用于核电厂系统级管网的仿真分析系统及方法与流程

本发明属于核电领域的管网热流体仿真，尤其涉及一种用于核电厂系统级管网的仿真分析系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、核电工程是一项涉及一百多个执行不同功能的工艺系统的大型复杂系统工程，这些工艺系统是由管道、三通、大小头、泵、阀门、孔板、容器、热交换器、各种测量和控制仪表等相互连接形成庞大的流体管网系统。核电工艺系统在需求定义、功能分配、逻辑设计、物理实现各阶段都需要进行大量仿真验证，系统级管网仿真分析是核电工艺系统建设设计阶段的重要工作，分析结果包含流量、流速、压力、温度、流阻等，是保证其设计合理性的重要环节。

3、现有技术方案通常使用excel或者国外仿真软件，使用excel进行仿真存在手动输入工作量大、迭代求解困难，使用国外仿真软件存在模型转换困难、缺乏核电专用元件库和工质库等问题。随着流体系统设计数据的不断累积，设计经验数据仅靠人工进行管理和操作，此种管理方式存在许多缺点，如效率低、保密性差以及长时间执行时会产生大量的文件和数据(这些文件和数据中通常具有大量冗余或针对同一目的存在数据不吻合的情况)，这对于查找、更新和维护文件等管理带来诸多困难。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提供了一种用于核电厂系统级管网的仿真分析系统及方法，所述方案以参数化的方法快速建立核电管网系统仿真模型，通过预先建立元件库及工质库，可以根据实际核电管网系统选择合适的元件，形成连接逻辑图，然后对核电管网系统进行参数设置，并通过求解器构建对应的守恒方程进行仿真计算，实现对具体对象复杂核电管网系统的快速仿真；同时，所述方案针对不同专业的复杂核电管网系统，能够选用元件库中各专业对应的元件和工质物性参数库中对应的工质参数，增强核电管网系统建模仿真方法的通用性，具有良好的、广泛的适用性。

2、根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种用于核电厂系统级管网的仿真分析系统，包括：

3、可视化建模模块，其用于根据核电管网系统中元件的连接关系以及预先构建的元件模型，实现核电管网系统系统仿真模型的构建；以及接收外部参数输入，对核电管网系统进行参数化设置；

4、求解器模块，其用于基于核电管网系统的参数化设置以及预设的守恒方程，采用模块化求解方式对核电管网系统进行仿真求解，获得核电管网系统中压力、流量以及温度分布；其中，所述模块化求解方式具体包括采用newton-raphson迭代法的主流程以及基于主流程每次迭代结果的分支流程；

5、元件库及工质库模块，其用于集成包括消防系统、暖通空调系统、传统管道系统、循环系统以及控制系统专业标准元件模型；以及构建包括通用工质特性、特殊工质物理属性以及固体材料属性的核电管网系统的工质物性参数库；

6、接口模块，其用于对外提供支持第三方三维管道布置软件的模型交换接口。

7、在具体实施中，所述采用newton-raphson迭代法的主流程，具体为：采用newton-raphson迭代法，其迭代变量包括核电管网系统各个节点上的状态量以及各个分支上的过程量；

8、或，基于主流程每次迭代结果的分支流程，具体为：根据主流程每次迭代的状态量和过程量，通过分支流程对包括能量方程、组分方程和流固耦合方程的流体方程进行求解。

9、在具体实施中，所述元件库及工质库模块中，元件库包括管道、弯头、孔板、阀门、泵以及容器种类元件模型，工质库包括润滑油、硼酸水溶液、重水、海水、乙二醇水溶液等，满足工艺、柴油机、给排水、消防以及循环多种应用场景下的工质物性参数。

10、在具体实施中，所述系统还包括前处理模块，所述前处理模块用于针对每一类管网元件，根据其一维流动特性和实际的一维流动物理过程，将每种特性和物理过程进行数学参数化建模；以及根据不同元件的物理过程和参数化特性，将其进行数字化抽象后，分类做成不同的元件种类。

11、在具体实施中，所述系统还包括后处理模块，所述后处理模块用于基于仿真求解结果，进行求解结果的可视化处理并进行展示。

12、在具体实施中，所述系统还包括数据库模块，所述数据库模块用于从核电管网系统总系统、子系统、复杂元件模型和特定属性参数这四个层面对数据进行处理，用以在数据库中创建清晰的层次结构。

13、在具体实施中，所述接口模块包括三维管道模型转换接口、fmu模型接口以及命令行调用接口。

14、根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种用于核电厂系统级管网的仿真分析方法，其基于上述的一种用于核电厂系统级管网的仿真分析方法，包括：

15、根据待仿真核电管网系统中元件的连接关系以及元件库及工质库模块中预先构建的元件模型，实现核电管网系统系统仿真模型的构建；或通过接口模块的接口导入第三方三维管道布置软件预先构建的模型；以及接收外部参数输入，对核电管网系统进行参数化设置；

16、基于核电管网系统的参数化设置以及预设的守恒方程，采用模块化求解方式对核电管网系统进行仿真求解，获得核电管网系统中压力、流量以及温度分布；其中，所述模块化求解方式具体包括采用newton-raphson迭代法的主流程以及基于主流程每次迭代结果的分支流程。

17、根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种用于核电厂系统级管网的仿真分析方法。

18、根据本发明实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种用于核电厂系统级管网的仿真分析方法。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、(1)本发明提供了一种用于核电厂系统级管网的仿真分析系统及方法，所述方案以参数化的方法快速建立核电管网系统仿真模型，通过预先建立元件库及工质库，可以根据实际核电管网系统选择合适的元件，形成连接逻辑图，然后对核电管网系统进行参数设置，并通过求解器构建对应的守恒方程进行仿真计算，实现对具体对象复杂核电管网系统的快速仿真；同时，所述方案针对不同专业的复杂核电管网系统，能够选用元件库中各专业对应的元件和工质物性参数库中对应的工质参数，增强核电管网系统建模仿真方法的通用性，具有良好的、广泛的适用性。

21、(2)本发明所述方案的求解器基于核心求解器及其通用底层计算逻辑，通过外层newton-raphson方法和逐步迭代法求解所有控制方程，并集成同步求解和非同步求解方案，求解描述包含流动传热、相变、混合、流固耦合和多种源项的流体网络方程组，得到管网系统中压力、流量、温度等的分布；所述求解器通过解耦的方式，使得整个求解过程具有更高的稳定性，流体网络的主要状态量和过程量经过迭代后才参与到其他参数的求解，在保证精度的同时能够减少求解时间。

22、(3)所述求解器的设计可以求解描述包含流动传热、相变、混合和多种源项的流体网络方程组，得到管网系统中压力、流量、温度等的分布。建立健壮且高效的数值算法，可以快速求解一个大型的非线性方程组，节省构造大型jacobi矩阵和求解大型线性方程组耗费大量的内存和时间。

23、(4)本发明所述的元件库和工质库，通过集成核电专用元件库与工质库，元件库包括管道、弯头、孔板、阀门、泵、容器等种类，工质库包括润滑油、硼酸水溶液、重水、海水、乙二醇水溶液等，满足工艺、柴油机、给排水、消防、循环等专业多种应用场景。避免多个专业使用多个不同仿真软件，也避免了手动查找手册带来的错误。

24、(5)本发明所述的数据库采用灵活的数据存储、调用和管理方式。包括逐层级别结构、多存储方式、多种数据处理方式。数据库采用多级处理方式，从总系统、子系统、复杂元件模型和特定属性参数这四个层面对数据进行处理，可以在数据库中创建清晰的层次结构，使数据之间的关系更加明确。可以根据数据的特点(关系型、图形、文档)选择最适合的方式进行存储和处理。采用的不同拟合、插值及拓展方式便于数据的修改，错误查看、调用和移植。

25、(6)本发明所述方案通过javascript脚本支持同三维管道布置软件的模型交换，大幅提高管网仿真模型建模效率，节省建模时间90％以上，同时减少人因失误。本发明可实现fmi接口的导入、导出功能，可以与外部仿真软件进行模型交互，可以调用外部仿真软件特殊模型元件，提高系统管网仿真的准确度。本发明可使用python语言进行调用，并支持javascript语言进行脚本编写，可以实现批量仿真，大幅提高仿真速度。