本发明涉及动力循环，尤其涉及一种基于热流的布雷顿循环计算方法。
背景技术：
1、超临界态的二氧化碳易于达到、密度大、传热效率高、做功能力强，在循环过程中无相变，无毒、不可燃、化学稳定性好、环境友好。与现有的蒸汽朗肯循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环具有循环效率高、压缩耗功少、系统体积小且结构紧凑、降低成本潜力大等特点，适用于太阳能、核能、分布式能源、船舶动力、燃料电池等多个领域，被认为是当前最具有发展前景的能量转换系统之一。
2、超临界二氧化碳布雷顿循环经过长期的研究设计，已经发展出了多种结构布局，不同的结构布局各有优劣，循环效率也不相同。调研发现，典型的超临界二氧化碳那布雷顿循环有七种，包括简单回热循环、再压缩循环、中冷循环、再热循环、预压缩循环、部分冷却循环、双压缩循环。目前，学者已经分别针对各典型布雷顿循环方案进行了热力学建模，以指定状态点的热力学参数(温度、压力)为输入参数，研究计算了其在指定输入参数下循环的性能以及各参数对循环性能的影响。
3、现有的布雷顿循环性能的计算方法均以指定状态点的热力学参数为输入参数(如给定压缩机入口压力、温度，涡轮入口温度)，而实际应用时往往已知条件是热源的参数，无法将循环的性能与热源条件进行有效结合，因此无法与实际应用结合起来，使得各循环方案的研究较为割裂，导致没有一种可以统一各循环方案的循环性能计算模型，导致对于给定的热源无法计算其循环性能。此外，虽然七种典型的布雷顿循环方案均已建立起各自的循环模型并实现了性能计算，但是输入参数各不相同，没有一种统一的计算模型，无法对比进行定量的研究。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于热流的布雷顿循环计算方法。
2、为实现上述发明目的，本发明提供一种基于热流的布雷顿循环计算方法，包括以下步骤：
3、s1.建立适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型；
4、s2.以热源的热流密度为输入参数对所述热力学模型进行计算，获得适用于所述典型布雷顿循环每个状态点的热力学参数；
5、s3.基于获得的所述热力学参数对各个所述典型布雷顿循环的性能进行评估，并输出评估结果。
6、根据本发明的一个方面，步骤s1中，建立适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型的步骤中，构建包含多种典型布雷顿循环的循环系统，并基于所述循环系统中各个状态点构建适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型。
7、根据本发明的一个方面，所述循环系统采用再压缩循环系统，其中，所述再压缩循环系统包括：预冷器、主压缩机、副压缩机、涡轮机、热源、高温回热器、低温回热器和发电机；
8、所述预冷器、所述主压缩机、所述副压缩机、所述涡轮机、所述热源、所述高温回热器和所述低温回热器分别连接，并在连接位置形成适用于多种所述典型布雷顿循环的所述状态点；
9、所述状态点包括：
10、第一状态点，其位于所述预冷器的热端出口或所述主压缩机的主压缩机入口；
11、第二状态点，其位于所述主压缩机的主压缩出口或所述低温回热器的低温回热器冷端入口；
12、第三状态点，其位于所述低温回热器的低温回热器冷端出口；
13、第四状态点，其位于所述高温回热器的高温回热器冷端出口或所述热源的热源入口；
14、第五状态点，其位于所述热源的热源出口或所述涡轮机的涡轮入口；
15、第六状态点，其位于所述涡轮机的涡轮出口或所述高温回热器的高温回热器热端入口；
16、第七状态点，其位于所述高温回热器的高温回热器热端出口或所述低温回热器的低温回热器热端入口；
17、第八状态点，其位于所述低温回热器的低温回热器热端出口；
18、第九状态点，其位于所述预冷器的热端入口；
19、第十状态点，其位于所述副压缩机的副压缩机入口
20、第十一状态点，其位于所述副压缩机的副压缩机出口；
21、第十二状态点，其位于所述高温回热器的高温回热器冷端入口；
22、所述第八状态点分别与所述第九状态点和第十状态点相连接，以构成分流过程；
23、所述第十二状态点分别与所述第三状态点和第十一状态点相连接，以构成合流过程。
24、根据本发明的一个方面，步骤s1中，基于所述循环系统中各个状态点构建适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型的步骤中，所述热力学模型包括：用于表征所述分流过程的分流热力学模型，用于表征所述合流过程的合流热力学模型，用于表征预冷器部分的预冷器热力学模型，用于表征压缩机部分的压缩机热力学模型，用于表征回热器部分的回热器热力学模型，用于表征热源部分的热源热力学模型，用于表征涡轮部分的涡轮热力学模型。
25、根据本发明的一个方面，所述分流热力学模型表示为：
26、t9＝t10＝t8
27、p9＝p10＝p8
28、其中，t9表示第九状态点的温度，t10表示第十状态点的温度，p9表示第九状态点的压力，p10表示第十状态点的压力，p8表示第八状态点的压力；
29、所述合流热力学模型表示为：
30、
31、
32、n3＝g3/m
33、n11＝g11/m
34、n12＝n3+n11
35、其中，t12表示第十二状态点的温度，t11表示第十一状态点的温度，t3表示第三状态点的温度，p12表示第十二状态点的压力，p11表示第十一状态点的压力，p3表示第三状态点的压力，g12表示第十二状态点的质量流量，g11表示第十一状态点的质量流量，g3表示第三状态点的质量流量，n12表示第十二状态点的工质的物质的量，n11表示第十一状态点的工质的物质的量，n3表示第三状态点的工质的物质的量，m为工质的摩尔质量。
36、根据本发明的一个方面，所述预冷器热力学模型表示为：
37、
38、
39、h1＝g1×h1
40、h9＝g9×h9
41、其中，t9表示第九状态点的温度，t1表示第一状态点的温度，ηprecooler表示预冷器换热效率，且表示为：tin，precooler表示预冷器的冷端进口温度，ζ91表示预冷器的压力损失系数，h1表示工质在第一状态点的总焓，h9表示工质在第九状态点的总焓，g1表示第一状态点的质量流量，g9表示第九状态点的质量流量，h1表示第一状态点的比焓，其表示为h1＝f(p1，t1)，h9表示第九状态点的比焓，其表示为9＝f(p9，t9)。
42、根据本发明的一个方面，所述压缩机热力学模型包括：主压缩机热力学模型和副压缩机热力学模型；其中，所述主压缩机热力学模型表示为：
43、p2＝p1×e
44、
45、其中，p2表示第二状态点的压力，p1表示第一状态点的压力，e表示压缩机的压比，h2表示第二状态点的比焓，h2，is表示第二状态点的等熵比焓，其表示为：h2，is＝f(p2，s2，is)，s2，is表示第二状态点在等熵状态下单位质量工质的熵值，ηc表示压缩机效率；
46、所述副压缩机热力学模型表示为：
47、p11＝p10×e
48、
49、其中，p11表示第十一状态点的压力，p10表示第十状态点的压力，e表示压缩机的压比，h11表示第十一状态点的比焓，h10表示第十状态点的比焓，h11,is表示第十一状态点的等熵比焓，其表示为：h11，is＝f(p11，s11，is)，s11，is表示第十一状态点在等熵状态下单位质量工质的熵值，ηc表示压缩机效率。
50、根据本发明的一个方面，所述回热器热力学模型包括：高温回热器热力学模型和低温回热器热力学模型；其中，所述低温回热器热力学模型表示为：
51、p3＝p2×ζ32
52、p7＝p8/ζ78
53、
54、t8-t2＞δt
55、|ηrec,l,s-ηrec，l|＜0.01
56、其中，p3表示第三状态点的压力，p2表示第二状态点的压力，ζ32表示低温回热器冷端出口与低温回热器冷端入口之间的压力损失系数，p7表示第七状态点的压力，p8表示第八状态点的压力，ζ78表示低温回热器热端入口与低温回热器热端出口之间的压力损失系数，t7表示第七状态点的温度，t8表示第八状态点的温度，t2表示第二状态点的温度，δt表示回热器的最小温差，ηrec,l表示低温回热器的实际效率，ηrec,l,s表示根据状态点参数计算出的低温回热器的效率，qrec,l表示低温回热器中的换热量，cp8表示第八状态点的定压比热，表示第七状态点的预估定压比热；
57、所述高温回热器热力学模型表示为：
58、p4＝p12×ζ412
59、p6＝p7/ζ67
60、
61、|ηrec，h，s-ηrec，h|＜0.01
62、其中，p4表示第四状态点的压力，p12表示第十二状态点的压力，ζ412表示高温回热器冷端出口与高温回热器冷端入口之间的压力损失系数，p6表示第六状态点的压力，p7表示第七状态点的压力，ζ67表示高温回热器热端入口与高温回热器热端出口之间的压力损失系数，t6表示第六状态点的温度，t7表示第七状态点的温度，t12表示第十二状态点的温度，δt表示回热器的最小温差，ηrec，h表示高温回热器的实际效率，ηrec，h，s表示根据状态点参数计算出的高温回热器的效率，qrec，h表示高温回热器中的换热量，cp7表示第七状态点的定压比热，表示第六状态点的预估定压比热。
63、根据本发明的一个方面，所述热源热力学模型表示为：
64、p5＝p4×ζ54
65、
66、其中，p5表示第五状态点的压力，p4表示第四状态点的压力，ζ54表示热源的压力损失系数，t5表示第五状态点的温度，t4表示第四状态点的温度，q表示热源的热流量，其表示为：q＝qw×aheater，qw表示热源壁面的热流密度，aheater表示热源的燃烧室的内表面积，cp4表示表示第四状态点的定压比热，表示第五状态点的预估定压比热，g4表示第四状态点的质量流量；
67、所述涡轮热力学模型表示为：
68、
69、
70、其中，p6表示第六状态点的压力，p8表示第八状态点的压力，ζ68表示涡轮中的压力损失系数，h6表示第六状态点的比焓，h5表示第五状态点的比焓，h6，is表示第六状态点的等熵比焓，其表示为：h6，is＝f(p6，s6，is)，s6，is表示第六状态点在等熵状态下单位质量工质的熵值，ηt表示涡轮效率。
71、根据本发明的一个方面，步骤s2中，以热源的热流密度为输入参数对所述热力学模型进行计算，获得适用于所述典型布雷顿循环每个状态点的热力学参数的步骤中，包括：
72、s21.构建第一层循环计算，其中包括：
73、s211.获取所述预冷器的冷端进口温度，并基于预设的第一温度间隔为步进对所述预冷器的第一状态点温度t1进行参数匹配，以获得所述第一状态点温度t1的值，以及，获取所述预冷器的第一状态点压力p1和所述第一状态点温度t1，获取所述预冷器在第一状态点的第一参数值，并基于所述第一参数值和所述预冷器热力学模型获取所述预冷器在第九状态点的第九参数值；
74、s212.基于所述分流热力学模型获取所述低温回热器在第八状态点的参数值和所述副压缩机在第十状态点的参数值；
75、s213.基于所述第一参数值和所述压缩机热力学模型获取所述主压缩机在第二状态点的第二参数值，以及，获取所述副压缩机在第十状态点的第十参数值，并基于所述压缩机热力学模型获取所述述副压缩机在第十一状态点的第十一参数值；
76、s214.获取所述低温回热器在第二状态点的第二参数值和在第八状态点的第八参数值，判断所述第二参数值和所述第八参数值是否满足第一最小温差条件，若不满足，则更新所述第一状态点温度t1并重新执行步骤s211至步骤s214，若满足，则执行步骤s22；
77、s22.构建第二层循环计算，其中包括：
78、s221.基于所述第二参数值获取所述第二状态点的第二状态点温度t2，并基于预设的第二温度间隔为步进对所述低温回热器的第三状态点的第三状态点温度t3进行参数匹配，以获得所述第三状态点温度t3的值，以及，基于所述低温回热器热力学模型、所述第二状态点温度t2、所述第三状态点温度t3获取所述低温回热器的第七状态点的第七参数值和第三状态点的第三参数值；
79、s222.基于当前的第二参数值、第三参数值、第七参数值、第八参数值对所述低温回热器的效率ηrec,l,s进行计算，判断效率ηrec,l,s是否满足第一效率条件，若不满足，则更新所述第三状态点温度t3的值并重新执行步骤s221至s222；
80、若所述第三状态点温度t3达到第一限制条件时仍无法满足所述第一效率条件，则返回步骤s21，以更新所述第一状态点温度t1并重新执行步骤s211至步骤s214，直至同时满足所述低温回热器的第一最小温差条件和第一效率条件，以输出所述第七参数值和所述第三参数值；
81、s223.基于所述合流热力学模型获得所述高温回热器在第十二状态点的第十二参数值，并基于所述第十二参数值和所述第七参数值判断是否满足所述高温回热器的第二最小温差条件，若不满足，则更新所述第三状态点温度t3的值并重新执行步骤s221至s223；若满足，则执行步骤s23；
82、s23.构建第三层循环计算，其中包括：
83、s231.基于所述第十二参数值获取所述第十二状态点的第十二状态点温度t12，并基于预设的第二温度间隔为步进对所述高温回热器的第四状态点的第四状态点温度t4进行参数匹配，以获得所述第四状态点温度t4的值，以及，基于所述高温回热器热力学模型、所述第十二状态点温度t12、所述第四状态点温度t4获取所述低温回热器的第四状态点的第四参数值和第六状态点的一次第六参数值；
84、基于所述第四参数值和所述热源热力学模型获取所述热源的第五状态点的第五参数值；
85、基于所述第五参数值和所述涡轮热力学模型获取所述第六状态点的二次第六参数值；
86、基于一次第六参数值获取所述第六状态点的一次第六状态点温度，基于二次第六参数值获取所述第六状态点的二次第六状态点温度，判断一次第六状态点温度和二次第六状态点温度是否满足精度条件，若满足，则生成适用于所述典型布雷顿循环每个状态点的热力学参数，否则，返回步骤s21，以更新所述第一状态点温度t1并重新执行步骤s211至步骤s214。
87、根据本发明的一种方案，本发明的布雷顿循环计算方法包含了各种典型布局的布雷顿循环的计算过程的同时，还具有分流和合流的过程，其具有普适性，可使得其他典型布局的建模方法均可由本发明的再压缩循环的建模方法变形得到，极大的提高了本发明的适用范围。
88、根据本发明的一种方案，本发明统一了各典型布雷顿循环方案的热力学模型，可在相同的工况下(即热流密度相同)对不同方案的性能进行对比计算。
89、根据本发明的一种方案，本发明以热源的热流而不是关键状态点的热力学参数为输入参数启动循环计算，可在统一的应用场景下对各典型方案的布雷顿循环性能进行对比分析，选择循环热效率最高或发电功率最大的布局方案，可为在特定应用场景下布雷顿循环方案的选择提供参考。
90、根据本发明的一种方案，本发明实现了以热源的热流密度为输入参数，实现对各典型超临界二氧化碳布雷顿循环方案进行热力学建模，得到循环每个状态点的热力学参数，进而得到各循环方案的性能(循环效率和发电功率)，为恒定热流下超临界第三工质布雷顿循环方案的选择提供参考。
91、根据本发明的一种方案，本发明的布雷顿循环计算方法可用于多种典型布雷顿循环方案的性能计算，具有普适性。此外，本发明提出的热力循环计算模型的输入参数为循环中热源部件的壁面热流密度，可在热源的壁面热流密度相同时对不同的布雷顿循环方案性能进行评估，为循环方案的选择提供参考。
1.一种基于热流的布雷顿循环计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，步骤s1中，建立适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型的步骤中，构建包含多种典型布雷顿循环的循环系统，并基于所述循环系统中各个状态点构建适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型。
3.根据权利要求2所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述循环系统采用再压缩循环系统，其中，所述再压缩循环系统包括：预冷器、主压缩机、副压缩机、涡轮机、热源、高温回热器、低温回热器和发电机；
4.根据权利要求3所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，步骤s1中，基于所述循环系统中各个状态点构建适用于各个所述典型布雷顿循环的热力学模型的步骤中，所述热力学模型包括：用于表征所述分流过程的分流热力学模型，用于表征所述合流过程的合流热力学模型，用于表征预冷器部分的预冷器热力学模型，用于表征压缩机部分的压缩机热力学模型，用于表征回热器部分的回热器热力学模型，用于表征热源部分的热源热力学模型，用于表征涡轮部分的涡轮热力学模型。
5.根据权利要求4所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述分流热力学模型表示为：
6.根据权利要求5所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述预冷器热力学模型表示为：
7.根据权利要求6所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述压缩机热力学模型包括：主压缩机热力学模型和副压缩机热力学模型；其中，所述主压缩机热力学模型表示为：
8.根据权利要求7所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述回热器热力学模型包括：高温回热器热力学模型和低温回热器热力学模型；其中，所述低温回热器热力学模型表示为：
9.根据权利要求8所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，所述热源热力学模型表示为：
10.根据权利要求9所述的布雷顿循环计算方法，其特征在于，步骤s2中，以热源的热流密度为输入参数对所述热力学模型进行计算，获得适用于所述典型布雷顿循环每个状态点的热力学参数的步骤中，包括：
