一种基于信号滤波核电系统程序的两相流耦合方法与流程

1.本发明涉及两相流耦合技术领域，尤其涉及一种基于信号滤波核电系统程序的两相流耦合方法。


背景技术：

2.在核工程技术研发及应用中，核电厂运行仿真平台(nures)被用来验证核电厂控制系统和培训操作员等。一般分为仿真平台调度控制系统模型和热工模型。对于验证核电厂控制系统来说，仿真平台通过硬接线和软件通讯的方式与核电厂控制系统是实现数据交互，核电机组模型采用热工水力分析程序搭建的热工模型。热工模型由最佳估算热工水力程序搭建，以下简称为热工程序，nures仿真平台不局限于调度最佳估算热工程序。
3.nures仿真平台验证核电厂控制系统实物机柜的必备功能之一是实现仿真模型仿真时间与自然界时间保持一致，即实时运行。但是热工程序搭建的核电机组模型经常由于核电机组系统的高度复杂性，其仿真模型计算的仿真时间远大于自然界时间。针对这种实时要求无法实现的情况，可以进行热工模型的拆分耦合；对复杂的、范围大的热工模型选定合适的拆分边界，基于nures实现多个最佳估算热工水力程序同步计算；同时，耦合接口存在两相流时，由于气相对压力波动的敏感，会产生边界流量震荡现象，造成仿真运行和运行数据的不稳定、不合理的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：基于最佳估算热工程序搭建热工模型，然后利用核电站运行仿真平台nures对热工模型进行拆分，实现多个热工程序并行运行，多个热工程序同步计算时，耦合接口参数通过数据库传递，实现耦合运行；利用一阶滞后滤波法对两相流体耦合接口传递参数中的压力值进行处理可以有效的消除耦合接口存在两相流时发生的流量震荡现象。
5.本发明所采用的技术方案是：一种基于信号滤波核电系统程序的两相流耦合方法包括以下步骤：
6.s1、基于最佳估算热工程序，搭建仿真对象的热工模型；
7.热工程序为轻水堆冷却系统事故工况的瞬态行为最佳估算程序，是核电厂分析的基础之一，核电机组的热工模型基于热工水力分析程序(最佳估算热工程序)搭建；
8.s2、将热工模型按流量边界进行拆分，将流量边界处压力、气相内能、液相比内能、空泡份额和流量作为耦合输入参数；
9.热工模型拆分边界的选择，主要考虑以下几点：首先，整体模型的复杂度平均分摊给拆分开的子模型，使子模型单独运行的耗时接近，所以将存在相变过程的设备蒸汽发生器二次侧给水进口到主蒸汽管入口拆为单独的模型，拆分方式为两相流量边界；
10.s3、利用nures仿真平台，对拆分后的热工模型进行耦合，耦合方式为两相流体耦合；
11.s4、对两相流体耦合接口传递参数中的压力值进行一阶滞后滤波处理，将滤波处理得到的新压力值参数作为耦合输入参数进行传递；
12.一阶滞后滤波处理采用当前时间步长的压力值与上一个计算时间步长的压力值加权得到当前的输出值，，一阶滞后滤波公式如下：
13.yn＝αxn (1-α)x
n-1
14.式中，yn本次滤波输出值；α滤波系数；xn本次采样值；x
n-1
上次滤波输出值；
15.一阶滞后滤波消除采集数据的干扰因素，对两相流体耦合输出接口的压力参数进行一阶滞后滤波处理，可以通过两种形式实现一阶滞后滤波：
16.1、将压力参数输出到nures仿真平台数据库后进行滤波处理；
17.2、通过relap5程序中名为“lag”的控制模块，控制模块运行界面如下：
[0018][0019]
以上示例“lag”的控制模块取滤波系数0.5，对当前时刻110号控制体的压力值进行滤波处理，将滤波得到的值作为新的压力参数输出到nures仿真平台数据库中，作为另一个模型的输入参数，实现耦合并行计算；
[0020]
进一步的，所述步骤s3的两相流体耦合包括在核电机组二回路给水-蒸汽系统中，多台蒸汽发生器并联到主蒸汽管道，正常运行工况下，蒸汽发生器二次侧入口为低温液态流体，经传热管吸收一次侧冷却剂热量，液相流体逐渐升温蒸发为气相，另外也存在蒸汽发生器二次侧充满水时的水实体工况，所以采用两相流体耦合的方式进行拆分耦合；以蒸汽发生器二次侧出口控制体作为边界，拆分为蒸汽发生器和主蒸汽管两个热工模型，通过接口处的压力边界与流量边界传递参数进行耦合，传递参数包括气相流量、液相流量、压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额；蒸汽发生器二次侧出口即控制体108和主蒸汽管入口即控制体110，两相流体耦合原理为：蒸汽发生器二次侧的控制体108输出自身的压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额信号值到数据库，作为主蒸汽管的入口压力边界的控制体208；阀门109输出气相流量与液相流量值到数据库，并作为主蒸汽管的入口阀门209的流量边界；主蒸汽管的控制体110输出自身的压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额信号值到数据库，并作为蒸汽发生器二次侧的控制体210出口压力边界；在并行计算时，蒸汽发生器二次侧和主蒸汽管不断往复的传递参数并进行边界修改，从而达到耦合计算的目的；
[0021]
在仿真平台实现两相流耦合运行时，由于汽相对压力波动的敏感，会出现边界流量震荡现象，无法保证仿真的准确性与合理性；通常的应对办法是在选定耦合边界时，避开存在两相流的位置，这种方法在处理对象为两相流为主的热工系统时会受到限制。
[0022]
进一步的，所述步骤s3的拆分后的热工模型包括蒸汽发生器和主蒸汽管，核电厂蒸汽发生器二次侧入口为液相流体，流体经蒸汽发生器传热管吸收一回路冷却剂热量逐渐升温饱和，后蒸发为气相流体流出，进入主蒸汽系统；热工程序在计算蒸汽发生器二次侧的相变过程时，相较于单相液体或单相气体更加地耗时，所以将蒸汽发生器二次侧出口位置设置为拆分耦合接口；蒸汽发生器二次侧的热工程序运行耗时为δt1、主蒸汽管的热工程序运行耗时为δt2；两个热工程序并行计算，消耗时长为max(δt1,δt2)，以此设为一个时间周期，不断重复两个热工程序的运行，实现仿真平台调度运行；
[0023]
而单个最佳估算热工程序顺序运行时，从t0时刻开始，先计算蒸汽发生器二次侧部分，消耗时长δt1，再计算主蒸汽管部分，消耗时长δt2，然后当前时间周期结束，记为t1，程序计算进入下一时间周期，再依次计算蒸汽发生器二次侧部分和主蒸汽管部分的热工程序时间周期；
[0024]
由两个热工程序并行计算，在第一个时间周期内，蒸汽发生器二次侧热工程序和主蒸汽管热工程序同时进行计算，由于蒸汽发生器二次侧热工程序耗时大于主蒸汽管热工程序计算时长，所以热工程序计算完蒸汽发生器二次侧时，主蒸汽管已经完成了计算，并等待前者结束，之后一起进入下一时间步长的计算；对比拆分前后，热工程序并行运行的自然界时间远小于单个最佳估算热工程序顺序运行的自然界时间；
[0025]
进一步的，两相流体耦合接口传递的压力值通过数据库交互实现。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
1、基于核电厂仿真平台的热工程序并行计算时，采用一阶滞后滤波处理消除耦合接口存在两相流时发生的流量震荡现象，解决仿真模型中存在两相流流量震荡带来的仿真运行和运行数据的不稳定、不合理的问题。
附图说明
[0028]
图1是本发明的基于信号滤波核电系统程序的两相流耦合方法流程图；
[0029]
图2是本发明的热工程序顺序与并行运行耗时对比图；
[0030]
图3是本发明的两相流边界示意图；
[0031]
图4是本发明的两相流体耦合原理示意图；
[0032]
图5是本发明的滤波处理前的主蒸汽压力参数；
[0033]
图6是本发明的滤波处理后的主蒸汽压力参数；
[0034]
图7是本发明的滤波处理前的主蒸汽流量参数；
[0035]
图8是本发明的滤波处理后的主蒸汽流量参数；
[0036]
图9是本发明的滤波处理前的主蒸汽温度参数；
[0037]
图10本发明的滤波处理后的主蒸汽温度参数。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0039]
如图1所示，一种基于信号滤波核电系统程序的两相流耦合方法包括以下步骤：
[0040]
s1、基于最佳估算热工程序，搭建仿真对象的热工模型；
[0041]
s2、将热工模型按流量边界进行拆分，将流量边界处压力、气相内能、液相比内能、空泡份额和流量作为耦合传递参数；
[0042]
s3、利用nures仿真平台，对拆分后的热工模型进行耦合，耦合方式为两相流体耦合；
[0043]
进一步的，所述步骤s3的两相流体耦合如图3所示，包括在核电机组二回路给水-蒸汽系统中，多台蒸汽发生器并联到主蒸汽管道，正常运行工况下，蒸汽发生器二次侧入口为低温液态流体，经传热管吸收一次侧冷却剂热量，液相流体逐渐升温蒸发为气相，另外也
存在蒸汽发生器二次侧充满水时的水实体工况，所以采用两相流体耦合的方式进行拆分耦合；
[0044]
如图4所示，以蒸汽发生器二次侧出口控制体作为边界，拆分为蒸汽发生器二次侧和主蒸汽管两个热工模型，通过接口处的压力边界传递参数进行耦合，传递参数包括压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额；蒸汽发生器二次侧出口即控制体108和主蒸汽管入口即控制体110；两相流体耦合原理为：蒸汽发生器二次侧的控制体108输出自身的压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额信号的实时值到数据库，作为主蒸汽管的入口压力边界的控制体208；阀门109输出自己的气相流量与液相流量的实时值到数据库，并作为主蒸汽管的入口阀门209的流量边界；主蒸汽管的控制体110输出自身的压力、液相比内能、汽相比内能和空泡份额信号的实时值到数据库，并作为蒸汽发生器二次侧的控制体210出口压力边界；在并行计算时，蒸汽发生器二次侧和主蒸汽管不断往复的传递参数并进行边界修改，从而达到耦合计算的目的；
[0045]
进一步的，步骤s3的拆分后的热工模型包括蒸汽发生器二次侧和主蒸汽管，将蒸汽发生器二次侧出口位置设置为拆分耦合接口；如图2中并行运行：蒸汽发生器的热工程序运行耗时为δt1、主蒸汽管的热工程序运行耗时为δt2；两个热工程序并行计算，消耗时长为max(δt1,δt2)，以此设为一个时间周期，不断重复两个热工程序的运行，实现仿真平台调度运行；
[0046]
如图2中上半图为单个最佳估算热工程序顺序运行，从t0时刻开始，先计算蒸汽发生器二次侧部分，消耗时长δt1，再计算主蒸汽管部分，消耗时长δt2，然后当前时间周期结束，记为t1，程序计算进入下一时间周期，再依次计算蒸汽发生器二次侧部分和主蒸汽管部分的热工程序时间周期，热工程序耦合并行计算时，每个时间步长消耗的时间如图2中下半图，热工程序计算完蒸汽发生器二次侧时，主蒸汽管已经完成了计算，并等待前者结束，之后一起进入下一时间步长的计算；从下半图可以看出并行运行的耗时明显小于顺序运行耗时；
[0047]
s4、对两相流体耦合接口传递的压力值进行一阶滞后滤波处理，将滤波处理得到的新压力值参数作为耦合输入参数进行传递；
[0048]
一阶滞后滤波处理采用当前时间步长的压力值与上一个计算时间步长的与上个周期的压力值加权得到当前的输出值，一阶滞后滤波公式如下
[0049]yn
＝αxn (1-α)x
n-1
[0050]
式中，yn本次滤波输出值；α滤波系数；xn本次采样值；x
n-1
上次滤波输出值；
[0051]
如图5-10所示，为采用一阶滞后滤波前后两相流体耦合的主蒸汽管的温度、压力和流量变化情况，可以看出采用一阶滞后滤波处理消除耦合接口存在两相流时发生的流量震荡现象，解决仿真模型中存在两相流流量震荡带来的仿真运行和运行数据的不稳定、不合理的问题。
[0052]
本发明的有益效果是基于核电厂仿真平台的热工程序并行计算时，采用一阶滞后滤波处理消除耦合接口存在两相流时发生的流量震荡现象，解决仿真模型中存在两相流流量震荡带来的仿真运行和运行数据的不稳定、不合理的问题。
[0053]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术
性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。