До сих пор мы рассматривали в основном только соотношения, формулы, системы уравнений, описывающие те или иные процессы в парогенераторе, те или иные его характеристики. По существу, речь шла о математических моделях. Однако если имеются математические модели, пусть даже описывающие все процессы и параметры ПГ, то это еще не означает, что имеется автоматизированная система проведения конструкторских расчетов. Чтобы стать системой, математические модели должны быть объединены некоторой общей логикой, общими принципами построения, обеспечивающими их гармонию, взаимную согласованность.
Основные принципы автоматизации конструкторских расчетов
Процесс проектирования — это всегда процесс выбора из многих возможных решений одного, наиболее полно удовлетворяющего выдвигаемым требованиям.
Проектирование сопровождается большим количеством вариантных расчетов разнообразных конструкций и сравнением их между собой. Следовательно, если говорить об автоматизации проектирования, то следует говорить не только об автоматизации одиночного проектного расчета, а об автоматизации расчетов всей совокупности возможных вариантов и их сравнения между собой.
Расчет одного варианта конструктивного исполнения включает множество различных по физической сущности и степени сложности задач. Перечислим некоторые из них:
расчет теплофизических свойств теплоносителей и конструкционных материалов;
расчет коэффициентов теплообмена по трактам греющего и нагреваемого теплоносителя;
расчет гидравлических сопротивлений по трактам обоих теплоносителей;
расчет геометрических размеров основных элементов парогенераторв из условий обеспечения прочности;
определение геометрических связей между различными элементами;
определение характеристик, по которым возможны ограничения (например, напряжения, плотность теплового потока, скорость изменения температуры, степень неравномерности пароводяного потока);
решение системы уравнений теплогидравлики.
Конкретный вид расчетных соотношений и алгоритмов зависит как от конструктивного исполнения, так и от области режимных параметров. Различные расчеты не являются независимыми, связаны друг с другом потоками информации и общими элементами. Для проведения оптимизационных расчетов в широком классе конструкций, конструкционных материалов и режимных параметров наряду с быстродействием должна быть обеспечена возможность проведения без ввода дополнительных данных и изменений в программах (т. е. без прерывания счета) расчетов парогенераторв различного конструктивного исполнения с использованием различных теплопередающих элементов, различных конструкционных материалов и в широком диапазоне по массовым скоростям, давлению, температуре. Совершенно очевидно, что успех в создании эффективно действующей системы автоматизированных конструкторских расчетов невозможен без соответствующего внимания к организации программного обеспечения, к методам управления работой отдельных элементов программного комплекса.
В условиях большого объема расчетов, с одной стороны, и возможности выделения относительно независимых частей расчета, с другой, целесообразно использовать принцип модульноиерархической организации программ. Все программное обеспечение представляет собой комплекс программ модулей, из которых можно посредством управляющей программы собрать именно такой пакет, который необходим для решения данной конкретной задачи. Модульная организация программ упрощает программирование. Модули каждого уровня относительно просты, невелики по объему, отлаживаются независимо друг от друга. Модули более высокого уровня не загромождены «деталями». Программирование разных модулей может вестись параллельно. Модульность дает возможность при необходимости быстро заменить или скорректировать отдельные части программы. Однако при модульной организации программ необходимо повышенное внимание к обеспечению согласования потоков информации между модулями, оптимальной организации этих потоков.
Хорошее сочетание таких качеств, как удобство пользования, возможность параллельного программирования, мобильность компоновки программ более высокого уровня, обеспечивается при оформлении комплекса в виде блоков подпрограмм, отличающихся «специализацией», физической сущностью решаемых данными модулями задач. Конкретный вид такой структуры рассмотрим в следующем разделе.
Обратимся теперь к тому, каким образом можно обеспечить универсальность программной реализации методик по отношению к конструктивному исполнению ПГ. Различия в характере движения теплоносителей в конструкциях требуют применения различных соотношений при конкретизации коэффициентов уравнений теплогидравлики и введения геометрических соотношений для связки координат по трактам теплоносителей. Обеспечение автоматического выбора требуемых соотношений при программной реализации методики расчета достигается введением классификаторов типов конструкций и характера движения теплоносителя. В этом и заключается второй принцип автоматизации — управление алгоритмом посредством классификации признаков. Каждому конструктивному исполнению ПГ поставим в соответствие определенное значение переменной, служащей идентификатором конструкций. Например:
Конструкция парогенератора Значение КТР
Труба в трубе......................................................................................................... 0
Пучок прямых труб в прямом корпусе.................................................................. 1
Пучок труб в корпусе в виде винтового змеевика ................................................ 2
Пучок витых труб в прямом корпусе.................................................................... 3
Пучок труб в корпусе в виде плоского змеевика ................................................. 4
Пучок труб в виде плоского змеевика в прямом корпусе..................................... 5
U-, J-, S-, L-образные......................... :........................................................ 6
Этот список, очевидно, может быть продолжен или сокращен в зависимости от требований потребителя. Численное значение переменной ΚΤΙΡ, задаваемой в исходных данных для расчета, является тем формальным параметром, по которому определяется необходимая для соответствующего конструктивного исполнения ветвь алгоритма.
В разных конструкциях реализуется разный тип движения греющего теплоносителя, требующий выбора той или иной расчетной зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Поставим в соответствие каждому виду течения определенное значение переменной КВТ, служащей идентификатором вида течения в программных реализациях методики:
Вид течения греющего теплоносителя
Значение КВТ
Течение в трубах и кольцевых каналах....................................................... 0
Продольное обтекание пучка труб ............................................................ 1
Поперечное обтекание пучка труб ........................................................................... 2
Продольно-поперечное (косое) обтекание пучка труб ............................. 3
Аналогично для потока нагреваемого теплоносителя (рабочего тела):
Вид течения греющего теплоносителя Значение МВТ
Движение в трубах без интенсификаторов ......................................................... 0
Движение в трубах с интенсификаторами .......................................................... 1
Движение в межтрубном пространстве............................................................... 2
Информация о значениях переменных КВТ и МВТ используется при выборе соотношений для расчета коэффициентов трения и теплообмена. Информация о значении переменной KTIP служит основой для автоматического присвоения соответствующего значения КВТ и проведения ряда расчетов геометрических параметров (проходные сечения, гидравлические диаметры, угол наклона труб и т. п.).
Аналогичным образом для обеспечения расчетов парогенераторв с использованием разных конструкционных материалов вводится идентификатор материала NCT. Значение этого идентификатора определяет работу подпрограммы расчета теплофизических и прочностных свойств сталей в соответствии со списком.
Таким образом, модульный принцип построения программ с введением классификации конструкций по признакам (геометрическая форма теплообменного пучка труб, конструкция теплопередающих труб, характер течения теплоносителя), существенно влияющим на выбор расчетных зависимостей, позволяет автоматизировать расчет любой конструкции, вошедшей в классифицированную группу. Но ПГ могут отличаться еще целым рядом признаков, практически не влияющих на теплогидравлические расчеты, но существенных по технико-экономическим показателям. Например, ПГ могут отличаться способом вывода теплопередающих труб за пределы корпуса — через трубные доски или через тепловые муфты, наличием или отсутствием секционирования трубного пучка по воде/пару, количеством и конструкцией устройств подвода натрия в межтрубное пространство и др.
Можно было бы и эти признаки учесть при классификации конструкций, но это приведет к лавинообразному росту числа типов конструкций, уменьшит гибкость системы из-за жесткой фиксации сочетаний элементов парогенераторв с различным конструктивным исполнением, усложнит алгоритм выбора нужной расчетной ветви при теплогидравлическом расчете избыточной информацией.
Уже упоминалось о разного рода технологических ограничениях, накладываемых на конструктивное исполнение трубного пучка непосредственно разработчиком. Эти ограничения в достаточной мере расплывчаты, сильно зависят от сопутствующих факторов (ориентации на определенный завод-изготовитель, способов транспортировки на место монтажа и т. п.). Формализация таких ограничений затруднена и вряд ли целесообразна.
Более эффективным средством является организация диалога человек — ЭВМ при конструкторских расчетах (поверочные расчеты, в которых все детали конструктивного исполнения уже определены, не требуют диалогового режима). Эффективность организации диалогового режима зависит от конкретной его реализации. Если ограничить его лишь последовательным формальным вводом очередной запрашиваемой информации, то такой диалоговый режим окажется малоэффективным. Гораздо важнее возложить на диалоговую организацию счета функцию сохранения творческого начала работающего с ЭВМ конструктора, представить ему возможность, опираясь на промежуточные результаты, влиять на дальнейшую работу программ.
Итак, мы сформулировали и попытались обосновать три основных принципа, позволяющих создать эффективную и удобную в эксплуатации автоматизированную систему проведения конструкторских расчетов, это:
модульно-иерархическое построение программ;
управление алгоритмом посредством классификации технических признаков;
организация диалогового режима ЭВМ — конструктор.
Именно эти принципы определили структуру программного обеспечения и алгоритмы программ, рассматриваемых в следующих разделах.
Структура программного обеспечения
При выборе структуры программного комплекса, конкретного содержания отдельных модулей принимаются во внимание простота программирования, определенная иерархия различных расчетов, возможность различного целевого применения модулей, минимальность взаимных потоков информации при работе модулей. Весь комплекс программ конструкторских расчетов содержит несколько блоков программ-модулей, объединяющих физически близкие задачи. Напомним, что под конструкторским расчетом мы подразумеваем не только теплогидравлический расчет, но и определение технико-экономических показателей.
Первый блок программ-модулей обеспечивает расчет теплофизических свойств теплоносителей и конструкционных материалов. Он включает в себя следующие модули для расчетов:
FSTS —свойств воды/пара на линии насыщения;
CBL —свойств воды, недогретой до L;
CBV —свойств перегретого пара;
НТ —температуры (энтальпии) воды/пара по энтальпии
(температуре) и давлению;
СВМ — свойств щелочных металлов;
СРМ — средней теплоемкости щелочных металлов на интервале от Τ1 до T2;
СВСТ — коэффициентов теплопроводности, температурного расширения, предельно допустимых напряжений конструкционных материалов.
Второй блок программ-модулей обеспечивает расчет коэффициентов теплообмена и термических сопротивлений. Эти программы второго уровня в иерархической структуре, использующие модули первого блока для расчетов.
ALKOH — конвективного теплообмена в потоке воды;
ALKIP — теплообмена при кипении;
ALYX — коэффициентов теплоотдачи в области ухудшенного теплообмена;
APAR — коэффициентов теплоотдачи к насыщенному и перегретому пару;
QKPIT —условий перехода к ухудшенному теплообмену;
ALFM — коэффициентов теплоотдачи со стороны щелочного металла в различных геометрических условиях;
RRCT — термического сопротивления цилиндрической стенки;
RDW — термического сопротивления двухслойной цилиндрической стенки с учетом контактного термического сопротивления.
В этот же блок входит модуль третьего уровня ALB, объединяющий все расчеты коэффициентов теплоотдачи к воде/пару с соответствующими условиями перехода от одного режима теплообмена к другому.
Следующий блок программ-модулей обеспечивает расчет гидравлических характеристик;
DPB — градиентов и перепадов давления по пароводяному тракту;
DPM — градиентов и перепадов давления по жидкометаллическому тракту;
DPLOC — перепадов давления на местных сопротивлениях. Четвертый блок программ-модулей предназначен для прочностных расчетов. Он включает в себя подпрограммы расчетов:
DELTA — толщины цилиндрических элементов;
DELTD — толщины трубных досок;
DELKP — толщины днищ.
Вся совокупность перечисленных модулей представляет собой базовый пакет программ, фундамент, на котором строится все здание конструкторского расчета. Если эти модули созданы, то при составлении программ более высокого уровня уже не надо заботиться об огромной, трудоемкой и громоздкой части расчетов, достаточно обеспечить правильный вызов соответствующих подпрограмм в нужном месте.
Центральное место в комплексе занимает программа DCSD, обеспечивающая решение системы уравнений (4.1) — (4.13) общей постановки задачи. На базе этой подпрограммы строятся различные конкретные программы теплогидравлических расчетов — конструкторских и поверочных. Завершает иерархическую пирамиду управляющая программа PROEKT, на которую возложена организация диалога, распознавание по классификационным признакам типа конструкции и соответствующее управление работой подпрограмм-модулей.
