基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法技术方案

本发明专利技术公开了基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法，包括五个步骤：确定边界条件、划分流程、显化参数、局部规划和整体规划；在局部规划中将热端、冷端和回热端的三个损失表示为目标函数，采用无导数局部最优算法，以达到较快的收敛速度；在整体规划中将热、冷和回热端的流量偏差表示目标函数，采用启发式全局优化算法，以尽量找到全局最优解。本发明专利技术的方法通过整体规划外迭代和局部规划内迭代，一次计算即可找到热效率和损失的全局最优解，避免了讨论方程封闭性、初值调试和启发式算法调试，降低了求解难度，实现了多构型、多变量的同步优化。步优化。步优化。

【技术实现步骤摘要】
基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法


[0001]本专利技术属于动力工程及工程热物理
，具体涉及基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法。

技术介绍

[0002]由于实际流体性质和分流、合流等过程带来的强非线性，复杂布雷顿循环系统的建模求解和优化一直以来作为过程合成与优化的重难点之一。过去几十年来，通常有两类基于方程的求解方法，即序贯算法和联立方程法，它们的本质都是求解描述全系统能量守恒、不可逆变压过程以及匹配物性状态方程或数据的非线性方程组。
[0003]基于序贯算法已经诞生了较为成熟的理论，常见的商用软件如ASPEN和EBSILON等多采用这类方法。然而序贯算法需要频繁调试未知的猜测值，并设置不同设备的约束条件以使得方程组封闭，在不断的调参过程中极其容易犯错。另外，其对流量的反解功能较弱，对模糊约束条件的识别性不强。以换热器为例，用户很有可能在规定了两个串联换热器的最小温差后，发现找不到一组流量的可行解，这是由于换热器约束是一组模糊约束，而序贯算法要求给出明确约束，这往往很难操作。另外，序贯算法的迭代顺序取决于用户的建模方式，在外迭代的影响下，有可能使得内迭代的一个占用时间较长的区域进行多次的重复计算，此时会严重影响计算效率。
[0004]基于联立方程组法尚未有较为常用的过程模拟软件，其主要问题在于提供一组合理的初值十分困难。但其优点在于能够明确固定的和可变的已知量，经过对方程的排序和化简处理后能实现更高的计算速度，便于优化和敏感性分析。其面临的主要问题与序贯算法是一致的：方程组必须封闭才可以求解，如果求解欠定方程，则需输入零方程来启动求解器；如果方程超定，则无法求解，只能基于最小二乘法评估残差。另外该方法也无法处理模糊约束的问题。
[0005]然而，在采用求解非线性方程组的方法对复杂布雷顿循环系统建模和计算时，首先要考虑方程组封闭性，但非线性方程组实数解的存在性和唯一性与方程封闭与否并无直接关系，这也是传统非线性方程组解法难以识别多解的原因。此外，在经过一系列调试得到一组稳态解后，还需要确保方程组求解算法的稳定性，以实行后续的优化；而强非线性问题对初值和参数的变化十分敏感，当系统复杂时稳定性往往难以保证。最后，如果采用启发式优化来避免局部最优，同样面临计算低效的问题。
[0006]综上，复杂布雷顿循环系统——尤其是近年来的研究热点之一：超临界二氧化碳布雷顿循环系统的建模与优化技术，在系统建模求解和优化上均面临此类问题：强非线性使得求解过程中必须讨论方程组封闭性，并反复调试算法以确保其稳定性，另外在启发式优化过程中也会占用大量时间。因此，亟需一种较为通用的布雷顿循环系统建模方法，既能降低求解难度，也能够尽量提高最优化的效率，能够直接在系统层面上设计出具有较好性能的布雷顿循环流程，进而有助于促进我国自主掌握复杂布雷顿循环系统设计和优化技术进程。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种非线性规划的布雷顿循环系统建模方法，通过一次计算找到热效率和损失的全局最优解，避免讨论方程封闭性、初值调试和启发式算法调试，降低求解难度，实现多构型、多变量的同步优化。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法，包括五个步骤：确定边界条件、划分流程、显化参数、局部规划和整体规划：
[0010]步骤1、确定边界条件：确定工质成分、循环最低温压、环境温度、环境压力、热源温度；其中环境温度范围限定在200K至500K；环境压力限定在0.05MPa至0.15MPa，热源温度限定在500K至1300K；
[0011]步骤2、划分流程：将布雷顿循环系统按温度划分为热端、回热端和冷端；热端为从开始吸收热源热量为起点，至全部透平膨胀后的最终出口为终点：起点连接回热端的冷侧出口，终点连接回热端的热侧入口；回热端特指一台换热器，其连接热端和冷端，回热器的冷侧入口连接冷端出口，热侧出口连接冷端入口；冷端即为回热端从热侧出口连接至冷侧入口的部分；热端设备包括透平、热端加热器和热端回热器；冷端设备包括压缩机、冷却器和冷端回热器。
[0012]步骤3、显化参数：本步骤及后续步骤均采用实际流体物性库，本步骤先后包括如下子步骤：
[0013]子步骤1：规定循环最低温度和压力：应保证压缩机入口不发生凝结，即热力学含气率在1以上；
[0014]子步骤2：规定循环最高压力和绝热效率，应保证循环最高压力不高于25MPa，然后进行不可逆压缩计算，获得压缩机出口压力和焓值；对于多压缩机，应规定各压缩机的入口压力；
[0015]子步骤3：规定循环最高温度和等熵效率，应保证循环最高温度低于热源最高温度8℃以上；对于多透平，应规定各透平的入口温度；
[0016]子步骤4：确定冷端、热端基准构型：首先采用热端简单加热和冷端简单冷却构型；
[0017]子步骤5：压力分配：规定各换热器侧压降，由已知的冷端、热端基准构型得到系统各设备出入口处的压力；将各换热器冷侧、热侧压降设置为0.1
‑
0.15MPa，在换热器设计完成后予以修正；进行不可逆膨胀计算，获得透平出口压力和焓值；
[0018]子步骤6：流程初步计算：根据透平和压缩机的布置，以及循环最高温度、循环最低温度、循环最低压力和系统压力场的设置情况，尽可能地算出较多的已知参数，在透平、压缩机入口温度已知的情况下，通过不可逆膨胀和不可逆压缩计算得到它们出口温度和压力，进而得到其他热力学参数；
[0019]步骤4、局部规划：本步骤中的公式单位均采用国际单位制符号，包括如下子步骤：
[0020]子步骤1：对于所有的换热设备，遵循能量守恒公式(a)和夹点温差约束(b)；
[0021][0022]min(T
h
‑
T
l
)＝minΔT≥8
ꢀꢀꢀ
(b)
[0023]其中，W
h
：热侧流量，热侧入口比焓，热侧出口比焓，W
l
：冷侧流量，
冷侧出口比焓，冷侧入口比焓，min：表示最小值，T
h
：热侧沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布，T
l
：冷侧沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布，minΔT：夹点温差；
[0024]1)对于热侧，将热侧焓差沿0％
‑
100％换热过程变化分成i等份，获得热侧的比焓场借助物性状态方程，以热侧最高压力即入口压力来求得热侧最高压力下对应的温度分布场以热侧最低压力即出口压力来求得热侧最低压力下对应的温度分布场
[0025]2)冷侧与热侧相同处理，得到冷侧最高压力即入口压力下冷侧最高压力下对应的温度分布场冷侧最低压力即出口压力下冷侧最低压力下对应的温度分布场
[0026]3)计算夹点温差：求解四个最小温差3)计算夹点温差：求解四个最小温差3)计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非线性规划的布雷顿循环系统建模方法，其特征在于：包括五个步骤：确定边界条件、划分流程、显化参数、局部规划和整体规划：步骤1、确定边界条件：确定工质成分、循环最低温压、环境温度、环境压力、热源温度；其中环境温度范围限定在200K至500K；环境压力限定在0.05MPa至0.15MPa，热源温度限定在500K至1300K；步骤2、划分流程：将布雷顿循环系统按温度划分为热端、回热端和冷端；其中热端为从开始吸收热源热量为起点，至全部透平膨胀后的最终出口为终点：起点连接回热端的冷侧出口，终点连接回热端的热侧入口；回热端特指一台换热器，其连接热端和冷端，回热器的冷侧入口连接冷端出口，热侧出口连接冷端入口；冷端即为回热端从热侧出口连接至冷侧入口的部分；步骤3、显化参数：本步骤及后续步骤均采用实际流体物性库，本步骤先后包括如下子步骤：子步骤1：规定循环最低温度和压力：应保证压缩机入口不发生凝结，即热力学含气率在1以上；子步骤2：规定循环最高压力和绝热效率，应保证循环最高压力不高于25MPa，然后进行不可逆压缩计算，获得压缩机出口压力和焓值；对于多压缩机，应规定各压缩机的入口压力；子步骤3：规定循环最高温度和等熵效率，应保证循环最高温度低于热源最高温度8℃以上；对于多透平，应规定各透平的入口温度；子步骤4：确定冷端、热端基准构型：首先采用热端简单加热和冷端简单冷却构型；子步骤5：压力分配：规定各换热器侧压降，由已知的冷端、热端基准构型得到系统各设备出入口处的压力；将各换热器冷侧、热侧压降设置为0.1
‑
0.15MPa，在换热器设计完成后予以修正；进行不可逆膨胀计算，获得透平出口压力和焓值；子步骤6：流程初步计算：根据透平和压缩机的布置，以及循环最高温度、循环最低温度、循环最低压力和系统压力场的设置情况，尽可能地算出较多的已知参数，在透平、压缩机入口温度已知的情况下，通过不可逆膨胀和不可逆压缩计算得到它们出口温度和压力，进而得到其他热力学参数；步骤4、局部规划：本步骤中的公式单位均采用国际单位制符号，包括如下子步骤：子步骤1：对于所有的换热设备，遵循能量守恒公式(a)和夹点温差约束(b)；min(T
h
‑
T
l
)＝minΔT≥8
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(b)其中，W
h
：热侧流量，热侧入口比焓，热侧出口比焓，W
l
：冷侧流量，冷侧出口比焓，冷侧入口比焓，min：表示最小值，T
h
：热侧沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布，T
l
：冷侧沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布，minΔT：夹点温差；1)对于热侧，将热侧焓差沿0％
‑
100％换热过程变化分成i等份，获得热侧的比焓场借助物性状态方程，以热侧最高压力即入口压力来求得热侧
最高压力下对应的温度分布场以热侧最低压力即出口压力来求得热侧最低压力下对应的温度分布场2)冷侧与热侧相同处理，得到冷侧最高压力即入口压力下冷侧最高压力下对应的温度分布场冷侧最低压力即出口压力下冷侧最低压力下对应的温度分布场3)计算夹点温差：求解四个最小温差3)计算夹点温差：求解四个最小温差3)计算夹点温差：求解四个最小温差即为夹点温差；1)至3)中，热侧沿0％
‑
100％换热过程变化的等分比焓场，热侧入口压力，热侧最高压力，热侧最高压力下沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布场，热侧出口压力，热侧最低压力，热侧最低压力下沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布场，冷侧沿0％
‑
100％换热过程变化的等分比焓场，冷侧入口压力，冷侧最高压力，冷侧最高压力下沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布场，冷侧出口压力，冷侧最低压力，冷侧最低压力下沿0％
‑
100％换热过程变化的温度分布场；其余符号与公式(a)和(b)中的符号含义相同；子步骤2：对于所有的透平，遵循不可逆膨胀，如公式(c)；对于压缩机，遵循不可逆压缩，如公式(d)：缩，如公式(d)：其中，透平入口压力，透平出口压力，k
T
：膨胀比，η
T
：等熵效率；透平入口比焓；透平出口比焓，透平入口比熵，透平出...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大林，李新宇，王式保，王成龙，田文喜，秋穗正，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：