CN109871642B - 一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿真模拟技术领域，尤其涉及一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法，其中包括：步骤S1、对蒸汽发生器的内部结构建立初始模型，并对初始模型进行简化处理；步骤S2、将二分之一的初始模型进行温度场的计算，以建立内部结构的初始有限元模型；步骤S3、分析初始有限元模型的边界条件，并对边界条件进行优化，以得到最佳边界条件；步骤S4、添加最佳边界条件至初始有限元模型中，以计算内部结构的温度场，建立内部结构的最终有限元模型。有益效果：在保证计算精度的前提下，解决在有限元建模及计算时所需高设备配置及高计算成本等问题，并且解决在边界条件不完整的情况下，对温度场分析建模的问题，进一步提高了分析精度。

Description

一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法

技术领域

本发明涉及仿真模拟技术领域，尤其涉及一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法。

背景技术

目前，在核反应堆中核裂变产生的热量通过冷却剂带出，流经蒸汽发生器的一侧，将热量传递给二回路的给水，产生蒸汽推动汽轮机做功，完成发电。实际运行经验表明，蒸汽发生器的安全可靠性，对整个核电站的安全可靠性有着十分重要的影响。

现有技术中，核电设备中的蒸汽发生器尺寸较大且结构复杂，上部与下部环缝热处理为制造过程的关键环节，在蒸汽发生器总装环缝局部消除应力热处理的过程中，由于U形管的管壁较薄与支撑板间隙很小，因各部件的热膨胀不均匀，而导致支撑板暂时倾斜，可能会在U形管的局部形成永久性的塑性变形(Tube Ding)。塑性变形是蒸汽发生器在制造过程中决不允许出现的。

进一步地，为了防止蒸汽发生器在热处理的过程中出现以上现象，国内的各个核电设备制造企业均依靠热处理的技术人员进行现场跟踪监测，并根据操作经验以实时调整吹风机的启停与功率，减小由温度分布不均引起的变形，以保证U形管束不产生永久压痕。

对于蒸汽发生器的内部结构的温度场数值分析的应用方面已经做了很多研究。例如，中国专利CN105160092A公开了一种适用于防护系统瞬态温度场计算的热环境插值方法，中国专利CN104794277A提供一种计及帘线的橡胶块温度场的仿真模拟方法，中国专利CN102034006A公开了一种基于有限元法的蓄电池热管理分析及优化方法，中国专利CN104636555A公开了一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，中国专利CN103031801A提供了一种地下道路复合式路面温度场模型建立方法等。

对于蒸汽发生器的内部结构的温度场数值分析的方法可以归纳为以下四点：(1)网格模型的建立；(2)边界条件的确定；(3)边界条件的施加方式及计算参数的设置。其中出现的问题包括以下几点：(1)网格模型建立，不仅影响着计算精度，而且决定了其处理计算的规模，如计算规模过大势必造成资源配置的浪费；(2)边界条件的确定，是温度场数值分析的重点所在，如何精确地获得准确的边界条件如对流载荷、辐射载荷等，对于计算模型来说至关重要，通常使用的边界条件是通过实验测试或传感设备的监测并结合实际情况给出，也可通过有限数据经过诸如理论公式、经验公式等途径推出；(3)边界条件的施加方式影响对于实际工况的模拟准确性，同样进一步将决定着整体计算的精度。

因此，需要一种对蒸汽发生器在环缝热处理过程中其支撑板及管板的变形进行数值模拟的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法。

具体技术方案如下：

一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法，其中，包括：

步骤S1、对所述蒸汽发生器的内部结构建立初始模型，并对所述初始模型进行简化处理；

步骤S2、将二分之一的所述初始模型进行温度场的计算，以建立所述内部结构的初始有限元模型；

步骤S3、分析所述初始有限元模型的边界条件，并对所述边界条件进行优化，以得到最佳边界条件；

步骤S4、添加所述最佳边界条件至所述初始有限元模型中，以计算所述内部结构的温度场，建立所述内部结构的最终有限元模型。

优选的，所述步骤S1包括：

步骤S10、对所述蒸汽发生器的内部结构建立初始模型；

步骤S11、将所述初始模型中的带孔管板简化为实心管板；

步骤S12、将所述初始模型中的支撑板简化为薄板结构，从而完成对所述初始模型的简化处理。

优选的，所述步骤S2包括：

步骤S20、根据所述初始模型的对称性，获取二分之一的所述初始模型以进行温度场的计算，从而确定对应的对流换热系数和环境温度参数；

步骤S21、对所述薄板结构、所述实心管板及所述初始模型中的拉杆处采用分区添加的方法，分别添加对流换热系数，从而建立所述内部结构的初始有限元模型。

优选的，所述步骤S3包括：

步骤S30、获取所述初始有限元模型的边界条件；

步骤S31、根据所述边界条件进行温度场分析，以提取所述初始有限元模型中的温度值；

步骤S32、根据所述温度值与所述边界条件共同创建训练样本；

步骤S33、根据所述训练样本构建一回归模型；

步骤S34、根据所述回归模型的主要参数修正所述回归模型，所述主要参数包括核函数参数与惩罚因子；

步骤S35、基于所述训练样本、所述回归模型及所述温度值，处理得到所述初始有限元模型的所述最佳边界条件。

优选的，于所述步骤S20中，所述对流换热系数包括对所述薄板结构的对流荷载与对所述实心管板的对流荷载；

所述环境温度参数通过预先设置的检测设备进行获取。

优选的，于所述步骤S21中，所述薄板结构采用所述分区添加的方法包括，将二分之一的所述薄板结构分为两个区域，并分别将所述两个区域细化为多个节点，依据细化得到的多个所述节点进行所述对流换热系数的添加。

优选的，于所述步骤S21中，所述初始模型中的拉杆采用所述分区添加的方法包括，将所述拉杆进行分级，至少分为十一级，每级至少包括四个区域，对所述十一级的所述拉杆进行有限元建模。

优选的，于所述步骤S33中，所述回归模型通过以下公式表示：

其中，

K(x_i,x)用于表示所述回归模型的核函数；

a_i与用于表示所述回归模型中的拉格朗日乘子系数；

n用于表示训练样本的数量；

b用于表示所述回归模型的偏置量。

优选的，所述回归模型的核函数通过以下函数表示：

K(x_i,x)＝exp(-||x_i-x_j||²/2γ²)；

其中，

x_i用于表示所述回归模型的输入因子的特征向量，x_i∈R^P，其中P用于表示所述回归模型的维数；

x_j用于表示所述回归模型的输入因子的特征向量，x_j∈R^P，其中P用于表示所述回归模型的维数；

γ用于表示所述回归模型的核函数参数。

优选的，于所述步骤S30中，根据获取的所述初始有限元模型的边界条件创建包括所述边界条件的记录表格，并根据所述记录表格进行温度场分析。

本发明的技术方案有益效果在于：提供一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法，在保证计算精度的前提下，解决具有大体积、密排孔的蒸汽发生器的管板、支撑板，在有限元建模及计算时所需高设备配置及高计算成本等问题，并且解决在边界条件不完整的情况下，对温度场分析建模的问题，进一步提高了温度场分析建模的精确度及优化边界条件的分析精度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明的实施例的用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法的步骤流程图；

图2为本发明的实施例的用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法的步骤S1的步骤流程图；

图3为本发明的实施例的用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法的步骤S2的步骤流程图；

图4为本发明的实施例的用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法的步骤S3的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

对于蒸汽发生器的内部结构的温度场数值分析的应用方面已经做了很多研究。例如，中国专利CN105160092A公开了一种适用于防护系统瞬态温度场计算的热环境插值方法，中国专利CN104794277A提供一种计及帘线的橡胶块温度场的仿真模拟方法，中国专利CN102034006A公开了一种基于有限元法的蓄电池热管理分析及优化方法，中国专利CN104636555A公开了一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，中国专利CN103031801A提供了一种地下道路复合式路面温度场模型建立方法等。

对于蒸汽发生器的内部结构的温度场数值分析的方法可以归纳为以下四点：(1)网格模型的建立；(2)边界条件的确定；(3)边界条件的施加方式及计算参数的设置。其中出现的问题包括以下几点：(1)网格模型建立，不仅影响着计算精度，而且决定了其处理计算的规模，如计算规模过大势必造成资源配置的浪费；(2)边界条件的确定，是温度场数值分析的重点所在，如何精确地获得准确的边界条件如对流载荷、辐射载荷等，对于计算模型来说至关重要，通常使用的边界条件是通过实验测试或传感设备的监测并结合实际情况给出，也可通过有限数据经过诸如理论公式、经验公式等途径推出；(3)边界条件的施加方式影响对于实际工况的模拟准确性，同样进一步将决定着整体计算的精度。

以上的中国专利中，提供了不同产品类型的温度场建模及分析方法，但尚未涉及对蒸汽发生器内部结构温度场建模及分析的方法。由于实际产品种类、用途及结构的不同，对于模型前处理的策略及方法也会有明显的不同。

以上的中国专利中，提供了不同产品类型的温度场建模及分析方法，其边界条件均由相关实际数据给出为已知输入量，如计算模型已知的输入量中不包含关键的边界条件参数如对流换热系数等，则需通过其余给出数据由相关理论及经验公式退出其势必会产生误差影响计算结果的精度。

针对现有技术中存在的上述问题，需要对蒸汽发生器在环缝热处理过程中其支撑板及管板的变形进行数值模拟研究。采用有限元方法，通过温度场分析，获得在消除局部应力热处理过程二次测组件温度场分布情况，及各组件的温度变化及变形规律。分别对蒸汽发生器不同制造顺序工况的环缝热处理进行仿真，分析二次侧温度及支撑变形角度数据，通过调整边界条件，观测蒸汽发生器管束外的温度场改变情况以控制管束组件的热膨胀变形，为防止塑性变形控制系统的建立提供数据支撑。

因此，本发明提供一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法，其中，包括：

步骤S1、对蒸汽发生器的内部结构建立初始模型，并对初始模型进行简化处理；

步骤S2、将二分之一的初始模型进行温度场的计算，以建立内部结构的初始有限元模型；

步骤S3、分析初始有限元模型的边界条件，并对边界条件进行优化，以得到最佳边界条件；

步骤S4、添加最佳边界条件至初始有限元模型中，以计算内部结构的温度场，建立内部结构的最终有限元模型。

通过上述用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法的技术方案，如图1所示，本发明对蒸汽发生器的二次侧建立初始模型，其中二次侧表示蒸汽发生器的下筒体的下部结构，在保证计算精度的前提下，采用当量实心板理论对管板、支撑板进行简化处理，由于管板的体积庞大、U型管孔数量达两万级以上布孔十分密集，在采用有限元法对其进行计算时需进行适当简化处理，有效地解决具有大体积、密排孔的蒸汽发生器的管板、支撑板，在有限元建模及计算时所需高设备配置及高计算成本等问题。

进一步地，由于蒸汽发生器的二次侧分析模型具有对称性，为了减小计算机的计算量提高计算效率，仅取其二分之一的初始模型进行温度场计算，使用分区域的方法模拟蒸汽发生器二次侧的真实工况，以建立内部结构的初始有限元模型。进一步地，分析初始有限元模型的边界条件，并对边界条件进行优化，以得到最佳边界条件，有效地提高了模型对边界条件参数寻优的精确度。

在一种较优的实施例中，步骤S1包括：

步骤S10、对蒸汽发生器的内部结构建立初始模型；

步骤S11、将初始模型中的带孔管板简化为实心管板；

步骤S12、将初始模型中的支撑板简化为薄板结构，从而完成对初始模型的简化处理。

具体地，如图2所示，基于弹性基础上的当量实心板理论将管板做等效简化，该当量实心板理论是将管板的U型管孔简化为受传热管束弹性支撑的、受开孔均匀削弱的不开孔的实心管板，在已知孔径、孔排列节距、管板厚度数据情况下，根据ASME国家标准及相关规定以得到管孔削弱系数，t/p≥1，故属于厚管板。

基于上述方法，将管板等效为实体管板，并且通过查等效材料的有效弹性常数曲线与参数获得材料参数。从而，蒸汽发生器各级设置的支承板的径向尺寸大，而管板的厚度较小，可以将其视为薄板结构，采用板壳单元对支承板进行有限元网格划分。进一步地，采用以上方法有效地解决具有大体积、密排孔的蒸汽发生器的管板、支撑板，在有限元建模及计算时所需高设备配置及高计算成本等问题。

需要说明的是，将初始模型中的带孔管板与支撑板的简化顺序，可以根据工艺需要自行调换，在此不再赘述。

在一种较优的实施例中，步骤S2包括：

步骤S20、根据初始模型的对称性，获取二分之一的初始模型以进行温度场的计算，从而确定对应的对流换热系数和环境温度参数；

步骤S21、对薄板结构、实心管板及初始模型中的拉杆处采用分区添加的方法，分别添加对流换热系数，从而建立内部结构的初始有限元模型。

具体地，如图3所示，由于蒸汽发生器的二次侧分析模型具有对称性，为了减小计算机的计算量提高计算效率，仅取其二分之一的初始模型进行温度场计算，从而确定对应的对流换热系数和环境温度参数，其中，对流换热系数包括对薄板结构的对流荷载与对实心管板的对流荷载，环境温度参数通过预先设置的检测设备进行获取。

由于蒸汽发生器的二次侧环缝热处理时，各个薄板结构间的舱室内在冷热风机作用下为空气强制对流情况，故对流换热系数的取值范围为20-100W/(m²·K)。同时，将二次侧的剖分面上添加对称边界条件，有限元网格模型采用Solid70的六面体八节点温度单元。

进一步地，对流载荷的施加内容包括对薄板结构对流荷载的添加和对实心管板对流荷载的添加两方面。其中，薄板结构采用分区添加的方法，将二分之一的薄板结构分为两个区域，并分别将两个区域细化为多个节点，依据细化得到的多个节点进行对流换热系数的添加。并且，拉杆采用分区添加的方法包括，将拉杆进行分级，至少分为十一级，每级至少包括四个区域，对十一级的拉杆进行有限元建模。需要说明的是，蒸汽发生器的二次侧结构中，对于管板、支撑板及拉杆在初始模型中包括形状、位置及连接关系等与现有技术中相同，在此不再赘述其连接关系。

进一步地，采用以上方法在考虑了各个薄板结构之间的舱室内在冷热风机作用下为空气强制对流，有效提高吸热管温度场的计算精度。

在一种较优的实施例中，步骤S3包括：

步骤S30、获取初始有限元模型的边界条件；

步骤S31、根据边界条件进行温度场分析，以提取初始有限元模型中的温度值；

步骤S32、根据温度值与边界条件共同创建训练样本；

步骤S33、根据训练样本构建一回归模型；

步骤S34、根据回归模型的主要参数修正回归模型，主要参数包括核函数参数与惩罚因子；

步骤S35、基于训练样本、回归模型及温度值，处理得到初始有限元模型的最佳边界条件。

上述技术方案中，优选的，于步骤S33中，回归模型通过以下公式表示：

其中，

K(x_i,x)用于表示回归模型的核函数；

a_i与用于表示回归模型中的拉格朗日乘子系数；

n用于表示训练样本的数量，训练样本的数量取值根据训练样本的实际情况而定；

b用于表示回归模型的偏置量。

上述技术方案中，优选的，回归模型的核函数通过以下函数表示：

K(x_i,x)＝exp(-||x_i-x_j||²/2γ²)；

其中，

x_i用于表示回归模型的输入因子的特征向量，x_i∈R^P，其中P用于表示回归模型的维数；

x_j用于表示回归模型的输入因子的特征向量，x_j∈R^P，其中P用于表示回归模型的维数；

γ用于表示回归模型的核函数参数；

其中你，x_i与x_j均为维度的输入值。

具体地，如图4所示，根据蒸汽发生器内部的实际情况，在其关键点布有相应的传感器以测得实时的温度数据曲线，现需根据关键点的温度数值反推回薄板结构、实心管板处的边界条件参数，即对流换热系数与环境温度。由于边界条件数据的缺失，训练样本的获取需通过通用有限元软件计算而得，根据获取的初始有限元模型的边界条件创建包括边界条件的记录表格，并根据记录表格进行温度场分析，根据给定的初始边界条件参数创建设计表并根据其中的参数计算获得关键检测点上的温度数据。结合管板、支撑板的对流换热系数、环境温度及计算所得的关键点温度共同组成训练样本。

进一步地，创建支持向量机回归函数，其基本思想为通过某一非线性映射关系将样本空间映射至高纬空间从而将原本的低纬非线性问题转化为高纬线性问题完成回归。

具体地，x_i＝(x_i1,x_i1,x_i1...x_ip)为输入的因子的特征向量，y_i为输出量；其中，x_i∈R^P，其中P用于表示回归模型的维数，y_i∈R，支持向量回归函数为：

其中，系数W与系数b分别表征函数的复杂性与偏置量，其值可用下式的最小值来估算：

上式中，L_ε为损失函数，C为惩罚因子，引入松弛变量ξ_i与以不敏感损失函数作为结构最小化风险问题可将优化目标转化为：

其中，引入拉格朗日方程分别对W、b、ξ_i、求偏导，并令其为0，则得其对偶问题为：

求解上述问题，最终得到支持向量机的回归函数：

上式中，K(x_i,x)用于表示回归模型的核函数，选择其形式为RBF函数：

K(x_i,x)＝exp(-||x_i-x_j||²/2γ²)

其中，支持向量机回归模型中的惩罚系数C与核函数参数γ对预测准确性起重要影响，其参数的优化步骤必不可少。

进一步地，使用人工蜂群算法(ABC)对支持向量机模型参数进行优化。其步骤包括以下：

首先，将变量初始化，假设食物源(即可行解)、引领蜂、跟随蜂个数，根据食物源位置，对惩罚函数C及核函数参数γ进行求取并建立SVR预测模型，根据式：

可以计算适应度，式中Z(i)、分别为第i个数据的实测值、预测值以及平均值；

进一步地，观察蜂进行领域搜索，当搜索到适应度更优的食物源时代替原有食物源位置否则保持不变；根据式：

可以计算概率大小，其中fit_i表示i个食物源的适应度大小，采蜜蜂根据概率大小选择食物源并进行搜索；

然后经过多次更新循环后判断是否在局部寻得最优解，若存在则对食物源位置进行更新；依次重复以上两个步骤直到最小收敛误差为止，最后输出最优的惩罚函数C及核函数参数γ。

进一步地，获取优化后的惩罚函数C及核函数参数γ修正支持向量回归模型，基于训练样本、实测温度数据再次使用人工蜂群算法进行搜索寻优得最佳边界条件，将最佳边界条件施加于模型之上完成最终热分析模型的建立。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于蒸汽发生器的内部结构的温度场建模方法，其特征在于，包括：

步骤S1、对所述蒸汽发生器的内部结构建立初始模型，并对所述初始模型进行简化处理；

步骤S2、将二分之一的所述初始模型进行温度场的计算，以建立所述内部结构的初始有限元模型；

步骤S3、分析所述初始有限元模型的边界条件，并对所述边界条件进行优化，以得到最佳边界条件；

步骤S4、添加所述最佳边界条件至所述初始有限元模型中，以计算所述内部结构的温度场，建立所述内部结构的最终有限元模型；

所述步骤S1包括：

步骤S10、对所述蒸汽发生器的内部结构建立初始模型；

步骤S11、将所述初始模型中的带孔管板简化为实心管板；

步骤S12、将所述初始模型中的支撑板简化为薄板结构，从而完成对所述初始模型的简化处理；

所述步骤S2包括：

步骤S20、根据所述初始模型的对称性，获取二分之一的所述初始模型以进行温度场的计算，从而确定对应的对流换热系数和环境温度参数；

步骤S21、对所述薄板结构、所述实心管板及所述初始模型中的拉杆处采用分区添加的方法，分别添加对流换热系数，从而建立所述内部结构的初始有限元模型。

2.根据权利要求1所述的温度场建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S30、获取所述初始有限元模型的边界条件；

步骤S31、根据所述边界条件进行温度场分析，以提取所述初始有限元模型中的温度值；

步骤S32、根据所述温度值与所述边界条件共同创建训练样本；

步骤S33、根据所述训练样本构建一回归模型；

步骤S34、根据所述回归模型的主要参数修正所述回归模型，所述主要参数包括核函数参数与惩罚因子；

步骤S35、基于所述训练样本、所述回归模型及所述温度值，处理得到所述初始有限元模型的所述最佳边界条件。

3.根据权利要求1所述的温度场建模方法，其特征在于，于所述步骤S20中，所述对流换热系数包括对所述薄板结构的对流荷载与对所述实心管板的对流荷载；

所述环境温度参数通过预先设置的检测设备进行获取。

4.根据权利要求1所述的温度场建模方法，其特征在于，于所述步骤S21中，所述薄板结构采用所述分区添加的方法包括，将二分之一的所述薄板结构分为两个区域，并分别将所述两个区域细化为多个节点，依据细化得到的多个所述节点进行所述对流换热系数的添加。

5.根据权利要求1所述的温度场建模方法，其特征在于，于所述步骤S21中，所述初始模型中的拉杆采用所述分区添加的方法包括，将所述拉杆进行分级，至少分为十一级，每级至少包括四个区域，对所述十一级的所述拉杆进行有限元建模。

6.根据权利要求2所述的温度场建模方法，其特征在于，于所述步骤S33中，所述回归模型通过以下公式表示：

其中，

K(x_i,x)用于表示所述回归模型的核函数；

a_i与用于表示所述回归模型中的拉格朗日乘子系数；

n用于表示训练样本的数量；

b用于表示所述回归模型的偏置量。

7.根据权利要求6所述的温度场建模方法，其特征在于，所述回归模型的核函数通过以下函数表示：

K(x_i,x)＝exp(-||x_i-x_j||²/2γ²)；

其中，

x_i用于表示所述回归模型的输入因子的特征向量，x_i∈R^P，其中P用于表示所述回归模型的维数；

x_j用于表示所述回归模型的输入因子的特征向量，x_j∈R^P，其中P用于表示所述回归模型的维数；

γ用于表示所述回归模型的核函数参数。

8.根据权利要求2所述的温度场建模方法，其特征在于，于所述步骤S30中，根据获取的所述初始有限元模型的边界条件创建包括所述边界条件的记录表格，并根据所述记录表格进行温度场分析。