基于布雷顿循环容积设备模型的流量-压力耦合瞬态计算方法技术

本发明专利技术的目的在于提供基于布雷顿循环容积设备模型的流量

【技术实现步骤摘要】
基于布雷顿循环容积设备模型的流量
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压力耦合瞬态计算方法


[0001]本专利技术涉及的是一种核动力装置模拟方法，具体地说是流量
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压力耦合瞬态计算方法。

技术介绍

[0002]布雷顿循环具有结构简单，热效率高，经济性好，安全性高，循环工质选择多，应用场景广泛等优点，其在能源行业内具有较高的关注度。此外，近年来的研究指出，布雷顿循环与小型模块化反应堆的有机结合，可以满足分布式发电、偏远地区供能、水上水下航行器供能、工业热源、海水制氢等诸多需求，因此其被认为是当前最具有发展前景的能量转换系统之一。
[0003]简单的布雷顿循环主要由热源、回热器、冷却器、透平、压缩机、发电机等关键设备构成，布雷顿循环示意图如图1所示。
[0004]布雷顿循环流程如下：系统的热源将工作介质加热至最高循环温度。高温高压工作介质在透平内膨胀，将热能转化为机械能，驱动压缩机和发电机。之后，回热器从透平排气中回收部分余热。回热器的热侧出口与冷却器的进口相连，冷却器将工作介质的多余热量通过冷却水排放到环境中。工作介质在冷却器中冷却至最低循环温度后进入压缩机。工作介质在压缩机内压缩至较高压力后流入回热器的冷侧进行预热，然后返回热源加热并完成整个循环过程。
[0005]布雷顿循环内热源、透平、压缩机、回热器、冷却器等多个设备的进出口由管道连接并构成了一个闭环系统，关键设备的运行参数通常是相互关联的，因此在瞬态过程中具有很强的耦合效应与相互影响作用。在研究布雷顿循环系统运行特性时，我们重点关注的是温度、流量、压力这三类参数，在得到上述三种参数后，可以通过物性查询的方式得到工作介质相应的焓值、密度、比热容、换热系数、粘性系数等热工水力参数。关键设备的温度瞬变与换热器的换热功率相关。而通过旋转机械设备的工作介质流量与其进出口压力边界条件紧密相关，这使布雷顿循环系统内的流量与压力存在较为紧密的耦合关系。如何实现高效的流量、压力耦合求解算法，是布雷顿循环系统运行特性研究中的重点难点。因此，通过开发布雷顿循环容积设备模型，并实现旋转机械设备模型与容积设备模型的流量压力耦合求解，对于理解循环瞬态运行特性，指导循环容积控制策略的开发和自主优化设计具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供能够准确获取布雷顿循环的瞬态参数响应信息的基于布雷顿循环容积设备模型的流量
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压力耦合瞬态计算方法。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]本专利技术基于布雷顿循环容积设备模型的流量
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压力耦合瞬态计算方法，其特征是：
[0009](1)根据布雷顿循环的关键设备构成，采取模块化建模方式，构建旋转机械设备、容积设备、换热器设备的数学物理模型；
[0010](2)根据布雷顿循环辅助控制系统的组件构成，构建调节阀、PID控制器等设备的数学物理模型；
[0011](3)根据循环工况参数设置的边界条件并进行初始化，获取布雷顿循环系统的初始流动换热参数场信息；
[0012](4)根据开发的关键设备流量
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压力耦合的瞬态计算方法，并基于旋转机械设备模型的运行特性曲线与容积设备模型的质量守恒、能量守恒等相关方程，迭代求解关键设备的流量与压力，直至收敛；
[0013](5)在每个时间步长内完成步骤(4)中流量与压力的耦合迭代计算后，实时更新关键设备的边界条件，并进行下一时间步长的计算，直至总计算时长结束。
[0014]本专利技术还可以包括：
[0015]1、所述步骤(1)与步骤(2)中，在开发旋转机械设备模型、容积模型、换热器模型的关键设备模型时采取模块化建模方式，并开发模型接口，统一接口传递的参数，其中，模块化建模的方法为：
[0016]a、依据布雷顿循环各关键设备的热力学特性、流体力学特性、转动特性等逐步建立各设备的数学物理模型。
[0017]b、根据循环中的工质的流动方向以及能量的传递方向，基于质量守恒，能量守恒，力矩平衡等物理原理，明确各关键设备的数据交互关系。
[0018]c、通过数学算法对模型进行求解，获得各设备在不同工况下的运行数据，从而模拟布雷顿循环的真实工作过程。
[0019]2、步骤(4)中，旋转机械设备模型与容积设备模型的耦合迭代求解方法如下：
[0020]1)根据旋转机械设备模型入口的容积设备模型给定入口压力Pi，旋转机械设备模型的出口压力边界未知，假设出口压力边界Po；
[0021]2)根据旋转机械设备模型的进出口压力Pi与Po获得膨胀比或压缩比，并将其与转子转速一起输入到特性曲线中，以查询质量流量和等熵效率；
[0022]3)将由假设的出口压力Po求得的旋转机械设备模型的质量流量作为边界条件输出到容积设备模型，根据容积设备模型内的质量守恒与能量守恒方程，计算其压降和压力变化，计算求得容积设备模型内的压力Pct与Ptc后，与之前假设的Po进行对比，若相对误差小于设定，则认为计算收敛，在每个时间步中，压力和流量反复迭代，直到收敛；
[0023]4)在完成旋转机械设备模型与容积设备模型的耦合迭代求解过程后，再考虑其他关键设备的流动换热情况，最终完成循环内所有模块的参数计算；
[0024]5)在解决所有关键设备模块的未知参数后，更新旋转机械设备模型的进口压力边界并准备下一时间步长的计算。
[0025]本专利技术的优势在于：
[0026]1、本专利技术中采用模块化建模方式，可前期通过设计与估算建立初步模型，之后通过实验数据或三维仿真模拟结果对模型进行修正完善，具有较强的适应性与可拓展性，也可针对某个设备或参数单独修改，而不用对整个模型进行大量的修改，提高了建模速度与效率；同时，还开发了通用性较强的模型接口，统一了接口传递的基本参数，在进行系统分
析计算时，可以在不改变核心耦合迭代算法模块的条件下，仅对关键设备模块进行参数修改，或更改循环的关键设备连接流程，即可完不同类型的布雷顿循环计算，可大大提高了计算效率；
[0027]2、本专利技术中开发的一种新的瞬态计算方法，实现了旋转机械设备模型与容积设备的流量、压力耦合迭代求解。传统的建模方法一般不考虑关键设备的容积，忽略定容边界内工作介质流量瞬变带来的压力变化。而本专利技术中的计算方法建立了关键设备的容积设备模型，可以较好展示定容边界内流量变化引发的压力瞬变过程。并且，容积设备模型可以计算循环工作介质不同充装量下的运行特性，基于容积设备模型与辅助控制系统模型能够实现布雷顿循环的容积控制工况分析。
[0028]3、此外，传统的计算方法一般假设压缩机内的工作介质为不可压缩流体处理，认为其流量与转速存在比例关系，这种处理方法会带来一定的计算误差。而本专利技术中的计算方法，旋转机械设备模型的流量边界是基于其进出口压力边界求解，而容积设备模型的压力边界又反过来根据旋转机械设备模型的流量边界实时更新，这种耦合迭代计算大幅提升了计算精度，并且能反映压力与流量的相互耦合影响。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于布雷顿循环容积设备模型的流量
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压力耦合瞬态计算方法，其特征是：(1)根据布雷顿循环的关键设备构成，采取模块化建模方式，构建旋转机械设备、容积设备、换热器设备的数学物理模型；(2)根据布雷顿循环辅助控制系统的组件构成，构建调节阀、PID控制器等设备的数学物理模型；(3)根据循环工况参数设置的边界条件并进行初始化，获取布雷顿循环系统的初始流动换热参数场信息；(4)根据开发的关键设备流量
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压力耦合的瞬态计算方法，并基于旋转机械设备模型的运行特性曲线与容积设备模型的质量守恒、能量守恒等相关方程，迭代求解关键设备的流量与压力，直至收敛；(5)在每个时间步长内完成步骤(4)中流量与压力的耦合迭代计算后，实时更新关键设备的边界条件，并进行下一时间步长的计算，直至总计算时长结束。2.根据权利要求1所述的基于布雷顿循环容积设备模型的流量
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压力耦合瞬态计算方法，其特征是：所述步骤(1)与步骤(2)中，在开发旋转机械设备模型、容积模型、换热器模型的关键设备模型时采取模块化建模方式，并开发模型接口，统一接口传递的参数，其中，模块化建模的方法为：a、依据布雷顿循环各关键设备的热力学特性、流体力学特性、转动特性等逐步建立各设备的数学物理模型。b、根据循环中的工质的流动方向以及能量的传递...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵富龙，明杨，田瑞峰，宁可为，祝嘉鸿，周娅，郭嘉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：