一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真方法
【專利摘要】本發明涉及一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真方法。本發明包括：步驟A)：繪制壓氣機與渦輪共同工作網；采用加熱器功率動態加減速系數法建立壓氣機與渦輪動態仿真模型。本發明用于解決缺乏部件特性數據、針對按照理想氣體設計的傳統的壓氣機與渦輪動態實時模型機載實時模型建模問題，仿真精度更高，穩定性更好。
【專利說明】
一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真方法。
【背景技術】
[0002] 在基于超臨界二氧化碳布雷頓循環的發電系統中，壓氣機與渦輪是最整個裝置的 核心部件，它們都有自己的工作特性，當把它們在組裝成一個整體時，可能會因為互相制約 從而偏離了自己的合理的運行區域，繼而發生故障，甚至不能正常工作，所以它們匹配的好 壞程度直接影響整個裝置的效率。
[0003] 國內外對于超臨界二氧化碳作為介質的壓氣機與禍輪動態仿真模型由于缺乏部 件特性數據，所以仿真模型都是根據理想氣體設計的壓氣機和渦輪而建立的，而二氧化碳 在超臨界狀態下不能看成是理想氣體，而是實際氣體，若按理想氣體設計，在仿真實驗中會 出現運行不穩定，出現喘振等現象，不能滿足機載需求。因此，需要研究根據實際氣體而建 立的壓氣機和渦輪動態實時模型的方法。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種用于解決缺乏部件特性數據、針對按照理想氣體設計 的傳統的壓氣機與渦輪動態實時模型機載實時模型建模問題的超臨界二氧化碳壓氣機與 渦輪匹配動態仿真方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] 包括如下步驟：
[0007] 步驟A):繪制壓氣機與渦輪共同工作網；
[0008] 步驟Al):根據壓氣機和渦輪的特性曲線，計算壓氣機和渦輪的共同工作點；
[0009] 步驟A2):主要對壓氣機和渦輪部件特性進行數學建模，通過計算壓氣機與渦輪的 共同工作點，得到裝置的變工況特性網；
[0010] 步驟B):采用加熱器功率動態加減速系數法建立壓氣機與渦輪動態仿真模型；
[0011] 步驟BI)，采用模塊化的非線性建模方法來建立超臨界C02裝置各部件的數學模 型，模型中主要包含的模塊有壓氣機與渦輪模塊，加熱器模塊與換熱器模塊，容積模塊，轉 子與負載模塊，以及機械損失模塊等。因為此次仿真重點在于觀察壓氣機與渦輪的匹配特 性；
[0012]步驟B2)，利用之前搭建好的數學模型，在SMULINK軟件中分別建立各相應模塊的 仿真模型。主要采用變步長連續算法進行控制方程組的求解。仿真模型包括壓氣機仿真模 型、渦輪仿真模型、加熱器仿真模型、轉子模塊與機械損失模塊仿真模；
[0013]步驟B3)，采用控制加熱器功率的方法，主要通過控制加熱器功率，從而使渦輪入 口溫度改變，進而調節流量、膨脹比、輸出功。轉速由功率變化率決定，作為反饋信號，在用 于電機發電時一般為定值。模擬超臨界C02裝置沿等溫比線變化時，各個參量的變化情況， 從而得出部件時間的動態匹配性能。
[0014] 本發明的有益效果在于：
[0015] 本發明用于解決缺乏部件特性數據、針對按照理想氣體設計的傳統的壓氣機與渦 輪動態實時模型機載實時模型建模問題，仿真精度更高，穩定性更好。
【附圖說明】
[0016] 圖1為S-CO2裝置單軸結構示意圖；
[0017] 圖2為沿著不同溫比運行時壓氣機與渦輪共同工作網；
[0018] 圖3為變工況計算流程圖；
[0019]圖4為整體裝置仿真模型；
[0020]圖5為壓氣機仿真模型；
[0021]圖6渦輪模塊仿真模型；
[0022]圖7為加熱器仿真模型；
[0023]圖8為轉子模塊仿真模型；
[0024]圖9為機械損失模塊仿真模型。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0026]該方法和系統滿足機載實時性要求，能為仿真實驗運行穩定做保證。
[0027] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案
[0028] -種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法及系統的制作方 法，包括以下步驟：
[0029]步驟A)，繪制壓氣機與渦輪共同工作網；
[0030] 步驟B)，采用加熱器功率動態加減速系數法建立壓氣機與渦輪動態仿真模型。
[0031] 作為本發明超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一步的 優化方案，步驟A)的具體步驟如下：
[0032]步驟Al)，根據壓氣機和渦輪的特性曲線，計算壓氣機和渦輪的共同工作點；
[0033] 步驟A2)，主要對壓氣機和渦輪部件特性進行數學建模，通過計算壓氣機與渦輪的 共同工作點，得到裝置的變工況特性網；
[0034] 作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，步驟A2)主要對壓氣機和渦輪部件特性進行數學建模，通過計算壓氣機與渦 輪的共同工作點，得到裝置的變工況特性網的詳細步驟如下:慣性微分方程與裝置平衡關 系方程，是本裝置動態與穩態計算的數學模型。如計算平衡運行工況時(包括設計工況與各 種部分負荷工況），將慣性微分方程方程轉換為代數方程即可。而穩態特性的求解歸結為非 線性代數方程組的求解，在求解時把輔助方程方程帶入，結合給定的參變量就可求出方程 組的唯一解，即表征一個特定的運行工況。如另選一組參變量又可求出另外一組解，表征另 一個特定工況。而參變量的個數取決于可調參數的多少，在變工況時，控制不同的輸入參數 便可得到對應工況下的渦輪與壓氣機的匹配工作點。
[0035] 作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，步驟B)的具體步驟如下：
[0036]步驟BI)，采用模塊化的非線性建模方法來建立超臨界C02裝置各部件的數學模 型，模型中主要包含的模塊有壓氣機與渦輪模塊，加熱器模塊與換熱器模塊，容積模塊，轉 子與負載模塊，以及機械損失模塊等。因為此次仿真重點在于觀察壓氣機與渦輪的匹配特 性。
[0037]步驟B2)，利用之前搭建好的數學模型，在SMULINK軟件中分別建立各相應模塊的 仿真模型。主要采用變步長連續算法進行控制方程組的求解。仿真模型包括壓氣機仿真模 型、渦輪仿真模型、加熱器仿真模型、轉子模塊與機械損失模塊仿真模型 [0038]步驟B3)，采用控制加熱器功率的方法，主要通過控制加熱器功率，從而使渦輪入 口溫度改變，進而調節流量、膨脹比、輸出功。轉速由功率變化率決定，作為反饋信號，在用 于電機發電時一般為定值。模擬超臨界C02裝置沿等溫比線變化時，各個參量的變化情況， 從而得出部件時間的動態匹配性能。
[0039] 作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，所述的超臨界CO2裝置整體結構選擇單軸結構進行設計。
[0040] 作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，步驟Al)中根據壓氣機和渦輪的特性曲線，計算壓氣機和渦輪的共同工作點 時，超臨界CO 2裝置進行動態調節時，采用節流閥調節壓比的分配和流量的控制;超臨界CO2 裝置也可以看做是一個慣性系統;計算不同溫比下各個轉速下的匹配點，繪制于壓氣機特 性圖中，便可得到整個裝置的變工況共同工作網。
[0041] 作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，步驟BI)中壓氣機和渦輪的工作特性可以用壓比π、折合轉速〃/ ν%和折合 流量以及效率η四個參數的關系來表示
[0042]圖1是超臨界二氧化碳裝置單軸結構圖，該動態仿真模型及系統的建立方法包括 以下步驟：
[0043] 步驟Α)，繪制壓氣機與渦輪共同工作網（圖2所示）；
[0044] 步驟Β)，采用加熱器功率動態加減速系數法建立壓氣機與渦輪動態仿真模型。
[0045] 步驟Al)，根據壓氣機和渦輪的特性曲線，計算壓氣機和渦輪的共同工作點；將計 算所得的數據整理成以流量、轉速為自變量，膨脹比、效率等為參變量的形式，并繪制于S-C02裝置渦輪特性圖上。
[0046] 步驟A2)，主要對壓氣機和渦輪部件特性進行數學建模，通過計算壓氣機與渦輪的 共同工作點，得到裝置的變工況特性網;慣性微分方程與裝置平衡關系方程，是本裝置動態 與穩態計算的數學模型。如計算平衡運行工況時(包括設計工況與各種部分負荷工況），將 慣性微分方程方程轉換為代數方程即可。而穩態特性的求解歸結為非線性代數方程組的求 解，在求解時把輔助方程方程帶入，結合給定的參變量就可求出方程組的唯一解，即表征一 個特定的運行工況。如另選一組參變量又可求出另外一組解，表征另一個特定工況。而參變 量的個數取決于可調參數的多少，在變工況時，控制不同的輸入參數便可得到對應工況下 的渦輪與壓氣機的匹配工作點。在計算時，為了方便程序的自動化運行，可以先給定T/，然 后假設點A進行計算，當結果大于設定誤差時，返回用等轉速線另外一點^進行迭代(如圖3 所示），如此就可在程序中實現等溫比線的繪制。
[0047]作為本發明一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真模型建模方法進一 步的優化方案，步驟B)的具體步驟如下：
[0048]步驟BI)，采用模塊化的非線性建模方法來建立超臨界C02裝置各部件的數學模 型，模型中主要包含的模塊有壓氣機與渦輪模塊，加熱器模塊與換熱器模塊，容積模塊，轉 子與負載模塊，以及機械損失模塊等。因為此次仿真重點在于觀察壓氣機與渦輪的匹配特 性。壓氣機的工作特性可以用壓比I折合轉速和折合流量gA/a以及效率η四個 參數的關系來表示，渦輪模塊數學模型可以仿照壓氣機的方式建模，用膨脹比和折合轉速 為自變量，折合流量和效率為輸出量建立相應的數學模型；加熱器模塊數學模型采用電加 熱，根據能量和質量守恒關系建立模型;負載模塊數學模型采用恒速負載。
[0049]步驟Β2)，利用之前搭建好的數學模型，在SMULINK軟件中分別建立各相應模塊的 仿真模型（圖4)。主要采用變步長連續算法，具體算法為龍格庫塔法進行控制方程組的求 解。仿真模型包括壓氣機仿真模型（圖5)、渦輪仿真模型（圖6)、加熱器仿真模型（圖7)、轉子 模塊(圖8)與機械損失模塊仿真模型（圖9)。
[0050]步驟Β3)，采用控制加熱器功率的方法，主要通過控制加熱器功率，從而使渦輪入 口溫度改變，進而調節流量、膨脹比、輸出功。轉速由功率變化率決定，作為反饋信號，在用 于電機發電時一般為定值。模擬超臨界C02裝置沿等溫比線變化時，各個參量的變化情況， 從而得出部件時間的動態匹配性能。
【主權項】
1. 一種超臨界二氧化碳壓氣機與渦輪匹配動態仿真方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟A):繪制壓氣機與渦輪共同工作網； 步驟A1):根據壓氣機和渦輪的特性曲線，計算壓氣機和渦輪的共同工作點； 步驟A2):主要對壓氣機和渦輪部件特性進行數學建模，通過計算壓氣機與渦輪的共同 工作點，得到裝置的變工況特性網； 步驟B):采用加熱器功率動態加減速系數法建立壓氣機與渦輪動態仿真模型； 步驟B1)，采用模塊化的非線性建模方法來建立超臨界C02裝置各部件的數學模型，模 型中主要包含的模塊有壓氣機與渦輪模塊，加熱器模塊與換熱器模塊，容積模塊，轉子與負 載模塊，以及機械損失模塊等因為此次仿真重點在于觀察壓氣機與渦輪的匹配特性； 步驟B2)，利用之前搭建好的數學模型，在SMULINK軟件中分別建立各相應模塊的仿真 模型主要采用變步長連續算法進行控制方程組的求解仿真模型包括壓氣機仿真模型、渦輪 仿真模型、加熱器仿真模型、轉子模塊與機械損失模塊仿真模； 步驟B3)，采用控制加熱器功率的方法，主要通過控制加熱器功率，從而使渦輪入口溫 度改變，進而調節流量、膨脹比、輸出功轉速由功率變化率決定，作為反饋信號，在用于電機 發電時一般為定值模擬超臨界C02裝置沿等溫比線變化時，各個參量的變化情況，從而得出 部件時間的動態匹配性能。
【文檔編號】G06F17/50GK106055792SQ201610378626
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】廖吉香
【申請人】哈爾濱工程大學