CN103473398B - 一种集成冷冻站的仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种集成冷冻站的仿真系统及仿真方法，包括数据采集模块、数据处理模块和仿真校核模块。数据采集模块采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息，数据处理模块包括制冷机房单元、设备选型单元、独立仿真单元、集成仿真单元。独立仿真单元依次对冷冻站中的设备、安装平台、管路和管道支架进行集成化的三维仿真建模，数据处理模块对总体三维模型进行位置的审核，仿真校核模块进行最终的力学校核，当力学校核通过时，对集成冷冻站的仿真工作完成。本发明通过将冷冻站所有设备进行集成化的三维仿真建模，使现场施工安装的工程建设变成工厂生产预制、现场模块拼装的机电一体化系统级产品，大大缩短了现场建设周期，大大提高了集成冷冻站的产品质量。

Description

一种集成冷冻站的仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种仿真系统及仿真方法，特别是涉及用于冷冻站的仿真系统及仿真方法。

背景技术

传统冷冻站作为一个现场施工工程，其建设方式落后，责任主体分散，各方只对自己工程内容负责，缺乏系统综合思想。传统冷冻站在现场施工，占地面积大、不同专业交叉作业时间长、协调管理费用高、材料浪费大，接口协调过程复杂、维护管理困难等一系列技术与管理问题，建设工程项目中因制冷机房的实地环境的影响，产生了大量重复低效的工作，浪费了社会资源。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种集成冷冻站的仿真系统及仿真方法，通过集成化的仿真，使冷冻站建设不受制于制冷机房的场地障碍限制，优化施工流程、节省占地面积。

本发明的技术解决方案是：一种集成冷冻站的仿真系统，包括数据采集模块、数据处理模块和仿真校核模块；所述数据采集模块采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息，并发送至数据处理模块；数据处理模块包括制冷机房单元、设备选型单元、独立仿真单元、集成仿真单元；所述制冷机房单元接收环境信息，建立制冷机房三维仿真模型并发送至独立仿真单元；所述设备选型单元接收设备信息，对集成冷冻站中的设备进行选型，并将设备的选型结果发送至独立仿真单元；所述独立仿真单元分别对集成冷冻站中的设备、安装平台、管路和管道支架进行三维仿真建模，并将三维仿真建模的结果输入到集成仿真单元；集成仿真单元设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型，并将总体三维仿真模型发送至数据采集模块；数据采集模块对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核通过时，数据采集模块将总体三维仿真模型发送至仿真校核模块；当审核未通过时，数据采集模块向独立仿真单元发送修改指令，独立仿真单元依据修改指令对总体三维仿真模型进行修改，得到新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块；所述仿真校核模块对接收到的总体三维仿真模型进行力学校核，当力学校核没有通过时，仿真校核模块向独立仿真单元发送校核结果，独立仿真单元依据校核结果完成修改后，集成仿真单元形成新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块进行再次校核；当力学校核通过时，对集成冷冻站的仿真工作完成。

所述独立仿真单元包括设备仿真及定位单元、安装平台单元、管路连接单元、管道支架单元；所述设备仿真及定位单元依据制冷机房三维仿真模型和设备的选型结果，建立设备三维仿真布局并发送至安装平台单元和数据处理模块中的集成仿真单元；安装平台单元依据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型，将设备三维仿真布局和安装平台三维仿真模型共同发送至管路连接单元，将安装平台三维仿真模型单独发送至集成仿真单元；所述管路连接单元设计管路三维仿真布局，并将管路三维仿真布局发送至管道支架单元和集成仿真单元；所述管道支架单元依据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型并发送至集成仿真单元。

所述仿真校核模块包括安装平台校核单元、管路校核单元和管道支架校核单元；所述安装平台校核单元依据集成冷冻站的安装平台三维仿真模型进行力学校核；所述管路校核单元依据集成冷冻站的管路三维仿真布局进行力学校核；所述管道支架校核单元依据集成冷冻站的管道支架三维仿真模型进行力学校核。

一种集成冷冻站的仿真方法，包括下列步骤：

步骤一：采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息；

步骤二：根据设备信息进行设备选型；根据环境信息建立制冷机房三维仿真模型；

步骤三：根据设备选型的结果和制冷机房三维仿真模型，建立设备三维仿真布局；根据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型；根据安装平台三维仿真模型、设备三维仿真布局和设备选型的结果，设计管路三维仿真布局；根据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型；

步骤四：根据设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局和管道支架三维仿真模型，设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型；

步骤五：对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核未通过时，依据审核的结果，修改对应的设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，进入步骤六；当审核通过时，直接进入步骤六；

步骤六：对总体三维仿真模型中的安装平台、管路及管道支架进行力学校核，当力学校核没有通过时，依据校核结果，修改对应的安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，至此完成对集成冷冻站的仿真工作；当力学校核通过时，完成对集成冷冻站的仿真工作。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过三维仿真建模将制冷机房所有设备集成到安装平台上，使现场施工安装的工程建设变成工厂生产预制、现场模块拼装的机电一体化系统级产品，大大缩短了现场建设周期，大大提高了集成冷冻站的产品质量；

(2)本发明通过三维仿真建模，避免制冷机房内墙、立柱、消防管或风管等的影响造成管路无法通过的问题，提高了集成冷冻站的可靠性；同时，整个制冷机房简洁美观，布局合理，维护方便。

(3)本发明通过三维仿真建模及力学仿真校核，以最少的管路数量、最简便的管路连接方式满足集成冷冻站的管路使用要求，节省生产成本；

(4)本发明通过对集成冷冻站安装平台和管道支架的强度及刚度进行仿真校核，大大提高集成冷冻站使用过程中的安全性及可靠性。

(5)通过三维仿真建模及力学仿真校核，降低管路的水阻，提高集成冷冻站的运行效率，降低集成冷冻站的运营成本，节省系统整体的耗电量，节约能源。

附图说明

图1为本发明的仿真系统结构图；

图2为本发明中设备三维仿真建模及定位的示意图；

图3为本发明中安装平台三维仿真建模及仿真配合示意图；

图4为冷冻站的安装平台和管道支架的结构图；

图5为本发明中管路连接三维仿真建模及仿真配合示意图；

图6为本发明中管路支撑三维仿真建模及仿真配合示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的仿真系统包括数据采集模块、数据处理模块和仿真校核模块。数据采集模块采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息，并发送至数据处理模块；数据处理模块包括制冷机房单元、设备选型单元、独立仿真单元和集成仿真单元。冷冻站的设备包括冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵。现有技术中，冷冻站的设计是先完成设备的选型，设备选型完成后在制冷机房中现场安装，管道安装在制冷机房的天花板上，不仅安装接口多，安装难度大，而且难免受制于制冷机房的结构限制，布局散乱，而且需要反复修改最初设计，降低工作效率。

本发明中的制冷机房单元接收环境信息，建立制冷机房三维仿真模型并发送至独立仿真单元。环境信息包括冷冻站所在的制冷机房的结构平面图和设计说明、水系统原理图、控制系统结构图、配电图。制冷机房单元通过能够识别二维平面图，并能建立三维仿真模型的仿真软件实现。

本发明中的设备选型单元接收设备信息，对集成冷冻站中的设备进行选型，并将设备的选型结果发送至独立仿真单元。冷冻站中的设备包括冷水机组、冷动水泵、冷却水泵、管道及其支架，本发明中所说的设备信息包括上述设备的性能参数、型号参数、外形尺寸和数量。设备选型单元可以手动实现，也可以通过特定的设备选型软件实现。

本发明中的独立仿真单元分别对集成冷冻站中的设备、安装平台、管路和管道支架进行三维仿真建模，并将三维仿真建模的结果输入到集成仿真单元。独立仿真单元包括设备仿真及定位单元、安装平台单元、管路连接单元、管道支架单元。

设备仿真及定位单元依据制冷机房三维仿真模型和设备的选型结果，建立设备三维仿真布局并发送至安装平台单元和数据处理模块中的集成仿真单元。如图2所示，设备仿真及定位单元首先依据设备的选型结果，使用三维仿真软件进行三维仿真建模，得到冷水机组1、冷冻水泵2和冷却水泵3的三维仿真模型。再根据制冷机房4三维仿真模型，对冷水机组1、冷冻水泵2、冷却水泵3进行重新排布，使各设备集成在一起，以冷水机组1作为基准，将设备定位；排布时考虑设备间最小间距要求，考虑设备及管路的安装空间。

如图3所示，安装平台单元依据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型，将设备三维仿真布局和安装平台三维仿真模型共同发送至管路连接单元，将安装平台三维仿真模型单独发送至集成仿真单元。安装平台单元根据冷水机组1、冷冻水泵2、冷却水泵3在制冷机房4的位置，使用三维仿真软件画出集成冷冻站安装平台的三维仿真模型，并与冷水机组1、冷冻水泵2、冷却水泵3仿真配合，保证上述设备都可以安装在一个平台上。安装平台5其上表面的平面度小于等于3mm，实现集成冷冻站由现场施工安装变成工厂生产预制、现场模块拼装的机电一体化系统级产品，大大缩短了现场建设的时间，大大提高了集成冷冻站的产品质量，大大降低了集成冷冻站的维护成本。

如图4所示，冷冻站的安装平台5为图4中最下层放置的水平矩形框架结构，安装平台5上方有管道支架。安装平台5与设备仿真及定位单元的发出的设备三维仿真布局相匹配，改变了传统冷冻站粗放型、随意性、无序性的分布形式，将冷冻站的设备集成，解决了众多设备之间和设备与控制系统之间分界面多、接口协调过程复杂、维护管理困难等问题，不仅极大提高了冷冻站的安装效率，而且使冷冻站占地面积节省了1/3以上、使用最小的占地面积实现产品功能，为冷冻站使用方增加了可观的经济效益。

如图5所示，管路连接单元在设备仿真及定位单元、安装平台单元的基础上设计管路三维仿真布局，并将管路三维仿真布局发送至管道支架单元和集成仿真单元。传统冷冻站在安装时，需要将管道吊装于制冷机房的天花板上，为保证管道的水平一致性，需要增加许多弯道，增加施工难度。管路连接单元根据冷水机组1、冷冻水泵2、冷却水泵3和安装平台5在制冷机房4的位置，使用三维仿真软件画出管路7连接的三维仿真模型，并与冷水机组1、冷冻水泵2、冷却水泵3仿真配合。通过三维仿真建模，所有主管都在一个标高上，相互不交叉；所有冷冻水管路有足够的空间加保温层，所有的管路有足够的空间加支撑支架，以最少的管路数量、最简便的管路连接方式满足集成冷冻站的管路使用要求，节省生产成本；避免制冷水机组房内墙、消防管或风管等的影响造成管路无法通过的问题；降低管路的水阻，提高集成冷冻站的运行效率，节省系统整体的耗电量，节约能源。

如图6所示，管道支架单元依据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型并发送至集成仿真单元。管道支架单元根据管路和安装平台在制冷机房的位置，使用三维仿真软件画出各管道支架的三维仿真模型，管道支架6的外形如图4所示，管道支架6固定连接在安装平台上。管道支架6包括管夹8、立柱9和支撑板10，管夹8上开有用于使管道穿过的通孔，立柱9分别与管夹8和支撑板10焊接，支撑板10与安装平台5固定连接。管道支撑6架可以单独使用，也可以组合使用，当同一水平面上有多根管道时，采取组合结构的管道支架6，结构更紧凑。

集成仿真单元设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型，并将总体三维仿真模型发送至数据采集模块；数据采集模块对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核通过时，数据采集模块将总体三维仿真模型发送至仿真校核模块；当审核未通过时，数据采集模块向独立仿真单元发送修改指令，独立仿真单元依据修改指令对总体三维仿真模型进行修改，得到新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块。

仿真校核模块对接收到的总体三维仿真模型进行力学校核，仿真校核模块包括安装平台校核单元、管路校核单元和管道支架校核单元。安装平台校核单元依据安装平台三维仿真模型进行力学校核；管路校核单元依据管路三维仿真布局进行力学校核；管道支架校核单元依据管道支架三维仿真模型进行力学校核。力学校核采用力学仿真校核软件来保证集成冷冻站安装平台、管路及管道支架的强度及刚度。集成冷冻站安装平台、管路和管道支架是集成冷冻站的关键承载部件，故应对其结构的强度和静态刚度进行校核，以保证使用过程中的安全性及可靠性。当力学校核没有通过时，仿真校核模块向独立仿真单元发送校核结果，独立仿真单元依据校核结果完成修改后，集成仿真单元形成新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块进行再次校核；当力学校核通过时，对集成冷冻站的仿真工作完成。

下面对本发明中的一种集成冷冻站的仿真方法进行说明。

步骤一：采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息；

步骤二：根据设备信息进行设备选型；根据环境信息建立制冷机房三维仿真模型；

步骤三：根据设备选型的结果和制冷机房三维仿真模型，建立设备三维仿真布局；根据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型；根据安装平台三维仿真模型、设备三维仿真布局和设备选型的结果，设计管路三维仿真布局；根据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型；

步骤四：根据设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局和管道支架三维仿真模型，设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型；

步骤五：对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核未通过时，依据审核的结果，修改对应的设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，进入步骤六；当审核通过时，直接进入步骤六；

步骤六：对总体三维仿真模型进行校核，尤其是对安装平台、管路及管道支架这三类关键承载部件进行力学校核。

例如，由于安装平台最不利工况点位于冷水机组底座处，冷水机组底座可采用H型钢焊接而成，材料为Q235钢。当单台冷水机组的运行重量为8500kg，由于冷水机组与冷水机组底座之间是依靠冷水机组四个支角处的地脚螺栓孔进行连接的，因此有限元分析时，考虑1.17倍的动载系数，在四个螺栓孔各施加25000N的力，以冷水机组底座的下表面为固定点，经过力学仿真校核软件计算分析，冷水机组底座结构的最大合成应力为45.2Mpa，位于冷水机组与冷水机组底座连接部位，而冷水机组底座材料为Q235钢，许用应力＝176Mpa，故从应力角度看，结构强度有很大余量，故结构设计安全；冷水机组底座变形最大值为0.2mm，位于冷水机组与冷水机组底座连接部位，其变形满足现有的使用要求；整个冷水机组底座结构的应力变化平缓，各点没有明显的应力集中，故结构设计合理。管道支架可采用矩形钢焊接而成，材料为Q235钢。管道支架用来支撑集成冷冻站中的管路，承受管路及水的重量，其重量约14000kg，由于管路与管道支架之间是通过管夹进行连接的，因此有限元分析时，考虑1.17倍的动载系数，在八个管夹连接处各施加15000N的力，以管道支架立柱的下表面为固定点，经过力学仿真校核软件计算分析，管道支架结构的最大合成应力为58.8Mpa，位于管道支架中管夹的连接部位，而管道支架材料为Q235钢，许用应力＝176Mpa，故从应力角度看，结构强度有很大余量，故结构设计安全；管道支架变形最大值为1.4mm，位于管道支架的中间部位，其变形满足现有的使用要求；整个管道支架结构的应力变化平缓，各点没有明显的应力集中，故结构设计合理。管路采用无缝钢管，材料为Q235钢。，经过力学仿真校核软件计算分析，可以得出集成冷冻站管路的变形情况和实际管路中承受应力变形最大的位置，因此在这些管路上加强支撑，减小因管路重力和安装应力造成的危害；可以确定整个管路的布置及固定方式，确保整个管路在运行过程中的安全，可确定优化设计后的集成冷冻站管路布置及固定方式可以很好的满足实际使用需求。

当上述力学校核没有通过时，依据校核结果，修改对应的安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，至此完成对集成冷冻站的仿真工作；当力学校核通过时，完成对集成冷冻站的仿真工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种集成冷冻站的仿真系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块和仿真校核模块；所述数据采集模块采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息，并发送至数据处理模块；数据处理模块包括制冷机房单元、设备选型单元、独立仿真单元、集成仿真单元；所述制冷机房单元接收环境信息，建立制冷机房三维仿真模型并发送至独立仿真单元；所述设备选型单元接收设备信息，对集成冷冻站中的设备进行选型，并将设备的选型结果发送至独立仿真单元；所述独立仿真单元分别对集成冷冻站中的设备、安装平台、管路和管道支架进行三维仿真建模，并将三维仿真建模的结果输入到集成仿真单元；集成仿真单元设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型，并将总体三维仿真模型发送至数据采集模块；数据采集模块对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核通过时，数据采集模块将总体三维仿真模型发送至仿真校核模块；当审核未通过时，数据采集模块向独立仿真单元发送修改指令，独立仿真单元依据修改指令对总体三维仿真模型进行修改，得到新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块；所述仿真校核模块对接收到的总体三维仿真模型进行力学校核，当力学校核没有通过时，仿真校核模块向独立仿真单元发送校核结果，独立仿真单元依据校核结果完成修改后，集成仿真单元形成新的总体三维仿真模型并发送至仿真校核模块进行再次校核；当力学校核通过时，对集成冷冻站的仿真工作完成。

2.根据权利要求1所述的一种集成冷冻站的仿真系统，其特征在于：所述独立仿真单元包括设备仿真及定位单元、安装平台单元、管路连接单元、管道支架单元；所述设备仿真及定位单元依据制冷机房三维仿真模型和设备的选型结果，建立设备三维仿真布局并发送至安装平台单元和数据处理模块中的集成仿真单元；安装平台单元依据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型，将设备三维仿真布局和安装平台三维仿真模型共同发送至管路连接单元，将安装平台三维仿真模型单独发送至集成仿真单元；所述管路连接单元设计管路三维仿真布局，并将管路三维仿真布局发送至管道支架单元和集成仿真单元；所述管道支架单元依据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型并发送至集成仿真单元。

3.根据权利要求1所述的一种集成冷冻站的仿真系统，其特征在于：所述仿真校核模块包括安装平台校核单元、管路校核单元和管道支架校核单元；所述安装平台校核单元依据集成冷冻站的安装平台三维仿真模型进行力学校核；所述管路校核单元依据集成冷冻站的管路三维仿真布局进行力学校核；所述管道支架校核单元依据集成冷冻站的管道支架三维仿真模型进行力学校核。

4.一种集成冷冻站的仿真方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一：采集集成冷冻站中的设备信息和环境信息；

步骤二：根据设备信息进行设备选型；根据环境信息建立制冷机房三维仿真模型；

步骤三：根据设备选型的结果和制冷机房三维仿真模型，建立设备三维仿真布局；根据设备三维仿真布局，设计集成冷冻站的安装平台三维仿真模型；根据安装平台三维仿真模型、设备三维仿真布局和设备选型的结果，设计管路三维仿真布局；根据管路三维仿真布局设计管道支架三维仿真模型；

步骤四：根据设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局和管道支架三维仿真模型，设计面向整个集成冷冻站的总体三维仿真模型；

步骤五：对总体三维仿真模型进行布局位置的审核，当审核未通过时，依据审核的结果，修改对应的设备三维仿真布局、安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，进入步骤六；当审核通过时，直接进入步骤六；

步骤六：对总体三维仿真模型中的安装平台、管路及管道支架进行力学校核，当力学校核没有通过时，依据校核结果，修改对应的安装平台三维仿真模型、管路三维仿真布局或管道支架三维仿真模型，完成修改以后，设计新的总体三维仿真模型，至此完成对集成冷冻站的仿真工作；当力学校核通过时，完成对集成冷冻站的仿真工作。