一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真方法。本发明包括：步骤A)：绘制压气机与涡轮共同工作网；采用加热器功率动态加减速系数法建立压气机与涡轮动态仿真模型。本发明用于解决缺乏部件特性数据、针对按照理想气体设计的传统的压气机与涡轮动态实时模型机载实时模型建模问题，仿真精度更高，稳定性更好。
【专利说明】
一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真方法。
【背景技术】
[0002] 在基于超临界二氧化碳布雷顿循环的发电系统中，压气机与涡轮是最整个装置的 核心部件，它们都有自己的工作特性，当把它们在组装成一个整体时，可能会因为互相制约 从而偏离了自己的合理的运行区域，继而发生故障，甚至不能正常工作，所以它们匹配的好 坏程度直接影响整个装置的效率。
[0003] 国内外对于超临界二氧化碳作为介质的压气机与祸轮动态仿真模型由于缺乏部 件特性数据，所以仿真模型都是根据理想气体设计的压气机和涡轮而建立的，而二氧化碳 在超临界状态下不能看成是理想气体，而是实际气体，若按理想气体设计，在仿真实验中会 出现运行不稳定，出现喘振等现象，不能满足机载需求。因此，需要研究根据实际气体而建 立的压气机和涡轮动态实时模型的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于解决缺乏部件特性数据、针对按照理想气体设计 的传统的压气机与涡轮动态实时模型机载实时模型建模问题的超临界二氧化碳压气机与 涡轮匹配动态仿真方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 包括如下步骤：
[0007] 步骤A):绘制压气机与涡轮共同工作网；
[0008] 步骤Al):根据压气机和涡轮的特性曲线，计算压气机和涡轮的共同工作点；
[0009] 步骤A2):主要对压气机和涡轮部件特性进行数学建模，通过计算压气机与涡轮的 共同工作点，得到装置的变工况特性网；
[0010] 步骤B):采用加热器功率动态加减速系数法建立压气机与涡轮动态仿真模型；
[0011] 步骤BI)，采用模块化的非线性建模方法来建立超临界C02装置各部件的数学模 型，模型中主要包含的模块有压气机与涡轮模块，加热器模块与换热器模块，容积模块，转 子与负载模块，以及机械损失模块等。因为此次仿真重点在于观察压气机与涡轮的匹配特 性；
[0012]步骤B2)，利用之前搭建好的数学模型，在SMULINK软件中分别建立各相应模块的 仿真模型。主要采用变步长连续算法进行控制方程组的求解。仿真模型包括压气机仿真模 型、涡轮仿真模型、加热器仿真模型、转子模块与机械损失模块仿真模；
[0013]步骤B3)，采用控制加热器功率的方法，主要通过控制加热器功率，从而使涡轮入 口温度改变，进而调节流量、膨胀比、输出功。转速由功率变化率决定，作为反馈信号，在用 于电机发电时一般为定值。模拟超临界C02装置沿等温比线变化时，各个参量的变化情况， 从而得出部件时间的动态匹配性能。
[0014] 本发明的有益效果在于：
[0015] 本发明用于解决缺乏部件特性数据、针对按照理想气体设计的传统的压气机与涡 轮动态实时模型机载实时模型建模问题，仿真精度更高，稳定性更好。
【附图说明】
[0016] 图1为S-CO2装置单轴结构示意图；
[0017] 图2为沿着不同温比运行时压气机与涡轮共同工作网；
[0018] 图3为变工况计算流程图；
[0019]图4为整体装置仿真模型；
[0020]图5为压气机仿真模型；
[0021]图6涡轮模块仿真模型；
[0022]图7为加热器仿真模型；
[0023]图8为转子模块仿真模型；
[0024]图9为机械损失模块仿真模型。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0026]该方法和系统满足机载实时性要求，能为仿真实验运行稳定做保证。
[0027] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
[0028] -种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法及系统的制作方 法，包括以下步骤：
[0029]步骤A)，绘制压气机与涡轮共同工作网；
[0030] 步骤B)，采用加热器功率动态加减速系数法建立压气机与涡轮动态仿真模型。
[0031] 作为本发明超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一步的 优化方案，步骤A)的具体步骤如下：
[0032]步骤Al)，根据压气机和涡轮的特性曲线，计算压气机和涡轮的共同工作点；
[0033] 步骤A2)，主要对压气机和涡轮部件特性进行数学建模，通过计算压气机与涡轮的 共同工作点，得到装置的变工况特性网；
[0034] 作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，步骤A2)主要对压气机和涡轮部件特性进行数学建模，通过计算压气机与涡 轮的共同工作点，得到装置的变工况特性网的详细步骤如下:惯性微分方程与装置平衡关 系方程，是本装置动态与稳态计算的数学模型。如计算平衡运行工况时(包括设计工况与各 种部分负荷工况），将惯性微分方程方程转换为代数方程即可。而稳态特性的求解归结为非 线性代数方程组的求解，在求解时把辅助方程方程带入，结合给定的参变量就可求出方程 组的唯一解，即表征一个特定的运行工况。如另选一组参变量又可求出另外一组解，表征另 一个特定工况。而参变量的个数取决于可调参数的多少，在变工况时，控制不同的输入参数 便可得到对应工况下的涡轮与压气机的匹配工作点。
[0035] 作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，步骤B)的具体步骤如下：
[0036]步骤BI)，采用模块化的非线性建模方法来建立超临界C02装置各部件的数学模 型，模型中主要包含的模块有压气机与涡轮模块，加热器模块与换热器模块，容积模块，转 子与负载模块，以及机械损失模块等。因为此次仿真重点在于观察压气机与涡轮的匹配特 性。
[0037]步骤B2)，利用之前搭建好的数学模型，在SMULINK软件中分别建立各相应模块的 仿真模型。主要采用变步长连续算法进行控制方程组的求解。仿真模型包括压气机仿真模 型、涡轮仿真模型、加热器仿真模型、转子模块与机械损失模块仿真模型 [0038]步骤B3)，采用控制加热器功率的方法，主要通过控制加热器功率，从而使涡轮入 口温度改变，进而调节流量、膨胀比、输出功。转速由功率变化率决定，作为反馈信号，在用 于电机发电时一般为定值。模拟超临界C02装置沿等温比线变化时，各个参量的变化情况， 从而得出部件时间的动态匹配性能。
[0039] 作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，所述的超临界CO2装置整体结构选择单轴结构进行设计。
[0040] 作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，步骤Al)中根据压气机和涡轮的特性曲线，计算压气机和涡轮的共同工作点 时，超临界CO 2装置进行动态调节时，采用节流阀调节压比的分配和流量的控制;超临界CO2 装置也可以看做是一个惯性系统;计算不同温比下各个转速下的匹配点，绘制于压气机特 性图中，便可得到整个装置的变工况共同工作网。
[0041] 作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，步骤BI)中压气机和涡轮的工作特性可以用压比π、折合转速〃/ ν%和折合 流量以及效率η四个参数的关系来表示
[0042]图1是超临界二氧化碳装置单轴结构图，该动态仿真模型及系统的建立方法包括 以下步骤：
[0043] 步骤Α)，绘制压气机与涡轮共同工作网（图2所示）；
[0044] 步骤Β)，采用加热器功率动态加减速系数法建立压气机与涡轮动态仿真模型。
[0045] 步骤Al)，根据压气机和涡轮的特性曲线，计算压气机和涡轮的共同工作点；将计 算所得的数据整理成以流量、转速为自变量，膨胀比、效率等为参变量的形式，并绘制于S-C02装置涡轮特性图上。
[0046] 步骤A2)，主要对压气机和涡轮部件特性进行数学建模，通过计算压气机与涡轮的 共同工作点，得到装置的变工况特性网;惯性微分方程与装置平衡关系方程，是本装置动态 与稳态计算的数学模型。如计算平衡运行工况时(包括设计工况与各种部分负荷工况），将 惯性微分方程方程转换为代数方程即可。而稳态特性的求解归结为非线性代数方程组的求 解，在求解时把辅助方程方程带入，结合给定的参变量就可求出方程组的唯一解，即表征一 个特定的运行工况。如另选一组参变量又可求出另外一组解，表征另一个特定工况。而参变 量的个数取决于可调参数的多少，在变工况时，控制不同的输入参数便可得到对应工况下 的涡轮与压气机的匹配工作点。在计算时，为了方便程序的自动化运行，可以先给定T/，然 后假设点A进行计算，当结果大于设定误差时，返回用等转速线另外一点^进行迭代(如图3 所示），如此就可在程序中实现等温比线的绘制。
[0047]作为本发明一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真模型建模方法进一 步的优化方案，步骤B)的具体步骤如下：
[0048]步骤BI)，采用模块化的非线性建模方法来建立超临界C02装置各部件的数学模 型，模型中主要包含的模块有压气机与涡轮模块，加热器模块与换热器模块，容积模块，转 子与负载模块，以及机械损失模块等。因为此次仿真重点在于观察压气机与涡轮的匹配特 性。压气机的工作特性可以用压比I折合转速和折合流量gA/a以及效率η四个 参数的关系来表示，涡轮模块数学模型可以仿照压气机的方式建模，用膨胀比和折合转速 为自变量，折合流量和效率为输出量建立相应的数学模型；加热器模块数学模型采用电加 热，根据能量和质量守恒关系建立模型;负载模块数学模型采用恒速负载。
[0049]步骤Β2)，利用之前搭建好的数学模型，在SMULINK软件中分别建立各相应模块的 仿真模型（图4)。主要采用变步长连续算法，具体算法为龙格库塔法进行控制方程组的求 解。仿真模型包括压气机仿真模型（图5)、涡轮仿真模型（图6)、加热器仿真模型（图7)、转子 模块(图8)与机械损失模块仿真模型（图9)。
[0050]步骤Β3)，采用控制加热器功率的方法，主要通过控制加热器功率，从而使涡轮入 口温度改变，进而调节流量、膨胀比、输出功。转速由功率变化率决定，作为反馈信号，在用 于电机发电时一般为定值。模拟超临界C02装置沿等温比线变化时，各个参量的变化情况， 从而得出部件时间的动态匹配性能。
【主权项】
1. 一种超临界二氧化碳压气机与涡轮匹配动态仿真方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤A):绘制压气机与涡轮共同工作网； 步骤A1):根据压气机和涡轮的特性曲线，计算压气机和涡轮的共同工作点； 步骤A2):主要对压气机和涡轮部件特性进行数学建模，通过计算压气机与涡轮的共同 工作点，得到装置的变工况特性网； 步骤B):采用加热器功率动态加减速系数法建立压气机与涡轮动态仿真模型； 步骤B1)，采用模块化的非线性建模方法来建立超临界C02装置各部件的数学模型，模 型中主要包含的模块有压气机与涡轮模块，加热器模块与换热器模块，容积模块，转子与负 载模块，以及机械损失模块等因为此次仿真重点在于观察压气机与涡轮的匹配特性； 步骤B2)，利用之前搭建好的数学模型，在SMULINK软件中分别建立各相应模块的仿真 模型主要采用变步长连续算法进行控制方程组的求解仿真模型包括压气机仿真模型、涡轮 仿真模型、加热器仿真模型、转子模块与机械损失模块仿真模； 步骤B3)，采用控制加热器功率的方法，主要通过控制加热器功率，从而使涡轮入口温 度改变，进而调节流量、膨胀比、输出功转速由功率变化率决定，作为反馈信号，在用于电机 发电时一般为定值模拟超临界C02装置沿等温比线变化时，各个参量的变化情况，从而得出 部件时间的动态匹配性能。
【文档编号】G06F17/50GK106055792SQ201610378626
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】廖吉香
【申请人】哈尔滨工程大学