热力循环模拟软件 – AxCYCLE™概述

AxCYCLE™是一种热力学仿真软件,能够让用户根据有限的已知数据,在用户友好且灵活的环境中快速,轻松地设计、分析和优化各种热力学循环(热力学模拟和热平衡计算)。

AxCYCLE™ 介绍及演示

 

用户可以使用AxCYCLE™解决的任务包括:
  • 从头开始设计新的热力学循环
  • 分析现有的热力系统及其在设计和非设计条件下的性能
  • 重新设计、优化、重新评估和升级现有工厂
  • 对现有硬件中的效率/可靠性问题进行故障排除和纠正

AxCYCLE
图1. AxCYCLE™示例

AxCYCLE™可以计算多种类型的循环(Brayton、Rankine等),其应用范围(包含特定的组件)包括:

  • 化石燃料蒸汽发电厂
  • 核电蒸汽发电厂
  • 不带冷却和带冷却的燃气涡轮设备
  • 航空燃气涡轮发动机
  • 组合循环(燃气 – 蒸汽,燃气 – sCO2等)
  • 热电联产循环
  • sCO2(超临界二氧化碳)循环
  • ORC(有机朗肯循环)
  • 地热循环
  • 熔盐循环
  • 废热回收循环和系统
  • 热泵循环/制冷循环
  • 等等。

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图2 AxCYCLE™ 航空燃气涡轮发动机

AxCYCLE™有多个流体库:

  • 一般流体 – 包括蒸汽/水、标准空气、二氧化碳、天然气等。
  • COOLPROP – 包含超过45种流体选项(免费数据库)
  • NIST REFPROP – 丙烷、乙醇、制冷剂、二氧化碳等(需要第三方应用)。
  • NIST混合物 – 含有几种NIST混合物
  • 燃烧产物 – 包括十几种典型燃料燃烧产物
  • 热油 – 含有热油,可用于间接废热回收系统
  • 熔盐 – 含有多种熔盐

此外,自定义的流体、混合物和燃烧产物均可以在循环中使用。

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图3 AxCYCLE™ 燃气循环

用户可以使用AxCYCLE™对整个燃气涡轮进行涡轮、压缩机、燃烧室、抽气、注气等建模,同时AxCYCLE™会自动重新计算每个部件入口和出口的流体特性,以及对冷却流和二次流进行热力学分析。

循环创建过

从在各自的组件库中拖放选择组件开始(涡轮、热交换器、发动机、燃气涡轮库、内燃机库、燃烧、分离、混合、阀门、密封、发电机/电动机等。),用户可根据需要进行循环装配,以模拟无数个不同的系统。

在循环装配之后,工程师需要指定运行计算所需的数据。

作为概念性的零维工具,AxCYCLE™仅使用组件的基本热力学参数,如压力、焓、温度、流体质量和基本性能参数,如效率和压力损失。

因为不需要力学或几何数据,这使得它非常方便使用,并且适于在系统的组件没有确定的特性时研究概念以及分析某些几何/力学数据可能未知的现有系统。

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图4 AxCYCLE™ 制冷循环

AxCYCLE™中的每个参数都可以输入或计算。 这使得指定计算任务有更强的灵活性,例如,基于给定的边界条件和功率要求计算质量流量或加热器出口温度,或者根据指定流速和边界条件求得功率。

此外,还有多种选项可用于以特定方式对不同组件进行建模; 例如,热交换器以它们的效率或窄点作为特性,涡轮可以是概念性的或是依据现有设备特性等。

对于蒸汽循环,嵌入式蒸汽循环向导工具通过易于使用的界面来简化了组件选择、循环组装、特性类型指定和边界条件输入的步骤。

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图5 AxCYCLE™ 蒸汽循环向导工具

分析和后

用户可以在其设计点或非设计条件下分析热力循环,以计算功率产生、热量和燃料消耗、废热、推力、热效率等。

可以通过嵌入式P-H和T-S图来查看当前系统的热力学过程,并可以叠加其它循环的特性来进行比较。

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图6 AxCYCLE™ T-S图

 

可以自动生成适合打印的仿真结果(报告)。

AxCYCLE™系统及其组件可以输出到AxCYCLE Economics ™模块,以评估资本成本、投资回收期、平准化电力成本,翻新对投资回报率的影响等。

AxCYCLE™还可以链接到AxSTREAM®平台,以便:

  • 提取涡轮,压缩机和泵概念设计的边界条件
  • I导入叶轮机械性能图以使用实际效率值在设计和非设计条件下的研究循环。
环非设计工况计算,参数研究和优

除设计点计算外,AxCYCLE™还包括多种用于系统非设计工况计算,参数研究和优化任务的工具。

AxCYCLE MAP

AxCYCLE™ MAP是用于对一个或两个变量运行一系列计算从而研究操作参数对循环性能影响的非常有效的工具。 它是计算循环性能曲线的终极工具,因为它可以根据输入或计算得到的边界条件自动考虑组件的非设计效率,包括效率对涡轮组件转速和压力比的依赖性、组件老化的影响,还可用于研究操作条件和组件参数的变化对循环性能的影响等。

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图7 AxCYCLE™ MAP

AxCYCLE PLAN

通过在PLAN工具中使用DOE方法(实验设计),AxCYCLE™完全有能够进行热力循环优化计算的能力。 这个多变量工具可以在几十个输入和输出参数变量的任意组合下运行(一次最多可以选择20个变量)。 DOE引擎选择所提供范围内的最优值,以最小化优化循环所需的求解器运行次数。 获得的结果构建成作为优化的抽象模型的“响应面”。

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图8 AxCYCLE™ 响应面

AxCYCLE QUEST

AxCYCLE™内的QUEST工具是一种拟随机搜索算法,它能够根据任意数量的所需设计变量,以及任何给定数量的参数组合,在给定范围内优化参数的组合,并结果将绘制在3D设计空间上,使得用户能够轻松查看给定要求下的最佳组合,同时允许用户通过设置过滤器来自定义和改进优化任务。

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图9 AxCYCLE™ QUEST 的结果3D设计空间上的分布

AxCYCLE CASE

为了研究多个循环载荷点,通常使用AxCYCLE™ CASE工具。 它允许用户为所选择的任意数量的每个变量指定所需的值,以便分析系统在不同条件下的行为方式。 为了增强用户体验,AxCYCLE™ CASE配有一个选项,用于连接电子表格,其包含所选不同参数的结果和/或值。以下是CASE任务的示例如:研究给定循环在打开或关闭阀门时的性能,分析所需的边界条件以比较已知航空燃气涡轮的起飞与巡航的推力或发电厂的每小时所需的能量。