基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的制作方法

1.本发明涉及气体监测与控制领域，具体涉及一种基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统。


背景技术：

2.近年来，随着特高压输电容量的不断增大及可再生能源发电大规模并网，同时国家对环保要求日趋严格，开发不可再生能源和能源的高效清洁利用已成为能源战线的主要任务。提升发电机组动力循环效率、降低发电成本已成为不可再生能源适应发电新形势的重要手段。
3.能源的高效转化利用主要通过热力学循环系统实现。布雷顿循环系统作为一种典型的热力学循环系统，在热效率方面有着明显的优势。在简单的布雷顿循环中，工质先后经过等熵压缩、等压吸热、等熵膨胀以及等压冷却四个过程，实现了能量的高效转化利用。与传统的蒸汽朗肯循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环系统在高于550℃的工况下具有更高的循环效率，并且工质处于超临界状态时，由于近临界点压缩体积变化较小，减少了压缩机的功耗，循环效率得到很大的提升。二氧化碳在临界点附近具有接近于气体的黏性，流动性强，易于扩散，循环损耗小等诸多优点。因此，只有严格控制超临界二氧化碳在压缩机入口处的状态才能进一步提高超临界二氧化碳布雷顿循环系统的效率。
4.目前，超临界二氧化碳在压缩机入口处的状态主要通过测量压缩机入口端的温度和压力来间接判断。但是，由于二氧化碳在临界点附近的状态变化非常复杂，且受目前温度测试精度的限制，很小的温度差异就会使得其相应的比热、密度和黏度等物性发生显著变化，无法精确监测二氧化碳在压缩机入口处的实际状态；另外，温度传感器的布置会扰乱管路中二氧化碳流场的分布，使得压缩机入口处二氧化碳实际状态与监测结果存在很大差异；而且二氧化碳在临界点附近监测的物性数据不准对冷却和压缩过程中的热力学系统设计和优化影响显著，进而影响到预冷器、压缩机等设备内二氧化碳工质的流动和换热特性，对系统稳定运行和循环效率有着不可忽视的影响。
5.因此，如何对超临界二氧化碳循环系统中的循环工质二氧化碳在实际运行工况下的物性状态进行精确监测和控制，是现有技术存在的难题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统，其能够实现对超临界二氧化碳布雷顿循环系统实际运行工况下设备入口处工质状态的监测与控制，提高布雷顿循环系统中压缩机等设备的工作性能，进而提高布雷顿循环系统的整体效率。本发明的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统，包括：供二氧化碳通过的测试段；对通过测试段的二氧化碳发出检测光束的红外光源；对穿过二氧化碳的检测光束进行接收及分析的红外光谱仪；控压模块，将二氧化碳的压
力控制在设定值。此外，还包括可以对超临界二氧化碳的温度进行监测和调节的控温模块，控温模块可以对超临界二氧化碳进行温度调节，使得利用红外光谱仪分析得到的超临界二氧化碳在特定波段的透射率接近或者达到该超临界二氧化碳在临界状态下的透射率。
7.根据该技术方案，由于气体在不同压力下的物性数据不同，通过控压模块将超临界二氧化碳的压力控制在设定值，使布雷顿循环系统中实际运行工况下设备入口处的二氧化碳压力稳定在设定值，即气体的临界压力附近，进而实现对实际运行工况下的设备入口处二氧化碳压力的监测与控制。基于红外光谱仪实际分析得到的超临界气体的透射率与临界状态下的透射率进行对比，首先，通过控压模块将气体的压力稳定在设定值，即临界压力附近；然后，通过控温模块来对超临界二氧化碳温度进行调节，使得利用红外光谱仪分析得到的超临界二氧化碳的透射率接近或者达到该气体在临界条件下的透射率，实现超临界二氧化碳的压力和温度的精确监测与控制。需要说明的是，本发明的发明人们创造性地利用透射率的参数来进行控温，并与上述技术方案中的控压模块匹配使用，相互支持且共同作用，从而进一步实现了超临界二氧化碳状态的精确监测与控制，使得压缩机入口处的二氧化碳的状态稳定在临界点附近，可压缩性好，相态稳定，减少了压缩机功耗，避免了超临界气体相态的改变对设备工作性能的影响，提高了布雷顿循环系统的循环效率。
8.在本发明的较优技术方案中，透射率可以是红外光谱仪分析得到的实际透射率，也可以是通过管道直径标准化后的透射率。
9.根据该发明的较优技术方案，红外光谱仪分析得到的实际透射率或通过管道直径标准化后的透射率可以排除管道直径对透射率测试结果的影响。
10.在本发明的较优技术方案中，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中，该超临界二氧化碳布雷顿循环系统结构布置为简单布雷顿循环、再压缩布雷顿循环、再压缩部分冷却布雷顿循环、再压缩再热布雷顿循环以及再压缩中间冷却布雷顿循环中的任一种。
11.根据该较优技术方案，由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中以超临界二氧化碳作为循环工质，相对于其他工质，超临界二氧化碳对管道设备腐蚀速率更低，系统结构紧凑，占用空间小，且系统具备更高的循环效率，且基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统对各种结构类型的超临界布雷顿循环系统均适用，可以根据实际需要来精确监测和控制不同结构类型的超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳的压力和温度，提高不同结构类型的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的循环效率。
12.在本发明的较优技术方案中，超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括压缩机，测试段设置于压缩机入口，通过测试段的二氧化碳进入至压缩机中。
13.根据该较优技术方案，测试段设置于压缩机入口处，可对即将进入压缩机的二氧化碳状态进行监测与控制，通过测试段的二氧化碳进入压缩机中，确保进入压缩机的二氧化碳处在临界点附近或者达到临界点，避免进入压缩机的工质因偏离临界点导致气体可压缩性降低而增大压缩机功耗，且避免不同相态的工质对压缩机的叶轮造成极大的冲击，甚至加速压缩机内部运动部件的磨损，严重影响压缩机的使用寿命。
14.在本发明的较优技术方案中，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的测试段为管状部件，在外周面上设置有供来自红外光源的检测光束通过的透镜监测窗口。
15.根据该较优技术方案，测试段为管状部件，便于和压缩机的管路匹配或者直接利用该管路的一部分作为测试段，在外周面上设置有供来自红外光源的检测光束通过的透镜监测窗口，该透镜监测窗口可以供红外光源发出的检测光束透过，根据透过后的光通量和入射光通量，红外光谱仪进而可以分析得到二氧化碳的透射率。同时，也可以将透镜放置于管道内部，并通过光纤与光谱仪集成一个系统，可以根据具体的管道尺寸确定透镜放置的位置，便于排除管道尺寸对光谱仪分析得到的透射率的影响。
16.在本发明的较优技术方案中，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统还包括与控压模块通信连接的压力传感器。
17.根据该较优技术方案，与控压模块通信连接的压力传感器可以测量测试段中二氧化碳的压力，并通过控压模块将进入压缩机入口的二氧化碳的压力调节至超临界二氧化碳的设定值附近或者达到设定值，从而精确监测和控制进入压缩机的二氧化碳的压力。
18.在本发明的较优技术方案中，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的检测光束的波长范围为1μm～5μm。
19.根据该较优技术方案，由于超临界二氧化碳在红外光谱区1μm～5μm有着较强的吸收特性，主要吸收特征峰在2.8μm和4.2μm处，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的检测光束的波长范围为1μm～5μm，该范围内的检测光束可以确保所有吸收特征峰能够被检测出来且有较高的检测精度。
20.在本发明的较优技术方案中，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的控压模块通过调节压缩机的入口段背压阀的工作压力而将二氧化碳的压力控制在设定值。
21.根据该较优技术方案，控压模块中的压力传感器可以测量测试段中二氧化碳的压力，在不符合二氧化碳压力的预设值时，控压模块通过调节压缩机入口段背压阀的工作压力实现对压缩机入口处的二氧化碳的压力调控，将进入压缩机的二氧化碳的压力稳定在设定值附近或者达到设定值，通过背压阀可以精确调节进入压缩机入口的二氧化碳的压力。
22.在本发明的较优技术方案中，超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括预冷器，控温模块通过调节预冷器的功率而实现对二氧化碳温度的调节。
23.根据该较优技术方案，控温模块在对二氧化碳的温度进行调节时，利用布雷顿循环系统的已有部件即可实现调节，即主要通过调节预冷器的功率来实现对二氧化碳的温度进行调节，使得利用红外光谱仪分析得到的二氧化碳的透射率接近或者达到该二氧化碳在临界条件下的透射率。
附图说明
24.图1是本发明实施方式的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的示意图；
25.图2是本发明实施方式的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统的示意图；
26.图3是图2中测试段的结构示意图；
27.图4是本发明实施方式的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制的示意图；
28.图5是本发明实施方式的二氧化碳在不同温度下检测光束的透射率图。
29.附图标记：
[0030]1‑
泵；2
‑
监测与控制系统；20
‑
测试段；200
‑
透镜监测窗口；21
‑
红外光源；22
‑
红外光谱仪；23
‑
控压模块；230
‑
压力传感器；24
‑
控温模块；240
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预冷器；3
‑
压缩机；4
‑
回热器；5
‑
热源；6
‑
透平；7
‑
发电机。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
[0032]
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
[0033]
图1是本发明实施方式的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的示意图。参照图1可知，在本实施方式中，超临界二氧化碳布雷顿循环系统主要包括：热源5、透平6、回热器4、发电机7、预冷器240、压缩机3、泵1、监测与控制系统2。在该循环系统中，以二氧化碳作为工质，二氧化碳从热源5获取热能，高温高压的状态下进入透平6做功，带动发电机7转动发电，做功后的工质相继进入回热器4回收剩余热能，经过预冷器240冷却后，被压缩机3压缩，然后经过回热器4加热，进入热源5吸收热量，继续循环做功，监测与控制系统2可以监测和控制二氧化碳的状态，确保其在临界点附近或者临界状态下进入超临界二氧化碳布雷顿循环系统的压缩机设备中。
[0034]
另外，由于二氧化碳具有相对稳定的化学性质、良好的物理性能、可靠的安全性，价格低廉且易于获取，在本发明的实施方式中使用二氧化碳作为循环工质，不存在冻结问题，在环境温度较低时，可以大幅减少机组启动时间，达到较高的循环效率，在本发明的其他实施方式中，该监测与控制系统2也可用于对其他超临界气体的状态的监测与控制。
[0035]
图2是本发明实施方式的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2的示意图，图3是图2中测试段的结构示意图，图4是本发明实施方式的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制的示意图。
[0036]
参考图2和图4，本实施方式中提供的基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2包括：供二氧化碳通过的测试段20；对通过测试段20的二氧化碳发出检测光束的红外光源21；对穿过二氧化碳的检测光束进行接收及分析的红外光谱仪22；将二氧化碳的压力控制在设定值即临界压力附近的控压模块23；将二氧化碳的温度调节至临界温度附近的控温模块24。此处的红外光谱仪22为示意性地示出，实际上的红外光谱仪包括受光光纤、ccd传感器以及分析装置等。需要说明的是，超临界流体并不限于二氧化碳，也可以是其他的流体。
[0037]
其中，优选地，参考图2和图4，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2还包括与控压模块23通信连接的压力传感器230。
[0038]
其中，优选地，超临界二氧化碳状态监测与控制系统2的控压模块23通过调节压缩机3的入口段背压阀(未图示)的工作压力而将二氧化碳的压力控制在设定值。
[0039]
具体而言，二氧化碳工质从测试段20通过时，红外光源21对通过测试段20的二氧化碳发出检测光束，并通过红外光谱仪22对检测光束的透射率进行分析，而控压模块23中
的压力传感器230可以对从测试段20通过且将进入压缩机3入口处的二氧化碳的压力进行测量，当二氧化碳的压力未达到二氧化碳临界条件下的压力时，控压模块23通过调节压缩机3入口段的背压阀的工作压力将进入压缩机3入口的二氧化碳的压力控制在设定值，同时或者再将红外光谱仪22测量得到的透射率与设定值压力下对应的超临界二氧化碳临界状态下的透射率进行对比，通过控温模块24，调节二氧化碳的温度，使二氧化碳的透射率稳定在临界状态下透射率附近或者达到临界状态下的透射率，进而实现对进入压缩机3入口的二氧化碳的压力与温度状态进行监测与控制。
[0040]
更具体而言，压力传感器230是将压力转换为电信号输出的传感器，包括弹性敏感元件和位移敏感元件，压力传感器230具有高动态响应速度、精度和可靠性等特点，在本发明的一些实施方式中压力传感器230可以是电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器，在本发明的其他实施方式中，也可以是霍尔式压力传感器、光纤式压力传感器等。压力控制器可以采用金属316l膜片式的传感器，可以用于气体介质，并且在
‑
0.1mpa～40mpa量程段内调节范围可以任选，而二氧化碳在临界条件下的压力通常为7.38mpa，刚好满足压力调节要求。压力控制器体积小、重量轻，在调整压力时精确度高，可直接安装于测试段20中，便于将压缩机3入口处的二氧化碳的压力控制在设定值附近。
[0041]
在本实施方式中，背压阀带有调节机构，可以在泵1运作时，背压阀能够使泵1与背压阀之间的管路保持一定的压力。在压缩机3入口处的二氧化碳的压力值达不到设定值时，通过调节背压阀的调节机构，来实现对二氧化碳的压力调节。更具体而言，在本发明的一些实施方式中，背压阀内设有弹簧，通过调节内置弹簧的弹力来实现压力调节，当二氧化碳压力比设定压力值小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路，增大二氧化碳的压力值，当二氧化碳压力比设定压力值大时，膜片压缩弹簧，管路接通，减小二氧化碳的压力值；在本发明的其他实施方式中，背压阀也可以和脉动阻尼器同时使用，通过调节脉动阻尼器而调整泵1和背压阀之间的压力。本实施方式中的背压阀可以是单向阀、顺序阀等。由于背压阀结构紧凑，性能稳定，便于安装调试，反应灵敏，复现性好，可以很好地满足超临界二氧化碳对压力监测的精度要求。
[0042]
优选地，参考图1和图4，超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括预冷器240，控温模块24通过调节预冷器240的功率而实现对二氧化碳的温度进行调节。
[0043]
在本实施方式中，当通过控压模块23将气体的压力稳定在设定值后，基于红外光谱仪22实际分析得到的超临界二氧化碳的透射率与临界状态的透射率仍然相差较大时，通过控温模块24来对二氧化碳的温度进行调节，更确切地说，是通过调节预冷器240的功率来实现对二氧化碳的温度进行调节，使得利用红外光谱仪22分析得到的二氧化碳的透射率接近或者达到二氧化碳在临界条件下的透射率，实现超临界二氧化碳的温度的精确监测与控制。因为超临界二氧化碳在拟临界区物性突变是将压缩机3运行点控制在拟临界温度附近的高密度区域，将回热器4的运行点控制在拟临界温度之后的低密度区，可以保证二氧化碳冷却的前提下，降低压缩耗功，且超临界二氧化碳在一定的运行参数范围内具有密度较大、无相变等特性，使得基于超临界二氧化碳的布雷顿循环系统循环效率高。
[0044]
具体而言，控温模块24可以包括温控器或者与温控器通信连接，该温控器能够调节预冷器240的功率，从而实现对压缩机3入口处的温度进行调节，使其达到二氧化碳在临界条件下的温度。
[0045]
本领域技术人员能够了解，控压模块或控温模块其结构没有特别限定，只要是能够与背压阀联动或者与预冷器240联动即可，压力调节或者温度调节的具体电路设计也是本领域技术人员的一般知识，在此不做详细说明。
[0046]
优选地，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2用于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中，该超临界二氧化碳布雷顿循环系统结构布置为简单布雷顿循环、再压缩布雷顿循环、再压缩部分冷却布雷顿循环、再压缩再热布雷顿循环以及再压缩中间冷却布雷顿循环中的任一种。
[0047]
在本实施方式中，由于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中以超临界二氧化碳作为循环工质，相对于其他工质，对管道设备腐蚀速率更低，系统结构紧凑，占用空间小，且系统具备更高的循环效率，且基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2对各种结构类型的超临界布雷顿循环系统均适用，可以根据实际需要来精确监测和控制不同结构类型的超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳的温度和压力，提高不同结构类型的超临界二氧化碳布雷顿系统的循环效率。
[0048]
优选地，参考图1和图2，超临界二氧化碳布雷顿循环系统还包括压缩机3，测试段20设置于压缩机3入口，通过测试段20的二氧化碳进入至压缩机3中。
[0049]
在本实施方式中，测试段20设置于压缩机3入口处，可对即将进入压缩机3的二氧化碳状态进行监测与控制，通过测试段20的二氧化碳进入至压缩机3中，确保进入压缩机3的二氧化碳处在临界点附近或者达到临界点，避免进入压缩机3的二氧化碳因偏离临界点导致气体可压缩性降低而增大压缩机3功耗，且避免不同相态的工质对压缩机3的叶轮造成极大的冲击，甚至加速压缩机3内部运动部件的磨损，严重影响压缩机3的使用寿命。
[0050]
根据实际应用过程中的需要，本实施方式中的测试段20设置于压缩机3入口处，但不限于压缩机3入口处，在本发明的其他实施方式中，也可以设置于回热器4等设备入口处，避免回热器4内因存在二氧化碳高密度区而导致部分热量无法被回收，进而导致系统循环效率降低。
[0051]
优选地，参考图3，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2的测试段20为管状部件，在外周面上设置有供来自红外光源21的检测光束通过的透镜监测窗口200。
[0052]
在本实施方式中，测试段20为管状部件，便于和与压缩机3连通的布雷顿循环系统的管路匹配或者直接采用该管路的一部分作为测试段20，在外周面上设置有供来自红外光源21的检测光束通过的透镜监测窗口200，该透镜监测窗口200可以供红外光源21发出的检测光束透过，根据透过后的光通量和入射光通量，红外光谱仪22进而可以分析得到二氧化碳的透射率。
[0053]
优选地，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2的检测光束的波长范围为1μm～5μm。
[0054]
在本实施方式中，由于超临界二氧化碳在红外光谱区1μm～5μm有着较强的吸收特性，主要吸收特征峰在2.8μm和4.2μm处，基于红外光谱特性分析的超临界二氧化碳状态监测与控制系统2的检测光束的波长范围为1μm～5μm，该范围内的检测光束可以确保主要吸收特征峰能够被检测出来且有较高的检测精度。
[0055]
图5是本发明实施方式的二氧化碳在不同温度下对检测光束的透射率图。如图所
示，压力为7.5mpa时，超临界二氧化碳在临界温度附近对波长为3600nm～3700nm范围的检测光束的透射率，可以发现，二氧化碳在该波段的透射率对温度的变化比较敏感，所以二氧化碳在该波段的透射率可以用于表征二氧化碳的温度状态。当监测与控制系统1用于监测和控制压缩机3入口处二氧化碳的状态时，其透射率的变化范围位于临界点附近区域；当监测与控制系统1用于监测和控制回热器4、透平6等设备入口二氧化碳的状态时，其透射率的变化位于远离临界点区域，且具有单向变化的特征。当监测与控制系统1用于监测和控制压缩机3入口处二氧化碳的状态时，控压模块23将气体的压力稳定在设定值后，通过红外光谱仪22获得的透射率与其设定压力和临界温度下的透射率对比相差很大时，控温模块24通过调节预冷器240的功率以降低或提高二氧化碳温度，使其透射率减小以接近或者达到临界温度下的透射率；当监测与控制系统1用于监测和控制回热器4、透平6等设备入口处二氧化碳的状态时，控压模块23将气体的压力稳定在设定值后，如果红外光谱仪22获得的透射率高于其设定压力和临界温度下的透射率时，控温模块24通过调节预冷器240的功率以降低二氧化碳温度，使其透射率减小以接近或者达到临界温度下的透射率；如果红外光谱仪22获得的透射率低于其设定压力和临界温度下的透射率时，控温模块24通过调节预冷器240的功率以提高二氧化碳的温度，使其透射率增大以接近或者达到临界温度下的透射率。所以，可以通过控温模块24调节预冷器240的功率，对气体温度进行调节，并通过控温模块24将气体透射率稳定在临界条件下对应的透射率附近，从而将压缩机3入口处超临界二氧化碳的温度控制在临界温度附近，可以降低压缩机3耗功，从而提高压缩机3工作性能，提高布雷顿循环系统的效率。
[0056]
以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。