基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法技术方案

基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，解决了现有布雷顿系统搭建过程中存在存在计算量大，复杂度高的问题。本发明专利技术根据氦氙混合气体的物理化学特性，构建冷却剂物性计算模型；根据氦氙混合气体的流动换热特性，构建流动换热计算模型；基于三大守恒定律构建布雷顿循环系统子设备的数学物理模型，对布雷顿循环系统每个子设备数学物理模型进行单独调稳，获得布雷顿循环系统每个子设备单独调稳时进出口气体的温度压力流量参数；设置布雷顿循环系统模型的边界条件；利用所述边界条件作为布雷顿循环系统模型的初始输入，对模型参数进行整体调稳，完成布雷顿循环系统模型的搭建。本发明专利技术适用于布雷顿循环系统的构建。系统的构建。系统的构建。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法


[0001]本专利技术涉及核动力仿真系统程序开发


技术介绍

[0002]小型核反应堆系统是指发电功率小于300MWe的核反应堆机组，其具有布置灵活、用途广泛、能量密度高、长寿期、大功率、续航时间长等优点，符合能源多样化需求，应用前景广泛，可用于破冰船、船用堆、海上浮动堆，深海空间站等。可供使用的核能供电技术有许多能量转化的方式，对于小型反应堆系统而言，无论采用何种堆型，如气冷堆、金属冷却堆或热管堆，当功率达到兆瓦或亚兆瓦量级时，为提高系统的能量转换效率和经济性，宜采用闭式布雷顿热力循环。
[0003]布雷顿循环系统主要由反应堆堆芯、气轮机、压缩机、发电机、冷却器和回热器等关键设备构成。其工作流程如下：高压低温工质进入反应堆堆芯被加热，经由管道进入透平中膨胀做功。透平、压气机与发电机共轴，透平带动发电机发电的同时也带动压气机的运行。透平出口作完工的高温工质，经由管道进入回热器低压高温侧，用以加热回热器的高压低温侧工质。流过回热器低压侧的工质温度降低，之后进入冷却器进行冷却，达到压气机进口要求后经由管道进入压气机。压气机对工质进行压缩后，工质压力提升，同时温度也会相应升高。当压力提升满足要求后流入回热器的高压侧进行预热，之后从回热器高压侧出口经由管道流入反应堆堆芯，至此完成整个布雷顿循环装置流程。
[0004]布雷顿循环堆芯、气轮机、压缩机、回热器和冷却器等关键设备，通过管道将其连接，构成闭式循环系统，各个关键设备之间的参数相互传递，具有强关联性，对于各个关键设备进出口参数的计算将会影响到整个系统分析程序的计算精度和计算效率。布雷顿循环中的气轮机、压缩机和发电机采用同轴转动，合称为旋转机械设备。具体如图1所示，作为布雷顿循环中的关键设备，其计算精度和计算效率对整个布雷顿循环系统分析程序都有重大影响。旋转机械设备模型复杂，匹配过程计算量大，如何匹配气轮机和压缩机特性曲线是布雷顿循环系统搭建的重点难点。图1为布雷顿循环系统原理图。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有布雷顿系统搭建过程中存在存在计算量大，复杂度高的问题，提出了基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法。
[0006]基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，包括：
[0007]步骤一、根据氦氙混合气体的物理化学特性，构建冷却剂物性计算模型；
[0008]根据氦氙混合气体的流动换热特性，构建流动换热计算模型；
[0009]步骤二、基于三大守恒定律构建布雷顿循环系统子设备的数学物理模型,利用冷却剂物性计算模型和流动换热计算模型，对布雷顿循环系统子设备单独运行时进出口气体的温度压力流量参数进行计算；所述布雷顿循环系统子设备的数学物理模型包括：旋转机
械设备模型、堆芯设备模型、回热器设备模型、冷却器设备模型；
[0010]步骤三、根据布雷顿循环系统的运行特性和布雷顿循环系统子设备单独运行时进出口气体的温度压力流量参数，分别对布雷顿循环系统每个子设备模型的进出口气体的温度压力流量参数进行单独调稳，获得布雷顿循环系统每个子设备单独调稳时进出口气体的温度压力流量参数；
[0011]步骤四、根据布雷顿循环系统每个子设备单独调稳时进出口气体的温度压力流量参数，设置布雷顿循环系统模型的边界条件；
[0012]步骤五、对布雷顿循环系统数学物理模型的参数进行初始化，利用所述边界条件作为布雷顿循环系统模型的初始输入，对模型参数进行整体调稳，直至布雷顿循环系统数学物理模型子设备的进出口温度压力流量参数稳定，且满足系统运行参数的设定值，完成布雷顿循环系统模型的搭建。
[0013]进一步地，本专利技术中，步骤一中，冷却剂物性计算模型包括：氦氙混合气体密度模型、氦氙混合气体定压比热模型、氦氙混合气体粘度模型、氦氙混合气体导热系数模型；
[0014]氦氙混合气体密度模型：
[0015][0016]其中，ρ为氦氙混合气体的密度，R
g
为氦氙混合气体的气体常数，Z为实际气体压缩因子，T为氦氙混合气体的温度，P是氦氙混合气体的压力。
[0017]氦氙混合气体定压比热模型：
[0018][0019]其中，x1为氦氙混合气体中氦气的质量分数
[0020]氦氙混合气体的粘度模型为：
[0021][0022]其中，μ
混
为氦氙混合气体的粘度，μ0为粘度加权平均值，μ
*
为拟合粘度，v
*
为平均临界比体积，ψ
μ
(
·
)为试验数据拟合函数，M为氦氙混合气体的平均摩尔质量；
[0023]氦氙混合气体的导热系数模型为：
[0024][0025]其中，λ
混
为氦氙混合气体的导热系数，λ
o
为导热系数加权平均值，Ψ
λ
(
·
)为试验数据拟合函数，λ
*
为拟合导热系数。
[0026]氦氙混合气体的普朗数模型为：
[0027][0028]其中，Pr
混
为氦氙混合气体的普朗特数。
[0029]进一步地，本专利技术中，步骤一中，氦氙混合气体流动换热计算模型为：
[0030]Nu
b
＝0.023Re
b0.8
Pr
0.65
(T
w
/T
b
)
‑
n
[0031]n＝[0.57
‑
1.59/(x/D)][0032]式中，Nu
b
为氦氙混合气体努塞尔数，Re
b
为变物性雷诺数；Pr为普朗特数；T
w
为壁面温度，单位K；T
b
为氦氙混合气体平均温度，单位K；n为变物性修正因子；x为均匀加热段与加热段起点之间的轴向距离，单位m；D为加热段整体长度，单位m。利用所述流动换热计算模型实现雷诺数为1.8
×
104～6
×
104范围内，不同比例氦氙混合气体努塞尔数的计算。
[0033]进一步地，本专利技术中，步骤二中，旋转机械设备数学物理模型包括：压缩机的总扭矩模型和汽轮机能量转换模型；
[0034]所述压缩机总扭矩模型为：
[0035][0036]其中，对应于等熵功的扭矩τ
s
为：
[0037][0038]不可逆或耗散扭矩τ
d
为：
[0039][0040]其中，表示混合工质质量流量，kg/s；ω为旋转角速度，r/rad；η
ad
为压缩机绝热效率，由压缩机特性曲线计算获得；为压缩机出口等熵过程总焓；为压缩机入口实际总焓，P
1T
为入口总压力；R
p
为压缩机压力比；ρ
m
为平均密度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，其特征在于，包括：步骤一、根据氦氙混合气体的物理化学特性，构建冷却剂物性计算模型；根据氦氙混合气体的流动换热特性，构建流动换热计算模型；步骤二、基于三大守恒定律构建布雷顿循环系统子设备的数学物理模型,利用冷却剂物性计算模型和流动换热计算模型，对布雷顿循环系统子设备单独运行时进出口气体的温度压力流量参数进行计算；所述布雷顿循环系统子设备的数学物理模型包括：旋转机械设备模型、堆芯设备模型、回热器设备模型、冷却器设备模型；步骤三、根据布雷顿循环系统的运行特性和布雷顿循环系统子设备单独运行时进出口气体的温度压力流量参数，分别对布雷顿循环系统每个子设备模型的进出口气体的温度压力流量参数进行单独调稳，获得布雷顿循环系统每个子设备单独调稳时进出口气体的温度压力流量参数；步骤四、根据布雷顿循环系统每个子设备单独调稳时进出口气体的温度压力流量参数，设置布雷顿循环系统模型的边界条件；步骤五、对布雷顿循环系统数学物理模型的参数进行初始化，利用所述边界条件作为布雷顿循环系统模型的初始输入，对模型参数进行整体调稳，直至布雷顿循环系统数学物理模型子设备的进出口温度压力流量参数稳定，且满足系统运行参数的设定值，完成布雷顿循环系统模型的搭建。2.根据权利要求1所述的基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，其特征在于，步骤一中，冷却剂物性计算模型包括：氦氙混合气体密度模型、氦氙混合气体定压比热模型、氦氙混合气体粘度模型、氦氙混合气体导热系数模型。3.根据权利要求2所述的基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，其特征在于，氦氙混合气体密度模型：其中，ρ为氦氙混合气体的密度，R
g
为氦氙混合气体的气体常数，Z为实际气体压缩因子，T为氦氙混合气体的温度，P是氦氙混合气体的压力。氦氙混合气体定压比热模型：其中，x1为氦氙混合气体中氦气的质量分数；C
p
为氦氙混合气体的比热容；氦氙混合气体的粘度模型为：其中，μ
混
为氦氙混合气体的粘度，μ0为粘度加权平均值，μ
*
为拟合粘度，v
*
为平均临界比体积，ψ
μ
(
·
)为粘度试验数据拟合函数，M为氦氙混合气体的平均摩尔质量；氦氙混合气体的导热系数模型为：
其中，λ
混
为氦氙混合气体的导热系数，λ
o
为导热系数加权平均值，Ψ
λ
(
·
)为导热系数试验数据拟合函数，λ
*
为拟合导热系数；氦氙混合气体的普朗数模型为：其中，Pr
混
为氦氙混合气体的普朗特数。4.根据权利要求1或2所述的基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，其特征在于，步骤一中，氦氙混合气体流动换热计算模型为：Nu
b
＝0.023Re
b0.8
Pr
0.65
(T
w
/T
b
)
‑
n
n＝[0.57
‑
1.59/(x/D)]式中，Nu
b
为氦氙混合气体努塞尔数，Re
b
为变物性雷诺数；Pr为普朗特数；T
w
为壁面温度，单位K；T
b
为氦氙混合气体平均温度；n为变物性修正因子；x为均匀加热段与加热段起点之间的轴向距离；D为加热段整体长度。5.根据权利要求1所述的基于压缩机特性曲线和气轮机理论模型的布雷顿循环系统搭建方法，其特征在于，步骤二中，旋转机械设备数学物理模型包括：压缩机的总扭矩模型和汽轮机能量转换模型；所述压缩机总扭矩模型为：其中，对应于等熵功的扭矩τ
s
为：不可逆或耗散扭矩τ
d
为：其中，表示混合工质质量流量；ω为旋转角速度；η
ad
为压缩机绝热效率，由压缩机特性曲线计算获得；为压缩机出口等熵过程总焓；为压缩机入口实际总焓，P
1T
为入口总压力；为出口总压力，R
p
为压缩机压力比；ρ
m
为平均密度；汽轮机能量转换模型：汽轮机能量转换模型：
其中，U表示比内能；j表示接管编号；表示由于透平模型修正的源项；P1表示进口压力；P2表示出口压力；ρ表示流体密度；ρ1表示进口密度；ρ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵富龙，王宪礴，谭思超，明杨，董显敏，田瑞峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：