[发明专利]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

说明书

本发明涉及气体监测与控制领域，提供了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，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。该超临界二氧化碳状态监测与控制系统能够实现对布雷顿循环系统实际运行工况下设备入口处二氧化碳状态的监测与控制，提高布雷顿循环系统中设备的工作性能，进而提高布雷顿循环系统的整体效率。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。