超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22079

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 492-501.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22079

超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述

唐鑫¹, 钱奕然¹, 方华伟², 李洋², 李思广², 易经纬², 陈伟雄¹, 严俊杰¹

^1.动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学)，陕西省西安市 710049
^2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川省成都市 610041

收稿日期:2022-04-20 出版日期:2023-08-31 发布日期:2023-08-29
通讯作者: 陈伟雄
作者简介:唐鑫(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为布雷顿循环系统优化，tang19981025@stu.xjtu.edu.cn；
钱奕然(1997)，男，博士研究生，主要研究方向为布雷顿循环系统优化，qyr3119103080@stu.xjtu.edu.cn；
方华伟(1987)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为动力系统设计，fang.huawei@163.com；
李洋(1991)，女，硕士研究生，主要研究方向为新型核动力研发及系统优化，13880342430@163.com；
李思广(1992)，男，工程师，主要研究方向为动力系统仿真设计，lisiguang0507@163.com；
易经纬(1981)，研究员级高级工程师，主要研究方向为布雷顿系统总体设计，42665499@qq.com；
陈伟雄(1985)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为汽液两相流、强化传热和热力系统节能，chenweixiong@mail.xjtu.edu.cn；
严俊杰(1967)，男，教授，博士生导师，主要从事热力系统节能控制与仿真、汽液两相流研究，yanjj@mail.xjtu.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFB4100401);核反应堆系统设计技术重点实验室运行基金(LRSDT2021403);中核集团领创科研项目(2020012)

A Review of Control Strategies for Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle

Xin TANG¹, Yiran QIAN¹, Huawei FANG², Yang LI², Siguang LI², Jingwei YI², Weixiong CHEN¹, Junjie YAN¹

^1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, Shaanxi Province, China
^2.Key Laboratory of Nuclear Reactor System Design Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, Sichuan Province, China

Received:2022-04-20 Published:2023-08-31 Online:2023-08-29
Contact: Weixiong CHEN
Supported by:
National Key R&D Program of China(2022YFB4100401);Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory(LRSDT2021403);Innovative Scientific Program of CNNC(2020012)

摘要/Abstract

摘要：

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO₂)布雷顿循环在以第四代核能和太阳能为代表的清洁能源高效利用领域具有巨大发展潜力，而合理可靠的控制策略是保证S-CO₂布雷顿循环系统安全、稳定、高效、灵活运行的关键。调研总结了S-CO₂布雷顿循环控制特点，并对不同应用场景下S-CO₂布雷顿循环相关控制策略进行了总结和对比。结果表明，S-CO₂布雷顿循环控制包括运行状态控制、叶轮机械控制、热源控制等，变负荷控制策略主要有容积控制法、透平旁路控制法、透平进口节流阀控制法、压缩机转速控制法等。分析结果可为相关发电领域S-CO₂布雷顿循环控制策略选择提供参考。

关键词: 超临界二氧化碳, 布雷顿循环, 控制策略, 变负荷

Abstract:

Supercritical carbon dioxide(S-CO₂) Brayton cycle has great development potential in the field of efficient utilization of clean energy represented by fourth-generation nuclear energy and solar energy. A reasonable and reliable control strategy is the key to ensure the safe, stable, efficient and flexible operation of the S-CO₂ Brayton cycle system. This paper summarized the characteristics of S-CO₂ Brayton cycle control, and summarized and compared the S-CO₂ Brayton cycle control strategies under different application scenarios. The results show that the key control strategies of S-CO₂ Brayton cycle include running state control, impeller machine control, heat source control, etc. The variable load control strategies mainly include volume control, turbine bypass control, turbine inlet throttle control, compressor speed control, etc. The analysis results provide a reference for the selection of S-CO₂ Brayton cycle control strategies in related power generation fields.

Key words: supercritical carbon dioxide, Brayton cycle, control strategy, load change

中图分类号:

TK 01

唐鑫, 钱奕然, 方华伟, 李洋, 李思广, 易经纬, 陈伟雄, 严俊杰. 超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 492-501.

Xin TANG, Yiran QIAN, Huawei FANG, Yang LI, Siguang LI, Jingwei YI, Weixiong CHEN, Junjie YAN. A Review of Control Strategies for Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(4): 492-501.

图/表 11

图1 不同旁路节流阀位置示意图

Fig. 1 Location diagram of different bypass throttle valves

图2 STAR-LM循环布局和控制机制1—反应堆芯；2—铅主冷却回路；3—Pb-CO2换热器；4—CO2透平；5—发电机；6，7—高低温回热器；8—冷却器；9，10—压缩机；11—冷却回路；12—RVACS；13—空气散热器；17—热源旁路阀；18—透平进口阀；19—透平旁路阀；20—容积控制；21—分流阀。

Fig. 2 Cyclic layout and control mechanism of STAR-LM

表1 ANL S-CO2布雷顿循环控制策略

Tab. 1 S-CO2 Brayton cycle control strategy of ANL

控制方法	适用范围
容积控制	50%~90%和10%~25%负荷
透平节流控制	0~50%负荷
透平旁路控制	90%~100%负荷，以及在其他负荷时，协助容积和透平节流控制
冷却器旁路控制	所有变负荷时，保持最低温度
冷却水流量控制	所有负荷时，保持冷却器旁路的可操作性
压缩机喘振控制	避免压缩机进入喘振区

图3 压缩机喘振控制原理图

Fig. 3 Schematic diagram of compressor surge control

表2 变负荷控制方法比较

Tab. 2 Comparison of variable load control methods

变负荷方法	原理	特征
压缩机转速控制法	改变循环流量，进而改变循环功率	仅适用于压缩机和透平分轴布置；保证循环效率的快速变负荷方法
容积控制法	控制循环工质容量，控制循环压力和流量	循环效率高，但变负荷速度慢；变负荷能力受到储罐容积限制；循环压力有低于临界点的风险
温度控制法	包括压缩机入口和透平出口温度控制。前者通过改变压缩机性能改变流量；后者直接改变透平输出功	会降低循环效率；需要调节反应堆功率来控制温度
透平进口节流阀控制法	降低透平进口压力，降低透平功率	循环效率低，但变负荷速度快；无法达到20%以下负荷；可能会导致压缩机壅塞
透平旁路控制法	减少流过透平流量，降低透平功率	在任意负荷条件下快速调节负荷；除阀门外不需要投入额外设备

图4 直接冷却反应堆的S-CO2布雷顿循环控制策略

Fig. 4 Control strategy of S-CO2 Brayton cycle for direct-cooled reactors

图5 MMR-S-CO2循环PID控制策略及安全特性

Fig. 5 MMR-S-CO2 cycle PID control strategy and safety characteristics

图6 SCFR-300循环采用的控制布置方法

Fig. 6 SCFR-300 cyclic control layout method

图7 S-CO2再压缩循环快速启动方案

Fig. 7 Quick start scheme of S-CO2 recompression cycle

图8 聚光蓄热电站S-CO2再压缩循环控制策略

Fig. 8 S-CO2 recompression cycle control strategy for concentrated thermal storage power station

图9 S-CO2再压缩间冷预热循环控制策略

Fig. 9 Control strategy of S-CO2 recompression cycle with intercooling and preheating

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