一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法，将部件性能与循环参数间耦合关系纳入考虑，构建了微型堆布雷顿循环

【技术实现步骤摘要】
一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法


[0001]本专利技术属于核能应用技术与动力工程
，具体涉及一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法。

技术介绍

[0002]随着第四代核反应堆技术快速发展，小型化可移动反应堆技术引起各国研究者高度关注。微型堆功率等级在1
‑
20MW之间，功率密度大，可靠性好，寿命周期可长达数年，可通过车载、机载、船载快速移动和部署。微型堆动力系统可在高寒、极地和远洋环境下提供电力和热量，在军用动力、远洋科考和抢险救灾等领域具有潜在的应用价值。微型堆堆型包括高温气冷堆和热管堆，通常以布雷顿循环作为热电转换方式，整体系统具备高效、紧凑、灵活特点。微型堆布雷顿循环系统示意图如图1所示，由反应堆热源、加热器、透平、回热器、冷却器、压缩机和发电机构成。工质首先经过压缩机加压(1
‑
2)，然后进入回热器低温侧回收热量(2
‑
3)，之后在加热器中被加热至循环最高温度(3
‑
4)，高温高压工质进入透平膨胀做功(4
‑
5)，完成做功后工质进入回热器高温侧释放热量(5
‑
6)，最终带余热的工质在冷却器中被冷却至循环最低温度(6
‑
1)。考虑到设备紧凑性，本系统中压缩机与透平采用了共轴设计，两者转速保持一致。
[0003]在传统的布雷顿循环设计方法中，首先需要根据边界条件和设计要求，假设部件性能为某一定值(压缩机、透平等熵效率，换热器内压力损失)，并给出关键设计参数的变化范围，构建热力学模型，采用优化算法以最大循环效率为目标寻找最佳循环设计参数。部件初步设计包括叶轮机械一维通流结构设计和换热器结构设计。在获得系统的优化热力参数后(温度、压力、流量等)，开展关键部件初步设计，获得能够满足性能要求的叶轮机械和换热器的基本结构与性能参数。传统布雷顿循环设计方法流程图如图2所示。
[0004]在传统的布雷顿循环设计方法中，叶轮机械等熵效率和换热器压损通常假定为常数，然而部件性能与循环参数间存在耦合关系。循环参数如压比、功率等级将决定循环流量和各点热力状态，即部件进出口条件。一般地，功率等级越高循环流量越高，叶轮机械效率也越高。同时叶轮等熵效率直接决定压缩机耗功与透平输出功大小，循环效率依赖于部件性能。随着边界条件发生变化，部件性能假定值并非总是合理。传统方法设计得到的部件性能很可能与假定值存在偏差。部件性能假定值过高会导致部件设计不达预期；假定值太低则会导致循环性能低于正常水平。上述两种情况都将使循环参数设计结果不准确。
[0005]传统布雷顿循环设计为提高循环效率，多采用回热、中间冷却、再热等复杂循环构型，同时增大换热器换热面积以尽可能增加换热量。然而如果设计参数不合理，上述措施都将显著增加动力系统整体尺寸，与微型堆动力系统紧凑性目标相悖，系统难以在高效性和紧凑性之间获得平衡。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提出一种用于微型堆布雷顿
循环系统综合设计方法，解决了现有技术中存在的部件性能假定值不合理导致的循环设计结果不准确的问题，以及传统设计方法无法兼顾系统高效性和紧凑性的问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法，包括以下步骤：
[0009](1)建立微型堆布雷顿循环
‑
部件联合设计程序，具体如下；
[0010](1.1)根据循环边界条件，给定微型堆布雷顿循环初始设计参数并假定部件性能参数；
[0011](1.2)建立布雷顿循环热力学模型，通过热力学计算得到微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量的初始值，作为部件设计所需的热力参数边界条件；
[0012](1.3)根据部件设计所需的热力参数边界条件，进行热力学计算结果和部件设计计算结果之间的交互式迭代修正计算，获得部件设计结果包括性能参数和结构参数，以及热力学计算结果包括循环效率与流量；
[0013](1.4)将循环效率与上一次热力学计算得到的循环效率值对比，当两次热力学计算结果的误差小于或等于给定误差上限时结束步骤(1.4)，否则以最后一次热力学计算得到的循环设计参数替代部件原边界条件，返回步骤(1.3)重新开始部件设计；
[0014](1.5)输出微型堆布雷顿循环系统功率密度D
p
；
[0015]微型堆布雷顿循环
‑
部件联合设计程序的数学表达为：
[0016][0017]其中，D
p
是微型堆布雷顿循环系统功率密度，是压缩机进口温度，是冷却介质出口温度，ε
re
是回热器效能，π
C
是压缩机压比；
[0018](2)采用遗传优化算法，以微型堆布雷顿循环系统功率密度最大为目标对循环设计参数寻优；
[0019](3)计算并输出循环优化设计结果和部件设计结果。
[0020]步骤(1.3)中，进行热力学计算结果和部件设计计算结果之间进行交互式迭代修正计算；交互式迭代修正计算的具体内容为：每完成一次部件设计计算，都以新的部件性能参数计算结果替代该部件的原有性能参数，并进行一次热力学计算，更新微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量，作为下一个部件设计计算的边界条件；在设计时，以上一次部件设计计算输出的部件性能参数作为本次热力学计算的输入值，以本次热力学计算输出的微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量作为下一次部件设计计算的输入值；按照加热器、透平、回热器、冷却器、压缩机的顺序进行计算，当完成压缩机设计计算和对应的热力学计算后，输出循环效率和循环流量mn，n表示第n次执行步骤(1.3))，步骤(1.3)结束。
[0021]在步骤(1.5)中，输出参数为微型堆布雷顿循环系统功率密度；微型堆布雷顿循环系统功率密度D
p
定义是动力系统在单位系统体积内净输出功率大小，数值上等于微型堆布雷顿循环系统净输出功率与微型堆布雷顿循环系统各部件体积之和的比值；如果堆芯功率是确定的，净输出功率等于堆芯功率与循环效率的乘积；堆芯功率不变，循环效率越高或者部件尺寸越小，则微型堆布雷顿循环系统功率密度值越大；作为动力循环评价指标，微型堆布雷顿循环系统功率密度大小能够正确反映系统增加构型复杂度和换热面大小带来的性
能提升程度；
[0022][0023]其中，是堆芯功率，η
cycle
是循环效率，是系统净输出功率，V
C
，V
T
，V
H
，V
R
，V
Co
分别代表压缩机、透平、加热器、回热器和冷却器的体积，部件体积由部件尺寸参数计算得到。
[0024]在步骤(2)中，采用遗传优化算法，以微型堆布雷顿循环系统功率密度最大为目标对循环参数寻优，得到最佳设计方案；需要优化的循环参数包括压缩机进口温度冷却介质出口温度回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型堆布雷顿循环系统综合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立微型堆布雷顿循环
‑
部件联合设计程序，具体如下；(1.1)根据循环边界条件，给定微型堆布雷顿循环初始设计参数并假定部件性能参数；(1.2)建立布雷顿循环热力学模型，通过热力学计算得到微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量的初始值，作为部件设计所需的热力参数边界条件；(1.3)根据部件设计所需的热力参数边界条件，进行热力学计算结果和部件设计计算结果之间的交互式迭代修正计算，获得部件设计结果包括性能参数和结构参数，以及热力学计算结果包括循环效率与流量；(1.4)将循环效率与上一次热力学计算得到的循环效率值对比，当两次热力学计算结果的误差小于或等于给定误差上限时结束步骤(1.4)，否则以最后一次热力学计算得到的循环设计参数替代部件原边界条件，返回步骤(1.3)重新开始部件设计；(1.5)输出微型堆布雷顿循环系统功率密度D
p
；微型堆布雷顿循环
‑
部件联合设计程序的数学表达为：其中，D
p
是微型堆布雷顿循环系统功率密度，是压缩机进口温度，是冷却介质出口温度，ε
re
是回热器效能，π
C
是压缩机压比；(2)采用遗传优化算法，以微型堆布雷顿循环系统功率密度最大为目标对循环设计参数寻优；(3)计算并输出循环优化设计结果和部件设计结果。2.根据权利要求1所述的综合设计方法，其特征在于：步骤(1.3)中，进行热力学计算结果和部件设计计算结果之间进行交互式迭代修正计算；交互式迭代修正计算的具体内容为：每完成一次部件设计计算，都以新的部件性能参数计算结果替代该部件的原有性能参数，并进行一次热力学计算，更新微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量，作为下一个部件设计计算的边界条件；在设计时，以上一次部件设计计算输出的部件性能参数作为本次热力学计算的输入值，以本次热力学计算输出的微型堆布雷顿循环内各点热力状态和流量作为下一次部件设计计算的输入值；按照加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟雄，钱奕然，唐鑫，严俊杰，种道彤，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：