(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211185238.7 (22)申请日 2022.09.27 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 赵富龙　明杨　田瑞峰　宁可为　 祝嘉鸿　周娅　郭嘉　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明的目的在于提供基于布雷顿循环容 积设备模型的流量 ‑压力耦合瞬态计算方法， 包 括如下步骤： 构建旋转机械设备、 容积设备、 换热 器设备的数学物理模型； 构建调节阀、 PID 控制器 等设备的数学物理模型； 获取布雷顿循环系统的 初始流动换热参数场信息； 迭代 求解关键设备的 流量与压力， 直至收敛； 在每个时间步长内完成 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。 本发明实现了关键设备瞬态 过程中流量与压力的循环迭代 求解， 以此准确获 取布雷顿循环的瞬态参数响应信息， 最终实现了 一种高效、 高精度的布雷顿循环系统运行特性分 析方法。 权利要求书1页 说明书11页 附图12页 CN 115422772 A 2022.12.02 CN 115422772 A 1.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， 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 ‑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 ‑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。 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。 3.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 ‑压力耦合瞬态计算方 法， 其特征是： 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： 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； 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； 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； 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； 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115422772 A 2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 技术领域 [0001]本发明涉及的是一种核动力装置模拟方法， 具体地说是流量 ‑压力耦合瞬态计算 方法。 背景技术 [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。 发明内容 [0006]本发明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‑压力耦合瞬态计算方法。 [0007]本发明的目的是这样实现的： [0008]本发明基于布雷 顿循环容积设备模型的流 量‑压力耦合瞬态计算方法， 其特 征是：说　明　书 1/11 页 3 CN 115422772 A 3