CN114239432B - 基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶软件开发领域，具体涉及一种基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法。本发明首先参数初始化模块和计算模块；参数初始化模块进行边界条件、结构及初始参数三类参数的设置；计算模块为模型程序的核心计算模块，由主凝区计算模块、中间换热器计算模块、内部换热器计算模块、热井计算模块、空冷区计算模块及旁路排放计算模块6部分组成。本发明针对船舶二回路系统传统结构形式的冷凝器和换热器，以及多介质套管式结构的集成冷凝器，结合其结构和功能高度集成的特点，建立通用的多结构、多压力节点换热器的动态仿真模型，并兼顾仿真研究所需的实时性和仿真结果高精度。

Description

基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发 方法

技术领域

本发明属于船舶软件开发领域，具体涉及一种基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法。

背景技术

目前，集成化、模块化设计是船舶核动力装置在有限舱容条件下实现大功率动力的必然需求，换热设备是船舶动力系统的重要组成部分，占据大量船舶空间重量，船舶二回路系统换热器主要包括冷凝器和给水加热器以及其它水-水、油-水换热器等多种换热形式的设备。目前国内外成熟的换热器通用模型只能利用集总参数法进行结构简单的管壳、表面式换热器的动态仿真分析，而为单一结构型式换热设备开发的仿真模型大都采用因果建模方法，按实际物理过程顺序求解，模型的冗余程度较高，模型的扩展性较弱，且在二回路系统多种设备联合仿真时存在兼容、交互的困难。

由于船舶二回路系统频繁变负荷和高可靠性的运行要求，高度集成布置的多结构、多功能换热器仿真模型的各个换热环节被划分为多个压力节点，以兼顾变负荷和故障工况仿真研究所需实时性和仿真结果高精确度的要求，但由于集成换热器结构复杂，压力节点数多，其动态仿真的实时计算存在较大困难。设备仿真模型的因果建模方法是按实际物理过程顺序求解，模型的冗余程度较高，模型的扩展性较弱。船舶二回路系统组成复杂、子系统及设备间耦合关联性强、动态响应收敛限制因素多，但二回路系统仿真时不同方法开发的设备模型存在时间步长协调和数据交互问题，不利于系统仿真的实时性和联合调试。一般自主开发的仿真模型实现图形化建模存在困难，通过文本的形式进行模型的输入和输出，不利于用户的使用和计算结果的检查。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法，首先参数初始化模块和计算模块；参数初始化模块进行边界条件、结构及初始参数三类参数的设置；计算模块为模型程序的核心计算模块，由主凝区计算模块、中间换热器计算模块、内部换热器计算模块、热井计算模块、空冷区计算模块及旁路排放计算模块6部分组成；冷凝器包括换热管壁面单元、壳侧工质单元、管侧工质单元、空冷区单元及热井凝水区单元；中间换热器包括壳体壁面单元、壳侧工质单元、换热管壁面单元及管侧工质单元；内部换热器包括壳体壁面单元、壳侧工质单元、换热管壁面单元及管侧工质单元；其中管侧工质单元为循环冷却水边界单元，壳侧工质单元为中间介质边界单元；具体步骤包括：

(1)基于Mworks平台顺序新建package和model，对使用的变量类型进行定义，赋予量纲属性并定义相关变量，程序将通过量纲来校核方程的准确性；

(2)对设备实际物理过程进行方程描述，modelica非因果建模的特性，模型方程没有先后顺序，通过共同使用的变量来实现参数传递和方程的耦合；同时程序进行参数初始化，定义时间参数、边界条件、正常工况和事故工况输入条件、初值和旁路蒸汽调用的逻辑参数、针对不同的仿真对象定义每个单元的结构参数及相关变量初值参数；

(3)相应模块的检查、仿真，边界条件、逻辑参数及内部参数的计算；

(4)整个模型的检查通过后，调用内部求解器进行仿真计算，计算结果可通过Mworks平台进行查看和调用；

(5)将整个冷凝器模型设置图标和参数输入窗口，以实现图形化建模和窗口参数输入，最后打包封装。

本发明的有益效果在于：

针对船舶二回路系统传统结构形式的冷凝器和换热器，以及多介质套管式结构的集成冷凝器，结合其结构和功能高度集成的特点，建立通用的多结构、多压力节点换热器的动态仿真模型，并兼顾仿真研究所需的实时性和仿真结果高精度。该仿真模型采用非因果建模方法，利用近年流行基于Mworks平台的Modelica建模语言实现，换热器的物理过程通过方程来描述，这与因果模型中的描述是相同的，但Modelica语言不需要人为离散，可以直接写微分方程，由于同时存在微分方程和一些离散形式的计算公式，所以是离散和连续耦合的计算过程，通过Mworks平台自带的求解器同时求解所有方程，在求解的过程中，选择变时间步长解法，求解速度非常快。

附图说明

图1为传统结构冷凝器示意图；

图2为换热器结构图；

图3为集成冷凝器结构示意图；

图4为本发明方法结构示意图；

图5为多介质套管式换热器的多压力节点单元划分方案示意图；

图6为具体方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

针对船舶二回路系统传统结构形式的冷凝器(附图1)和换热器(附图2)，以及多介质套管式结构的集成冷凝器(附图3)，结合其结构和功能高度集成的特点，建立通用的多结构、多压力节点换热器的动态仿真模型，并兼顾仿真研究所需的实时性和仿真结果高精度。该仿真模型采用非因果建模方法，利用近年流行基于Mworks平台的Modelica建模语言实现，换热器的物理过程通过方程来描述，这与因果模型中的描述是相同的，但Modelica语言不需要人为离散，可以直接写微分方程，由于同时存在微分方程和一些离散形式的计算公式，所以是离散和连续耦合的计算过程，通过Mworks平台自带的求解器同时求解所有方程，在求解的过程中，选择变时间步长解法，求解速度非常快。

主程序主要包括(附图4)：参数初始化模块和计算模块。参数初始化模块主要进行边界条件、结构及初始参数三类参数的设置。计算模块为模型程序的核心计算模块，主要为主凝区计算模块、中间换热器计算模块、内部换热器计算模块、热井计算模块、空冷区计算模块及旁路排放计算模块6部分组成。多介质套管式换热器的多压力节点单元划分方案见附图5，冷凝器包括换热管壁面单元(1～12)、壳侧工质单元(13～24)、管侧工质单元(25～36)、空冷区单元(133)及热井凝水区单元(134)；中间换热器包括壳体壁面单元(37～48)、壳侧工质单元(49～60)、换热管壁面单元(61～72)及管侧工质单元(73～84)；内部换热器包括壳体壁面单元(85～96)、壳侧工质单元(97～108)、换热管壁面单元(109～120)及管侧工质单元(121～132)。其中管侧工质单元1、73和121为循环冷却水边界单元，壳侧工质单元60和108为中间介质边界单元。

程序运行的具体计算流程如附图6所示，具体步骤如下:

1)基于Mworks平台顺序新建package和model，对使用的变量类型进行定义，赋予量纲属性并定义相关变量，程序将通过量纲来校核方程的准确性；

2)对设备实际物理过程进行方程描述，modelica非因果建模的特性，模型方程没有先后顺序，通过一些共同使用的变量来实现参数传递和方程的耦合。同时程序进行参数初始化，主要定义时间参数、边界条件、正常工况和事故工况输入条件、初值和旁路蒸汽调用的逻辑参数、针对不同的仿真对象定义每个单元的结构参数及相关变量初值参数等；

3)相应模块的检查、仿真，边界条件、逻辑参数及内部参数的计算；

4)整个模型的检查通过后，调用内部求解器进行仿真计算，计算结果可通过Mworks平台进行查看和调用；

5)将整个冷凝器模型设置图标和参数输入窗口，以实现图形化建模和窗口参数输入，最后打包封装。

本发明要保护的关键点在于，基于Modelica的多结构、多压力节点船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法。

表1三维构型数组MtConfig构型参数

Claims (1)

1.基于Modelica的船舶二回路系统换热器动态仿真模型开发方法，首先参数初始化模块和计算模块；参数初始化模块进行边界条件、结构及初始参数三类参数的设置；计算模块为模型程序的核心计算模块，由主凝区计算模块、中间换热器计算模块、内部换热器计算模块、热井计算模块、空冷区计算模块及旁路排放计算模块6部分组成；冷凝器包括换热管壁面单元、壳侧工质单元、管侧工质单元、空冷区单元及热井凝水区单元；中间换热器包括壳体壁面单元、壳侧工质单元、换热管壁面单元及管侧工质单元；内部换热器包括壳体壁面单元、壳侧工质单元、换热管壁面单元及管侧工质单元；其中管侧工质单元为循环冷却水边界单元，壳侧工质单元为中间介质边界单元；其特征在于，具体步骤包括：

(1)基于Mworks平台顺序新建package和model，对使用的变量类型进行定义，赋予量纲属性并定义相关变量，程序将通过量纲来校核方程的准确性；

(2)对设备实际物理过程进行方程描述，modelica非因果建模的特性，模型方程没有先后顺序，通过共同使用的变量来实现参数传递和方程的耦合；同时程序进行参数初始化，定义时间参数、边界条件、正常工况和事故工况输入条件、初值和旁路蒸汽调用的逻辑参数、针对不同的仿真对象定义每个单元的结构参数及相关变量初值参数；

(3)相应模块的检查、仿真，边界条件、逻辑参数及内部参数的计算；

(4)整个模型的检查通过后，调用内部求解器进行仿真计算，计算结果可通过Mworks平台进行查看和调用；

(5)将整个冷凝器模型设置图标和参数输入窗口，以实现图形化建模和窗口参数输入，最后打包封装。

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