温度设计值Tmin；包括步骤：

S10.确定循环最高压力上限PH、循环最低压力下限PL、循环最高温度上限TH、循环最低温度下限TL、设备性能上限；

S20.将Pmax设为PH、Tmax设为TH、设备性能设计值设为所述设备性能上限；

S30.计算PL对应的工质拟临界温度Tcr；

S40.将Pmin暂设为PL，根据已设定的数据计算Tmin分别为Tcr+T1和Tcr-T1时的系统循环性能η1和η2，其中T1为Tmin与Tcr的偏离值；

S50.若η1≥η2，则取Pmin＝PL，Tmin的取值范围为：

max(Tcr+T2,TL)≤Tmin≤max(Tcr+T3,TL)，其中T2为Tmin的设计裕度下限值，T3为Tmin的设计裕度上限值；

若η1<η2，则取Tmin＝TL，Pmin的取值范围为：

Pcr-P1≤Pmin≤Pcr+P2，其中Pcr为Tmin对应的拟临界压力，P1为Pmin的设计裕度下偏差，P2为Pmin的设计裕度上偏差。

对大多数应用场景，将Pmax和Tmax设为上限时系统的效率最高。因此本方法不再对这两个参数进行优化。确定了Pmax、Tmax、设备性能设计值，以及步骤S40确定的Pmin和Tmin的试算值，就能利用本领域常规手段计算出系统的循环性能，然后根据计算得到的系统循环性能确定Pmin和Tmin的取值方案，同时根据经验为Tmin加上一个设计裕度、或者为Pmin加上一个设计裕度，得到优选的Pmin和Tmin取值范围。

优选地，所述设备性能包括压缩机效率、涡轮机效率、回热器最小传热温差、冷却器最小传热温差。在为了确定系统循环参数而进行系统效率的计算时，这些相关设备的性能均取最高效率值。

优选地，所述拟临界温度Tcr的计算公式为：Tcr＝0.0055PL-9.29；其中PL的单位为kPa，Tcr的单位为℃。根据仿真计算结果以及对计算结果的拟合，在一般应用场景，可以用简单的线性关系近似地计算拟临界温度，在保证足够设计精度的情况下大大简化计算过程。

优选地，所述偏离值T1为0.5℃。该偏离值用于判断其他参数确定后最低循环温度对系统效率的影响趋势。

优选地，所述Tmin的设计裕度下限值T2为0，所述Tmin的设计裕度上限值T3为3℃。设计裕度需要根据设计水平和系统控制水平确定，为了不牺牲太多系统效率，应当将最低循环温度控制在较低的范围内，同时又能保证其始终高于工质的拟临界温度。

优选地，所述Tmin的设计裕度下限值T2为1℃，所述Tmin的设计裕度上限值T3为2℃。即设计裕度优选取1～2℃。

优选地，所述临界压力Pcr的计算公式为：Pcr＝163.99Tmin+2300.6；其中Pcr的单位为kPa，Tmin的单位为℃。和前述Tcr的计算公式类似，Pcr的计算公式通过对仿真计算结果进行拟合得到。

优选地，所述Pmin的设计裕度下偏差P1为160kPa，所述Pmin的设计裕度上偏差P2为160kPa。

优选地，所述Pmin的设计裕度下偏差P1为0，所述Pmin的设计裕度上偏差P2为160kPa。设计裕度根据经验和系统控制水平确定。

本申请的技术效果在于：

1.本发明采用逻辑判断和散点计算结合的方式，针对仅包括一台压缩机的简单循环，将超临界二氧化碳发电系统循环参数优化设计时的循环性能计算量缩减到2次，实现了超临界二氧化碳发电系统循环参数快速简单的优化设计；

2.同基于枚举法的现有技术相比，本发明提出的方法在进行循环参数寻优时计算量显著降低；即使枚举法仅对循环最低温度和循环最低压力两个参数组合进行枚举，温度在32-42℃范围内取20个点，压力在7500-8500kPa范围内取50个点，也要进行约1000次循环性能计算；而本发明仅需进行2次循环性能计算，计算量降低2-3个数量级；

3.同基于全局优化算法的技术相比，本发明提出的方法简单易用，且计算量显著降低；

4.本发明提出的方法逻辑简单、计算量小，便于形成明确的设计规则，方便设计人员学习使用，不易出错；

5.本发明提出的方法在大多数应用场景具有足够的精度，完全可以满足实际应用的需要。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细说明：

图1是实施例一和实施例二的超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本申请的具体实施方式。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本申请相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一：一种超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法。

如图1所示，本实施例用于确定超临界二氧化碳发电系统循环参数的设计值，所述发电系统采用包括一台压缩机的简单布雷顿循环，包括循环最高压力设计值Pmax、循环最高温度设计值Tmax、循环最低压力设计值Pmin、循环最低温度设计值Tmin，步骤如下：

S10.首先根据系统设计水平和设计策略，同时兼顾实现难度和实现成本，确定循环最高压力上限PH、循环最高温度上限TH、循环最低压力下限PL和循环最低温度下限TL。本实施例以5MW功率等级系统为例，阐述各参数的设计方法。本步骤先根据一般的设计水平和实际实施水平进行评估后确定：PH＝20Mpa，PL＝8Mpa，TH＝500℃，TL＝34℃；设备性能上限设置如下：压缩机效率上限＝80％，涡轮机效率上限＝85％，回热器最小传热温差10℃，冷却器最小传热温差9℃；

S20.将Pmax、Tmax、设备性能设计值设为步骤1确定的上限，即设Pmax＝20Mpa,Tmax＝500℃,压缩机效率设计值＝80％，涡轮机效率设计值＝85％，回热器最小传热温差设计值10℃，冷却器最小传热温差设计值9℃；

S30.计算PL对应的工质拟临界温度Tcr；Tcr根据拟合公式Tcr＝0.0055PL-9.29计算，其中PL的单位为kPa，Tcr的单位为℃；本实施例的计算结果为：

Tcr＝0.0055PL-9.29＝34.71(℃),最后一位四舍五入取Tcr＝34.7℃；

S40.将Pmin暂设为PL，即8Mpa，根据已设定的数据计算Tmin分别为Tcr+0.5℃和Tcr-0.5℃时的系统循环性能η1和η2，即34.2℃和35.2℃时的系统循环性能；本实施例的计算结果为η1＝31.13％，η2＝31.08％；

S50.若η1≥η2，则取Pmin＝PL，Tmin的取值范围为：max(Tcr+1℃,TL)≤Tmin≤max(Tcr+2℃,TL)；若η1<η2，则取Tmin＝TL，Pmin的取值范围为：Pcr≤Pmin≤Pcr+160kPa，其中Pcr为Tmin对应的拟临界压力，其拟合计算公式为Pcr＝163.99Tmin+2300.6，其中Pcr的单位为kPa，Tmin的单位为℃。本实施例的判断结果为：η1>η2，因此取Pmin＝PL＝8Mpa，Tmin的取值范围为：max(Tcr+1℃,TL)≤Tmin≤max(Tcr+2℃,TL)，计算得到35.7≤Tmin≤

36.7，最后本实施例取Tmin＝35.7℃。

根据上述步骤，本实施例最后确定的系统循环参数为：Pmax＝20Mpa，Tmax＝500℃，Pmin＝8Mpa，Tmin＝35.7℃。

其中步骤S40中，Tmin的试算值的取值计算通式为Tcr+T1和Tcr-T1，其中T1为Tmin与Tcr的偏离值，本实施例中偏离值T1取0.5℃为优选方案。步骤S50中，Tmin的取值范围计算通式为：max(Tcr+T2,TL)≤Tmin≤max(Tcr+T3,TL)，其中T2为Tmin的设计裕度下限值，T3为Tmin的设计裕度上限值；本实施例取T2＝1℃、T3＝2℃为优选方案；根据设计经验的不同，也可以取T2＝0℃、T3＝3℃，同时上述计算式保证了Tmin的取值范围不低于循环最低温度下限TL。步骤S50中，Pmin的取值范围为计算通式为Pcr-P1≤Pmin≤Pcr+P2，其中Pcr为Tmin对应的拟临界压力，P1为Pmin的设计裕度下偏差，P2为Pmin的设计裕度上偏差；本实施例取P1＝0、P2＝160kPa为优选方案，根据设计经验的不同，也可取P1＝160kPa、P2＝160kPa。

实施例二：一种超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法。

本实施例用不同的输入参数，进一步说明本申请的具体实施方式。本实施例的超临界二氧化碳发电系统循环参数设计方法流程图和实施例一相同，不再重复阐述。本实施例的计算步骤和计算结果如下：

S10.本实施例以10MW功率等级系统为例，根据中等以上设计水平和实施水平评估后确定:PH＝24Mpa，PL＝7.8Mpa，TH＝600℃，TL＝33℃；设备性能设置如下：压缩机效率上限＝88％，涡轮机效率上限＝92％，回热器最小传热温差7℃，冷却器最小传热温差8℃；

S20.将Pmax、Tmax、设备性能设计值设为步骤1确定的上限，即设Pmax＝24Mpa，Tmax＝600℃，压缩机效率设计值＝88％，涡轮机效率设计值＝92％，回热器最小传热温差设计值7℃，冷却器最小传热温差设计值8℃；

S30.计算PL对应的工质拟临界温度Tcr：

Tcr＝0.0055PL-9.29＝33.61(℃),最后一位四舍五入取Tcr＝33.6℃；

S40.将Pmin暂设为PL，即7.8Mpa，根据已设定的数据计算Tmin分别为Tcr+0.5℃和Tcr-0.5℃时的系统循环性能η1和η2，即33.1℃和34.1℃时的系统循环性能；本实施例的计算结果为η1＝41.16％，η2＝41.28％；

S50.由于本实施例中，η1<η2，故取Tmin＝TL＝33℃，并计算Tmin对应的Pcr值：Pcr＝163.99Tmin+2300.6＝7712.27(kpa)，四舍五入并转换单位后取Pcr＝7.71Mpa；因此Pmin的取值范围为：7.71Mpa≤Pmin≤7.87kPa。本实施例最后取Pmin＝7.8Mpa。

根据上述步骤，本实施例最后确定的系统循环参数为：Pmax＝24Mpa，Tmax＝600℃，Tmin＝33℃，Pmin＝7.8Mpa。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本申请构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点和功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。例如在步骤S40中，也可以少量增加Tmin的试算值至3个以上，还可以根据设计经验增加少量Pmax、Tmax的试算值，即增加少量的其他设计参数的试算值，仍然可以将计算量控制在较小的范围内。