一种具有参数化、可重构特征的核动力管网模型预处理方法

1.本发明涉及的是一种仿真预处理方法，具体地说是一种具有参数化、可重构特征的核动力管网模型预处理方法。


背景技术：

2.核动力装置实时流体网络仿真方法中，常采用参数化建模方法进行建模。参数化建模的预处理过程中，常常需要手动向各定义的变量、数组进行赋值，该方法虽然能够完成参数化建模的过程，但手动赋值过程繁复、容易漏填、错填，难以有效体现模型的参数化特征。各自动化建模工具，仅采用了自动赋值技术，赋值过程与赋值对象不能够明确显示，也不能简单修改，模型维护复杂、更新困难。各仿真计算模型想要更改系统、设备的连接关系，大多需要重新建模，几乎不具备可重构能力。
3.随着仿真工作在核动力装置设计中的深入，已逐步开展到设计、论证、校核、评估阶段。在上述阶段，对仿真方法的要求进一步提高，除了复现之外，还需要做到能够进行多方案对比、设计方案优化、管路设置修改等功能。然而目前采用的仿真方法，多次生成仿真程序时需要进行大量的变量的初值赋值工作；自动化建模软件无法手动简单更改参数，导致修改几个参数就需要重新建模；在更改管道、设备的连接关系时，要重新进行拓扑结构分析并生成仿真程序。当前的仿真程序预处理方法不够参数化、不具备可重构特征，导致仿真模型无法完成线上快速修改，难以胜任除培训仿真外的其他仿真应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种具有参数化、可重构特征的核动力管网模型预处理方法，是核动力装置工艺系统仿真过程中的一种预处理方法。具体的说，是面向核动力装置管网仿真模型中，具有参数化特征、可重构特征的两相管网模型的参数预处理方法。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.(1)采用控制体积法离散工艺系统，拆解容积属性与流动属性进行建模；
7.(2)依据仿真模型的耦合性需要及系统流程确定边界种类及位置；
8.(3)根据离散的工艺系统与确定的边界绘制仿真图并编号；
9.(4)制定参数化数据输入卡的格式规范；
10.(5)依据系统的设计运行参数和仿真图，生成参数化数据卡文件；
11.(6)参数化数据卡生成后，读取程序逐行取数据卡并生成相应的计算文件；
12.(7)数据卡读取完毕后，进行初步试算，生成最终初值文件。
13.本发明还可以包括：
14.1、采用控制体积法离散工艺系统，拆解容积属性与流动属性进行建模：
15.a.拆分管道的容积属性与流动属性，将压力、质量、温度、焓值等容积参数抽象为“节点”，将流量、阻力等流动参数抽象为“流线”，以节点与流线组合的形式模拟一段管道；
16.b.根据测点、设备、依靠重力流动的管道、重点关注的位置以及仿真需要，进行工
艺系统离散。实际的工艺系统管道内，压力的分布是连续的。采用本方法模拟管网系统，需要将连续变化的压力离散为多个压力点，在每一个压力点出设置“节点”，在“节点”间利用“流线”连接。
17.2、依据仿真模型的耦合性需要及系统流程确定边界种类及位置：
18.a.压力边界：以固定的压力参与管网仿真的运算过程，需要赋给压力边界压力、焓值、液位，压力边界与流量边界互相耦合，可进行连接，也可单独存在。压力边界设置于管网的定压进/出口位置；
19.b.流量边界：以固定的质量流量参与管网仿真的运算过程，需要赋给流量边界流量、焓值；流量边界与压力边界互相耦合，可进行连接，也可单独存在。流量边界设置于管网的定流量进/出口位置，以及定压进口位置加设流量边界用于测试调试；
20.c.热量边界：以固定的换热功率参与管网仿真的运算过程，需要赋给热量边界换热功率，热量边界与温度边界互相耦合，可进行连接，也可单独存在。热量边界设在电加热/冷却器、简化的加热/冷却器位置；
21.d.温度边界：以固定的温度和流动雷诺数、工质密度参与管网仿真的运算过程，需要赋给温度边界温度、流动雷诺数、工质密度，温度边界与热量边界互相耦合，可进行连接，也可单独存在。温度边界设在定温加热或散热设备位置；
22.e.本方法所描述的边界，可通过给定固定参数进行计算；可也读取由其他软件或程序线上、线下计算得出的结果作为本方法的输入；同时能够传递数据给其他软件或程序。
23.3、根据离散的工艺系统与确定的边界绘制仿真图并编号：
24.a.按照系统流程图绘制仿真草图，草图中标明管道、设备、测点；
25.b.根据第2步中离散的节点，将草图中指定的管道、设备和测点抽象成节点，并替代原有草图中的设备，加入到仿真草图中；
26.c.将阀门、离心泵置于流线上进行模拟；
27.d.根据第2步中离散的流线，在草图中将节点相互连接起来；
28.e.根据第3步中边界的确定方法合理确定边界，并与草图中已有的节点、流线连接起来，构成完整的仿真图；
29.f.对仿真图中的节点、流线、边界进行编号。编号规则为：管道节点、容器节点、压力边界节点、流量边界节点、汽轮机共用一套编号，其中管道节点编号自1-220；容器节点编号自221-270；压力边界编号自271-340；流量边界编号自341-370，汽轮机编号371-390。流线单独编号，编号自1-450。热量边界、温度边界无编号规则。
30.4、制定参数化数据输入卡的格式规范：
31.a.数据卡文件为.csv格式的逗号分隔文件，即可通过自动化软件生成、利用文本编辑工具编辑，又能通过excel软件直观地进行编辑，不受操作系统、软件环境的限制；
32.b.所有模型运行所需的必要参数均集成于该数据卡文件，除此文件外不再保存参数的直接信息；
33.c.该数据卡按先后顺序划分为12部分，依次为概述信息部分、管道节点参数部分、容器节点参数部分、流线参数部分、压力边界参数部分、流量边界参数部分、热量边界参数部分、温度边界参数部分、阀门参数部分、离心泵参数部分、汽轮机参数部分、预留部分；
34.d.各部分开始前，设置一行起始标识字段，如“//1-begin//”，表明第1部分开始；
各部分结束后，设置一行终止标识字段，如“//6-end//”，表明第6部分结束。
35.5、依据系统的设计运行参数和仿真图，生成参数化数据卡文件：
36.a.根据第4步确立的仿真图和元件编号，生成符合第5步规范的参数化数据卡文件；
37.b.概述信息部分每行内容依次如下：系统名称、系统简述、气相组分、液相组分、环境温度；
38.c.管道节点参数部分每行内容依次如下：节点编号、节点上/下标高、节点容积、水力直径、流通截面积、散热表面积、壁厚；
39.d.容器节点参数部分每行内容依次如下：节点编号、节点标高/体积参数组数、标高数组、体积数组、散热表面积、壁厚；
40.c.流线参数部分每行内容依次如下：流线编号、上/下游节点、流线上/下标高、流线设定阻力导纳系数(本行依次填写设定工质密度、设定流量、设定压差，如本流线上设有阀门，可不填写流线设定阻力导纳系数参数)、是否具有止回作用；
41.d.压力边界参数部分每行内容依次如下：压力边界编号、恒定压力、工质类型(气、液或输入液位)、气相组分百分数、液相组分百分数、两相工质比焓；
42.f.流量边界参数部分每行内容依次如下：流量边界编号、恒定两相流量、气相组分百分数、液相组分百分数、两相工质比焓；
43.g.热量边界参数部分每行内容依次如下：热量边界名称、作用节点、气相换热功率、液相换热功率；
44.h.温度边界参数部分每行内容依次如下：温度边界名称、作用节点、换热面积、边界温度、边界密度、边界雷诺数；
45.i.阀门参数部分每行内容依次如下：阀门名称、作用流线、初始开度、全开kv、不同开度流量特性组数、开度数组、相对kv数组；
46.j.离心泵参数部分每行内容依次如下：泵名称、作用流线、初始转速、额定转速、额定转速下流量数组、额定转速下扬程数组、额定特性工质密度；
47.k.汽轮机参数部分每行内容依次如下：汽轮机编号、参数组数、阀后压力数组、排汽压力数组、蒸汽流量数组、输出功率数组。
48.l.预留参数部分内容为空。
49.6、参数化数据卡生成后，读取程序逐行取数据卡并生成相应的计算文件：
50.a.读卡程序首先读取第1行，如其不是第1部分开始字段“//1-begin//”，表明数据卡不完整，停止运行并报错；
51.b.读卡程序除第1、第12部分外，各部分参数循环读取。当发现某一部分的编号重复，或不符合权利要求4中的编号规则时，终止程序并报错；
52.c.读卡程序按权利要求6中的约定逐行读取参数，当行数不符合权利要求6的约定时，终止程序并报错；
53.d.如读取某一部分开始字段后，未能读取到其结束字段，表明数据卡不完整，停止运行并报错；
54.e.读卡程序具有纠错特征。如体积填入负值、流线的高度与其上下游节点高度没有重合之处时、离心泵参数无法拟合时、汽轮机有效效率超过95％时等情况下，终止读卡并
报相应错误，指出错误的参数及错误的原因，并指明节点、流线、设备编号及在数据卡中的行号；
55.f.全部数据读取完毕且无错后，在指定的用户位置生成指定格式的加点文件、引用模块文件、初步初值文件、链接文件，释放相应的计算动态、静态链接库，并提示生成成功。
56.7、数据卡读取完毕后，进行初步试算，生成最终初值文件：
57.a.初步初值文件是赋值文件，不被锁定，仅在试算程序第一次赋值时使用，内部各参数值仅应用一次，不能作为仿真程序赋值使用；
58.b.读卡程序读取参数完毕、按权利要求7中的描述释放完所有文件后，利用初步初值文件、应的计算动态、静态链接库进行试算。如试算失败，则提示失败原因，并将初步初值文件转化为最终初值文件；如试算成功，当连续两次计算中，同一节点压力相差均小于20kpa时停止计算，当前输出的结果为最终初值文件；如连续进行了1万次计算仍不能达到压力收敛条件，则将初步初值文件转化为最终初值文件。
59.本发明提供了一种面向核动力装置工艺系统应用的、具有参数化、可重构特征的管网仿真模型数据预处理方法，通过利用控制体积法离散实际工艺系统，根据系统的耦合性与流程确定边界种类，绘制仿真图形并编号，完成物理模型建模；建立参数化数据输入卡的规范，明确输入卡中各区段的格式与参数填写信息；根据已绘制完毕的仿真图生成参数化数据输入卡，通过读卡程序完成计算文件的释放；最终通过试算，完成最终初值程序的生成。
60.本发明所提供的仿真方法，包括离散实际系统、确定边界、仿真图绘制与编号、数据卡规范建立、生成数据卡、读取数据卡并释放计算文件、试算并生成最终初值文件等若干重要步骤，本方法在模型输入数据的集中化、参数化方面与当前面仿真应用的预处理方法相比，更加符合设计、校核、评估、论证等方向的对参数进行少量多次、密集修改的使用需求，且具备可重构特征，能够快速进行多方案生成、优化方案快速更改、管路设置修改等功能。
61.本发明可以对核动力装置实时两相管网进行不同于现有方式的仿真预处理，本发明的主要优点体现在：
62.(1)本发明中的预处理方法具有参数化、可重构的特征，通过制定数据输入卡的格式规范，将所有模型所需的参数集中在输入卡中，修改少量参数可直接在输入卡的制定位置手动进行，不需重新建模；修改系统设备的连接关系，仅需更改输入卡中的流线参数字段，能够胜任设计、评估阶段“少量多次”、“微调对比”这一不同于现有功能的仿真需要，提高了计算效率。
63.(2)本发明的预处理过程带有试算过程，试算成功后的最终初值文件即为稳态工况点，可大幅度减少稳态工况的调试时间，提高调试效率。如试算失败，则不会增加额外的负担，与现有方式处理一致。因此，总体上，本发明的预处理方法提高了调试效率。
附图说明
64.图1本发明的仿真预处理方法流程框图。
65.图2某实际工艺系统流程图。
66.图3某实际工艺系统的仿真草图。
67.图4某实际工艺系统离散后的仿真图。
68.图5某实际工艺系统的参数化仿真数据卡截图。
具体实施方式
69.以下结合附图对本发明做进一步的说明。
70.结合图1，本发明的实现步骤主要包括：
71.(1)绘制仿真草图环节。该环节是根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为带有标注的仿真草图，并根据仿真对象实际的结构，选定系统边界，完善仿真草图。具体实施方法如下：
72.a.确定测点、设备、依靠重力流动的管道、重点关注、带有止回功能的阀门位置；
73.b.在系统流程图基础上，绘制仿真草图，标明上述确定的位置；
74.c.根据实际工艺系统的设置，以及准备与之相连接的系统对应接口种类，确定边界的性质，在仿真草图中标明；
75.d.擦除其他信息，确定仿真草图。
76.(2)仿真图建立环节。该环节是根据仿真草图的标注，将系统拆分成节点、流线与边界相互连接的仿真图，具体实施方法如下：
77.a.将关注点、压力测点、温度测点、重力流动点等按发明内容第1步的方式，在相应位置抽象成节点、汽轮机、泵与阀门，并在图中标明；
78.b.根据绘制仿真草图环节的c步骤，在图中相应位置放置合适的边界；
79.c.依照工艺流程图，使用流线对边界、节点、汽轮机进行连接，确定流量测点处有流线存在，否则需要补充流线；
80.d.将阀门、泵等设备置于其对应位置的流线上；
81.e.按发明内容第3步f的方式，依次对节点、流线、汽轮机、边界进行编号；
82.f.在流线、节点、边界旁标注热工参数信息，方便调试，完成仿真图建立。
83.(3)参数化数据卡建立环节。该环节根据参数化数据卡的格式规范，以仿真图提供的拓扑关系为基础，以实际系统的设计、运行参数来完成参数化数据卡的建立，具体实施方法如下：
84.a.按照参数化数据卡格式规范，建立.csv格式的参数化数据卡，将数据输入卡设置为12段，每一段设起始标记字段//n-begin//(n为字段号，下同)，终止字段//n-end//；
85.b.根据仿真图中提供的拓扑关系，确定需要填写的区段；
86.c.根据仿真需要，填写概述信息字段；
87.d.根据仿真图中离散的节点所指带的管道，以设计结构参数为依据，填写管道节点参数字段、容器参数节点字段、各个边界参数字段、汽轮机参数字段；
88.e.根据仿真图所提供的拓扑连接关系及流线所指带的管道阻力，填写流线参数字段、阀门参数字段、离心泵参数字段；
89.f.预留字段不填写，完成参数化数据卡的建立。
90.(4)读卡环节。该环节是利用自动化程序，读取第3步建立的参数化数据卡，并根据数据卡内容，释放计算文件、初步初值文件，完成基本的预处理环节。具体实施方法如下：
91.a.自动化读卡程序根据配置信息，自动匹配所填写的数据卡文件位置；
92.b.逐行读入参数化数据卡，并将相关参数在内存中暂存；
93.c.根据实时仿真平台与程序计算的要求，生成满足要求的全部计算所需的变量名称，并写入对应的加点文件中；
94.d.根据节点、矩阵、边界的规模，选择释放合适规模的计算求解动态、静态链接库；
95.e.按c步骤中生成的变量名称，生成接口程序fortran代码，完成调用链接库的子程序生成。
96.f.将内存中各数组变量输出为初步初值文件。完成读卡程序后，内存暂不释放。
97.(5)试算环节。该环节利用读取的参数，在读卡程序中调用计算程序，对参数进行初步计算，并生成最终初值参数。具体实施方法如下：
98.a.读卡程序利用前期写入内存的数据，先行调用上述第4步骤(c)中释放的求解链接库；
99.b.调用链接库后进行运算求解；
100.c.若试算失败，则直接取初步初值文件为最终初值文件输出，预处理结束，读卡程序终止，相关内存释放；若试算成功，则持续运行，并记录计算步数；
101.d.当某两次相邻时刻，全体节点中同一节点两次计算压力偏差小于20kpa时，认为计算收敛，将当前计算结果输出为最终初值文件，预处理结束，读卡程序终止，相关内存释放；
102.e.当计算进行了1万次以后，仍未达到收敛状态，则认为计算不收敛，直接取初步初值文件为最终初值文件输出，预处理结束，读卡程序终止，相关内存释放。
103.结合图2-图5对本发明提供的预处理方法在实际工艺系统中的应用方法进行说明。其中图2是某实际工艺系统的流程图，上方表明了管道、测点、阀门及相关参数。在图2中，f为流量测点，p为压力测点，dp为压差测点；阀门旁边的字母为阀门的名称。
104.(1)绘制仿真草图。
105.a.在图中确定4个压力测点、1个压差测点、3个流量测点、4处管道汇合/分支点、1个普通阀门、2个止回阀门；
106.b.将上述位置信息标记在仅保留管道走向的系统流程图上，初步绘制仿真草图；
107.c.根据图2中工艺系统实际的进出口状态，确定采用流量边界作为进口、压力边界作为出口，并在仿真草图中标明；
108.d.擦除其他信息，确定仿真草图。依据系统流程图2所确定的仿真草图如图3所示。
109.(2)建立仿真图。
110.a.将压力测点、汇合/分支点单独设立为节点；将带有压差测点的阀门两侧划分为两个节点，将阀门放在响应位置的两个节点中间；
111.b.在系统进口处设置流量边界1个，在系统的3个出口处各设压力边界1个；
112.c.依照工艺流程图，使用流线对边界、节点进行连接，能够确定4个流量测点处都有对应的流线表示，不需要补充流线；
113.d.将三台阀门设备置于步骤a所放置的位置附近的流线上，完成仿真图的初步绘制；
114.e.依次对节点、流线、边界进行编号，所有节点均为管道节点，因此编号1-6；流线
编号1-10；压力边界编号271-273；流量边界编号341，把上述编号填在仿真图图中；
115.f.在流线、节点、边界旁标注热工参数信息，方便调试，完成仿真图建立。根据仿真草图3所建立的仿真图如图4所示。
116.(3)建立参数化数据卡。本步应由自动化填卡程序实现，能够最大限度避免人工失误。但为了更好地阐述本发明的内容，本条按手动填卡的模式进行描述。
117.a.在d:\simtools\users\tet\card路径下建立tet.csv文件，或复制参数化数据卡模板后更名，在概述信息字段起始标识后，根据实际系统的运行状态，按提示填写系统名称(tet)、系统简述、气相组分(水蒸气、氮气与氧气)、液相组分(水、溶解盐)、环境温度(18.5)；
118.b.在管道节点参数部分起始标识后，根据仿真简化合并的管道，依次填写每一节点的编号、上下标高、容积、水力直径、流通截面、散热表面积、壁厚等参数，从1节点填写至6节点后结束；
119.c.本例不包含容器节点，容器节点部分参数不填写；
120.d.在流线参数部分起始标识后，依次填写流线编号、上/下游节点、流线上/下标高、流线设定阻力导纳系数(本行依次填写设定工质密度、设定流量、设定压差，第3、5、9流线不填写本行)、是否具有止回作用(填0或1，本例在第3、第9流线上填写“1”，其与填写“0”)；
121.e.在压力边界参数部分起始标识后，依次填写压力边界编号、恒定压力、工质类型(本例均为液)、气相组分百分数(本例填写3个数，为蒸汽、氮气、氧气，对应步骤a)、液相组分百分数(本例填写1个数，为溶解盐，对应步骤a)、两相工质比焓；
122.f.在流量边界参数部分起始标识后，填写流量边界编号、恒定两相流量(气相0、液相36)、气相组分百分数(本例填写3个数，为蒸汽、氮气、氧气，对应步骤a)、液相组分百分数(本例填写1个数，为溶解盐，对应步骤a)、两相工质比焓；
123.g.本例不包含热量边界、温度边界，这两部分参数不填写；
124.h.在阀门参数部分起始标识后，依次填写阀门名称、所在流线、初始开度、全开kv、不同开度流量特性组数(对于不调节开度的，流线3、9上的阀门，填写“2”，代表全开与全关两个状态；流线5上的调节阀门据实填写为11组)、开度数组、相对kv数组；
125.i.本例不包含离心泵、汽轮机，这两部分与预留部分均不填写。
126.j.填写完毕后，详细检查各字段是否完整，起始/终止字段是否相对应。确认完毕后，参数化数据卡填写完毕，本例的数据卡样式如图5所示。
127.(4)读卡并释放计算文件。
128.a.自动化读卡程序根据配置信息，自动匹配所填写的数据卡文件保存的位置，本例为d:\simtools\users\tet；
129.b.逐行读入参数化数据卡，并将相关参数在内存中暂存；
130.c.根据实时仿真平台与程序计算的要求，生成全部满足要求的全部计算所需的变量名称，并写入对应的加点文件中，在d:\simtools\users\tet\text文件夹中创建变量加点文件tet.addv、常量加点文件tet.addc，加点文件包含变量名称、变量描述、变量类型、变量显示格式、所述系统、单变量点的初值、根节点；
131.d.根据本例节点、矩阵、边界的规模，在d:\simtools\users\tet路径下释放10*10
的矩阵求解器动态、静态链接库，在d:\simtools\users\tet\text文件夹中创建模块文件incl.tet；
132.e.按c步骤中生成的变量名称，在d:\simtools\users\tet\src文件夹中生成接口程序fortran代码文件tetmain.for，完成调用链接库的子程序生成。
133.f.将内存中各数组变量，d:\simtools\users\tet\temp中输出为初步初值文件tet.temp，内部存有变量名称及初值。完成读卡程序后，内存暂不释放。
134.(5)试算并释放最终初值文件。
135.a.读卡程序利用前期写入内存的数据，先行调用上述10*10的求解链接库；
136.b.调用链接库后进行运算求解，试算成功，并于1833步达到收敛条件；
137.c.将当前计算结果输出为最终初值文件，预处理结束，读卡程序终止，相关内存释放。
138.预处理完毕后，保证对应的d:\simtools\users\tet文件夹下包含求解静态链接库.lib文件1个、动态链接库.dll文件1个；初值文件夹bd，内含最终初值文件bd.tet；代码程序文件夹src，内含接口程序tetmain.for；文档文件夹text，内含模块文件incl.tet、变量加点文件tet.addv、常量加点文件tet.addc；临时文件夹temp，内含初步初值文件tet.temp；数据卡文件夹card，内含参数化数据卡tet.csv。
139.本发明提供一种具有参数化、可重构特征的核动力管网模型预处理方法。(1)采用控制体积法离散工艺系统，拆解容积属性与流动属性进行建模；(2)依据仿真模型的耦合性需要及系统流程确定边界种类及位置；(3)根据离散的工艺系统与确定的边界绘制仿真图并编号；(4)制定参数化数据输入卡的格式规范；(5)依据系统的设计运行参数和仿真图，生成参数化数据卡文件；(6)参数化数据卡生成后，读取程序逐行取数据卡并生成相应的计算文件；(7)数据卡读取完毕后，进行初步试算，生成最终初值文件。本发明所提供的仿真方法，能够完成工艺系统流程图、设计参数向管网模型计算文件转化的预处理过程，所生成的参数化数据卡涵盖了所有模型计算所需的参数，具备参数化、模块化特征；计算文件具备快速更改管道、设备、系统间连接关系的能力，具有可重构特征。本发明中所提出的参数化数据卡规范简单、格式统一，具有不受操作系统与运行环境的影响的优势，可手工填写或由软件自动生成。