适用于CAES系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法

适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及流体机械中的涡轮喷嘴配气技术领域，涉及适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法。

背景技术：

2.压缩空气储能(caes)被认为是最具发展前景的大规模储能技术之一，具有储能容量大、储能周期长、储能效率高、成本相对较低等优点。在电网调峰、可再生能源并网和分布式能源系统中发挥着重要作用。作为将高压空气内能转化成机械能，驱动发电机发电的主要设备，涡轮是caes系统的核心部件之一，其性能直接影响caes系统的整体效益。
3.与常见汽轮机组不同，在caes系统中，压缩空气以一定的压力和容积进行存储，随着释能过程的进行，储气系统内气体剩余量减小，气体压力逐渐降低，但始终高于膨胀机进口压力，因此，需要通过节流阀对压缩空气进行合理有效的调节。为了在可变压缩空气存储压力下获得稳定的质量流量以满足输出功率要求，主要采用节流调节和喷嘴调节两种调节控制方法。
4.与节流调节不同，喷嘴调节的每一喷嘴组通过相应的调节阀进行控制，变负荷时，调节阀依次开启或关闭，通过调节阀控制喷嘴流入气体的工况，进而改变气体流量。喷嘴调节可以有效降低节流损失，提高caes系统的整体效率。然而，喷嘴调节引起的部分进气会导致流场气流分布不均匀，增加了涡轮的能量损失，进而降低了输出功率和效率。
5.目前，研究大多数都集中在部分进气状态下的涡轮，忽略了涡轮前端喷嘴等调节参数对涡轮性能的影响；针对caes系统运行特性，对于变气源压力运行条件下的喷嘴调节涡轮更是罕有研究。此外，目前的研究还没有形成完整的喷嘴配气控制及优化体系。

技术实现要素：

6.因此，本发明提供了适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法，针对caes系统变气源压力运行的特点，该控制系统可以在给定气源压力和需求功率条件下，实时获得caes系统涡轮喷嘴的最佳配气调节方式，使caes系统能够高效运行，涡轮的比功达到最优；该控制系统还可以对多种不同涡轮配置形式和能源系统的喷嘴配气调节方案提供指导建议，在一定程度上扩大系统的适用范围，提升系统的效率和节约成本。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.第一方面，本发明实施例提供适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，包括：储气装置、控制装置、调节装置和输出装置；
9.所述储气装置，用于存储高压空气；
10.所述控制装置，用于获取所述储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、所述调节装置的进气压力及调节喷嘴数、所述输出装置的输出功率，对所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对所述调节装置进行控制，当差值小于预设偏差值时，所述调节装置的进气压力为最佳进气压力，所
述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法更新最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；
11.所述调节装置，包括：调节喷嘴和调节阀，根据所述最佳进气压力和所述最佳调节喷嘴数对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节，并将从所述储气装置获得的当前调节喷嘴的进气压力传给所述控制装置和所述输出装置，以及将调节喷嘴数传给所述控制装置；
12.所述输出装置为涡轮，用于对所述调节喷嘴的进气压力做功，得到输出功率并传给所述控制装置。
13.可选地，所述控制装置包括：数据库模块、逻辑控制模块和反馈调节模块，其中：
14.所述数据库模块，用于存储最佳喷嘴配气方式下的样本数据，采集用户侧的需求功率、所述储气装置的气源压力、所述调节装置的进气压力及所述输出装置的输出功率，并根据所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值判断是否保留新样本数据，当所述差值小于预设偏差值时，所述数据库模块不保留新样本数据，当所述差值等于或大于预设偏差值时，将所述样本数据全部添加至所述数据库模块；
15.所述逻辑控制模块，用于对所述样本数据进行处理得到最佳进气压力和调节喷嘴数，当所述数据库模块不保留新样本数据时，调用所述样本数据的调节喷嘴的进气压力得到最佳进气压力以及所述样本数据的调节喷嘴数得到最佳调节喷嘴数，当所述数据库模块保留新样本数据时，基于预设的优化算法对所述样本数据进行优化，求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；
16.所述反馈调节模块，接收所述逻辑控制模块的最佳进气压力和最佳调节喷嘴数形成反馈信号，对所述调节装置进行控制。
17.可选地，所述样本数据包括：储气装置的气源压力、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数、涡轮的输出功率和涡轮的比功。
18.可选地，所述储气装置的类型包括：储气室、洞穴和盐穴。
19.可选地，所述调节装置的调节阀为气动或液压自动控制阀门。
20.可选地，所述输出装置的涡轮为单级或多级涡轮，其叶轮结构形式为向心涡轮，轴流涡轮或混流式涡轮。
21.可选地，所述优化算法包括：遗传算法、差分进化算法、免疫算法、蚁算法、粒子算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法和神经网络算法。
22.第二方面，本发明实施例提供适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，包括：
23.获取储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数以及涡轮的输出功率；
24.对所述用户侧的需求功率与所述涡轮的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，当所述差值小于预设偏差值时，所述调节喷嘴的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；
25.基于所述最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节。
26.可选地，基于储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、涡轮的输出功率、调节喷
嘴的进气压力和调节喷嘴数的约束关系，对涡轮的比功进行优化。
27.可选地，所述约束关系为：
28.maxw
speci
＝w
speci
(p
in
,num
nozzle
,p
source
)
29.s.t.w
output
＝w
output,required
30.p
in
《p
source
31.num
nozzle
《n
32.其中，w
speci
为涡轮的比功，p
in
为调节喷嘴的进气压力，num
nozzle
为调节喷嘴数，p
source
为储气装置的气源压力，w
output
为涡轮的输出功率，w
output,required
为用户侧的需求功率，n是调节喷嘴的总数。
33.本发明技术方案，具有如下优点：
34.本发明提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法，通过获取储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数以及涡轮的输出功率；对所述用户侧的需求功率与所述涡轮的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，当所述差值小于预设偏差值时，所述调节喷嘴的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；基于所述最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节。通过本发明提供的控制系统及方法，针对caes系统变气源压力运行的特点，该控制系统可以在给定气源压力和需求功率条件下，实时获得caes系统涡轮喷嘴的最佳配气调节方式，使caes系统能够高效运行，涡轮的比功达到最优；该控制系统还可以对多种不同涡轮配置形式和能源系统的喷嘴配气调节方案提供指导建议，在一定程度上扩大系统的适用范围，提升系统的效率和节约成本。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1本发明实施例中提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统一个示例的结构图；
37.图2本发明实施例中提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统的另一个示例的结构图；
38.图3本发明实施例中提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统的工作流程图；
39.图4本发明实施例中提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法的流程图。
具体实施方式
40.实施例1
41.本发明实施例提供适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，如图1所示，包
括：储气装置、控制装置、调节装置和输出装置。
42.本发明实施例中，储气装置用于存储高压空气。
43.在一具体实施例中，储气装置的类型包括：储气室、洞穴和盐穴。
44.本发明实施例中，控制装置用于获取所述储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、所述调节装置的进气压力及调节喷嘴数、所述输出装置的输出功率，对所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对所述调节装置进行控制，当差值小于预设偏差值时，所述调节装置的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法更新最佳进气压力和最佳调节喷嘴数。优化算法包括：遗传算法、差分进化算法、免疫算法、蚁算法、粒子算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法和神经网络算法，根据实际应用情况做合理选择。
45.本发明实施例中，如图2所示，控制装置包括：数据库模块、逻辑控制模块和反馈调节模块。
46.本发明实施例提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统的工作流程图，如图3所示。
47.本实施例中数据库模块，用于存储最佳喷嘴配气方式下的样本数据，采集用户侧的需求功率、储气装置的气源压力、调节装置的进气压力及输出装置的输出功率，并根据所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值判断是否保留新样本数据，当所述差值小于预设偏差值时，所述数据库模块不保留新样本数据，当所述差值等于或大于预设偏差值时，将所述样本数据全部添加至所述数据库模块。
48.在一具体实施例中，样本数据包括：储气装置的气源压力、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数、涡轮的输出功率和涡轮的比功。
49.本实施例中逻辑控制模块，在给定气源压力和需求功率条件下，用于对所述样本数据进行处理，得到得满足一定约束条件的最佳进气压力和调节喷嘴数，当所述数据库模块不保留新样本数据时，调用所述样本数据的调节喷嘴的进气压力得到最佳进气压力以及所述样本数据的调节喷嘴数得到最佳调节喷嘴数，当所述数据库模块保留新样本数据时，基于预设的优化算法对所述样本数据进行优化，求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数。
50.本实施例中反馈调节模块，用于接收所述逻辑控制模块的最佳进气压力和最佳调节喷嘴数形成反馈信号，对所述调节装置进行控制。
51.本发明实施例中，调节装置包括：调节喷嘴和调节阀，根据所述最佳进气压力和所述最佳调节喷嘴数对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节，并将从所述储气装置获得的当前调节喷嘴的进气压力传给所述控制装置和所述输出装置，以及将调节喷嘴数传给所述控制装置。
52.在一具体实施例中，调节装置的调节阀为气动或液压自动控制阀门。
53.本发明实施例中，输出装置为涡轮，用于对所述调节喷嘴的进气压力做功，得到输出功率并传给所述控制装置。
54.在一具体实施例中，输出装置的涡轮为单级或多级涡轮，其叶轮结构形式为向心涡轮，轴流涡轮或混流式涡轮。
55.通过本发明提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，针对caes系统变
气源压力运行的特点，在给定气源压力和需求功率条件下，获得其最佳的喷嘴调节方式，可以在一定程度上扩大其适用范围，即应用到喷嘴配气的轴流涡轮和喷嘴配气的轴流组合式涡轮；也可应用于除caes系统的多种能源系统中，包括：汽轮机、火箭发动机、超临界二氧化碳系统和有机朗肯循环涡轮膨胀器，更好地提升系统的效率和节约成本。
56.实施例2
57.本发明实施例提供适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
58.步骤s1：获取储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数以及涡轮的输出功率。
59.步骤s2：对所述用户侧的需求功率与所述涡轮的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，当所述差值小于预设偏差值时，所述调节喷嘴的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数。
60.本实施例中，基于储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、涡轮的输出功率、调节喷嘴的进气压力和调节喷嘴数的约束关系，对涡轮的比功进行优化。
61.在一具体实施例中，约束关系为：
62.maxw
speci
＝w
speci
(p
in
,num
nozzle
,p
source
)
63.s.t.w
output
＝w
output,required
64.p
in
《p
source
65.num
nozzle
《n
66.其中，w
speci
为涡轮的比功，p
in
为调节喷嘴的进气压力，num
nozzle
为调节喷嘴数，p
source
为储气装置的气源压力，w
output
为涡轮的输出功率，w
output,required
为用户侧的需求功率，n是调节喷嘴的总数。需要说明的是本发明实施例采用的约束关系仅为举例说明，不以此为限。
67.步骤s3：基于所述最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节。
68.通过本发明提供的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，为喷嘴调节涡轮的设计、优化和系统运行控制提供了理论依据，并在一定程度上扩大方法的适用范围，有助于提升系统的效率和节约成本。
69.显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，包括：储气装置、控制装置、调节装置和输出装置；所述储气装置，用于存储高压空气；所述控制装置，用于获取所述储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、所述调节装置的进气压力及调节喷嘴数、所述输出装置的输出功率，对所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对所述调节装置进行控制，当差值小于预设偏差值时，所述调节装置的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法更新最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；所述调节装置，包括：调节喷嘴和调节阀，根据所述最佳进气压力和所述最佳调节喷嘴数对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节，并将从所述储气装置获得的当前调节喷嘴的进气压力传给所述控制装置和所述输出装置，以及将调节喷嘴数传给所述控制装置；所述输出装置为涡轮，用于对所述调节喷嘴的进气压力做功，得到输出功率并传给所述控制装置。2.根据权利要求1所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所述控制装置包括：数据库模块、逻辑控制模块和反馈调节模块，其中：所述数据库模块，用于存储最佳喷嘴配气方式下的样本数据，采集用户侧的需求功率、所述储气装置的气源压力、所述调节装置的进气压力及所述输出装置的输出功率，并根据所述用户侧的需求功率与所述输出装置的输出功率的差值判断是否保留新样本数据，当所述差值小于预设偏差值时，所述数据库模块不保留新样本数据，当所述差值等于或大于预设偏差值时，将所述样本数据全部添加至所述数据库模块；所述逻辑控制模块，用于对所述样本数据进行处理得到最佳进气压力和调节喷嘴数，当所述数据库模块不保留新样本数据时，调用所述样本数据的调节喷嘴的进气压力得到最佳进气压力以及所述样本数据的调节喷嘴数得到最佳调节喷嘴数，当所述数据库模块保留新样本数据时，基于预设的优化算法对所述样本数据进行优化，求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；所述反馈调节模块，接收所述逻辑控制模块的最佳进气压力和最佳调节喷嘴数形成反馈信号，对所述调节装置进行控制。3.根据权利要求2所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所述样本数据包括：储气装置的气源压力、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数、涡轮的输出功率和涡轮的比功。4.根据权利要求1所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所述储气装置的类型包括：储气室、洞穴和盐穴。5.根据权利要求1所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所述调节装置的调节阀为气动或液压自动控制阀门。6.根据权利要求1所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所述输出装置的涡轮为单级或多级涡轮，其叶轮结构形式为向心涡轮，轴流涡轮或混流式涡轮。7.根据权利要求2所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制系统，其特征在于，所
述优化算法包括：遗传算法、差分进化算法、免疫算法、蚁算法、粒子算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法和神经网络算法。8.一种适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，其特征在于，包括：获取储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、调节喷嘴的进气压力、调节喷嘴数以及涡轮的输出功率；对所述用户侧的需求功率与所述涡轮的输出功率的差值进行判断，得到最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，当所述差值小于预设偏差值时，所述调节喷嘴的进气压力为最佳进气压力，所述调节喷嘴数为最佳调节喷嘴数，当所述差值大于或等于预设偏差值时，基于预设的优化算法求得最佳进气压力和最佳调节喷嘴数；基于所述最佳进气压力和最佳调节喷嘴数，对调节喷嘴的调节阀启闭和开度进行配气调节。9.根据权利要求8所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，其特征在于，基于储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、涡轮的输出功率、调节喷嘴的进气压力和调节喷嘴数的约束关系，对涡轮的比功进行优化。10.根据权利要求9所述的适用于caes系统涡轮喷嘴配气调节控制方法，其特征在于，所述约束关系为：maxw
speci
＝w
speci
(p
in
,num
nozzle
,p
source
)s.t.w
output
＝w
output,required
p
in
<p
source
num
nozzle
<n其中，w
speci
为涡轮的比功，p
in
为调节喷嘴的进气压力，num
nozzle
为调节喷嘴数，p
source
为储气装置的气源压力，w
output
为涡轮的输出功率，w
output,required
为用户侧的需求功率，n是调节喷嘴的总数。

技术总结

本发明公开了适用于CAES系统涡轮喷嘴配气调节控制系统及方法，系统包括：储气装置、控制装置、调节装置和输出装置；储气装置，存储高压空气；控制装置，获取储气装置的气源压力、用户侧的需求功率、调节装置的进气压力和调节喷嘴数、输出装置的输出功率，对需求功率与输出功率的差值判断，得到最佳的进气压力和调节喷嘴数，对调节装置中喷嘴调节阀的启闭和开度进行配气调节，将当前进气压力和调节喷嘴数传给控制装置，当前进气压力传给输出装置；输出装置为涡轮，对进气压力做功得到输出功率并传给控制装置。通过本发明能实时获得CAES系统涡轮喷嘴最佳配气调节，使CAES系统高效运行；还能对不同涡轮配置和能源系统喷嘴配气调节提供指导，提升系统效率。提升系统效率。提升系统效率。